Обеспечение безопасности теплотехнического оборудования, работающего на газе — одна из важнейших задач, стоящих перед проектировщиками и обслуживающим персоналом котельных.
Решение этой задачи на практике осложняется изношенностью оборудования, его физическим и моральным старением, неисправностью отдельных элементов средств автоматизации, а также недостаточно высоким уровнем квалификации и низкой технологической дисциплиной обслуживающего персонала, что может повлечь за собой серьезные аварии, сопровождающиеся человеческими жертвами.
Расследование аварийных ситуаций, особенно связанных с приборами безопасности нередко затруднено из за отсутствия объективной информации о причинах, приведших к их возникновению.
Одним из важнейших элементов, состояние которых во многом определяет уровень безопасности газовых котельных — продувочный вентиль газового коллектора.
Негерметичность затвора продувочного вентиля — одна из причин утечки (потерь) газа через продувочный газопровод в атмосферу, а при наличии неисправности других элементов газозапорной арматуры создает опасные предпосылки для несанкционированного попадания газа в производственные помещения и топки котлоагрегатов.
Существующие проектные решения, касающиеся системы автоматизации, не предусматривают возможность непрерывного контроля герметичности продувочного вентиля.
Мы были очевидцами случайного обнаружения негерметичности затвора продувочного вентиля газового коллектора, когда на этапе выполнения пусконаладочных работ во время проверки системы автоматического розжига резервного котлоагрегата при выключенном электромагнитном клапане запальника после подачи искры возникло устойчивое горение факела запальника. У обслуживающего персонала котельной не было информации, позволяющей своевременно обнаружить эту неисправность и принять необходимые меры для её устранения.
В целях предупреждения подобных ситуаций предлагается на продувочном газопроводе установить гидрозатвор стеклянный, заполненый
глицерином. Схема контроля состоит из трубопровода газового коллектора, газового крана 1, продувочного вентиля 2, гидрозатвора 3, заливной горловины 5.
Газовый кран 1 необходим в случае пропуска продувочного вентиля во время работы котлоагрегата, а также при ревизии или замене клапана. Пропуск газа определяется по пузырькам в гидрозатворе во время продувки и работы котлоагрегата.
При негерметичности первого магнитного клапана утечку газа можно видеть в виде пузырьков, которые поднимаются в жидкости, когда горелка находится в состоянии покоя.
При негерметичности продувочного клапана во время работы горелки.
Прибор сконструирован таким образом, что при перепадах давления газа глицерин не в трубопровод не проникает.
Еще одно преимущество этого прибора состоит в том, что отрезок трубопровода между клапанами при длительном простое не заполняется воздухом.
Предлагаемое техническое решение содержит известные элементы и может быть реализовано на базе типовых промышленных устройств. Затраты на реализацию предложенного технического решения незначительны и несоизмеримы с теми потерями, которые могут возникнуть в результате аварийной ситуации, вызванной негерметичностью продувочного вентиля газового коллектора.
Начальник лаборатории неразрушающего контроля ООО «Контакт» Ктитров Константин Борисович
Начальник отдела по ЭПБ ЗиС ООО «Контакт» Мельников Лев Михайлович
Инженер 1 категории ООО «Контакт» Катренко Вадим Федорович
Инженер-эксперт ООО «Контакт» Келеберда Александр Иванович
Эксперт ООО «Контакт» Кузнецов Виктор Борисович
Введение
Глава 1 Анализ состояния проблемы автоматизации контроля герметичности и постановка задачи исследования 9
1.1 Основные термины и определения, используемые в настоящем исследовании 9
1.2 Особенности контроля герметичности газовой арматуры 11
1.3 Классификация газовых методов испытания и анализ возможности их применения для контроля герметичности газовой арматуры 15
1.4 Обзор и анализ средств автоматического контроля герметичности по манометрическому методу 24
1.4.1 Первичные преобразователи и датчики для автоматических систем контроля герметичности 24
1.4.2 Автоматизированные системы и устройства контроля герметичности 30
Цель и задачи исследования 39
Глава 2 Теоретическое исследование манометрического метода испытания на герметичность 40
2.1 Определение режимов течения газа в объектах испытания... 40
2.2 Исследование компрессионного способа испытания на герметичность 42
2.2.1 Исследование временных зависимостей при контроле герметичности компрессионным способом 43
2.2.2 Исследование чувствительности контроля герметичности компрессионным способом с отсечкой 45
2.3 Исследование способа сравнения с непрерывной подачей испытательного давления 51
2.3.1 Схема контроля герметичности по способу сравнения с непрерывной подачей испытательного давления 52
2.3.2 Исследование временных зависимостей при контроле герметичности по способу сравнения 54
2.3.3 Исследование чувствительности контроля герметичности по способу сравнения с непрерывной подачей испытательного давления 65
2.3.4 Сравнительная оценка чувствительности контроля герметичности компрессионным способом с отсечкой и способом сравнения 68
Вы воды к главе 2 72
Глава 3 Экспериментальное исследование параметров схем контроля герметичности, выполненных на основе способа сравнения 75
3.1 Экспериментальная установка и методика исследования 75
3.1.1 Описание экспериментальной установки 75
3.1.2 Методика исследования схем контроля герметичности 78
3.2 Экспериментальное исследование схемы контроля герметичности на основе способа сравнения 81
3.2.1 Определение характеристики p = f(t) линий схемы контроля герметичности 81
3.2.2 Исследования временных характеристик линий схемы контроля герметичности по способу сравнения 86
3.2.3 Исследование статической характеристики измерительной линии схемы контроля герметичности 91
3.3. Экспериментальное исследование устройства для контроля герметичности, выполненного на основе способа сравнения 97
3.3.1 Исследование модели устройства для контроля герметичности с дифференциальным манометрическим датчиком 97
3.3.2 Оценка точностных характеристик устройств для контроля герметичности, выполненных по схеме сравнения 100
3.4 Вероятностная оценка достоверности сортировки изделий при контроле герметичности по способу сравнения 105
3.4.1 Экспериментальное исследование распределения величины давления, эквивалентного утечке пробного газа в партии изделий 105
3.4.2 Статистическая обработка результатов эксперимента по оценке достоверности сортировки 108
4.3 Разработка датчиков герметичности с улучшенными рабочими характеристиками 126
4.3.1 Конструкция датчика герметичности 127
4.3.2 Математическая модель и алгоритм расчета датчика герметичности 130
4.4 Разработка автоматизированного стенда для контроля герметичности.133
4.4.1 Конструкция автоматизированного многопозиционного стенда 133
4.4.2 Выбор параметров схем контроля герметичности 142
4.4.2.1 Методика расчета параметров схемы контроля герметичности по компрессионному способу с отсечкой 142
4.4.2.2 Методика расчета параметров схемы контроля герметичности по способу сравнения 144
4.4.3 Определение производительности автоматизированного стенда для контроля герметичности 146
4.4.4 Определение параметров герметизирующих уплотнений для автоматизированного стенда 149
4.4.4.1 Методика расчета уплотняющего устройства с цилиндрической манжетой 149
4.4.4.2 Методика расчета торцевого кольцевого уплотнения 154
Общие выводы и результаты 157
Список литературы 159
Приложение 168
Введение к работе
Важной проблемой в ряде отраслей промышленности является повышение требований к качеству и надежности выпускаемой продукции. Это вызывает острую необходимость в совершенствовании существующих, создании и внедрении новых методов и средств контроля, в том числе контроля герметичности, который относится к дефектоскопии - одному из видов контроля качества систем и изделий .
