Регулятор потока

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 9) П О, 16 504 ОО ЛЬСТВУ ительСССР75.СР976СР977.й А,Г.управ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ Сви(57) Изобретение относится к областиавтоматического регулирования одногоиз параметров потока жидкости илигаза, в частности расхода нли давления с термомеханическим управлением,и может быть использовано в различных областях машиностроения и другихотраслях народного хозяйства. Цельизобретения - повьппение надежностии расширение области применения.Для этого в регуляторе одного изпараметров потока жидкости или газав регулирующем органе применен термомеханнческий привод, основанныйна использовании термочувствительногэлемента из материала, обладающего1444718 эффектом памяти формы. Для увеличения тяговых усилий термомеханическийпривод представляет собой два соосных кольца 37, 38 с термочувствитель"ным элементом в виде одного кускапроволоки 36, установленной по радиальным направлениям между кольцами Изобретение относится к автоматическому регулированию одного из параметров потока жидкости или газа, в частности расхода или давления с термомеханическим управлением, и может быть использовано в различных областях машиностроения и других отраслях народного хозяйства.Цель изобретения - повышение на дежности и расширение области применения.На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 и 3 - конструкция термомеханического элемен та; на фиг,4 - диаграмма рабочего цикла, поясняющая работу регулятора,Регулятор (фиг.1) содержит регулирующий орган 1 с входным 2 и выход-. . ным 3 патрубками, Регулирующий орган 20 1 имеет регулирующий клапан 4, полость 5 входного патрубка 2, Тарелка 6 прижата пружиной 7 к седлу регулирующего клапана 4 и перекрывает проходное сечение 8. Пружина 7 установлена между корпусом регулирующего клапана 4 и упором 9 в виде фланца, закрепленным на штоке 12 с полостью 13, соединенной с выходным патрубком 3. Термомеханический привод содержит 30 термочувствительный элемент 14, закрепленный концами на корпусе регулирующего органа с помощью электроизолирующих втулок, а за середину - на утолщенном конце 15 штока 10. Между упором 16 (в виде фланца), закрепленным на утолщенном конце 15 штока О, и фланцем корпуса регулирующего клапана 4 установлена силовая пружина 17. Термочувствительиый эле-. 40 мент 14 поджат к корпусу регулирующе-. го органа 1 гайкой 18 с технологическими отверстиями 19. Крышка 20 37, 38 в двух параллельных плоскостях и закрепленных на концах с помощью цанговых зажимов на кольце большого диаметра. Проволока 36 изолирована с помощью втулок из электроизоляционного материала. 1 з.п.ф-лы, 4 ил. герметично закрывает корпус регулирующего органа 1, в который введенкабель 21 гермовводы 22, соединяющийтермочувствительный элемент 14 череззамыкающий контакт 23 исполнительного механизма (реле 24) с источником25 электрической энергии. Регуляторможет содержать датчик 26 регулируе"мого параметра или выносной датчик27, подключенные соответственно черезконтакты 28 и 29 переключателя к од-ному входу компаратора 30, подключенного вторым входом к выходу задатчика31 параметра потока, а выходом - квходу усилителя, состоящего изтранзисторов 32 и 33, соединеннвх систочниками 34 и 35 питания.Термомеханический привод основанна использовании термочувствительного элемента (ТЧЭ) из материала, обладающего эффектом памяти формы, например из сплава ТН, тройных или сложнолегированных сплавов на его основеили алюминиевой бронзы. Поэтому нафиг,2 и 3 термомеханический приводпоказан в статическом состоянии,т.е. в положении, в котором хранитсяна складе.На фиг.2 и 3 показан термочувствительный элемент (ТЧЭ) 14, которыйнабран из тонкой проволоки 36,. установленной радиально в отверстияхсооснь 1 х металлических колец 37 и 38.