Регуляторы расхода с компенсацией давления: руководство

Регулятор расхода с компенсацией давления — это устройство, которое изменяет внутреннее проходное сечение, чтобы заданный расход меньше зависел от изменений давления на входе или после клапана. Он не поддерживает постоянный расход при любых условиях. Клапан должен работать в установленных пределах давления, перепада давления, расхода, температуры и допустимых рабочих сред. Для пневматики это различие особенно важно. Плотность газа меняется в зависимости от давления и температуры, а поток через суженный канал может приблизиться к критическому режиму. Поэтому полноценный технический паспорт должен указывать, выражен ли расход как фактический объёмный, приведённый объёмный или массовый расход, а также задавать опорные условия. Одного значения Cv недостаточно, чтобы подтвердить качество компенсации.

Главный вывод: компенсация поддерживает перепад давления на дозирующем сечении близким к расчётному значению, но только в определённых условиях. В одной серийной модели, пригодной для пневматического применения, на заводе задан перепад 10 psi. Перед выбором проверьте допуск по расходу, опорные условия для газа, пределы давления на входе и выходе, направление потока и реакцию на переходные процессы.

В этом руководстве рассматриваются распознавание, выбор и проверка пневматических регуляторов расхода с компенсацией давления. Более широкий обзор дросселей, обратных клапанов и устройств регулирования выхлопа приведён в основном руководстве по пневматическим регуляторам расхода.

В этом руководстве: что именно регулирует компенсация, как работает механизм, где заканчивается диапазон компенсации, различия между классами устройств, выбор, направление регулирования в контуре, ввод в эксплуатацию и часто задаваемые вопросы.

Что именно регулирует компенсация давления?

Festo отличает обычный дроссель, расход через который зависит от перепада давления, от клапана с компенсацией давления, поддерживающего заданный объёмный расход при изменении падения давления. Регулируемая величина — это перепад на дозирующем элементе, а не само по себе давление на входе (Регуляторы расхода Festo).

В пассивном компенсированном клапане регулировка задаёт площадь дозирующего сечения. Диафрагма или золотник воспринимает давление по обе стороны этого сечения и перемещает второе регулируемое отверстие. Когда доступный перепад растёт, компенсатор прикрывает проход настолько, чтобы сохранить перепад на дозирующем элементе близким к расчётному. При уменьшении перепада он открывает проход.

Понять принцип действия помогает известная зависимость расхода через отверстие:

Q \propto A_o \sqrt{\Delta p_o}

Здесь $Q$ — расход, $A_o$ — выбранная площадь дозирующего сечения, а $\Delta p_o$ — перепад давления на дозирующем элементе. Если поддерживать $\Delta p_o$ приблизительно постоянным, то $Q$ определяется главным образом настройкой $A_o$ .

Эта зависимость поясняет принцип, но не является формулой для расчёта сжатого воздуха. На пневматический расход влияют плотность газа, абсолютное давление, температура, характер истечения и критический режим потока. ISO 6358-3 рассматривает установившиеся расходные характеристики сборок пневматических компонентов в докритическом и критическом режимах, поэтому окончательный расчёт должен опираться на данные изготовителя по расходу газа и указанные им опорные условия (ISO 6358-3:2014).

Самая быстрая проверка по каталогу — найти заданный перепад компенсации или контролируемое падение давления. Например, в модели Beswick PCFCD на регулируемом отверстии заводом задан перепад 10 psi, а диапазон расхода воздуха указан отдельно. Это подтверждает наличие компенсации. Названия с терминами «прецизионный» или «регулятор скорости» сами по себе ничего не доказывают (Beswick PCFCD).

Пассивный компенсатор изменяет одно внутреннее проходное сечение, стабилизируя перепад давления на регулируемом дозирующем элементе. Это функциональная схема, а не универсальный чертёж конструкции.

Как компенсатор удерживает расход близким к заданному значению?

В одной серийной пассивной конструкции применяется диафрагма с малым трением, заводской перепад регулирования 10 psi и максимальное давление на входе 135 psig при 70 °F. Beswick также указывает, что PCFCD предназначен главным образом для жидкостей. Это ограничение необходимо учесть до применения с воздухом клапана, который на первый взгляд кажется подходящим (Beswick PCFCD).

