Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
АННОТАЦИЯ
В магистерской диссертации проведена разработка и исследование автоматизированных систем испытания на герметичность манометрическим методом запорной и распределительной газовой аппаратуры.
Проведен обзор и анализ методов контроля герметичности запорной и распределительной газовой аппаратуры
Рассмотрены основные этапы проектирования устройств контроля герметичности запорной и распределительной газовой арматуры. Произведено моделирование манометрического метода контроля герметичности газовой запорной и распределительной аппаратуры.
Разработана конструкция стенда по проведению испытаний на герметичность запорной и распределительной арматуры.
Пояснительная записка содержит 100 страниц, 35 рисунков, 3 таблицы, 3 приложения, 43 наименования библиографии.
Графическая часть выполнена в программе Power Point и представлена на 14 слайдах.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………………………..…6
ГЛАВА 1. Обзор и анализ методов контроля герметичности запорной и распределительной газовой аппаратуры……………………………………..…8
ГЛАВА 2. Основные этапы проектирования устройств контроля герметичности запорной и распределительной газовой арматуры………………………….....…48
2.1 Алгоритм проектирования автоматизированного оборудования
для контроля герметичности……………………………………………48
2.2 Схемы и принцип работы устройств по контролю герметичности манометрическим методом………………………………………….…53
2.3 Моделирование манометрического метода контроля герметичности газовой запорной и распределительной арматуры……………….…59
ГЛАВА 3. Разработка конструкции стенда по проведению испытаний на герметичность запорной и распределительной арматуры…………………....67
3.1 Компоновка и техническая характеристика стенда………….….…67
3.2 Принцип работы стенда по испытанию на герметичность газовой запорной и распределительной арматуры……………………………....68
3.2.2.1 Расчет схемы зажима, фиксации и уплотнения крана…..69
3.2.2.2 Разработка блока зажима, фиксации и уплотнения крана.72
3.2.7 Разжим – расфиксация…………………………………………88
3.3 Разработка автоматизированного технологического процесса контроля герметичности……………………………………………………………..90
Заключение…………………………………………………………………….…92
Список использованной литературы…………………………………………..93
Приложение………………………………………………………………………97
ВВЕДЕНИЕ
При изготовлении аппаратуры (запорная арматура, пневмоклапаны, краны и т.п.), в которой рабочей средой является сжатый воздух или другой газ, существующими стандартами и техническими условиями регламентируется стопроцентный контроль параметра «герметичность». Это объясняется тем, что основным узлом – рабочим элементом такой аппаратуры является подвижная трудно уплотняемая пара: золотник- корпус; сопло – заслонка; шаровой, седельчатый и конусный клапаны, а также неподвижные герметизирующие элементы, которые часто работают в условиях высокого давления. Негерметичность этой аппаратуры, т.е. наличие утечки, превышающей допустимую, может привести к серьезным авариям, поломкам и другим отрицательным результатам в работе сложного дорогостоящего оборудования, в котором она применяется.
Контроль герметичности конструкций применяют в разнообразных отраслях науки и техники. Широкое использование этого вида контроля обусловило развитие разнообразных методов и средств контроля, обладающих различной чувствительностью и областью рационального использования.
Можно считать, что одна из наиболее актуальных проблем настоящего времени – повышение чувствительности контроля – в ряде случаев принципиально решена. Создана течеискательная аппаратура, позволяющая выявлять неплотности, сравнимые с межмолекулярным расстоянием, и регистрировать течи, граничащие с проницаемостью материалов.
Актуальной остается проблема повышения производительности и надежности течеискательной аппаратуры, ее упрощения и расширения эксплуатационных возможностей. При этом надо учитывать, что надежность аппаратуры еще не определяет однозначно надежность испытаний. Существенными оказываются качество подготовки испытываемых объектов, правильный выбор аппаратуры, режимов испытаний и состояний окружающей среды. Это, в свою очередь, выдвигает необходимость решения задач методического и технологического характера. В частности, возникают проблемы разработки рациональных методик контроля объектов с использованием нескольких способов течеискания, создания промышленного вспомогательного оборудования, позволяющего экономически выгодно использовать в производственных условиях хорошо известные методы контроля герметичности.
Большое значение приобретают вопросы механизации и автоматизации при течеискании. В лучших образцах течеискательной аппаратуры процесс контроля почти полностью автоматизирован. Однако еще мало создано специальных устройств, поточных линий и конвейерных установок, в которых механизированы и автоматизированы процессы подготовки, заполнения или нанесения индикаторных веществ, контроля и объективной регистрации состояния герметичности контролируемого изделия.
Целью магистерской диссертации является разработка и исследование автоматизированных устройств и систем управления испытанием на герметичность запорной и распределительной газовой аппаратуры.
Задачи исследования:
ГЛАВА 1. Обзор и анализ методов контроля герметичности запорной и распределительной газовой аппаратуры
В соответствии с требованиями и рекомендациями, приведенными в научно-технической литературе и нормативной документации для изделий и конструкций, работающих или контролируемых под избыточным давлением газа, в настоящем исследовании приняты следующие термины и определения.
Неплотность – сквозной дефект в стенке изделия или в местах соединений его элементов, через которые может пройти газ.
Поток через неплотность – количество газа в объемных единицах, проходящее через неплотность в единицу времени при действующем перепаде давления. Поток через неплотность в большинстве случаев определяется по формуле
, (1.1)
где V – внутренний объем испытуемого изделия с одной неплотностью;
– изменение величины давления газа (перепад давления);
t – время испытания.
Течь – поток через неплотность при нормированном перепаде давления, за который принимают величину равную физической атмосфере (10,1МПа).
Утечка – суммарный поток через неплотность изделия или конструкции: . Единицы измерения – , . Допускается выражать утечку в единицах объемного расхода – , , .
Герметичность – способность или свойство изделия не пропускать газ через стенки и места соединений его элементов. Герметичность Г конструкций, работающих под избыточным давлением, – величина, пропорциональная объему и обратно пропорциональная утечке, что соответствует зависимости
, (1.2)
где – суммарный внутренний объем изделия;
– суммарная утечка.
Физический смысл герметичности – это время, необходимое для изменения давления во внутреннем объеме изделия на единицу – с/Па.
Контроль герметичности – для изделий, работающих под давлением – это вид неразрушающего испытания, состоящий в измерении или оценке суммарной утечки пробного вещества проникающего через неплотности, для сравнения с допустимой величиной утечки. Испытания на герметичность проводят с целью определения степени негерметичности изделий, а также выявления отдельных течей.
Степень негерметичности – количественная характеристика герметичности. Она характеризуется потоком газа, расходом, падением давления за единицу времени и другими подобными величинами, приведенными к рабочим условиям.
Рабочее вещество (рабочая среда) – газ которым заполняют изделие в процессе эксплуатации.
Пробное вещество (индикаторная среда, индикаторное вещество) – газ или другое вещество, предназначенные для проникновения через неплотности изделия во время испытания с последующей его регистрацией визуальными, химическими или инструментальными методами. Пробным веществом может быть один газ или смесь газов, например, сжатый воздух.
Чувствительность контроля герметичности – наименьшая утечка рабочей среды, которая может быть зарегистрирована в процессе испытания изделия с помощью пробного вещества.
Контрольная (калиброванная) течь – устройство, с помощью которого получают постоянный по времени и известный по величине поток пробного вещества.
Термины и определения, связанные непосредственно с исследованием, рассмотрены и объяснены в процессе изложения соответствующего материала.
1.2 Особенности контроля герметичности распределительной и запорной газовой арматуры
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.
Рис. 1.1 Запорный кран
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 – герметиком, 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 ГОСТом 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.
1.3. Принципы проектирования операций пневматических и гидравлических испытаний
Гидравлическое (пневматическое) испытания как основная форма контроля изделий запорной арматуры представляют собой экспериментальное определение количественных и качественных показателей свойств изделия как результата воздействия на него при его функционировании, а также при моделировании объекта [5].
Основой для проектирования технологических операций является их классификация, которая создает условия для организации специализированных рабочих мест, участков и подразделений, обеспечивает возможность механизации учета, поиска и хранения информации. На рисунке 1.2 представлена классификация пневматических и гидравлических испытаний по контролируемой характеристике (первая ступень) и по методу испытаний (вторая ступень). Границы между классификационными группировками, представленными на рисунке 1.2, не являются раз и навсегда установленными. В зависимости от задач, которые ставит перед собой инженер, проектирующий испытательную операцию, они могут совмещаться. Так, контроль герметичности люминесцентным методом и испытания на прочность целесообразно проводить на одном и том же оборудовании. В тех случаях, когда это позволяет техника безопасности, гидравлические испытания на герметичность могут быть заменены пневматическими.
Выбор метода испытаний определяется стоимостью их проведения, требуемой точностью измерения, размером экономического ущерба от пропущенного брака и другими факторами.
Масс-спектрометрическим
Манометрическим
Пузырьковым
Радиационным
Акустическим
Газоаналитическим
Инфрокрасным
Гидростатическим
Химическим
Люминисцентным
На определение характеристик гидравлического тракта
На прочность
Пневматические на герметичность методом
Гидравлические на герметичность методом
Пневматические и гидравлические испытания
Рисунок 1.2 – Классификация пневматических и гидравлических
испытаний по контролируемой характеристике
Цели испытаний различны на различных этапах проектирования и изготовления запорной арматуры. К основным целям испытаний можно отнести:
а) выбор оптимальных конструктивно-технологических решений при создании новых изделий;
б) доводку изделий до необходимого уровня качества;
в) объективную оценку качества изделий при их постановке на производство и в процессе производства;
г) гарантирование качества изделий при международном товарообмене.
Испытания служат эффективным средством повышения качества, так как позволяют выявить:
– недостатки конструкции и технологии изготовления запорной арматуры, приводящие к срыву выполнения заданных функций в условиях эксплуатации;
– отклонения от выбранной конструкции или принятой технологии;
– скрытые дефекты материалов или элементов конструкции, не поддающиеся обнаружению существующими методами технического контроля;
– резервы повышения качества и надежности разрабатываемого конструктивно-технологического варианта изделия.
По результатам испытаний изделий в производстве разработчик устанавливает причины снижения качества.
Гидравлическому испытанию подлежат вся запорная арматура, после ее изготовления.
Изделия, изготовление которых заканчивается на месте установки, транспортируемые на место монтажа частями, подвергаются гидравлическому испытанию на месте монтажа.
Запорная арматура, имеющая защитное покрытие или изоляцию, подвергаются гидравлическому испытанию до наложения покрытия или изоляции.
Запорная арматура, имеющая наружный кожух, подвергаются гидравлическому испытанию до установки кожуха.
Гидравлическое испытание запорной арматуры, за исключением литых, должно проводиться пробным давлением Рпр, МПа, определяемым по формуле:
, ( 1.3 )
где Р – проектное давление запорной арматуры, МПа (кгс/см2);
[δ20],[ δt] – допускаемые напряжения для материала запорной арматуры или его элементов соответственно при 200 С и проектной температуре, МПа (кгс/см2).
Гидравлическое испытание литых деталей должно проводиться пробным давлением Рпр, МПа, определяемым по формуле:
, (1.4 )
Испытание отливок разрешается проводить после сборки и сварки в собранном узле или готовом изделии пробным давлением, принятым для изделий запорной арматуры, при условии 100% контроля отливок неразрушающими методами.
При заполнении испытуемого изделия водой воздух из него должен быть удален полностью.
Для гидравлического испытания запорной арматуры должна применяться вода с температурой не ниже пяти градусов Цельсия и не выше 400 С, если в технических условиях не указано конкретное значение температуры, допускаемой по условию предотвращения хрупкого разрушения.
По согласованию с разработчиком испытаний вместо воды может быть использована другая жидкость.
Давление в испытываемом изделии следует повышать плавно. Скорость подъема давления должна быть указана: для испытания изделия в организации-изготовителе - в технической документации, для испытания сосуда в процессе работы - в инструкции по монтажу и эксплуатации.
Давление при испытании должно контролироваться двумя манометрами одного типа, предела измерения, одинаковых классов точности, цены деления.