В промышленном производстве запорной и распределительной арматуры, в которой рабочей средой является сжатый воздух или другой газ, существующими стандартами и техническими условиями на ее приемку регламентируется, как правило, стопроцентный контроль параметра "герметичность" . Основным узлом (рабочим элементом) такой арматуры является подвижная пара "плунжер-корпус" или поворотный клапанный элемент, которые работают в широком диапазоне давлений. Для герметизации газовой арматуры применяются различные уплотнительные элементы и смазки (герметики). В процессе функционирования ряда конструкций газовой арматуры допускается определенная утечка рабочей среды . Превышение допустимой утечки из-за некачественной газовой арматуры может привести к неправильному (ложному) срабатыванию производственного оборудования, на котором она установлена, что может вызвать серьезную аварию. В бытовых газовых плитах повышенная утечка природного газа может стать причиной пожара или отравления им людей. Поэтому превышение допустимой утечки индикаторной среды при соответствующем приемо-сдаточном контроле газовой арматуры считается негерметичностью, т. е. браком изделия, а исключение брака повышает надежность, безопасность и экологическую чистоту всего агрегата, прибора или устройства, в котором газовая арматура применяется.
Контроль герметичности газовой арматуры является трудоемким, длительным и сложным процессом. Например, в производстве пневматической миниап-паратуры он занимает 25-30 % от общей трудоемкости и до 100-120 % от времени
сборки . Решить эту проблему в крупносерийном и массовом производстве газовой арматуры можно применением автоматизированных методов и средств контроля, которые должны обеспечить требуемую точность и производительность . В реальных производственных условиях решение этой проблемы часто осложняется применением методов контроля, которые обеспечивают необходимую точность, но трудно поддаются автоматизации из-за сложности метода или специфики испытательной аппаратуры.
Для испытаний на герметичность изделий только лишь посредством газообразной испытательной среды разработано около десяти методов, для реализации которых создано свыше ста различных способов и средств контроля . Развитию современной теории и практики контроля герметичности посвящены исследования Зажигина А. С, Запунного А. И., Ланис В. А., Левиной Л. Е., Лемберского В. Б., Рогаль В. Ф., Сажина С. Г., Тру-щенко А. А., Фадеева М. А., Фельдмана Л. С.
Однако при разработке и внедрении средств контроля герметичности имеется ряд проблем и ограничений. Так большинство высокоточных методов можно и целесообразно применять только к крупногабаритным изделиям, в которых обеспечивается полная герметичность. Кроме того, накладываются ограничения экономического, конструктивного характера, экологические факторы, требования безопасности для обслуживающего персонала. В серийном и крупносерийном производстве, например, средств пневмоавтоматики, газовой арматуры для бытовой техники, в которой при приемо-сдаточных испытаниях допускается определенная утечка индикаторной среды и, следовательно, требования к точности контроля снижаются, на первое место при выборе метода контроля герметичности выдвигается возможность его автоматизации и обеспечения на этой основе высокой производительности соответствующего контрольно-сортировочного оборудования, что необходимо при стопроцентном контроле качества продукции.
Анализ особенностей оборудования и основных характеристик наиболее применяемых в промышленности газовых методов испытаний на герметичность позволил сделать вывод о перспективности для автоматизации контроля герме-
тичности газовой арматуры использования способа сравнения и компрессионного способа, реализующих манометрический метод. В научно-технической литературе этим способам испытаний уделено мало внимания из-за их сравнительно низкой чувствительности, однако отмечается, что они наиболее легко автоматизируются . При этом отсутствуют какие-либо рекомендации по выбору и расчету параметров устройств контроля герметичности, выполненным по схеме сравнения с непрерывной подачей испытательного давления. Поэтому актуальными и важными являются исследования в области газодинамики глухих и проточных емкостей, как элементов схем контроля, а также техники измерения давления газа в качестве основы для создания новых типов преобразователей, датчиков, устройств и систем автоматического контроля герметичности изделий, перспективных для использования в производстве газовой арматуры.
При разработке и внедрении автоматизированных устройств контроля герметичности возникает важный вопрос достоверности контрольно-сортировочной операции. В связи с этим в диссертации проведено соответствующее исследование, на основании которого разработаны рекомендации, позволяющие при автоматической сортировке по параметру "герметичность" исключить попадание бракованных изделий в годные. Еще одним важным вопросом является обеспечение заданной производительности автоматизированного оборудования. В диссертации даны рекомендации по расчету рабочих параметров автоматизированного стенда для контроля герметичности в зависимости от требуемой производительности.
Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения.
