Устройство подачи, измерения, регулирования количества и расхода жидкости
DEVICE FOR FEEDING, MEASURING, CONTROL QUANTITY AND FLOW RATE OF LIQUID

Изобретение относится к области гидравлики, в частности к насосам и регуляторам расхода жидких сред, преимущественно токсичных, летучих, агрессивных.
Известен сильфонный глубинный насос (патент РФ №2536437, МПК F04B 47/08, опубликовано 27.12.2014), содержащий сборный цилиндрический корпус, в нижней части которого размещен плунжер с возвратной пружиной, поршень со штоком. В средней части корпуса размещен разделитель сред, выполненный в виде металлического сильфона, один торец которого закреплен в ступенчатом отверстии корпуса насоса, а второй герметично перекрыт круглой пластиной, которая жестко соединена со штоком поршня. В верхней части корпуса установлен клапанный блок с двумя параллельными каналами для размещения в них соответственно всасывающего и нагнетательного клапанов. С одной стороны каналы клапанного блока соединены с полостью сильфона, с другой стороны каналы клапанного блока соединены с всасывающим и нагнетательным патрубками соответственно. Всасывающий патрубок и корпус насоса снабжены соответственно отверстиями для входа пластовой жидкости. Выход нагнетательного патрубка соединен с выходом насоса. Технический результат - повышение надежности, ремонтопригодности, удобства монтажа, ресурса работы насоса.
Известен дозировочный насос (патент РФ №2208180, МПК F04B 45/02, опубликован 10.07.2013), ближайший по технической сущности к заявляемому изобретению и принятый за прототип. По первому варианту насос содержит корпус с полостью, в которой размещен сильфон, входное и выходное устройства распределения жидкости. Один конец сильфона герметично скреплен с корпусом, а другой установлен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль своей оси. На подвижном конце сильфона расположен клапан так, что сообщает полость сильфона с полостью корпуса при сжатии сильфона. При этом внутренний объем сильфона гидравлически сообщен с входным устройством, а полость корпуса с выходным устройством, полость сильфона заполнена дозируемой жидкостью. По второму варианту насос содержит клапан, расположенный на подвижном конце сильфона, который установлен так, что сообщает полость сильфона с полостью корпуса при растяжении сильфона. При этом внутренний объем сильфона гидравлически сообщен с выходным устройством, а полость корпуса - с входным, полость сильфона заполнена дозируемой жидкостью. Работа насоса в системе с повышенным давлением позволяет минимизировать мощность привода подвижного конца сильфона.
В известных устройствах подачи и регулирования расхода жидкостей содержатся подвижные элементы (поршень, ротор и т.д.), перемещение которых обеспечивается устройством (штоком, валом и пр.), а рабочая полость устройства, содержащая перемещаемую жидкость, отделена от окружающей среды посредством уплотнения подвижного привода. В случае перекачки агрессивных, токсичных и летучих жидкостей возможны утечки, что не обеспечивает безопасность работы и обслуживания систем, а также нежелательны и потери компонента (например, одорантов). Как бы тщательно и совершенно не изготавливалось уплотнение подвижного элемента, оно не позволяет полностью исключить утечки жидкости.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства подачи, измерения и регулирования количества токсичных, летучих, агрессивных жидких сред высокой производительности с высокой точностью дозирования рабочей жидкости.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении производительности, равномерности подачи рабочей жидкости, точности дозирования рабочей жидкости, а также надежности работы устройства и экономичности за счет обеспечения герметичности подвижных элементов и исключения потерь рабочего тела.
Технический результат достигается тем, что в устройстве подачи, измерения, регулирования количества и расхода жидкости, содержащем корпус с полостью, в которой размещен сильфон, один конец которого герметично скреплен с корпусом, а другой установлен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль своей оси посредством привода, входную и выходную магистрали распределения жидкости, новым является то, что полость сильфона гидравлически сообщена с входной и выходной магистралями посредством входного и выходного клапанов, закрепленных на верхней крышке корпуса, полость корпуса также сообщена с входной и выходной магистралями посредством входного и выходного клапанов, закрепленных на нижней крышке корпуса, на подвижном конце сильфона закреплен шток привода, сообщенный с датчиком перемещения и блоком управления, который задает и регулирует изменение частоты и величины перемещения штока, полости сильфона и корпуса заполнены дозируемой жидкостью.
Шток на выходе из корпуса снабжен обечайкой, закрепленной на нижней крышке корпуса, в зазоре между обечайкой и штоком расположен сильфон штока, с одной стороны герметично и неподвижно закрепленный к нижней крышке корпуса, а с другой стороны прикрепленный к штоку с возможностью перемещения.
При использовании электромагнитного привода на штоке за сильфоном штока неподвижно зафиксирован сердечник, а с наружной стороны на обечайке установлена катушка индуктивности, при этом сердечник изготовлен из магнитного материала, а обечайка изготовлена из немагнитного материала.
Входная и выходная магистрали снабжены отсечными электроклапанами.
Отсечные электроклапаны, датчик перемещения, катушка индуктивности и блок управления соединены между собой коммутирующими электрическими цепями.
