2.2 Классификация устройств автоматического дозирования жидкостей

Системами автоматического дозирования (САД) могут быть названы такие устройства, которые способны автоматически отмеривать и производить выдачу заданных количеств вещества. Все системы дозирования можно разделить по роду дозируемых веществ на дозаторы жидкостей, газов и сыпучих материалов.

В зависимости от требований производства способ дозирования вещества может быть порционным или дискретным, и непрерывным и осуществляться объемным или весовым методом. Порционные САД применяются при проведении периодических производственных процессов; САД непрерывного действия, дозировочные питатели, применяются для обеспечения стабилизированной подачи вещества, в основном в непрерывных производственных процессах. В тех случаях, когда требуется подача в аппарат определенного количества вещества с регламентированным расходом, наряду с САД непрерывного действия возможно применение порционных дозирующих устройств, работающих в качестве дискретных дозировочных питателей.

Достоинством дозаторов непрерывного действия является отсутствие пульсации. Однако дозаторы прерывистого действия отличаются высокой точностью дозирования.

По способу дозирования дозаторы бывают весовые и объемные. При условии соблюдения кондиции дозируемых жидкостей, постоянства удельного веса, концентрации, температуры, объемные дозаторы имеют преимущества в отношении точности дозирования и свойств, соответствующих большому разнообразию дозируемых жидкостей, и поэтому более распространены, чем весовые.

По давлению объемные дозаторы различаются как напорные, в которых давление на выходе создается механизмом дозатора и не зависит от величины давления на входе, и безнапорные.

По уровню автоматизации объемные дозаторы бывают с ручным управлением и автоматические, работающие по разомкнутому или по замкнутому циклу. При разомкнутом цикле дозатор работает как исполнительный механизм, автоматически стабилизирующий входной параметр, расход дозируемой жидкости, независимо от изменения других параметров, например давления, температуры. Производительность дозаторов настраивается вручную или дистанционно. Дозаторы замкнутого цикла осуществляют подачу изменяющихся расходов жидкости по управляющим сигналам в зависимости от других параметров системы. При этом возможны два случая: 1) производительность автоматически изменяется по заданной пропорциональной зависимости от величины переменного расхода другой жидкости, поступающей в объект по главному трубопроводу, например дозаторы соотношения, или пропорционаторы; 2) производительность изменяется под воздействием управляющих сигналов от автоматического регулятора или счетно-решающего устройства. Такие дозаторы выполняют совмещенную функцию исполнительного механизма и регулирующего органа САР.

Дозаторы различаются величиной области дозирования, устанавливающей в соответствии с технологическими требованиями необходимые пределы изменения производительности, и выражаемой отношением максимальной производительности к той минимальной, при которой все основные параметры

дозатора, например точность, давление, сохраняют свое значение.

Выбор дозатора основывается на перечисленных признаках, а также на соответствии типа конструкции дозатора свойствам дозируемой жидкости. Важным критерием выбора дозатора является также допустимая погрешность дозирования - отношение выданного количества жидкости к заданному.

Системы автоматического дозирования жидкостей, исходя из способности создавать напор, можно разделить на две большие группы: насосы-дозаторы и дозаторы истечения. В насосах-дозаторах выдача дозы жидкости осуществляется за счет дополнительной энергии. В дозаторах истечения для выдачи жидкости используется потенциальная энергия самого потока.

Насосы-дозаторы бывают плунжерные, или поршневые, мембранные, или диафрагмовые, и шестеренчатые. Наиболее широкое применение получили плунжерные насосы.

2.2.1 Плунжерные насосы-дозаторы наиболее распространены, в зависимости от конструкций располагают производительностью в широком диапазоне, исчисляемой в единицах мл/мин, десятках и сотнях л/час, в единицах и десятках м³/час. Класс точности 2,5; 0,5. Давление на выходе 1-40 МПа. При трудных для дозирования жидкостях, например вязких, со взвешенными частицами, применяются специальные конструкции сменных клапанов. При дозировании агрессивных жидкостей применяются дозаторы с промежуточной жидкостью, масло, и мембраной, отделяющей корпус от воздействия агрессивных сред. Могут быть также дозаторы с двумя промежуточными жидкостями, одна из которых выполняет роль мембраны. Производительность плунжерных насосов-дозаторов регулируется изменением длины хода поршня, реже - изменением числа оборотов. Мгновенная подача плунжерного насоса-дозатора изменяется по синусоидальному закону; поэтому для сглаживания пульсации в линии нагнетания устанавливается демпфирующие устройства. Для получения непрерывного расхода жидкости в плунжерных микродозаторах можно использовать сдвоенные двухплунжерные насосы, работающие в противофазе по линейному закону.

