Основные этапы проектирования устройств контроля герметичности запорной и распределительной газовой арматуры

Рассмотрим принципиальные схемы устройств, обеспечивающих контроль герметичности по манометрическому методу, которые можно строить на основе пневматических мостов и различных типов дифференциальных преобразователей давления в электрический и другие виды выходных сигналов.

На рис. 1.10 приведена схема контрольного устройства, в котором в измерительной диагонали моста применен водяной дифманометр.

Рисунок1.10 Схема контрольного устройства с измерительной диагональю моста - водяной дифманометр

Испытательное давление рк через постоянные дроссели подается в две линии. Одна линия - правая является измерительной, давление в ней меняется в зависимости от величины утечки в контролируемом объекте 4. Вторая линия - левая обеспечивает опорное противодавление, величина которого устанавливается регулируемым дросселем 2. В качестве этого элемента могут использоваться типовые устройства: конус - конус, конус - цилиндр и др. Обе линии подключены к дифманометру 5, в котором разность высот столбов жидкости h является мерой перепада давленияр в линиях и одновременно позволяет судить о величине утечки, т.к. пропорциональна ей:

(1.15)

Автоматизировать процесс считывания показаний водяного дифманометра можно за счет применения фотоэлектрических датчиков, волоконно-оптических преобразователей, оптоэлектронных датчиков. В этом случае водяной столб может быть использован как цилиндрическая линза, фокусирующая световой поток, а при отсутствии воды - рассеять его. Кроме того, для облегчения считывания показаний вода может быть подкрашена и служить препятствием для светового потока.

Это устройство обеспечивает измерение величины утечки с высокой точностью, а поэтому может использоваться для градуировки других контрольно-измерительных устройств и аттестации контрольных течей.

На рис. 1.11 приведено устройство для измерения утечки в объекте 4, в котором в измерительной диагонали моста применен струйный пропорциональный усилитель 5. Испытательное давление рк через постоянные дроссели 1 и 3 подается в линию противодавления и измерительную линию, подключенные к соответствующим управляющим входам усилителя. Под действием давления струи, выходящей из усилителя, отклоняется стрелка 6, нагруженная пружиной 7. Отклонение стрелки соответствует величине утечки. Отсчет осуществляется по проградуированной шкале 8. В устройстве может быть предусмотрена пара замыкающих электрических контактов, которые срабатывают при утечке превышающей допустимую. Применение струйного пропорционального усилителя облегчает настройку устройства на заданный уровень утечки, повышает точность контроля.

Рисунок 1.11 Схема контрольного устройства со струйным пропорциональным усилителем

Однако учитывая, что усилитель имеет гидравлическое сопротивление Ry0 , то мостовая схема оказывается нагруженной, что понижает её чувствительность . В этом случае в качестве регулируемого настроечного дросселя 2 целесообразно применение барботажного резервуара 9, наполненного водой и трубки 10, один конец которой подключен к дросселю 1, образуя с ним линию противодавления, а второй конец имеет выход в атмосферу и погружен в резервуар. Независимо от величины испытательного давления рк в трубке 10 установится давление рп, которое определяется зависимостью:

(1.16)

где h - высота столба воды, вытесненной из трубки.

Таким образом, регулировка противодавления в мостовой схеме осуществляется путем установки соответствующей h и глубиной погружения трубки. Такое устройство регулируемого дросселя обеспечивает высокую точность задания и поддержания противодавления. Кроме того, он практически является безрасходным. Однако регулировочные дроссели такого типа могут применяться в схемах, работающих на низком давлении (до 5-10 кПа) и преимущественно в лабораторных условиях.

Применение в устройствах контроля герметичности мостовых схем с пневмоэлектрическими мембранными преобразователями обеспечивает им функционирование в широком диапазоне давлений рк с достаточной точностью. Схема такого контрольного устройства представлена на рис. 1.12.

Оно состоит из постоянных дросселей 1 и 3, а также регулируемо го дросселя 2. В измерительную диагональ моста подключен мембранный преобразователь 5, при этом одна его камера соединена с измерительной линией моста, а вторая - с линией противодавления. В начале процесса контроля герметичности объекта 4 мембрана б находится в положении покоя, уравновешенная давлениями в междроссельных камерах моста, что фиксируется замыканием правой пары электрических контактов 7. При негерметичности объекта, т.е. при появлении утечки возникнет разность давлений в камерах преобразователя, мембрана прогнется и контакты 7 разомкнутся . При появлении утечки больше допустимой, величина прогиба мембраны обеспечит замыкание левой пары электрических контактов 8, что будет соответствовать бракованному изделию.

Рисунок 1.12 Схема контрольного устройства с пневматическим мембранным преобразователем

Связь между ходом мембраны и разностью давлений в камерах при отсутствии жесткого центра и малом прогибе устанавливается зависимостью:

(1.17)

где r-радиус мембраны, Е- модуль упругости материала мембраны,

- толщина мембраны

Учитывая зависимость и утечки У по формуле ,зависимость можно выбирать конструктивные элементы и рабочие параметры данного преобразователя .

Преобразователи с плоскими мембранами кроме электрических контактов могут использоваться совместно с индуктивными, ёмкостными, пьезоэлектрическими, магнитоупругими, пневматическими, тензометрическими и другими выходными преобразователями малых перемещений, что является их большим достоинством. Кроме того, преимуществами преобразователей давления с плоскими мембранами является конструктивная простота и высокие динамические свойства.

На рис. 1.13 приведена схема устройства предназначенного для контроля герметичности при малых и средних испытательных давлениях.

