СПОСОБ ЗАДАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В КОНТРОЛИРУЕМОМ ОБЪЕМЕ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR SETTING PRESSURE IN CONTROLLED VOLUME, AND UNIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к метрологическому оборудованию обеспечения приборов давления и может применяться для автоматизации процедуры калибровки и поверки и также может использоваться для точного поддержания давления в небольшой емкости в химической, биохимической и других отраслях промышленности.
Известны способ и установка для задания давления в контролируемом объеме, описанные в п. США №5142483 и выбранные в качестве аналога.
Известная установка содержит последовательно соединенные газовый источник давления, регулятор, входной и выходной сервоклапаны и включенный между сервоклаланами параллельно им сервоклапан, выход которого соединен с контролируемым объемом и с магистралью между сервоклапанами.
Известный способ заключается в том, что от газового источника давления его подают через регулятор и входной сервоклапан, а также сервоконтроллер в контролируемый объем. Это приводит к тому, что в контролируемом объеме давление изменяется или «осциллирует» около среднего значения и невозможно получить точно стабильное давление, поскольку контролируемый объем всегда находится под влиянием сервоконтроллера, который постоянно подстраивается под установленную величину. Известно, что использование цифровых сигналов позволяет с большей скоростью, чем аналоговыми сигналами, управлять открыванием и закрыванием клапанов, однако этот подход требует высокоскоростных и высокомощных входного и выходного клапанов, что приводит к высокой стоимости и большому потреблению мощности устройства.
Известный способ включает:
1) кратковременное открывание "быстрого" впускного клапана для быстрого увеличения давления в контролируемом объеме, кратковременное открывание "медленного" впускного клапана для медленного увеличения давления в контролируемом объеме, кратковременное открывание "быстрого" выпускного клапана для быстрого уменьшения давления в контролируемом объеме, кратковременное открывание "медленного" выпускного клапана для медленного уменьшения давления в контролируемом объеме;
2) обеспечение медленного увеличения и уменьшения давления "медленным" впускным и "медленным" выпускным клапанами соответственно за счет дросселирования клапанов;
3) ограничение перепада давления на впускных и выпускных клапанах установкой последовательно с ними впускного и выпускного пневморегулятора расхода;
4) установление давления в три этапа:
а) грубое установление давления, при этом открываются одновременно "быстрый" и "медленный" клапан, давление в емкости непрерывно контролируется, и при достижении значения X1 происходит переход на следующий этап;
б) на этом этапе "быстрый" клапан закрывается и остается открытым только "медленный" клапан, и по достижении уровня давления X2 в емкости происходит переход на этап прецизионного поддержания давления;
Δ
в) этап прецизионного поддержания давления - на этом этапе происходит дифференциальное открывание "медленного" впускного и "медленного" выпускного клапанов, причем разница времен открытого состояния этих клапанов, так называемое время перекрытия, вычисляется из выражения t=Pulse width+offset, где Pulse width - величина, пропорциональная необходимому изменению давления и скорости нарастания давления при открытии клапана, offset - величина смещения времени, характеризующая разницу действительных времен открытого состояния впускного и выпускного клапанов при одинаковых внешних условиях.
В известном способе давление регулируется за счет разности расхода газа через входной и выходной клапаны, причем расход газа через клапаны задается изменением состояния клапанов, при этом для увеличения разрешающей способности клапаны часто открыты одновременно.
Недостатком способа является сложность реализации из-за применения механического регулятора расхода и неэкономичность за счет постоянного расхода газа, необходимого для поддержания номинального режима работы пневморегулятора, и за счет дополнительного расхода газа при регулировании, т.к. времена открытого состояния впускного и выпускного клапанов перекрываются.
Известная установка содержит источник газа, связанный через входной пневморегулятор потока с параллельно соединенными "быстрым" и "медленным" впускными клапанами, выходы впускных клапанов соединяются с рабочей камерой, в которой регулируется давление, и со входами параллельно соединенных "быстрого" и "медленного" выходных клапанов, выходы которых подключаются в выходному пневморегулятору потока, соединенному с атмосферой или с источником вакуума, в рабочей камере установлен датчик давления, выход входного пневморегулятора расхода соединен со входом выходного через дроссель в обход клапанов и рабочей емкости.
