ЗАПОРНЫЙ КЛАПАН С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
SHUTOFF VALVE WITH ELECTROMAGNETIC CONTROL

Изобретение относится к конструктивным элементам клапанов, а именно к включающим электромагнитным средствам управления ими, и может применяться в предохранительной газовой запорной арматуре для предотвращения утечек бытового газа.
Из уровня техники известен электромагнитный клапан (RU 2282090 C1, МПК F16K 31/06, опубл. 20.08.2006], содержащий механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, седло клапана, якорь с запорным органом, выполненные с возможностью перемещения между седлом клапана и электромагнитом, две шайбы, одна из них выполнена из магнитного, другая - из магнитопроводящего материала, причем обе шайбы установлены с одной стороны относительно запорного органа с якорем, а электромагнит с другой его стороны.
Недостатком известного технического решения является его низкая технологичность, вследствие сложной конструкции клапана.
Наиболее близким к заявленному техническому решению устройством, выбранным в качестве прототипа, признан
малогабаритный электромагнитный клапан для систем автоматики (RU 66462 U1, МПК F16K 13/00, F16K 31/02, опубл. 10.09.2007). Клапан содержит корпус с расположенными вдоль его оси входным и выходным каналами, между которыми установлен плунжер с запорным элементом и приводом его перемещения, включающим две электрические катушки, соединенные через блок управления с генератором импульсов тока.
Недостатком известного технического решения является его ограниченная промышленная применимость в городских системах газоснабжения, вследствие необходимости применения для его работы стационарного импульсного генератора тока, что также небезопасно в бытовых условиях.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение надежности работы запорного клапана.
Указанная задача решена тем, что запорный клапан с электромагнитным управлением содержит цилиндрический корпус, снабженный неподвижным металлическим фиксирующим кольцом, с одного торца которого закреплен входной резиновый патрубок, снабженный мелкоячеистым фильтром, с другого - выходной штуцер с седлом, выполненный из немагнитного материала. В корпусе клапана установлен запорный орган, выполненный в виде подпружиненного пружиной полого металлического штока, на торце которого закреплен подпружиненный пружиной затвор, выполненный в виде шарика. Поверх корпуса в защитном кожухе размещен механизм срабатывания клапана, включающий в себя катушку, подключенную к силовому выходу блока управления, толкатель и выполненный заодно с ним кольцевой постоянный магнит, причем катушка и магнит расположены по отношению друг к другу таким образом, что при подаче электрического тока созданный катушкой магнитный поток перемещает магнит и запорный орган в сторону седла выходного штуцера. Дополнительно запорный клапан снабжен датчиком температуры, подключенным к измерительному входу блока управления.
Положительный технический результат, обеспечиваемый раскрытой совокупностью конструктивных признаков устройства, совпадает с поставленной задачей и состоит в повышении надежности запорного клапана, за счет выполнения штока запорного органа подпружиненным, что обеспечивает механическое срабатывание клапана при повреждении газовой линии, подключенной к выходному штуцеру, а также применения механизма срабатывания клапана, обеспечивающего принудительное перекрытие потока рабочей среды, в случае возникновения аварийной ситуации, что также повышает уровень безопасности эксплуатации газового оборудования.
Конструкция запорного клапана поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана его конструкция в разрезе, на фиг. 2 - структурная схема блока управления механизмом срабатывания клапана.
Запорный клапан с электромагнитным управлением устроен следующим образом.
Запорный клапан состоит из цилиндрического корпуса 1, снабженного неподвижным металлическим фиксирующим кольцом 2, с одного торца которого закреплен входной резиновый патрубок 3, снабженный мелкоячеистым фильтром 4, с другого - выходной штуцер 5 с седлом, выполненный из немагнитного материала. В корпусе клапана установлен запорный орган, выполненный в виде подпружиненного пружиной 6 полого металлического штока 7, на торце которого закреплен подпружиненный пружиной 8 затвор, выполненный в виде шарика 9. Поверх корпуса 1 в защитном кожухе 10 размещен механизм срабатывания клапана, включающий в себя катушку 11, подключенную к силовому выходу 12 блока управления 13, толкатель 14 и выполненный заодно с ним кольцевой постоянный магнит 15, причем катушка 11 и магнит 15 расположены по отношению друг к другу таким образом, что при подаче электрического тока созданный катушкой магнитный поток перемещает магнит и запорный орган в сторону седла выходного штуцера 5.
Фиксирующее кольцо 2, катушка 11, толкатель 14 и постоянный магнит 15 расположены соосно с направлением управляемого потока рабочей среды и разобщены с ней.
2
Пружина 6, с помощью которой подпружинен полый металлический шток 7, тарирована на низкое давление [Р=0,05 кгс/см] газа в газопроводе и обеспечивает положение запорного органа в состоянии «открыто» при отсутствии утечки газа в выходной линии, подключенной к выходному штуцеру 5 клапана.
Мелкоячеистый фильтр 4 выполнен в виде сетки с ячейками, размеры которых не допускают попадание посторонних частиц внутрь клапана и зафиксирован внутри входного патрубка 3, что позволяет очищать его или заменять при необходимости без разборки клапана. Дополнительно запорный клапан снабжен датчиком температуры (на фигурах условно не показан], подключенным к измерительному входу 16 блока управления 13.