Рисунок 1.13 Схема контрольного устройства с двухвходовым трехмембранным усилителем

Здесь в пневматическом мосту, состоящем из постоянных дросселей 1 и 3, регулируемого дросселя 2 в измерительной диагонали применен элемент сравнения 5, выполненный на двухвходовом трехмембранном усилителе УСЭППА типа П2ЭС.1, глухая камера А которого соединена с линией противодавления, а глухая камера Б - соединена с измерительной линией. Выход элемента сравнения подключен к индикатору или пневмоэлектропреобразователю 6. Питание элемента сравнения осуществляется отдельно от моста и более высоким давлением. С помощью регулируемого дросселя 2 задается перепад давления между измерительной линией и линией противодавления пропорциональный максимально допустимой утечке. Если при осуществлении контроля величина утечки через объект 4 будет меньше допустимой, то давление ри в измерительной линии будет выше, чем противодавление рп, и сигнал на выходе элемента сравнения будет отсутствовать. Если величина утечки превышает допустимую, то давление в измерительной линии станет меньше противодавления, что приведет к переключению элемента сравнения и на его выходе появится высокое давление, это заставит сработать индикатор или пневмоэлектропреобразователь. Работу данной схемы можно описать следующими неравенствами. Для объектов контроля с допустимой величиной утечки:



(1.18)

Для объектов контроля с утечкой превышающей допустимую:

(1.19)

Данное устройство может быть использовано в автоматизированных стендах для контроля герметичности запорной арматуры. Дополнительным достоинством является простота реализации конструкции на типовых элементах пневмоавтоматики .

На рис. 1.14 приведено устройство для измерения и контроля утечки в объекте 4, в котором в измерительную диагональ моста подключен дифференциальный сильфонный преобразователь 5. Испытательное давление рк через постоянный дроссель 1 подается в сильфон б линии противодавления, а через постоянный дроссель 3-е сильфон 7 измерительной линии. Величина давления , соответствующая допустимой утечке задается регулируемым дросселем 2.

Сильфоны 6 и 7 соединены между собой рамкой, на которой закреплена система индикации, состоящая из стрелки 8 со шкалой 9 и пары регулируемых замыкающих электрических контактов 10. Настройка устройства осуществляется в соответствии с зависимостью:

(1.20)



Рисунок 1.14 Схема контрольного устройства с дифференциальным мембранным преобразователем

В случае появления утечки давление ри в сильфоне 7 начинает уменьшаться, и он сжимается, а сильфон 6 будет растягиваться, т.к. рп остается постоянным, при этом начнет перемещаться рамка и стрелка покажет величину утечки. Если утечка превысит допустимую, то соответствующее перемещение сильфонов замкнет электрические контакты 10, которые выдадут сигнал о браке объекта контроля.

Данное устройство может функционировать при среднем и высоком испытательном давлении. Оно может быть применено в автоматизированных стендах для контроля герметичности запорной арматуры высокого давления, где допускаются сравнительно высокие величины утечки и требуется измерение их абсолютных величин.

Выводы:

1. Применение пневматических мостовых схем совместно с различными типами дифференциальных преобразователей существенно расширяет возможности применения манометрического метода для автоматизации контроля герметичности.

2. Автоматизированные устройства для контроля герметичности на основе мостовых схем можно реализовывать на типовых логических элементах, а также серийных дифференциальных датчиках, применяемых для контроля различных технологических величин, что значительно ускоряет их создание и снижает стоимость.



ГЛАВА 2. Основные этапы проектирования устройств контроля герметичности запорной и распределительной газовой арматуры

2.1 Алгоритм проектирования автоматизированного оборудования

для контроля герметичности

При создании автоматизированных средств контроля герметичности газовой аппаратуры возникает ряд особенностей, обусловленных типом и точностными характеристиками применяемых датчиков герметичности, характером производства изделий - объектов испытания и их конструкцией, техническими условиями на контроль, требуемым уровнем автоматизации, переналадки, производительности.

Проведенные исследования позволили разработать рекомендации (представлены в виде алгоритма, изображенного на рисунке) по созданию автоматизированного оборудования для контроля герметичности на этапе его технического проектирования. Проектирование данного оборудования представляет задачу, которую целесообразно решать итерационным путем, поэтому первый проход алгоритма от начала до конца можно осуществлять приближенно, формулируя вопросы и данные, которые необходимы для принятия рационального решения на последующих итерациях.

На первом этапе осуществляется технологический анализ номенклатуры и объема партии изделий. При этом следует учитывать, что количество изделий в партии должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить необходимую загрузку проектируемого контрольного оборудования без его переналадки. Если производство многономенклатурное, а объем партии мал, то рекомендуется изделия различных производственных партий и типов объединять в группы по общим техническим условиям на контроль герметичности - это дает возможность использовать единую схему контроля и контрольно-измерительную аппаратуру, а также группировать по сходным конструкциям корпусов изделий и их входных каналов, что позволяет применять при проектировании общие уплотнительные элементы, загрузочные и фиксирующие устройства. Здесь же необходимо проанализировать пригодность конструкций изделий и требований технических условий на их испытания на герметичность для автоматизации данной операции.

Рисунок 2.1 Алгоритм создания автоматизированного оборудования для испытаний на герметичность

Рациональное группирование изделий позволяет проектировать оборудование с максимальной производительностью и минимальной переналадкой на контроль различных типов изделий. Например, средства пневмоавтоматики высокого давления можно группировать по одинаковым техническим условиям на контроль утечки сжатого воздуха (по величине испытательного давления 0,63 МПа и 1,0 МПа, а также одинаковой допустимой утечке), по сходной конструкции входного пневмоканала - это позволяет использовать в разрабатываемом оборудовании в первом случае общий контрольный блок, а во втором - одинаковое уплотняющее устройство (торцевое или внутреннее манжетное [1]). Первый этап завершается определением производительности проектируемого оборудования, пример расчета которого рассмотрен в [1, 3].