Время выдержки испытуемого изделия под пробным давлением устанавливается разработчиком проекта.
После выдержки под пробным давлением давление снижается до проектного, при котором производят осмотр наружной поверхности испытуемого изделия, всех его разъемных и сварных соединений.
Обстукивание стенок корпуса, сварных и разъемных соединений испытуемого изделия во время испытаний не допускается.
Изделие считается выдержавшим гидравлическое испытание, если не обнаружено:
– течи, трещин, слезок, потения в сварных соединениях и на основном металле;
– течи в разъемных соединениях;
– видимых остаточных деформаций, падения давления по манометру.
Испытуемые изделия, в которых при испытании выявлены дефекты, после их устранения подвергаются повторным гидравлическим испытаниям пробным давлением, установленным настоящими правилами.
Гидравлическое испытание, проводимое в организации-изготовителе, должно проводиться на специальном испытательном стенде, имеющем соответствующее ограждение и удовлетворяющем требованиям безопасности и инструкции по проведению гидроиспытаний в соответствии с нормативной документацией, утвержденной в установленном порядке.
Гидравлическое испытание при изготовлении изделий запорной арматуры допускается заменять пневматическим при условии контроля этого изделия методом, согласованным с Госгортехнадзором России.
Пневматические испытания должны проводиться по инструкции, предусматривающей необходимые меры безопасности и утвержденной в установленном порядке [6].
Пневматическое испытание изделий запорной арматуры проводится сжатым воздухом или инертным газом.
Величина пробного давления принимается равной величине пробного гидравлического давления. Время выдержки сосуда под пробным давлением устанавливается разработчиком проекта. Затем давление в испытываемом изделии должно быть снижено до проектного и произведен осмотр изделия с проверкой герметичности его швов и разъемных соединений мыльным раствором или другим способом.
Значение пробного давления и результаты испытаний заносятся в паспорт изделия лицом, проводившим эти испытания.
1.4. Методы и способы контроля герметичности
Метод контроля герметичности выбирается исходя из конструктивно-технологической характеристики изделия, технико-экономических параметров и возможностей производства [13].
Чувствительность метода выбирают такую, чтобы можно было обнаружить утечки, величина которых примерно на один порядок меньше допускаемых. Численное значение требований к герметичности служит исходным параметром для выбора рациональной схемы и технических режимов контроля герметичности.
Классификация способов и средств контроля герметичности представлена в виде таблицы 1.1 [4].
К первой группе отнесены все способы и средства определяющие утечку через несплошность созданием в контролируемом объеме избыточного давления рабочей опрессовочной среды с содержанием и без содержания пробного газа.
Вторая группа объединяет многочисленные способы и устройства определяющие герметичность непосредственно в контролируемом объекте или в вакуумной камере, в которую помещается испытуемое изделие, регистрацией изменения предварительно созданного, вполне определенного разряжения, происходящего из-за проникновения в разряженный объем пробного газа (вторая группа).
Эти группы включают в себя две подгруппы. В первую включены все способы и средства, в которых в качестве рабочей опрессовочной среды используют чистый воздух, воздух в смеси с пробным газом или воздух в смеси с различными радиоактивными изотопами.
Во вторую – способы и устройства, в которых для определения места расположения несплошности используют жидкий компонент, в том числе и сжиженный газ. Дальнейшее деление осуществляют в зависимости от технологии определения несплошности.
Таблица 1.1 Классификация способов и средств контроля герметичности
|
Первая группа |
|||
|
Газовоздушная смесь с меченным газом |
Газированная гидросмесь |
||
|
Без использования электроусройств |
С использованием электроустройств |
Без использования электроусройств |
С использованием электроустройств |
|
Мыльная эмульсия; эластичные пленки |
По показаниям фотоэлектронных датчиков |
Отпотевание жидкости |
Индикаторный Оптико-аккустический датчик |
|
Погружение в воду и наблюдение за пузырьками |
По изменению теплопроводности при контакте с пробным газом |
Изменение окраски индикаторной массы |
Фотоэлектричес- кий люминесцентный датчик |
|
Изменение цвета индикаторной массы |
По показаниям счетчика типа Мюллера-Гейгера |
Изменение формы эластичной пластмассы |
Ультрафиолетовый истрочник |
|
Вторая группа |
|||
|
Газовоздушная смесь с меченным газом |
Газированная гидросмесь |
||
|
Без использования электроусройств |
С использованием электроустройств |
Без использования электроусройств |
С использованием электроустройств |
|
Кипение жидкости (индикаторных) |
Электронные датчики чувствительные к меченному газу |
Инфракрасный оптикоаккустический датчик |
Регистрация паров жидкости |
|
Измерение перепада давления инструментальным способом |
По показаниям счетчика типа Мюллера-Гейгера |
Дифференциальный манометр |
Показания счетчика Мюллера-Гейгера |
|
Бароаквариум, эластичные массы |
Массспактрометрический датчик |
Ионизационный манометр |
Пламенно-ионизационный датчик |
|
Таблица 1.2 – Пневматические способы и средства контроля герметичности |
||||||||
|
Классификация средств контроля герметичности с использованием избыточного давления газовоздушных смесей |
||||||||
|
Классифика- ция |
Воздух |
Газовоздушные смеси |
||||||
|
Избыточное давление |
Атмосферное давление |
С фреоном |
С аммиаком |
С гелием |
С закисью азота |
С аргоном |
С радио- изотопами |
|
|
По технологии подготовки изделия к контролю |
а)Нанесение мыльной эмульсии на контролируемую поверхность б)Погружение изделия в жидкость |
Погружение контролируемого изделия в нагретую жидкость; вакуумирование объема над жидкостью |
Создание избыточного давления газовоздушной смеси в контролируемом объеме |
|||||
|
Непрерывный отбор газо-воздушной смеси от контролиру- емой поверхности |
Нанесение на Контролируе-мую поверхность индикаторной массы |
Непрерывный отбор поверхности |
||||||
|
По способу индикации и регистрации течи |
Визуально (по образованию воздушных пузырьков) |
По показаниям электронного датчика,чувствительного к пробному газу |
Визуально (по измене-нию цвета каторной массы) |
По показаниям электронных датчиков чувствительности к пробным газам |
||||
|
По чувстви-тельности,лхмкм/с |
1·10-1–1·10-2 |
1·10-2 – 1·10-3 |
1·10-3 |
1·10-1–1·10-2 |
1·10-5 – –1·10-7 |
До 1·10-3 |
До 1·10-3 |
До 1·10-11 |
|
Область применения |
Неответственные детали и агрегаты |
Мелкие изделия |
Топливные отсеки, баки системы |
Топливные баки, отсеки всех систем, изготовленные из нержавеющей стали |
Топливные отсеки всех систем |
Топливные отсеки всех систем |
Не применяются |
Автоматичес кий контроль малогабарит-ных изделий |
|
По состоянию разработки и внедрения в промышленности |
Внедрено на всех серийных заводах |
Внедрено для проверки замкнутых объемов |
Начато внедрение на серийных заводах; |
Используется на многих серийных и опытных заводах |
Течеиска-тель серийного изготовления,применяется мало |
Изготовлена опытная партия течеискателей ей |
Таблица 1.3 – Классификация средств контроля герметичности с использованием избыточного
давления различных жидкостей.
|
Классификация |
Вода с хромпиком |
Керосин |
Керосин с люминофором |
Гидросмеси с люминофором |
Обессоленная вода с люнофором |
Спирт с люминофором |
Жидкость газированная с закисью азота |
Жидкость газированная пробным газом для газолюминисценции |
|
По технологии подготовки изделия к проверке ерметичности |
Подготовка контролируемой поверхности в соответствии с ГОСТ 1.41182 - 71. Создание избыточного давления в проверяемом объекте |
|||||||
|
Покрытие меловой обмазкой |
Облучение контролируемой поверхности ультрафиолетовом светом |
Отбор газовоздушных проб |
Облучение Контролируемой поверхности ультрафиолетом светом |
|||||
|
По способу индикации |
Визуально (по изменению окраски мелового покрытия) |
Визуально (по свечению люминофора в несплошности) |
С помощью оптико- акустического датчика течеискателя ИГТ-1 |
Визуально по свечению индикатора в местах выхода жидкости или газа через несплошности |
||||
|
По чувствительности, л·мкм/с |
10 |
1·10-3 |
1·10-4 |
1·10-3 |
1·10- 2 |
1·10-4 |
1·10-3 – 1·10-4 |
1·10-4 |
|
Область применения |
Неответствен- ные агрегат |
На изделиях, где допустимо использование других жидкостей |
Для гидросмесей |
Для топливных крупногабаритных изделий при одновременной проверке прочности |
Не при- меня- ется |
Для одновременной проверки прочности и герметичности топливных баков, отсеков и систем |
||
|
По состоянию разработки и внедрении в промышленности |
Используется на заводах отрасли |
Проведено опытное внедрение |
Не внедрено |
Проведено опытное внедрение |
Не внедренно |
Намечено внедрение на заводах отрасли |
В стадии разработки индикаторных масс |
Для контроля герметичности бытовой газовой техники наиболее перспективной является группа компрессионных методов. Компрессионные методы контроля герметичности основаны на регистрации параметров индикаторной жидкости и газов, проникающих под давлением в сквозные дефекты контролируемого объекта.
При гидростатическом методе в объект контроля заливают жидкость и создают избыточное давление. После определенной выдержки производят осмотр или наложение фильтровальной бумаги на поверхность проверяемого соединения. Герметичность объекта оценивается в зависимости от наличия или отсутствия капель жидкости на контролируемой поверхности или пятен на фильтровальной бумаге, используемой в качестве индикатора. Величина утечки Y, МПа/с определяется количеством вытекшей жидкости и временем ее сбора по формуле:
(1.5 )
где VЖ – объем вытекшей жидкости, м3;
– время наблюдения, с.
Для удобства индикации утечек в ряде случаев на наружную поверхность контролируемого объекта предварительно наносят меловую обмазку толщиной 40 – 60 мкм. Для обмазки готовят сметанообразный водный раствор мела и наносят его с помощью жесткой волосяной кисти или любым другим способом тонким равномерным слоем на поверхность и высушивают. Ориентировочно на один м2 проверяемой поверхности необходимо 0,3 л меловой обмазки.
На фильтровальной бумаге и меловом покрытии пятна жидкости, особенно масла и керосина, более заметны. Кроме того, удобно определять объем вытекшей жидкости путем взвешивания фильтровальной бумаги до и после сбора вытекшей жидкости по формуле:
(1.6 )
где m2 и m1 – масса бумаги соответственно до и после сбора жидкости, кг;
– плотность жидкости, с.
Чувствительность гидростатического метода при одном и том же давлении зависит от времени выдержки проверяемого объекта под давлением.
Зависимость чувствительности гидростатического метода испытаний от времени выдержки и диаметра пятна масла, представлена на рисунке 1.2.
Чувствительность контроля повышается при увеличении времени выдержки до 10–15 мин. Дальнейшее увеличение времени выдержки нецелесообразно, так как не приводит к заметному повышению чувствительности. Чувствительность гидростатического метода в большей мере зависит от чистоты индикаторной жидкости. Механические примеси забивают каналы неплотностей и являются центрами образования слоев облитерации, уменьшающих просвет канала. Растворимые примеси увеличивают вязкость контрольной жидкости, что способствует уменьшению потока. Особое влияние оказывают поверхностно-активные вещества - компоненты смазок применяемых при сборке гидрогазовых систем, вымываемые керосином во время контроля. При их наличии в керосине поток через сравнительно малую неплотность может остановиться. Использование загрязненных индикаторных жидкостей может привести к наличию скрытых дефектов герметичности, не выявленных в процессе контроля, которые могут проявиться как значительные течи при действии эксплуатационных факторов.
Характерной ошибкой гидростатического метода контроля является принятие за дефект пятен на меловом покрытии или фильтровальной бумаге, возникающих от выступающей из соединений смазки, применяемой при сборке системы. Поэтому перед контролем все соединения должны быть очищены снаружи от следов смазки.
