Устройство для смешения и дозирования газовой смеси

СОЮЭ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК А 1 И. ИЕ ИЗОБРЕТЕ ПИ АВТ и ,а ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(21) 4808914/26 (22) 02.04.90 (46) 23.08.93. Бюл, М 31 (71) Рижский институт инженеров гражданской авиации им. Ленинского комсомола (72) Н. Г, Шумов (56) Авторское свидетельство СССР В 242137, кл. В 01 Е 3/02, 1967, публ,Справочник. Техника микродозирования газов. Методы и средства для получения газовых смесей. Л., Химия, Л,О. 1985, стр.27, рис,4 б. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СМЕШЕНИЯ И ДОЗИРОВАНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ (57) Использование: изобретение относится к области дозирования, а именно к дозаторам газа, и может быть использовано для пропорционального смешения двух газов. Сущность: устройство содержит диафрагмы 1.0, установленные в подводящих трубопроводах постоянного сечения перед смесителем 10. На выходе его расположен дозатор 14, управляемый злектропневмоклапаном 15. За диафрагмами 1.0 последовательно Ы 18353 О 9(51)5 В 01 Р 15/04,6 05 0 27/00 перед смесителем установлены газовые редукторы 1.1 и 1.2, регулируемые дроссели 2.1 и 2.2 с приводами 3.1 и 3.2, за которыми размещены в каждой магистрали датчики давления 4.1 и 4.2 с последовательно включенными усилителями 5,1 и 5.2, вычислители дисперсий 6.1 и 6.2, выходы которых подключены к сравнителю синхронизируемых потоков 7. А выход с него подключен к программному сравнителю 8, выходы которого подключены к блокам корректирующих контуров 9.1 и 9.2, которые управляют приводами дросселей 3,1 и 3.2. На выходном трубопроводе доэатора 14 размещен дополнительно датчик давления 4.3 с последовательно включенными усилителем 5,3, вычислителем 11 и сравнителем 12, выход которого подключен к приводу 3.3 регулируемого дросселя 2,3, установленного на вы- Б ходе смесителя 10. Задатчик времени с таймером 13 подключен к электропневмоклапану 15 пневматического привода доэатора 14 и к приводу регулируемого дросселя 33 1 илПредлагаемое изобретение относится к области дозирования, э именно дозаторам газа, и может быть использовано в химической, газовой и металлургической промышленности для пропорционального смешения двух газов в качестве самостоятельного прибора, или в качестве самостоятельного узла сложной производственной установки. поточной линии или завода-автомата.Цель изобретения - повышение точности смешивания газов и дозирования смеси в заданных пределах,Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит диафрагмы, установленные в подводящих трубопроводах перед смесителем, на выходе которого расположен дозатор, управляемый пневматическим приводом, а зэ диафрагмами дополнительно последовательно перед смесителем установлены газовые редукторы, регулируемые дроссели с приводами, за которыми размещены датчики давления с последовательно включенными усилителями, вычислителями дисперсий, выходы которых подключены к сравнителю синхронизируемых потоков, а выход последнего - к программному сравнителю, выходы которого подключены к блокам корректирующих контуров, управляющих приводами дросселей, Причем, на входном трубопроводе дозатора дополнительно размещен датчик давления с последовательно включенными усилителем, вычислителем и сравнителем, выход которого подключен к приводу регулируемого дросселя, установленного на выходе смесителя, и задатчик времени с таймером, управляющий злектропневмоклапаном дозатора,Сформулированные отличительные признаки предложенного решения обеспечивают достижение цели изобретения - повышение точности смешивания газов и доэирования газовой смеси. Повышение точности смешивания газов по критерию минимума дисперсии расхода, а дозирование по критерию минимума среднеквадратического отклонения давления основано на зависимости дисперсии синхронизируемого параметра в питаемой магистрали. На фиг,1 б, в качестве примера для воздуха, показаны функциональные зависимости дисперсии расхода 00 от давления, полученные по результатам обработки множества реализацией О(1) и вычисления значений корреляционных функций, Анализ полученных зависимостей дисперсии регулируемого параметра от давления для систем, работающих в различных. но статистически стационарных режимах, показал чго для каждого фиксированного зна 5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 чения положения регуляторов расхода, изменяя давления на выходе, можно изменять дисперсию давления 0 Р =- ЦР) или расхода 00 = 1(Р), а следовательно, и их среднеквадрэтическое отклонение и, следовательно, добиваться ее минимума,Сущность предложенного решения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема устройства.