RU2240617C2

RU2240617C2 - Actuating device of gas meter shutoff valve

Info

Publication number: RU2240617C2
Application number: RU2002134829/09A
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Афанасьев (RU); Ю.В. Афанасьев; Е.П. Клюев (RU); Е.П. Клюев; А.В. Никонов (RU); А.В. Никонов; Г.П. Осипов (RU); Г.П. Осипов
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-11-20

Abstract

FIELD: instrumentation engineering; domestic gas meters.

SUBSTANCE: proposed device has movable rod with permanent-magnet unit moving along central axis of double-coil solenoid system; hinged to top end of this rod is equalizing valve in the form of cylindrical sleeve secured thereon with lock washer. Upper rubber-covered surface of shutoff valve serves as equalizing valve seat. Lower surface of shutoff valve abutting against seat disposed in inlet union of gas meter is spring-loaded. Area of equalizing valve bottom may amounts to 5 - 10% of shutoff valve sectional area. Movable rod may carry impact washer at distance from lower surface of shutoff valve equal to 0.9 of maximal travel of rod between its extreme positions. Spring pressure is chosen between 0.2 and 0.4 of maximal force built up by permanent magnet assembly.

EFFECT: reduced mass and size of device; reduced power requirement of off-line power supply.

4 cl, 1 dwg

Description

Заявляемое техническое решение относится к приборостроению и может быть использовано в качестве исполнительного устройства запорного клапана в бытовых газовых счетчиках на объектах жилищно-коммунального хозяйства.The claimed technical solution relates to instrumentation and can be used as an actuator for a shut-off valve in domestic gas meters at housing facilities.

Известен бытовой газовый счетчик с кредитной картой (патент ЕРА №0354575), в котором закрытие запорного клапана производится с использованием кулачка, расположенного на валу приводного электродвигателя. Недостатком конструкции является большое потребление электроэнергии от батареи счетчика, недостаточная надежность.A household gas meter with a credit card is known (EPA patent No. 0354575), in which the shut-off valve is closed using a cam located on the shaft of the drive electric motor. The disadvantage of the design is the large consumption of electricity from the battery of the meter, lack of reliability.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство (WO 97/23885, МПК H 01 F 7/16), используемое в качестве запорного клапана в системе подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания.Closest to the claimed device is a device (WO 97/23885, IPC H 01 F 7/16), used as a shut-off valve in the fuel supply system in internal combustion engines.

Устройство содержит постоянный подвижный магнит, перемещающийся вертикально вверх или вниз под действием магнитного поля двух неподвижных соленоидных катушек, окруженных внешним цилиндром из ферромагнитного материала.The device contains a permanent movable magnet moving vertically up or down under the action of the magnetic field of two stationary solenoid coils surrounded by an external cylinder of ferromagnetic material.

На верхней крышке клапана имеется несколько входных и выходных отверстий, герметично закрываемых подвижным постоянным магнитом при подаче электрического импульса на соленоидные катушки.There are several inlet and outlet openings on the top cover of the valve, which are hermetically sealed by a movable permanent magnet when an electric pulse is applied to the solenoid coils.

Недостатком известного запорного клапана являются большие затраты электрической энергии от батареи аккумуляторов для удержания в верхней торцевой стенке кожуха клапана подвижного магнита, обеспечивающего герметичность уплотнения клапана при его закрытии. Удерживающий ток при закрытом клапане составляет 20% от максимальной амплитуды тока, подаваемого на закрытие клапана. Для открытия клапана необходимо также подавать значительный импульсный ток на соленоидные катушки устройства.A disadvantage of the known shut-off valve is the high cost of electric energy from the battery of batteries to hold the movable magnet in the upper end wall of the valve casing, which ensures tightness of the valve seal when it is closed. Holding current with a closed valve is 20% of the maximum amplitude of the current supplied to close the valve. To open the valve, it is also necessary to apply a significant pulsed current to the solenoid coils of the device.

Целью предлагаемого технического решения является разработка конструкции исполнительного устройства запорного клапана газового счетчика, обеспечивающего минимальное потребление электроэнергии от встроенной батареи постоянного тока и высокую эксплуатационную надежность работы газового счетчика.The aim of the proposed technical solution is to develop the design of the actuator for the shut-off valve of the gas meter, which ensures minimum energy consumption from the built-in DC battery and high operational reliability of the gas meter.