1 – диаметр 2 мм; второй диаметр – 1 мм
Рисунок 1.3 – Зависимость чувствительности D гидростатического метода испытаний от времени выдержки с и диаметра пятна масла d, мм
При пневматическом методе испытаний контролируемый объект заполняют воздухом или азотом под избыточным давлением, указанным в технических условиях. На наружную поверхность объекта наносят индикаторное вещество. При наличии течей индикаторный газ проникает через них, образуя пузырьки в индикаторном веществе. По ним производят качественную оценку герметичности объекта. Качественная оценка общей герметичности производится путем замера падения давления за определенный промежуток времени с последующим пересчетом на величину утечки Y, МПа/с определяется по формуле:
(1.7)
где V – контролируемый объем с несколькими неплотностями, м3;
– изменение величины давления, МПа;
– время замера падения давления, с.
В качестве индикаторных веществ применяют пенные эмульсии или массу на глицериновой основе. Компоненты массы должны быть хорошо перемешаны и взбиты на установке типа миксер непосредственно перед нанесением и через каждый час в процессе нанесенения. Глицериновую массу можно применять для контроля при температуре окружающего воздуха от 233 до 3О3 К.
Следует учитывать, что время наблюдения не должно превышать 5 мин, так как по истечении этого времени мыльная пленка начинает усыхать, терять свои эластичные свойства и на отдельных участках образовывать каверны.
Осмотр глицериновой массы с целью выявления газовых пузырьков, вздутий, кратеров при контроле производится дважды: первый раз по истечении 3 – 5 мин после нанесения, второй - по истечении 20 – 30 мин.
Зависимость чувствительности пневматического метода от времени наблюдения за состоянием пенной эмульсии и диаметра пузырьков представлена на рисунке 1.4.
1 – диаметр 2 мм; второй диаметр – 1 мм
Рисунок 1.4 – Зависимость чувствительности – D пневматического метода от времени наблюдения за состоянием пенной эмульсии и диаметра пузырьков
При пневмогидравлическом методе в проверяемой конструкции создают избыточное давление воздуха или азота и погружают ее в ванну с жидкостью. Глубина погружения в воду 3–5 мм.
Индикацию утечек производят по частоте появления и диаметру пузырьков газа, возникающих в местах течей.
Для получения чистой прозрачной воды в нее добавляют алюминиевые квасцы из расчета 500 г квасцов на 3 м3 воды. После тщательного перемешивания и выдержки в течении одних или полутора суток вода готова к использованию.
Величину утечки Y, МПа мм/с приближенно определяют по формуле:
(1.8)
где dо – диаметр пузырька в момент отрыва, мм;
– время до отрыва пузырька, с;
– изменение величины давления, МПа.
Время наблюдения за отдельным пузырьком не должно превышать 30 мин.
При частом появлении пузырьков целесообразен подсчет их количества за определенный промежуток времени выраженный формулой:
(1.9)
где n – число пузырьков.
Тогда величину утечки приближенно определяют по формуле:
( 1.10 )
С увеличением времени выдержки резко повышается чувствительность метода. Так, при увеличении времени проверки с трех до 30 мин чувствительность повышается в 10 раз. Поэтому в зависимости от требуемой герметичности при использовании пневмогидравлического метода необходимо указывать время, в течение которого следует проводить контроль герметичности. Зависимость чувствительности пневмогидравлического метода от времени проверки и диаметра пузырька представлена на рисунке 1.5.
1–– диаметр 1 мм; 2 – диаметр 1,5 мм; 8 – диаметр 2 мм; 4 - диаметр 3 мм.
Рисунок 1.5 – Зависимость чувствительности - D пневмогидравлического метода от времени т проверки и диаметра пузырька
При контроле следует учитывать, что пузырьки воздуха могут возникнуть на поверхности контролируемой конструкции за счет разницы температур поверхности конструкции и жидкости или могут быть занесены вместе с объектом испытания. Эти пузырьки следует удалять.
Галоидные течеискатели (ГТИ-2, ГТИ-3) могут быть применены для проверки герметичности ответственных соединений. Способ предполагает заполнение контролируемых объектов или магистралей пробным газом, находящимся под испытательным давлением. Места негерметичности определяются с помощью течеискателя, снабженного стрелочным прибором или другой вторичной сигнализацией. В течеискателе имеется датчик, состоящий из диода с платиновыми электродами, подогреваемого до температуры 800 – 900°С. Число положительных ионов, эмиссированных накаленной платиновой нитью, регистрируется стрелочным прибором. При наличии в воздухе газов, содержащих галоиды, происходит резкое повышение эмиссии ионов. В качестве пробных газов, содержащих галоиды, используются фреон-12 или фреон-22 с давлением насыщенных паров в зависимости от температуры от 2 до 15∙105 Н/м2. Избыточное давление пробных газов должно быть ниже на 5∙104 Н/м2 давления насыщенных паров при соответствующей температуре. Содержание фреона в смеси газов должно быть не менее 10%. Установка для пневматических испытаний по способу галоидных течеискателей включает в себя галоидные течеискатели ГТИ-2 или ГТИ-3, предохранительный клапан, манометры для измерения давления фреона и смеси газов, щуп течеискателя, систему запорных вентилей и вторичные индикаторные приборы. Отыскание неплотностей производится медленным перемещением теченскателя по испытываемому участку с наблюдением за прибором и прослушиванием уровня звуковых сигналов. Отклонение стрелки показывающего прибора и увеличение частоты звука свидетельствует о наличии негерметичности.
Обнаружение мест негерметичности способом накопления и масс-спектрометрическим способом производится гелиевыми течеискателями ПТИ-6 и ПТИ-7. Работа этих приборов основана на их способности определять присутствие гелия в испытываемом объекте. Установка для проверки герметичности этим способом включает в себя течеискатель типа ПТИ-6, выносной прибор ВПУ-1, вакуумные шланги, манометры для замера давления гелия и смеси газов, щуп, механический вакуумный насос, предохранительный клапан и систему вентилей. Контрольный газ засасывается щупом через неплотности соединений в течеискатель, отклонение стрелки которого и изменение частоты звуковых сигналов сигнализирует о негерметичности проверяемого участка. Метод накопления основан на проникновении газа из испытываемого объема в герметичную камеру, созданную вокруг этого объема, с последующим обнаружением (регистрацией) пробного газа течеискателями. Герметичная камера может представлять собой металлический, пластмассовый или тканевый кожух с устройствами для подключения течеискателей. Способ накопления можно использовать для отыскания негерметичностей при эксплуатации соединений, недоступных для непосредственной проверки не только гелиевыми течеискателями, но и другими анализаторами газов с дистанционными устройствами передачи сигналов.
Способ проверки герметичности индикаторной массой заключается в нанесении снаружи на испытываемый участок массы, содержащей вещество, чувствительное к аммиаку, и подаче в. испытываемый объем воздушно-аммиачной смеси. При разгерметизации индикаторная масса меняет свой цвет. В состав оборудования для проверки герметичности индикаторной массы входят распылитель для нанесения массы, баллон с аммиаком, манометры, система вентилей и эталон течи, с соответствующей окраской индикаторной массы.
Сигнальные способы контроля герметичности основаны на получении электрического сигнала или сигнала от газоанализаторов на пульт наблюдения от датчиков, срабатывающих при непосредственном соприкосновении с проникающей через уплотнение жидкостью или от сигналов, чувствительных к парам жидкостей анализаторов.
1.5. Автоматизация контроля герметичности
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 [13].
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
Рисунок 1.7 − Устройство для контроля герметичности пневмоаппаратуры
На рисунке 1.8 приведено устройство, обеспечивающее автоматизацию контроля герметичности пневмоаппаратуры [11], 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 [1, 2]. 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 [10]. 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 Пневматическая мостовая измерительная схема, построенная на двух делителях давления
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:
(1.11)
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:
(1.12)
для второй (нижней) ветви моста:
(1.13)
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
(1.14)
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 испытательного давления, что позволяет однозначно определять величину утечки; не требуется отсечка объекта в процессе контроля от источника испытательного давления. Учитывая, что величина , S4 определяется общей площадью дефектов (неплотностей) в контролируемом объекте, а следовательно, связана с величиной суммарной утечки, то применив в качестве Д2 регулируемый дроссель и осуществляя им подбор необходимой S2 можно создать постоянный перепад давления на дросселе Д1 и тем самым настраивать схему на измерение или контроль различных уровней утечки, т.е. существенно расширить диапазон применения манометрического метода контроля герметичности .
Рассмотрим принципиальные схемы устройств, обеспечивающих контроль герметичности по манометрическому методу, которые можно строить на основе пневматических мостов и различных типов дифференциальных преобразователей давления в электрический и другие виды выходных сигналов.
На рис. 1.10 приведена схема контрольного устройства, в котором в измерительной диагонали моста применен водяной дифманометр.
Рисунок1.10 Схема контрольного устройства с измерительной диагональю моста – водяной дифманометр
Испытательное давление рк через постоянные дроссели подается в две линии. Одна линия - правая является измерительной, давление в ней меняется в зависимости от величины утечки в контролируемом объекте 4. Вторая линия - левая обеспечивает опорное противодавление, величина которого устанавливается регулируемым дросселем 2. В качестве этого элемента могут использоваться типовые устройства: конус - конус, конус - цилиндр и др. Обе линии подключены к дифманометру 5, в котором разность высот столбов жидкости h является мерой перепада давленияр в линиях и одновременно позволяет судить о величине утечки, т.к. пропорциональна ей:
(1.15)
Автоматизировать процесс считывания показаний водяного дифманометра можно за счет применения фотоэлектрических датчиков, волоконно-оптических преобразователей, оптоэлектронных датчиков. В этом случае водяной столб может быть использован как цилиндрическая линза, фокусирующая световой поток, а при отсутствии воды - рассеять его. Кроме того, для облегчения считывания показаний вода может быть подкрашена и служить препятствием для светового потока.
Это устройство обеспечивает измерение величины утечки с высокой точностью, а поэтому может использоваться для градуировки других контрольно-измерительных устройств и аттестации контрольных течей.
На рис. 1.11 приведено устройство для измерения утечки в объекте 4, в котором в измерительной диагонали моста применен струйный пропорциональный усилитель 5. Испытательное давление рк через постоянные дроссели 1 и 3 подается в линию противодавления и измерительную линию, подключенные к соответствующим управляющим входам усилителя. Под действием давления струи, выходящей из усилителя, отклоняется стрелка 6, нагруженная пружиной 7. Отклонение стрелки соответствует величине утечки. Отсчет осуществляется по проградуированной шкале 8. В устройстве может быть предусмотрена пара замыкающих электрических контактов, которые срабатывают при утечке превышающей допустимую. Применение струйного пропорционального усилителя облегчает настройку устройства на заданный уровень утечки, повышает точность контроля.
Рисунок 1.11 Схема контрольного устройства со струйным пропорциональным усилителем
Однако учитывая, что усилитель имеет гидравлическое сопротивление Ry0 , то мостовая схема оказывается нагруженной, что понижает её чувствительность . В этом случае в качестве регулируемого настроечного дросселя 2 целесообразно применение барботажного резервуара 9, наполненного водой и трубки 10, один конец которой подключен к дросселю 1, образуя с ним линию противодавления, а второй конец имеет выход в атмосферу и погружен в резервуар. Независимо от величины испытательного давления рк в трубке 10 установится давление рп, которое определяется зависимостью:
(1.16)
где h - высота столба воды, вытесненной из трубки.
Таким образом, регулировка противодавления в мостовой схеме осуществляется путем установки соответствующей h и глубиной погружения трубки. Такое устройство регулируемого дросселя обеспечивает высокую точность задания и поддержания противодавления. Кроме того, он практически является безрасходным. Однако регулировочные дроссели такого типа могут применяться в схемах, работающих на низком давлении (до 5-10 кПа) и преимущественно в лабораторных условиях.
Применение в устройствах контроля герметичности мостовых схем с пневмоэлектрическими мембранными преобразователями обеспечивает им функционирование в широком диапазоне давлений рк с достаточной точностью. Схема такого контрольного устройства представлена на рис. 1.12.
