Стабилизаторы расхода газа

наука и конструирование
2 | 83 | 2013
Стабилизаторы расхода газа
И.А.Кондратьев, А.М. Габа, И.Г. Черняев, В.П. Пирог, С.В. Горбатенко, ООО «НПП ОКБА»
При разработке стабилизаторов расхода газа
была поставлена и успешно решена задача
по унификации конструктивных решений.
При этом учитывалось, что стабилизатор
расхода газа является составной частью газовой
схемы датчика, через него проходит поток
анализируемого газа. Поэтому при разработке
стабилизаторов расхода газа была поставлена
задача создать конструкцию, которая обеспечит
нормальное функционирование этих узлов
в составе приборов аналитического контроля.
Принцип работы
стабилизаторов расхода газа
Р
азработанные стабилизаторы расхода включают
в себя устройство автоматической температурной
коррекции путем изменения перепада давления
на постоянном пневматическом сопротивлении с использованием температурного компенсатора. В качестве
дросселирующих органов постоянных пневматических
сопротивлений служат корундовые или рубиновые часовые камни со сквозным отверстием, завальцованные
в оправки из нержавеющей стали. К достоинствам таких
постоянных пневматических сопротивлений нужно отнести: широкий диапазон диаметров дросселирующих отверстий в часовых камнях (от 0,08 до 0,50 мм), высокую
точность выполнения диаметров, низкую шероховатость
обработки стенок материала камня и абразивную стойкость. Особенно важны постоянные пневматические сопротивления с малыми отверстиями для регулирования
расхода газов с малой плотностью и вязкостью, например гелия или водорода, т.к. существующими доступными технологическими приемами отверстия в нержавеющей стали указанных размеров изготовить достаточно
трудно.
На работу стабилизатора расхода газа не должны оказывать влияние окружающая среда (температура, давле-
60
СРГ-23
СРГ-21
СРГ-28
ние и влажность воздуха), производственные вибрации,
техническое состояние газовых коммуникаций.
Принцип работы стабилизаторов расхода газа основан
на автоматическом поддержании на постоянном пневматическом сопротивлении с калиброванным отверстием
постоянного перепада между опорным давлением и давлением в сопловой камере. Опорным давлением в стабилизаторах является давление на выходе стабилизатора –
атмосферное или близкое к нему давление.
Работа стабилизаторов происходит следующим образом. Сжатый газ, проходя через входной канал, дросселируется в зазоре между соплом и клапаном и поступает
в сопловую камеру. Автоматическое поддержание заданного перепада давления на постоянном пневматическом
сопротивлении основано на уравновешивании им усилия
пружины путем воздействия на мембрану. При нарушении
равновесного состояния мембраны, вызванного изменением входного давления, мембрана прогибается в соответствующую сторону и воздействует на клапан, связанный
с нею жестким центром, вызывая изменение зазора между
ним и соплом. Благодаря этому количество газа, поступающего в сопловую камеру, изменяется так, что перепад
давления восстанавливается до прежнего значения с небольшим отклонением, обусловленным новым равновесным положением мембраны. Перепад давления на постоянном пневматическом сопротивлении зависит от степени
наука и конструирование
2 | 83 | 2013
сжатия пружины. Измерение перепада давления при настройке стабилизатора осуществляется манометром.
Элементы конструкции стабилизатора расхода
не должны взаимодействовать не только с представительной частью анализируемой среды, но и со всем составом анализируемого газа. Для обеспечения хороших
динамических характеристик приборов в направлении
движения газового потока не должно быть застойных
областей и зон. После проведения многочисленных исследований и испытаний была отработана конструкция
и внедрена технология изготовления деталей газового
тракта, позволившая получить технические характеристики стабилизаторов расхода газа, которые приведены
на сайте: www.okba.ru.
Режим работы стабилизаторов расхода в газовых схемах приборов аналитического контроля выбран таким образом, что обеспечивается докритическое истечение газа.
При докритическом режиме истечения пропускная способность постоянного пневматического сопротивления
определяется разностью входного и выходного давлений [1], при этом поток является ламинарным, а скорость
движения потока через проходное сечение постоянного
пневматического сопротивления меньше скорости звука
в газе.
Для подтверждения характеристик, указанных в технических условиях на стабилизаторы расхода газа, были
проведены исследовательские испытания и эксперименты.
При проведении экспериментов были учтены следующие
факторы: колебание барометрического давления и окружающей температуры, нелинейность показаний манометра
и изменение скорости потока газа при увеличении перепада
давления на постоянном пневматическом сопротивлении,
а также были приняты дополнительные меры, обеспечиваю-
щие герметичность газовых коммуникаций и герметичность
завальцовки часового камня в металлической оправе.
При сбросе анализируемого газа в атмосферу
или в дренажную линию с атмосферным давлением необходимо использовать следующую формулу, полученную
в результате математического анализа проведенных ранее
экспериментов [2]:
,
Приведенную формулу можно применять при перепадах давления относительно атмосферного до 58,86 кПа
для получения расходов анализируемого газа (по воздуху или азоту) от 75 до 1925 см3/мин. При настройке
стабилизаторов расхода газа перепад давления устанавливается от 8 до 12,5 кПа для стабилизаторов СРГ21,
СРГ22 и от 1,5 до 3,8 кПа для стабилизаторов СРГ23, СРГ28.