2.2.2 Шестеренчатые насосы-дозаторы осуществляют непрерывную подачу под давлением различных жидкостей, вязких, радиоактивных, летучих, вредных для персонала и пожароопасных. Отсутствие клапанов способствует дозированию некоторых жидкостей со взвешенными частицами, например жидкого топлива. Производительность составляет от единиц до 100-200 л/час. Отличаются простотой конструкции и малыми габаритами. Производительность регулируется изменением числа оборотов. Погрешность до 2-3 %.

2.2.3 Мембранные насосы-дозаторы могут быть выполнены с электрическим, пневматическим и гидравлическим приводом. Производительность составляет единицы, десятки, реже – сотни л/час. Погрешность 0,5-2 %, отдельные конструкции могут создавать давления до 10 МПа. Мембрана определяет рабочую камеру от корпуса, который может быть поэтому выполнен из материалов не зависящих от свойств жидкости. Отсутствуют зазоры и сальники. Возможно дозирование жидкостей агрессивных, некоторых эмульсий, суспензий, взрывоопасных и вредных. При трудных для дозирования жидкостях возможна принудительная работа клапанов, что применяется и во многих других типах дозаторов. Надежность мембраны повышается при применении промежуточной жидкости также для передачи движения к мембране.

2.2.4 Сильфонные дозаторы применяются для дозирования под давлением небольших расходов агрессивных реактивов, сжиженных нефтегазов. При дифференциальном соединении в дозаторах двух сильфонов возможно получение в одной дозе нескольких миллилитров и даже долей миллилитров. Расход регулируется изменением хода штока или числа оборотов привода. Так же как и в предыдущих типах дозаторов часто применяются двойные шариковые клапаны. Погрешность дозирования 0,5-1,0 %. Надежность зависит от стойкости сильфонов к механическим и химическим воздействиям и способности клапанов самоочищаться.

2.2.5 Крановые дозаторы применяются для подачи небольших расходов жидкостей с малой вязкостью. В дозаторах с одним краном канал его является мерной емкостью, величина дозы неизменна, не зависит от давления и

производительность может регулироваться только изменением числа оборотов крана. Погрешность дозирования возникает по причине утечек через зазоры. Дозаторы с одним краном осуществляют дозирование под напором, дозаторы с двумя кранами осуществляют подачу безнапорную, самотеком. Приводом в первом случае может служить электродвигатель, во втором – часовой механизм.

2.2.6 Струйные усилители, регуляторы со струйной трубкой. Действие регулирующего прибора струйного типа основано на переходе потенциальной энергии давления в кинетическую энергию движущейся струи масла при истечении из сопла и обратном переходе кинетической энергии в потенциальную при гашении скорости струи в приемных каналах. В качестве носителя энергии в этих регуляторах применяется масло под давлением 6-12 ат, от насосов. Регуляторы снабжены жесткой или упругой обратной связью. Недостатком таких устройств является неполное использование мощности потока рабочей жидкости и неизбежная ее утечка.

2.2.7 Гидравлические регуляторы дроссельного типа. Эти регуляторы применяются в разных отраслях промышленности, для автоматического управления относительно несложными объектами, не требующими высокой точности поддержания регулируемого параметра. Наибольшее распространение получили гидравлические усилители типа сопло-заслонка. Дроссели и дроссельные блоки стабильно работают лишь при относительно больших расходах. Следует иметь в виду, что регуляторы, работающие на жидкости относятся к числу регуляторов косвенного действия. Диапазон дозирования, в зависимости от конструкции колеблется от 0,07 до 140 л/мин, погрешность до 3%.

2.2.7 Электрогидравлические усилители мощности. ЭГУ состоит из электромеханического преобразователя и гидроусилителя. Электромеханический преобразователь в усилителе предназначен для преобразования входного электрического управляющего сигнала в движение выходного звена, последнее действует на запорно-регулирующий элемент дросселирующего распределителя. Различают золотниковые, с сопло - заслонкой, струйные ЭГУ.

Недостатком таких устройств является необходимость использования двух видов энергии – электрической и гидравлической, наличием электромеханических частей обусловлена невысокая надежность ЭГУ.

2.2.8 Электрогидродинамические преобразователи. Сравнительно новый тип устройств, применяются в качестве электрогидравлических усилителей, регуляторов расхода и давления жидкостей, дозаторов топлива. ЭГД устройства автоматики являются самостоятельным широким классом струйных устройств автоматики без подвижных механических и электромеханических частей. Принцип действия основан на взаимодействии струй жидкости в замкнутых объемах.