Оно состоит из постоянных дросселей 1 и 3, а также регулируемо го дросселя 2. В измерительную диагональ моста подключен мембранный преобразователь 5, при этом одна его камера соединена с измерительной линией моста, а вторая - с линией противодавления. В начале процесса контроля герметичности объекта 4 мембрана б находится в положении покоя, уравновешенная давлениями в междроссельных камерах моста, что фиксируется замыканием правой пары электрических контактов 7. При негерметичности объекта, т.е. при появлении утечки возникнет разность давлений в камерах преобразователя, мембрана прогнется и контакты 7 разомкнутся . При появлении утечки больше допустимой, величина прогиба мембраны обеспечит замыкание левой пары электрических контактов 8, что будет соответствовать бракованному изделию.
Рисунок 1.12 Схема контрольного устройства с пневматическим мембранным преобразователем
Связь между ходом мембраны и разностью давлений в камерах при отсутствии жесткого центра и малом прогибе устанавливается зависимостью:
(1.17)
где r-радиус мембраны, Е- модуль упругости материала мембраны,
- толщина мембраны
Учитывая зависимость и утечки У по формуле ,зависимость можно выбирать конструктивные элементы и рабочие параметры данного преобразователя .
Преобразователи с плоскими мембранами кроме электрических контактов могут использоваться совместно с индуктивными, ёмкостными, пьезоэлектрическими, магнитоупругими, пневматическими, тензометрическими и другими выходными преобразователями малых перемещений, что является их большим достоинством. Кроме того, преимуществами преобразователей давления с плоскими мембранами является конструктивная простота и высокие динамические свойства.
На рис. 1.13 приведена схема устройства предназначенного для контроля герметичности при малых и средних испытательных давлениях.
Рисунок 1.13 Схема контрольного устройства с двухвходовым трехмембранным усилителем
Здесь в пневматическом мосту, состоящем из постоянных дросселей 1 и 3, регулируемого дросселя 2 в измерительной диагонали применен элемент сравнения 5, выполненный на двухвходовом трехмембранном усилителе УСЭППА типа П2ЭС.1, глухая камера А которого соединена с линией противодавления, а глухая камера Б - соединена с измерительной линией. Выход элемента сравнения подключен к индикатору или пневмоэлектропреобразователю 6. Питание элемента сравнения осуществляется отдельно от моста и более высоким давлением. С помощью регулируемого дросселя 2 задается перепад давления между измерительной линией и линией противодавления пропорциональный максимально допустимой утечке. Если при осуществлении контроля величина утечки через объект 4 будет меньше допустимой, то давление ри в измерительной линии будет выше, чем противодавление рп, и сигнал на выходе элемента сравнения будет отсутствовать. Если величина утечки превышает допустимую, то давление в измерительной линии станет меньше противодавления, что приведет к переключению элемента сравнения и на его выходе появится высокое давление, это заставит сработать индикатор или пневмоэлектропреобразователь. Работу данной схемы можно описать следующими неравенствами. Для объектов контроля с допустимой величиной утечки:
(1.18)
Для объектов контроля с утечкой превышающей допустимую:
(1.19)
Данное устройство может быть использовано в автоматизированных стендах для контроля герметичности запорной арматуры. Дополнительным достоинством является простота реализации конструкции на типовых элементах пневмоавтоматики .
На рис. 1.14 приведено устройство для измерения и контроля утечки в объекте 4, в котором в измерительную диагональ моста подключен дифференциальный сильфонный преобразователь 5. Испытательное давление рк через постоянный дроссель 1 подается в сильфон б линии противодавления, а через постоянный дроссель 3-е сильфон 7 измерительной линии. Величина давления , соответствующая допустимой утечке задается регулируемым дросселем 2.
Сильфоны 6 и 7 соединены между собой рамкой, на которой закреплена система индикации, состоящая из стрелки 8 со шкалой 9 и пары регулируемых замыкающих электрических контактов 10. Настройка устройства осуществляется в соответствии с зависимостью:
(1.20)
Рисунок 1.14 Схема контрольного устройства с дифференциальным мембранным преобразователем
В случае появления утечки давление ри в сильфоне 7 начинает уменьшаться, и он сжимается, а сильфон 6 будет растягиваться, т.к. рп остается постоянным, при этом начнет перемещаться рамка и стрелка покажет величину утечки. Если утечка превысит допустимую, то соответствующее перемещение сильфонов замкнет электрические контакты 10, которые выдадут сигнал о браке объекта контроля.
Данное устройство может функционировать при среднем и высоком испытательном давлении. Оно может быть применено в автоматизированных стендах для контроля герметичности запорной арматуры высокого давления, где допускаются сравнительно высокие величины утечки и требуется измерение их абсолютных величин.
Выводы:
1. Применение пневматических мостовых схем совместно с различными типами дифференциальных преобразователей существенно расширяет возможности применения манометрического метода для автоматизации контроля герметичности.
2. Автоматизированные устройства для контроля герметичности на основе мостовых схем можно реализовывать на типовых логических элементах, а также серийных дифференциальных датчиках, применяемых для контроля различных технологических величин, что значительно ускоряет их создание и снижает стоимость.
ГЛАВА 2. Основные этапы проектирования устройств контроля герметичности запорной и распределительной газовой арматуры
2.1. Алгоритм проектирования автоматизированного оборудования
для контроля герметичности
При создании автоматизированных средств контроля герметичности газовой аппаратуры возникает ряд особенностей, обусловленных типом и точностными характеристиками применяемых датчиков герметичности, характером производства изделий – объектов испытания и их конструкцией, техническими условиями на контроль, требуемым уровнем автоматизации, переналадки, производительности.
Проведенные исследования позволили разработать рекомендации (представлены в виде алгоритма, изображенного на рисунке) по созданию автоматизированного оборудования для контроля герметичности на этапе его технического проектирования. Проектирование данного оборудования представляет задачу, которую целесообразно решать итерационным путем, поэтому первый проход алгоритма от начала до конца можно осуществлять приближенно, формулируя вопросы и данные, которые необходимы для принятия рационального решения на последующих итерациях.
На первом этапе осуществляется технологический анализ номенклатуры и объема партии изделий. При этом следует учитывать, что количество изделий в партии должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить необходимую загрузку проектируемого контрольного оборудования без его переналадки. Если производство многономенклатурное, а объем партии мал, то рекомендуется изделия различных производственных партий и типов объединять в группы по общим техническим условиям на контроль герметичности – это дает возможность использовать единую схему контроля и контрольно-измерительную аппаратуру, а также группировать по сходным конструкциям корпусов изделий и их входных каналов, что позволяет применять при проектировании общие уплотнительные элементы, загрузочные и фиксирующие устройства. Здесь же необходимо проанализировать пригодность конструкций изделий и требований технических условий на их испытания на герметичность для автоматизации данной операции.
1
да
автомат
полуавтомат
нет
нет
нет
нет
да
да
да
Начало
Технологический анализ
Определение требуемой производительности
Анализ пригодности изделий для автоматических операций
Переналаж. на контроль разных изделий
Выбор способа испытания и схемы контроля
Проектирование специального (переналаживаемого) контрольного блока
Оценка уровня автоматизации и выбор компоновочной схемы
Выбор типового загрузочного оборудования
Проектирование специального загрузочного оборудования
Выбор типового вспомогательного оборудования (тактовый стол, уплотнения, фиксатор и др.)
Проектирование специального вспомогательного оборудования
Выбор схемы подготовки воздуха и подачи испытательного давления
Синтез схемы управления
Экспертная оценка технической пригодности проекта
Экономическая оценка проекта
8
Конец
11
8
7
6
5
4
3
2
9
10
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Принятие окончательных решений по проекту
Рисунок 2.1 Алгоритм создания автоматизированного оборудования для испытаний на герметичность
Рациональное группирование изделий позволяет проектировать оборудование с максимальной производительностью и минимальной переналадкой на контроль различных типов изделий. Например, средства пневмоавтоматики высокого давления можно группировать по одинаковым техническим условиям на контроль утечки сжатого воздуха (по величине испытательного давления 0,63 МПа и 1,0 МПа, а также одинаковой допустимой утечке), по сходной конструкции входного пневмоканала – это позволяет использовать в разрабатываемом оборудовании в первом случае общий контрольный блок, а во втором – одинаковое уплотняющее устройство (торцевое или внутреннее манжетное [1]). Первый этап завершается определением производительности проектируемого оборудования, пример расчета которого рассмотрен в [1, 3].
На втором этапе проектирования определяется необходимость переналадки проектируемого устройства, которая должна предусматривать: возможность системы управления функционировать с учетом различного времени испытания изделий под давлением; перенастройку контрольно-измерительного блока на различные допустимые величины утечки пробного газа, а также на различные уровни испытательного давления. Затем следует осуществить выбор способа контроля и средств его реализации [4, 5]. Предварительно технические условия на проведение контроля герметичности должны быть рассмотрены при анализе технического задания. Здесь, как правило, предпочтение следует отдавать типовым, широкопредельным контрольно-измерительным устройствам. Но в отдельных случаях рекомендуется разработка специального контрольного блока, который в полной мере соответствует требованиям проектируемого автомата или полуавтомата, например, по требованию к переналаживаемости устройств, диапазону испытательного давления [6, 7].
На третьем этапе проектирования выбирается уровень автоматизации и переналаживаемости всего устройства.
К автоматам для испытания на герметичность относятся устройства, которые осуществляют весь процесс контроля герметичности, включая разбраковку, загрузку–разгрузку изделий без участия оператора [8, 9].
К автоматизированным устройствам (полуавтоматам) для контроля герметичности относятся устройства, в работе которых участвует оператор. Он может осуществлять, например, загрузку–разгрузку испытуемого изделия, разбраковку на «Годные» и «Брак» по информации контрольно-измерительного блока, снабженного автоматическим регистрирующим элементом. При этом общее управление устройством, включая привод транспортного приспособления, зажим–разжим (фиксация), уплотнение изделия, выдержка времени контроля и другие функции осуществляются автоматически. Перспективные схемы автоматизации контроля герметичности по манометрическому методу рассмотрены в [4, 5].
После оценки уровня автоматизации следующей важной задачей является выбор и анализ компоновочной схемы, которую следует вычертить в масштабе. Она позволяет рационально скомпоновать все устройства проектируемого оборудования. Здесь особое внимание следует уделить выбору позиции загрузки–разгрузки изделия, траектории перемещения загрузочного оборудования. Проблемы связаны с тем, что загружаемые изделия (объекты испытания), как правило, имеют сложную пространственную конфигурацию, поэтому трудно ориентируются, захватываются и удерживаются. Из-за этого требуется создание специального ориентирующего и загрузочно-разгрузочного оборудования, что не всегда приемлемо по экономическим причинам, поэтому ручная загрузка может оказаться рациональным решением. Как адекватное решение вопроса рекомендуется рассматривать применение промышленных манипуляторов и роботов.
Следующим важным этапом проектирования является выбор системы управления и синтез схемы управления. Здесь следует придерживаться рекомендаций и методик разработки систем управления технологическим оборудованием, приведенных в литературе [10].
Выбор схемы подготовки воздуха является достаточно простым, так как хорошо технически проработан. Но недооценка важности этого вопроса может привести к повышенной загрязненности сжатого воздуха (механическими примесями, водой или маслом), используемого в качестве пробного газа, что серьезно повлияет на точность контроля и надежность работы оборудования в целом. Требования к воздуху, используемому в пневматических контрольно-измерительных устройствах, изложены в ГОСТ 11662–80 «Воздух для питания пневматических приборов и средств автоматизации». При этом класс загрязненности должен быть не ниже второго по ГОСТ 17433–80. При выборе схемы подачи испытательного давления следует учитывать обязательную его стабилизацию с высокой точностью, необходимость подключения к поворотному тактовому столу или другому перемещающемуся оборудованию, а также одновременное питание большого количества блоков контроля.