Устройство (фиг.1) имеет газовые редукторы 1.1 и 1.2, установленные на входах подводящих трубопроводах, подсоединенные соотвегственно к регулируемым дросселям 2,1 и 2.2, а выходы с дросселей подсоединены к смесителю 10, Дроссели муфтами соединены с приводами 3,1 и 3.2. На выходе регулируемых дросселей 2.1 и 2,2 установлены датчики давления 4.1 и 4.2, соответственно подсоединенные к усилителям 5.1 и 5,2, которые соответственно подключены к вычислителям 6.1 и 6.2. Выходные сигналы с усилителей, преобразованные в сигналы постоянного тока. поступают в вычислители 6.1 и 6,2 соответственно для вычисления дисперсий расходов 001 и 002. Для определения закона изменения сечения трубопровода - перемещения регулируемых дросселей вычислители 6,1 и 6.2 подсоединены к сравнителю 7 синхронизируемых потоков, где вычисленные дисперсии расходов 001 и 002 сравнивают между собой. Срэвнитель 7 подсоединен к программному сравнителю 8, где полученный результат сравнивают с допустимым (или требуемым) значением отклонения дисперсии по каждому иэ каналов, При этом определяют знак отклонения и номер регулируемого дросселя, Каждый из вычислителей дисперсий может содержать, например, последовательно соединенные квэдратор и текущий усреднитель, а вычислитель среднего квадратического значения интегрального закона, и в том случае, если синхронизация производится по критериям, связанным с среднеквадратическим отклонением - последовательно включенные интегратор, усреднитель, сумматор, квадратор и второй усреднитель, Выходы сравнителя 8, соответственно подключены к блокам 9.1 и 9,2 корректирующих контуров, где учитывается закон регулирования, например, первые и вторые производные рассогласования, Выходы с блоков корректирующих контуров 9.1 и 9,2 соответственно подключены к приводам 3,1 и 3.2 регулируемых дросселей 2.1 и 2,2,На выходе смесителя 10 последовательно установлены регулируемый дроссель 2.3 с приводом 3.3, дозатор 14 с пневматическим приводом 15, подсоединенный к зэдат 1835309чику времени и таймеру 13. На выходе регулируемого дросселя 2,3 установлен датчик давления 4,3 с усилителем 5.3, к выходу которого последовательно подключены вычислитель 11. сравнитель 12, Выходы вычислителя.12 и задатчика времени с таймером 13 подсоединены к приводу 3,3 регулируемого дросселя 2.3,Газовые редукторы 1.1 и 1.2 для их настройки имеют манометры, установленные на входе и выходе. Обычно редукторы работают в широком диапазоне давлений, В зависимости от энергетических возможностей поставщика и нужд потребителя рабочий диапазон редуктора может быть ограничен пределами редуцирования; 0-1; 0-10. 0-20 кгс/см и т.д. В редукторах, как прямого, так2и обратного действия, наблюдается некоторая флуктуация давления, которая достигает до 1 его номинальной величины, что естественно приводит к флуктуации и расходу. Это исключает возможность применения его в прецизионных системах без дополнительных сглаживающих устройств. Возможность применения в данном техническом решении газовых редукторов различного рабочего диапазона позволило расширить область применения предложенного решения, Они общеизвестны. Выпускаются отечественной промышленностью,Регулируемые дроссели 2.1 и 2.2, 2,3 с приводами 3,1, 3.2, 3,3 - общеизвестны. В качестве регулируемого дросселя, например, используется точный редуктордвигателя, а в качестве привода использован ПИРС (привод импульсного регулирования), ПИРС соединен с точным редуктором двигателя муфтой. Этот узел изготавливается отечественной промышленностью и использовался, например, в ЖРД на ракетах 8 К 51 (см, например, Техническое описание ракеты 8 К 51. Раздел Двигатель), ПИРС обеспечивает поворот регулировочного винта тоцного редуктора двигателя на +1 оборот, а тоцный редуктор двигателя здесь выполняет роль дросселя, обеспечивая высокую точность редуцирования 0,35% от номинальной величины.