Поставленная цель достигается тем, что в конструкцию исполнительного устройства запорного клапана, содержащего две коаксиально расположенные соленоидные катушки, разделенные прокладкой из ферромагнитного материала, узел аксиально намагниченного постоянного магнита с двумя концентраторами, жестко закрепленный на центральном подвижном штоке, обе катушки помещены в ферромагнитный стакан, во входном штуцере газового счетчика размещен запорный клапан, закрывающий поступление газа по ходу движения потока, на верхнем конце подвижного штока размещен уравнительный клапан в виде цилиндрического стакана, закрепленного на штоке стопорной шайбой, дно стакана уравнительного клапана размещается на верхней плоской обрезиненной поверхности запорного клапана, служащего седлом для уравнительного клапана, нижняя плоскость запорного клапана, прилегающая к седлу, размещенному во входном штуцере, подпружинена.This goal is achieved by the fact that in the design of the actuator of the shut-off valve, containing two coaxially located solenoid coils, separated by a spacer of ferromagnetic material, an axially magnetized permanent magnet assembly with two concentrators, rigidly fixed to the central movable rod, both coils are placed in a ferromagnetic cup in the inlet fitting of the gas meter has a shut-off valve that closes the gas flow in the direction of flow, at the upper end of the movable piece The balancing valve in the form of a cylindrical cup mounted on the rod with a lock washer is placed, the bottom of the balancing valve cup is placed on the upper flat rubberized surface of the shutoff valve serving as a seat for the balancing valve, the lower plane of the shutoff valve adjacent to the seat located in the inlet fitting is spring-loaded.

Уравнительный клапан позволяет за счет предварительного выравнивания давления в подводящем газопроводе и во внутренних газораспределительных полостях счетчика после поступления команды в виде импульса напряжения от форсирующего конденсатора, размещенного в блоке управления клапаном, значительно снизить энергопотребление от встроенной в счетчик батареи постоянного тока.The equalizing valve allows, due to preliminary pressure equalization in the gas supply line and in the internal gas distribution cavities of the meter, after receiving a command in the form of a voltage pulse from a boost capacitor located in the valve control unit, significantly reduce the power consumption of the DC battery built into the meter.

Для уменьшения токопотребления при срабатывании уравнительного клапана площадь дна стакана уравнительного клапана выбирается равной 5...10% от площади поперечного сечения запорного клапана.To reduce current consumption when the surge valve is triggered, the bottom area of the surge valve cup is selected equal to 5 ... 10% of the cross-sectional area of the shut-off valve.

При открытии клапана, находящегося в закрытом состоянии для снижения токопотребления от встроенной батареи постоянного тока, на подвижном штоке размещена ударная шайба, расположенная на расстоянии от нижней поверхности запорного клапана, равном 0,9 расстояния максимального хода перемещения штока между его крайними положениями.When opening a valve that is in a closed state to reduce current consumption from the built-in DC battery, a shock washer is placed on the movable stem located at a distance from the bottom surface of the shutoff valve equal to 0.9 of the distance of the maximum stroke of the rod between its extreme positions.

Выбор местоположения ударной шайбы обусловлен тем, что проходя со штоком выбранное расстояние, ударная шайба приобретает такую скорость импульса, при котором она ударяется о нижнюю поверхность клапана с максимальным моментом количества движения, создавая тяговое усилие, достаточное для отрыва клапана от седла. Усилие возвратной пружины, поддерживающей запорный клапан, выбирается равным 0,2...0,4 от максимального усилия, создаваемого узлом постоянного магнита, размещенного на подвижном штоке.The choice of the location of the impact washer is due to the fact that, having passed the selected distance with the stem, the impact washer acquires a pulse speed at which it hits the lower surface of the valve with a maximum angular momentum, creating a traction force sufficient to detach the valve from the seat. The force of the return spring supporting the shutoff valve is selected equal to 0.2 ... 0.4 of the maximum force generated by the permanent magnet assembly located on the movable rod.

Разработанная, изготовленная и испытанная конструкция исполнительного устройства запорного клапана показывает, что она обладает промышленной полезностью, обеспечивает минимальное потребление электроэнергии только во время прохождения команд в виде кратковременных электрических импульсов напряжения, возникающих в результате разряда форсирующего конденсатора в цепи блока управления счетчика.The developed, fabricated and tested design of the shut-off valve actuator shows that it has industrial utility, provides minimum power consumption only during the passage of commands in the form of short-term electrical voltage pulses resulting from the discharge of the boost capacitor in the circuit of the meter control unit.