На втором этапе проектирования определяется необходимость переналадки проектируемого устройства, которая должна предусматривать: возможность системы управления функционировать с учетом различного времени испытания изделий под давлением; перенастройку контрольно-измерительного блока на различные допустимые величины утечки пробного газа, а также на различные уровни испытательного давления. Затем следует осуществить выбор способа контроля и средств его реализации [4, 5]. Предварительно технические условия на проведение контроля герметичности должны быть рассмотрены при анализе технического задания. Здесь, как правило, предпочтение следует отдавать типовым, широкопредельным контрольно-измерительным устройствам. Но в отдельных случаях рекомендуется разработка специального контрольного блока, который в полной мере соответствует требованиям проектируемого автомата или полуавтомата, например, по требованию к переналаживаемости устройств, диапазону испытательного давления [6, 7].

На третьем этапе проектирования выбирается уровень автоматизации и переналаживаемости всего устройства.

К автоматам для испытания на герметичность относятся устройства, которые осуществляют весь процесс контроля герметичности, включая разбраковку, загрузку-разгрузку изделий без участия оператора [8, 9].

К автоматизированным устройствам (полуавтоматам) для контроля герметичности относятся устройства, в работе которых участвует оператор. Он может осуществлять, например, загрузку-разгрузку испытуемого изделия, разбраковку на «Годные» и «Брак» по информации контрольно-измерительного блока, снабженного автоматическим регистрирующим элементом. При этом общее управление устройством, включая привод транспортного приспособления, зажим-разжим (фиксация), уплотнение изделия, выдержка времени контроля и другие функции осуществляются автоматически. Перспективные схемы автоматизации контроля герметичности по манометрическому методу рассмотрены в [4, 5].

После оценки уровня автоматизации следующей важной задачей является выбор и анализ компоновочной схемы, которую следует вычертить в масштабе. Она позволяет рационально скомпоновать все устройства проектируемого оборудования. Здесь особое внимание следует уделить выбору позиции загрузки-разгрузки изделия, траектории перемещения загрузочного оборудования. Проблемы связаны с тем, что загружаемые изделия (объекты испытания), как правило, имеют сложную пространственную конфигурацию, поэтому трудно ориентируются, захватываются и удерживаются. Из-за этого требуется создание специального ориентирующего и загрузочно-разгрузочного оборудования, что не всегда приемлемо по экономическим причинам, поэтому ручная загрузка может оказаться рациональным решением. Как адекватное решение вопроса рекомендуется рассматривать применение промышленных манипуляторов и роботов.

Следующим важным этапом проектирования является выбор системы управления и синтез схемы управления. Здесь следует придерживаться рекомендаций и методик разработки систем управления технологическим оборудованием, приведенных в литературе [10].

Выбор схемы подготовки воздуха является достаточно простым, так как хорошо технически проработан. Но недооценка важности этого вопроса может привести к повышенной загрязненности сжатого воздуха (механическими примесями, водой или маслом), используемого в качестве пробного газа, что серьезно повлияет на точность контроля и надежность работы оборудования в целом. Требования к воздуху, используемому в пневматических контрольно-измерительных устройствах, изложены в ГОСТ 11662-80 «Воздух для питания пневматических приборов и средств автоматизации». При этом класс загрязненности должен быть не ниже второго по ГОСТ 17433-80. При выборе схемы подачи испытательного давления следует учитывать обязательную его стабилизацию с высокой точностью, необходимость подключения к поворотному тактовому столу или другому перемещающемуся оборудованию, а также одновременное питание большого количества блоков контроля.

На завершающем этапе осуществляется экспертная оценка проекта автоматизированного устройства для контроля герметичности. Здесь целесообразно давать оценку проекту коллегиально, по определенным критериям, с привлечением специалистов подразделения, где предполагается внедрение разрабатываемого устройства. Затем проводится экономическая оценка проекта. На основании сделанных заключений принимаются окончательные решения о дальнейшей разработке рабочей документации, создании и внедрении автоматического или автоматизированного устройства для контроля герметичности по данному проекту.

Необходимо отметить, что по многим вопросам проектирование автоматических устройств для контроля герметичности сходно с проектированием автоматического оборудования для линейных измерений, размерной сортировки, сборки и т. п. [10]. Однако имеются и определенные особенности, которые рассмотрены в литературе.

На основании приведенных рекомендаций были разработаны оригинальные конструкции автоматизированных стендов для контроля герметичности газовой аппаратуры, которые защищены патентами [11,12]. Кроме того, рассмотренный алгоритм может служить основой для разработки программы, позволяющей автоматизировать проектирование соответствующего оборудования для контроля герметичности.



2.2 Схемы и принцип работы устройств по контролю герметичности манометрическим методом

При изготовлении газовой трубопроводной арматуры для промышленной и бытовой техники завершающим этапом ее производства является контроль параметра «герметичность», который заключается в обнаружении недопустимых утечек газа при работе этих устройств. К газовой трубопроводной арматуре относятся клапаны, вентили, краны газовых плит и др. Исключение утечек газа при функционировании трубопроводной арматуры повышает надежность, экономичность, безопасность и экологическую чистоту как производственной, так и бытовой газовой техники.

Однако контроль герметичности трубопроводной арматуры низкого давления обусловлен рядом проблем, связанных как с трудоемкостью процесса контроля, так и конструктивными особенностями этих изделий. Так при контроле на герметичность кранов бытовой газовой плиты величина испытательного давления ограничена 0,015 МПа [3]. Данное условие контроля объясняется тем, что при более высоком испытательном давлении разрушается вязкое графитовое уплотнение, разделяющее рабочие полости крана. Контроль герметичности известными средствами при таком низком испытательном давлении не гарантируют требуемой точности и производительности.