В отверстия колец 37 и 38 установленывтулки 39 из электроизоляционногоматериала фторопласт, эбонит,текстолит 1, которые для предотвращения механических повреждений снабжены установленными поверх них металлическими шайбами 40. Концы проволоки 36 закреплены в держателях, которые содержат цангу 41, гайку 42 иРегулятор потока работает следующим образом,При отсутствии сигнала с задатчика 31 (опорное напряжение 17 равно нулю), на выходе компаратора 30 сигнала нет. Транзисторы 32 и 33 закрыты; реле 24 разомкнуто. Регули" рующий орган закрыт. При поступлении с задатчика 31 опорного напряжения на компаратор 30 (например, соответствующего некоторому заданному уровню давления) на выходе компаратора 30 появляется сигнал. Транзисторы 32 и 33 открываются, замыкается контакт 23 реле 24, Через ТЧЭ 14 проходит электрический ток и нагревает его. В процессе нагрева проволоки Зб через диапазон температур обратного мартенситного превращения происходит постепенное восстановление исходной длины. Тарелка б клапана освобождает проходное сечение и поток проходит сквозь сечение 8, полость 11, отверсрубок 3, где воздействует на датчик26. Сигнал с датчика 26 начинает увеличиваться. Нагрев ТЧЭ 14, перемеще"ние тарелки 6 и сжатие пружины 17 продолжается до тех пор, пока сигнал с датчика 26 не сравняется по величине с сигналом (напряжением) задатчика 31. Как только это произойдет .(регулируемый параметр достиг заданного уровня), компаратор 30 "закроется, т.е. на его выходе сигнала не будет. Транзисторы 32 и 33 закроются и контакт 23 реле 24 разомкнется. Начинается остывание ТЧЭ 14что вызывает в нем развитие пластичности превращения, т.е. потерю сопротивления деформированию в процессе охлаждения через диапазон температур превращения. Под действием пружины 17 тарел(например, давления) падает, сигнал с датчика 2 Ь уменьшается и становится меньше напряжения с задатчика 31,что вызывает появление сигнала навыходекомпаратора 30, включение 55 контакты 23 к источнику энергии. Таким образом, происходят колебаниявеличины регулируемого параметраоколо заданного задатчиком 31 уровня,1444718контакты 48, которые соединены с кабелем. 2.ТЧЭ изготовлен из единого кускапроволоки ЗЬ путем поочередного про 5пускания ее сквозь соседние отверстия. При этом отдельные участки соединены между собой механически параллельно, т,е. усилия от каждого участка складываются электрически последовательно.На фиг.З показан ТЧЭ 14 с установленным штоком 15 привода. От штока 15 проволока 36 изолирована втулкой 44. Шток прикреплен к кольцу 38 5гайкой 45 с шайбой между ними, Приустановке ТЧЭ 14 в корпус 1 регулятора для токоизоляции наружной комму-тации проволоки ЗЬ с наружной стороны кольца 37 между ним и корпусом 20также устанавливают изолирующеекольцо (не показано).Предложенная кинематическая схемазакрепления проволоки ЗЬ по концами связь с нагрузкой за середину дпи тия 12 и полость 13 в выходной патны позволяет увеличить рабочий ходбез увеличения габаритов ТЧЭ. Дляобратимости деформаций необходимо,чтобы степень деформации не превышала 6-8 Х. В предложенной схеме ТЧЭ 3 Оисходная длина участка равна расстоянию между кольцами 37 и 38, адеформированная длина - гипотенузетреугольника, При этом перемещениепроисходит по катету этого же треугольника. Несовпадение направленийперемещения и деформирования - кинематический редуктор - увеличиваетход, но уменьшает проекции сил впроволоке 36 на направление перемещения.Сборка регулятора происходит следующим образом.В корпус 1 устанавливают и закрепляют регулирующий клапан, послечего устанавливают силовую пружину17. Затем устанавливают собранный ка клапана начинает движение в сто- ТЧЭ и стопорную гайку 18. Кольца 37 рону уменьшения проходного сечения. и 38 находятся на одном уровне. Вра- Величина регулируемого параметра щением гайки 18 перемещают кольцо 37в сторону регулирующего клапана. Приэтом пружина 17 сжимается, а проволока 36 растягивается. Кольцо 37опускается ниже кольца 38. Гайку18 закручивают до контакта штоков реле 34 и подключение ТЧЭ 14 через 10 и 15. Концы проволоки 36 черезконтакты 43 присоединяют к кабелям21. Устанавливают крышку 20, Сборказакончена.Если необходимо изменить величину регулируемого параметра на выходе регулятора, задатчик 31 соответствующим образом изменяет величину опорно 5 го напряжения на входе компаратора 30.