В первой главе рассмотрены особенности контроля герметичности газовой арматуры, допускающей при функционировании определенную утечку. Приведен обзор методов газовых испытаний на герметичность, классификация и анализ возможности их применения для автоматизации контроля газовой арматуры, позволившие выбрать наиболее перспективный - манометрический метод. Рассмотрены устройства и системы, обеспечивающие автоматизацию контроля герметичности. Сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе теоретически исследуются два способа контроля герметичности, реализующие манометрический метод: компрессионный с отсечкой давления и способ сравнения с непрерывной подачей испытательного давления. Определены математические модели исследуемых способов, на основании которых проведены исследования их временных характеристик и чувствительности при различных режимах течения газа, разных емкостях линий и соотношениях давлений, позволившие выявить преимущества способа сравнения. Даны рекомендации по выбору параметров схем контроля герметичности.
В третьей главе экспериментально исследованы статические и временные характеристики линий схемы контроля герметичности по способу сравнения при различных значениях утечки, емкости линий и испытательного давления, показана их сходимость с аналогичными теоретическими зависимостями. Экспериментально проверена работоспособность и оценены точностные характеристики устройства для контроля герметичности, выполненного по схеме сравнения. Приведены результаты оценки достоверности сортировки изделий по параметру "герметичность" и рекомендации по настройке соответствующих автоматизированных контрольно-сортировочных устройств.
В четвертой главе дано описание типовых схем автоматизации манометрического метода испытаний и рекомендации по проектированию автоматизированного оборудования для контроля герметичности. Приведены оригинальные конструкции датчика герметичности и автоматизированного многопозиционного стенда для контроля герметичности. Предложены методики расчета устройств контроля герметичности и их элементов, представленные в виде алгоритмов, а также рекомендации по расчету рабочих параметров контрольно-сортировочного стенда в зависимости от требуемой производительности.
В Приложении представлены характеристики газовых методов испытания на герметичность и временные зависимости для возможных последовательностей изменения режимов течения газа в проточной емкости.
Приведенные в диссертации разработки и исследования связаны с газовой арматурой, при изготовлении которой существующими стандартами и техническими условиями регламентируется стопроцентный контроль параметра "герметичность" и допускается определенная утечка рабочей среды . Под газовой арматурой, рассматриваемой в настоящей работе, понимаются устройства, предназначенные для применения в различных системах, в которых рабочей средой является газ или смесь газов под давлением (например, природный газ, воздух и т. п.), для осуществления функций отсечки, распределения и др. К газовой арматуре относятся: клапаны, распределители, вентили и другие средства промышленной пневмоавтоматики высокого (до 1,0 МПа) и среднего давления (до 0,2...0,25 МПа), запорные краны бытовых газовых плит, работающие на низком давлении (до 3000 Па). Испытанию на герметичность подвергаются как готовые изделия, так и их составные элементы, отдельные узлы и т. п. В зависимости от назначения изделий, условий, в которых они эксплуатируются и конструктивных особенностей к ним предъявляются различные требования в отношении их герметичности.
Под герметичностью газовой арматуры понимается ее способность не пропускать через стенки, соединения и уплотнения рабочую среду, подводимую под избыточным давлением. При этом допускается определенная величина утечки, превышение которой соответствует негерметичности изделия. Наличие утечки объясняется тем, что основным узлом - рабочим элементом таких устройств является подвижная, трудно уплотняемая пара: золотник-корпус, сопло-заслонка, шаровой, конусный или седельчатый клапаны и т. п. Кроме того, конструкция устройства, как правило, содержит неподвижные уплотняющие элементы: кольца, манжеты, сальники, смазки, дефекты которых также могут быть причиной утечки. Негерметичность газовой арматуры, т. е. наличие утечки рабочей среды превышающей допустимую, может привести к серьезным авариям, поломкам и другим отрицательным результатам в работе оборудования, в котором она применяется. Запорный кран (рис. 1.1) является важным узлом бытовых газовых плит. Он предназначен для регулирования подачи природного газа к горелкам плиты и его отсечки по окончании работы. Конструктивно кран представляет собой устройство с поворотным клапанным элементом 1, смонтированным в разъемном корпусе 2, в котором имеются каналы для прохода газа. Места сопряжения деталей крана нуждаются в уплотнении для обеспечения максимально возможной его герметичности. Уплотнение осуществляется специальной графитовой смазкой - гермети-ком, изготавливаемой в соответствии с ТУ 301-04-003-9. Некачественное уплотнение приводит при эксплуатации плиты к утечке природного газа, что в условиях ограниченного пространства бытовых помещений взрыво- и пожароопасно, кроме того, нарушается экология (среда обитания человека).
В соответствии с установлены следующие требования при проведении испытаний на герметичность запорного крана. Испытания проводятся сжатым воздухом под давлением (15000±20) Па, так как более высокое давление может нарушить уплотняющую смазку. Утечка воздуха не должна превышать 70 см3/ч. Допустимый объем коммутационных каналов и емкостей контролирующего устройства не более (1 ±0,1) дм3. Время контроля 120 с.
Утечку сжатого воздуха в лабораторных условиях в соответствии с рекомендуется контролировать с помощью волюмометрического устройства (рис. 1.2). Устройство состоит из измерительной бюретки 1, к которой по каналу 2 подходит воздух под давлением, резервного сосуда 3, сосуда 4 для поддержания необходимого уровня и места подключения испытуемого крана 5. Допускается осуществлять контроль с помощью других устройств, пофешность которых не превышает пофешности волюмометрического устройства ±10 см3/ч. Контроль утечки осуществляется посредством измерения вытесненного объема воды.