Решение этих проблем в условиях крупносерийного производства газовой трубопроводной арматуры возможно за счет выбора рационального способа контроля герметичности и автоматизации процесса контроля. Анализ особенностей контроля герметичности трубопроводной арматуры низкого давления, например, для бытовой газовой техники с точки зрения точности и возможности автоматизации испытаний, позволил выделить две перспективные схемы, реализующие манометрический метод контроля. Данный метод заключается в создании обусловленной требованиями контроля величины испытательного давления в полости контролируемого изделия с последующим сравнением величины давления в начале и в конце испытаний. Показателем негерметичности изделия является изменение испытательного давления на определенную величину в течение установленного условиями контроля промежутка времени. Как показали исследования этот метод целесообразно применять при контроле герметичности изделий с рабочими объемами не более 0,5 л, так как при увеличении объема испытуемой камеры значительно увеличивается время контроля [32].

Одна из принципиальных схем устройства контроля герметичности по падению испытательного давления приведена на рис. 1. Воздух от источника давления через фильтр 1 и стабилизатор 2, посредством которого и по манометру 3 устанавливается требуемое входное давление 0,14 МПа, подается к входному штуцеру пневмотумблера 4. С выхода пневмотумблера 4 воздух одновременно поступает в измерительную линию устройства и мембранную камеру 15 зажимного приспособления 11. Измерительная линия устройства построена по принципу равновесного моста с эталонной и измерительной цепями.

Эталонная цепь состоит из последовательно соединенных нерегулируемого пневмосопротивления 7 и регулируемого пневмосопротивления 8, которые образуют дроссельный делитель (показан пунктиром). Измерительная цепь образована нерегулируемым пневмосопротивлением 9 и контролируемым краном 13. В эталонную и измерительную цепи сжатый воздух поступает под испытательным давлением 0, 015 МПа, которое устанавливается задатчиком 5. В диагональ измерительного моста включен элемент сравнения 6, выход которого соединен с пневматическим индикатором 14. Питание элемента сравнения 6 производится сжатым воздухом под давлением 0,14 МПа. С помощью регулируемого пневмосопротивления 8 и эталонной цепи задается допустимая величина утечки. Давление из дроссельного делителя подводится в нижнюю глухую камеру элемента сравнения 6. Верхняя глухая камера этого элемента соединена с каналом между пневмосопротивлением 9 и контролируемым краном 13. После установки контролируемого крана 13 и его зажима в приспособлении 11 в измерительной цепи установится давление, пропорциональное величине утечки воздуха через контролируемый кран 13.

Рисунок 2.2. Схема устройства контроля герметичности по падению

испытательного давления

Если величина утечки меньше допустимой, то давление будет выше эталонного, и сигнал на выходе элемента сравнения 6 будет отсутствовать, т.е. испытуемый кран 13 считается герметичным. В случае, когда величина утечки превышает допустимую, то давление станет меньше эталонного, что приведет к переключению элемента сравнения 6 и на его выходе появится высокое давление, о чем будет сигнализировать пневматический индикатор 14. В этом случае испытуемый кран 13 считается негерметичным. Для установки и уплотнения крана 13 в контрольном устройстве применено зажимное приспособление 11, содержащее закрепленный на мембране камеры 15 полый шток 10, по которому в полость контролируемого крана 13 поступает испытательное давление. При этом на шток 10 одета эластичная резиновая втулка 12. После подачи сжатого воздуха в мембранную камеру 15 шток 10 перемещается вниз. При этом резиновая втулка 12 сжимается и, увеличиваясь в диаметре, плотно прилегает к внутренней поверхности контролируемого крана 13, обеспечивая надежное уплотнение соединения на время испытания. Расфиксация проконтролируемого крана 13 и подготовка зажимного приспособления 11 для установки следующего крана осуществляется переключением пневмотумблера 4. Работу схемы данного устройства можно описать следующими уравнениями:

для объектов контроля с допустимой величиной утечки испытательного газа, т.е. которые считаются герметичными

( 2.1)

для объектов контроля с утечкой испытательного газа превышающей допустимую, т.е. которые считаются негерметичными

< (2.2)

где У - суммарная утечка индикаторного газа; t - время контроля; V- контролируемый на герметичность объем в объекте; - давление в измерительной цепи; - величина давления в эталонной цепи.

На рис. 2 приведена принципиальная схема устройства контроля герметичности изделий, имеющих две смежные полости, между которыми возможна утечка газа. Устройство состоит из системы управления, которая содержит реле времени 1, триггер со счетным входом 2 и коммутирующую кнопку 3. При этом реле времени 1 подключено к электромагнитным приводам вентилей. 4 и 5, инверсный выход триггера 2 - к приводам клапанов 6 и 7, каналы которых соединены с датчиками давления 8 и 9, а также с полостями П1 и П2 контролируемого изделия 11. Выходы датчиков 8 и 9 подключены к отсчетному блоку 10. Устройство работает следующим образом. После выдачи входного сигнала кнопкой 3 на реле времени 1 открываются вентили 4 и 5. Этим обеспечивается подключение полости контролируемого изделия 11 через нормально открытый канал клапана 6 к источнику вакуума и полости П2 через нормально открытый канал клапана 7 - к источнику избыточного давления газа.

Рисунок 2.3. Схема с изменением направления перепада давления

в контролируемом изделии.

После того, как в полости П1 создастся заданный требованиями контроля уровень вакуума (0,015 МПа), а в полости П2 - заданный уровень избыточного давления (0,015 МПа), происходит срабатывание реле времени 1 и отключаются вентили 4 и 5. С этого момента начинается процесс контроля герметичности изделия 11. Результат контроля определяется по показаниям отсчетного блока 10, сравнивающего сигналы от датчика 8, контролирующего повышение давления в полости П1, и датчика 9, контролирующего понижение давления в полости П2. В случае обнаружения негерметичности испытание прекращается и изделие бракуется. Если датчики 8 и 9 не регистрируют нарушение герметичности изделия 11, то осуществляется второй этап испытания. Выдается повторный входной сигнал на реле времени 1 и триггер 2. При этом сигнал управления появится на инверсном выходе триггера 2 и переключит клапаны 6 и 7, а реле времени 1 повторно включит вентили 4 и 5. Полость П1 контролируемого изделия 11 окажется подсоединенной к источнику избыточного давления газа, а полость П2 - к источнику вакуума. На этом этапе испытаний в полости П1 контролируется понижение давления, а в полости П2 - повышение давления газа. Если датчики 8 и 9 не зарегистрируют негерметичность изделия 11 и на втором этапе испытаний, то оно считается годным.

