Регуляторы температуры, давления, расхода, уровня, относительной влажности воздуха; их принципы действия

 

Регулирующий орган осуществляет регулирующее воздействие на объект изменением расхода вещества или энергии, подводимой к нему. Для изменения расхода жидкостей, газов и паров применяют дроссельные регулирующие органы. Их дей­ствие основано на изменении проходного сечения трубопровода в месте установки такого органа. Проходное сечение дроссельного регулирующего органа изменяют, открывая или закрывая его. Расход вещества через такой орган зависит от степени его откры­тия и перепада давлений на нем. Поэтому следует иметь в виду, что даже при одной и той же степени открытия дроссельного ре­гулирующего органа расход через него может изменяться при из­менении перепада давлений.

К числу дроссельных регулирующих органов относятся односедельные, двухседельные и диафрагмовые клапаны, а также за­слонки. В односедельных и двухседельных регулирующих клапанах изменение проходного сечения производится перемеще­нием одного или двух плунжеров относительно седла. Преиму­щество односедельного клапана перед двухседельным в том, что он обеспечивает при закрытии герметичное перекрытие трубо­провода, в то время как у двухседельного невозможно обеспечить герметичную посадку в седла одновременно обоих плунжеров. С другой стороны, перепад давлений на клапане создает на плун­жере односедельного клапана выталкивающее усилие, достига­ющее максимальной величины при полностью закрытом клапане. У двухседельного же клапана такие силы приложены к обоим плунжерам, но направлены в разные стороны. Поэтому результи­рующее усилие на штоке такого клапана даже при полном закры­тии гораздо меньше, чем у односедельного, и для перемещения двухседельного клапана требуется исполнительный механизм меньшей мощности, чем для односедельного.

В диафрагменных клапанах проходное сечение изме­няется в результате перемещения центра диафрагмы относительно перегородки в корпусе клапана.

В трубопроводах большого сечения для управления потоками газа и пара применяют поворотную заслонку. Основной элемент заслонки — круглый диск, укрепленный на оси и поме­щенный в корпусе. Поворотом диска изменяется площадь про­ходного сечения между заслонкой и корпусом. Если диск нахо­дится в плоскости, перпендикулярной к оси корпуса, то проход­ное сечение равно нулю. По мере поворота диска площадь сечения увеличивается и достигает максимума, когда положение диска совпадает с осью корпуса.

Основной характеристикой дроссельного регулирующего ор­гана как элемента АСР является его статическая характеристика - зависимость расхода вещества через регулирующий орган от степени его открытия.

Для регулирующего органа предпочтительна линейная стати­ческая характеристика, так как только в этом случае не искажа­ется закон регулирования, формируемый регулятором в АСР. Од­нако, как указывалось выше, расход через дроссельный регулиру­ющий орган зависит еще и от перепада давлений, который в технологическом процессе может изменяться с изменением рас­хода. Поэтому статическая характеристика регулирующего органа, линейная при постоянном перепаде давлений, может оказаться нелинейной в реальных условиях.

Чтобы избежать этого, применяют клапаны не только с линей­ными, но и с нелинейными характеристиками при постоянном перепаде давлений. Таким образом удается скомпенсировать не­линейность статической характеристики регулирующего органа, обусловленную переменным перепадом давлений.

Для дроссельных регулирующих органов необходимая стати­ческая характеристика наиболее просто может быть получена у регулирующего клапана. В настоящее время промышленность выпускает регулирующие клапаны с линейной, логарифмической и параболической характеристиками, причем клапаны с различ­ными характеристиками отличаются лишь формой плунжера.

Кроме статической характеристики регулирующий клапан ха­рактеризует его пропускная способность — расход воды через пол­ностью открытый регулирующий орган при перепаде давлений на нем 1 • 10 Па. Этот расход (в м³/ч) указывается в паспортных дан­ных регулирующего органа вместе с другими его показателями -условным давлением, допустимой температурой и т. п.

Регулирующий орган выбирают по пропускной способности, виду требуемой статической характеристики, а также исходя из условий его эксплуатации: свойств протекающей среды, темпера­туры и давления в трубопроводе.