На завершающем этапе осуществляется экспертная оценка проекта автоматизированного устройства для контроля герметичности. Здесь целесообразно давать оценку проекту коллегиально, по определенным критериям, с привлечением специалистов подразделения, где предполагается внедрение разрабатываемого устройства. Затем проводится экономическая оценка проекта. На основании сделанных заключений принимаются окончательные решения о дальнейшей разработке рабочей документации, создании и внедрении автоматического или автоматизированного устройства для контроля герметичности по данному проекту.
Необходимо отметить, что по многим вопросам проектирование автоматических устройств для контроля герметичности сходно с проектированием автоматического оборудования для линейных измерений, размерной сортировки, сборки и т. п. [10]. Однако имеются и определенные особенности, которые рассмотрены в литературе.
На основании приведенных рекомендаций были разработаны оригинальные конструкции автоматизированных стендов для контроля герметичности газовой аппаратуры, которые защищены патентами [11,12]. Кроме того, рассмотренный алгоритм может служить основой для разработки программы, позволяющей автоматизировать проектирование соответствующего оборудования для контроля герметичности.
2.2 Схемы и принцип работы устройств по контролю герметичности манометрическим методом.
При изготовлении газовой трубопроводной арматуры для промышленной и бытовой техники завершающим этапом ее производства является контроль параметра «герметичность», который заключается в обнаружении недопустимых утечек газа при работе этих устройств. К газовой трубопроводной арматуре относятся клапаны, вентили, краны газовых плит и др. Исключение утечек газа при функционировании трубопроводной арматуры повышает надежность, экономичность, безопасность и экологическую чистоту как производственной, так и бытовой газовой техники.
Однако контроль герметичности трубопроводной арматуры низкого давления обусловлен рядом проблем, связанных как с трудоемкостью процесса контроля, так и конструктивными особенностями этих изделий. Так при контроле на герметичность кранов бытовой газовой плиты величина испытательного давления ограничена 0,015 МПа [3]. Данное условие контроля объясняется тем, что при более высоком испытательном давлении разрушается вязкое графитовое уплотнение, разделяющее рабочие полости крана. Контроль герметичности известными средствами при таком низком испытательном давлении не гарантируют требуемой точности и производительности.
Решение этих проблем в условиях крупносерийного производства газовой трубопроводной арматуры возможно за счет выбора рационального способа контроля герметичности и автоматизации процесса контроля. Анализ особенностей контроля герметичности трубопроводной арматуры низкого давления, например, для бытовой газовой техники с точки зрения точности и возможности автоматизации испытаний, позволил выделить две перспективные схемы, реализующие манометрический метод контроля. Данный метод заключается в создании обусловленной требованиями контроля величины испытательного давления в полости контролируемого изделия с последующим сравнением величины давления в начале и в конце испытаний. Показателем негерметичности изделия является изменение испытательного давления на определенную величину в течение установленного условиями контроля промежутка времени. Как показали исследования этот метод целесообразно применять при контроле герметичности изделий с рабочими объемами не более 0,5 л, так как при увеличении объема испытуемой камеры значительно увеличивается время контроля [32].
Одна из принципиальных схем устройства контроля герметичности по падению испытательного давления приведена на рис. 1. Воздух от источника давления через фильтр 1 и стабилизатор 2, посредством которого и по манометру 3 устанавливается требуемое входное давление 0,14 МПа, подается к входному штуцеру пневмотумблера 4. С выхода пневмотумблера 4 воздух одновременно поступает в измерительную линию устройства и мембранную камеру 15 зажимного приспособления 11. Измерительная линия устройства построена по принципу равновесного моста с эталонной и измерительной цепями.
Эталонная цепь состоит из последовательно соединенных нерегулируемого пневмосопротивления 7 и регулируемого пневмосопротивления 8, которые образуют дроссельный делитель (показан пунктиром). Измерительная цепь образована нерегулируемым пневмосопротивлением 9 и контролируемым краном 13. В эталонную и измерительную цепи сжатый воздух поступает под испытательным давлением 0, 015 МПа, которое устанавливается задатчиком 5. В диагональ измерительного моста включен элемент сравнения 6, выход которого соединен с пневматическим индикатором 14. Питание элемента сравнения 6 производится сжатым воздухом под давлением 0,14 МПа. С помощью регулируемого пневмосопротивления 8 и эталонной цепи задается допустимая величина утечки. Давление из дроссельного делителя подводится в нижнюю глухую камеру элемента сравнения 6. Верхняя глухая камера этого элемента соединена с каналом между пневмосопротивлением 9 и контролируемым краном 13. После установки контролируемого крана 13 и его зажима в приспособлении 11 в измерительной цепи установится давление, пропорциональное величине утечки воздуха через контролируемый кран 13.
Рисунок 2.2. Схема устройства контроля герметичности по падению
испытательного давления
Если величина утечки меньше допустимой, то давление будет выше эталонного, и сигнал на выходе элемента сравнения 6 будет отсутствовать, т.е. испытуемый кран 13 считается герметичным. В случае, когда величина утечки превышает допустимую, то давление станет меньше эталонного, что приведет к переключению элемента сравнения 6 и на его выходе появится высокое давление, о чем будет сигнализировать пневматический индикатор 14. В этом случае испытуемый кран 13 считается негерметичным. Для установки и уплотнения крана 13 в контрольном устройстве применено зажимное приспособление 11, содержащее закрепленный на мембране камеры 15 полый шток 10, по которому в полость контролируемого крана 13 поступает испытательное давление. При этом на шток 10 одета эластичная резиновая втулка 12. После подачи сжатого воздуха в мембранную камеру 15 шток 10 перемещается вниз. При этом резиновая втулка 12 сжимается и, увеличиваясь в диаметре, плотно прилегает к внутренней поверхности контролируемого крана 13, обеспечивая надежное уплотнение соединения на время испытания. Расфиксация проконтролируемого крана 13 и подготовка зажимного приспособления 11 для установки следующего крана осуществляется переключением пневмотумблера 4. Работу схемы данного устройства можно описать следующими уравнениями:
для объектов контроля с допустимой величиной утечки испытательного газа, т.е. которые считаются герметичными
( 2.1)
для объектов контроля с утечкой испытательного газа превышающей допустимую, т.е. которые считаются негерметичными
< (2.2)
где У – суммарная утечка индикаторного газа; t – время контроля; V– контролируемый на герметичность объем в объекте; – давление в измерительной цепи; – величина давления в эталонной цепи.
На рис. 2 приведена принципиальная схема устройства контроля герметичности изделий, имеющих две смежные полости, между которыми возможна утечка газа. Устройство состоит из системы управления, которая содержит реле времени 1, триггер со счетным входом 2 и коммутирующую кнопку 3. При этом реле времени 1 подключено к электромагнитным приводам вентилей. 4 и 5, инверсный выход триггера 2 – к приводам клапанов 6 и 7, каналы которых соединены с датчиками давления 8 и 9, а также с полостями П1 и П2 контролируемого изделия 11. Выходы датчиков 8 и 9 подключены к отсчетному блоку 10. Устройство работает следующим образом. После выдачи входного сигнала кнопкой 3 на реле времени 1 открываются вентили 4 и 5. Этим обеспечивается подключение полости контролируемого изделия 11 через нормально открытый канал клапана 6 к источнику вакуума и полости П2 через нормально открытый канал клапана 7 – к источнику избыточного давления газа.
Рисунок 2.3. Схема с изменением направления перепада давления
в контролируемом изделии.
После того, как в полости П1 создастся заданный требованиями контроля уровень вакуума (0,015 МПа), а в полости П2 – заданный уровень избыточного давления (0,015 МПа), происходит срабатывание реле времени 1 и отключаются вентили 4 и 5. С этого момента начинается процесс контроля герметичности изделия 11. Результат контроля определяется по показаниям отсчетного блока 10, сравнивающего сигналы от датчика 8, контролирующего повышение давления в полости П1, и датчика 9, контролирующего понижение давления в полости П2. В случае обнаружения негерметичности испытание прекращается и изделие бракуется. Если датчики 8 и 9 не регистрируют нарушение герметичности изделия 11, то осуществляется второй этап испытания. Выдается повторный входной сигнал на реле времени 1 и триггер 2. При этом сигнал управления появится на инверсном выходе триггера 2 и переключит клапаны 6 и 7, а реле времени 1 повторно включит вентили 4 и 5. Полость П1 контролируемого изделия 11 окажется подсоединенной к источнику избыточного давления газа, а полость П2 – к источнику вакуума. На этом этапе испытаний в полости П1 контролируется понижение давления, а в полости П2 – повышение давления газа. Если датчики 8 и 9 не зарегистрируют негерметичность изделия 11 и на втором этапе испытаний, то оно считается годным.
Особенностью реализуемого в устройстве способа контроля герметичности [15] является создание двукратного изменения направления перепада давления в контролируемом изделии, т.е. проведение испытаний в два этапа для учета различных условий истечения газа в разных направлениях через микродефекты в уплотнительном элементе контролируемого изделия при их наличии. Кроме того, создание разрежения в одной полости и избыточного давления в смежной полости не превышает абсолютной величины допустимого давления на уплотнительный элемент, но при этом создает в два раза больший перепад давления в местах возможной утечки газа. Это позволяет повысить надежность и точность контроля герметичности газовой арматуры, уменьшить его продолжительность.
Схемы и принцип действия рассмотренных устройств допускают автоматизацию процесса контроля герметичности газовой арматуры, что позволит существенно увеличить производительность испытаний и практически исключить выпуск негерметичных изделий.
2.3 Моделирование манометрического метода контроля герметичности газовой запорной и распределительной арматуры.
Манометрический метод контроля герметичности – это метод неразрушающего контроля, основанный на регистрации изменений показаний манометрического устройства, обусловленного проникновением сжатого воздуха или другого индикаторного газа через сквозные дефекты контролируемого изделия. Этот метод наиболее часто используется для создания устройств контроля герметичности газовой запорной арматуры [1].
Физическая модель, реализующая манометрический метод контроля герметичности, представляет собой камеру, на входе которой – регулируемый турбулентный дроссель, на выходе – регулируемый ламинарный дроссель, в качестве которого может быть использована регулируемая течь. Изменять объем камеры можно посредством подвижного штока с поршнем, которые снабжены фиксатором положения. Тарированная шкала, нанесенная на штоке, позволяет с достаточной точностью изменять объем камеры. Для превращения камеры из проточной в глухую на входе установлен запорный клапан. Давление на входе и в самой камере определяется посредством образцовых манометров. Такая модель позволяет с высокой точностью строить графики, характеризующие манометрический метод контроля герметичности: зависимость перепада давления в камере от времени, величины испытательного давления, изменения температуры испытательного газа, объема камеры. Если учесть, что перепад давления в камере есть мера величины утечки, характеризующей герметичность объекта, то становится ясным важность физической модели манометрического метода контроля для разработки средств контроля.
Динамическую модель манометрического метода контроля герметичности можно представить в виде дифференциального уравнения
, (2.3)
где V – объем камеры; R – газовая постоянная; T– абсолютная температура; p – начальное давление в камере; dt – время, за которое давление в камере изменяется в переходном процессе на величину dp; S – площадь дросселя или течи, через которую происходит утечка сжатого газа.
Модель манометрического метода контроля герметичности в интегральном виде описывается уравнением, характеризующем экспоненциальный закон утечки сжатого газа из испытуемой емкости
, (2.4.)
где – исходное давление в камере при t=0; – давление в камере через время t.
Динамическая модель хорошо согласуется с графической характеристикой манометрического метода, что дает возможность после соответствующих преобразований получить зависимость
, (2.5)
где – перепад испытательного давления; – суммарная утечка сжатого газа в испытуемом объеме;– время испытания.
Зависимость (2.5.) отражает сущность манометрического метода и позволяет создавать различные устройства для автоматического контроля герметичности.
Проведенный конструктивно-функциональный анализ датчиков герметичности с улучшенными рабочими характеристиками [24,37] показал, что они содержат одинаковый преобразователь давления в перемещение в виде мембраны с жестким центром и мембранной полости, в которую подается пробный газ, сходные по конструкции фрикционные элементы и пружину. Они отличаются только преобразователями перемещения в электрический выходной сигнал. В первом типе датчика – это электроконтактная пара, которая выдает дискретный выходной сигнал, во втором – индуктивный преобразователь, состоящий из соленоида и сердечника, обеспечивающего непрерывный выходной сигнал. Следовательно, в этих устройствах действуют сходные движущие усилия, силы сопротивления, и они описываются одинаковыми математическими зависимостями. Это позволяет использовать для датчиков этого типа обобщенную расчетную схему и разработать типовую математическую модель.