Проверка изменения расхода газа от установленного значения при изменении давления на входе унифицированных стабилизаторов расхода газа проводится в следующей последовательности:
„„ установите на входе стабилизатора номинальное давление, указанное в табл.;
„„ измерьте с помощью измерителя расхода газа расход
газа Q1, см3/мин;
„„ измените давление на входе стабилизатора на 9,81 кПа ;
3
„„ измерьте расход газа Q2, см /мин и определите его изменение δQ, % по формуле:
,
где: 100 – коэффициент, обусловленный выбором единиц
измерений.
Таблица. Проверка изменения расхода газа от установленного значения при изменении давления на входе
Тип стабилизатора
и род газа
СРГ21А
Водород
СРГ21В
Воздух
СРГ21Г
Аргон
Р, кПа
(кгс/см2)
1
2
δQ, % Q1, см3/мин
3
Q1, см /мин
3
Q2, см3/мин
Q2, см3/мин
δQ, % Q1, см3/мин
Q2, см3/мин
δQ, %
19,62
(0,2)
200,6
201,8
0,6
200,1
201,6
0,7
200,1
201,9
0,9
88,29
(0,9)
201,2
202,0
0,4
201,3
202,4
0,5
200,9
201,7
0,4
156,96
(1,6)
201,4
200,6
0,4
201,6
200,8
0,4
201,4
200,1
0,6
19,62
(0,2)
100,3
100,9
0,6
100,4
101,0
0,5
100,1
100,9
0,8
88,29
(0,9)
100,1
100,6
0,5
100,1
100,9
0,9
100,4
100,7
0,3
156,96
(1,6)
100,7
100,1
0,6
100,5
99,8
0,7
100,8
100,1
0,7
19,62
(0,2)
75,2
75,9
0,9
75,1
75,8
0,9
75,3
75,9
0,8
88,29
(0,9)
75,4
76,0
0,8
75,5
76,2
0,9
75,2
75,8
0,8
156,96
(1,6)
75,5
75,0
0,7
75,6
74,9
0,9
75,4
74,8
0,8
61
наука и конструирование
2 | 83 | 2013
Стабилизатор расхода газа
с термокомпенсатором
9
Н
Расширить технические характеристики
унифицированных стабилизаторов расхода
газа позволяют конструктивные решения, реализация которых приведена ниже.
8
5
3
4
Стабилизатор расхода (см. рис.) включает
корпус 1, входной 2 и выходной 3 штуцеры.
Выход
газа
В корпусе 1 расположен чувствительный элемент (мембрана) 4, разделяющий корпус на две
камеры, надмембранную 5 и подмембранную
Вход
6, соединенные между собой постоянным
газа
пневматическим сопротивлением 7. Сверху
6 2
7 10
чувствительный элемент связан с пружиной
12
задания 8, для регулирования поджатия ко13
торой служит винт 9. Снизу чувствительный
элемент связан через тяги 10 и планку 11 с ре11
14
гулирующим органом (иглой) 12. Между регулирующим органом 12 и планкой 11 расположен термокомпенсатор, состоящий из двух
термобиметаллических скоб 13, обращенных Рис. Стабилизатор расхода газа
активными слоями наружу и соединенными
тельна, то усилие имеет небольшую величину, в несколько
гибкими пластинами 14. Такая конструкция термокомпендесятков раз меньшую усилия пружины задания. Поэтосатора, состоящая из двух термобиметаллических скоб,
му при эксплуатации в термокомпенсаторе практически
соединенных сверху и снизу гибкими пластинами, более
не возникает остаточных деформаций, и установленный
компактна по сравнению с другими устройствами аналорасход с течением времени не сбивается.
гичного типа.
При отсутствии воздействия входного давления газа
Повышение и понижение температуры анализируерегулирующий орган отжат от сопла и на термокомпенсамого газа вызывает уменьшение или увеличение высоты
тор не воздействуют никакие силы.
«Н» термокомпенсатора. Так как при этом положение реТаким образом, при указанной конструкции термокомгулирующего органа 12 должно оставаться неизменным,
пенсатора после длительной эксплуатации или хранения
то чувствительный элемент 4 поднимается или опускаетв пластинах термокомпенсатора не возникают остаточные
ся, дополнительно поднимая или ослабляя пружину задеформации, что позволяет расширить температурный
дания 8, что, в свою очередь, вызывает соответствующее
диапазон анализируемого газа и поддерживать первонаизменение перепада давления на постоянном пневматичечально установленный расход с достаточной точностью,
ском сопротивлении.
а в итоге обеспечить стабильную работу приборов аналиГеометрические размеры и марка материала термотического контроля.
биметаллических пластин выбраны такими, что отклонение расхода, вызванное изменениями плотности газа
и перепада давления полностью компенсируют друг друЗаключение
га. При этом в установившемся режиме на термокомпенсатор воздействуют уравновешивающие силы пружины
Рассмотренные стабилизаторы расхода газа обеспечизадания и реакции мембраны.
вают работу приборов аналитического контроля при расПри работе стабилизатора расхода на термокомпенсаходах анализируемого газа в диапазоне от 1 до 200 л/ч
тор воздействует только усилие входного давления на ре(по воздуху), что решает проблему поддержания расхода
гулирующий орган. Но так как площадь сопла незначив заданных по техническим условиям параметрам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Расходомеры и счетчики количества. / П.П. Кремлевский. – Л.: Машиностроение, 1975.-776 С.
2. Исследование пропускной способности постоянных пневматических сопротивлений / В.П. Пирог, А.М. Габа,
Б.Ф. Кузнецов. // Приборы. С. 34-37.
62
2 | 83 | 2013
наука и конструирование
63