Как правило, управляющая струя создается так называемым электрогидродинамическим способом: диэлектрическая рабочая жидкость заряжается специальными электродами однополярным образом и с помощью управляющих электродов создается насосный эффект, то есть течение жидкости приобретает желаемый характер. Таким образом, сигнал сформированный электрическим регулирующим устройством, без дополнительных преобразований непосредственно воздействует на рабочую жидкость. Ликвидируется промежуточное звено преобразования электрической энергии в механическую и механической в гидравлическую.

Наиболее распространенной конструкцией ЭГД - преобразователя является система типа игла-кольцо. В ее основе лежит механизм объемной диссоциации: у острия игольчатого электрода возникает область повышенной проводимости, вызывающая направленное движение жидкости. Такая система должна работать в любой слабопроводящей жидкости. Конструктивные особенности различных ЭГД –устройств обычно связаны с изменением формы и размещении электродов. Интенсивность зарядообразования, а следовательно и скорость ЭГД течения определяются в первую очередь свойствами границы электрод – жидкость. Изменением состава и концентрации примесей, а также материала и покрытия электродов можно эффективно управлять не только скоростью,

но и направлением ЭГД – течений, а также их структурой.

Различают дроссельные и струйные электрогидродинамические вихревые преобразователи, а также ЭГД усилитель мощности струйного типа с ортогональным управлением.

2.2.9 Ковшовые дозаторы применяются для безнапорной подачи жидкостей со взвешенными и осаждающимися частицами, для дозирования масел и вязких жидкостей; производительность дозирования не требует строгого поддержания постоянства уровня в камере. Целесообразно их применение для заполнения контейнеров, реакционных резервуаров, в которых протекают циклические технологические процессы.

2.2.10 Дозаторы с гидравлическим сопротивлением в виде капилляра пригодны для дозирования химических реактивов и агрессивных жидкостей с невысокой вязкостью и без взвешенных частиц. Производительность таких дозаторов составляет десятки, единицы и даже доли мл/час. Уязвимым элементом является капиллярное сопротивление. Точность дозирования зависит от постоянства давления в камере дозатора и чистоты дросселирующих элементов. В зависимости от конструкции погрешность составляет 2,0-0,5 % и менее. Характерны непрерывностью и безнапорностью действия.

2.2.11 Дозаторы с опускающимся сливом используются для непрерывного и безнапорного дозирования кислот, щелочей. Дозаторы конструктивно наиболее просты и действие их обычно не требует подачи энергии. Непрерывность действия нарушается при наполнении резервуара жидкостью. Применяются при производительности, регулируемой вручную в пределах единиц и десятков л/час [7], [8], [9], [10], [11].

2.3 Обоснование выбора дозирующего устройства – ЭГД УМ

В качестве дозирующего устройства системы был выбран электрогидродинамический усилитель мощности – ЭГД УМ, разработанный на кафедре УИТ, БИТТУ.

При выборе дозирующего устройства следует учитывать тот факт, что в качестве метода измерения температуры резания был выбран метод естественной термопары, то есть управляющим сигналом является электрическая величина - термоЭДС контакта резец – изделие.

Все рассмотренные выше устройства автоматического дозирования жидкостей, за исключением выбранного, по тем или иным причинам не могут быть использованы в качестве дозирующего элемента системы. Например, насосы – дозаторы, в принципе, могут быть использованы в системе, но их применение нежелательно из-за пульсации выходного, гидравлического сигнала, кроме того диапазон и погрешности дозирования слишком велики. Использование сильфонных, крановых и дроссельных преобразователей, вследствие использования дополнительного устройства сочленения электрического и гидравлического сигналов тоже является непредпочтительным. Безнапорные и весовые дозаторы не представляют практического интереса с точки зрения автоматизации производственного процесса.

Основным достоинством выбранного устройства дозирования является отсутствие промежуточного преобразования электрической энергии в механическую и механической в гидравлическую, как например это происходит в электрогидравлических усилителях. Таким образом, сигнал, сформированный электрическим регулирующим устройством без дополнительных преобразований непосредственно воздействует на рабочую жидкость, что в конечном счете сказывается на быстродействии и качестве дозирования СОЖ, а также повышение надежности, вследствие исключения электромеханических частей, всей системы регулирования.

К достоинству ЭГД УМ можно также отнести достаточно широкий регулируемый диапазон расхода смазочно – охлаждающей жидкости до 0,1 л/сек, а также малая инерционность, что особенно актуально при больших скоростях нарастания температуры, которые наблюдаются при обработке металлов резанием.