РЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE REGULATOR

[0001] Настоящее изобретение относится к регулятору давления, который выполнен с возможностью подачи текучей среды с регулируемым давлением в устройство, работающее с текучей средой под давлением.
[0002] Согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, известный регулятор давления содержит входной канал, соединяемый с источником подачи текучей среды под давлением, и выходной канал, соединяемый, например, с устройством, работающим с текучей средой под давлением. Питающий клапан помещен в седло клапана между входным каналом и выходным каналом и снабжен средством регулировки, например мембраной, выполненной с возможностью регулирования выходного давления текучей среды в выходном канале так, чтобы оно было пропорционально входному давлению.
[0003] Данный регулятор может быть снабжен датчиком выходного давления, выполненным с возможностью определения давления на выходе, электромагнитным клапаном нагрузки, имеющим входное отверстие для гидравлического сообщения с входным каналом, и выходное отверстие для гидравлического сообщения с питающим клапаном и электромагнитным клапаном разгрузки, имеющим вход для гидравлического сообщения с питающим клапаном и разгрузочным выходом.
[0004] Данный регулятор снабжен схемой управления регулятором, выполненной с возможностью управлять электромагнитным клапаном нагрузки и электромагнитным клапаном разгрузки так, чтобы устранять сигнал ошибки, заданный разницей между входным сигналом, соответствующим требуемому выходному давлению, и сигналом обратной связи, который поступает от датчика выходного давления.
[0005] При запуске регулятора давления входной сигнал, представляющий требуемую величину давления на выходе, определяет активацию электромагнитного клапана нагрузки и отключение электромагнитного клапана разгрузки так, что входное давление действует на регулирующую мембрану питающего клапана, вызывая открытие седла клапана и, следовательно, прохождение текучей среды под давлением от входного канала к выходному каналу.
[0006] Датчик выходного давления осуществляет контроль давления на выходе и передает сигнал обратной связи в схему управления, действие которой обеспечивает величину выходного давления, пропорциональную входному сигналу.
[0007] На практике входное давление может быть непостоянным, и его колебания влияют на поведение электромагнитных клапанов нагрузки и разгрузки, составляя дополнительную переменную, которую необходимо стабилизировать в схеме управления. Следует отметить, что возмущающее воздействие, определяемое изменениями входного давления, обнаруживается только в конце цепи обратной связи, то есть на выходе регулятора, с возможными задержками и/или осцилляциями в управлении.
[0008] Для устранения такого недостатка также известно использование датчика входного давления, выполненного с возможностью снабжения схемы управления информацией, касающейся изменений давления на входе.
[0009] Очевидно, что наличие датчика входного давления в дополнение к датчику давления на выходе, влечет за собой увеличение сложности, размеров и стоимости регулятора давления.
[0010] Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить регулятор давления и способ регулирования давления, способные более эффективно и быстро реагировать на возмущающее воздействие, вызванное изменениями входного давления, однако, без использования датчика входного давления.
[0011] Упомянутую задачу решают с помощью регулятора давления по п. 1 и с помощью способа регулирования по п. 7. Соответствующие пункты формулы изобретения описывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.
[0012] Признаки и преимущества данного регулятора давления и способа регулирования согласно настоящему изобретению очевидно выражены в следующем описании предпочтительных вариантов его осуществления, которое приведено исключительно в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:
- Фиг. 1 является графическим представлением изменения сигнала тока взаимодействия соленоида электромагнитного клапана во времени;
- Фиг. 1а является графическим представлением изменения сигнала тока взаимодействия, показанного на Фиг. 1, при изменении входного давления;
- Фиг. 2 схематически показывает регулятор давления согласно настоящему изобретению;
- Фиг. 3 представляет собой блок-схему схемы управления выходным давлением регулятора по настоящему изобретению;
- Фиг. 4 представляет собой принципиальную схему цепи измерения пикового тока сигнала тока электромагнитной катушки; и
- Фиг. 5 представляет собой осевой разрез практического варианта осуществления регулятора давления согласно настоящему изобретению.