Предположим, сопротивление после клапана увеличивается, а давление на входе остаётся стабильным. Доступный перепад на клапане уменьшается. Компенсатор перемещается в сторону большего внутреннего прохода, оставляя более значительную долю доступного падения давления на фиксированном дозирующем сечении. Если давление после клапана снижается, компенсатор прикрывает регулируемый проход, чтобы перепад на дозирующем элементе не возрастал пропорционально. Механизм не способен создавать давление. Если давление на входе слишком приблизится к выходному, регулируемый проход в конце концов полностью откроется. После этого расход начнёт снижаться вместе с оставшимся перепадом. На другом краю диапазона верхние пределы задают давление, температура, усилие пружины, трение, поведение уплотнений и пропускная способность каналов. Поэтому полноценное описание характеристик включает четыре параметра: заданный расход, диапазон входного давления, допустимый диапазон выходного давления или противодавления и полосу точности либо отклонения расхода. Если в каталоге указаны только максимальное давление и размер портов, компенсационные характеристики не описаны.

Где заканчивается диапазон компенсации?

Для примера Beswick указаны максимальное входное давление 135 psig при 70 °F, заводской перепад регулирования 10 psi и отдельный диапазон расхода воздуха от 0 до 20 стандартных кубических футов в час. Это данные конкретного изделия, а не универсальные пределы для пневматических клапанов. Вместе они задают рабочую область одной модели, но не отраслевое правило (Beswick PCFCD).

Компенсация ослабевает или исчезает при следующих условиях:

Недостаточный перепад. После полного открытия компенсатор уже не может стабилизировать расход.
Расход вне калиброванного диапазона. Очень малые отверстия чувствительны к загрязнению. На другом конце диапазона полностью открытый дозирующий элемент может превысить регулирующую способность компенсатора, и полезная разрешающая способность настройки исчезнет.
Чрезмерное противодавление. Слишком сопротивляющийся глушитель, малый выпускной клапан, общий коллектор или длинная трубка могут израсходовать доступный перепад.
Давление или температура за пределами номинала. Поведение пружины, усилие на диафрагме, плотность газа, работа уплотнений и напряжения в корпусе перестают соответствовать опубликованному диапазону.
Быстрые переходные процессы. Пассивным механическим элементам нужны время и ход для реакции. Короткий ход цилиндра может завершиться раньше, чем расход стабилизируется.

Не оценивайте запас только по давлению питания. Во время движения измерьте $p_1$ непосредственно перед клапаном и $p_2$ сразу после него. Доступный перепад на клапане равен $\Delta p_v = p_1 - p_2$ . Статические манометры, уставка регулятора и давление в ресивере компрессора могут скрывать локальные динамические условия.

Подробнее о причинах потери перепада на стороне подачи см. в руководстве по расчёту трубопроводов сжатого воздуха и падению давления.

Пассивная компенсация, игольчатые клапаны и электронное регулирование

В техническом паспорте электронного Festo VPCF для документированных вариантов указаны повторяемость 0.5% полной шкалы, абсолютная точность 3% полной шкалы и гистерезис 0.8% полной шкалы. Устройство объединяет датчики и управляющую электронику, не допускает обратного направления и показывает, как документируется замкнутый контур. Эти значения относятся к конкретной модели и неприменимы к пассивным клапанам (Технический паспорт Festo VPCF).

Три класса устройств решают разные задачи:

Устройство	Что изменяется внутри	Основная обратная связь	Что означает настройка	Типичное ограничение
Игольчатый или односторонний регулятор скорости	Заданное пользователем сечение остаётся неизменным	Отсутствует	Степень открытия или положение шкалы рукоятки	Расход меняется вместе с перепадом давления
Пассивный клапан с компенсацией давления	Компенсатор изменяет второе проходное сечение	Механический баланс давлений	Калиброванный или номинальный расход	Работает только в пределах диапазона компенсации
Электронный регулятор расхода	Пропорциональный элемент перемещается под управлением датчика	Измеренный расход и электроника	Заданное командой значение расхода	Требует питания, правильного сигнального интерфейса и времени на реакцию

Электронный пропорциональный клапан не всегда является регулятором расхода: он может задавать положение золотника, не измеряя поток. В руководстве по пропорциональным клапанам объясняется различие между разомкнутым пропорциональным управлением и регулируемой величиной в замкнутом контуре.

Практический алгоритм выбора. Фиксированный дроссель задаёт проходное сечение, пассивный компенсированный клапан регулирует внутренний перепад, а электронный регулятор использует измеряемую обратную связь.

Как выбрать клапан для сжатого воздуха?

ISO 6358-1 определяет методы испытаний в установившемся режиме для компонентов со сжимаемым потоком и постоянным либо переменным проходным сечением. При этом из области применения исключены компоненты, например регуляторы, у которых внутренняя обратная связь делает коэффициенты нестабильными. Вместо предположения, что один коэффициент описывает все условия, запросите метод испытаний и кривую конкретного изделия, подтверждающие данные компенсированного клапана (ISO 6358-1:2013).

