книги из ГПНТБ / Лебедев И.В. Элементы струйной автоматики

Рис. 97. Статические харак­ теристики элемента сдвумя диафрагмами:

коэффициента, стоящего перед соответствующим значением дав­

ления в формуле (339) на коэффициент а0, так как кр = = dpB/dpBX, где рвх — давление входного сигнала.

Элементы с двумя сливными камерами удобно использовать в операционном усилителе в качестве первого каскада, так как они позволяют сравнивать давления на различных уровнях и обладают высокой чувствительностью.

Способ модуляции струи питания. Выше рассматривались только пассивные элементы. Для построения многокаскадных усилителей с большим коэффициентом усиления целесообразно использовать активные усилительные элементы, в которых струя

питания соединяется с соплом 1 через сопротивление R, а управ­

ляющий сигнал подается в камеру, расположенную между соп­ лом 1 и диафрагмой 2. В опытах расстояние от сопла до диа­ фрагмы принималось равным (0,6 -г- 0,8) dc. Диаметр отверстия

диффузор.

220

В камере струйного устройства суммируется динамическое давление струи, вытекающей из сопла, рд и статическое давле­ ние управляющего сигнала ру. Так как потери энергии на пути

от сопла к диффузору малы (менее 1%), то считаем, что давле­

и хорошо совпадает с зависимостью (341). Как следует из фор­ мулы (341), сопротивление соединительного канала имеет боль­ шое значение. При его отсутствии коэффициент модуляции равен нулю независимо от геометрии камеры.

221

1.Общие определения

Вструйных элементах можно использовать три различных типа стенок: плоские, цилиндрические и острые кромки. Элемен­ ты с плоской стенкой (рис. 100, а) являются наиболее распро­

страненным типом дискретных элементов — их выпускает боль­ шинство фирм, работающих в этой области, в США, Англии,. Франции; несколько элементов такого типа разработано в СССР.

Широкое распространение этих элементов объясняется не­ оспоримыми достоинствами по сравнению с элементами других типов: высокой нагрузочной способностью, высоким быстродей­ ствием, релейностью характеристик и др. Поэтому элементы этого типа ниже будут рассмотрены подробно.

Известны элементы с цилиндрической стенкой, выполненной

бодной струи к стенке, имеющей форму аэродинамического про­

Рис.100.Струйныеэлементы,использующиепритяжениеструикстенке:

стенкой применяются также в качестве усилителей мощности для систем непрерывного действия [47].

Струйные элементы, основанные на притяжении струи к кромке (кромочные усилители), используют в качестве анало­ говых усилителей с высоким коэффициентом усиления.

2. Конструкция и логические возможности элементов с плоскими стенками

Конструкция и рабочий процесс. По конструкции элементы этого типа относятся к группе плоских элементов. Они выполня­ ются либо в виде плоских углублений в пластмассовых пли ме­ таллических платах, либо в виде зажатых между двумя крыш­ ками плоских пластин со сквозными просечками, образующими рабочую часть элемента.

Типичная конфигурация логического элемента этого типа приведена на рис. 100, а. Работа элемента основана на описан­

ном выше (п. 5 гл. Ill) эффекте притяжения струи к стенке п отрыва ее от стенки под влиянием потоков управления.

Струя, вытекающая из сопла 1, притягивается к одной из бо­ ковых стенок (например, к стенке 8), течет вдоль нее и попадает в выходной канал 6. При этом между струей и стенкой образует­

ся циркуляционная зона пониженного давления, в которую по­ ступает как возвратный поток, так и поток, засасываемый через каналы управления. На выходе 6 устанавливается сигнал высо­

кого уровня. Часть же расхода струи, не потребляемая нагруз­ кой, сбрасывается в окружающую среду через вентиляционный канал 7.

