Прецизни регулатори на налягане

• Прецизността на регулаторите на налягането се дефинира чрез четири основни характеристики – разделителна способност, спад, чувствителност и повторяемост

• Двустепенните серворегулатори на налягането поставят златния стандарт по отношение на прецизността на регулаторите за въздух в диапазона до 35 милибара

• При работа с корозивни и киселинни газове и течности поради високата устойчивост на материала се препоръчват решения от неръждаема стомана

От устройства за регулиране на подаването на пропан-бутан в промишлени инсталации през приложения за медицинско оборудване за кислород и газове за анестезия до пневматични системи за автоматизирано регулиране на сгъстен въздух, та дори и в горивни клетки за контрол на подаването на водород – регулаторите за налягане са крайъгълен камък в повишаването на прецизността на процесите с флуиди.

Въпреки разнообразието от приложения на регулаторите, функционално те се подчиняват на общи принципи. Тяхната работа е да редуцират захранващото (входното) налягане до по-ниско изходно налягане и да поддържат стабилно такова въпреки колебанията в захранващия дебит. Това редуциране на налягането е ключова характеристика на регулаторите.

При избора на прецизен регулатор за налягане трябва да се вземат предвид много фактори. Важните съображения включват диапазони на входно и изходно работно налягане, изисквания за дебит, какъв е работният флуид (газ, течност, токсичен или запалим е флуидът), очакван работен температурен диапазон, избор на материал, от който са изработени компонентите на регулатора, включително уплътнения, както и ограничения за размер и тегло.

Материали, използвани за прецизни регулатори на налягането

Предлага се широка гама от материали за опериране с различни течности и работни среди. Най-широко прилаганите материали в производството на компонентите за регулатори включват месинг, пластмаса и алуминий. Предлагат се и от различни класове неръждаема стомана (като 303, 304 и 316). Пружините, използвани в регулатора, обикновено са направени от въглеродна или неръждаема стомана.

При работа с корозивни и киселинни газове и течности поради високата устойчивост на материала се препоръчват решения от неръждаема стомана. В тези случаи тя е много по-надежден вариант от обикновената стомана. Използваните неръждаеми стомани за производство на прецизни регулатори най-често съдържат хром, манган, силиций, въглерод и в някои случаи са с голямо съдържание на никел. Тези елементи реагират с кислорода, за да образуват тънък, стабилен филм, който създава защитена от корозия повърхност. Това прави неръждаемата стомана идеална за работа с киселинни течности, морски приложения при добив на нефт и много други.

Месингът е подходящ за най-често срещаните приложения и обикновено влагането му е рентабилно решение. Когато ограниченията в масата на регулатора са от водещо значение, алуминият е предпочитан материал. Пластмасата преобладава като използван материал, когато ниската цена е от основно значение или когато компонентът е консуматив с кратък цикъл на живот. Неръждаемите стомани често се избират за регулиране на корозивни течности, при употреба в корозивна среда, когато важно съображение е чистотата на флуида или когато са налице високи работни температури. Регулаторите на налягане от неръждаема стомана се препоръчват за голямо разнообразие от приложения, включително регулиране при анализ на дадена среда, например на газове, носещи хелий или водород, химични анализи или за приложения в лаборатории и работа с технологични газове.
Също толкова важна е съвместимостта на материала на уплътнението с флуида и с диапазона на работната температура. Нитрил-бутадиен-каучук е типичен материал, използван за уплътнения. Освен това се предлагат уплътнения от флуорокарбон, EPDM, силикон и перфлуор еластомер.

Фактори при избора на прецизни регулатори

Преди да се избере от какъв материал трябва да е един регулатор, е необходимо да се разгледат химичните свойства на флуида. Всеки работен флуид има свои собствени уникални характеристики, така че трябва да се внимава при избора на подходящите материали за корпуса и уплътнението, тъй като те ще влизат в контакт с него. Също така е важно да се определи дали течността или газът е запалим, токсичен, експлозивен или опасен за здравето.