К газовой арматуре среднего и высокого давления, которую необходимо испытывать на герметичность, относятся пневмораспределители, переключатели, регулируемые дроссели и другие устройства пневмоаппаратуры, типовые конструкции которых приведены на рис. 1.3 и 1.4. На рис. 1.3 показан пневмораспреде-литель с цилиндрическим золотником типа П-РОЗП1-С, Пневмораспределитель крановый с плоским золотником типа В71-33
каналом 1 для управляющего сигнала, цилиндрического золотника 2, корпуса 3, крышки с каналом 4, соединяющим с атмосферой, рабочего канала 5 и уплотни-тельного кольца 6. На рис. 1.4 показан пневмораспределитель крановый с плоским золотником типа В71-33, состоящий из корпуса 1, крышки 2, плоского поворотного золотника 3, рукоятки 4, валика 5, рабочих каналов 6, 7, 8, 9, канала 10, соединяющего с атмосферой и канала для подвода сжатого воздуха 11. Наличие регламентированной утечки в пневмоаппаратуре объясняется тем, что в ее конструкциях содержатся плоские золотники, цилиндрические золотники с уплотняющим зазором, клапанные и крановые устройства, которые предполагают перетечки сжатого воздуха из одной полости в другую или утечки в атмосферу через зазоры и неплотности. Величина допустимой утечки конкретного пневмоаппарата устанавливается разработчиком на основании ГОСТ и указывается в его технической характеристике. Значения допустимой утечки для различных типов пневмоаппара-тов при установленном для данного устройства номинальном давлении сжатого воздуха приведены в таблице 1.1 . Пневмоаппаратура применяется в системах управления различным промышленным оборудованием, поэтому повышенные утечки рабочей среды и, как следствие, падение давления могут привести к несрабатыванию устройства или вызвать ложное срабатывание, т. е. привести к аварийной ситуации, поломке оборудования.
При испытании на герметичность пневмоаппаратуры возникают сложности, обусловленные многообразием конструкций, широким диапазоном допустимой утечки индикаторной среды (0,0001...0,004) м3/мин; различной величиной испытательного давления (0,16...1,0) МПа и времени контроля (от десятков секунд и более). Кроме того, загрязнение индикаторной среды (сжатого воздуха) не должно превышать 1 класс по ГОСТ 17433-91, температура окружающей среды 20±5С. Погрешность средств измерения и контроля, по которым определяется величина утечки, не должна превышать ±5 % . Для контроля герметичности пневмоаппаратуры применяются датчики (сигнализаторы) давления и специально разработанное оборудование. Анализ этих устройств приведен в разделе 1.4.
Чувствительность контроля герметичности - это наименьшая утечка пробного газа, которая может быть измерена в процессе испытания изделия . Исследуем зависимость чувствительности контроля герметичности компрес Таблица 2.2 Временные зависимости при различных последовательностях режимов истечения газа из глухой камере Варианты соотношения давлений Последовательность изменения режимов истечения в переходном процессе Временные зависимости сионным способом с отсечкой от испытательного давления р0 при заданных У и рд при различных режимах истечения газа через дроссель, т. е. при соответствующих утечках газа через неплотности объекта испытания. Выразим утечку газа У через массовый расход G Предположим, что независимо от режима истечения газа при величине про 47 водимости f утечка равна Уд, а при проводимости / утечка равна У. Для турбулентного надкритического режима после подстановки в (2.15) формулы (2.5) получим:При одинаковой продолжительности испытания /, -(в результате преобразования (2.19) и (2.20) получим соотношение (2.21) Подставляя (2.21) в (2.18), получим соотношение Так как в (2.23) ЛУ будет иметь одинаковую абсолютную величину не зависимо от соотношений Уд У или Уд У, то для упрощения расчетов примем, что Уд У. Тогда (2.23) можно представить в виде выражения- отклик давления рА на изменение утечки АУ. Если в зависимости (2.25) величину Арт принять равной порогу чувствительности рп манометрического измерительного устройства, то получим формулу для определения самого малого изменения утечки Уч, которое может быть зафиксировано при контроле герметичности исследуемым способом. В соответствии с определением эта величина У, является чувствительностью контроля герметичности компрессионным способом с отсечкой при турбулентном надкритическом режиме
Преобразование (2.25) относительно р0 позволяет получить выражение для определения испытательного давления в зависимости от чувствительности Уч контроля герметичности при турбулентном надкритическом режиме Подставив в зависимость (2.35) вместо Д/?от порог чувствительности рп манометрического измерительного устройства, получим формулу для определения чувствительности Уч контроля герметичности компрессионным способом с отсечкой при турбулентном докритическом режиме Преобразование (2.36) относительно р0 позволяет получить выражение для определения испытательного давления в зависимости от чувствительности Уч контроля герметичности при турбулентном докритическом режиме ґ Ґ у л у, При одинаковой продолжительности испытания /, = / в результате преобразования (2.41) и (2.42) получим соотношение
Исследование способа сравнения с непрерывной подачей испытательного давления Общие положения и схема испытания на герметичность по способу сравнения с отсечкой источника пробного газа рассмотрены в разделе 1.3.2. Однако, как показал анализ, перспективным для дальнейшего исследования является способ сравнения с непрерывной подачей испытательного давления. Это объясняется тем, что запорная, распределительная и переключающая газовая арматура в реальных условиях функционирует под постоянным рабочим давлением и по техническим характеристикам допускает определенную величину утечки . Поэтому для испытания на герметичность данного класса устройств целесообразно применять именно схему контроля с непрерывной подачей испытательного давления, как наиболее соответствующую реальным условиям их функционирования. Кроме того, устраняется необходимость отсечки источника давления при каждом испытании, что существенно упрощает конструкцию контрольного устройства и облегчает автоматизацию процесса испытания. 2.3.1 Схема контроля герметичности по способу сравнения с непрерывной подачей испытательного давления представлена схема, поясняющая контроль герметичности по способу сравнения с непрерывной подачей испытательного давления. Схема состоит из измерительной линии ИЛ и линии ЭЛ эталонного давления, входы которых Схема контроля герметичности по способу сравнения с непрерывной подачей испытательного давления подключены к общему источнику испытательного давления pQ, а выходы соединены с атмосферой. Линия эталонного давления содержит входное пневматическое сопротивление (дроссель) проводимостью /J, емкость с регулируемым объемом Гэ и выходное пневматическое сопротивление с регулируемой проводимостью /2, которые предназначены для настройки схемы. Измерительная линия содержит входное пневматическое сопротивление проводимостью /т, и объект испытания ОИ, который можно представить в виде емкости объемом Ки, имеющей течь эквивалентную пневматическому сопротивлению проводимостью f4. Измерительная и эталонная линии образуют пневматический измерительный мост. Сравнение давлений в линиях схемы осуществляется посредством дифференциального манометрического измерительного устройства ИУ, включенного в диагональ пневматического моста. В данной схеме измерительное устройство имеет проводимость /= 0, поэтому давления /г, и рн в линиях не зависят друг от друга. Каждая линия схемы представляет собой проточную емкость. При контроле герметичности по схеме, приведенной на рис. 2.2, под утечкой понимается объемный расход газа через все сквозные неплотности объекта испытания при установившемся режиме течения пробного газа в линиях схемы. Такой режим соответствует одинаковому массовому расходу газа через входное и выходное сопротивление в линии.