Особенностью реализуемого в устройстве способа контроля герметичности [15] является создание двукратного изменения направления перепада давления в контролируемом изделии, т.е. проведение испытаний в два этапа для учета различных условий истечения газа в разных направлениях через микродефекты в уплотнительном элементе контролируемого изделия при их наличии. Кроме того, создание разрежения в одной полости и избыточного давления в смежной полости не превышает абсолютной величины допустимого давления на уплотнительный элемент, но при этом создает в два раза больший перепад давления в местах возможной утечки газа. Это позволяет повысить надежность и точность контроля герметичности газовой арматуры, уменьшить его продолжительность.

Схемы и принцип действия рассмотренных устройств допускают автоматизацию процесса контроля герметичности газовой арматуры, что позволит существенно увеличить производительность испытаний и практически исключить выпуск негерметичных изделий.

2.3 Моделирование манометрического метода контроля герметичности газовой запорной и распределительной арматуры

Манометрический метод контроля герметичности - это метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации изменений показаний манометрического устройства, обусловленного проникновением сжатого воздуха или другого индикаторного газа через сквозные дефекты контролируемого изделия. Этот метод наиболее часто используется для создания устройств контроля герметичности газовой запорной арматуры [1].

Физическая модель, реализующая манометрический метод контроля герметичности, представляет собой камеру, на входе которой - регулируемый турбулентный дроссель, на выходе - регулируемый ламинарный дроссель, в качестве которого может быть использована регулируемая течь. Изменять объем камеры можно посредством подвижного штока с поршнем, которые снабжены фиксатором положения. Тарированная шкала, нанесенная на штоке, позволяет с достаточной точностью изменять объем камеры. Для превращения камеры из проточной в глухую на входе установлен запорный клапан. Давление на входе и в самой камере определяется посредством образцовых манометров. Такая модель позволяет с высокой точностью строить графики, характеризующие манометрический метод контроля герметичности: зависимость перепада давления в камере от времени, величины испытательного давления, изменения температуры испытательного газа, объема камеры. Если учесть, что перепад давления в камере есть мера величины утечки, характеризующей герметичность объекта, то становится ясным важность физической модели манометрического метода контроля для разработки средств контроля.

Динамическую модель манометрического метода контроля герметичности можно представить в виде дифференциального уравнения

, (2.3)

где V - объем камеры; R - газовая постоянная; T- абсолютная температура; p - начальное давление в камере; dt - время, за которое давление в камере изменяется в переходном процессе на величину dp; S - площадь дросселя или течи, через которую происходит утечка сжатого газа.

Модель манометрического метода контроля герметичности в интегральном виде описывается уравнением, характеризующем экспоненциальный закон утечки сжатого газа из испытуемой емкости

, (2.4.)



где - исходное давление в камере при t=0; - давление в камере через время t.

Динамическая модель хорошо согласуется с графической характеристикой манометрического метода, что дает возможность после соответствующих преобразований получить зависимость

, (2.5)

где - перепад испытательного давления; - суммарная утечка сжатого газа в испытуемом объеме;- время испытания.

Зависимость (2.5.) отражает сущность манометрического метода и позволяет создавать различные устройства для автоматического контроля герметичности.

Проведенный конструктивно-функциональный анализ датчиков герметичности с улучшенными рабочими характеристиками [24,37] показал, что они содержат одинаковый преобразователь давления в перемещение в виде мембраны с жестким центром и мембранной полости, в которую подается пробный газ, сходные по конструкции фрикционные элементы и пружину. Они отличаются только преобразователями перемещения в электрический выходной сигнал. В первом типе датчика - это электроконтактная пара, которая выдает дискретный выходной сигнал, во втором - индуктивный преобразователь, состоящий из соленоида и сердечника, обеспечивающего непрерывный выходной сигнал. Следовательно, в этих устройствах действуют сходные движущие усилия, силы сопротивления, и они описываются одинаковыми математическими зависимостями. Это позволяет использовать для датчиков этого типа обобщенную расчетную схему и разработать типовую математическую модель.

Расчетная схема датчика герметичности представлена на рис. 1, на котором изображены мембрана 1 с жестким центром 2, сердечник 3, соленоид 4, пружина 5, пневматическая камера 6, мембранная полость 7.

Рисунок 2.4 Расчетная схема датчика герметичности

При подаче давления на мембрану действует активная сила

, (2.6)

где р - давление в мембранной полости; - эффективная площадь мембраны.

Одновременно на мембрану действует пассивная сила

, (2.7)

где - сила, создаваемая пружиной; - усилие первоначального поджима; с - коэффициент упругости; х - величина перемещения мембраны; - сила, создаваемая атмосферным давлением; - сила трения; - коэффициент, учитывающий направление силы трения; - давление в полости пневматической мембраны; - площадь контакта соленоида с пневматической камерой; - коэффициент трения скольжения материала пневматической камеры и поверхности соленоида; - коэффициент вязкого трения; v - скорость подвижных частей.

Тогда ускорение подвижных частей датчика массой m равно

. (2.8)

Уравнение приращения давления в мембранной полости имеет вид

, (2.9)

где dt - постоянная интегрирования; - начальное положение мембраны; G - массовый расход газа.

Система уравнений является математической моделью датчиков герметичности с улучшенными рабочими характеристиками. Ее решение представлено в виде алгоритма. Разработанные математическая модель и алгоритм расчета позволяют определять при проектировании датчиков герметичности данного типа параметры их основных узлов и элементов.

