устройство для регулирования расхода типа "коровий язык"

Формула изобретения

Устройство для регулирования расхода, содержащее корпус с входным и выходным патрубками, причем корпус выполнен в виде трубы четырехугольного сечения, нижняя стенка корпуса снабжена прямоугольным отверстием, герметически закрытым поддоном, поперек которого на его оси выполнен паз, в котором размещен полюс электромагнита, поддон сверху закрыт пластинчатой эластичной диафрагмой с возможностью ее перемещения из поддона в область корпуса, причем поддон заполнен магнитной жидкостью в контакте с упомянутой диафрагмой, регулирующий орган, выполненный в виде стального сердечника электромагнита с зазором, в котором размещен упомянутый поддон, и управляющий орган в виде обмотки электромагнита, соединенной с регулируемым источником питания, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде усеченной пирамиды, а размеры поперечного сечения полюса электромагнита, размещенного в пазу поддона, больше соответствующих размеров поперечного сечения другого полюса электромагнита.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к управлению и технике автоматического регулирования расхода жидкостей и газов.

Известно устройство для регулирования расхода, основанное на использовании магнитной жидкости, заключенной в тонкую эластичную оболочку, которая под действием перераспределяемого по проточной части магнитного поля перемещается по проточной части регулирующего устройства и изменяет сечение проточной части (А. с. №1476438).

Недостатком этого устройства является конструктивная сложность управляющих электромагнитов, выполненных из двух секций, и схемная сложность управляющих источников питания для формирования магнитного поля, которое должно перераспределяться в процессе управления по основной и дополнительной обмоткам управляющих электромагнитов для перемещения силового вектора магнитного поля по пространству проточной части. Хотя, справедливости ради, следует отметить, что по существу такой конструктивный вариант формирования плавающего вектора силового воздействия на магнитожидкостный регулирующий орган с целью перекрытия проходного сечения и является не только оправданным, но и по сути дела единственно возможным, когда в проточной части формируется пространственный градиент напряженности управляющего магнитного поля.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство для регулирования расхода, содержащее корпус в виде трубы прямоугольного сечения с размещенной в специальном поддоне эластичной диафрагмой, заполненной магнитной жидкостью, которая может перемещаться в зазоре ферромагнитного сердечника управляющего электромагнита (А.с. №1815622).

Недостатком такого устройства является низкая чувствительность управления, во-первых, и узкий диапазон регулирования, во-вторых. Это обусловлено двумя основными факторами.

Во-первых, как видно из фиг.1 и 2 в межполюсном зазоре сердечника управляющего электромагнита отсутствует не скомпенсированный градиент напряженности магнитного поля по пространству от одного полюса к другому. Этот градиент существует из-за симметрии магнитного поля от средней линии межполюсного зазора к полюсам, причем наибольшая плотность линий напряженности магнитного поля наблюдается у полюсов и наименьшая на средней линии. Как известно, силовое воздействие магнитного поля на континуум магнитной жидкости пропорционален градиенту напряженности магнитного поля:

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий, в частности, от параметров магнитной жидкости.

Для плоской одномерной упрощенной модели, когда напряженность магнитного поля изменяется по одной координате, например Y, между полюсами, уравнение (1) можно переписать в виде:

Отсюда становится ясным, что в прототипе при наличии строго симметричной картины силовых магнитных линий в межполюсном пространстве от средней линии к полюсам магнитная жидкость всегда будет притягиваться к полюсам, поскольку наибольшая плотность магнитных силовых линий будет располагаться именно в области полюсов. Для реального случая объемного пространства силовое действие на магнитную жидкость можно вычислить по формуле:

где V - объем взаимодействия магнитного поля и магнитной жидкости в упругой оболочке диафрагмы.

Из приведенного становится ясно, что в прототипе магнитная жидкость 6 (см. фиг.1 и 2) заключенная в упругую оболочку ни при каких обстоятельствах не удалится от полюса N в направлении полюса S. Любое усиление магнитного поля электромагнита 9 приведет только к тому, что магнитная жидкость более плотно и устойчиво расположится вокруг полюса N. Она никогда не будет перемещаться в направлении верхнего полюса (как пишется в формуле изобретения) и перекрывать проточную часть. Никакой установкой симметричных геометрически полюсов электромагнита магнитное поле не сможет быть направлено снизу вверх, т.е. никакой установкой симметричных геометрически полюсов электромагнита нельзя создать не скомпенсированного по высоте межполюсного зазора градиента магнитного поля. А согласно формуле (3) при этом сила действия на магнитную жидкость в сторону верхнего полюса равна нулю. Таким образом, прототип принципиально неработоспособен. Поскольку все вообще, строго говоря, симметрично строить практически невозможно, допустим, что это применимо, в частности, и к электротехнической промышленности, когда кто-то допустил несимметрию при изготовлении или при сборке и в полюсах электромагнита прототипа. Тогда прототип принципиально очень плохо работоспособен, но чувствительность такого управления является почти что нулевой. Однако малейшая практически допустимая и реально имеющая место геометрическая несимметрия полюсов на уровне электрических угловых секунд и линейных микронов может привести к положительному результату: устройство перекроет поток, если к управляющей катушке 9 подключить бесконечно большую мощность при соответствующем охлаждении обмотки.

