книги из ГПНТБ / Дмитриев, В. Н. Основы пневмоавтоматики

нш'і к последнему. Кривые I—4 на рис. 95 являются характери­ стиками элемента, у которого рабочей средой служит воздух, а кривая 5 соответствует случаю, когда рабочей средой является

вода.

Постановка приемной трубки в выходном канале вихревой камеры и наличие некоторого сброса расхода приводит к увели­ чению крутизны характеристики [55] вихревого элемента. Результаты, по­ лученные при смешанном управле­ нии питающая струя — водяная, уп­ равляющая — воздушная, представ­ лены на рис. 96. Данные опытов, приведенные на рис. 95 и 96, по­ лучены при сходных условиях.

'’ л. элемента с атмосферным отверстием в вихревой

камере ро =* (0,07 0,31) МПа

Смешанное управление позволяет создавать различные пневмогпдропреобразователи.

Принимая сделанные ранее допущения о несжимаемости жидкости, найдем основные зависимости, характеризующие вих­ ревое движение.

Полная составляющая скорости течения в кольцевом сечении вихревой камеры может быть выражена через радиальную и тангенциальную составляющие. Распределение тангенциальных скоростей в случае заглушенного канала питания выражается обычно в виде степенной зависимости 1

ѵ% R

где оу — средняя скорость потока в канале управления; г — пе­ ременный радиус.

1 Показатель степени закона распределения тангенциальных скоростей в камере зависит от геометрических и иных характеристик камеры и обычно

.лежит в пределах от 2/3 до 1 [28, 55]. Выражение (88) находят из уравнения моментов количества движения.

,160

Откуда получаем

Радиальная составляющая скорости в кольцевом сечении

2лгН

Градиент изменения давления в радиальном направлении пропорционален квадрату тангенциальной составляющей скорости, т. е.

9

Подставляя в последнее выражение зна­ чение ѵ%, найденное по формуле (88), полу­ чаем

Найдем расход на выходе из вихревой камеры. Уравнение (90) справедливо для малых скоростей течения невязкой жидко­ сти. В случае течения несжимаемой жидкости массовый расход Gв связан с избыточным давлением рв на выходе из камеры из­ вестным уравнением

G B = Р- S B V 2р р в >

Глава V

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ, УПРАВЛЯЮЩИЕ И РЕГУЛИРУЮЩИЕ

мышленной автоматики позволил создавать специализированные регуляторы, решающие отдельные задачи регулирования, а имен­ но, пропорциональное, пропорционально-интегральное регулиро­ вание, а также выполняющие вычислительные операции — ум­ ножение, деление, сложение и т. д.

Дальнейшее развитие промышленности и необходимость ав­ томатизации более сложных объектов и процессов привели к реализации элементного способа построения пневматических приборов, аналогичного применяемому в электронике. Элемент­ ный способ построения пневматических приборов, при котором новый пневматический прибор (аналогового или дискретного действия) собирают из пневмоэлементов универсального назна­ чения, был воплощен в системе УСЭППА (Универсальная систе­ ма элементов промышленной пневмоавтоматики).

В основе конструкции приборов, реализующих тот или иной способ соединения элементов в едином приборе, лежат опреде­ ленные технические принципы построения.

Существуют три основных принципа построения непрерывных пневматических вычислительных и регулирующих приборов, а именно: принцип компенсации перемещений, принцип компен­ сации сил и принцип компенсации расходов. На более ранней стадии развития пневмоавтоматики пневматические приборы строили по принципу компенсации перемещений. В качестве упругих элементов в этих приборах использовали, как правило, сильфоны. Принцип компенсации перемещений состоит в том, что перемещение одних упругих элементов компенсируется пере­ мещениями других упругих элементов. Сложение перемещений выполняется на рычагах. Поэтому приборы, построенные по принципу компенсации перемещений, имеют обычно громоздкую конструкцию с тягами и рычагами.