Датчики давления 4,1, 4.2, 4,3 с усилителями 5,1, 5.2, 5.3 в предложенном решении могут быть использованы любого типа. Автором использован индукционно-емкостной датчик ДДс усилителем ИД, Надежность и достоверность замеряемых параметров проверена многократно,Вычислители 6.1, .6,2, 11 известны.Сравнители 7, 8, 12 известны. Они выполнены например, в виде аналоговых устройств.55 ходах. Мгновенные значения расходов водорода и азота замеряют с помощью расходомеров с установленным постоянным перепадом давлений. В данном случае они представляют регулируемые дроссели 2.1 и 2,2, через которые проходят установленные расходы газов: водорода Чн 2 и азота Чм 2. Блоки корректирующих контуров 9,1 и9,2 известны. Они усилены блоками усиления, последние могут конструктивно входить в эти контуры,5 Смеситель 10, дозатор 14 с пневматическим приводом 15 общеизвестны.Задатчик времени с таймером 13 выполнены в одном корпусе, Задатчик времени -это часть автоматического регулятора, по 10 средством которого задается требуемоезначение времени экспозиции, Задатчикомзадается либо постоянное значение времени экспозиции, либо переменное, изменяемое ло определенному закону, т.е.15 программное регулирование. В первом случае зздатчиком устанавливается время экспозиции в соответствующее положение отруки, во втором - таймером в процессе ре.гулирования переставляется автоматически20 механизмом с шаблоном, имеющим профиль, соответствующий заданному режиму.Задатчик времени и таймер известны,Работа устройства, Работу устройствапоясним на конкретных примерах смешива 25 ния газов и дозирования газовой смеси.Смешивание газов и дозирование необходимы в химической промышленности, базирующейся на синтетическом производстве,Например, основой способа получения ам 30 миака является синтез из элементов азота иводорода, В настоящее время азотная промышленность оснащена установками с широким диапазоном энергетическихпараметров: давления и температуры. В ка 35 цестве примера рассмотрим получениеазотноводородной смеси при следующемрежиме: получение газовой смеси с содержанием 80% аммиака при температуре+200 С и давлении 100 кгс/см 2, Полуцение40 равновесной газовой смеси при укаэанномдавлении и температуре, т,е. смеси стехиометрицеского состава, содержащего 3 обьема водорода на 1 объем азота, чтосоответствует отношению мольных долей45 МН 2/М(Н 2+ К 2) = 0,75. Указанное соотношение ингредиентов обеспечивается настройкой системы. Для этого открывают вентилив подводящих магистралях и с помощью диафрагм 1,0 устанавливают заданные расхо 50 ды. Настраивают газовые редукторы 1,1 и1,2 на давление 1000,5 кгс/см по мано 2метрам, установленным на их входах и вы1835309 15 20 25 30 35 40 50 55 Расход измеряемого газа в данном случае для каждой магистрали определяется выражениями:для водородабн 2 = 0,465 Рн 2/(273 + 1 н) Чн 2, - для азотаби = 0,465 РмЯ 273 + Ъ)1 Ч 1 ч 2 где Чн и Чм;обьемные расходы водорода и азота; Рн 2 и Рк 2 - давления водорода и азота соответственно ,сн и Ь - температура в ОС Из приведенных выражений видно, что среднее значение объемных расходов ингредиентов, их температуры являются примерно постоянными значениями. Наиболее пульсирующими величинами, определяющими, в основном, точность замера, являются мгновенные значения давления. Поэтому, для увеличения точности замеряются мгновенные значения давления датчиками 4,1 и 4.2, усиливаются усилителями 5,1 и 5,2 и данные поступают соответственно в вычислители дисперсий 6,1 и 6,2 При синхронизации расхода по дисперсии вычисляют как дисперсию его мгновенного, так и интегрального значения. Синхронизацию производят путем изменения давления в каждой из линий нагнетания, соответственно изменению расхода с помощью регулируемых дросселей, реализуя закономерность, подобную, приведенной на фиг,1 б, Для определения закона изменения сечения дросселя сигналы с вычислителя 6.1 и 6,2 сравнивают между собой с помощью сравнителя 7, а полученный результат сравнивают в сравнителе 8 далее с допустимым или требуемым значением отклонения дисперсии по каждому из каналов. При этом определяют знак отклонения и номер регулируемого дросселя. На вход сравнителя 8 подается требуемое значение общей дисперсии ООоб, если синхронизируется подача одноименных ингредиентов, или значение (как в рассматриваемом случае) 001 и 002, если синхронизируется подача разноименных ингредиентов; водорода и азота. Сигналы с выхода сравнителя 8 