При использовании электромеханического привода отсечные электроклапаны, датчик перемещения и блок управления соединены между собой коммутирующими электрическими цепями.
На фиг. 1 представлен продольный разрез устройства с электромагнитным приводом.
На фиг. 2 представлен продольный разрез устройства с электромеханическим приводом.
Позиции на чертежах: 1 - магистраль входа; 2 - магистраль выхода; 3 - корпус; 4 - крышка верхняя; 5 - крышка нижняя; 6 - сильфон; 7 - полость сильфона; 8 - полость корпуса; 9 и 10 - коробки клапанные впускные; 11 и 12 - коробки клапанные выпускные; 13 и 14 - клапаны впускные; 15 и 16 - клапаны выпускные; 17, 18, 19, 20 - седла клапанов 13, 14, 15, 16 соответственно; 21 - пружина (упругий элемент); 22 - обечайка; 23 - кольцо; 24 - шток; 25 -втулка; 26 - сильфон штока; 27 - сердечник; 28 - катушка индуктивности; 29 - прокладка; 30 - заглушка; 31 - скоба; 32 - датчик перемещения; 33, 34, 35, 36 - отсечные электроклапаны; 37 - блок управления (процессор); 38 - цепи электрические управления и коммутации; 39 - отверстие в обечайке 22; 40 - привод механический (электромеханический); L - ход штока 24 (задаваемый и регулируемый).
Устройство подачи, измерения и регулирования количества жидкости содержит (фиг. 1 и фиг. 2) корпус 3, к которому с одной стороны герметично прикреплена через кольцо 23 верхняя крышка 4 и с другой стороны - нижняя крышка 5. К кольцу 23 приварен (припаян) сильфон 6, образующий внутри корпуса 3 герметично разделенные между собой полость 7 сильфона 6 и полость 8 корпуса 3. К сильфону 6 герметично присоединена (приварена или припаяна) заглушка 30, к которой присоединен шток 24. На верхней крышке 4 установлены: коробка клапанная впускная 9 с седлом 17, клапаном 13, пружиной 21; коробка клапанная выпускная 11 с седлом 19, клапаном 15, пружиной 21. На нижней крышке 5 установлены: коробка клапанная впускная 10 с седлом 18, клапаном 14, пружиной 21; коробка клапанная выпускная 12 с седлом 20, клапаном 16, пружиной 21 и обечайка 22 привода 40. Шток 24 расположен в обечайке 22, закрепленной на нижней крышке 5 корпуса 3. В зазоре между обечайкой 22 и штоком 24 расположен сильфон 26, с одной стороны герметично и неподвижно закрепленный к нижней крышке 5 корпуса 3, а с другой стороны герметично прикрепленный к штоку 24 с возможностью перемещения. Сильфон 26 обеспечивает герметичность полости 8 корпуса 3 относительно окружающей среды. В обечайке 22 установлена втулка 25, через осевое отверстие в которой пропущен шток 24. Посредством скобы 31 к штоку 24 присоединен с помощью кронштейна датчик перемещения 32, сообщенный с блоком управления 37. В магистрали входа 1 установлены отсечные электроклапаны 33 и 34. В магистрали выхода установлены отсечные электроклапаны 35 и 36.
Привод может быть электромагнитным (фиг. 1), для чего на штоке 24 за сильфоном 26 установлена прокладка 29 и неподвижно зафиксирован сердечник 27, изготовленный из магнитного материала (из ферромагнетиков, например пермаллой, гаммамет). Обечайка 22 изготовлена из немагнитного материала (диамагнетики, например сталь Х18Н10Т). Обечайка 22 имеет отверстие 39 для поступления (выхода) воздуха при перемещении сердечника 27 и сильфона 26 внутри нее, что позволяет снизить гидравлическое сопротивление. С наружной стороны на обечайке 22 установлена катушка индуктивности 28. Отсечные электроклапаны 33-36, датчик перемещения 32, катушка индуктивности 28 и блок управления 37 соединены между собой коммутирующими электрическими цепями 38.
Привод 40 может быть электромеханическим (фиг. 2), при этом электроклапаны 33-36, датчик перемещения 32 и блок управления 37 соединены между собой коммутирующими электрическими цепями 38.
Устройство может работать в 2-х режимах.
В первом режиме подача, измерение и регулирование количества жидкости осуществляется путем возвратно-поступательного движения сильфона 6 от электромагнитного привода (сердечник 27 и катушка индуктивности 28) или от электромеханического привода 40.
Во втором режиме подача и регулирование расхода рабочей жидкости из магистрали 1 в магистраль 2 осуществляется при условии, когда давление в магистрали 1 превышает давление в магистрали 2 и величина избыточного давления достаточна для открытия впускных и выпускных клапанов 14, 16. Подача, измерение и регулирование количества жидкости, поступающей из магистрали 1 в магистраль 2, обеспечивается блоком управления 37 (процессором) совместно с датчиком перемещения 32, которые обеспечивают попарное открытие и закрытие отсечных электроклапанов (33 и 35) и отсечных электроклапанов (34 и 36). Регулирование расхода и дозирование подачи жидкости обеспечивается частотой открытия отсечных электроклапанов, режим работы которых задается блоком управления 37.
