УНИВЕРСАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДОЗИРОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ НА БАЗЕ МЕМБРАННОГО НАСОСА
UNIVERSAL DOSAGE SYSTEM OF LIQUIDS ON BASIS OF MEMBRANE PUMP

Изобретение относится к области дозирования жидкостей и может быть использована для автоматизации процессов расфасовки технических жидкостей в тару, в том числе продуктов лакокрасочной промышленности, процессов дозирования химреагентов на объектах очистки промышленных сточных вод, процессов дозированного нанесения клеевых составов в сборочных производствах с клеевыми соединениями машиностроения и деревообрабатывающей промышленности, а также для других областей применения.
Предлагаемая в качестве изобретения система дозирования относится к классу универсальных. Под универсальными мы понимаем дозирующие устройства и системы, конструктивно и функционально приспособленные к работе в режимах как порционного, так и непрерывного дозирования, реализуемых за счет изменения алгоритма управления, без введения дополнительных элементов в состав технологического оборудования дозирующего устройства.
Свойство универсальности имеет важное значение, например, при автоматизации процессов дозированного нанесения клеевых составов в сборочных производствах с клеевыми соединениями. В этих процессах порционное дозирование может применяться для подачи доз клеевого состава на позицию сборки малогабаритных изделий, перемещаемых по конвейерной линии. В случае больших габаритов склеиваемых поверхностей дозирующее устройство должно работать в режиме непрерывного дозирования с двухкоординатным перемещением изделия относительно сливного наконечника дозирующего устройства.
Известен дозатор УД-2 объемно-поршневого типа с мерной камерой переменного объема с клапанно-поршневым исполнительным механизмом, используемый для порционного разлива жидких продуктов в тару (Упаковочные машины и оборудование. Производители России. Каталог. Издание третье. 2001-2002. Москва. Ассоциация «СОЮЗУПАК»). В известном дозаторе реализован прямой метод отмеривания дозы: величина дозы определяется объемом мерной камеры.
Дозаторы этого типа наиболее распространены в пищевой промышленности. Точность их невысока и составляет порядка ±1%. Их использование на технических жидкостях ограничено, т.к. они достаточно чувствительны к наличию в дозируемом продукте механических частиц, что приводит к быстрому износу пары «поршень-цилиндр». Помимо этого, используемый в дозаторах объемно-поршневого типа метод регулировки дозы посредством изменения хода поршня не обеспечивает плавность и оперативность перенастройки дозы в широком диапазоне ее изменения, что, в частности, часто необходимо на малых производствах.
Известны перистальтические насосы-дозаторы (см., например, Установки П1, П4, разработанные НТК КОНТУР и заводом Измеритель, г. С.-Петербург, Ru 2111017 С1), принцип действия которых основан на последовательном пережатии силиконовой трубки вращающимся роликовым исполнительным механизмом. Эти дозирующие устройства, хотя и обладают свойством универсальности в выше указанном смысле, но имеют сравнительно узкие диапазоны непрерывного и порционного дозирования.
Известны пневматические и пневмоэлектронные системы автоматизированного дозирования (САД) жидкостей серии «САД-1М» (ТУ 5138-001-00229530-01) с отмериванием дозы по косвенным параметрам, содержащие дозирующее устройство - герметичный расходный резервуар с дозируемым продуктом, оборудованный узлами подачи и стравливания сжатого воздуха, датчиком полного давления на входе в питающий трубопровод, выполненным в виде барботажной трубки, линию транспортирования жидкости к потребителю с двухвходовым пневмоклапанном и сливным наконечником и управляющее устройство с автоматическим пропорциональным регулятором полного давления на входе в питающий трубопровод и временным устройством для настройки и отсчета времени дозирования (Безменов B.C., Ефремов В.А., Руднев В.В. Автоматизация процессов дозирования жидкостей в условиях малых производств. - М.: ЛЕНАНД, 2010, - 216 с.).