В остальное время работы газового счетчика удержание запорного клапана в закрытом состоянии осуществляется за счет магнитного потока узла постоянного магнита, а в открытом состоянии за счет усилия возвратной пружины и воздействия магнитного поля постоянного магнита.During the rest of the gas meter’s operation, the shut-off valve is held in the closed state due to the magnetic flux of the permanent magnet assembly, and in the open state due to the force of the return spring and the influence of the magnetic field of the permanent magnet.

Конструкция исполнительного устройства запорного клапана газового счетчика поясняется чертежом, на котором представлена конструктивная схема исполнительного устройства запорного клапана в открытом состоянии.The design of the actuation mechanism of the shutoff valve of the gas meter is illustrated in the drawing, which shows a structural diagram of the actuation mechanism of the shutoff valve in the open state.

В исходном рабочем состоянии, когда газ поступает в газовый счетчик, запорный клапан 1 приподнят над седлом 2 входного штуцера 3 газового счетчика за счет механического усилия пружины 4 и магнитного поля узла постоянного магнита 5 с верхним 6 и нижним 7 концентраторами, узел постоянного магнита жестко закреплен на немагнитном штоке 8. Узел аксиально намагниченного постоянного магнита 5 может перемещаться совместно со штоком 8 только в осевом направлении вниз от верхнего стопа 9 до нижнего стопа 10 или вверх в обратном положении. На нижней торцевой поверхности верхнего стопа 9 закреплена пластмассовая втулка 11, определяющая величину рабочего зазора между узлом постоянного магнита 5 и нижней плоской поверхностью верхнего стопа 9. Для центрирования движения штока 8 служит верхняя 11 и нижняя 12 пластмассовые направляющие втулки.In the initial operating state, when gas enters the gas meter, the shutoff valve 1 is raised above the seat 2 of the inlet fitting 3 of the gas meter due to the mechanical force of the spring 4 and the magnetic field of the permanent magnet assembly 5 with the upper 6 and lower 7 concentrators, the permanent magnet assembly is rigidly fixed on a non-magnetic rod 8. The node of the axially magnetized permanent magnet 5 can move together with the rod 8 only in the axial direction down from the upper stop 9 to the lower stop 10 or up in the opposite position. A plastic sleeve 11 is fixed on the lower end surface of the upper stop 9, which determines the size of the working gap between the permanent magnet assembly 5 and the lower flat surface of the upper stop 9. The upper 11 and lower 12 plastic guide bushings are used to center the movement of the rod 8.

На верхнем конце штока 8 шарнирно закреплен кожух 14 уравнительного клапана в виде цилиндрического стакана, заглушенного сверху крышкой 15. Дно кожуха 14 закреплено на штоке 8 разрезной стопорной шайбой 16. В канавке штока 8 размещена ударная шайба 17 на расстоянии от нижней поверхности запорного клапана, равном 0,9 расстояния максимального хода перемещения штока между его крайними положениями.At the upper end of the rod 8, the equalizing valve casing 14 is pivotally fixed in the form of a cylindrical cup muffled from the top with the cover 15. The bottom of the casing 14 is fixed to the rod 8 with a split lock washer 16. An shock washer 17 is placed in the groove of the rod 8 at a distance from the bottom surface of the shutoff valve 0.9 distance of the maximum stroke of the rod between its extreme positions.

В состав исполнительного устройства запорного клапана входят первая 18 и вторая 19 соленоидные катушки, намотанные на каркасах из пластмассы. Обе катушки размещены внутри цилиндрического ферромагнитного стакана 20.The shut-off valve actuator includes first 18 and second 19 solenoid coils wound on plastic frames. Both coils are placed inside a cylindrical ferromagnetic cup 20.

Вся конструкция исполнительного устройства запорного клапана размещена в защитном пластмассовом кожухе 21. Катушки 18 и 19 разделены ферромагнитной прокладкой 22. Верхняя 23 и нижняя 24 горизонтальные поверхности исполнительного устройства запорного клапана 1 выполнены в виде плоских ферромагнитных шайб.The entire design of the shut-off valve actuator is located in the protective plastic casing 21. The coils 18 and 19 are separated by a ferromagnetic gasket 22. The upper 23 and bottom 24 horizontal surfaces of the shut-off valve actuator 1 are made in the form of flat ferromagnetic washers.