Экспериментальное исследование проводилось с использованием серийных промышленных образцов запорных кранов бытовых газовых плит (при низком испытательном давлении), запорной и распределительной аппаратуры пневмоавтоматики (при среднем и высоком испытательном давлении), а также моделей течей. При этом использовалась следующая методика: 1. Длина пневмолинии от выхода блока подготовки воздуха до стабилизатора w Рис. 3.3 Специальная аппаратура для экспериментального исследования: а - переменная емкость; б - дроссель диаметром 0,1 мм; в - контрольные течи: 1 - цилиндр; 2 - крышка; 3 - поршень; 4 - фиксатор объема; 5 -входной штуцер; 6 - выходной штуцер; 7 - цанговый зажим; 8 - трубка сменная (внутренний диаметр 0,1 мм) давления на входе экспериментальной установки составляла не более 1,5 м. 2. При испытаниях обеспечивалась стабилизация пробного газа (сжатого воздуха) от колебания сетевого давления. 3. Загрязненность пробного газа не превышала требований 1 класса по ГОСТ 17433-80. 4. Установка величины испытательного давления, подаваемого на модели схем и устройства контроля герметичности, производилась регулировочным винтом стабилизатора давления экспериментальной установки. 5. Измерение величины испытательного давления на входе моделей схем и устройства контроля герметичности осуществлялась образцовыми манометрами класса 0.4 с пределами измерения 0... 1; 0... 1,6; 0...4 кгс/см. 6. Измерение давления в эталонной и измерительной линиях моделей схем и устройства контроля герметичности осуществлялось образцовыми манометрами класса 0.4 с пределами измерения 0...1; 0...1,6; 0...4 кгс/см и жидкостным микроманометром с относительной погрешностью измерения 2 %. 7. В исследованиях при среднем (до 1,5 кгс/см «0,15 МПа) и высоком испытательном давлении (до 4,0 кгс/см « 0,4 МПа) задание требуемой утечки осуществлялось посредством регулируемых дросселей, предварительно оттарированных по ротаметру с относительной погрешностью измерения 2,5 %. 8. В исследованиях при низком испытательном давлении (до 0,3 кгс/см" « ЗОкПа) задание требуемой утечки осуществлялось посредством контрольных течей, изготовленных в виде металлических щелевых капилляров из латуни марки Л63 (рис. 3.3, в). Капилляры были получены сверлением отверстия диаметром 1мм и последующим сплющиванием концевого участка длиной «20 мм. Тарировка контрольных течей осуществлялась воздухом при давлении 15 кПа посредством вольюметрического устройства с относительной погрешностью 2 %. 9. Задание пневматической емкости эталонной и измерительной линий схем контроля герметичности осуществлялось посредством набора постоянных емкостей, а установка равных емкостей в линиях - посредством переменных (регули 81 руемых) емкостей. 10. Измерение перепада давления между линиями в модели контрольного устройства осуществлялось дифференциальным манометрическим датчиком с относительной погрешностью измерения 2 % и пределами измерения 0...25 кПа и 0...40 кПа. 11. При снятии временных характеристик отсчет времени осуществлялся по электронному секундомеру с относительной погрешностью измерения 0,5 %. 12. Измерения соответствующих параметров (ри, Ар, I) для каждой исследуемой характеристики или параметра модели схемы или устройства контроля герметичности проводились с повторением отсчетов не менее 5 раз. 13. Обработка результатов каждого эксперимента осуществлялась нахождением средних значений параметров для каждого опыта. По полученным данным строились соответствующие характеристики. Описание пунктов методики исследования отдельных характеристик приведены в соответствующих разделах данной главы. Исследование характеристики р = /(/) линий схемы контроля герметичности Для проверки принятой математической модели (2.48) и работоспособности схемы контроля герметичности, выполненной на основе способа сравнения с непрерывной подачей испытательного давления был проведен эксперимент по определению характеристики р = f(J) - изменения давления в ее линиях за времяконтроля при высоком и низком испытательном давлении, которые используются при контроле герметичности в различной газовой арматуре. В разделе 2.3.1 было показано, что данная схема контроля содержит две линии, каждую из которых можно представить в виде проточной емкости. В исследовании использовалась экспериментальная установка, приведенная на рис. 3.2, а также рекомендации главы 2, что все параметры измерительной и эталонной линий схемы должны быть равны, поэтому эксперимент проводился только с измерительной линией. Для этого вентили 15, подсоединяющие эталонную линию к источнику испытательного давления и измерительную линию - к дифференциальному манометрическому устройству 14, были перекрыты.
Для определения характеристики р = /(/) проточной емкости линии при вы ч соком испытательном давлении использовался образцовый манометр 8 с верхним пределом измерения 4,0 кгс/см (400 кПа) класс 0.4 и электронный секундомер. В эксперименте были заданы следующие параметры: испытательное давление/?о=400 кПа; величина утечки воздуха У = 1,16-10-5 м3/с; суммарный объемпроточной емкости и пневматических каналов V «0,5дм3. Величина утечки воздуха У устанавливалась оттарированным по ротаметру переменным дросселем 10 типа П2Д.1М, при этом контрольная течь 9 была перекрыта вентилем 15. В интервале интенсивного нарастания давления показания манометра 8 снимались через 10 с. Для построения экспериментальной характеристики р = /(/) в качестве значений изменения давления были приняты среднеарифметические значения из пяти опытов.
Рассмотрим основные этапы технического проектирования автоматизированного оборудования для контроля герметичности. На первом этапе осуществляется технологический анализ номенклатуры и объема партии изделий. При этом следует учитывать, что количество изделий в партии должно быть достаточно большим (по возможности, соответствовать среднесерийному и крупносерийному производству), 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, что позволяет 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. 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 ТУ 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, что позволяет использовать в разрабатываемом оборудовании в первом случае общий контрольный блок, а во втором - одинаковое уплотняющее устройство (торцевое или внутреннее манжетное). Этот этап завершается определением производительности проектируемого оборудования, пример расчета которого рассмотрен в разделе
На втором этапе проектирования определяется необходимость переналадки проектируемого устройства, которая должна предусматривать: возможность системы управления функционировать с учетом различного времени испытания из делий 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. 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 . Примеры расчета и применения контрольного оборудования рассмотрены в разделах 4.3 и 4.4.