Недостатком является конструктивная сложность реализации установки регулирования из-за применения механических пневморегуляторов расхода; также недостатком является неэкономичность, обусловленная постоянным расходом газа, необходимого для номинальной работы пневморегуляторов потока.
Известны способ задания давления в контролируемом объеме и установка для его осуществления, описанные в п. РФ №2319126, по кл. C01L 27/02, G05D 16/00, з. 09.08.06, оп. 10.03.08 и выбранные в качестве прототипа.
Известный способ задания давления в контролируемом объеме заключается в том, что с помощью схемы регулирования давления и трубопроводной магистрали задают «грубо» установленное значение давления в контролируемом объеме, затем периодически замеряют в нем давление и, при отклонении его величины от заданной вычисляют количество сжатого газа, которое необходимо ввести в контролируемый объем или удалить из него и, подавая или удаляя необходимое количество газа с помощью схемы регулирования до достижения в контролируемом объеме давления, которое затем «прецизионно» поддерживают, для того чтобы обеспечить его в контролируемом объеме, при этом «прецизионное» регулирование величины давления в контролируемом объеме производят параллельно с поддержанием давления в схеме регулирования, для чего параллельно замеряют давление в ней и в контролируемом объеме, сравнивают их значения друг с другом, поддерживают давление в контролируемом объеме близким к установленному и изменяют давление в схеме регулирования так, чтобы разность давлений в схеме регулирования и в контролируемом объеме поддерживалась в пределах, обеспечивающих требуемую дискретность изменения давления в контролируемом объеме путем прямой и обратной подачи необходимого количества газа через трубопроводную магистраль, связывающую схему регулирования и контролируемый объем, при этом для уменьшения минимальной порции газа применяют последовательное открывание клапанов, входящих в схему регулирования, и последовательное их открывание с перекрытием во времени.
Известная установка для задания давления в контролируемом объеме содержит источники высокого и низкого давления, связанные параллельно через входные вентили и входную группу соответственно из параллельно подключенных через отсечной клапан впускного и выпускного клапанов с предварительной емкостью, соединенной через трубопроводную магистраль для прохождения газа и последовательно соединенные между собой элементы регулирования расхода, представляющие собой перепускные клапаны, с рабочей емкостью, снабженной датчиком давления и связанной через выходной вентиль с контролируемым объемом и системой управления, связанной также со схемой регулирования, и датчиком давления, которым снабжена рабочая емкость. При этом схема регулирования включает в себя последовательно соединенные входную группу клапанов, предварительную емкость и группу перепускных клапанов, а входная группа клапанов состоит из 3-х соединенных звездой клапанов: впускного, соединенного с источником высокого давления, выпускного, соединенного с источником низкого давления или с атмосферой, и отсечного, соединенного с предварительной емкостью, снабженной вторым датчиком давления, а группа перепускных клапанов состоит из 2-х соединенных последовательно клапанов, подключенных через трубопроводную магистраль к рабочей и предварительной емкостям, а система управления соединена с датчиками и клапанами.
Известные средства позволяют регулировать задаваемое давление с помощью распределительных электрических клапанов с использованием промежуточной стабилизации давления в предварительной емкости и являются более простыми и экономичными в сравнении с американским аналогом.
Тем не менее, конструкция установки остается достаточно сложной из-за использования двух каналов измерения давления и наличия предварительной емкости, а способ сложен из-за алгоритма работы.
Задачей является упрощение средств задания давления при сохранении высокой стабильности регулирования и низком расходе рабочей среды.
