Разработка конструкции стенда по проведению испытаний на герметичность запорной и распределительной арматуры

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.

 

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.

 

Принцип работы датчиков основан на изменении индуктивного сопротивления катушки со сталью. Датчики индуктивности широко применяют  благодаря их существенным достоинствам: простоте, надежности и отсутствию скользящих контактов; возможности  непосредственного использования  показывающих приборов за счет относительно большой величины отдаваемой электрической  мощности; возможности работы на переменном токе промышленной частоты.

Индуктивные датчики применяют только на относительно низких частотах (до 3000–5000 Гц), так как на высоких частотах резко возрастают потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки.

Для устранения недостатков, свойственных рассмотренному датчику индуктивности, которые  состоят в том, что для измерения  перемещения якоря в обоих  направлениях необходимо иметь начальный  воздушный зазор, т.е. и начальную  силу тока, из-за чего создается неудобство в измерении, значительные погрешности  от колебаний температуры и питающего  напряжения, а также для устранения электромеханического усилия притяжения якоря, зависящего от величины воздушного зазора, применяют дифференциальный индуктивный датчик.

Общие технические характеристики индуктивных датчиков.

• Диапазон срабатывания: от 0,6 до 60 мм
• Рабочая температура: от -25 … 70 °С
• Класс защиты: IP 67, IP 68, IP 69K
• Защита от короткого замыкания
• Три диапазона срабатывания
• Материал корпуса индукционных датчиков: пластик, нержавеющая сталь, никелированная медь

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.

Работа всех рассмотренных датчиков основана на изменении индуктивности. Существуют датчики, работа которых основана на изменении коэффициента взаимной индукции двух катушек. Такие датчики называются трансформаторными, или индукционными, и содержат две катушки: одна питается напряжением переменного тока, другая является выходной, и с нее снимается напряжение, пропорциональное перемещению якоря или сердечника.

Трансформаторные  датчики выполняют с переменным зазором между якорем и сердечником, для измерения малых перемещений; с переменной площадью зазора, используемые для измерения средних перемещений, и с подвижным сердечником, используемые для измерения перемещений с широким диапазоном. Последние имеют преимущество перед другими трансформаторными датчиками, так как сердечник может быть отделен от катушек герметической трубкой. Такой датчик называют плунжерным.

В некоторых  случаях выходная катушка состоит  из двух катушек W_2l и W_2U, включаемых одна навстречу другой. У некоторых датчиков, наоборот, вторая катушка может поворачиваться или перемещаться относительно сердечника. Такие трансформаторные датчики с подвижной рамкой называют ферродинамическими.

Особенностями трансформаторных датчиков является возможность  больших перемещений якоря и  отсутствие электрической связи  между измерительной цепью и  цепью электрического питания. Между  ними существует только магнитная связь, что во многих случаях является преимуществом.