В последние годы при построении пневматических приборов используют в основном два последних принципа, причем наи­ большее распространение получил принцип компенсации сил. Использование этих принципов, в отличие от принципа компен­ сации перемещений, позволяет значительно уменьшить габарит-

ные размеры приборов и применить блочный и элементный спо­ соб построения. Эти принципы чрезвычайно перспективны.

Приборы, работающие по принципу компенсации сил, в каче­ стве основных узлов включают в себя мембраны из мембранного полотна, соединенные общим штоком. Принцип компенсации сил заключается в том, что па штоке автоматически поддерживается баланс сил, т. е. равнодействующая оказывается всегда равной нулю. Торец штока управляет соплом пневматического усилителя сопло — заслонка. Перемещения штока составляют сотые доли миллиметра, т. е. практически шток не перемещается. На этом принципе построена пневматическая ветвь приборов Агрегатной унифицированной системы п приборов непрерывного действия Универсальной системы элементов промышленной пневмоавто­ матики.

Принцип компенсации расходов перенесен в пневмоавтома­ тику из электроники. Пневматические приборы, построенные по этому принципу, в качестве основного элемента содержат реша­ ющий усилитель. Расход воздуха, направляемый с выхода реша­ ющего усилителя через дроссель в суммирующую камеру, ком­ пенсирует расходы воздуха от входных сигналов, поступающих через дроссели в эту же камеру. При этом давление в камере либо остается постоянным, либо все время равным давлению, формируемому в другой камере решающего усилителя. Решаю­ щие усилители работают по принципу компенсации сил.

Рассмотрим на примере схем, получивших в свое время наи­ большее распространение, реализацию основных принципов по­ строения пневматических приборов.

2. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПА КОМПЕНСАЦИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ В РЕГУЛЯТОРАХ, ПОСТРОЕННЫХ НА БАЗЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Обычно регуляторы, построенные на базе измерительных при­ боров, имеют задатчик, регулирующее и регистрирующее уст­ ройства. Поэтому такие регуляторы иногда называют регулято­ рами приборного типа. Достоинства этих регуляторов состоят в том, что функции контроля и регулирования объединены в од­ ном приборе, что упрощает конструкцию, монтаж и эксплуата­ цию. Как уже отмечалось ранее, недостатком таких регуляторов являются большие габаритные размеры и невозможность реали­ зации многоконтурных систем регулирования. Однако иногда регуляторы рассматриваемого типа могут быть использованы как корректирующие устройства и в многокоитурных системах автоматического управления.

С помощью этих регуляторов могут быть реализованы П (пропорциональный), ПИ (пропорционально-интегральный) -за­ коны регулирования, и чаще всего они являются регуляторами давления, уровня, температуры и иных параметров [37].

164

Рассмотрим реализацию принципа компенсации перемещений на примере пропорционального регулятора (П-регулятора).

Схема простейшего П-регулятора показана на рис. 97. Регу­ лятор является усилителем, работа которого основана на прин­

матического усилителя. К

постоянному дросселю 5 усилителя подведено давление питания

давления р\ рычаг-заслонка 2 приближается к соплу 4 и давле­ ние р увеличивается. Одновременно увеличивается и давление отрицательной обратной связи рос. Жесткий центр сильфона 3 поднимается п отводит заслонку от сопла. Давление на выходе р уменьшается. Смещение заслонки относительно сопла на не­ сколько сотых долей миллиметра обеспечивает полный набор пли сброс давления в междроссельной камере. Поэтому суммар­ ное перемещение h заслонки относительно сопла в процессе ра­ боты меняется незначительно. В соответствии с приведенной на рис. 98 схемой можно записать, что

h = hx—h2= cpb— у а ,

вместе с тем из рассмотрения треугольников следует, что

165

Так как Іі очень мало, то можно принять его равным нулю и записать

х{Ь —х2а.

С другой стороны, а'і = k\p\, а х2 = k2p0с. Подставляя эти ра­ венства в последнее уравнение, получим

Если предположить, что дроссели делителя линейны, то его уравнение можно записать в виде

Рос) ßp0C"

откуда

а

Рос а + р Р-

Подставляя последнее равенство в уравнение (96), оконча­ тельно получим следующее выражение для выходного давления:

Принцип компенсации перемещений лежит также в основе действия регулятора типа 04 [37], реализующего, например ПИзакон.