Поставленная задача решается тем, что:
- в способе задания давления в контролируемом объеме, заключающемся в том, что с помощью схемы регулирования давления и трубопроводной магистрали задают «грубо» установленное значение давления в контролируемом объеме, затем периодически замеряют в нем давление и, при отклонении его величины от заданной, вычисляют количество сжатого газа, которое необходимо ввести в контролируемом объеме или удалить из него, и подавая или удаляя необходимое количество газа с помощью схемы регулирования до достижения в контролируемом объеме давления, которое затем «прецизионно» поддерживают для того, чтобы обеспечить его в контролируемом объеме, согласно изобретению, «прецизионное» регулирование величины давления в контролируемом объеме производят, меняя сопротивление трубопроводной магистрали в схеме регулирования при задании избыточного давления от минимального значения, обеспечиваемого включением впускного клапана и всех клапанов элементов регулирования расхода схемы регулирования, и до максимального значения, соответствующего сумме сопротивлений всех дросселей элементов регулирования расхода, достигаемого выключением поэтапно всех клапанов элементов регулирования расхода и затем впускного клапана при приближении задаваемого избыточного давления к заданному значению, прекращая поступление газа, с последующим поддержанием заданного давления в контролируемом объеме с требуемой дискретностью изменения давления путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости, а при задании разрежения - от минимального сопротивления включением выпускного клапана и всех клапанов элементов регулирования расхода, и до максимального значения сопротивления выключением всех клапанов элементов регулирования расхода и затем выпускного клапана при приближении разрежения к заданному значению, прекращая отвод газа из рабочей емкости, при этом дальнейшее поддержание заданного разрежения в контролируемом объеме с требуемой дискретностью производят путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости;
- в установке для задания давления в контролируемом объеме, содержащей источники высокого и низкого давления, связанные параллельно через входные вентили и входную группу соответственно из впускного и выпускного клапанов со схемой регулирования, включающей в себя входную группу клапанов, трубопроводную магистраль для прохождения газа и последовательно соединенные между собой элементы регулирования расхода, а также рабочую емкость, снабженную датчиком давления и связанную через выходной вентиль с контролируемым объемом и системой управления, связанной также со схемой регулирования, согласно изобретению, входная группа клапанов состоит из параллельно соединенных впускного и выпускного клапанов, подключенных в одной точке непосредственно к первому из n элементов регулирования расхода, где n≥3, каждый из которых состоит из параллельно соединенных между собой клапана и дросселя, при этом источники давления связаны с входными вентилями через фильтры защиты системы регулирования от возможных загрязнений.
В заявляемом способе осуществление прецизионного регулирования величины давления в контролируемом объеме при задании избыточного давления изменением сопротивления трубопроводной магистрали от минимального посредством включения впускного клапана и клапанов элементов регулирования и до максимального, соответствующего сумме сопротивлений всех дросселей выключением поэтапно всех клапанов элементов регулирования расхода и затем впускного клапана при приближении задаваемого избыточного давления к заданному значению, прекращая поступление газа, с последующим поддержанием заданного давления в контролируемом объеме с требуемой дискретностью изменения давления путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости, а при задании разрежения - от минимального сопротивления включением выпускного клапана и всех клапанов элементов регулирования расхода, и до максимального значения сопротивления выключением всех клапанов элементов регулирования и затем выпускного клапана при приближении разрежения к заданному значению, прекращая отвод газа из рабочей емкости, при этом дальнейшее поддержание заданного разрежения в контролируемом объеме с требуемой дискретностью производят путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости, упрощает процесс регулирования.
В заявляемой установке выполнение входной группы клапанов из параллельно соединенных впускного и выпускного клапанов, подключенных в одной точке непосредственно к первому из составляющих схему регулирования n элементов регулирования расхода, где n≥3, в совокупности с выполнением каждого из элементов схемы регулирования из параллельно соединенных между собой клапана и дросселя при соединении источников давления с входными вентилями через фильтры защиты системы регулирования от возможных загрязнений позволяет при весьма простой конструкции стабильно регулировать расход среды, обеспечивая достижение заданного результата.
Технический результат - упрощение средств задания давления при снижении расхода потребляемого установкой газа.