Системы «САД-1М» обеспечивают автоматизированную расфасовку широкого спектра жидких продуктов в тару с точностью ±0,5% от заданной величины дозы и обладают целом рядом преимуществ перед наиболее распространенными на рынке промышленного дозировочного оборудования дозаторами объемно-поршневого типа. К основным преимуществам дозаторов «САД-1М» относятся:
- обеспечения высокой эксплуатационной надежности, требуемой точности и широкого диапазона дозирования;
- возможность расфасовки жидкостей в тару различного объема и конфигурации;
- использование однотипного оборудования на жидкостях с широким спектром изменения физико-химических свойств;
- возможность плавной регулировки и оперативной настройки, как величины дозы, так и верхней границы диапазона дозирования;
- отсутствие "межоперационного" каплеобразования;
- возможность построения многоканальных и многоручьевых систем дозирования и их совмещения с конвейерными линиями;
- обеспечение пожаровзрывобезопасности при использовании только пневматических средств, простоты и безопасности обслуживания.
Среди представленных в вышеуказанной монографии дозирующих устройств и систем дозирования наиболее близким по составу технологического оборудования и по алгоритму управления работой дозирующего устройства в режиме непрерывного дозирования является принятая за прототип универсальная система дозирования жидкостей с безарматурным дозирующим устройством монжусного типа, показанная на рис. 2.3,а (стр. 50) вышеуказанной монографии, относящаяся к классу замкнутых универсальных САД жидкостей с контролем отмеривания дозы по давлению сжатого газа в замкнутой дозировочной емкости.
Система-прототип содержит расходный резервуар с дозируемой жидкостью, связанный линией транспортирования жидкости с входным патрубком установленной выше расходного резервуара дозировочной емкости, с выходным патрубком в ее нижней части и с глухой пневматической камерой - измерителем давления над уровнем жидкости в дозировочной емкости, соединенной с устройством управления дозированием.
Система-прототип имеет следующие недостатки:
- малую точность и низкую производительность при ее работе в режиме порционного дозирования, ввиду зависимости объема дозы от текущего положения уровня жидкости в расходном резервуаре и используемого способа порционного дозирования с контролем отмеривания дозы по давлению сжатого газа в дозировочной емкости (см. Безменов B.C. Способ дозирования жидкостей и устройство для его осуществления. SU 1435945 А1, 07.11.1988);
- необходимость прерывания рабочего цикла операций как порционного, так и непрерывного дозирования на время пополнения расходного резервуара дозируемой жидкостью.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и производительности системы при реализации операций порционного дозирования, а также расширение функциональных возможностей системы за счет обеспечения возможности ее непрерывной работы в течение требуемого промежутка времени, без необходимости прерывания рабочего цикла на вспомогательные операции (в частности, на пополнение расходного резервуара дозируемой жидкостью и последующую подготовку системы к работе в режиме порционного или непрерывного дозирования).
Суть изобретения заключается в том, что повышение точности и производительности операций порционного дозирования достигается за счет использования метода контроля отмеривания дозы по времени, реализуемого путем организации постоянного перепада давлений на линии слива дозы и введения в устройство управления дозированием электронного таймера для установки и отсчета времени дозирования, а расширение функциональных возможностей системы достигается за счет обеспечения возможности использования в качестве источника дозируемой жидкости расходного резервуара открытого типа (с сообщением с атмосферой) посредством использования пневматического мембранного насоса для транспортирования дозируемой жидкости из расходного резервуара к узлу отмеривания дозы, в качестве которого выступает дозировочная емкость с глухой пневматической камерой.