Расчетная схема датчика герметичности представлена на рис. 1, на котором изображены мембрана 1 с жестким центром 2, сердечник 3, соленоид 4, пружина 5, пневматическая камера 6, мембранная полость 7.
6
хо
3
1
2
4
5
7
Рисунок 2.4 Расчетная схема датчика герметичности
При подаче давления на мембрану действует активная сила
, (2.6)
где р – давление в мембранной полости; – эффективная площадь мембраны.
Одновременно на мембрану действует пассивная сила
, (2.7)
где – сила, создаваемая пружиной; – усилие первоначального поджима; с – коэффициент упругости; х – величина перемещения мембраны; – сила, создаваемая атмосферным давлением; – сила трения; – коэффициент, учитывающий направление силы трения; – давление в полости пневматической мембраны; – площадь контакта соленоида с пневматической камерой; – коэффициент трения скольжения материала пневматической камеры и поверхности соленоида; – коэффициент вязкого трения; v – скорость подвижных частей.
Тогда ускорение подвижных частей датчика массой m равно
. (2.8)
Уравнение приращения давления в мембранной полости имеет вид
, (2.9)
где dt – постоянная интегрирования; – начальное положение мембраны; G – массовый расход газа.
Система уравнений является математической моделью датчиков герметичности с улучшенными рабочими характеристиками. Ее решение представлено в виде алгоритма. Разработанные математическая модель и алгоритм расчета позволяют определять при проектировании датчиков герметичности данного типа параметры их основных узлов и элементов.
В результате моделирования выявлены недостатки конструкции используемого в датчиках фиксирующих устройств, выполненных в виде фрикционного кольца и пневматической камеры, установленных в корпусе и имеющих непосредственный поверхностный контакт с подвижным элементом преобразователя перемещения в электрический сигнал. Это приводит к их быстрому износу, что существенно уменьшает срок службы всего датчика. Целенаправленное изменение схемы фиксирующего устройства позволило не только устранить указанный недостаток, разработав оригинальную конструкцию, но и улучшить технологичность датчика.
Рисунок 2.5 Алгоритм расчета датчика герметичности
Разработанная математическая модель и алгоритм расчета датчиков герметичности позволяют не только оценить их характеристики на стадии проектирования, но и могут быть использованы как основа для создания САПР средств автоматического контроля герметичности газовой запорной арматуры.
Согласно данному алгоритму написана программа моделирования манометрического метода контроля герметичности.
Общие технические характеристики индуктивных датчиков.
Оптимальные размеры объекта (пластины) – не менее величины диаметра датчика. При использовании отличных от стали материалов почти всегда получаются меньшие расстояния срабатывания (Sn): хром и никель = 0.9Sn; латунь = 0.5Sn; алюминий и медь = 0.4Sn.Для металлической фольги и измерительных пластин в специальном исполнении требуются контрольные измерения. Объектом могут служить отдельные фрагменты оборудования – зубья шестерен, кулачки, ползуны и прочее.
Для всех коммутирующих датчиков необходим гистерезис для устранения дребезга выходов. У индуктивных выключателей гистерезис получается от разности рабочих расстояний до объекта при приближении и удалении измерительной пластины и составляет ок. 10% от номинального расстояния срабатывания.
Время включения должно быть в два раза меньше времени выключения.
Датчики при монтаже не заподлицо обеспечивают наибольшее расстояние срабатывания. При этом в окружающем металле требуется наличие минимальной выемки. При этом: боковой промежуток = диаметру датчика, глубина = удвоенному номинальному расстоянию срабатывания.
Смонтированные близко друг к другу датчики взаимно влияют друг на друга, поэтому необходимо соблюдать минимальные расстояния.
Не рекомендуется применять выключатели с незащищенным кабелем в агрессивной среде и СОЖ, некоторые виды которых вызывают отвердевание поливинилхлоридной оболочки кабеля. Датчики индуктивности с подвижным сердечником содержат две одинаковые катушки, расположенные на одной оси. Внутри катушек перемещается сердечник цилиндрической формы, связанный с измерителем. Если сердечник расположен симметрично относительно катушек, то индуктивные сопротивления катушек одинаковы. При перемещении сердечника в ту или другую сторону изменяется индуктивность катушек. При этом индуктивность той катушки, в сторону которой переместился сердечник, растет, а другой – уменьшается. Соответственно изменяется сила токов, проходящих через катушки.
Индуктивные бесконтактные датчики надежны и просты в эксплуатации. Могут работать при воздействии шумов, света, диэлектрической пыли и жидкостей, например, машинного масла. Имеют четко очерченную активную зону. При попадании в активную зону датчика любого металлического предмета, происходит изменение логического состояния выходного коммутирующего элемента датчика, в качестве которого может использоваться PNP или NPN транзистор или тиристор (при работе датчика на переменном токе). Конструктивно все модели делятся на два типа: цилиндрические (PM) и прямоугольные (PS).
ГЛАВА 3. Разработка конструкции стенда по проведению испытаний на герметичность запорной и распределительной арматуры.
На основании результатов выполненных исследований метода и технологического процесса контроля и регулирования расхода газа через кран разработана конструкция стенда автоматизированного для контроля и регулирования.
3.1 Компоновка и техническая характеристика стенда.
Стенд полуавтоматический с шестью рабочими позициями обслуживается одним оператором. Представляет собой установку настольного типа, к которой подводится питание от сети переменного тока напряжения 220 В, с частотой 50Гц и сжатый воздух от магистрали давлением 0.4 МПа.
Рисунок 3.1 Стенд автоматизированный вид сверху.
Основание стенда выполнено в виде поворотного стола пошагового действия, на котором закреплены шесть модулей регулирования. Состоящие из кронштейна с механизмом регулирования, установленным на ползуне, перемещаемом в направляющих с помощью пневмоцилиндра и включающим реверсивный двигатель, винтовертную головку в виде подпружиненной отвертки с направляющей втулкой, а также позиция предварительной продувки кранов, выполненная в виде клапана.
Работа начинается с подключения стенда к сети переменного тока напряжением 220 В и питания сжатым воздухом от заводной магистрали. Затем необходимо проверить и при необходимости отрегулировать с помощью редуктора давление питания блоков контроля и силовых элементов стенда на давление . Перед контролем и регулировкой крана необходимо его продуть. Для этого кран торцем бокового штуцера устанавливается на позицию продувки и нажатием клапана осуществляется кратковременная продувка (2…3 с). После продувки необходимой для освобождения каналов от излишней уплотнительной смазки, кран устанавливается на одну из рабочих позиций. Ползун с электродвигателем и отверткой должен находится в верхнем крайнем положении. Отвертка, посредством направляющей втулки вводится в отверстие стержня крана после чего осуществляется зажим. После зажима крана включается система регулирования. В зависимости от положения регулировочного винта электродвигатель вращает винт до положения норма, после чего вращение двигателя прекращается. Кронштейн с электродвигателем отводится в крайнее верхнее положение, а отрегулированный кран удаляется в тару годной продукции. Наличие шести рабочих позиций на стенде позволяет увеличить производительность стенда.
3.2. Принцип работы стенда по испытанию на герметичность газовой запорной и распределительной арматуры.
Основой модернизированного испытательного стенда является программируемый логический контроллер. Рассмотрим операции контроля и управления технологическим процессом испытания изделия на герметичность.
Предварительная продувка необходима для освобождения каналов от излишней уплотнительной смазки. Предварительная продувка осуществляется в ручном режиме и не имеет каких-либо связей с управляющей системой стенда. В дальнейшем возможно частичная или полная автоматизация данной операции. После продувки кран устанавливается на одну из рабочих позиций.
Перед осуществлением операции «Зажим-фиксация» отвертка и ползун с электродвигателем перемещаются в верхнее крайнее положение. Подается сигнал начала операции «Зажим - фиксация», отвертка посредством направляющей втулки вводится в отверстие стержня крана, после чего осуществляется зажим.
3.2.2.1 Расчет схемы зажима, фиксации и уплотнения крана.
При установке крана на контрольно-измерительную позицию необходимо зажать в определенном положении, зафиксировать стержень 4 (рисунок 1) от возможного поворота и уплотнить место подключения к пневматической сети от возможности утечки или подсоса воздуха.
Схема, позволяющая осуществить все выше указанные операции, приведена на рисунке 22. Здесь кран 1 установлен в вертикальном положении посредством направляющих 2 и зажат в осевом направлении усилием . Стержень крана фиксируется по имеющейся на нем лыске 3. уплотнение осуществляется эластичным уплотнителем 4 под действием уплотняющего усилия . При этом при относительно небольших усилиях достигается практически полное прилегание поверхности эластичного материала к жесткой поверхности крана. Благодаря этому достигается высокая степень герметизации в месте подключения пневмосети даже при низком качестве поверхности сопрягаемых деталей крана. Таким образом, исключается подсос воздуха в месте сопряжения.
Рисунок 3.2 Схема контрольно-измерительной позиции.
Материал, используемый для эластичного уплотнителя, должен обладать малым модулем упругости, большой зоной упругих деформаций, малой остаточной деформацией, однородностью механических свойств по объему материала, большой ударной вязкостью, способностью сохранять высокий класс чистоты поверхности в процессе эксплуатации, обладать химической инертностью по отношению к воздуху и графитовому уплотнению крана. Учитывая все особенности разработанной схемы, в качестве материала уплотнителя принята резина [18].
Величина усилия, необходимого для обеспечения герметичного уплотнения крана в месте подключения к пневмосети посредством эластичного уплотнителя, зависит от рабочего давления воздуха, диаметра крана в месте сопряжения, класса чистоты сопрягаемой поверхности.
Для обеспечения герметичности места подключения крана в рабочих условиях (при действии давления среды) требуется усилие зажима
, (3.1)
где - расчетное усилие зажима крана в рабочих условиях в кгс;
- реакция уплотнения в момент нарушения герметичности в кгс;
- усилие, создаваемое давлением воздуха в месте уплотнения в кгс.
Реакция уплотнения в момент нарушения герметичности для круглых уплотнителей определяется по формуле:
, (3.2)
где - средний диаметр уплотнения в см;
- ширина уплотнения в см;
- минимальное герметизирующее удельное давление (удельная реакции прокладки в момент нарушения герметичности) в кгс/см2.
Величина минимального удельного герметизирующего давления для резины:
, (3.3)
где - расчетное давление воздуха в кгс/см2.
Тогда
Размеры поперечного сечения места сопряжения крана и резинового уплотнителя должно удовлетворять следующим условиям:
(3.4)
(3.5)
(3.6)
где - толщина уплотнителя в см;
- модуль упругости резины, кгс/см2 [20];
- пробное давление при испытании уплотнения на герметичность, равное , в кгс/см2.
Если хоть одно из условий не удовлетворяется, следует увеличить отношение .
Усилие , создаваемое давлением воздуха вместе уплотнения определяется по формуле:
, (3.7)
Подставив значение из формулы (3.2) и из формулы (3.7) в формулу (3.1), получим величину усилия необходимого для герметичного уплотнения места подключения крана к пневмосети контрольно-регулировочного блока:
(3.8)
Таким образом (3.9)
3.2.2.2 Разработка блока зажима, фиксации и уплотнения крана.
Для качественного поведения процесса регулирования крана по принятой схеме контроля необходимо обеспечить надежный зажим, фиксацию от поворота и уплотнение в месте подключения крана к пневмосети на протяжении всего технологического цикла. Анализ изделия и исследование схемы позволяют спроектировать и изготовить блок зажима, фиксации и уплотнения как составную часть рабочей позиции регулирования крана. В блоке все три операции совмещены и осуществляются за счет одного вертикального усилия. При этом уплотнение происходит по торцу крана путем его прижатия к эластичной герметизирующей прокладке; фиксация осуществляется по лыске не стержне крана, а зажим – нажатием на корпус.
