КЛАПАН И СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЫ
VALVE AND SYSTEM OF GASEOUS MEDIUM FLOW MEASUREMENT

Система относится к области измерительной техники и может быть использована для измерений расхода и количества газообразных сред.
Известны системы измерения расхода в линиях подачи текучей среды (Кремлевский П.П. «Расходомеры и счетчики количества веществ», справочник, книга I, II, С-П, «Политехника», 2002).
Известна система для измерения расхода текучих сред (ПАТЕНТ №111637, СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ), содержащая линию подачи текучей среды, клапан открывания и закрывания потока текучей среды с гистерезисной характеристикой и измерительную камеру, имеющую фиксированный объем. Клапан, совместно с измерительной камерой, является измерительным преобразователем.
Клапан содержит корпус с закрепленной в нем втулкой, имеющей две поверхности запирания, подвижный поршень, притягивающиеся постоянные магниты, один из которых закреплен во втулке, другой в тарелке поршня.
Система работает следующим образом. В исходном состоянии клапан закрыт. По мере расхода газа потребителем снижается давление в измерительной камере. Когда перепад давления на клапане достигает порога открытия, клапан импульсно открывается и поток через него восполняет в измерительной камере ушедший объем газа. При достижении на клапане перепада давления, соответствующего порогу закрытия, клапан скачком закрывается, после чего цикл повторяется.
Клапан работает следующим образом. При достижении верхней границы перепада давления, газ начинает поступать в объем между поверхностями запирания. Объем этой области выполнен минимальным, поэтому давление в ней быстро поднимается до уровня давления на входе клапана. Сила давления на тарелку поршня быстро увеличивается во столько раз, во сколько различаются площади запирающих поверхностей, и клапан начинает открываться. Одновременно, по мере перемещения тарелки поршня по степенному закону уменьшается сила взаимодействия магнитов. Оба перечисленных фактора обеспечивают резкий выброс поршня с большой скоростью. Движение поршня может демпфироваться различными устройствами: резиновым кольцом, пружиной, отталкиванием постоянных магнитов.
Когда давление газа в области за поршнем возрастает и уменьшается давление на поршень вытекающего из клапана газа, поршень закрывает клапан под действием силы притяжения постоянных магнитов, возрастающей по степенному закону при приближении тарелки поршня к запирающей поверхности.
Недостаток данной системы заключается в недостаточной точности измерения расхода, которая определяется стабильностью перепада давления в измерительной камере. Стабильность перепада давления в измерительной камере зависит от стабильности порогов срабатывания клапана, которая недостаточна при использовании магнитомеханического клапана прототипа (ПАТЕНТ №111637, СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ).
Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения расхода.
Поставленная задача решается клапаном для измерения расхода газовой среды с гистерезисной характеристикой, содержащим корпус с закрепленной в нем втулкой, имеющей две поверхности запирания, поршень с тарелкой, притягивающиеся постоянные магниты, один из которых закреплен во втулке, другой в тарелке поршня, дополнительно содержит катушку индуктивности, размещенную в зоне взаимодействия магнитов, и устройство измерения временных интервалов, связанное с катушкой индуктивности.
При перепаде давления на клапане, близком к порогу открытия, уменьшается сила прижатия запирающей поверхности поршня к седлу клапана и перед моментом резкого открытия клапана увеличивается утечка газа через клапан. Это увеличивает погрешность измерения расхода. Подача на катушку индуктивности, размещенную в зоне взаимодействия магнитов, упреждающего импульса напряжения, уменьшающего силу взаимодействия магнитов, ускорит процесс самопроизвольного открытия клапана и позволит исключить эту утечку.
Перед закрытием клапана, когда поршень начинает двигаться в сторону седла запирания, результирующая сила, действующая на клапан, еще мала. Поэтому момент начала движения нестабилен и является источником погрешности. Подача на катушку индуктивности упреждающего закрывающего импульса напряжения, увеличивающего силу притяжения магнитов, позволит исключить эту погрешность.
При управлении импульсами открытия и закрытия такой клапан может быть применен в различных устройствах, требующих прерывания потока.
Во всех случаях затраты энергии на работу клапана снизятся по сравнению с соленоидными клапанами, поскольку управление осуществляется короткими импульсами малой мощности (основная сила обеспечивается постоянными магнитами).
Поставленная задача решается системой измерения газовой среды, содержащей линию подачи газа, клапан для измерения расхода газовой среды с гистерезисной характеристикой и измерительную камеру, имеющую фиксированный объем, отличающуюся тем, что она дополнительно содержит критическое сопло.
Критическое сопло установлено или перед клапаном, или в клапане перед поверхностью запирания.
Объем газа, прошедший через клапан, определяется средним расходом газа через клапан за интервал времени, когда клапан открыт.
Средний расход газа через клапан задается с помощью критического сопла. Как известно, критические сопла являются одним из самых стабильных устройств, применяемых для задания расхода (МИ 1538-86).
Критические расходомеры, требования к составу и основные положения методики выполнения измерений массового расхода газа, Казань 1986 г., ISO 9300 Measurement of gas flow Venturi nozzles, ISO 2005). Их часто применяют в поверочных газовых установках для задания эталонных расходов.