Блок управления 13 установлен в пластиковом корпусе, закрепленном на корпусе 1 клапана, и выполнен в виде микропроцессорной системы, построенной на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро 17, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 18, SRAM-памятью данных 19, двенадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем 20, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM 21, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода 22, 23 и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART 24. При этом к входу аналого-цифрового преобразователя 20 через операционный усилитель подключен измерительный вход 16 блока управления 13, первый порт ввода-вывода 22 подключен к силовому выходу 12 блока управления 13, ко второму порту ввода-вывода 23 подключен зуммер, а универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART 24 подключен к радиомодулю 25.
1
1
2
2
3
3
В качестве микроконтроллера микропроцессорной системы целесообразно использовать микросхему STM8L152, построенную на высокопроизводительном ядре STM8, имеющую широкий набор периферийных устройств и специально предназначенную для средних и высокопроизводительных малопотребляющих приложений ( STM8 8-bit MCUs // St.com URL: http://www.st.com/en/microcontrollers/stm8-8-bit-mcus.html? querycriteria=productId=SC1244 (дата обращения: 28.03.2018).). В качестве датчика температуры может быть использован любой известный резистивный датчик, например модели РТ106052 ( Датчик температуры резистивный РТ106052 // Радиокомпоненты URL: http://radiocom.dn.ua/ radiokomponenty-raznye/datchiki/datchik-temperatury-rezistivnyy-pt106052 (дата обращения: 28.03.2018).), силовой выход может быть реализован на основе транзисторного ключа, а в качестве радиомодуля может использоваться микросхема НС-12 с UART-интерфейсом ( НС-12: радиомодуль с UART-интерфейсом на 433 МГц // Записки программиста URL: https://eax.me/hc-12 (дата обращения: 28.03.2018).).
Запорный клапан с электромагнитным управлением работает следующим образом.
4
4
Первоначально его подключают к газовому оборудованию с помощью входного резинового патрубка 3 и выходного штуцера 5. Далее на расстоянии, обеспечивающем устойчивую связь по радиоканалу, устанавливают бытовой стационарный газоанализатор, например модели СГГ10-Б ( СГГ10-Б - бытовой сигнализатор горючих газов // Аналитприбор URL: http://www.analitpribor-smolensk.ru/products/kom_hozyaistvo/mnogokvartirnie_doma/sgg10-b_signalizator (дата обращения: 28.03.2018).), далее устанавливают в корпус блока управления штатные батареи 26, обеспечивающие электропитание микропроцессорной системы и катушки 11, после чего запорный клапан готов к работе.
В нормальном состоянии клапан открыт.Толкатель 14 и постоянный магнит 15 расположены в положении, при котором запорный орган не препятствует течению рабочей среды.
Срабатывание клапана происходит в трех аварийных ситуациях, описанных ниже.
Повреждение газовой линии, подключенной к выходному штуцеру.
При возникновении такой аварийной ситуации из-за разницы давлений в газопроводе и атмосфере скорость течения рабочей среды через клапан увеличивается. В результате воздействия ее на шток 7 пружина 6 растягивается, что приводит к перемещению запорного органа в положение «закрыто» и перекрытию шариком 9 седла выходного штуцера 5. При этом одновременно со штоком 7 перемещается и механизм срабатывания клапана за счет магнитного сцепления металлического штока 7 и постоянного магнита 15. После срабатывания клапана запорный орган удерживается в положении «закрыто» за счет магнитного сцепления между постоянным магнитом 15 и металлическим фиксирующим кольцом 2.
Повышение температуры окружающего воздуха.
Микропроцессорное ядро 17 микроконтроллера в соответствии с управляющей программой, записанной во FLASH-памяти программ, с заданной периодичностью выполняет опрос температурного датчика, при этом в случае превышения измеренной температуры до значения 50°С (что может свидетельствовать о возникшем возгорании) через порт ввода-вывода 22 выдается управляющий сигнал на силовой выход 11, в результате на катушку 11 подается электрический импульс, в результате чего магнитное поле катушки выталкивает постоянный магнит 15 вместе с толкателем 14 по направлению движения рабочей среды, что за счет магнитного сцепления постоянного магнита 15 и металлического штока 7 приводит к перемещению запорного органа в положение «закрыто» и перекрытию шариком 9 седла выходного штуцера 5. После срабатывания клапана запорный орган удерживается в положении «закрыто» за счет магнитного сцепления между постоянным магнитом 15 и металлическим фиксирующим кольцом 2.
Превышение в воздухе концентрации горючих газов.
В случае обнаружения бытовым стационарным газоанализатором превышения в воздухе концентрации горючих газов, в частности метана, газоанализатор сигнализирует об этом звуковым сигналом и передает сигнал тревоги по радиочастотному каналу. Радиомодуль 25 микропроцессорной системы принимает сигнал тревоги и передает его через универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART 24 микроконтроллеру. Микропроцессорное ядро 17 в соответствии с управляющей программой, записанной во FLASH-памяти программ, принимает решение о необходимости перекрытия клапана и активирует катушку 11 способом, аналогичным описанному выше.
При выполнении управляющей программы микропроцессорное ядро 17 использует SRAM-память данных для временного хранения промежуточных результатов измерений, энергонезависимую электрически перепрограммируемую память EEPROM 21 - для постоянного хранения результатов измерений с целью их дальнейшей обработки на персональном компьютере. Зуммер, подключенный к порту ввода-вывода 23, при любой из описанных выше аварийных ситуаций, используется для звукового оповещения о срабатывании запорного клапана.
Открытие запорного клапана производится вручную. Для этого толкатель 14 вручную перемещают в сторону катушки, при этом запорный орган также переместится за счет магнитного сцепления металлического штока 7 и постоянного магнита 15, обеспечивая свободное протекание рабочей среды.