Регулатор без изпускателен вентил се предпочита за използване с опасни, експлозивни или скъпи газове, тъй като конструкцията не изпуска излишното налягане в атмосферата. За разлика от този тип, регулаторите с предпазна изпускателна функция са проектирани да отведат излишното налягане от процесния кръг във външната среда. Обикновено за тази цел има изпускателен вентил отстрани на тялото на регулатора. При някои специални конструкции отворът за освобождаване може да бъде с резба и излишното налягане може да бъде изведено от тялото на регулатора през тръби и извлечено контролирано в безопасна зона. Ако се избере този тип конструкция, излишният флуид трябва да се обезвъздуши по подходящ начин в съответствие с всички правила за безопасност.

Преди да се направи избор на прецизен регулатор, всеки потребител трябва да отговори на въпросите какъв е максималният дебит, който се изисква за приложението, и как варира скоростта на потока. Без разлика в налягането флуидът е в застой и в системата липсва дебит. По смисъла на динамиката на флуидите дебитът се разделя според две различни измерими скорости: обемен дебит и масов дебит. Те са важни характеристики, които трябва да се вземат предвид при проектиране на една инсталация, работеща с прецизно регулиране на флуиди.
В много високотехнологични приложения пространството е ограничено, а масата на компонента е от съществено значение. Поради тази причина някои производители се специализират в продуктови гами от миниатюрни компоненти. Изборът на материал, от който е изработено тялото на регулатора, също ще повлияе на теглото. Също така внимателно трябва да се обмислят какви ще са размерите на отворите (резбите), технологията на регулиране и опциите за монтаж, тъй като тези фактори също рефлектират върху размера и теглото.

Конструкция и функционални характеристики

Регулаторът на налягането се състои от три основни функционални елемента – компонент за редуциране на налягането (често тази роля се изпълнява от пружинен клапан); чувствителен елемент (обикновено мембрана или бутало); елемент за еталонна сила (най-често пружина).
По време на работа елементът за еталонна сила, генерирана от пружината, отваря клапана. Отварянето на клапана прилага налягане към чувствителния елемент, който от своя страна затваря клапана, докато той достигне положение, при което поддържа зададеното налягане. По този начин се постига прецизен баланс на силата.

Най-често регулаторите използват пружинен клапан като редуциращ налягането елемент. Втулката на клапана има еластомерно уплътнение или, в някои конструкции за високо налягане, термопластично уплътнение, което е предвидено да приляга към клапана. Когато силата на пружината отдалечи уплътнението от повърхността на клапана, потокът флуид протича от входа на регулатора към изхода. Когато изходното налягане се повиши, силата, генерирана от чувствителния елемент, противодейства на силата на пружината и клапанът се затваря. Тези две сили достигат точка на баланс в зададената стойност на регулатора на налягането. Когато налягането спадне под зададената стойност, пружината изтласква клапана и входящият поток се увеличава до момента, в който балансът на силите се възстанови.

При приложения с ниско налягане или когато се изисква висока прецизност, се предпочита използване на мембрана като чувствителен елемент. Мембранните регулатори използват тънък диск, който се използва за отчитане на промените в налягането. Обикновено мембраната е изработена от еластомер, но в специални приложения се използва и тънка извита метална пластина. Мембраните по същество елиминират триенето, присъщо на конструкциите с бутало. Освен това за конкретен размер на регулатора често е възможно да се осигури по-голяма чувствителна площ с мембраната, отколкото би било възможно, ако се използва бутало.
Елементът за еталонна сила обикновено представлява механична пружина. Тази пружина упражнява сила върху чувствителния елемент и задейства отварянето на клапана. Повечето регулатори са проектирани така, че потребителят да може да регулира зададената точка на изходящото налягане чрез промяна на силата, упражнявана от пружината.

Прецизен контрол на газове и течности в промишлени и лабораторни процеси

Прецизността е общ термин, използван, за да опише няколко аспекта на работата на регулатора. Повечето хора са склонни да използват този термин, когато просто “търсят по-добър регулатор”. Определянето на това кой регулатор е “по-добър или по-прецизен” ще зависи от приложението. За да се даде дефиниция на прецизността по отношение на регулаторите на налягането, може да се разгледат четири основни характеристики – разделителна способност, спад, чувствителност и повторяемост.