В результате моделирования выявлены недостатки конструкции используемого в датчиках фиксирующих устройств, выполненных в виде фрикционного кольца и пневматической камеры, установленных в корпусе и имеющих непосредственный поверхностный контакт с подвижным элементом преобразователя перемещения в электрический сигнал. Это приводит к их быстрому износу, что существенно уменьшает срок службы всего датчика. Целенаправленное изменение схемы фиксирующего устройства позволило не только устранить указанный недостаток, разработав оригинальную конструкцию, но и улучшить технологичность датчика.

Рисунок 2.5 Алгоритм расчета датчика герметичности

Разработанная математическая модель и алгоритм расчета датчиков герметичности позволяют не только оценить их характеристики на стадии проектирования, но и могут быть использованы как основа для создания САПР средств автоматического контроля герметичности газовой запорной арматуры.

Согласно данному алгоритму написана программа моделирования манометрического метода контроля герметичности.

Принцип работы датчиков основан на изменении индуктивного сопротивления катушки со сталью. Датчики индуктивности широко применяют благодаря их существенным достоинствам: простоте, надежности и отсутствию скользящих контактов; возможности непосредственного использования показывающих приборов за счет относительно большой величины отдаваемой электрической мощности; возможности работы на переменном токе промышленной частоты.

Индуктивные датчики применяют только на относительно низких частотах (до 3000-5000 Гц), так как на высоких частотах резко возрастают потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки.

Для устранения недостатков, свойственных рассмотренному датчику индуктивности, которые состоят в том, что для измерения перемещения якоря в обоих направлениях необходимо иметь начальный воздушный зазор, т.е. и начальную силу тока, из-за чего создается неудобство в измерении, значительные погрешности от колебаний температуры и питающего напряжения, а также для устранения электромеханического усилия притяжения якоря, зависящего от величины воздушного зазора, применяют дифференциальный индуктивный датчик.

Общие технические характеристики индуктивных датчиков.

Диапазон срабатывания: от 0,6 до 60 мм

Рабочая температура: от -25 … 70 °С

Класс защиты: IP 67, IP 68, IP 69K

Защита от короткого замыкания

Три диапазона срабатывания

Материал корпуса индукционных датчиков: пластик, нержавеющая сталь, никелированная медь

Оптимальные размеры объекта (пластины) - не менее величины диаметра датчика. При использовании отличных от стали материалов почти всегда получаются меньшие расстояния срабатывания (Sn): хром и никель = 0.9Sn; латунь = 0.5Sn; алюминий и медь = 0.4Sn.Для металлической фольги и измерительных пластин в специальном исполнении требуются контрольные измерения. Объектом могут служить отдельные фрагменты оборудования - зубья шестерен, кулачки, ползуны и прочее.

Для всех коммутирующих датчиков необходим гистерезис для устранения дребезга выходов. У индуктивных выключателей гистерезис получается от разности рабочих расстояний до объекта при приближении и удалении измерительной пластины и составляет ок. 10% от номинального расстояния срабатывания.

Время включения должно быть в два раза меньше времени выключения.

Датчики при монтаже не заподлицо обеспечивают наибольшее расстояние срабатывания. При этом в окружающем металле требуется наличие минимальной выемки. При этом: боковой промежуток = диаметру датчика, глубина = удвоенному номинальному расстоянию срабатывания.

Смонтированные близко друг к другу датчики взаимно влияют друг на друга, поэтому необходимо соблюдать минимальные расстояния.

Не рекомендуется применять выключатели с незащищенным кабелем в агрессивной среде и СОЖ, некоторые виды которых вызывают отвердевание поливинилхлоридной оболочки кабеля. Датчики индуктивности с подвижным сердечником содержат две одинаковые катушки, расположенные на одной оси. Внутри катушек перемещается сердечник цилиндрической формы, связанный с измерителем. Если сердечник расположен симметрично относительно катушек, то индуктивные сопротивления катушек одинаковы. При перемещении сердечника в ту или другую сторону изменяется индуктивность катушек. При этом индуктивность той катушки, в сторону которой переместился сердечник, растет, а другой - уменьшается. Соответственно изменяется сила токов, проходящих через катушки.

Работа всех рассмотренных датчиков основана на изменении индуктивности. Существуют датчики, работа которых основана на изменении коэффициента взаимной индукции двух катушек. Такие датчики называются трансформаторными, или индукционными, и содержат две катушки: одна питается напряжением переменного тока, другая является выходной, и с нее снимается напряжение, пропорциональное перемещению якоря или сердечника.

Трансформаторные датчики выполняют с переменным зазором между якорем и сердечником, для измерения малых перемещений; с переменной площадью зазора, используемые для измерения средних перемещений, и с подвижным сердечником, используемые для измерения перемещений с широким диапазоном. Последние имеют преимущество перед другими трансформаторными датчиками, так как сердечник может быть отделен от катушек герметической трубкой. Такой датчик называют плунжерным.

В некоторых случаях выходная катушка состоит из двух катушек W2l и W2U, включаемых одна навстречу другой. У некоторых датчиков, наоборот, вторая катушка может поворачиваться или перемещаться относительно сердечника. Такие трансформаторные датчики с подвижной рамкой называют ферродинамическими.

Особенностями трансформаторных датчиков является возможность больших перемещений якоря и отсутствие электрической связи между измерительной цепью и цепью электрического питания. Между ними существует только магнитная связь, что во многих случаях является преимуществом.

Индуктивные бесконтактные датчики надежны и просты в эксплуатации. Могут работать при воздействии шумов, света, диэлектрической пыли и жидкостей, например, машинного масла. Имеют четко очерченную активную зону. При попадании в активную зону датчика любого металлического предмета, происходит изменение логического состояния выходного коммутирующего элемента датчика, в качестве которого может использоваться PNP или NPN транзистор или тиристор (при работе датчика на переменном токе). Конструктивно все модели делятся на два типа: цилиндрические (PM) и прямоугольные (PS).