Заявляемый способ задания давления в контролируемом объеме обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими позволяющими в совокупности достичь заданного результата существенными признаками как осуществление «прецизионного» регулирования величины давления в контролируемом объеме путем изменения сопротивления трубопроводной магистрали в схеме регулирования посредством включения или выключения впускного или выпускного клапанов и клапанов элементов регулирования расхода схемы регулирования, как указано выше, обеспечивая простоту процесса регулирования.
Заявляемая установка обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как выполнение входной группы клапанов из параллельно соединенных впускного и выпускного клапанов, подключенных в одной точке непосредственно к схеме регулирования, выполнение схемы регулирования из n элементов схемы регулирования расхода, где n≥3, выполненных в виде параллельно соединенных между собой клапана и дросселя, связь источников давления с входными вентилями через фильтры защиты системы регулирования от возможных загрязнений, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными выше отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемые способ и установка задания давления в контролируемом объеме соответствуют критерию «изобретательский уровень».
Заявляемые способ и установка задания давления в контролируемом объеме могут применяться для автоматизации процедуры калибровки и поверки и использоваться для точного поддержания давления в небольшой емкости в химической, биохимической и других отраслях промышленности, а потому соответствуют критерию «промышленная применимость».
Заявляемый способ заключается в следующем.
С помощью схемы регулирования давления и трубопроводной магистрали задают «грубо» установленное значение давления в контролируемом объеме. Затем периодически замеряют в нем давление и, при отклонении его величины от заданной, вычисляют количество сжатого газа, которое необходимо ввести в контролируемом объеме или удалить из него. Подавая или удаляя необходимое количество газа с помощью схемы регулирования до достижения в контролируемом объеме давления, которое затем прецизионно» поддерживают для того, чтобы обеспечить его в контролируемом объеме. При этом «прецизионное» регулирование величины давления в контролируемом объеме производят, меняя сопротивление трубопроводной магистрали при задании избыточного давления от минимального включением впускного клапана и всех клапанов элементов регулирования расхода схемы регулирования, и до максимального, соответствующего сумме сопротивлений всех дросселей элементов регулирования расхода выключением поэтапно всех клапанов элементов регулирования расхода и затем впускного клапана при приближении задаваемого избыточного давления к заданному значению, прекращая поступление газа. Дальнейшее поддержание заданного давления в контролируемом объеме с требуемой дискретностью изменения давления производят путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости. При задании разрежения изменяют сопротивление трубопроводной магистрали в схеме регулирования от минимального включением выпускного клапана и всех клапанов элементов регулирования расхода схемы регулирования, и до максимального значения сопротивления выключением всех клапанов элементов регулирования расхода и затем выпускного клапана при приближении разрежения к заданному значению, прекращая отвод газа из рабочей емкости. Дальнейшее поддержание заданного разрежения в контролируемом объеме с требуемой дискретностью производят путем кратковременного открытия впускного клапана для подачи газа или выпускного клапана для отвода газа из рабочей емкости.
Заявляемая установка для осуществления способа для задания давления в контролируемом объеме содержит источники высокого и низкого давления, связанные параллельно через входные вентили и входную группу соответственно из впускного и выпускного клапанов со схемой регулирования. Схема регулирования включает в себя входную группу клапанов, трубопроводную магистраль для прохождения газа и последовательно соединенные между собой элементы регулирования расхода. Имеется рабочая емкость, снабженная датчиком давления и связанная через выходной вентиль с контролируемым объемом и системой управления, связанной также со схемой регулирования. При этом входная группа клапанов состоит из параллельно соединенных впускного и выпускного клапанов, подключенных в одной точке непосредственно к схеме регулирования. Схема регулирования состоит из n элементов регулирования расхода, где n≥3, каждый из которых состоит из параллельно соединенных между собой клапана и дросселя. Источники давления связаны с входными вентилями через фильтры защиты системы регулирования от возможных загрязнений.
Изобретения иллюстрируются чертежом, где представлена функциональная схема установки для осуществления способа задания давления в контролируемом объеме.
