СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЕМ И/ИЛИ ОБЪЕМНЫМ РАСХОДОМ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF FLUID PRESSURE AND/OR VOLUMETRIC FLOW RATE

Изобретение относится к способу управления давлением и/или объемным расходом текучей среды и к устройству для управления объемным расходом и/или давлением в трубопроводе.
В частности, в воздушных транспортных средствах регулярно возникает задача управления объемным расходом и/или давлением текучей среды. Например, для системы аварийного снабжения кислородом в самолетах требуются способы и, соответственно, устройства для дозирования кислорода.
В принципе имеется множество возможностей управления объемным расходом и/или давлением текучей среды. Они разделяются по существу на две категории: требуемая для управления энергия либо подводится электрически, как это происходит, например, в электрически управляемом клапане пропорционального регулирования. В качестве альтернативного решения управление работает чисто механически, например пневматически или гидравлически, как в редукторе.
При этом эти оба альтернативных решения имеют следующие недостатки: механические блоки управления работают, как известно, не очень точно. Кроме того, они обычно достаточно тяжелые. В противоположность этому блоки управления с электрическими компонентами, хотя и работают значительно точнее, однако требуют всегда электроснабжения.
На этом фоне задачей изобретения является создание способа управления объемным расходом или давлением текучей среды, который может быть реализован с помощью легкой конструкции и который можно использовать многосторонне и просто, а также с высокой точностью. Кроме того, задачей изобретения является создание устройства, с помощью которого можно осуществлять управление объемным расходом и/или давлением текучей среды с указанными выше преимуществами.
Эта задача решена согласно изобретению с помощью способа с указанными в пункте 1 формулы изобретения признаками, а также с помощью устройства с указанными в пункте 4 формулы изобретения признаками. Предпочтительные варианты выполнения следуют из соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения, приведенного ниже описания и чертежей.
В способе согласно изобретению для управления давлением и/или объемным расходом текучей среды из протекающей через трубопровод текучей среды отводят энергию течения и преобразуют ее по меньшей мере частично в электрическую энергию. По меньшей мере часть полученной из энергии течения электрической энергии используют для управления объемным расходом и/или давлением текучей среды. Предпочтительно тем самым достигается очень точное управление, поскольку для управления используется электрическая энергия. Другое преимущество состоит в возможности реализации способа с помощью компактных приборов и с небольшим весом, поскольку можно отказаться от внешнего источника электроснабжения и не должно происходить чисто механическое управление объемным расходом и/или давлением. Одновременно достигается без внешнего электроснабжения высокая защищенность от отказов способа, поскольку его можно выполнять энергетически независимо от других систем снабжения.
В зависимости от требований отвод энергии течения из протекающей через трубопровод текучей среды можно осуществлять различно: так, можно выполнять отвод энергии течения, например, в трубопроводе для текучей среды, в частности в том же трубопроводе для текучей среды, в котором происходит управление объемным расходом и/или давлением текучей среды. Таким образом, способ можно осуществлять с пространственным ограничением в одном месте системы трубопроводов. Однако может быть также целесообразным выполнять отвод энергии течения и управление в различных трубопроводах одной или нескольких систем трубопроводов для текучей среды, например, с целью централизации генерирования электрической энергии для нескольких систем.
Предпочтительно выполнять способ так, что регулируют объемный расход и/или давление, и для этого регулирования используют по меньшей мере часть полученной из энергии течения электрической энергии. При регулировании сигналы измерения относительно текучей среды, объемный расход и/или давление которой подлежат управлению, можно через обратную связь подавать на вход. Кроме того, при таком регулировании можно использовать также полученную дистанционно информацию измерения, т.е. измерительную информацию, которую получают вне системы трубопроводов для текучей среды, например информацию о температуре и внешнем давлении.
Предпочтительно, в способе текучую среду образует, в частности, газообразный кислород. При этом согласно одному предпочтительному применению изобретения способ используют для аварийного снабжения кислородом в пилотируемых воздушных транспортных средствах. Поскольку этот способ можно использовать экономично с небольшими затратами и с экономией веса, он особенно пригоден для использования в самолетах. Кроме того, не требуется внешний источник электроснабжения, за счет чего способ можно применять автаркически и многосторонне в качестве аварийной системы. Кроме того, управление объемным расходом и/или давлением текучей среды можно выполнять с требуемой точностью за счет выполняемого для этого в способе преобразования части энергии течения в электрическую энергию. При этом способ целесообразно выполнять так, что регулирование получает измерительную информацию о снабжении пассажиров, в частности о потребности подлежащего подаче в кислородные маски кислорода и, кроме того, обрабатывает информацию о давлении и/или температуре, например, для согласования системы снабжения с соответствующей высотой полета и температурой.