[0013] Электромагнитный клапан и, в частности, электромагнитный клапан нагрузки регулятора по настоящему изобретению, описанному ниже, содержит электромагнит, образованный соленоидом, намотанным, например, на катушку, и магнитную цепь, образованную неподвижным якорем, имеющим, например, участок, который частично проходит через осевую втулку катушки, и подвижный сердечник, который также частично проходит через втулку.
[0014] В электромагнитном клапане постоянного тока, на который подается постоянное напряжение питания, например 24 В, 12 В или 5 В, после подачи на соленоид питания, ток в соленоиде увеличивается, вызывая расширение магнитного поля, пока оно не станет достаточно значительным, чтобы переместить подвижный сердечник. Перемещение подвижного сердечника увеличивает концентрацию магнитного поля, так как магнитная масса сердечника все больше и больше перемещается внутри магнитного поля.
[0015] Магнитное поле, которое изменяется в том же направлении, что и ток, который его генерирует, наводит в витках соленоида напряжение противоположного знака. Поскольку магнитное поле быстро расширяется по мере того, как подвижный сердечник перемещается в конечное положение, это поле вызывает кратковременное снижение тока, протекающего в обмотке соленоида. После того, как подвижный сердечник достигнет конца своего рабочего хода, ток возобновляет свой рост до максимального уровня. Типовая форма сигнала тока соленоида IS показана на Фиг. 1.
[0016] Пока на соленоид не подается напряжение питания, ток соленоида равен нулю.
PEAK
VALLEY
[0017] Когда на соленоид подается питание, происходит первое увеличение тока соленоида IS, пока не будет достигнуто пиковое значение I в момент времени Т1, который, как упоминалось, соответствует взаимодействию с подвижным сердечником, или началу его хода к неподвижному якорю. Затем ток соленоида демонстрирует уменьшение до достижения в момент Т2 минимального значения I, которое соответствует примыканию подвижного сердечника к неподвижному якорю. В этот момент ток соленоида начинает увеличиваться, пока не достигнет максимального значения.
[0018] Идея, лежащая в основе настоящего изобретения, основана на том наблюдении, что в электромагнитном клапане с питанием напряжением постоянного тока, форма сигнала тока соленоида на этапе взаимодействия зависит от давления на входе.
[0019] В частности, как показано на графике Фиг. 1а, по мере увеличения давления на входе имеет место сокращение времени задействования электромагнитного клапана, соответствующее «опережению» сигнала тока по сравнению с сигналом тока при более низком давлении на входе.
[0020] Следовательно, из обнаружения любых изменений в сигнале тока взаимодействия может быть получено соответствующее изменение давления на входе, что обеспечивает получение информации в той же точке в цепи управления, где она могла бы быть получена от датчика входного давления.
[0021] Как показано на схеме на Фиг. 2, регулятор 1 давления согласно данному изобретению содержит корпус 5 регулятора, в котором сформирован входной канал 10, который может быть соединен с входным трубопроводом текучей среды, находящейся под давлением Pin, выходной канал 12 и седло 142 клапана между входным каналом 10 и выходным каналом 12.
[0022] Питающий клапан 14 расположен в седле 142 клапана с возможностью скольжения.
[0023] Этот питающий клапан 14 снабжен средством 144 регулировки, выполненным с возможностью регулирования выходного давления Pout текучей среды в выходном канале 12 так, чтобы оно было пропорционально входному давлению Pin.
[0024] Регулятор 1 давления снабжен датчиком 16 выходного давления, выполненным с возможностью определения выходного давления Pout текучей среды в выходном канале 12.
[0025] Регулятор 1 давления также содержит электромагнитный клапан 18 нагрузки и электромагнитный клапан 20 разгрузки.
