АВТОМАТИЧЕСКИЙ ДОЗАТОР ЖИДКОСТИ
AUTOMATIC LIQUID DOSER

Изобретение относится к атомной промышленности в части радиохимической переработки отработавшего ядерного топлива, а именно к устройствам для непрерывного дозирования агрессивных и легко кристаллизирующихся растворов, в частности растворов уранилнитрата.
При переработке отработавшего ядерного топлива требуется высокая точность дозирования технологических продуктов и реагентов в большинстве технологических процессов с целью стабилизации режимов и получения высоких степеней очистки целевых компонентов от примесей. Исключение ошибок производственного персонала в таких прецизионных процессах может быть обеспечено высокой степенью автоматизации при управлении дозирующим оборудованием.
Известен дозатор жидкости, содержащий корпус, внутри которого с зазором установлен вытеснитель с приводом. Перемещение вытеснителя в корпусе осуществляется винтовой передачей, связанной с электродвигателем через редуктор и червячную передачу. Вытеснитель имеет продольный паз, а корпус снабжен направляющим винтом, входящим в паз. Вытеснитель выполнен с радиусом, изменяющимся по высоте (авторское свидетельство СССР 420878, кл. G01F 11/16, 1970). Описанный выше дозатор жидкости был принят заявителем за прототип.
К недостаткам известного дозатора жидкости, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится то, что перемещающий вытеснитель винт и паз с направляющим винтом контактируют с дозируемой жидкостью, что в случае дозирования агрессивных и легко кристаллизирующихся растворов приведет к их постепенному коррозионному разрушению и заклиниванию выпавшими кристаллами, а наличие внутри корпуса узлов, контактирующих с радиоактивными веществами, требующих технического обслуживания, приведет к повышенному радиационному воздействию на персонал.
Кроме того, в известном дозаторе жидкости перемещение вытеснителя в корпусе осуществляется с помощью винта, связанного с электродвигателем через редуктор и червячную передачу. Наличие люфтов в редукторе, червячной и винтовой передачах не могут обеспечить высокую точность дозирования небольших количеств жидкости, так как для этого необходимы малые перемещения вытеснителя, сравнимые с величиной люфтов.
Известным дозатором жидкости невозможно во время работы регулировать, при необходимости, расход дозируемой жидкости, так как скорость дозирования изменяется заменой съемных шестерен редуктора, а при постоянной скорости вращения привода расход на выходе изменяется только пропорционально изменению радиуса вытеснителя по высоте.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в расширении функциональных возможностей за счет расширения диапазона дозируемых жидкостей, в том числе агрессивных и легко кристаллизирующихся, повышение надежности, снижение радиационного воздействия на персонал, повышения точности дозирования, регулирование выходного расхода и дозирования в автоматическом режиме.
Для достижения указанного технического результата в заявляемом автоматическом дозаторе жидкости, включающем корпус, внутри которого с зазором установлен вытеснитель, связанный с приводом, особенностью является то, что корпус с крышкой, снабженный входным, выходным патрубками и патрубком полного опорожнения, размещен в емкости с теплоносителем, снабженной входным и выходным патрубками. К вытеснителю герметично присоединен полый шток, соединенный своим верхним концом с направляющей планкой, установленной с возможностью вертикального перемещения на стойках, размещенных вне корпуса и закрепленных на крышке. Внутри штока установлен винт винтовой передачи, гайка которой также присоединена к направляющей планке. Привод снабжен электронным блоком управления, включающим в себя программируемый контроллер, устройство управления двигателями, устройства ввода и вывода информации, модем связи и программное обеспечение.
В частном случае, внутри корпуса установлены датчик температуры, сигнализатор уровня заполнения и сигнализатор нулевого уровня, а на стойках два конечных выключателя, подключенные к электронному блоку управления.
Учитывая условия эксплуатации, на входном патрубке и патрубке полного опорожнения корпуса установлены подогреваемые клапаны с дистанционным управлением, подключенные к электронному блоку управления.
В другом частном случае, в приводе использован шаговый двигатель, подключенный к электронному блоку управления.
В еще одном частном случае, в качестве передачи использована шариковинтовая передача.
Кроме того, электронный блок управления выполнен с возможностью управления, как минимум, двумя предлагаемыми автоматическими дозаторами жидкости с соединенными выходными патрубками и с возможностью подключения к компьютеру.
Размещение корпуса в емкости, снабженной входным и выходным патрубками, позволяет подать в емкость теплоноситель и поддерживать требуемую температуру дозируемой жидкости в корпусе, создав возможность для дозирования легко кристаллизирующихся растворов и, тем самым, расширить функциональные возможности предлагаемого автоматического дозатора.