ГЛАВА 3. Разработка конструкции стенда по проведению испытаний на герметичность запорной и распределительной арматуры

На основании результатов выполненных исследований метода и технологического процесса контроля и регулирования расхода газа через кран разработана конструкция стенда автоматизированного для контроля и регулирования.

3.1 Компоновка и техническая характеристика стенда

Стенд полуавтоматический с шестью рабочими позициями обслуживается одним оператором. Представляет собой установку настольного типа, к которой подводится питание от сети переменного тока напряжения 220 В, с частотой 50Гц и сжатый воздух от магистрали давлением 0.4 МПа.

Рисунок 3.1 Стенд автоматизированный вид сверху.



Основание стенда выполнено в виде поворотного стола пошагового действия, на котором закреплены шесть модулей регулирования. Состоящие из кронштейна с механизмом регулирования, установленным на ползуне, перемещаемом в направляющих с помощью пневмоцилиндра и включающим реверсивный двигатель, винтовертную головку в виде подпружиненной отвертки с направляющей втулкой, а также позиция предварительной продувки кранов, выполненная в виде клапана.

Работа начинается с подключения стенда к сети переменного тока напряжением 220 В и питания сжатым воздухом от заводной магистрали. Затем необходимо проверить и при необходимости отрегулировать с помощью редуктора давление питания блоков контроля и силовых элементов стенда на давление . Перед контролем и регулировкой крана необходимо его продуть. Для этого кран торцем бокового штуцера устанавливается на позицию продувки и нажатием клапана осуществляется кратковременная продувка (2…3 с). После продувки необходимой для освобождения каналов от излишней уплотнительной смазки, кран устанавливается на одну из рабочих позиций. Ползун с электродвигателем и отверткой должен находится в верхнем крайнем положении. Отвертка, посредством направляющей втулки вводится в отверстие стержня крана после чего осуществляется зажим. После зажима крана включается система регулирования. В зависимости от положения регулировочного винта электродвигатель вращает винт до положения норма, после чего вращение двигателя прекращается. Кронштейн с электродвигателем отводится в крайнее верхнее положение, а отрегулированный кран удаляется в тару годной продукции. Наличие шести рабочих позиций на стенде позволяет увеличить производительность стенда.



3.2 Принцип работы стенда по испытанию на герметичность газовой запорной и распределительной арматуры

Основой модернизированного испытательного стенда является программируемый логический контроллер. Рассмотрим операции контроля и управления технологическим процессом испытания изделия на герметичность.

3.2.1 Предварительная продувка

Предварительная продувка необходима для освобождения каналов от излишней уплотнительной смазки. Предварительная продувка осуществляется в ручном режиме и не имеет каких-либо связей с управляющей системой стенда. В дальнейшем возможно частичная или полная автоматизация данной операции. После продувки кран устанавливается на одну из рабочих позиций.

3.2.2 Зажим - фиксация изделия

Перед осуществлением операции «Зажим-фиксация» отвертка и ползун с электродвигателем перемещаются в верхнее крайнее положение. Подается сигнал начала операции «Зажим - фиксация», отвертка посредством направляющей втулки вводится в отверстие стержня крана, после чего осуществляется зажим.

3.2.2.1 Расчет схемы зажима, фиксации и уплотнения крана

При установке крана на контрольно-измерительную позицию необходимо зажать в определенном положении, зафиксировать стержень 4 (рисунок 1) от возможного поворота и уплотнить место подключения к пневматической сети от возможности утечки или подсоса воздуха.

Схема, позволяющая осуществить все выше указанные операции, приведена на рисунке 22. Здесь кран 1 установлен в вертикальном положении посредством направляющих 2 и зажат в осевом направлении усилием . Стержень крана фиксируется по имеющейся на нем лыске 3. уплотнение осуществляется эластичным уплотнителем 4 под действием уплотняющего усилия . При этом при относительно небольших усилиях достигается практически полное прилегание поверхности эластичного материала к жесткой поверхности крана. Благодаря этому достигается высокая степень герметизации в месте подключения пневмосети даже при низком качестве поверхности сопрягаемых деталей крана. Таким образом, исключается подсос воздуха в месте сопряжения.

Рисунок 3.2 Схема контрольно-измерительной позиции.

Материал, используемый для эластичного уплотнителя, должен обладать малым модулем упругости, большой зоной упругих деформаций, малой остаточной деформацией, однородностью механических свойств по объему материала, большой ударной вязкостью, способностью сохранять высокий класс чистоты поверхности в процессе эксплуатации, обладать химической инертностью по отношению к воздуху и графитовому уплотнению крана. Учитывая все особенности разработанной схемы, в качестве материала уплотнителя принята резина [18].

Величина усилия, необходимого для обеспечения герметичного уплотнения крана в месте подключения к пневмосети посредством эластичного уплотнителя, зависит от рабочего давления воздуха, диаметра крана в месте сопряжения, класса чистоты сопрягаемой поверхности.

Для обеспечения герметичности места подключения крана в рабочих условиях (при действии давления среды) требуется усилие зажима

, (3.1)

где - расчетное усилие зажима крана в рабочих условиях в кгс;

- реакция уплотнения в момент нарушения герметичности в кгс;

- усилие, создаваемое давлением воздуха в месте уплотнения в кгс.

Реакция уплотнения в момент нарушения герметичности для круглых уплотнителей определяется по формуле:

, (3.2)

где - средний диаметр уплотнения в см;

- ширина уплотнения в см;

- минимальное герметизирующее удельное давление (удельная реакции прокладки в момент нарушения герметичности) в кгс/см2.

Величина минимального удельного герметизирующего давления для резины:



, (3.3)

где - расчетное давление воздуха в кгс/см2.