[0026] Электромагнитный клапан 18 нагрузки имеет вход 182 электромагнитного клапана нагрузки, который имеет гидравлическое сообщение с входным каналом 10, и выход 184 электромагнитного клапана нагрузки, который имеет гидравлическое сообщение с питающим клапаном 14.
[0027] Электромагнитный клапан 20 разгрузки имеет вход 202 электромагнитного клапана разгрузки, который имеет гидравлическое сообщение с питающим клапаном 14, и выход 204 электромагнитного клапана разгрузки для разгрузки.
[0028] Регулятор 1 давления дополнительно содержит схему 30 управления регулятором, функционально соединенную с электромагнитным клапаном 18 нагрузки и электромагнитным клапаном 20 разгрузки, и выполненную с возможностью управления электромагнитным клапаном 18 нагрузки и электромагнитным клапаном 20 разгрузки так, чтобы устранить сигнал ошибки, заданный разностью между входным сигналом, соответствующим требуемому выходному давлению Pset, и сигналом обратной связи Pfb, поступающим от датчика 16 выходного давления.
[0029] Согласно объекту настоящего изобретения, регулятор 1 давления содержит схему 40 анализа тока взаимодействия, выполненную с возможностью:
a) обнаружения и сохранения опорных характеристик волнообразного сигнала тока взаимодействия Is соленоида электромагнитного клапана 18 нагрузки в условиях стабильного давления на входе;
b) контроля формы волнообразного сигнала такого тока взаимодействия Is во время работы регулятора для обнаружения любых отклонений его характеристик от соответствующих опорных характеристик;
с) подачи управляющего модулированного сигнала на электромагнитный клапан 18 нагрузки и/или электромагнитный клапан 20 разгрузки, и/или сигнала изменения давления в схему 30 управления в случае такого отклонения.
PEAK
[0030] В одном варианте осуществления характеристики сигнала тока взаимодействия Is содержат первый интервал времени Т1, который проходит между моментом возбуждения электромагнитного клапана 18 нагрузки и первым пиком тока I, генерируемым взаимодействием с подвижным сердечником электромагнитного клапана 18 нагрузки.
VALLEY
PEAK
[0031] В одном варианте осуществления характеристики сигнала тока взаимодействия Is содержат второй интервал времени Т2, который проходит между моментом возбуждения электромагнитного клапана 18 нагрузки и/или электромагнитного клапана 20 разгрузки и точкой минимального значения I последующего тока соленоида при первом пике тока I, создаваемого при взаимодействии с подвижным сердечником электромагнитного клапана 18 нагрузки и/или электромагнитного клапана 20 разгрузки.
PEAK
VALLEY
[0032] В одном варианте осуществления характеристики волнообразного сигнала, которые сохраняют и сравнивают, представляют собой угловой коэффициент первого участка сигнала между моментом возбуждения электромагнитного клапана и первым пиком тока, и угловой коэффициент второго участка сигнала, расположенного между пиком тока I и следующей точкой минимума I величины тока соленоида.
[0033] Например, угловой коэффициент первого участка определяется путем вычисления отношения между длительностью первого интервала времени Т1 волнообразного сигнала, то есть интервала времени между моментом возбуждения соленоида и пиком тока, и разницей между текущим значением при пике тока и начальным током, который соответствует нулю.
[0034] Угловой коэффициент второго участка оценивают путем вычисления отношения между длительностью второго интервала времени (Т2-Т1) сигнала, то есть интервала времени между моментом Т1, в котором ток имеет пиковое значение, и моментом Т2, в который получено текущее минимальное значение тока, и разницей между значением тока, соответствующим его минимальной величине, и значением на пике тока.
[0035] В одном варианте осуществления значения тока соленоида получают путем выборки сигнала в заданные интервалы времени с помощью схемы дискретизации тока.
[0036] В варианте осуществления схема 40 анализа тока взаимодействия сравнивает каждое значение дискретизированного тока, полученное от схемы дискретизации, с предыдущим дискретизированным значением тока, и сохраняет дискретизированное значение в регистре памяти, только если результат сравнения показывает достижение пикового или минимального значения тока.