Начинайте техническое задание с требуемого регулируемого результата. Укажите необходимый расход и допустимое отклонение при минимальном и максимальном динамическом входном давлении машины, затем задайте диапазон давления или противодавления после клапана. Для единиц расхода воздуха укажите опорный стандарт и температуру. Значение «500 L/min» неполно, если покупатель не может определить, идёт ли речь о стандартном, нормальном, свободном или фактическом объёмном расходе.

Затем проверьте для точного номера детали следующие характеристики:

Рабочая среда и чистота: совместимость со сжатым воздухом, требуемая фильтрация, правила смазки и допустимая влажность.
Диапазон компенсации: минимальное и максимальное входное давление, допустимое выходное давление, минимальный перепад на клапане и калиброванный диапазон расхода.
Определение характеристик: допуск по расходу, гистерезис, повторяемость, влияние температуры, динамика реакции и условия испытания для каждого значения.
Пневматическая пропускная способность: кривая расхода газа изготовителя, звуковая проводимость или Cv, если они указаны, размеры портов и трубок, а также сопротивление после клапана. Отдельное руководство по Cv клапанов объясняет расчёт пропускной способности, но пропускная способность не равнозначна точности компенсации.
Поведение в контуре: предпочтительное направление, пропускная способность при обратном потоке, встроенный обратный клапан, поведение при перекрытии и повторном запуске, допустимость двунаправленного применения.
Механическая интеграция: стандарт резьбы, материал уплотнений, монтажное положение, фиксация настройки, защита от несанкционированного изменения, допустимая температура и доступ для обслуживания.

Не добавляйте произвольный процент как «коэффициент запаса». Завышенный размер может сместить рабочую точку к нижнему краю диапазона регулирования, где разрешающая способность настройки недостаточна. Требуемый расход должен находиться в полезном диапазоне регулирования изготовителя, а при худшем сочетании одновременного потребления должен сохраняться достаточный динамический перепад.

Дросселирование на входе, на выходе и обратный поток

SMC описывает дросселирование на выходе как сравнительно устойчивое к изменениям нагрузки, поскольку давление в выхлопной полости сдерживает поршень, и отмечает большую чувствительность дросселирования на входе к нагрузке. Изделия AS-R и AS-Q также показывают, что заявления об экономии энергии и скорости относятся к конкретным контуру и применению, а не следуют из одного названия «регулятор расхода» (Технический обзор SMC AS-R/AS-Q).

При обычном регулировании скорости цилиндра исходной схемой часто служит дросселирование на выходе, поскольку оно поддерживает противодавление в опорожняемой полости. Это противодавление важно: оно уменьшает доступный перепад на компенсированном клапане в выпускной линии, а глушитель или выпускной канал распределителя может снизить его ещё сильнее. Поэтому диапазон компенсации нужно проверять во время движения. Дросселирование на входе может подходить для сопротивляющихся нагрузок, энергосберегающих контуров или изделий, специально рассчитанных на регулирование подачи. Для попутной нагрузки это неудачный вариант по умолчанию: привод способен двигаться быстрее, чем поступающий воздух успевает его регулировать. Вертикальные оси и другие нагрузки, движению которых помогает сила тяжести, требуют отдельно спроектированной стратегии удержания и безопасности.

Обратный поток — характеристика конкретного изделия, а не исходное допущение. Во многих обычных пневматических регуляторах скорости дросселируемое направление сочетается со свободным обратным потоком через обратный клапан, как показано в стандартном каталоге Parker (Пневматические регуляторы расхода Parker). Пассивное компенсированное устройство может быть односторонним, двунаправленным с разными характеристиками или повреждаться от обратного перепада. Нанесите предполагаемую стрелку на схему и сверьтесь с техническим паспортом.

Поведение нагрузки подробнее рассмотрено в отдельном руководстве по дросселированию на входе и на выходе.

Как ввести регулятор расхода с компенсацией давления в эксплуатацию?

Для Festo VPCF отдельно опубликованы повторяемость 0.5% полной шкалы, абсолютная точность 3% полной шкалы и гистерезис 0.8% полной шкалы. Для пассивного клапана может быть указано меньше параметров, но логика ввода в эксплуатацию та же: воспроизвести заданные граничные условия и сравнить измеренный расход с допустимой полосой (Технический паспорт Festo VPCF).