Устройство согласно изобретению для управления объемным расходом и/или давлением текучей среды в трубопроводе, которое пригодно, в частности, для выполнения указанного выше способа, имеет по меньшей мере один электрический генератор, который выполнен с возможностью отвода энергии течения из потока текучей среды и ее по меньшей мере частичного преобразования в электрическую энергию. Кроме того, устройство имеет управляющее средство для управления объемным расходом и/или давлением текучей среды в трубопроводе. При этом управляющее средство снабжено электрическим приводом, питаемым генератором. За счет применения управляющего средства с электрическим приводом можно выполнять чрезвычайно точное управление объемным расходом и/или давлением. Кроме того, в устройстве не должно быть интегрировано дополнительное электроснабжение. Таким образом, устройство может работать энергетически независимо. Следовательно, обеспечивается высокая защищенность от отказов при работе устройства. Кроме того, устройство можно выполнять с экономией веса, поскольку в устройство не должны быть интегрированы тяжелые механические компоненты, а также дополнительные источники энергии. В частности, можно отказаться от редуктора. При этом электрический генератор может быть выполнен одноступенчатым или многоступенчатым.
В зависимости от цели применения устройство может быть выполнено различно, в одном предпочтительном варианте выполнения в устройстве по меньшей мере один электрический генератор и по меньшей мере одно управляющее средство расположены последовательно на одном и том же трубопроводе. Такое устройство целесообразно выполнять так, что обеспечивается возможность его установки в виде одной части в одном месте трубопровода. В другом предпочтительном варианте выполнения по меньшей мере один генератор и по меньшей мере одно управляющее средство расположены на различных трубопроводах, предпочтительно на параллельных ветвях одной системы трубопроводов. С помощью такого устройства можно получать соответственно требуемую для управления электрическую энергию в подходящих для этого местах системы трубопроводов и подавать в управляющее средство. Кроме того, может быть предусмотрен центральный генератор для множества управляющих средств в нескольких, также различных системах трубопроводов для текучей среды.
Предпочтительно также, что устройство согласно изобретению имеет ручное управление инициированием направления потока текучей среды в трубопровод, предусмотренный для отвода энергии течения с помощью генератора. Таким образом можно запускать устройство согласно изобретению вручную, так что через тот трубопровод, на котором предусмотрен генератор для отвода энергии течения, проходит поток текучей среды. Таким образом, управляющее средство для начала работы снабжается энергией после приведения в действие вручную инициирующего управления, так что дальнейшая работа управления осуществляется автоматически. Дополнительно к этому или в качестве альтернативного решения в предпочтительном устройстве согласно изобретению предусмотрен приводимый в действие вручную запирающий клапан в трубопроводах. Одновременно с этим по меньшей мере одно управляющее средство, предпочтительно открытый в состоянии покоя клапан, выполнено так, что оно в начале протекания текучей среды в трубопроводах обеспечивает по меньшей мере настолько большой объемный расход текучей среды в трубопроводах, что генератор отдает достаточно высокую электрическую мощность для работы управляющего средства. Таким образом, за счет первоначального приведения в действие вручную обеспечивается достаточно большой поток текучей среды, так что генератор может автоматически приводить в действие управляющее средство.
Предпочтительно устройство снабжено регулировочным блоком, который снабжается по меньшей мере частью электрической энергии генератора. Таким образом, управление объемным расходом и/или давлением текучей среды можно снабжать обратной связью и/или корректировать с помощью других внешних измерительных сигналов, т.е. с помощью информации об окружении снаружи системы трубопроводов для текучей среды, такой как температура или давление воздуха. В одном предпочтительном варианте выполнения такого регулирования происходит обратная связь через датчик, который предназначен для измерения объемного расхода и/или давления текучей среды, выходной сигнал которого используется для регулирования. Таким образом, регулировочный блок регулирует настройку управляющего средства с помощью полученных от датчика измерительных сигналов.
В одном предпочтительном варианте выполнения генератор устройства согласно изобретению приводится в действие с помощью лопастного гидродвигателя. Кроме того, электрически управляемый сервоклапан образует по меньшей мере одно управляющее средство. Особенно предпочтительно, устройство выполнено для пропускающего газообразный кислород трубопровода и является частью аварийного снабжения кислородом в пилотируемых воздушных транспортных средствах. Как раз для этого использования устройство согласно изобретению обеспечивает возможность экономящего вес выполнения, точного управления объемным расходом или, соответственно, давлением текучей среды и энергетически автономной работы.
Ниже приводится подробное описание изобретения в качестве примера со ссылками на чертеж. На прилагаемом фиг.1 показана в виде блок-схемы структура устройства согласно изобретению для управления объемным расходом текучей среды в трубопроводе. Показанное устройство для управления объемным расходом и/или давлением текучей среды в трубопроводе служит для реализации способа управления объемным расходом и/или давлением текучей среды. В этом примере выполнения газообразный кислород образует текучую среду, и устройство предназначено для аварийного снабжения кислородом в пилотируемых воздушных транспортных средствах.