подаются на корректирующие контуры 9.1 и 9,2, где учитывается закон синхронизации, например, первые и вторые производные рассогласования и далее с помощью приводов 3,1 и 3,2 приводятся в движение дроссели 2,1 и 2,2. пропуская газы в смеситель 10, В рассматриваемом случае смеситель представляет собой контактный аппарат или колонну синтеза, а предложенное устройство может быть использовано здесь в качестве узла слпжной производственной установки,Доэирование газовой смеси производят путем минимизации отклонения текущего среднего квадратического значения давления от наперед заданной величины. Для этого непрерывно на выходе смесителя 10 измеряется мгновенное значение давления датчиком 4,1, сигнал с которого в виде электрического напряжения подается в усилитель 5.3 и вычислитель 11. В случае, если регулирование ведется по минимуму дисперсии, учитывается квадраттекущего среднего значения давления. Сигнал с вычислителя поступает в блок сравнения 12, где он сравнивается с его требуемым значением, хранящимся в памяти сравнителя, Сигнал рассогласования, формируемый в соответствии с выбранным законом управления поступает на привод 3,3 регулируемого дросселя 2.3, пропускающего смесь к дозатору 14, который управляется пневматическим приводом 15, Задатчиком времени с таймером 13 устанавливается вид дозирования; периодическое или непрерывное, а также время доэирования путем подачи сигнала на пневматический привод 15.Технико-экономическая эффективность предложенного решения видна из результатов сравнительного анализа с базовым. В качестве базового решения выбран прототип, Предложенное решение обладает следующими преимуществами;- устройство для дсзирования газовой смеси является прецезионным, т.к. оно при смешивании ингредиентов удовлетворяет требованию минимума отклонения дисперсии от заданного значения, а дозирование производят путем минимизации отклонения текущего среднего квадратического значения давления от наперед заданной величины;- ввод в приемник отдозированной газовой смеси обеспечивается независимо от барометрического давления и давления в приемнике;- предложенное устройство позволяет учитывать и среднее значение давления, поэтому возможно регулирование давления по минимуму его среднеквадратического отклонения от заданного значения,Формула изобретения Устройство для смешения и дозирования газовой смеси, содержащее первый и второй подводящий и отводящий трубопроводы, на каждом из которых установлены диафрагма, газовый редуктор, регулируемый дроссель и датчики давления, установленные перед смесителем, на выходе которого установлен третий датчик давления, входы смесителя связаны с подводами трубопроводами, о т л и ц д ю щ е е с я тем,1835309 10 Составитель Н,БумовТехред М.Моргентал Корректор О.Кравцова Редактор Заказ 2971 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производствнно-издательский комбинат "Патент"., г. Ужгород, ул,Гагарина. 101 что, с целью повышения точности концентрации смеси и ее дозирования, оно дополнительно содержит первые, вторые и третьи приводы, усилители, вычислители, третий регулируемый дроссель, установленный после смесителя на отводящем трубопроводе, первый и второй элементы сравнения, программный элемент сравнения, первый и второй корректирующие контуры, дозаторы с пневмоприводом, установленные после третьего регулировочного дросселя на отводящем трубопроводе, и таймер, причем на каждом подводящем трубопроводе последовательно установлены диафрагма, газовый редуктор, регулируемый дроссель, датчик давления, выходы первого и второго датчиков давления через первые и вторые усилители и вычислители соответственно соединены с первым и вторым входами первого элемента сравнения, выход которого соединен с входом программного элемента сравнения, первый и второй выходы которо го через первый и второй корректирующиеконтуры соответственно соединены с управляющими входами первого и второго приводов, механически связанных с первым и вторым регулируемыми дросселями, выход 10 третьего датчика давления через третий усилитель и вычислитель соединен с третьим элементом сравнения, выход которого соединен с управляющим входом третьего привцда, механически связанного с треть им регулируемым вентилем, первый выходтаймера соединен с пневмоприводом доза- тора. второй - с управляющим входом третьего привода.