При поступлении импульса напряжения на катушку 18 от форсирующего конденсатора блока управления исполнительным устройством запорного клапана (не показан) на перекрытие поступления газа в счетчик форсирующий конденсатор начнет плавно разряжаться, причем постоянная времени разряда будет пропорциональна величине индуктивности катушки и обратно пропорциональна ее омическому сопротивлению. Ток в обмотке катушки 18 будет нарастать по экспоненциальной кривой. При прохождении тока по обмотке катушки 18 возникает магнитный поток в магнитных цепях магнитопровода катушки верхнего стопа 9, ферромагнитного стакана 20, ферромагнитной прокладки 22, верхней крышки 23, концентраторов 6, 7 и узла постоянного магнита 5. Данный магнитный поток, пронизывая подвижную часть узла постоянного магнита 5, создает в области зазора между концентратором 7 и нижним стопом 10 силу отталкивания блока постоянного магнита 5 в сторону нижнего стопа 10, т.е. уменьшения величины данного зазора.When a voltage pulse arrives at the coil 18 from the boost capacitor of the control unit of the shut-off valve actuator (not shown) to block the gas supply to the meter, the boost capacitor starts to discharge smoothly, and the discharge time constant will be proportional to the magnitude of the inductance of the coil and inversely proportional to its ohmic resistance. The current in the coil of coil 18 will increase along an exponential curve. When current flows through the coil winding 18, a magnetic flux occurs in the magnetic circuits of the magnetic circuit of the upper stop coil 9, the ferromagnetic cup 20, the ferromagnetic strip 22, the upper cover 23, concentrators 6, 7 and the permanent magnet assembly 5. This magnetic flux, penetrating the movable part of the permanent assembly magnet 5, creates in the gap between the hub 7 and the lower stop 10, the repulsive force of the permanent magnet block 5 towards the lower stop 10, i.e. decrease the size of this gap.

Так как постоянный магнит жестко закреплен на штоке 8, то шток с магнитом начнет перемещаться вниз до достижения оптимального рабочего зазора между концентратором 7 и верхней плоской поверхностью нижнего стопа 10. Клапан 1, плотно прижимаемый стопорной шайбой 16 штока 8 к седлу 2, преодолевает отталкивающее усилие пружины 4, будет плотно прилегать к седлу 2, перекрывая поступление газа в счетчик за счет удерживающей магнитодвижущей силы узла постоянного магнита 5 и входного давления газа, поступающего в счетчик от подводящего газопровода. Форсирующий конденсатор (не указан) блока управления исполнительным устройством к моменту закрытия клапана 1 полностью разрядится и спустя короткое время снова зарядится от аккумуляторной батареи счетчика, после чего потребление электроэнергии от встроенной батареи производиться не будет и никакого удерживающего тока для клапана 1 не потребуется на все время нахождения его в закрытом положении.Since the permanent magnet is rigidly fixed to the rod 8, the rod with the magnet will begin to move down to achieve the optimal working gap between the hub 7 and the upper flat surface of the lower stop 10. Valve 1, tightly pressed by the lock washer 16 of the rod 8 to the seat 2, overcomes the repulsive force springs 4, will fit snugly to the seat 2, blocking the flow of gas into the meter due to the holding magnetically motive force of the permanent magnet assembly 5 and the inlet pressure of the gas entering the meter from the gas supply pipe. The boost capacitor (not specified) of the actuator control unit by the time valve 1 is closed is completely discharged and after a short time is charged again from the meter’s battery, after which the power consumption from the built-in battery will not be generated and no holding current will be required for valve 1 for the whole time finding it in a closed position.

При подаче вручную от кнопки команды или автоматически на открытие клапана 1 импульс тока от форсирующего конденсатора поступит на обмотку катушки 19, при этом создается магнитное поле, которое пронизывая магнитопроводы блока постоянного магнита 5, нижнего стопа 10, нижней крышки 24, ферромагнитного стакана 20, ферромагнитной прокладки 22, создает в области зазора между верхней плоскостью концентратора 6 и верхнего стопа 9 отталкивающее усилие, приводящее в движение вверх магнит 5 со штоком 8. Так как возникающее усилие, притягивающее клапан 1 к седлу 2, довольно велико, то первоначально поднимается шток 8 внутри кожуха 14 уравнительного клапана и, достигая крышки 15, кратковременно поднимает кожух 14 над верхней поверхностью обрезиненного клапана 1, после чего газ начнет поступать в полость счетчика через зазор между штоком 8 и отверстием в зазоре между клапаном 1 и штоком 8.When applying manually from the command button or automatically to open valve 1, a current pulse from the boost capacitor will be supplied to the coil winding 19, thereby creating a magnetic field that penetrates the magnetic circuits of the permanent magnet unit 5, lower stop 10, lower cover 24, ferromagnetic cup 20, ferromagnetic gaskets 22, creates a repulsive force in the gap between the upper plane of the hub 6 and the upper stop 9, driving the magnet 5 with the rod 8 upward. Since the force arising attracts the valve 1 to If it is 2, it is quite large, then initially the rod 8 rises inside the equalizing valve casing 14 and, reaching the cover 15, briefly raises the casing 14 above the upper surface of the rubberized valve 1, after which gas will begin to flow into the counter cavity through the gap between the rod 8 and the hole in the gap between valve 1 and stem 8.