Устройство работает следующим образом. Исходное состояние устройства: магистраль входа 1 соединена с емкостью для рабочей жидкости; магистраль 2 соединена с потребителем рабочей жидкости; полость 7 сильфона 6 и полость 8 корпуса 3 заполнены рабочей жидкостью; отсечные электроклапаны 33-36 закрыты. Блок управления 37 вырабатывает электрический импульс определенной полярности и подает его на катушку 28, вследствие чего, сердечник 27 перемешается (например, в «прямом цикле» - слева направо). Вместе с сердечником 27 перемещаются, жестко связанные с ним шток 24 и сильфон 6. Одновременно с этим подается команда на открытие отсечных электроклапанов 33, 35 и закрытие отсечных электроклапанов 34 и 36. Перемещение сильфона 6 приводит к снижению давления в полости 7 и вследствие этого к открытию впускного клапана 13, клапан 15 в этом цикле прижат к седлу 19 и закрыт. Рабочая жидкость из магистрали 1 через открытый клапан 33 поступает в полость 7 сильфона 6. Одновременно с этим перемещение сильфона 6 приводит к повышению давления в полости 8 корпуса 3, вследствие чего открывается выпускной клапан 16 и рабочая жидкость из полости 8 поступает в магистраль выхода 2. Перемещение штока 24 измеряется датчиком 32, который позволяет измерять и задавать требуемое перемещение. Шток 24 жестко связан с сильфоном 6, и величина его перемещения определяет объем всасываемой (выталкиваемой) жидкости, прямо пропорциональный перемещению штока 24. Таким образом, величина и частота перемещения штока 24 однозначно определяют количество и расход жидкости, поступающей в магистраль выхода 2. Измерение величины перемещения L штока 24 и частоты его перемещений позволяет измерять количество жидкости, поступающей в магистраль выхода 2. Расход определяется как отношение количества жидкости, поступившей за определенный промежуток времени, к этому промежутку времени. Количество жидкости, промежуток времени определяются блоком управления 37. Частота перемещения штока 24 с помощью блока управления 37 позволяет регулировать расход жидкости, поступающей в магистраль выхода 2.
Поскольку величина управляющего импульса неоднозначно связана с перемещением штока 24 и жестко связанных с ним сильфонов 6 и 26 (влияние давления, сил упругости, гидравлического сопротивления магистрали, температуры, вязкости и т.д.), то измеряется перемещение штока 24 с помощью датчика перемещения 32. Перемещение штока 24, измеряемое датчиком 32, фиксируется блоком управления 37, процессор которого измеряет количество жидкости.
Таким образом, устройство обеспечивает подачу, регулирование и измерение расхода жидкости, поступающей в магистраль выхода 2.
В «обратном цикле» (справа налево) на катушку 28 от блока управления 37 подается импульс противоположной полярности по отношению к прямому циклу, сердечник 27 вместе со штоком 24 и сильфоном 6 перемещается справа налево, одновременно со сменой полярности импульса происходит закрытие отсечных электроклапанов 33 и 35 и открытие отсечных электроклапанов 34 и 36. Вследствие понижения давления в полости 8 корпуса 3 открывается впускной клапан 14 и закрывается выпускной клапан 16. В полость 8 поступает жидкость из магистрали входа 1, а повышение давления в полости 7 приводит к открытию клапана 15 и закрытию клапана 13. Жидкость из полости 7 поступает (выталкивается) в магистраль выхода 2. Подача жидкости из магистрали входа 1 в магистраль выхода 2 может осуществляться без участия в работе устройства отсечных электромагнитных клапанов 33-36 при условии, что они постоянно находятся в положении «открыто».
Возможен режим работы устройства при отключенном электромагнитном приводе (без подачи управляющего импульса на катушку индуктивности 28) при наличии избыточного давления в магистрали входа 1 по сравнению с давлением в магистрали выхода 2. В этом режиме блок управления 37 открывает и закрывает отсечные электроклапаны 33, 34, 35, 36 согласно алгоритму, описанному выше, реализуя прямой и обратный циклы.
При использовании электромеханического привода 40 (фиг. 2) режимы работы осуществляются аналогично вышеприведенному алгоритму. При этом открытие (закрытие) отсечных электроклапанов 33, 34, 35, 36 задается блоком управления 37, либо электроклапаны постоянно находятся в положении «открыто».
Таким образом, за счет конструктивного выполнения устройства, расположения функциональных элементов в одном корпусе, использования в циклах всасывания и выталкивания жидкости полости сильфона и полости корпуса и гидравлической связи полостей одновременно с магистралями входа и выхода, регулирования и измерения частоты и величины перемещения хода штока, использования неподвижных герметичных соединений достигается повышение производительности, равномерности подачи, точности дозирования и регулирования рабочей жидкости, а также достигается надежность работы устройства и экономичность за счет исключения утечек рабочей жидкости.