При задании расхода через клапан с помощью критического сопла точность измерения расхода будет определяться не стабильностью перепада давления в измерительной камере, а стабильностью расхода газа через критическое сопло, и точностью измерения интервала времени, когда клапан открыт, и периода пульсаций клапана.
Интервал времени, когда клапан открыт, и период пульсаций клапана измеряются устройством измерения временных интервалов. В качестве источника сигнала о состоянии клапана может использоваться датчик, чувствительный к перемещению поршня клапана, например индуктивный датчик.
Высокая стабильность расхода газа через критическое сопло и возможность точного измерения интервала времени, когда клапан открыт, и периода пульсаций клапана позволяют обеспечить большую точность измерения расхода, чем в прототипе.
При этом длительность интервала времени открытия клапана, по-прежнему, будут определяться перепадом давления в камере, но влиять на точность не будет.
Поскольку критическое сопло характеризуется независимостью скорости истечения газа от значения давления после сопла, то встраивание критического сопла в конструкцию клапана не повлияет на стабильность расхода через сопло, когда клапан находится в открытом состоянии. Поэтому возможно и целесообразно объединить критическое сопло и клапан в одной конструкции, встроив сопло во втулку клапана.
На рис. 1 - система измерения расхода газовой среды, где;
1 - Линия подачи текучей среды.
2 - Критическое сопло
3 - Клапан
4 - Измерительная камера
5 - Регулятор давления
6 - Устройство измерения временных интервалов состояния клапана.
На рис.2 - схема клапана, где;
7 - Корпус клапана
8 - Катушка индуктивности
9 - Втулка клапана
10 - Поршень с тарелкой
11 - Притягивающиеся магниты.
Система работает следующим образом. В начальном состоянии, при недостаточном перепаде давления на клапане, клапан находится в закрытом состоянии. По мере расхода газа потребителем, давление в измерительной камере падает, увеличивая разность давления на клапане. При достижении верхней границы перепада давления клапан импульсно открывается и поток газа через клапан заполняет измерительную камеру. Поскольку перед клапаном расположено сопло с критическим режимом истечения газа, то расход газа через клапан стабилен и не зависит от изменения давления на выходе сопла. По мере заполнения измерительной камеры газом, рост давления в ней вызывает уменьшение перепада давления на клапане и, при достижении перепадом порога закрытия, клапан скачком закрывается. После чего цикл повторяется.
Порог закрытия клапана задается параметрами клапана таким, чтобы к моменту закрытия клапана еще сохранялся режим критического истечения газа из сопла. Для сохранения критического режима истечения газа отношение абсолютных давлений перед соплом и за соплом должно быть больше, чем предельное значение. Например, в стандартных критических соплах Вентури критический режим наступает при предельном значении отношения более 1,25.
При стабилизации расхода через клапан и измерении временных интервалов состояния клапана, расход газа потребителем определится выражением
<mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>n</mi><mi>o</mi><mi>m</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>G</mi><mrow><mi>к</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>K</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>К</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
кл
где G(K) - величина расхода через критическое сопло, значение которого постоянно во всем диапазоне измерения или является известной функцией от К.
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>t</mi></mfrac></mrow>
i
- коэффициент заполнения импульсного выходного сигнала, t - время открытого состояния клапана, t - период пульсаций клапана.
Время пульсаций определяется с помощью индуктивного преобразователя, например катушки индуктивности, размещенной в клапане, сигнал от которой подается на устройство измерения временных интервалов переключения клапана. Сигнал на катушке индуктивности, размещенной рядом с взаимодействующими постоянными магнитами клапана, возникает в моменты открытия и закрытия клапана. При открытии и закрытии клапана изменяется величина магнитного поля между двумя притягивающимися постоянными магнитами, один из которых расположен в неподвижной втулке клапана, другой расположен в тарелке поршня клапана.
Одновременно, катушка индуктивности используется для управляющих воздействий на пороги открытия и закрытия клапана с помощью подачи на нее коротких импульсов.
При расходах близких к нижней границе диапазона измерения утечка клапана может заметно увеличить погрешность измерения. Поэтому при малых расходах целесообразно ускорить открытие клапана до того, как утечка клапана под воздействием роста перепада давления на клапане стала существенной, подав на катушку короткий опережающий импульс открытия.
При больших расходах, наоборот, желательно ускорить закрытие клапана, чтобы не допустить выхода расхода сопла из критического режима, что приведет к увеличению погрешности измерения. Для этого, как только на выходе катушки появятся первые признаки движения тарелки клапана к закрытию, на катушку подается ускоряющий закрытие импульс.
Поскольку критическое сопло характеризуется независимостью скорости истечения газа от значения давления после сопла, то встраивание критического сопла в конструкцию клапана не повлияет на стабильность расхода через сопло, когда клапан находится в открытом состоянии. Поэтому критическое сопло размещено во втулке клапана в единой с ним конструкции.
Регулятор давления, установленный после измерительной камеры, обеспечивает снижение пульсаций давления газа у потребителя до нормативных значений и, одновременно, выполняет функции регулирования и стабилизации выходного давления.