Так что низкая чувствительность по управлению прототипа (А.с. №1815622), мягко выражаясь, недостаточно эффективна.

Во-вторых, низкой чувствительности по управлению прототипу присуще уникальное качество очень и очень узкого диапазона управления, а именно: устройство “перекрывает” только нулевой поток или как бы настолько малый поток, которого как бы и нет вовсе. Поясняем.

В начальном положении магнитная жидкость за счет эластичности упругой мембраны занимает положение и форму, напоминающую стог сена. Поток среды протекает через как бы не через полное начальное сечение проточной части. Если договориться о наличии нескомпенсированной несимметрии по высоте межполюсного зазора, то при увеличении управляющего напряжения на катушке 9 магнитная жидкость в упругой оболочке-диафрагме преобразуется в более высокий “стог сена”, когда магнитная жидкость, мнению авторов прототипа, устремится как бы к верхнему полюсу. И авторы заявляют, что сечение уменьшится и расход среды как бы упадет. Однако оказывается, что это не так. Поясняем.

Упругая оболочка с магнитной жидкостью типа стога сена (как мы договорились) подвергается воздействию набегающего потока регулируемой среды. Усилие воздействия может быть определено по формуле:

где S_n - площадь поперечного сечения оболочки с магнитной жидкостью плоскостью, перпендикулярной продольной оси трубопровода: - плотность регулируемой среды. Это и была та самая сила F _n, которая и ослабила бы силовой поток регулируемой среды изменяемым с помощью магнитного поля сечением S_n. Думали так и мы, авторы предлагаемого изобретения. Однако проведенные нами эксперименты показали, что даже при касании упругой оболочкой с магнитной жидкостью верхнего полюса поток регулируемой среды через трубопровод не только не уменьшается, но даже и возрастает. Кажущийся парадокс был разгадан только после проведения видеосъемки. Под действием даже очень слабого потока, который мы собирались перекрыть магнитным полем, “стог сена” чудным образом легко и без труда превращался в “коровий язык”, удобно располагающийся своеобразным лезвием вдоль оси трубопровода. При этом, как оказалось, площадь поперечного сечения трубопровода с магнитно-жидкостным “стогом сена” не только уменьшается, но и возрастает. Отсюда и рост расхода регулируемой среды при увеличении магнитного поля. Только после этого нам стало понятно, что все правильно. Дело в том, что вдоль оси трубопровода управляющее магнитное поле в прототипе не создает продольного градиента магнитного поля H _{продольное}, в связи с чем магнитная жидкость в упругой оболочке под действием набегающего потока регулируемой среды находится как бы в своеобразной карусели: любое поперечное воздействие не встречает ни малейшего сопротивления со стороны “стога сена”. И именно поэтому и с учетом упругости оболочки “стог сена” приобретает форму “коровьего языка”, располагающегося вдоль набегающего потока. Конечно же, авторы прототипа экспериментов не проводили, поэтому они “вживую” не видели ни “стога сена”, ни, тем более, “коровьего языка”.

Целью изобретения является повышение чувствительности и расширение диапазона регулирования устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, причем корпус выполнен в виде трубы четырехугольного сечения, нижняя стенка которого снабжена прямоугольным отверстием герметически закрытым поддоном, поперек которого на его оси выполнен паз, в котором размещен полюс электромагнита, а в верхней части поддона установлена пластинчатая эластичная диафрагма, с возможностью ее перемещения из поддона в область корпуса, регулирующий орган, выполненный в виде стального сердечника электромагнита с зазором, в котором размещена магнитная жидкость в контакте с эластичной пластинчатой диафрагмой, управляющий орган в виде обмотки электромагнита, соединенной с регулируемым источником питания, корпус выполнен по сечению в виде усеченной пирамиды, а размеры поперечного сечения полюса электромагнита, размещенного в нижней части поддона больше соответствующих размеров поперечного сечения другого полюса.

На фиг.1 изображено устройство для регулирования расхода, поперечное сечение; на фиг.2 - его продольное сечение при отсутствии управляющего напряжения. На фиг.3 изображено устройство для регулирования расхода, поперечное сечение; на фиг.4 - его продольное сечение при наличии управляющего напряжения.

Устройство для регулирования расхода содержит корпус 1 сечения в виде усеченной пирамиды с прямоугольным отверстием 2 в нижней части, входной патрубок 3, выходной патрубок 4, поддон 5 с заправочным отверстием, магнитную жидкость 6, эластичную пластинчатую диафрагму 7, сердечник электромагнита 8 с обмоткой 9 и регулируемый источник питания 10.