Установите временные точки измерения давления непосредственно перед устройством и после него, а затем разместите ниже по потоку подходящий расходомер воздуха в точке и ориентации, предписанных изготовителем. Зафиксируйте опорные условия расходомера, чтобы последующие показания можно было сопоставлять.

Используйте следующую последовательность:

Проверьте деталь, стрелку направления, рабочую среду и фильтр.
Установите нормальную настройку при стабильном режиме в середине диапазона. Запишите $p_1$ , $p_2$ , расход, температуру, время цикла привода и положение настройки.
Воспроизведите минимальное динамическое входное давление при работе всех ожидаемых одновременных потребителей. Не заменяйте его показанием манометра регулятора без расхода.
Воспроизведите максимальное ожидаемое противодавление с учётом установленного распределителя, трубок, фитингов, глушителя и общего выпускного тракта.
Проверьте пуск, остановку, повторный пуск и оба задаваемых направления. Следите за кратковременным превышением скорости или медленным восстановлением, которые не покажет установившееся значение расхода.
Повторите испытание при верхнем входном давлении и сравните каждый результат с опубликованной полосой допуска.
Зафиксируйте настройку, отметьте принятое положение и внесите в документацию машины значения давления, опорные условия расхода, температуру, результат цикла, идентификатор прибора и окончательную настройку.

Если скорость цилиндра продолжает меняться, хотя измеренный расход через клапан остаётся в допуске, клапан может работать правильно. На движение влияют и другие переменные. Проверьте усилие нагрузки, трение уплотнений, демпфирование, давление в полостях, переключение распределителя, сопротивление выхлопа и скачкообразное движение. Повторяемость расхода и повторяемость движения взаимосвязаны, но это не одна и та же регулируемая величина.

Часто задаваемые вопросы о регуляторах расхода с компенсацией давления

Festo указывает, что клапаны с компенсацией давления поддерживают заданный объёмный расход при изменении падения давления, а в паспорте электронного VPCF отдельно приведены точность, гистерезис, направление и рабочие пределы. Эти данные задают контекст ответов ниже: компенсация — это ограниченная рабочим диапазоном характеристика, а не обещание одинакового движения в любом пневматическом контуре (Регуляторы расхода Festo).

Есть ли в обычном пневматическом регуляторе скорости компенсация давления?

Обычно нет. Обычный игольчатый регулятор скорости фиксирует проходное сечение, поэтому расход меняется вместе с перепадом давления. Настоящий компенсированный клапан использует обратную связь по давлению, чтобы изменять другое внутреннее сечение, и для него должен быть указан диапазон компенсации, регулируемый перепад, допуск по расходу или рабочая характеристика. Проверяйте паспорт точной модели, а не полагайтесь на слова «прецизионный» или «постоянная скорость».

Поддерживает ли компенсация давления абсолютно постоянную скорость цилиндра?

Нет. Она уменьшает изменение расхода только в пределах опубликованного рабочего диапазона и допуска клапана. Скорость цилиндра всё ещё может меняться из-за нагрузки, трения, демпфирования, давления в полостях, момента переключения распределителя, сопротивления выхлопа, температуры или скачкообразного движения. Проверяйте как измеренный расход через клапан, так и фактическое время цикла при минимальных и максимальных рабочих условиях машины.

Может ли один клапан регулировать расход в обоих направлениях?

Только если это допускает изготовитель. Некоторые клапаны компенсируют расход в одном направлении и обеспечивают свободный обратный поток через обратный клапан. Другие не допускают обратного направления или имеют разные характеристики для каждого направления. До установки сопоставьте стрелку на схеме, допустимое обратное давление и данные по обратному расходу с контурами выдвижения и втягивания.

Достаточно ли Cv для выбора пневматического клапана с компенсацией давления?

Нет. Cv описывает пропускную способность при определённых условиях испытаний, но не показывает, насколько точно клапан удерживает заданный расход при изменении входного давления или противодавления. Для выбора также нужны опорные условия для газа, калиброванный диапазон расхода, минимальный перепад, точность компенсации, гистерезис, направление, температура и пневматическая характеристика изготовителя.

Экономит ли клапан с компенсацией давления энергию сжатого воздуха?

Не обязательно. Пассивная компенсация по-прежнему основана на дросселировании и требует перепада давления. Она может предотвращать избыточный расход при повышении давления питания, но для экономии энергии нужно измеримое снижение потребления воздуха, давления, утечек или расхода на цикл. Сравните расход воздуха всей машины до и после изменения, а не предполагайте экономию по типу клапана.

Техническое руководство по регуляторам расхода с компенсацией давления

Eric Zhou