Тогда

Размеры поперечного сечения места сопряжения крана и резинового уплотнителя должно удовлетворять следующим условиям:

(3.4)

(3.5)

(3.6)

где - толщина уплотнителя в см;

- модуль упругости резины, кгс/см2 [20];

- пробное давление при испытании уплотнения на герметичность, равное , в кгс/см2.

Если хоть одно из условий не удовлетворяется, следует увеличить отношение .

Усилие , создаваемое давлением воздуха вместе уплотнения определяется по формуле:

, (3.7)



Подставив значение из формулы (3.2) и из формулы (3.7) в формулу (3.1), получим величину усилия необходимого для герметичного уплотнения места подключения крана к пневмосети контрольно-регулировочного блока:

(3.8)

Таким образом (3.9)

3.2.2.2 Разработка блока зажима, фиксации и уплотнения крана

Для качественного поведения процесса регулирования крана по принятой схеме контроля необходимо обеспечить надежный зажим, фиксацию от поворота и уплотнение в месте подключения крана к пневмосети на протяжении всего технологического цикла. Анализ изделия и исследование схемы позволяют спроектировать и изготовить блок зажима, фиксации и уплотнения как составную часть рабочей позиции регулирования крана. В блоке все три операции совмещены и осуществляются за счет одного вертикального усилия. При этом уплотнение происходит по торцу крана путем его прижатия к эластичной герметизирующей прокладке; фиксация осуществляется по лыске не стержне крана, а зажим - нажатием на корпус.

Блок зажима, фиксации и уплотнения крана приведена на рисунке 3.3



Рисунок 3.3 Схема зажима крана в измерительном модуле пневматическая.

Все устройства блока смонтированы на планшайбе 1. На планшайбе 1 крепится направляющая 2, типа «ласточкин хвост», в которой перемещается каретка 3. На каретке по средством кронштейна 4 крепится реверсивный электродвигатель 5, а валу которого закреплена вынтовертная регулирующая головка, состоящая из муфты, подвижной подпружиненной в осевом направлении отвертки 7. Винтовертная головка вставлена в о втулку 10, которая свободно перемещается в направлении кронштейна11, установленного на каретке 3. Первое отверстие втулки 10 служит направляющей для винтовертной головки, второе отверстие - направляющей для стержня крана, специальный винт 12, установленный во втулке 10 обеспечивает фиксацию крана по лыске на его стержне и от поворота. Соосно винтовертной головке на планшайбе 1 установлена втулка 13 с эластичным герметизирующим элементом 14, осуществляющим уплотнение крана, и штуцером 15, к которому подключен блок контроля. Зажим и регулирование крана осуществляется при перемещении каретки 3 в крайнее нижнее положение посредством пневмоцилиндра 16, установленного на планшайбе 1, шток которого посредством кронштейна 17 скреплен с кареткой 3. управление пневмоцилиндром 16 осуществляется посредством кнопки 18, установленной на панели управления стенда. Установка крана осуществляется при крайнем верхнем положении каретки 3 и отведенной вверх втулке 10.

После завершения фиксации изделия на вход ПЛК подается сигнал «Завершение операции Зажим-Фиксация».

3.3.3 Вращение

Стол поворотный состоит из корпуса , в котором установлена планшайба, предназначенная для монтажа основного и вспомогательного оборудования. В корпусе смонтирован привод шагового поворота планшайбы на угол 60є.

Для использования данного поворотного устройства в нашем стенде необходимо его немного модернизировать, а именно увеличить диаметр планшайбы, сделать в ней соответствующие технологические отверстия, а также увеличить высоту ножек корпуса для соответствующего расположения частотного преобразователя.

Для более удобного расположения соответствующих регулировочных модулей диаметр планшайбы необходимо увеличить до 750 мм. Так же в планшайбе необходимо сделать 12 технологических отверстий из которых:

6 технологических отверстий диаметром 92 мм на расстоянии 225 мм от центра планшайбы;

6 технологических отверстий диаметром 26 мм на расстоянии 335 мм от центра планшайбы;

Вращение планшайбы испытательного стенда осуществляется от асинхронного короткозамкнутого двигателя. Выходной вал электродвигателя соединен с осевым валом планшайбы через редуктор с целью уменьшения частоты вращения и увеличения момента на выходном валу.

Контроль и управление скоростью вращения планшайбы обеспечивает частотный преобразователь. Питание осуществляется от однофазной цепи 220 Вольт.

Двигатель снабжен электромагнитным (механическим тормозом) для фиксации планшайбы в моменты остановки.

Планшайба обладает достаточно небольшими габаритами (750 мм в диаметре) и массой, для обеспечения быстрого эффективного торможения электродвигателя нет необходимости в использование тормозного резистора. Частотный преобразователь можно использовать без тормозного транзистора.

Изменение скорости вращения планшайбы осуществляется плавно, с панели оператора при помощи потенциометра (непосредственно в частотный преобразователь или через контроллер) и/или на графическом терминале (задается в об/мин, контроллер осуществляет перевод в Гц).

На рисунке 3.4 изображено подключение силовых и цепей управления.



Рисунок 3.4 - Подключение силовых и цепей управления к частотному преобразователю

При использовании электрооборудования не исключены случаи нарушения изоляции токоведущих проводов и возможность прикосновения к ним. Для защиты человека и самой электрической сети существует множество устройств защиты. Все устройства защиты разработаны для защиты от определенной неисправности электросети.

Автомат защиты обеспечивает протекание тока в нормальном режиме и автоматически отключает (обесточивают) электрическую цепь при аварийных ситуациях: коротком замыкании и перегрузке.

Для пуска и разгона электродвигателя до номинальной скорости, обеспечения его непрерывной работы, отключения питания и защиты электродвигателя и подключенных цепей от рабочих перегрузок используется электромагнитный пускатель. Пускатель представляет собой контактор, комплектованный дополнительным оборудованием: тепловым реле, дополнительной контактной группой или автоматом для пуска электродвигателя, плавкими предохранителями.

...