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, а также загрузку - разгрузку изделий без участия оператора . 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 разделе 4.2.
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 . Примеры выбора и расчета параметров некоторого вспомогательного оборудования приведены в разделе
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 . Выбор схемы подготовки воздуха является достаточно простым, так как хорошо технически проработан и освещен в литературе . 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 автоматизации1 . 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. Эти вопросы рассмотрены на примере автоматизированного стенда для контроля герметичности в разделе 4.4.
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.
Кавалеров, Борис Владимирович
ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ 65 УДК 620.165.29 Г. П. Барабанов, В. Г. Барабанов, И. И. Лупушор АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ГАЗОВОЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ Волгоградский государственный технический университет E-mail: [email protected] Рассмотрены способы автоматизации контроля герметичности газовой трубопроводной запорной и переключающей арматуры. Приведены конструктивные схемы устройств, которые позволяют реализовать на практике способы автоматизации контроля герметичности различной газовой арматуры. Ключевые слова: контроль герметичности, газовая арматура, испытательное давление. Automation methods of hermeticity control of gas pipelining laking and shifting fittings are considered. Structural schemes of devices, that allow to realize on practice hermeticity control of different gas fittings automation methods are given. Keywords: hermeticity control, gas fittings, test pressure. 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 . 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 . 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 66 ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ 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. Рис. 1. 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 за- ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ жимного 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 t⋅У pи − ≥ pэ V для объектов контроля с утечкой испытательного газа превышающей допустимую, т. е. которые считаются негерметичными t⋅У pи − < pэ, V где У – суммарная утечка индикаторного газа; t – время контроля; V – контролируемый на герметичность объем в объекте; pи – давление в измерительной цепи; pэ – величина давления в эталонной цепи. 67 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. Рис. 2. 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 на- рушение 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. 68 ИЗВЕСТИЯ ВолгГТУ Особенностью реализуемого в устройстве (рис. 2) способа контроля герметичности 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. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. ГОСТ 18460–91. Плиты газовые бытовые. Общие технические условия. – М., 1991. – 29 с. 2. Барабанов, В. Г. К вопросу об исследовании манометрического метода испытаний на герметичность / В. Г. Барабанов // Автоматизация технологических производств в машиностроении: межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. – Волгоград, 1999. – С. 67–73. 3. А. С. № 1567899 СССР, МКИ G01М3/26. Способ испытания двухполостного изделия на герметичность / Г. П. Барабанов, Л. А. Рабинович, А. Г. Суворов [и др.]. – 1990, Бюл. № 20. УДК 62–503.55 Н. И. Гданский, А. В. Карпов, Я. А. Саитова ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИИ ПРИ УПРАВЛЕНИИ СИСТЕМОЙ С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ ГОУВПО Московский государственный университет инженерной экологии E-mail: [email protected] При использовании прогнозирования в управлении одностепенными системами возникает необходимость построения траектории, проходящей через ранее измеренные узловые точки. Рассмотрена кусочнополиномиальная кривая, состоящая из сплайнов Фергюссона. В статье дан метод частичного расчета коэффициентов сплайнов, требующий выполнения существенно меньшего числа вычислительных операций по сравнению с традиционным методом. Ключевые слова: модели нагрузки, прогнозирование, сплайны. It is necessary to construct the trajectory, which passing through the previously measured nodal points, when using the prediction in control systems . For this purpose, polynomial piecewise curve consisting of Ferguson spline is used. This paper presents a method for calculating the coefficients of these splines, which require significantly fewer computational operations than the traditional method. Keywords: model the external load acting, prediction, splines. В цифровых системах управления движением в одностепенных системах предложено моделировать внешнюю нагрузку M (t, φ (t)) по координате φ в виде набора постоянных коэффициентов M k . Мгновенная величина M (t, φ (t)) при этом является скалярным произведением M (t , ϕ (t)) = M k , ϕk (t) , в котором век- () тор ϕk (t) зависит только от t и производных ϕ по t. При таком способе представления внешней нагрузки для расчета управляющего воздействия в данной системе используется работа A, которую должен совершать привод на заданном периоде управления : Ai = ti +1 ∫ (М k , ϕk (t))ϕ′(t)dt . ti Как следует из общего вида формул для М и Аi, они явно не содержат функцию ϕ (t), а только ее производные. Это общее свойство метода решения можно использовать для упрощения вспомогательной задачи интерполирования траектории перемещения вала по ее узловым точкам. Допустим, задан упорядоченный массив узлов траектории Рi = (ti, ϕi) (i = 0, ..., n). Для построения кусочно-полиномиальной кривой ϕ (t) второй степени гладкости, проходящей через
Одним из способов решения проблемы автоматизации контроля герметичности полых изделий, например, запорных кранов, является разработка многопозиционного переналаживаемого стенда, для автоматического контроля герметичности изделий сжатым воздухом, по манометрическому методу. Существует множество конструкций таких устройств. Известен автомат контроля герметичности изделий, содержащий стол с приводом, упругий уплотнительный элемент, бракующее устройство, источник сжатого газа, копир и устройство для зажима изделия.
Однако автоматизация процесса достигается за счет значительной сложности конструкции автомата, что снижает надежность его работы.
Известен автомат для контроля герметичности полых изделий, содержащий уплотнительные узлы с датчиками утечки, систему подачи испытательного газа механизмы перемещения изделий и механизма отбраковки.
Недостатком указанного автомата является сложность технологического процесса контроля герметичности изделий и невысокая производительность.
Наиболее близким к изобретению является стенд для испытания изделий на герметичность, содержащий ротор, привод его шагового перемещений, размещенные на роторе контрольные блоки, каждый из которых содержит элемент сравнения, соединенный с бракующим элементом, элемент герметизации изделия, содержащий выходную трубку и привод его перемещения, который выполнен в виде копира с возможностью взаимодействия с выходной трубкой.