3.РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИНЦИПА КОМПЕНСАЦИИ СИЛ

ИАГРЕГАТНОГО СПОСОБА ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ В СИСТЕМЕ АУС И КУСПА

Принцип компенсации сил является основным для построе­ ния приборов мембранной пневмоавтоматики и выгодно отли­ чается от принципа компенсации перемещений тем, что для его реализации не требуются громоздкие рычаги. Принцип компен­ сации сил нашел техническое воплощение в мембранных блоках [7] систем АУС и УСЭППА. Набор блоков АУС позволил перей­ ти к построению сложных многоконтурных систем автоматиче­ ского регулирования.

В последнее время на смену АУС приходит более прогрес­ сивная система УСЭППА. Однако приборы АУС по-прежнему используют в промышленности.

Агрегатная унифицированная система пневматических прибо­ ров построена по функциональному признаку. Это значит, что каждый из приборов АУС выполняет определенную возложен­ ную на него функцию. Все основные приборы выполнены в виде отдельных цилиндрической формы блоков, набранных из круглых

166

однотипных стандартных шайб, между которыми находятся мем­ браны из прорезиненного полотна. Шайбы стянуты между собой болтами.

В состав АУС входит большое число приборов, которые под­ разделяются на несколько групп: датчики, регулирующие и вы­ числительные блоки, вторичные регистрирующие и показываю­ щие приборы, блоки вспомогательного назначения. Для всех при­ боров АУС выбран единый диапазон изменения пневматических

Рис. 99. Принципиальная схема регулирующего блока АУС 4РБ-32А

входных и выходных сигналов. Избыточное давление 0,02— 0,1 МПа при избыточном давлении питания 0,14 МПа. В состав АУС входят также электропневматические и иные преобразова­ тели, позволяющие проводить комплексную автоматизацию раз­ личных промышленных объектов.

Рассмотрим устройство и действие основных приборов, вхо­ дящих в систему АУС, и проиллюстрируем на их примере реали­ зацию принципа компенсации сил.

Регуляторы АУС. Основным регулирующим прибором в системе АУС является пропорционально-интегральный регуля­ тор. В номенклатуре приборов АУС он числится как регулирую­ щий блок 4РБ-32А. Этот блок обеспечивает пропорциональноинтегральный закон регулирующего воздействия с широкими пределами изменения диапазона дросселирования и времени изо-

167

Дрома. Конструктивно регулирующий блок состоит из набора одинаковых по диаметру (стандартных) шайб, отделенных друг от друга гибкими мембранами из прорезиненного полотна. Мем­ браны и стенки шайб образуют пневматические камеры блока, которые могут соединяться между собой каналами, проходящи­ ми в стенках шайб. На поверхности блока расположены органы настройки диапазона дросселирования, времени пзодрома и винт настройки контрольной точки. Регулятор состоит из следующих основных элементов (рис. 99): усилителя (камеры 1, 2, 3, 4), камеры отрицательной обратной связи с дросселем сопло — за­ слонка 19, элемента сравнения (камеры 6, 7), камеры S положи­ тельной обратной связи, изодромного элемента (камеры 9, 10) и отключающего реле (камеры И, 12, 13). Давление питания ро подводят к камере 1 и к постоянному дросселю 5 пневматиче­ ского усилителя первого каскада усиления, а также постоянному дросселю 14 повторителя давления изодромного элемента. Сопло 19 пневматического усилителя управляется штоком 17 элемента сравнения. С помощью элемента сравнения давление р\, посту­ пающее от датчика измеряемого параметра, сравнивается с за­ данным давлением р2 , поступающим от пневматического задат­

чика. Выходное давление регулятора р, снимаемое с усилителя мощности, подается в камеру отрицательной обратной связи, в камеру положительной обратной связи 8 через дроссель диа­ пазона дросселирования 1 щ и в камеру 12 отключающего эле­ мента. Из камеры 12 через сопло 15 выходное давление поступа­ ет в камеру 11 и на выход регулятора. Помимо этого выходное давление подводится к дросселю изодрома 14 типа конус-— конус

бранном элементе сравнения нарушается, и шток 17 опускается вниз, прикрывая сопло пневматического усилителя. Так как дав­ ление р при этом также увеличивается на мембранном элементе сравнения, наступит новое равновесие сил, причем, если р\ оста­ нется больше р2 , выходное давление будет продолжать расти.