1
n
1-n
1-n
В примере конкретного выполнения установка для задания давления в контролируемом объеме (см. чертеж) содержит две параллельные цепочки задания давления, каждая из которых - I (II) - включает в себя последовательно соединенные соответственно источник 1 (2) давления, фильтр 3 (4) для защиты системы регулирования от возможных загрязнений от поверяемых приборов или источников давления, входной вентиль 5 (6). При этом источник 1 давления создает избыточное давление и представляет собой, например, компрессор, источник 2 служит для создания разрежения или вакуума и представляет собой, в частности, насос. Эти цепочки I и II - первая через впускной клапан 7, а вторая через выпускной клапан 8 - соединены в одной точке с цепочкой III, состоящей из последовательно соединенных между собой элементов 9 -9, регулирования расхода (каждый из которых состоит из параллельно включенных электроклапана 10 и дросселя 11), фильтра 12, рабочей емкости 13, выходного вентиля 14 и контролируемого объема (поверяемого прибора) 15. Клапаны 7, 8 и цепочка III из элементов 9 образуют в совокупности схему 16 регулирования. При этом рабочая емкость 13 через эталонный датчик 17 давления соединена со схемой 18 управления, которая также соединена со схемой 16 регулирования. Элементом схемы 16 регулирования является также трубопроводная магистраль 19, соединяющая все элементы схемы 16. Фильтр 12 служит для защиты системы 16 регулирования от возможных загрязнений.
Способ задания давления в контролируемом объеме осуществляется с помощью заявляемой установки следующим образом.
Основой способа является использование цепочки из последовательно соединенных элементов из параллельно включенных дросселя и электроклапана. Количество таких элементов определяется из требуемой дискретности задания и стабильности поддержания давления (от 3 до 5).
При приближении к необходимому значению давления производится поэтапное закрытие электроклапанов и увеличивается общее сопротивлении последовательно включенных дросселей в линии подачи (сброса) давления в контролируемом объеме.
Способ регулирования и поддержания давления (задания) в небольшом объеме с целью поверки и калибровки приборов давления с помощью устройства осуществляется следующим образом.
Для задания необходимого значения избыточного давления (уставки) системой 18 управления (в соответствии с определенным алгоритмом) производится изменение сопротивления магистрали 19 включением электроклапана 7 и всех электроклапанов 10 элементов 9, что соответствует наименьшему сопротивлению схемы 16 регулирования и, соответственно, максимальному расходу газа, поступающему в рабочую емкость 13. Давление в рабочей емкости 13 контролируется эталонным датчиком 17, передающим сигнал в систему 18 управления, которая по мере возрастания давления выключает поэтапно электроклапаны элементов 9, что приводит к уменьшению расхода газа, поступающего в рабочую емкость 13 и контролируемый объем 14. При приближении давления в рабочей емкости 13 к уставке (заданному значению) все электроклапаны 10 элементов 9 окажутся закрытыми, сопротивление магистрали 19 будет максимальным и будет соответствовать сумме сопротивлений всех дросселей 11 элементов 9. При достижении в рабочей емкости 13 давления уставки система 18 управления выключит впускной электроклапан 7 и поступление газа прекратится.
Для поддержания избыточного давления от источника 1 в рабочей емкости 13 вблизи давления уставки с минимально допустимой флуктуацией системой 18 управления постоянно рассчитывается количество газа, которое необходимо ввести в рабочую емкость 13 или наоборот удалить, путем кратковременного включения впускного электроклапана 7 или выпускного электроклапана 8.
В случае задания необходимого значения разрежения (уставки) от источника 2 система 18 управления производит включение электроклапана 8 и всех электроклапанов 10 элементов 9, что соответствует наименьшему сопротивлению схемы 16 регулирования и, соответственно, максимальному расходу газа, удаляемого из рабочей емкости 13. В остальном работа в этом режиме аналогична работе в режиме задания избыточного давления.
В сравнении с прототипом заявляемые способ и установка для задания давления в контролируемом объеме являются более простыми по воплощению и менее расходными.