На борту пилотируемого воздушного транспортного средства газообразный кислород находится в баллоне 5 для сжатого газа и в случае аварии подается пассажирам через кислородные маски 10. Для этого кислород проходит через выполненные в виде трубопроводов для кислорода трубопроводы 15, 20 для текучей среды и выполненные в виде снабжающих шлангов линии 25 к кислородным маскам 10. Поскольку давление в баллоне 5 может составлять до нескольких 100 бар, то давление кислорода перед подачей в трубопровод 15 уменьшается с помощью редукторного клапана 30. Энергия течения протекающего через трубопровод 15 кислорода частично отводится от него с помощью электрического генератора 35. Для этого электрический генератор 35 состоит из лопастного гидродвигателя 40, который преобразует энергию течения во вращательную энергию вала. Затем вращающийся вал приводит в действие генератор 45 тока, который подает электрическую энергию в линию 50 электроснабжения. Линия 50 электроснабжения питает электронный регулировочный блок 55. Электронный регулировочный блок 55 снабжает полученной электрической энергией управляющий блок 60, который часть электрической энергии отдает в выполненное в виде электрически управляемого клапана управляющее средство 65. При этом клапан 65 управляет объемным расходом в трубопроводе 20 для кислорода, после того как протекающий через трубопроводы 15 и 20 кислород проходит через электрический генератор 35. Таким образом, с помощью клапана 65 можно управлять объемным расходом попадающего через снабжающие шланги 25 в кислородные маски 10 кислорода.
Для регулирования объемного расхода в трубопроводе 20 он измеряется с помощью датчика 70 расхода. Измерительные сигналы датчика 70 расхода передаются для обратной связи в регулировочный блок 55. Дополнительно к этому, регулировочный блок 55 содержит внешние измерительные датчики, т.е. датчики, которые выполняют измерения вне системы трубопроводов для текучей среды. Так, регулировочный блок содержит датчик 75 температуры и измеритель 80 высоты, так что можно определять требуемый для аварийного снабжения пассажиров кислородом проточный поток через трубопроводы 15, 20 и 25 для кислорода. Для этого определения релевантных управляющих величин управляющий блок 60 включен в контролирующий блок 85, который имеет входы для сигнальных проводов датчиков 70, 75 и 80. Измерительные сигналы преобразуются в контролирующем блоке 85 с помощью аналого-цифрового преобразователя 90 в цифровые сигналы, которые может обрабатывать управляющий блок 60 для управления клапаном 65.
Генератор 35, который в указанном выше примере выполнения выполнен из двух частей, а именно лопастного гидродвигателя 40 и генератора 45 тока, может быть заменен выполненным в виде одной части простым и стабильным электрическим генератором 100. При этом подводящий кислород трубопровод 105 и отводящий кислород трубопровод 110 входят в тороидальную направляющую 115 для кислорода. В этой направляющей 115 для кислорода установлен магнит 120, который приводится в движение протекающим через направляющую кислородом и постоянно находится в движении на круговой траектории внутри тороидальной направляющей. По периметру кругового поперечного сечения тороидальной направляющей 115 для кислорода намотана катушка 125, через которую проходит с высокой частотой при своем вращении магнит 120. За счет движения магнита через катушку с клемм 130 и 135 катушки 125 можно снимать индуктированное напряжение. Его можно использовать, как указывалось выше, для снабжения регулировочного блока 55 через электрический провод 50.
На фигуре не изображен управляемый вручную запирающий клапан, который в случае необходимости открывает поток кислорода от баллона 5 через трубопроводы 15, 20 и 25 в кислородные маски 10. Это реализуется с помощью работающего как запирающий клапан запора исходного состояния, который установлен на баллоне 5 и в аварийном случае может быть открыт для снабжения кислородом. Этот запор приводится в действие центрально и не требует снабжения энергией от генератора, который лишь в начале протекания кислорода через трубопроводы 15, 20 и 25 начинает поставлять энергию.
Перечень позиций
5 Баллон сжатого воздуха в качестве источника кислорода
10 Кислородные маски
15 Трубопровод для кислорода
20 Трубопровод для кислорода
25 Снабжающие шланги
30 Редукторный клапан
35 Электрический генератор
40 Лопастный гидродвигатель
45 Генератор тока
50 Электрический провод
55 Электронный регулировочный блок
60 Управляющий блок
65 Клапан
70 Датчик расхода
75 Датчик температуры
80 Высотомер
85 Контролирующий блок
90 Аналого-цифровой преобразователь
100 Электрический генератор
105 Подающий кислород трубопровод
110 Отводящий кислород трубопровод
115 Тороидальная направляющая для кислорода
120 Магнит
125 Катушка
130 Клемма катушки
135 Клемма катушки