Однако это устройство не позволяет увеличить производительность, так как при этом снижается надежность испытания изделий.
На рисунке 1.6 приведено автоматизированное устройство для испытания на герметичность на основе камерного способа. Оно состоит из камеры 1, в полости которой размещено контролируемое изделие 2, соединенное с блоком 3 подготовки воздуха через отсечной вентиль 4, мембранного разделителя 5 с мембраной 6 и полостями А и Б, струйного элемента ИЛИ-НЕ ИЛИ 7. Полость А мембранного разделителя 5 соединена с полостью камеры 1, а полость Б через сопло 8 - с выходом 9 ИЛИ струйного элемента 7. К другому его выходу 10 НЕ ИЛИ подсоединен пневмоусилитель 11 с пневмолампой 12. Полость Б дополнительно соединена каналом 13 с управляющим входом 14 струйного элемента 7, атмосферные каналы 15 которого снабжены заглушками 16.
Устройство работает следующим образом. В контролируемое изделие 2 подается давление от блока 3 подготовки воздуха, которое при достижении испытательного уровня отсекается вентилем 4. Одновременно при подаче питания в струйный элемент 7 струя воздуха через выход 9 ИЛИ и сопло 8 проходит в полость Б мембранного разделителя 5 и через канал 13 - на управляющий вход 14 струйного элемента 7. Таким образом, при отсутствии утечки из контролируемого изделия 2 струйный элемент 7 находится в устойчивом состоянии под действием его же выходной струи. При наличии утечки из изделия 2 во внутренней полости камеры 1 происходит повышение давления. Под действием этого давления мембрана 6 прогибается и перекрывает сопло 8. Давление струи воздуха в выходе 9 струйного элемента 7 увеличивается. Одновременно пропадает струя на управляющем входе 14, а так как струйный элемент ИЛИ - НЕ ИЛИ является моностабильным элементом, то он переключается в свое устойчивое состояние, когда струя выходит через выход 10 НЕ ИЛИ. При этом срабатывает усилитель 11 и пневмолампа 12 сигнализирует о негерметичности изделия 2. Этот же сигнал может быть подан в струйную систему управления разбраковкой .
Данное устройство построено на элементах струйной пневмоавтоматики, что обеспечивает повышение его чувствительности. Еще одним достоинством устройства является простота конструкции и удобство настройки. Устройство может применяться для контроля герметичности газовой арматуры компрессионным способам при низком испытательном давлении, если мембранный разделитель использовать как датчик, соединенный непосредственно с контролируемым изделием. При этом наличие ненормативной утечки можно контролировать по размыканию мембраны и сопла.
Рисунок 1.6 ? Устройство для испытания на герметичность
На рисунке 1.8 приведено устройство, обеспечивающее автоматизацию контроля герметичности пневмоаппаратуры , например, электропневмоклапанов, то есть изделий аналогичных рассматриваемой в диссертации газовой арматуре.
Испытуемое изделие 1 соединено с источником 2 давления, электромагнитный байпасный клапан 3 установлен между выходом 4 изделия 1 и выхлопной линией 5. Электромагнитный отсечной клапан 6 своим входом 7 соединяется в процессе испытания с выходом 4 изделия 1, а выходом 8 - с пневматическим входом 9 преобразователя 10 системы 11 измерения утечки, который выполнен в виде теплового расходомера. Система 11 содержит также вторичный блок 12, подключенный к управляющему входу 13 преобразователя 10, пневматический выход 14 которого соединен с выхлопной линией 5. Блок 15 управления клапанами содержит мультивибратор 16 и блок 17 задержки и формирования импульсов. Одним выходом мультивибратор 16 подсоединен к управляющему входу 18 отсечного клапана 6, другим - к управляющему входу 19 клапана 3 и блоку 17. подсоединяемому в процессе контроля к приводу 20 испытуемого изделия 1. Тарировочная линия 21 состоит из регулируемого дросселя 22 и запорного вентиля 23. Она включена параллельно изделию 1 и служит для настройки устройства.
Контроль утечки осуществляется следующим образом. При включении блока 15 управления клапанами на выходе мультивибратора 16 появляется импульс, который открывает клапан 3 и блок 17 задержки и формирования импульсов. Этот же импульс открывает через установленное время задержки испытуемое изделие 1 путем подачи электрического сигнала с блока 17 на привод 20. При этом пробный газ стравливается через клапан 3 в выхлопную линию 5. Через задаваемое мультивибратором 16 время импульс снимается с клапана 3, закрывая его, и подается на вход 18 отсечного клапана 6, открывая его. При этом газ, наличие которого обусловленно утечкой из изделия 1, попадает в систему 11 измерения утечки и, проходя через нее, вырабатывает в преобразователе 10 электрический сигнал, пропорциональный расходу газа. Этот сигнал поступает во вторичный блок 12 системы измерения утечки, в котором он корректируется, и регистрируется величина протекания газа через закрытое испытуемое изделие 1. Через задаваемое мультивибратором время, необходимое для выхода системы измерения утечки на стационарный режим, цикл испытания повторяется.
К недостаткам данного устройства относится следующее. Устройство предназначено для контроля герметичности газовой арматуры только одного типа, снабженного электромагнитным приводом. Одновременно контролируется только одно изделие, то есть процесс малопроизводительный.
На рисунке 1.8 приведена схема автоматизированного устройства для контроля утечек газа компрессионным способом с пневмо-акустическим измерительным преобразователем . Устройство состоит из промежуточных блоков и, обеспечивающих контроль больших утечек (более 1 /мин) и пневмо-акустического блока для контроля малых величин утечек (0,005…1) /мин. Пневмо-акустический блок преобразователя имеет две усилительные манометрические ступени, состоящие из микроманометров 1, 2 и акустико-пневматических элементов 3, 4, связанные между собой через распределительный элемент 5. Запись результатов измерения осуществляется вторичным прибором 6 типа ЭПП-09, соединенным с блоком через распределитель 7. Контролируемое изделие 8 подключается к источнику испытательного давления через отсечной клапан К4. Работа устройства осуществляется в непрерывно-дискретном автоматическом режиме, что обеспечивается логическим блоком 9 управления и клапанами -. Контролируемое изделие 8 при помощи блока 9 последовательно подключается к блокам и, соответствующим включением клапанов и, где определяется предварительная величина утечки пробного газа. В случае малого значения утечки (менее 1 /мин) изделие подключается посредством клапана к пневмо-акустическому блоку, где окончательно определяется величина утечки, которая фиксируется вторичным прибором 6. Устройство обеспечивает контроль газовых утечек с погрешностью не более ±1,5 %. Давление питания и элемента трубка - трубка в блоке 1800 Па.