Входной патрубок 3 и выходной 4 представляют собой единое целое с корпусом 1 и имеют форму, обеспечивающую соединение с круглым трубопроводом. Поддон 5 в центре имеет сквозной поперечный паз, размер которого зависит от сечения нижнего полюса электромагнита 8 (условно N). Паз необходим для уменьшения зазора сердечника 8, что сокращает энергозатраты при управлении магнитной жидкостью. Поддон 5 закрыт сверху диафрагмой 7, установлен под отверстием 2 корпуса 1 с обеспечением надежной герметизации и через заправочное герметически закрываемое отверстие заполнен магнитной жидкостью 6 в полном контакте с диафрагмой 7.

Для обеспечения подъема магнитной жидкости 6 в межполюсном пространстве проходного сечения корпуса 1 ширина нижнего полюса N сердечника 8 больше соответствующей ширины верхнего полюса S, в связи с чем создается вертикальный (от нижнего полюса к верхнему) возрастающий градиент напряженности магнитного поля. При увеличении управляющего напряжения на обмотке 9 “стог сена” из магнитной жидкости будет подниматься к верхнему полюсу S, причем независимо от полярности напряжения на управляющей катушке. Авторы прототипа предполагали, что полярностью напряжения можно вызвать подъем магнитной жидкости к верхнему полюсу. Только разница в линейных размерах нижнего и верхнего полюсов (фиг.1) способна вызвать перемещение “стога сена” к верхнему полюсу (при условии, что нижний полюс шире верхнего). Другие условия здесь просто неприемлемы.

Для блокирования эффекта “коровьего языка” второй линейный размер нижнего полюса больше соответствующего размера верхнего полюса (фиг.2). При подаче управляющего напряжения на обмотку 9 “стог сена” не только притягивается к верхнему полюсу S, но и за счет наличия продольного скомпенсированного градиента магнитного поля вдоль оси трубопровода приобретает форму “коровьего языка”, располагающегося поперек проточной части и перекрывающий эту проточную часть, препятствуя прохождению регулируемого потока.

Устройство для регулирования расхода работает следующим образом.

Фиг.1 и 2 соответствуют отсутствию напряжения на управляющей обмотке 9. При отсутствии питания в обмотке 9 магнитная жидкость 6 находится полностью в поддоне 5, облегая нижний полюс N электромагнита 8. Проходное сечение корпуса 1 сохраняется максимальным, т.е. устройство обеспечивает максимальный расход регулируемой среды.

Фиг.3 и 4 соответствуют наличию напряжения на обмотке 9. При подаче питания от источника 10 в обмотку 9, возникающее магнитное поле в зазоре электромагнита 8 осуществляет подъем магнитной жидкости 6 на определенную высоту за счет ее перемещения из поддона 5 в область действия магнитного поля, градиент которого направлен так, что снизу вверх напряженность магнитного поля возрастает. Эластичная пластинчатая диафрагма 7 повторяет форму поднятой магнитной жидкости 6, так как находится с ней в полном контакте. Причем поскольку поперек оси трубопровода имеется продольный симметричный самокомпенсирующийся градиент магнитного поля, то диафрагма принимает форму “коровьего языка”, расположенного поперек проточной части. Причем из-за того, что корпус имеет в сечении форму усеченной пирамиды “коровий язык” полностью повторяет форму корпуса при перекрытии проходного сечения, что способствует повышению чувствительности управления, во-первых, и расширению диапазона регулирования, во-вторых. Совместное действие двух градиентов магнитного поля приводит к тому, что диафрагма в виде “коровьего языка” с увеличением напряжения на обмотке 9 увеличивается по высоте и приобретает форму некоей поперечной преграды полностью перекрывающей поперечное сечение проточной части. Это ведет в конечном итоге к уменьшению расхода регулируемой среды.

При отключении управляющего тока от обмотки 9 исчезает магнитное поле в зазоре электромагнита 8, магнитная жидкость 6 возвращается в поддон 5 под действием сил гравитации и, в основном, под действием упругих возвратных деформаций эластичной диафрагмы 7 проходное сечение корпуса 1 полностью открывается и обеспечивается максимальный расход. Этому соответствуют фиг.1 и 2.

Как видим, в предложенном устройстве чувствительность регулирования является очень высокой, что обеспечивается градиентом напряженности магнитного поля по высоте межполюсного зазора, т.е. соотношением линейных размеров полюсов N и S (фиг.1 и 3).

Диапазон регулирования может быть практически неограниченным по максимальному значению расхода регулируемой среды, что обеспечивается градиентом напряженности магнитного поля по длине проточной части, т.е. определяется соотношением линейных размеров полюсов N и S (фиг.2, 4) и абсолютным значением напряженности магнитного поля в межполюсном пространстве, т.е. величиной управляющего напряжения на обмотке 9.