[0037] В альтернативном варианте осуществления схема 40 анализа тока взаимодействия выполнена с возможностью осуществления сравнения только с временем Т1 взаимодействия подвижного сердечника, то есть с первым интервалом времени, который продолжается между моментом возбуждения соленоида и моментом пикового тока.
PEAK
[0038] Для выявления этого интервала времени, в одном варианте осуществления схема 40 анализа тока взаимодействия содержит аналоговую схему 400 обнаружения пиков, такую, как показана на Фиг. 4. В этой схеме ток соленоида, измеряемый через шунтирующее сопротивление RSHUNT (инвертирующий вход), и ток соленоида, к которому применяется задержка, обеспечиваемая RC-цепью (неинвертирующий вход), подаются на входные клеммы операционного усилителя 402 с функцией компаратора. Таким образом, данная схема способна выявлять момент Т1, в который ток соленоида достигает пикового значения I.
PEAK
VALLEY
[0039] Следовательно, в одном варианте осуществления схема 40 анализа тока взаимодействия обнаруживает и записывает при запуске регулятора 1 давления или, в любом случае, в ситуации стабильного давления на входе, один или оба момента времени Т1 и Т2, в которых имеет место пиковый ток I и/или минимальный ток I; далее схема 30 управления реализует функцию, необходимую для достижения требуемого значения выходного давления, заданного входным сигналом PSET, с использованием сигнала обратной связи PFB, обеспечиваемого датчиком 16 выходного давления, для устранения ошибки между мгновенным значением выходного давления POUT и уставкой PSET.
[0040] Как показано на блок-схеме Фиг. 3, схема 40 анализа тока взаимодействия может взаимодействовать со схемой управления выходным давлением, осуществляя одно или оба следующих действия:
• регулирование электромагнитного клапана 18 нагрузки и/или электромагнитного клапана 20 разгрузки в соответствии с изменением сигнала тока взаимодействия этих клапанов так, чтобы улучшить или стабилизировать их работу;
• подача в схему 30 управления третьей величины сравнения, в соответствии с которой регулируется использование электромагнитного клапана 18 нагрузки и/или электромагнитного клапана 20 разгрузки.
[0041] Информация об изменении входного давления, предпочтительно передаваемая в цепь управления в точке, соответствующей той, в которой поступает информация от датчика давления на входе в систему, позволяет реализовать алгоритмы управления в зависимости от знака изменения входного давления.
[0042] Например, если схема анализа тока взаимодействия обнаруживает уменьшение времени взаимодействия Т1 и/или Т2, это означает, что давление на входе увеличивается, причем такое увеличение давления пропорционально уменьшению времени взаимодействия. В этом случае схема 30 управления может выполнять регулирование электромагнитного клапана 18 нагрузки и/или электромагнитного клапана 20 разгрузки, работа которых менее согласована, чем при отсутствии этой информации об изменении на входе только для того, чтобы иметь информацию от датчика 16 выходного давления в любом случае. Таким образом, управление происходит быстро и без осцилляций.
[0043] И наоборот, если входное давление снижается, то можно ожидать увеличение дифференциации электромагнитного клапана 18 нагрузки, взаимообразно с электромагнитным клапаном 20 разгрузки.
[0044] Другими словами, когда давление на входе уменьшается, для поддержания уставки, заданной на основе предполагаемого более высокого входного давления, электромагнитный клапан 18 нагрузки и/или электромагнитный клапан 20 разгрузки будут получать питание в течение более длительного времени или с более высоким процентом заполнения цикла.
[0045] Следует отметить, что термин «дифференциация электромагнитного клапана» означает, что электромагнитный клапан может быть задействован в течение более длительного времени или с более высоким заполнением цикла.