Чувствителността дава представа за това с колко трябва да се измени налягането, преди регулаторът да компенсира изменението и да върне налягането към предишната зададена стойност. Повечето производители дават тази спецификация в инчове воден стълб (inH2O; 1 inH2O = 2,5 милибара). Колкото по-малко е числото, толкова по-чувствителен е регулаторът. Повечето прецизни регулатори са с чувствителност под 0,25" от водния стълб, докато повечето регулатори с общо предназначение са около 1" воден стълб. На чувствителността на регулатора влияят конструкцията и материалите, от които са изработени мембраната, клапанът и гнездото, към което приляга уплътнението на клапана и скоростта на потока за конкретен клапан. Обикновено, за да се получи по-висока чувствителност, е необходима някаква проектна консумация на въздух.

Повечето инженери с удобство работят с налягания над 69 милибара, но често когато процесите включват много по-ниски налягания, изпитват известни колебания относно най-добрия начин за контролирането им.
Десетки са примерите за индустриални приложения за ниско и свръхниско налягане. Някои често срещани от тях са тестване на продукти, горивни системи, контрол на екструдиращи системи и т.н. Разработени са продуктови решения за всички специфични приложения, така че да се отговори по най-добрия начин на всички специализирани изисквания, в това число по отношение на техния диапазон на налягане, дебит, изисквания за прецизност и автоматизация и др.

Регулаторът извършва механично колебание, за да регулира налягането от входа към изхода. Когато измени състоянието си от статично към динамично за момент, той възстановява първоначалното налягане с някакво приближение. Тази характеристика се нарича повторяемост. Тя върви ръка за ръка с чувствителността и двете оказват влияние на разделителната способност.

С увеличаване на дебита през клапана, при неизменени други условия, изходящото налягане ще спадне. Тази характеристика се нарича спад на налягането. Върху нея оказват влияние конструкцията на клапана, дебитът и обхватът на пружината. Колкото по-голям е обхватът на пружината, толкова по-забележим е ефектът на спада върху регулатора. Някои регулатори имат конструктивни характеристики за минимизиране на този ефект. Обикновено за тази цел се използват различни механизми без пружина, за да се изпълни изискването за баланс на силите в регулатора.
Разделителната способност характеризира колко точно можете да настроите регулатора и да накарате изходящото налягане да реагира на промените на входящото. Разделителната способност освен от обхвата на пружината в регулатора зависи и от неговата чувствителност. Колкото по-чувствителен е регулаторът, толкова по-малък е шансът да се наложи да се пренастройва, за да се уцели “перфектната зададена точка”. Иначе такова търсене на точната стойност е често срещано явление в неправилно настроени сервоконтури.

За регулиране на въздух съществуват много модели прецизни регулатори, насочени към инструментални приложения в диапазона от 1/8" или 1/4”, включително и такива, предвидени да контролират налягания под 69 милибара. Въпреки това изборът на прецизни решения в ултраниския диапазон е по-ограничен, тъй като касае специализирани продуктови гами. Тези регулатори обикновено са с вградена предпазна функция за освобождаване на излишното налягане, което означава, че могат да изпуснат процесния въздух от линията, когато е зададена по-ниска стойност на налягане или когато налягането надвиши зададената стойност.

През последното десетилетие най-бързо развиващият се тип електронен регулатор на налягането използва два високоскоростни серво- или електромагнитни клапана за увеличаване или намаляване на налягането на флуида според необходимостта. Тези електронни регулатори на налягане предлагат повече гъвкавост и устойчивост в сравнение с по-стари технологии.

Двустепенните серворегулатори на налягането поставят златния стандарт по отношение на прецизността на регулаторите за въздух в диапазона до 35 милибара. Тези регулатори използват двустепенен сервомеханизъм, за да се елиминира на практика флуктуацията на дебита.