Для трубопроводов небольшого диаметра (до 25 мм) применяют односедельные регулирующие клапаны, большого диаметра - двухседельные. В тех случаях, когда условия эксплуатации не по­зволяют применять регулирующие клапаны, используют диафрагменные клапаны сильноагрессивных жидкостей. Диафрагмы в та­ких клапанах изготавливают из кислотостойкой резины, фторопласта и других материалов, стойких по отношению к про­текающей среде, а внутреннюю поверхность корпуса покрывают фторопластом или эмалью.

Исполнительный механизм преобразует выходной сигнал регу­лятора в перемещение регулирующего органа. По виду использу­емой энергии исполнительные механизмы делятся на пневмати­ческие, гидравлические и электрические. В инженерных системах наибольшее применение получили пневматические и электричес­кие исполнительные механизмы.

Пневматические исполнительные механизмы. Эти механизмы преобразуют входное давление р в прогиб мембраны и перемещение / связанного с ней штока. Мембрана (обычно резинотканевая) герметично заделана по краю между верхней и ниж­ней крышками. Центральная часть мембраны опирается на жест­кий центр. Благодаря противодействию пружины статическая ха­рактеристика исполнительного механизма, т.е. зависимость перемещения / от давления р, линейна.

Обычно пневматические исполнительные механизмы приме­няют для управления регулирующими клапанами и их выпускают как одно устройство — пневматический регулирующий клапан. Имеются два вида пневматических регулирующих клапанов: нор­мально открытые (НО) и нормально закрытые (НЗ). У первых при отсутствии давления воздуха над мембраной шток под действием пружины переходит в крайнее верхнее положение и плунжер при этом полностью открывает клапан. С повышением давления воздуха проходное сечение такого клапана уменьшается. У вторых при отсутствии давления воздуха проходное сечение полностью перекрыто и клапан открывается лишь при появлении давления над мембраной.

Электрические исполнительные механизмы должны обеспечивать перемещение регулирующего органа по командам, поступающим от электрического регулятора при автоматическом управлении или от оператора при ручном дистанционном управлении. При поступлении команды исполнительный механизм перемещается с постоянной скоростью. Однако благодаря импульсному режиму работы средняя скорость выходного вала исполнительного меха­низма оказывается переменной. Различные типы исполнительных механизмов отличаются величиной крутящего момента на выходном валу и скоростью его поворота при включенном электро­двигателе.

В состав электрического исполнительного механизма обычно входят следующие основные элементы: реверсивный электродвигатель, ручной привод, концевые и путевые выключа­тели, тормозное устройство и датчик положения выходного вала. Электродвигатель с редуктором служит для преобразования элект­рической энергии в механическую, достаточную для перемещения регулирующего органа. Маховик необходим для перемещения выходного вала исполнительного механизма вручную при выходе из строя тиристорного пускателя или электродвигателя.

В исполнительном механизме имеются вспомогательные устройства, обеспечивающие преобразование угла поворота вы­ходного вала в электрические сигналы различного назначения. Дифференциально-трансформаторный преобразователь служит для введения в регулятор сигнала обратной связи, пропорцио­нального углу поворота выходного вала исполнительного меха­низма или, что то же самое, степени открытия регулирующего органа.

Выходной сигнал реостатного преобразователя используется для работы дистанционного указателя положения исполнитель­ного механизма, устанавливаемого на щите оператора рядом с кнопками ручного дистанционного управления. Концевые выключатели выполняют защитные функции. Они отключают тиристорный пускатель при достижении регулирующим органом крайних положений. Путевые выключатели служат для ограни­чения диапазона перемещения регулирующего органа. В автома­тическом режиме работы они отключают пускатель при выходе за пределы установленного диапазона.

Тормозное устройство в таких механизмах необходимо для уменьшения выбега выходного вала после прекращения действия управляющих импульсов. Обычно тормозное устройство снабжа­ется электромагнитным приводом, который работает следующим образом: при появлении силового напряжения на электродвига­теле появляется ток и в обмотке электромагнита. Якорь втягива­ется и отводит тормозную колодку от вала электродвигателя. При исчезновении силового напряжения электромагнит обесточива­ется и вал электродвигателя тормозится колодкой, которая при­жимается к нему пружиной