Технический результат достигается тем, что в универсальной системе дозирования на базе мембранного насоса, содержащей расходный резервуар с дозируемой жидкостью, связанный линией транспортирования жидкости с входным патрубком установленной выше расходного резервуара дозировочной емкости, с выходным патрубком в ее нижней части и с глухой пневматической камерой - измерителем давления над уровнем жидкости в дозировочной емкости, соединенной с устройством управления дозированием, согласно изобретению, расходный резервуар выполнен как резервуар открытого типа с постоянным сообщением с атмосферой, линия транспортирования жидкости оснащена мембранным насосом, входной трубопровод которого погружен под уровень жидкости в расходном резервуаре, а выходной (напорный) трубопровод подсоединен к входному патрубку снабженной уровнемерной трубкой дозировочной емкости, выходной патрубок которой подключен к трубопроводу линии слива дозы с концевой раздачей через шаровой запорный вентиль с двухсторонним пневмоприводом с положительным (Z+- «вентиль открыть») и отрицательным (Z- «вентиль закрыть») входами и сливной наконечник, вход пневмопитания насоса соединен с выходом реле давления с пневмоуправлением с нормально открытым и нормально замкнутым пневмоконтактами, причем его нормально открытый пневмоконтакт сообщается с атмосферой, а нормально замкнутый пневоконтакт соединен с источником сжатого воздуха, а устройство управления содержит пульт управления с задатчиком давления с контрольным манометром и пневмотумблерами - "Непрерывное дозирование", "Наполнение ДЕ", "Регулятор" и "Опорожнение ДЕ", командный узел, содержащий электронный таймер, электропневмопреобразователь с нормально открытым и нормально закрытым пневмоконтактами, трехвходовый логический элемент «ИЛИ» и логический элемент «НЕ», и регулятор давления, в состав которого входят пятимембранный элемент сравнения с двумя положительными и двумя отрицательными входами, пороговый двухкаскадный усилитель давления и три реле с нормально открытым и нормально закрытым пневмоконтактами, причем выход электронного таймера соединен с управляющим входом электропневмопреобразователя, нормально открытый пневмоконтакт которого соединен с атмосферой, нормально закрытый пневмоконтакт сообщается с источником питания пневмоэлементов управляющего устройства, а выход соединен с первым входом логического элемента «ИЛИ», второй вход которого подключен к выходу тумблера «Непрерывное дозирование», а третий вход соединен с выходом тумблера «Опорожнение ДЕ» и с каналом управления первого реле, выход элемента «ИЛИ» соединен с положительным входом шарового запорного вентиля и со входом логического элемента «НЕ», выход которого соединен с отрицательным входом шарового запорного вентиля, выход тумблера «Наполнение ДЕ» соединен с нормально открытым пневмоконтактом второго реле, нормально закрытый пневмоконтакт которого соединен с выходом двухкаскадного усилителя давления, а выход - с управляющим входом реле давления с пневмоуправлением, выход тумблера «Регулятор» подключен к каналам управления второго и третьего реле, нормально открытый пневмоконтакт которого подключен к выходу первого реле, его нормально закрытый пневмоконтакт заглушен, а выход подсоединен к пневматической камере дозировочной емкости и к положительным входам пятимембранного элемента сравнения, отрицательные входы которого подключены к выходу задатчика давления, к контрольному манометру и к нормально закрытому пневмоконтакту первого реле, нормально открытый пневмоконтакт которого сообщается с атмосферой, а выход пятимембранного элемента сравнения соединен со входом двухкаскадного усилителя давления.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема универсальной системы дозирования на базе мембранного насоса. Система содержит объект управления (ОУ) 1 и пневмоэлектронное устройство управления (УУ) 2.
В состав ОУ 1 входит следующее технологическое оборудование:
- расходный резервуар (РР) 3 открытого типа (с сообщением с атмосферой) с дозируемой жидкостью;
- дозировочная емкость (ДЕ) 4 с уровнемерной трубкой (УТ) 5; нижняя часть ДЕ оборудована входным 6 и выходным 7 патрубками для наполнения дозируемой жидкостью и ее опорожнения, соответственно, а ее верхняя часть представляет собой глухую пневматическую камеру 8;
- мембранный насос 9 с линией 10 забора жидкости из РР и напорной магистралью 11, питание которого осуществляется через реле давления с пневмоуправлением 12 от источника сжатого воздуха 13 давлением 0,4 МПа;
- линию слива дозы из ДЕ, содержащую гибкий трубопровод 14 и автоматический пневмоклапан 15 (шаровой запорный вентиль с двухсторонним пневмоприводом) со сливным наконечником 16.
