Запорный клапан с электромагнитным управлением
Изобретение относится к конструктивным элементам клапанов и может применяться в предохранительной газовой запорной арматуре для предотвращения утечек бытового газа. Запорный клапан с электромагнитным управлением содержит цилиндрический корпус, снабженный неподвижным металлическим фиксирующим кольцом, с одного торца которого закреплен входной резиновый патрубок, снабженный мелкоячеистым фильтром, с другого - выходной штуцер с седлом, выполненный из немагнитного материала. В корпусе клапана установлен запорный орган, выполненный в виде подпружиненного пружиной полого металлического штока, на торце которого закреплен подпружиненный пружиной затвор, выполненный в виде шарика. Поверх корпуса в защитном кожухе размещен механизм срабатывания клапана, включающий в себя катушку, подключенную к силовому выходу блока управления, толкатель и выполненный за одно с ним кольцевой постоянный магнит. Катушка и магнит расположены по отношению друг к другу таким образом, что при подаче электрического тока созданный катушкой магнитный поток перемещает магнит и запорный орган в сторону седла выходного штуцера. Дополнительно запорный клапан снабжен датчиком температуры, подключенным к измерительному входу блока управления. Техническим результатом является повышение надежности работы запорного клапана. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к конструктивным элементам клапанов, а именно к включающим электромагнитным средствам управления ими, и может применяться в предохранительной газовой запорной арматуре для предотвращения утечек бытового газа.
Из уровня техники известен электромагнитный клапан (RU 2282090 C1, МПК F16K 31/06, опубл. 20.08.2006], содержащий механизм ручного управления для установки клапана в открытое состояние, электромагнит, седло клапана, якорь с запорным органом, выполненные с возможностью перемещения между седлом клапана и электромагнитом, две шайбы, одна из них выполнена из магнитного, другая - из магнитопроводящего материала, причем обе шайбы установлены с одной стороны относительно запорного органа с якорем, а электромагнит с другой его стороны.
Недостатком известного технического решения является его низкая технологичность, вследствие сложной конструкции клапана.
Наиболее близким к заявленному техническому решению устройством, выбранным в качестве прототипа, признан
малогабаритный электромагнитный клапан для систем автоматики (RU 66462 U1, МПК F16K 13/00, F16K 31/02, опубл. 10.09.2007). Клапан содержит корпус с расположенными вдоль его оси входным и выходным каналами, между которыми установлен плунжер с запорным элементом и приводом его перемещения, включающим две электрические катушки, соединенные через блок управления с генератором импульсов тока.
Недостатком известного технического решения является его ограниченная промышленная применимость в городских системах газоснабжения, вследствие необходимости применения для его работы стационарного импульсного генератора тока, что также небезопасно в бытовых условиях.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение надежности работы запорного клапана.
Указанная задача решена тем, что запорный клапан с электромагнитным управлением содержит цилиндрический корпус, снабженный неподвижным металлическим фиксирующим кольцом, с одного торца которого закреплен входной резиновый патрубок, снабженный мелкоячеистым фильтром, с другого - выходной штуцер с седлом, выполненный из немагнитного материала. В корпусе клапана установлен запорный орган, выполненный в виде подпружиненного пружиной полого металлического штока, на торце которого закреплен подпружиненный пружиной затвор, выполненный в виде шарика. Поверх корпуса в защитном кожухе размещен механизм срабатывания клапана, включающий в себя катушку, подключенную к силовому выходу блока управления, толкатель и выполненный заодно с ним кольцевой постоянный магнит, причем катушка и магнит расположены по отношению друг к другу таким образом, что при подаче электрического тока созданный катушкой магнитный поток перемещает магнит и запорный орган в сторону седла выходного штуцера. Дополнительно запорный клапан снабжен датчиком температуры, подключенным к измерительному входу блока управления.
Положительный технический результат, обеспечиваемый раскрытой совокупностью конструктивных признаков устройства, совпадает с поставленной задачей и состоит в повышении надежности запорного клапана, за счет выполнения штока запорного органа подпружиненным, что обеспечивает механическое срабатывание клапана при повреждении газовой линии, подключенной к выходному штуцеру, а также применения механизма срабатывания клапана, обеспечивающего принудительное перекрытие потока рабочей среды, в случае возникновения аварийной ситуации, что также повышает уровень безопасности эксплуатации газового оборудования.
Конструкция запорного клапана поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана его конструкция в разрезе, на фиг. 2 - структурная схема блока управления механизмом срабатывания клапана.
Запорный клапан с электромагнитным управлением устроен следующим образом.