Прикрепление к вытеснителю герметично полого штока, присоединенного своим верхним концом к направляющей планке, установленной с возможностью вертикального перемещения на стойках, прикрепленных к крышке, и установка внутри штока винта винтовой передачи, гайка которой также присоединена к направляющей планке, позволяют избежать их контакта с дозируемой жидкостью, предотвратить их постепенное коррозионное разрушение и заклинивание выпавшими кристаллами в случае дозирования агрессивных и легко кристаллизирующихся растворов и, тем самым, расширить функциональные возможности предлагаемого автоматического дозатора и повысить его надежность. Кроме того, отсутствие внутри корпуса узлов, контактирующих с радиоактивными веществами, требующих технического обслуживания, обеспечивает снижение радиационного воздействия на персонал и повышение безопасности.
Снабжение привода электронным блоком управления, включающим в себя программируемый контроллер, устройство управления двигателями, устройства ввода и вывода информации, модем связи и программное обеспечение, позволяет задавать количество отмеряемых доз, размер доз и изменять во время работы величину расхода дозируемой жидкости в автоматическом режиме. Дозирование происходит по программе, записанной в программируемый контроллер или дистанционно под управлением компьютера и, тем самым, позволяет обеспечить дозирование в автоматическом режиме в непрерывных автоматизированных технологических процессах.
Установка в корпусе датчика температуры позволяет осуществлять контроль температуры дозируемой жидкости и автоматически поддерживать ее в требуемом диапазоне, увеличивая или уменьшая расход теплоносителя через емкость.
Установка в корпусе сигнализатора уровня заполнения и сигнализатора нулевого уровня, подключенных к электронному блоку управления, позволяет обеспечить автоматическую остановку заполнения дозируемой жидкостью при срабатывании сигнализатора уровня заполнения и автоматический перевод дозатора в режим готовности при срабатывании сигнализатора нулевого уровня.
Установка на стойках двух конечных выключателей, подключенных к электронному блоку управления, позволяет осуществлять остановку привода при получении сигнала от любого конечного выключателя, в случае если при достижении вытеснителем крайних верхнего или нижнего положений программа управления не выдает команду остановки привода. Дублирование остановки привода позволяет обеспечить безопасный зазор между дном или крышкой корпуса и вытеснителем при достижении вытеснителем крайних положений, так как в противном случае возможна деформация винтовой передачи или вытеснителя и выход автоматического дозатора из строя.
Установка на входном патрубке и патрубке полного опорожнения корпуса подогреваемых клапанов с дистанционным управлением, подключенных к электронному блоку управления, позволяет, во-первых, исключить кристаллизацию в корпусах клапанов, а во-вторых, обеспечить их автоматическое открытие-закрытие.
Использование в приводе шагового двигателя, подключенного к электронному блоку управления, позволяет получить точно задаваемые малые углы поворота с необходимой скоростью вращения его выходного вала и соединенного с ним винта винтовой передачи, что позволяет расширить диапазон и точность отмеряемых доз и величин выходного расхода дозируемой жидкости. Кроме того, использование в приводе шагового двигателя позволяет упростить схему управления, так как отпадает необходимость использовать датчик угла поворота выходного вала, что повышает надежность предлагаемого автоматического дозатора жидкости.
Установка внутри полого штока винта шариковинтовой передачи, гайка которой присоединена к направляющей планке, позволяет практически без люфтов с высокой точностью, небольшим крутящим моментом при высокой жесткости и с малыми потерями на трение, плавно перемещать вытеснитель, и, тем самым, обеспечить высокую точность дозирования небольших количеств жидкости.
Выполнение электронного блока управления с возможностью управления, как минимум, двумя предлагаемыми автоматическими дозаторами жидкости с соединенными выходными патрубками, позволяет организовать их поочередную работу. Когда один из автоматических дозаторов жидкости находится в режиме дозирования, другие находятся в режиме заполнения дозируемой жидкостью или в режиме готовности. Это позволяет осуществить непрерывное дозирование жидкости в автоматическом режиме и, тем самым, расширить функциональные возможности предлагаемого автоматического дозатора жидкости.
Подключение электронного блока управления к компьютеру позволяет осуществить сбор информации от датчиков и сигнализаторов уровня и дистанционно управлять процессом дозирования.
На фиг.1 изображен предлагаемый автоматический дозатор жидкости в разрезе в крайнем верхнем положении вытеснителя;
На фиг.2 изображен предлагаемый автоматический дозатор жидкости в разрезе в крайнем нижнем положении вытеснителя.
Автоматический дозатор жидкости (далее по тексту - дозатор) содержит корпус 1, внутри которого с зазором установлен вытеснитель 2, к которому герметично присоединен полый шток 3. Полый шток 3 присоединен своим верхним концом к направляющей рамке 4, установленной с возможностью вертикального перемещения на стойках 5, прикрепленных к крышке 6. Внутри полого штока 3 установлен винт 7 шариковинтовой передачи, гайка 8 которой также присоединена к направляющей рамке 4. Винт 7 шариковинтовой передачи нижним концом перемещается внутри полого штока 3, а верхним концом через муфту 9 соединен с выходным валом шагового двигателя 10.
Шаговый двигатель 10 расположен на плите 11, которая с помощью четырех стоек 5 установлена на крышке 6 корпуса 1. Полый шток 3 уплотнен в крышке 6 сальниковым узлом 12.