Регулятор может быть использован как регулятор давления (регулируемый параметр - давление потока), регулятор расхода (регулируемый пара" метр - расход потока), электропневмагидравлический усилитель (мощность потока - регулируемый параметр), и т.д.5Аналогично работает регулятор потока с выносным датчиком 27.Сборка и работа регулятора иллюстрируется диаграммой рабочего цикла (Фиг.4).20Эффект памяти формы проявляется в восстановлении Формы при нагреве ТЧЭ, который предварительно деформирован в мартенситном состоянии (низкотемпературная модификация кристаллической решетки) - МС - до перехода в аустенитное состояние (высокотемлературная модификация кристаллической решетки) - АС.Линия АВ соответствует деформированию, растяжению - ТЧЭ в МС, Ксли в точке Б ТЧЭ разгрузить, произойдет возврат упругой части деформации - линия ВК. При последующем нагреве до АС, произойдет возврат исходной Формы-линия КА.Линия АЕ соответствует деформированию того же ТЧЭ в АС. При разгрузке ТЧЗ в точке Е произойдет возврат упругой части деформации высокотемпературной Фазы - линия Е 1 и. Однако деформация АР будет термически необходимой.Ксли деформировать ТЧЭ в МС до точки В, а в точке В подвести тепло45 0 при этом величину внешней нагруэ)ки ограничить пределом упругости высокотемпературной фазы, то цикл пойдет по пути ВСА без появления остаточных (т.е. термически необратимых,. деформаций. При сборке регулятора вращением гайки 18 задается деформация пружины 17 и ТЧЗ 14, материал которого находится в МС. На диаграмме деформированию ТЧЭ при сборке соответствует линия АВ, а деформированию пружины 17 - линия РВ. Угол наклона линии РВ к оси деформаций пропорционален соотношению жесткостей пружины 17 и ТЧЭ 14. Механические напряжения при сборке регулятора равны величине(зЕсли теперь нагреть ТЧЭ 14 до АС, то процесс пойдет по линии ВМ. Недо- возврат - деформация Я- обусловлен упругим деформированием аустенита пружиной 17, Полное восстановление формы произойдет только при устранении пружины 7. Сборочная деформация пружины равна ЯиТаким образом, после сборки регулятора при отсутствии нагрузки за счет термоциклирования в диапазоне температур мартенситного превращения может быть реализовано перемещение в диапазоне деформаций холостого ходаххахПри подключении патрубка 2 к источнику регулируемого потока на ТЧЭ 14 через штоки 10 и 15 воздействует нагрузка, При проектировании регулятора необходимо учесть, что максимальная нагрузка не должна превышать пре" дела упругости высокотемпературной Фазы. Это условие обеспечивается выбором площади поперечного сечения ТЧЭ. Для точки В напряжения, подводимые внешней нагрузкой, не должны превышать длины участка ВС диаграммы, а для точки М - величины приведенных напряжений.Поскольку максимальная нагрузка на штоке клапана действует в момент его открытия (точка В диаграммы), то полученное распределение допустимых напряжений в диапазоне перемещения наиболее соответствует характеру изменения внешней нагрузки в диапазоне перемещений. Зто свидетельствует о правильном выборе кинематической схемы регулятора.При подключении системой управления нагревов ТЧЭ 14 к источнику энергии 25 в процессе нагрева в ТЧЭ 14 генерируютсяреактивные напряжения возврата Формы, открывается клапан и происходит перемещение штоков 10 и 15 в сторону увеличения проходного сечения. Темп роста реактивных напряжений с ростом температуры носит характер, показанный на диаграмме, линия ВТ. При этом деформации дооуровня напряжений б реализуются обратимо, а выше уровня б , вплотьидо напряжений 5,. - пластически, т.е, термически необратимо.Под действием нагрузки на штоки 10 и 15 диапазон их перемещения становится меньше, чем при холостом ходе, т.е. под нагрузкой реализуется только перемещение в диапазоне деформаций рабочего хода ЯХод процессов во времени в диапазоне перемещений рабочего хода от 0 до 1 (соответственно точки В и П диаграммы) показан в виде линии 47 ниже диаграммы рабочего цикла.В исходном состоянии клапан закрыт (т.