з
з
з
з
Принцип действия системы основан на автоматической стабилизации давления р в замкнутой газовой полости ДЕ на заданном постоянном уровне p=р=const. Стабилизация давления р осуществляется посредством его двухпозиционного регулирования, которое реализуется включением (при р<р) и отключением (при р≥р) пневмопитания насоса, которое подается на его золотниковый распределитель от источника сжатого воздуха 13 через реле с пневмоуправлением 12. При р=р обеспечивается постоянство расхода жидкости на линии слива дозы при открытом положении клапана 15, что обеспечивает возможность отмеривания дозы по времени при работе системы в режиме порционного дозирования. ДЕ 4 выполняет также функцию демпфирования колебаний расхода жидкости на выходе сливного наконечника, вызываемые пульсациями расхода в напорной магистрали насоса.
УУ 2 работает в полуавтоматическом режиме и обеспечивает выполнение следующих операций:
- наполнения ДЕ дозируемой жидкостью до обозначенного меткой на УТ уровня и заполнения гидрокоммуникаций линии слива при подготовке устройства к работе;
- непрерывного или порционного дозирования;
- опорожнения и промывки ДЕ, насоса и гидрокоммуникаций по окончанию работы.
УУ состоит из трех функциональных узлов: пульта управления (ПУ) 17, командного узла (КУ) 18 и двухпозиционного регулятора давления р (РД) 19 в газовой полости 8 ДЕ 4.
з
ПУ 17 содержит задатчик давления 20 «Давление в ДЕ (задание)» с манометром 21 для настройки заданного (р) значения давления р в ДЕ и четыре пневмотумблера:
- 22 "Непрерывное дозирование" - для включения режима непрерывного дозирования;
- 23 "Наполнение ДЕ" - для включения насоса и наполнения ДЕ жидкостью до заданного начального уровня (приблизительно на ½ объема ДЕ), обозначенного меткой на УТ 5 (при подготовке устройства к работе);
- 24 "Регулятор" - для включения в работу регулятора давления р в ДЕ;
- 25 "Опорожнение ДЕ" - для опорожнения ДЕ по окончании работы.
КУ 17 содержит электронный таймер 25 с цифровой индикацией времени дозирования, с кнопками настройки «SET» и «RST», электропневмопреобразователь 26 и логические элементы «ИЛИ» 27 и «НЕ» 28.
з
РД 18 обеспечивает автоматическое поддержание заданной постоянной величины р давления р в ДЕ, т.е. постоянный перепад давлений на линии слива дозы и содержит пятимембранный элемент сравнения 29 с пороговым двухкаскадным усилителем 30 и пневмореле 31, которые выполняют функции собственно двухпозиционного регулятора давления р, и реле-коммутаторы 32 и 33 давления р в газовой полости ДЕ.
УУ реализовано на элементной базе Универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) (Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации ГСП. Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики УСЭППА. Каталог, Том 5, выпуск 1. 1975. 44 с.).
Питание пневмоэементов УУ производится от пневмосети через понижающий стабилизатор давления, настраиваемый на выходное давление, равное 0,14 МПа. (Стабилизатор давления питания УУ на чертеже не показан). Электропитание таймера производится от электросети переменного тока напряжением 220 v.
Устройство работает следующим образом.
В его исходном состоянии тумблеры 22-25 - выключены; при подаче на реле 12 и на пневмоэлементы УУ давлений питания, а на таймер 25 - электропитания, клапан 15 - закрыт (Z+=0, Z-=1), насос - выключен, газовая полость 8 ДЕ 4 через нормально открытые контакты пневмореле 33 и 32 сообщается с атмосферой.
Для подготовки устройства к работе в режимах непрерывного или порционного дозирования необходимо произвести наполнение ДЕ жидкостью до уровня, обозначенного меткой на УТ 5, и произвести заполнение дозируемой жидкостью гидрокоммуникаций линии слива.
Наполнения ДЕ осуществляется посредством включения тумблера 23. При этом через нормально открытый пневмоконтакт реле 31 подается командный сигнал на реле 12, и включается в работу насос, обеспечивая выполнение данной операции. Тумблер 23 выключается при достижении уровнем жидкости в ДЕ метки на УТ 5.