[0046] Следовательно, согласно варианту осуществления способа регулирования данного изобретения, если схема анализа тока взаимодействия обнаруживает увеличение входного давления по сравнению с опорным значением давления, схема управления изменяет управляющий сигнал электромагнитного клапана нагрузки и/или электромагнитного клапана разгрузки для его возбуждения в течение более короткого времени, или с более низким процентом заполнения цикла, по сравнению с управляющим сигналом при эталонном давлении.
[0047] И наоборот, если схема анализа тока взаимодействия обнаруживает снижение входного давления по сравнению с опорным значением давления, схема управления изменяет управляющий сигнал электромагнитного клапана нагрузки и/или электромагнитного клапана разгрузки для его возбуждения в течение более длительного времени, или с более высоким процентом заполнения цикла, по сравнению с управляющим сигналом при эталонном давлении.
[0048] Теперь со ссылкой на Фиг. 5 будет описан практический пример регулятора 1 давления согласно настоящему изобретению.
[0049] Регулятор 1 содержит первый корпус 5 регулятора, в котором сформирован входной канал 10, который может быть соединен с источником подачи текучей среды под давлением, и выходной канал 12, который может быть соединен с устройством, работающим с текучей средой под давлением, например, к цилиндру.
[0050] В первом корпусе 5 регулятора между входным каналом 10 и выходным каналом 12 также сформировано седло 142 клапана. В этом седле 142 клапана находится питающий клапан 14, который может перемещаться в осевом направлении между открытым положением и закрытым положением седла 142 клапана, чтобы пропустить или прервать поток текучей среды от входного канала 10 к выходному каналу 12.
[0051] В одном варианте осуществления входные каналы 10 и выходные каналы 12 ориентированы в направлениях, параллельных друг другу, например, являются соосными, в то время как седло 142 клапана имеет ось седла, ортогональную таким каналам.
[0052] Питающий клапан 14 находится под воздействием упругого средства, например спиральной пружины 22, чтобы занять закрытое положение седла 142 клапана.
[0053] В первом корпусе 5 регулятора сформирована мембранная камера 24, в которой расположена регулирующая мембрана 26. Внешний периферийный край мембраны 26 удерживается в кольцевой выемке 28, образованной во внутренней стенке мембранной камеры 24. Например, упомянутая кольцевая выемка 28 получена из сопряжения между верхним участком 5' и нижним участком 5'' корпуса 5 регулятора (учитывая, что регулятор 1 ориентирован вертикально, входной и выходной каналы имеют горизонтально расположенные оси). Мембрана 26 и верхний участок мембранной камеры 24 ограничивает верхнюю управляющую камеру 32. Мембрана 26 и нижний участок мембранной камеры 24 ограничивает нижнюю разгрузочную камеру 34.
[0054] В одном варианте осуществления мембрана 26 удерживается между парой дисковых элементов 36, 38. Более подробно, как мембрана 26, так и верхний дисковый элемент 36 имеют центральное отверстие, в которое вставляют выступающий центральный участок 38' нижнего дискового элемента 38.
[0055] Верхняя управляющая камера 32 выполнена с возможностью приема текучей среды под давлением управления. Таким образом, эта текучая среда под давлением управления воздействует на верхнюю сторону регулирующей мембраны 26. Нижняя разгрузочная камера 34 имеет гидравлическое сообщение с выходным каналом 12.
[0056] Следует отметить, что в настоящем описании для простоты «мембрана» определяет весь узел, размещенный в мембранной камере 24, дисковые элементы или другие входящие в состав средства поддержки мембраны, которая перемещается вертикально вниз под действием текучей среды под давлением в управляющей камере 32, и вверх при наличии избыточного давления в разгрузочной камере 34.
[0057] В одном варианте осуществления нижняя разгрузочная камера 34 имеет гидравлическое сообщение с внешней средой через выпускную трубу 42. Соответственно, через указанную выпускную трубу 42 можно сбросить избыточное давление, имеющееся в выходном канале 12.