е. находится в точке 0). При поступлении с задатчика 31 опорного 15 напряжения на вход компаратора 30, например, соответствующего уровню ре-. гулируемого параметра И, через ТЧЭ 14 проходит ток. Клапан открывается и перемещается в сторону увели чения проходного сечения до тех пор, пока значение регулируемого параметра не достигнет уровня И, . Время переходного процесса - 2 - в этом случае определяется интенсивностью 25 нагрева и может регулироваться в широких пределах за счет изменения напряжения, подводимого к концам ТЧЭ 14. Как только регулируемый параметр достигнет заданного уровня, 30 произойдет отключение ТЧЭ 14 от источника 25. В процессе остывания ТЧЭ 14 сопротивление деформированию в нем падает, и под действием пружины 17 начинается движение клапана в сторону уменьшения проходного сечения, При этом как только уровень регулируемого параметра упадет ниже заданного, ТЧЭ 14 будет опять подключен к источнику 25. Таким образом,40 тарелка клапана совершает колебания около положения, при котором величина проходного сечения обеспечивает уровент параметра И, Температура проволоки 36 колеблется около уровня 45 Т , т.е. гарантированно не превышаа. ет допустимого значения.Если по прошествии времени установившегося процесса - Сп, - задатчик 31 изменит величину опорного напряжения на входе компаратора 30, что соответствует изменению уровня регулируемого параметра, например, до уровня И, то после отключения ТЧЭ 14 от источника энергии 25 движение клапан в сторону уменвшения проходного сечения под действием пружины 17 продолжается до выхода регулируемого параметра:на уровень Г 1, Время этого переходного процесса - лопределяется интенсивностью охлаждения ТЧЭ 14 и разностью между положениями Ии 11. После выхода регулятора на уровень И .,тарелка клапана 6 начинает совершать колебания относительно этого уровня. При этом температура проволоки 36 поддерживается около уровня Т .Если после времени установившегося процесса - 1 - необходимо вернуть уровень параметра до величины, соответствующей положению тарелки клапана И то уровень опорного напряжения на входе компаратора 30 устанавливают на прежнюю величину. Время переходного процесса в этом случае - С - определяется интенсивностью нагрева и величиной перемещения Ии ИВеличина колебаний параметра относительно заданного уровня определяется чувствительностью датчика и системы управления нагревом.Формула из обретения1,Регулятор потока, содержащий последовательно соединенные датчик регулируемого параметра потока,компаратор, подключений входом к выходу задатчика параметра потока, усилитель, исполнительный механизм и регулирующий орган с приводом, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности и расширения области применения,ь регулирующий орган выполнен в корпусе с герметичной крышкой, между входной и выходной полостями которого установлена клапанная пара, образованная цилиндром с торцовыми и боковыми отверстиями и тарелкой, установленной со стороны входной полости и в торцовом отверстии цилиндра и связанной со штоком, снабженным первым упором, между которым и цилиндром установлена первая пружина, а между цилиндром и вторым упором, закрепленным на штоке, установлена вторая пружина,.поджимак- щая цилиндр к корпусу, причем .шток связан с приводом, который выполнен термомеханическим, чувствительный элемент которого включен выводами в цепь источника электрической энергии последовательно с замыкающим контактом исполнительного механизма, а датчик соединен с компаратором черезиереключатель, к второму входу котора го подключен дополнительный датчик.,2.Регулятор по п,1, о т л и ч а ю - 5 я и й с я тем, что, с целью увеличения тяговых усилий, термомеханичес" кий привод выполнен из двух соосных колец с териочувствительньщ элементом в виде проволоки из материала, 1 О обладающего эффектом памяти формы, причем проволока термочувствительного элемента установлена по радиальнымнаправлениям между двумя кольцами вдвух параллельных плоскостях, расположена во втулках из электроизоляционного материала, установленныхравномерно в два ряда на каждом коль"це, закреплена на концах с помощьюэлектрически изолированных от колецкантовых зажимов, установленных накольце большего диаметра, и подключе-.на к выводам привода.