Данное устройство может быть применено для автоматического контроля газовой арматуры с широким диапазоном допустимых утечек газа. Недостатками устройства являются сложность конструкции из-за большого количества измерительных блоков, а также одновременный контроль только одного изделия, что существенно снижает производительность процесса.
Рисунок 1.8 Автоматизированное устройство для контроля утечек газа компрессионным способом.
Перспективными для контроля герметичности газовой арматуры являются устройства, обеспечивающие одновременное испытание нескольких изделий. Примером таких устройств является автомат для контроля герметичности полых изделий, приведенный на рисунок 1.14 . Он содержит раму 1, закрепленную на стойках 2 и закрытую кожухом 3, а также поворотный стол 4 с приводом 5. Поворотный стол снабжен планшайбой 6, на которой равномерно расположены восемь гнезд 7 под изделия 8. Гнезда 7 выполнены съемными и имеют вырезы 9. Уплотнительные узлы 10 закреплены на раме 1 с шагом в два раза большим шага гнезд 7 на планшайбе 6. Каждый уплотнительный узел 10 содержит пневмоцилиндр 11 для перемещения изделия 8 из гнезда 7 в уплотнительный узел и обратно, на штоке 12 которого установлен кронштейн 13 с уплотнительной прокладкой 14. Кроме того, уплотнительный узел 10 содержит головку 15 с уплотнительным элементом 16, которая сообщена посредством пневмоканалов с блоком 17 подготовки воздуха и с датчиком 18 утечки, который представляет собой мембранный датчик давления с электроконтактами. Механизм 19 отбраковки установлен на раме 1 и состоит из поворотного рычага 20 и пневмоцилиндра 21, шток которого шарнирно связан с рычагом 20. Годные и отбракованные изделия собираются в соответствующие бункеры. Автомат имеет систему управления, текущая информация о его работе отображается на табло 22.
Автомат работает следующим образом. Контролируемое изделие 8 устанавливается на позиции загрузки в гнездо 7 на планшайбе 6 поворотного стола 4. Привод 5 осуществляет шаговый поворот стола на 1/8 полного оборота с определенными временными интервалами. Для контроля герметичности посредством срабатывания пневмоцилиндра 11 одного из уплотнительных узлов 10 изделие 8 поднимается в кронштейне 13 и прижимается к уплотнительному элементу 16 головки 15. После этого от пневмосистемы подается испытательное давление, которое затем отсекается. Падение давления в изделии 8 регистрируется датчиком 18 утечки через определенное время контроля, которое задается шагом стола 4. Остановка стола 4 служит сигналом, разрешающим осуществление соответствующей операции на позициях I - VIII во время выстоя стола. Таким образом, при повороте стола на один шаг на каждой из его позиций осуществляются одна из следующих операций: загрузка изделия; подъем изделия к уплотнительному узлу; контроль герметичности; опускание изделия в гнездо на планшайбе; разгрузка годных изделий; удаление бракованных изделий. Последние поступают на позицию VIII, при этом рычаг 20 под действием штока пневмоцилиндра 21 поворачивается в шарнире, и своим нижним концом проходит через вырез 9 гнезда 7, удаляя изделие 8, которое под собственным весом падает в бункер. Аналогично разгружаются годные изделия на позиции VII (разгрузочное устройство не показано).
Недостатками устройства являются: необходимость подъема изделия с планшайбы в уплотнительный узел для контроля герметичности; использование в качестве датчика утечки мембранного преобразователя давления с электрическими контактами, имеющего низкие точностные характеристики по сравнению с другими типами датчиков давления.
Проведенные исследования показали, что одним из перспективных путей совершенствования манометрического метода контроля герметичности является совместное применение мостовых измерительных схем и различных преобразователей дифференциального типа.
Пневматическая мостовая измерительная схема для устройств контроля герметичности строится на двух делителях давления (рис. 1.9).
Рис.1.9
Первый делитель давления состоит из постоянного дросселя fli и регулируемого дросселя Д2. Второй - состоит из постоянного дросселя Дз и объекта контроля, который условно также можно считать дросселем Д4. Одна диагональ моста связана с источником испытательного давления рк и атмосферой, вторая диагональ - измерительная, в неё подключается преобразователь ПД. Для подбора параметров элементов и настройки мостовой схемы, состоящей из ламинарных, турбулентных и смешанных дросселей используется зависимость:
где R1 R2,R3, R4 - гидравлические сопротивления элементов Д1, Д2, Д3, Д4 соответственно.
Учитывая данную зависимость, возможность применения как уравновешенной, так и неуравновешенной мостовой схемы, а также то, что гидравлическое сопротивление подводящих каналов мало по сравнению с сопротивлением дросселей и поэтому им можно пренебречь, то на основе приведенной пневматической мостовой схемы можно строить устройства для контроля герметичности различных объектов. При этом процесс контроля легко автоматизируется. Повысить чувствительность устройства можно за счет применения ненагруженных мостовых схем, т.е. устанавливать в измерительной диагонали преобразователи имеющие R =. Используя формулы для расхода газа при докритическом режиме получим зависимости для определения давления в междроссельных камерах ненагруженного моста.
Для первой (верхней) ветви моста:
для второй (нижней) ветви моста:
где S1, S2, S3, S4 - площади проходного сечения канала соответствующего дросселя; Рв, Рн - давление в междроссельной камере верхней и нижней ветви моста, рк - испытательное давление.
Разделив (2) на (3) получим
Из зависимости (4) следует ряд преимуществ применения мостовой схемы в устройствах для контроля герметичности по манометрическому методу: отношение давлений в междроссельных камерах не зависит от испытатель...
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:
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:
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:
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:
Для объектов контроля с утечкой превышающей допустимую:
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:
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.