[0058] Согласно варианту осуществления, мембрана 26 функционально соединена с питающим клапаном 14 таким образом, что увеличение управляющего давления на мембрану вызывает открытие седла 142 клапана.
[0059] Кроме того, разгрузочный затвор 50 функционально соединен с питающим клапаном 14 и выполнен с возможностью предотвращения прохождения текучей среды через выпускную трубу 42, когда мембрана 26 находится в состоянии равновесия или при повышении управляющего давления, и для обеспечения возможности прохождение текучей среды через упомянутую выпускную трубу 42 в присутствии избыточного давления, воздействующего на нижнюю сторону мембраны 26.
[0060] В одном варианте осуществления через мембрану 26 проходит осевой разгрузочный канал 44, к верхнему участку которого, ведущему в управляющую камеру 32, присоединена выпускная труба 42. Например, упомянутый осевой разгрузочный канал 44 сформирован в выступающем центральном участке 38' нижнего дискового элемента 38.
[0061] В одном варианте осуществления выпускная труба 42 проходит через управляющую камеру 32 и выведена в атмосферу, проходя через выпускное отверстие, выполненное в стенке первого корпуса 5 регулятора.
[0062] В варианте осуществления, в котором седло 142 клапана является соосным регулирующей мембране 26, разгрузочный затвор 50 в осевом направлении ограничен питающим клапаном 14 и имеет верхний конец 52, выполненный с возможностью герметичного взаимодействия с нижним участком упомянутого осевого канала 44.
[0063] Более подробно, разгрузочный затвор 50 имеет удлиненную форму, похожую на стержень, который проходит от питающего клапана 14 к мембране 26.
[0064] Давление в управляющей камере 32 регулируется пневматическим управляющим регулятором 60, содержащим электромагнитный клапан 18 нагрузки, электромагнитный клапан 20 разгрузки и электронную плату 62 управления, на которой реализована схема 30 управления. Схема 40 анализа тока взаимодействия может быть выполнена на той же электронной плате 62 управления со схемой 30 управления или на электронной плате электромагнитного клапана, установленной на электромагнитном клапане 18 нагрузки.
[0065] В одном варианте осуществления пневматический управляющий регулятор 60 установлен на первом корпусе 5 регулятора. Более подробно, электромагнитный клапан 18 нагрузки и электромагнитный клапан 20 разгрузки размещены во втором корпусе 7, прикрепленном, например, с помощью винтов 8, к верхнему участку 5' корпуса 5 первого регулятора.
[0066] Например, второй корпус 7, электронная плата 62 и датчик 16 давления защищены кожухом 68.
[0067] Датчик 16 давления, имеющий гидравлическое сообщение с выходным каналом 12, функционально соединен с электронной платой 62 управления.
[0068] В одном варианте осуществления в первом корпусе 5 регулятора сформирован нагрузочный канал 72, который обеспечивает гидравлическое сообщение входного канала 12 с входом 182 электромагнитного клапана нагрузки и канал 74 определения давления, который обеспечивает гидравлическое сообщение выходного канала 12 с датчиком 16 давления.
[0069] Таким образом, между верхом первого корпуса 5 регулятора и основанием второго корпуса 7 регулятора сформирован пневматический интерфейс 76, который позволяет обеспечить гидравлическое сообщение электромагнитного клапана 18 нагрузки и электромагнитного клапана 20 разгрузки с управляющей камерой 32, входного канала 10 с электромагнитным клапаном 18 нагрузки и выходного канала 12 с датчиком давления 16.
[0070] Специалист в данной области техники может внести некоторые изменения, коррекции, адаптации и замены элементов другими функционально эквивалентными элементами в вариантах осуществления регулятора давления и способа регулирования в соответствии с данным изобретением для удовлетворения дополнительных потребностей, не отклоняясь от объема следующей формулы изобретения. Каждый из признаков, описанных как принадлежащие возможному варианту осуществления, может быть получен независимо от других описанных вариантов осуществления.