Так как площадь дна стакана уравнительного клапана выбирается равной 5...10% от площади поперечного сечения клапана 1, то усилие, затрачиваемое на его поднятие, будет в 15...20 раз меньше полного усилия, которое надо бы затратить на поднятие клапана 1 без использования кожуха 14 уравнительного клапана. Через приподнятый кожух уравнительного клапана 14 газ будет поступать в полость счетчика, в результате чего противодавление от газовой магистрали будет резко падать. К этому времени ударная шайба 17, передвигаясь со штоком 8 вверх, с большой силой ударяет о нижнюю обрезиненную поверхность клапана 1, приподнимая его над поверхностью седла 2. По мере выравнивания давления в подводящем газопроводе и внутренней полости газового счетчика и воздействия выталкивающей силы пружины 4 клапан 1 поднимется вверх над поверхностью седла 2, занимая положение, представленное на чертеже. Месторасположение ударной шайбы 17 на штоке 8 выбирается из условия обеспечения максимальной скорости движения штока, которая достигается при размещении шайбы от нижней поверхности запорного клапана, равном 0,9 расстояния максимального хода перемещения штока между его крайними положениями.Since the bottom area of the balancing valve cup is chosen equal to 5 ... 10% of the cross-sectional area of valve 1, the force spent on lifting it will be 15 ... 20 times less than the total effort that would have to be spent on lifting valve 1 without the use of the casing 14 equalizing valve. Through the raised casing of the equalizing valve 14, the gas will flow into the cavity of the meter, as a result of which the back pressure from the gas line will drop sharply. By this time, the shock washer 17, moving upward with the stem 8, strikes with great force the lower rubberized surface of valve 1, lifting it above the surface of the seat 2. As the pressure in the supply gas pipeline and the internal cavity of the gas meter is equalized and the buoyant force of the spring 4 is applied 1 rises up above the surface of the saddle 2, occupying the position shown in the drawing. The location of the shock washer 17 on the rod 8 is selected from the condition of ensuring the maximum speed of the rod, which is achieved when the washer is placed from the bottom surface of the shutoff valve, equal to 0.9 of the distance of the maximum stroke of the rod between its extreme positions.

Разработанное исполнительное устройство запорного клапана было использовано в бытовом кредитном счетчике, изготавливаемого предприятием. Испытания счетчика совместно с разработанным запорным клапаном подтвердили его надежную работу, малое потребление электроэнергии в процессе работы газового счетчика. Предлагаемое исполнительное устройство запорного клапана имеет невысокую стоимость, простую конструкцию по сравнению с другими известными устройствами и может быть рекомендовано для применения в газовой аппаратуре.The developed shut-off valve actuator was used in a household credit meter manufactured by the enterprise. Tests of the meter together with the developed shut-off valve confirmed its reliable operation, low power consumption during the operation of the gas meter. The proposed actuator shut-off valve has a low cost, simple design compared with other known devices and can be recommended for use in gas equipment.

Claims

1. Actuator of a shut-off valve, containing two coaxially located solenoid coils, separated by a spacer of ferromagnetic material, an axially magnetized permanent magnet assembly with two concentrators, rigidly mounted on a central movable rod, both coils are placed in a ferromagnetic cup, and a shut-off valve is placed in the inlet of the gas meter a valve that closes the gas flow in the direction of flow, characterized in that the equalizer is pivotally placed on the upper end of the movable rod a valve in the form of a cylindrical cup fixed to the rod with a lock washer, and the bottom of the balancing valve cup is placed on the upper flat rubberized surface of the shutoff valve, which serves as a seat for the balancing valve, the lower plane of the shutoff valve adjacent to the seat located in the meter inlet fitting is spring-loaded.

2. The actuator according to claim 1, characterized in that the bottom area of the equalizing valve glass is 5 ... 10% of the cross-sectional area of the shut-off valve.

3. The actuator according to claim 1, characterized in that the shock washer is placed on the movable rod at a distance from the bottom surface of the shutoff valve equal to 0.9 of the distance of the maximum stroke of the rod between its extreme positions.

4. The actuator according to claim 1, characterized in that the spring force is selected within 0.2 ... 0.4 of the maximum force generated by the permanent magnet assembly.