Блок зажима, фиксации и уплотнения крана приведена на рисунке 3.3
Рисунок 3.3 Схема зажима крана в измерительном модуле пневматическая.
Все устройства блока смонтированы на планшайбе 1. На планшайбе 1 крепится направляющая 2, типа «ласточкин хвост», в которой перемещается каретка 3. На каретке по средством кронштейна 4 крепится реверсивный электродвигатель 5, а валу которого закреплена вынтовертная регулирующая головка, состоящая из муфты, подвижной подпружиненной в осевом направлении отвертки 7. Винтовертная головка вставлена в о втулку 10, которая свободно перемещается в направлении кронштейна11, установленного на каретке 3. Первое отверстие втулки 10 служит направляющей для винтовертной головки, второе отверстие – направляющей для стержня крана, специальный винт 12, установленный во втулке 10 обеспечивает фиксацию крана по лыске на его стержне и от поворота. Соосно винтовертной головке на планшайбе 1 установлена втулка 13 с эластичным герметизирующим элементом 14, осуществляющим уплотнение крана, и штуцером 15, к которому подключен блок контроля. Зажим и регулирование крана осуществляется при перемещении каретки 3 в крайнее нижнее положение посредством пневмоцилиндра 16, установленного на планшайбе 1, шток которого посредством кронштейна 17 скреплен с кареткой 3. управление пневмоцилиндром 16 осуществляется посредством кнопки 18, установленной на панели управления стенда. Установка крана осуществляется при крайнем верхнем положении каретки 3 и отведенной вверх втулке 10.
После завершения фиксации изделия на вход ПЛК подается сигнал «Завершение операции Зажим-Фиксация».
Стол поворотный состоит из корпуса , в котором установлена планшайба, предназначенная для монтажа основного и вспомогательного оборудования. В корпусе смонтирован привод шагового поворота планшайбы на угол 60º.
Для использования данного поворотного устройства в нашем стенде необходимо его немного модернизировать, а именно увеличить диаметр планшайбы, сделать в ней соответствующие технологические отверстия, а также увеличить высоту ножек корпуса для соответствующего расположения частотного преобразователя.
Для более удобного расположения соответствующих регулировочных модулей диаметр планшайбы необходимо увеличить до 750 мм. Так же в планшайбе необходимо сделать 12 технологических отверстий из которых:
Вращение планшайбы испытательного стенда осуществляется от асинхронного короткозамкнутого двигателя. Выходной вал электродвигателя соединен с осевым валом планшайбы через редуктор с целью уменьшения частоты вращения и увеличения момента на выходном валу.
Контроль и управление скоростью вращения планшайбы обеспечивает частотный преобразователь. Питание осуществляется от однофазной цепи 220 Вольт.
Двигатель снабжен электромагнитным (механическим тормозом) для фиксации планшайбы в моменты остановки.
Планшайба обладает достаточно небольшими габаритами (750 мм в диаметре) и массой, для обеспечения быстрого эффективного торможения электродвигателя нет необходимости в использование тормозного резистора. Частотный преобразователь можно использовать без тормозного транзистора.
Изменение скорости вращения планшайбы осуществляется плавно, с панели оператора при помощи потенциометра (непосредственно в частотный преобразователь или через контроллер) и/или на графическом терминале (задается в об/мин, контроллер осуществляет перевод в Гц).
На рисунке 3.4 изображено подключение силовых и цепей управления.
Рисунок 3.4 - Подключение силовых и цепей управления к частотному преобразователю
При использовании электрооборудования не исключены случаи нарушения изоляции токоведущих проводов и возможность прикосновения к ним. Для защиты человека и самой электрической сети существует множество устройств защиты. Все устройства защиты разработаны для защиты от определенной неисправности электросети.
Автомат защиты обеспечивает протекание тока в нормальном режиме и автоматически отключает (обесточивают) электрическую цепь при аварийных ситуациях: коротком замыкании и перегрузке.
Для пуска и разгона электродвигателя до номинальной скорости, обеспечения его непрерывной работы, отключения питания и защиты электродвигателя и подключенных цепей от рабочих перегрузок используется электромагнитный пускатель. Пускатель представляет собой контактор, комплектованный дополнительным оборудованием: тепловым реле, дополнительной контактной группой или автоматом для пуска электродвигателя, плавкими предохранителями.
С целью защиты ПЧ (диодов и тиристоров выпрямителя) и сети, от бросков тока при переходных процессах в питающей сети и нагрузке ПЧ, особенно при резком скачке сетевого напряжения, который может произойти при отключении асинхронного двигателя, необходимо использовать сетевой дроссель.
В соответствии с требованиями электромагнитной совместимости, для предотвращения распространения высокочастотных помех по силовым кабелям устанавливается радиочастотный фильтр.
Моторный дроссель устанавливается на выходе ПЧ и обеспечивает:
1) подавление высокочастотных гармоник в токе двигателя. Формирование синусоидального тока в обмотках двигателя осуществляется ПЧ с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) напряжения по синусоидальному закону. При низких частотах ШИМ высокочастотные пульсации моторного тока могут достигать до 5-10%. Высокочастотные гармоники тока вызывают дополнительный нагрев двигателя.
2) ограничение амплитуды тока короткого замыкания. При внезапном коротком замыкании на выходе ПЧ ток короткого замыкания увеличивается не внезапно, так как в контуре тока К.З. есть индуктивности (L моторного дросселя + паразитные индуктивности моторного кабеля). При достижении током К.З. порога срабатывания защиты ПЧ, двигатель обесточивается. Так как время срабатывания защиты отлично от нуля, то максимальное значение тока К.З. при использовании моторного дросселя реально намного меньше максимального значения тока без дросселя. Без моторного дросселя многие ПЧ не способны защитить транзисторы ПЧ от одного или нескольких внезапных К.З на выходе ПЧ.
3) снижение скорости нарастания аварийных токов короткого замыкания и задерживают момент достижения максимума тока короткого замыкания, тем самым обеспечивают необходимое время для срабатывания цепей электронной защиты ПЧ;
4) компенсацию емкостных токов длинных моторных кабелей, то есть не дают развиваться большим емкостным токам и соответственно препятствуют ложным срабатываниям защиты ПЧ от сверхтоков;
5) снижение выбросов напряжения на обмотках двигателя. При питании асинхронного двигателя от преобразователя частоты к обмоткам двигателя прикладывается импульсное напряжение со значительными пиками перенапряжений, суммарная величина которых, превышает амплитуду номинального напряжения питания асинхронного двигателя. Это может вызвать пробой изоляции обмоток двигателя, особенно при его длительной эксплуатации, когда изоляция обмоточных проводов и обмоток теряет свои первоначальные изоляционные свойства. Ниже приведена таблица рекомендуемых моторных дросселей для различных типономиналов преобразователей.
На рисунке 3.5 показаны элементы питающей цепи двигателя.
Рисунок 3.5 – Питающая цепь двигателя
На частотный преобразователь из вышестоящей системы управления (от программируемого логического контроллера) приходят команды управления («Пуск», «Стоп») и задание частоты вращения. В обратном направлении частотный преобразователь отправляет управляющему контроллеру сообщение о случившейся аварийной ситуации.
Для осуществления обмена командами и сигналами между частотным преобразователем и программируемым логическим контроллером необходимо использовать один из следующих вариантов:
Использование сигнальных модулей ПЛК и встроенных клемм управления частотного преобразователя.
Команды «ПУСК», «СТОП» с дискретного выхода контроллера поступают на дискретный вход частотного преобразователя.
Сигнал «АВАРИЯ ПЧ» с дискретного выхода частотного преобразователя поступает на дискретный вход ПЛК.
Задание частоты (ток 4-20 мА или напражение 0-10 В) с аналогово выхода
ПЛК поступает на аналоговый вход частотного преобразователя.
В данном варианте используются 2 выходных и 1 входной дискретный, а также
Программируемый логический контроллер
Модуль ЦПУ
Модуль дискретных входов
Модуль дискретных выходов
Модуль аналоговых выходов
ПЧ
Команды Пуск/Стоп
Сигнал Авария
Задание частоты
Рисунок 3.6 Выходной аналоговый сигнал.
Команды «ПУСК», «СТОП», сигнал «АВАРИЯ», задание частоты перемещаются в область памяти, зарезервированную производителем частотного преобразователя (конкретные адреса памяти указываются в инструкции по программированию частотного преобразователя).
Программируемый логический контроллер
Коммуникационный модуль
Модуль ЦПУ
Модуль дискретных входов
Модуль дискретных выходов
Модуль аналоговых выходов
ПЧ
Команды Пуск/Стоп
Сигнал Авария
Задание частоты
Рисунок 3.7 Создание сети Modbus-RTU.
Режим с линейной зависимостью между напряжением и частотой (U/f=const) реализуется преобразователем частоты для обеспечения постоянного момента нагрузки.
При использовании клемм управления необходимо произвести их конфигурирование (в соответствии с электрической принципиальной схемой задать клеммам функции «Пуск», «Стоп», «Авария»)
В случае управления по сети Modbus-RTU настроить параметры связи (время таймаута, скорость передачи данных, паритет и др.)
Параметризация осуществляется с панели частотного преобразователя или с персонального компьютера.
Позиционирование планшайбы возможно реализовать тремя способами.
1. Использование абсолютного энкодера на валу планшайбы для отслеживания текущего положения.
Энкодер передает в контроллер текущее угловое положение планшайбы. В данном варианте необходимо предусмотреть наличие в ПЛК входов выскоскоростных счетчиков для обработки сигналов энкодера. Энкодер выбирается программируемый, что даст возможность запараметрировать его на необходимое число импульсов на оборот (в диапазоне 100-10000). На основе полученных данных контроллер осуществляет сравнение значения углового положения с заранее запрограммированными пороговыми значениями точек остановки планшайбы. В случае равенства значения текущего углового положения планшайбы и значения точки остановки, контроллер подает сигнал «Стоп» на частотный преобразователь.
На рисунке 3.8 показано подключение энкодера к высокоскоростному входу ПЛК.
Рисунок 3.8 - Подключение энкодера к высокоскоростному входу ПЛК
Для функционирования данной схемы необходимо разместить на внешнем крае планшайбы сигнальные флажки в точках размещения изделия. При появлении сигнала от датчика контроллер вырабатывает сигнал «Стоп». Подбор датчика осуществляется на основе замера необходимой величины срабатывания датчика (растояние от чувствительного элемента преобразователя до металлического объекта на планшайбе). После установки датчика производится его калибровка до получения устойчивого сигнала.
Индуктивный трехпроводный датчик подключается в зависимости от типа pnp или npn по следующей схеме:
Рисунок 3.9 - Подключение трехпроводного индуктивного датчика pnp-типа
Рисунок 3.10 - Подключение трехпроводного индуктивного датчика npn-типа
В роли нагрузки выступает дискретный вход контроллера.
Использование концевого выключателя в месте регулирования.
Данный способ имеет недостаток: концевой выключатель в следствии частого механического контакта с элементами планшайбы имеет ограниченный срок эксплуатации.
После осуществления всех необходимых действий с испытуемым изделием, на контроллер подается сигнал продолжения движения. В случае выполнения всех условий запуска, контроллер подает сигнал «Пуск» частотному преобразователю.
Время полного оборота планшайбы и угол поворота задается оператором с графического терминала.
Перед испытанием партии изделий необходимо задать с графического программируемого терминала условия контроля:
1. Номинальный расход;
2. Время контроля (в диапазоне 1-999 с., с дискретностью 1 с);
3. Допустимую не герметичность.
Сигналом начала контроля, является сигнал «Завершение операции Зажим-Фиксация» или команда запуска в ручном режиме.
Контроль герметичности осуществляется при помощи прибора АКГ-1.
Прибор выполняет следующие функции:
Программируемый логический контроллер
Коммуникационный модуль
Модуль ЦПУ
Модуль дискретных входов
Модуль дискретных выходов
Модуль аналоговых выходов
АКГ-1
Команды управления
Сигналы индикации
Параметры техпроцесса
Прин
я основан на
Рисунок 3.11 Передача информации управляющему контроллеру
- анализ темпа изменения давления газа на участке течение заданного интервала времени.