Вытеснитель 2 имеет две симметричные выемки для размещения в них закрепленных на крышке 6 сигнализатора уровня заполнения 13, сигнализатора нулевого уровня 14 и датчика температуры 15, которые подключены к электронному блоку управления 16. На одной из стоек 5 установлены верхний 17 и нижний 18 конечные выключатели, которые также подключены к электронному блоку управления 16.
Корпус 1 размещен в емкости 19, снабженной входным 20 и выходным 21 патрубками для пропускания теплоносителя. В центральной части корпуса 1 установлен выходной патрубок 22 для выхода дозируемой жидкости. С противоположной стороны корпуса 1 установлен входной патрубок 23 для заполнения корпуса 1 дозируемой жидкостью. В нижней части корпуса 1 установлен патрубок 24 полного опорожнения корпуса 1. На входном патрубке 23 и патрубке полного опорожнения 24 установлены подогреваемые клапаны 25 и 26 с дистанционным управлением, подключенные к электронному блоку управления 16.
Корпус 1 соединен с емкостью 19 через фланец 27, на который через уплотнительную прокладку 28 установлена крышка 6.
Дозатор работает следующим образом.
В исходном положении дозатор находится в режиме заполнения дозируемой жидкостью. При этом вытеснитель 2 поднят в крайнее верхнее положение, клапан 26 закрыт, клапан 25 открыт и через патрубок 23 в корпус 1 поступает дозируемая жидкость. После заполнения корпуса 1 дозируемой жидкостью до уровня находящегося несколько ниже уровня перелива выходного патрубка 21 срабатывает сигнализатор уровня заполнения 13, по команде с электронного блока управления 16 закрывается клапан 25 и поступление дозируемой жидкости прекращается. После этого по команде с электронного блока управления 16 включается вращение шагового двигателя 10. Через муфту 9 вращение шагового двигателя 10 передается на винт 7 шариковинтовой передачи, при этом гайка 8, направляющая планка 4, полый шток 3 и вытеснитель 2 начинают с минимальной скоростью опускаться. Вытеснитель 2 опускается до тех пор, пока уровень дозируемой жидкости не достигнет уровня перелива выходного патрубка 21 и не сработает сигнализатор нулевого уровня 14, после чего по команде с электронного блока управления 16 выключается вращение шагового двигателя 10 и дозатор переходит в режим готовности.
В режиме дозирования по команде с электронного блока управления 16 включается вращение шагового двигателя 10 и вытеснитель 2 перемещается вниз, при этом происходит вытеснение дозируемой жидкости через выходной патрубок 22. Размер отмеряемой дозы пропорционален углу поворота шагового двигателя 10 и задается с блока управления 16. Типовое значение основного углового шага шаговых двигателей равно 1,8°, а в режиме микрошага до 0,007°, что соответственно обеспечивает перемещение по вертикали гайки шариковинтовой передачи 8, прикрепленной к ней направляющей планки 4 и соединенных с ней полого штока 3 и вытеснителя 2, например, при шаге резьбы винта 2 мм, на расстояние от 0,01 до 0,0004 мм на один шаг. При этом типовая погрешность шариковинтовой передачи не превышает 0,05 мм на длине 300 мм. Число шагов может быть заданно с электронного блока управления 16 в диапазоне от 200 до 51200 на один оборот вала. Расход дозируемой жидкости на выходе дозатора пропорционален скорости вращения вала шагового двигателя 10 и задается с электронного блока управления 16 в диапазоне от 1 до 2000 шагов в секунду, при этом максимальная скорость вращения вала равна 600 оборотов в минуту.
Температура дозируемой жидкости в корпусе 1 измеряется датчиком температуры 15, который подключен к электронному блоку управления 16. Электронный блок управления автоматически поддерживает температуру дозируемой жидкости в заданном диапазоне, изменяя расход теплоносителя.
При достижении вытеснителем 2 крайнего нижнего положения, которое определяется электронным блоком управления 16 по количеству выполненных шагов шагового двигателя 10, отсчитываемых относительно нулевого уровня, дозатор переходит в режим заполнения. При этом по команде с электронного блока управления 16 шаговый двигатель 10 изменяет направление вращения и начинает поднимать вытеснитель 2 в крайнее верхнее положение, которое определяется блоком управления 16 по количеству выполненных шагов шагового двигателя 10, отсчитываемых относительно нулевого уровня. Если при этом требуется обеспечить непрерывность дозирования, электронный блок управления переводит из режима готовности в режим дозирования следующий дозатор, соединенный с первым выходным патрубком 22.
Концевые выключатели 17 и 18 предназначены для отключения вращения шагового двигателя 10 в случаях, если с электронного блока управления 16 не поступит команда управляющей программы на остановку шагового двигателя 10 и вытеснитель 2 продолжает подниматься выше крайнего верхнего положения или опускаться, ниже крайнего нижнего положения соответственно.