Запорный клапан состоит из цилиндрического корпуса 1, снабженного неподвижным металлическим фиксирующим кольцом 2, с одного торца которого закреплен входной резиновый патрубок 3, снабженный мелкоячеистым фильтром 4, с другого - выходной штуцер 5 с седлом, выполненный из немагнитного материала. В корпусе клапана установлен запорный орган, выполненный в виде подпружиненного пружиной 6 полого металлического штока 7, на торце которого закреплен подпружиненный пружиной 8 затвор, выполненный в виде шарика 9. Поверх корпуса 1 в защитном кожухе 10 размещен механизм срабатывания клапана, включающий в себя катушку 11, подключенную к силовому выходу 12 блока управления 13, толкатель 14 и выполненный заодно с ним кольцевой постоянный магнит 15, причем катушка 11 и магнит 15 расположены по отношению друг к другу таким образом, что при подаче электрического тока созданный катушкой магнитный поток перемещает магнит и запорный орган в сторону седла выходного штуцера 5.
Фиксирующее кольцо 2, катушка 11, толкатель 14 и постоянный магнит 15 расположены соосно с направлением управляемого потока рабочей среды и разобщены с ней.
Пружина 6, с помощью которой подпружинен полый металлический шток 7, тарирована на низкое давление [Р=0,05 кгс/см2] газа в газопроводе и обеспечивает положение запорного органа в состоянии «открыто» при отсутствии утечки газа в выходной линии, подключенной к выходному штуцеру 5 клапана.
Мелкоячеистый фильтр 4 выполнен в виде сетки с ячейками, размеры которых не допускают попадание посторонних частиц внутрь клапана и зафиксирован внутри входного патрубка 3, что позволяет очищать его или заменять при необходимости без разборки клапана. Дополнительно запорный клапан снабжен датчиком температуры (на фигурах условно не показан], подключенным к измерительному входу 16 блока управления 13.
Блок управления 13 установлен в пластиковом корпусе, закрепленном на корпусе 1 клапана, и выполнен в виде микропроцессорной системы, построенной на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро 17, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 18, SRAM-памятью данных 19, двенадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем 20, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM 21, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода 22, 23 и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART 24. При этом к входу аналого-цифрового преобразователя 20 через операционный усилитель подключен измерительный вход 16 блока управления 13, первый порт ввода-вывода 22 подключен к силовому выходу 12 блока управления 13, ко второму порту ввода-вывода 23 подключен зуммер, а универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART 24 подключен к радиомодулю 25.
В качестве микроконтроллера микропроцессорной системы целесообразно использовать микросхему STM8L152, построенную на высокопроизводительном ядре STM8, имеющую широкий набор периферийных устройств и специально предназначенную для средних и высокопроизводительных малопотребляющих приложений1 (1 STM8 8-bit MCUs // St.com URL: http://www.st.com/en/microcontrollers/stm8-8-bit-mcus.html? querycriteria=productId=SC1244 (дата обращения: 28.03.2018).). В качестве датчика температуры может быть использован любой известный резистивный датчик, например модели РТ1060522 (2 Датчик температуры резистивный РТ106052 // Радиокомпоненты URL: http://radiocom.dn.ua/ radiokomponenty-raznye/datchiki/datchik-temperatury-rezistivnyy-pt106052 (дата обращения: 28.03.2018).), силовой выход может быть реализован на основе транзисторного ключа, а в качестве радиомодуля может использоваться микросхема НС-12 с UART-интерфейсом3 (3 НС-12: радиомодуль с UART-интерфейсом на 433 МГц // Записки программиста URL: https://eax.me/hc-12 (дата обращения: 28.03.2018).).
Запорный клапан с электромагнитным управлением работает следующим образом.
Первоначально его подключают к газовому оборудованию с помощью входного резинового патрубка 3 и выходного штуцера 5. Далее на расстоянии, обеспечивающем устойчивую связь по радиоканалу, устанавливают бытовой стационарный газоанализатор, например модели СГГ10-Б4 (4 СГГ10-Б - бытовой сигнализатор горючих газов // Аналитприбор URL: http://www.analitpribor-smolensk.ru/products/kom_hozyaistvo/mnogokvartirnie_doma/sgg10-b_signalizator (дата обращения: 28.03.2018).), далее устанавливают в корпус блока управления штатные батареи 26, обеспечивающие электропитание микропроцессорной системы и катушки 11, после чего запорный клапан готов к работе.
В нормальном состоянии клапан открыт.Толкатель 14 и постоянный магнит 15 расположены в положении, при котором запорный орган не препятствует течению рабочей среды.
Срабатывание клапана происходит в трех аварийных ситуациях, описанных ниже.
Повреждение газовой линии, подключенной к выходному штуцеру.