Интервал времени зависит от расхода газа, контролируемого объема, входного давления и величины допустимой не герметичности.
Функциональная схема контроля герметичности приведена на рисунке 3.12:
Рисунок 3.12 - Функциональная схема контроля герметичности
Y1 - Предохранительно-запорный клапан, , ВР1 - датчик давления, SP1 - реле давления
При подаче электрического питания система контроля проводит тест- самоконтроль. Если обнаружена неисправность, выдаётся сигнал БЛОКИРОВКА и включается в мигающем режиме индикатор КОНТРОЛЬ. После нормального завершения теста производится опрос входа КОНТРОЛЬ, при его замыкании включается индикатор КОНТРОЛЬ и считывается состояние кодового переключателя ИНТЕРВАЛ и ПОРОГ, которые задают временной интервал «Т1» контроля герметичности и допустимую не герметичность. Если ошибочно задан нулевой интервал, выдаётся сигнал БЛОКИРОВКА и включается в мигающем режиме индикатор КОНТРОЛЬ. Затем производится анализ положения перемычки «Режим» на колодке ХТ1 - если перемычка установлена в положение «Датчик» (ХТ1:19 - ХТ1:20), прибор при контроле герметичности опрашивает вход для подключения датчика давления. Если перемычка в положении «Реле» (ХТ1:19 - ХТ1:18) - опрашиваются входа «Мин.» и «Макс.» для подключения реле давления.
В исходном состоянии теста на герметичность предохранительно-запорные клапаны Y1(ПЗК-1) и Y2(ПЗК-2) обесточены и закрыты, клапан безопасности Y0 обесточен и открыт.
При проведении теста герметичности с датчиком давления производится контроль сигнала с датчика давления, при выходе за пределы 2-22мА датчик считается неисправным. В этом случае выдаётся сигнал «Блокировка», включается индикатор БЛОКИРОВКА и индикатор КОНТРОЛЬ в мигающем режиме.
В исходном состоянии измеряется сигнал Р 10 с датчика, при выходе за пределы 3-5мА клапан Y1 считается негерметичным, выполнение теста прекращается - выдаётся сигнал «Блокировка», включаются индикаторы ПЗК-1 и БЛОКИРОВКА.
Если Y1 герметичен, выполнение теста продолжается и закрывается клапан безопасности Y0. Производится выдержка времени «Т1» и измеряется сигнал Рц с датчика BP1. На 5с открывается клапан Y1, измеряется сигнал Р20 с датчика BP1 и клапан Y1 закрывается.
Производится сравнение Рц с Р20, если Рц<0,1 Р20 , то Y1 считается герметичным. В противном случае выполнение теста прекращается, открывается Y0, выдаётся сигнал «Блокировка», включаются индикаторы ПЗК-1 и БЛОКИРОВКА на панели АКГ-1.
Если Y1 герметичен, производится выдержка времени «Т1» и измеряется сигнал Р22 с датчика BP1. Производится сравнение Р20 с Р22, если Р22 >0,9 Р20 , то Y2 считается герметичным и выдаётся сигнал НОРМА. При успешном завершении теста после выдачи сигнала НОРМА производится выдержка 60с, затем открывается Y0, при этом сохраняется сигнал НОРМА. В противном случае открывается Y0, выдаётся сигнал «Блокировка», включаются индикаторы ПЗК-2 и БЛОКИРОВКА, производится постоянный опрос входа «Разблокировка» и кнопки РАЗБЛОКИРОВКА.
При испытании по схеме работы с реле давления в исходном состоянии опрашиваются входы «Мин» и «Макс». Оба входа должны быть замкнуты. В противном случае Y1 считается негерметичным, выдаётся сигнал «Блокировка», включаются индикаторы ПЗК-1 и БЛОКИРОВКА - выполнение теста прекращается.
Если Y1 «герметичен», закрывается Y0 и производится выдержка времени «Т1». Опрашиваются входы «Мин»,«Макс», если их состояния не изменились, тест продолжается. В противном случае Y1 считается негерметичным, открывается клапан Y0, выдаётся сигнал «Блокировка», включаются индикаторы ПЗК-1 и БЛОКИРОВКА.
Если Y1 герметичен, на 5с открывается Y1 и опрашиваются входы «Мин», «Макс» и Y1 закрывается. При изменении состояний входов тест продолжается. В противном случае Y2 считается негерметичным, открывается Y0, выдаётся сигнал «Блокировка», включаются индикаторы ПЗК-2 и БЛОКИРОВКА.
Если Y2 герметичен, производится выдержка времени «Т1 ». Опрашиваются входы «Мин» и «Макс», если их состояния не изменились, то выдаётся сигнал «Норма» и включается индикатор НОРМА, в противном случае Y2 считается негерметичным, открывается Y0, выдаётся сигнал «Блокировка», включаются индикаторы ПЗК-2, БЛОКИРОВКА и производится постоянный опрос входа «Разблокировка» и кнопки РАЗБЛОКИРОВКА.
При успешном завершении теста после выдачи сигнала НОРМА производится выдержка 60с, затем открывается Y0.
Клапаны и датчик / реле давления подключаются к промежуточной панели. Питание осуществляется напряжением постоянного тока 24 вольта. Внешний вид панели показан на рисунке 3.13:
Рисунок 3.13- Промежуточная панель
На промежуточной панели расположены:
– колодка ХТ1 для подключения внешних цепей автоматики;
– колодка ХТ2 для подключения к клапанам и питания прибора;
– вилка ХР401 для программирования (служебная);
- предохранители 0,25А и 5А;
- трансформатор.
Сигналы индикации, отображаемые на панели оператора:
1. Контроль- сигнализация начала проверки герметичности;
2. ПЗК-1 – сигнализация не герметичности ПЗК1;
3. ПЗК-2 – сигнализация не герметичности ПЗК2;
4. НОРМА- успешное завершение полного цикла контроля ( является сигналом для начала операции «Разжим изделия»);
5. БЛОКИРОВКА- сигнализация останова процесса контроля
Управление процессом контроля:
1. Кнопка РАЗБЛОКИРОВКА- для снятия режима БЛОКИРОВКА;
2. Кнопка КОНТРОЛЬ- для запуска процесса контроля в ручном режиме;
3. Переключатель ИНТЕРВАЛ- для выбора времени контроля;
4. Переключатель ПОРОГ- для задания допустимой не герметичности.
На рисунке 3.14 показано подключение электрических цепей к прибору:
Рисунок 3.13- Электрические цепи АКГ-1
В зависимости от отклонения в большую или меньшую сторону, контроллер выдает сигнал запуска (сигналы дискретные «Запуск процесса регулирования», сигнал «Прямой пуск регулирования», сигнал «Реверсивный пуск регулирования» и аналоговый – «Шаг регулирования») двигателя в прямом или реверсивном направлении и производит поворот винта на определенную дискретную величину, заданную оператором (шаг регулирования). После изменения положения винта производится повторный замер расхода. В случае нахождения значения расхода в допустимом диапазоне - выдается сигнал «Завершение операции Контроль-Регулирование».
3.2.7 Разжим - расфиксация
После завершения процесса регулирования, выдается сигнал годности продукции, кронштейн с электродвигателем отводятся в крайнее верхнее положение, производится разжим изделия и оно удаляется в тару годной/ негодной продукции, в зависимости от результата регулирования.
Пульт управления совмещает шкаф размещения управляющих, коммутирующих, защитных и прочих компонентов, а также наклонную плоскость с элементами сигнализации, индикации и управления.
Пульт управления состоит из:
Рисунок 3.15– Внешний вид пульта управления
Рекомендуется использование пульта управления с габаритными размерами 600 мм х 960 мм х 400 мм
Графический терминал осуществляет обмен с управляющим контроллером через выбранный промышленный протокол (зависит от выбора производителя).
Функции графического терминала:
2.1) Скорость вращения планшайбы;
2.2) Номинальный расход;
2.3) Допустимая не герметичность изделия;
2.4) Время контроля одного изделия;
Индикация кода аварии и рекомендации по ее устранению;
Рисунок 3.16 – Графический терминал системы управления
Для обеспечения питания низковольтной части схемы необходимо использовать блок питания с выходным напряжением 24 вольта. Мощность блока питания выбирается по сумме потребляемых мощностей всех потребителей схемы с небольшим запасом для обеспечения возможности небольших модернизаций.
3.3 Разработка автоматизированного технологического процесса контроля герметичности.
Автоматизированный технологический процесс контроля герметичности содержит операции, выполняемые вручную, полуавтоматически и автоматически. Ручные операции: загрузка и разгрузка изделия. Полуавтоматические: продувка, зажим, фиксация и расфиксация стержня, разжим изделия. Автоматические операции: уплотнение изделия, подключения к сети сжатого воздуха и поддержание его в заданных пределах, регулирование и регистрация результатов.
Требования к технологическому процессу:
Для повышения производительности предусмотрено шесть контрольно-регулировочные позиции, обеспечивающие совмещение ручных, и полуавтоматических операций с автоматическими. Технологический процесс реализуется в виде шести позиционного автоматизированного стенда с прерывисто-последовательным режимом работы. Циклограмма технологического процесса приведена приложении 1.
Здесь показан полный цикл работы шестипозиционного стенда от продувки до разгрузки шестого изделия. Время обработки первого изделия составляет 57 с, двух – 67 с, шести – 107 с. Снижение времени обработки одного изделия происходит за счет совмещения операций при одновременной работе шести позиций. При этом рекомендуется, как показано на циклограмме, продувку осуществлять заблаговременно до начала обработки, совмещая эту ручную операцию с автоматическим процессом контроля и регулировки крана на остальных позициях. Следует учитывать, что в реальных производственных условиях время, отводимое на каждую операцию, может колебаться как в большую, так и в меньшую сторону. При этом средняя продолжительность вспомогательных операций остается постоянной, а контрольно-регулировочная операция для всех кранов будет одинаковой и зависеть только от времени полного поворота планшайбы. Таким образом, средняя производительность стенда будет составлять около 6 изделий в минуту.
В целом, автоматизированный технологический процесс контроля и регулирования расхода газа через кран и оборудование для его реализации должны обеспечивать производительность не меньше 180 изделий в час (на одном стенде) и соответствовать требованиям, а также ГОСТ 12.1.003-83 «ССБТ. Общие требования безопасности».
Автоматизированный технологический процесс и оборудование стенда рассчитаны только на краны, рабочие каналы которых не забиты уплотняющей смазкой, регулировочный винт имеет шлиц под отвертку, достаточную по длине резьбу и может легко, без заеданий перемещаться в корпусе крана.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения исследования были проанализированы различные методы контроля герметичности запорной и распределительной газовой арматуры. Для проведения испытаний был выбран манометрический метод, исходя из того, что наглядно представлена физическая модель, а динамическая модель описывается системой дифференциальных уравнений.
Разработана программа моделирования манометрического метода контроля запорной и распределительной газовой арматуры. В результате моделирования выявлены недостатки конструкции используемого в датчиках фиксирующих устройств, выполненных в виде фрикционного кольца и пневматической камеры, установленных в корпусе и имеющих непосредственный поверхностный контакт с подвижным элементом преобразователя перемещения в электрический сигнал. Это приводит к их быстрому износу, что существенно уменьшает срок службы всего датчика. Целенаправленное изменение схемы фиксирующего устройства позволило не только устранить указанный недостаток, разработав оригинальную конструкцию, но и улучшить технологичность датчика.
Модернизирована конструкция стенда, осуществляющего контроль герметичности запорных кранов бытовых газовых плит, путем перехода от элементов УСЭППА к ПЛК. Технологический процесс реализуется в виде шестипозиционного автоматизированного стенда с прерывисто-последовательным режимом работы. Также разработана циклограмма проведения испытания и принципиальная схема компоновки оборудования стенда.
Автоматизированный стенд при незначительной перенастройке и изменении зажимного устройства может быть использован для контроля и регулирования расхода других конструктивно сходных изделий.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