з
з
з
Для проливки линии слива следует произвести настройку задатчика 20 «Давление в ДЕ (задание)» по манометру 21 на заданную величину (р) давления р в газовой полости ДЕ, тумблером 24 включить в работу РД 18 и дополнительно включить тумблер 22. При включении тумблера 24 газовая полость ДЕ герметизируется (подключается к заглушке на реле 33), включается в работу насос (р>р), и давление р в ДЕ повышается до заданной величины (р). При включении тумблера 22 открывается клапан 15 (Z+=1, Z-=0), реализуя операцию проливки линии слива. Проливка производится во вспомогательную тару, устанавливаемую под СН 16; время проливки подбирается экспериментальным путем и должно быть достаточным для полного удаления пузырей воздуха из гирокоммуникаций; надлежащее качество проливки устанавливается визуальным путем по сплошности струи жидкости на выходе СН 16. По окончании проливки необходимо выключить тумблер 22.
з
Операция непрерывного дозирования реализуется включением тумблера 22. При этом (так же, как и во время проливки), ввиду наличия в схеме КУ 17 логических элементов 27 и 28, клапан 15 открывается и находится в открытом положении до момента выключения тумблера 22. Работой РД (тумблер 24 - включен) обеспечивается поддержание заданной постоянной величины расхода жидкости на выходе СН 16, т.е. производительности дозирующего устройства. Последняя может изменяться в широких пределах путем изменения давления р.
Операция порционного дозирования реализуется с помощью таймера 25 с цифровой индикацией времени дозирования, устанавливаемого посредством набора кнопками «SET», «↑» и «↓». Время дозирования задается в пределах 0-99,99 сек с разрешающей способностью 0,01 с. Запуск данной операции производится по команде от сенсорной кнопки «СТАРТ», при касании которой вырабатывается управляющий сигнал (24 v постоянного тока) на переключение пневмоконтактов ЭПП 26 и перевод клапана 15 в открытое положение. (Чувствительность кнопки «СТАРТ» устанавливается в режиме настройки таймера, реализуемого с помощью копки «RST»).
Для слива жидкости из ДЕ и опорожнения гидрокоммуникаций линии слива следует выключить тумблер 24, установить вспомогательную тару под СН 16 и включить тумблер 25. При включении тумблера 25 открывается клапан 15, и от задатчика 20 в ДЕ через реле 32 и 33 подается избыточное давление, вызывая быстрое опорожнение ДЕ 4 и гидрокоммуникаций линии слива.
з
Для промывки ДЕ, насоса и гидрокоммуникаций следует подключить насос к емкости с промывочной жидкостью, а СН 16 подсоединить к той же емкости гибким шлангом. После этого необходимо посредством включения тумблера 23 наполнить ДЕ до уровня, незначительно превышающего его положение при штатном режиме работы, настроить задатчик 20 на небольшую величину давления р (порядка 0,02 МПа) и включить РД в работу тумблером 24. После достижения заданного давления в ДЕ (насос при этом выключается) произвести промывку ДЕ, насоса и гидрокоммуникаций в течение 1-2 мин включив тумблер 22 операции непрерывного дозирования.
Таким образом, сутью предлагаемого технического решения, обеспечивающего достижение технического результата изобретения, является использование мембранного насоса в качестве исполнительного механизма в замкнутой системе автоматического двухпозиционного регулирования давления р в глухой пневматической камере дозировочной емкости. Последнее обеспечивает постоянство перепада давления на линии слива жидкости и возможность отмеривания дозы по времени при работе системы в режиме порционного дозирования. Повышение точности дозирования в рассмотренной системе достигается за счет достаточно большого коэффициента усиления (порядка 40) пятимембранного элемента сравнения 29 и очень маленького дифференциала срабатывания (10 мм вод.ст.) двухкаскадного усилителя давления 30, а также за счет демпфирования колебаний давления в глухой пневматической камере дозировочной емкости, вызываемых работой насоса и методом двухпозиционного регулирования давления в пневматической камере дозировочной емкости.