При возникновении такой аварийной ситуации из-за разницы давлений в газопроводе и атмосфере скорость течения рабочей среды через клапан увеличивается. В результате воздействия ее на шток 7 пружина 6 растягивается, что приводит к перемещению запорного органа в положение «закрыто» и перекрытию шариком 9 седла выходного штуцера 5. При этом одновременно со штоком 7 перемещается и механизм срабатывания клапана за счет магнитного сцепления металлического штока 7 и постоянного магнита 15. После срабатывания клапана запорный орган удерживается в положении «закрыто» за счет магнитного сцепления между постоянным магнитом 15 и металлическим фиксирующим кольцом 2.
Повышение температуры окружающего воздуха.
Микропроцессорное ядро 17 микроконтроллера в соответствии с управляющей программой, записанной во FLASH-памяти программ, с заданной периодичностью выполняет опрос температурного датчика, при этом в случае превышения измеренной температуры до значения 50°С (что может свидетельствовать о возникшем возгорании) через порт ввода-вывода 22 выдается управляющий сигнал на силовой выход 11, в результате на катушку 11 подается электрический импульс, в результате чего магнитное поле катушки выталкивает постоянный магнит 15 вместе с толкателем 14 по направлению движения рабочей среды, что за счет магнитного сцепления постоянного магнита 15 и металлического штока 7 приводит к перемещению запорного органа в положение «закрыто» и перекрытию шариком 9 седла выходного штуцера 5. После срабатывания клапана запорный орган удерживается в положении «закрыто» за счет магнитного сцепления между постоянным магнитом 15 и металлическим фиксирующим кольцом 2.
Превышение в воздухе концентрации горючих газов.
В случае обнаружения бытовым стационарным газоанализатором превышения в воздухе концентрации горючих газов, в частности метана, газоанализатор сигнализирует об этом звуковым сигналом и передает сигнал тревоги по радиочастотному каналу. Радиомодуль 25 микропроцессорной системы принимает сигнал тревоги и передает его через универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART 24 микроконтроллеру. Микропроцессорное ядро 17 в соответствии с управляющей программой, записанной во FLASH-памяти программ, принимает решение о необходимости перекрытия клапана и активирует катушку 11 способом, аналогичным описанному выше.
При выполнении управляющей программы микропроцессорное ядро 17 использует SRAM-память данных для временного хранения промежуточных результатов измерений, энергонезависимую электрически перепрограммируемую память EEPROM 21 - для постоянного хранения результатов измерений с целью их дальнейшей обработки на персональном компьютере. Зуммер, подключенный к порту ввода-вывода 23, при любой из описанных выше аварийных ситуаций, используется для звукового оповещения о срабатывании запорного клапана.
Открытие запорного клапана производится вручную. Для этого толкатель 14 вручную перемещают в сторону катушки, при этом запорный орган также переместится за счет магнитного сцепления металлического штока 7 и постоянного магнита 15, обеспечивая свободное протекание рабочей среды.
1. Запорный клапан с электромагнитным управлением, содержащий цилиндрический корпус, снабженный неподвижным металлическим фиксирующим кольцом, с одного торца которого закреплен входной резиновый патрубок, снабженный мелкоячеистым фильтром, с другого - выходной штуцер с седлом, выполненный из немагнитного материала, отличающийся тем, что в корпусе клапана установлен запорный орган, выполненный в виде подпружиненного пружиной полого металлического штока, на торце которого закреплен подпружиненный пружиной затвор, выполненный в виде шарика; поверх корпуса в защитном кожухе размещен механизм срабатывания клапана, включающий в себя катушку, подключенную к силовому выходу блока управления, толкатель и выполненный за одно с ним кольцевой постоянный магнит, причем катушка и магнит расположены по отношению друг к другу таким образом, что при подаче электрического тока созданный катушкой магнитный поток перемещает магнит и запорный орган в сторону седла выходного штуцера; дополнительно запорный клапан снабжен датчиком температуры, подключенным к измерительному входу блока управления.
2. Запорный клапан с электромагнитным управлением по п. 1, отличающийся тем, что блок управления выполнен в виде микропроцессорной системы, построенной на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, аналого-цифровым преобразователем, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART; при этом к входу аналого-цифрового преобразователя через операционный усилитель подключен измерительный вход блока управления, первый порт ввода-вывода подключен к силовому выходу блока управления, ко второму порту ввода-вывода подключен зуммер, а универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART подключен к радиомодулю.
3. Запорный клапан по п. 1, отличающийся тем, что мелкоячеистый фильтр выполнен в виде сетки с ячейками, размеры которых не допускают попадания посторонних частиц внутрь клапана.
4. Запорный клапан по п. 2, отличающийся тем, что микроконтроллер выполнен на основе микропроцессорного ядра STM8.
5. Запорный клапан по п. 2, отличающийся тем, что силовой выход реализован на основе транзисторного ключа.
6. Запорный клапан по п. 2, отличающийся тем, что датчик температуры выполнен резистивным.