Рассмотрим это подробнее. По мере приближения торца штока 17 к соплу 19 давление в камере 4 возрастает, и мембраны 20 со штоком вторичного реле (усилителя мощности) перемещаются вниз. Питающий воздух из камеры 1 начинает поступать через образовавшуюся щель между седлом и шариком в камеру 2. Давление в камере 2 возрастает и, действуя на нижнюю мембра­ ну, уравновешивает силу, появившуюся за счет увеличения дав-1*

1

1 Диапазоном дросселирования условно называют величину - у - - 100%.

выражаемую в процентах, где k — коэффициент усиления регулятора.

168

ления в камере 4 (внутренняя отрицательная обратная связь усилителя мощности). Подводимое в камеру 8 давление осуще­ ствляет положительную обратную связь. В эту камеру выходное давление поступает с делителя давления, выполненного па дрос­ селях аі и иг. Действуя на верхнюю п нижнюю мембраны блока сравнения, давления отрицательной и положительной обратных связен компенсируют увеличение усилия, действующего вниз, за счет возросшего давления р\. Через дроссель аз происходит на­ полнение камеры 10 и, как следствие этого, увеличение давления Ри- Давление в камере 9 равно давлению в камере 10. Таким образом, давление после дросселя аз будет медленно нарастать, что поведет к увеличению давления рпс в камере положительной обратной связи 8 и новому увеличению давления р и т. д. Если Р\ будет оставаться больше р 2, то выходное давление увеличится до своего наибольшего значения ', а давления в камерах 2, 4, 8, 9, 10, 11, 12 и камере отрицательной обратной связи будут равны между собой и выходному давлению. Так как мембраны выпол­ нены из прорезиненного полотна и практически не обладают жесткостью, то шток 17 элемента сравнения при выравнивании давлений р\ и р% может занимать любое положение, при кото­ ром на выходе регулятора устанавливается давление, соответст­ вующее перемещению регулирующего органа в положение, при котором параметр возвращается к заданному значению.

При уменьшении регулируемого параметра торец штока от­ ходит от сопла. Давление на выходе регулирующего блока уменьшается, а воздух из пневматических камер выходит в ат­ мосферу через полый шток усилителя мощности. Для настройки контрольной точки служит винт и плоская пружина 16, а также пружина 18. Так как перемещение штока элемента сравнения в процессе работы чрезвычайно мало, то и усилия пружин 16 и 18 практически остаются постоянными.

Если регулирующий клапан, установленныйна входе регуля­ тора, необходимо перевести на ручное управление и отключить от регулирующего блока, то в камеру 13 подают избыточное дав­ ление рк, равное питающему давлению. Мембрана перекрывает сопло 15, в результате чего поступление воздуха в линию испол­ нительного механизма прекращается.

При полностью открытом дросселе аі отрицательная обрат­ ная связь исключается и регулятор по своему действию прибли­ жается к двухпозиционному. При полностью закрытом дросселе аі действие отрицательной обратной связи проявится в наиболее полной мере. Регулирующий блок 4РБ-32А может работать так­ же и в режиме пропорционального регулятора (П-регулятора). Для этого необходимо полностью перекрыть дроссель изодрома аз- В этом случае давление на выходе блока при нулевом рас-1

1 Наибольшее значение выходного давления равно питающему давлению минус давление, обусловленное усилием пружины 21, предназначенной для создания постоянного перепада на сопле 19 усилителя.

169