Если подавать расход в один из каналов управления (9 или 10) пли одновременно в оба, то точка притяжения струи к стен­

ке смещается вниз по течению до тех пор, пока при определен­ ных величинах давления и расхода управления, называемых соответственно давлением рпср и расходом Q„ep переключения, струя не оторвется от стенки 8 и не притянется к стенке 3. Цир­

куляционная зона при этом образуется между струей и стенкой 3. Причем в зависимости от относительных размеров рабочей камеры и сопротивления канала 2 струя либо сохраняет это по­

ложение после снятия сигнала управления (в этом случае полу­ чаем элемент памяти, триггер с раздельными входами), либо возвращается к стенке 8 (получаем логический элемент, реали­

зующий функцию ИЛИ — НЕ И Л И ).

Когда струя течет вдоль стенки 3, сигнал высокого уровня

устанавливается в выходном канале 5. Расход же, не потребляе­ мый нагрузкой, образует обратный поток, который сбрасывается через вентиляционный канал 4 и рабочую камеру. Ниже будет

показано, что от организации обратных потоков зависит степень влияния нагрузки на давление и расход срабатывания и отпус­ кания элемента.

224

от числа Рейнольдса струи питания. Эта зависимость объясняет­ ся следующим:

а) притяжение струи к стенке возможно только при числах Рейнольдса, больших некоторой величины Renp, которая опре­ деляет нижнюю границу рабочей области;

б) безразмерные расход и давление переключения увеличи­ ваются при увеличении Re и это не позволяет использовать эле­ менты в широком диапазоне изменения давления питания.

Только при достаточно больших значениях числа Рейнольдса безразмерные давление и расход переключения становятся не­ зависимыми от числа Рейнольдса.

Как видно, работоспособность п характеристики элементов данного типа в диапазоне низких чисел Рейнольдса зависят от величины последних. Таким образом, необходимо увеличивать число Рейнольдса, при котором работает элемент, что может быть достигнуто увеличением давления, или размеров сопла пи­ тания. Так, все зарубежные элементы этого типа работают при давлении питания более 10+ Н/м2.

Явление взаимодействия струи со стенкой положено в основу создания струйных элементов, реализующих различные функ­ ции двузначной логики. Эти элементы могут быть как активны­ ми, так и пассивными. Рассмотрим указанные элементы, а также некоторые типы комбинированных элементов, содержащих активные и пассивные элементы.

Активные элементы. Преимущественное распространение по­ лучили активные элементы двух типов: одностабильные элемен­ ты, реализующие логические функции ИЛИ ■— НЕ ИЛИ, и эле­ менты памяти (триггеры с раздельными входами).

Элементы ИЛИ — НЕ ИЛИ имеют два или три канала уп­ равления (рис. 100, а) и канал смещения 2, соединенный с окру­

жающей средой. Рабочую часть выполняют несимметричной либо за счет смещения разделителя и стенок относительно оси сопла питания в сторону канала смещения, либо за счет различ­

сигнала хотя бы на одном из входов отрывается от стенки и при­ тягивается к противоположной. После снятия сигнала управле­ ния исходное состояние восстанавливается.

Элемент памяти обычно имеет симметричную конфигурацию с двумя или четырьмя каналами управления. Струя отрывается от той или иной стенки только после подачи сигнала в соответст­ вующий канал управления. После снятия сигнала струя сохра­ няет свое положение. Для возврата струи в исходное состояние необходимо подать сигнал в канал управления, расположенный с противоположной стороны рабочей камеры.

Меньшее распространение получили элементы, реализующие логические функции И — НЕ И. Одна из возможных конфигу­ раций такого элемента аналогична конфигурации элемента ИЛИ — НЕ ИЛИ и отличается тем, что смещения стенок н раз­ делителя пли сопротивления каналов управления выбраны та­ кими, что подачи давления высокого уровня в один канал управ­ ления недостаточно для переключения элемента. Переключение его произойдет, если подать сигналы высокого уровня в оба ка­ нала управления одновременно. При уменьшении сигнала хотя бы на одном входе в элементе восстанавливается исходное со­ стояние. На выходе 5 (рис. 100, а) такого элемента реализуется функция И, на входе 6 функция НЕ И.

Помимо описанных, используются также многофункциональ­ ные элементы, позволяющие посредством определенных внеш­ них переключений получить либо элемент памяти, либо элемент ИЛИ — НЕ ИЛИ. Например, многофункциональный элемент, выполненный в виде симметричного элемента памяти и имеющий четыре канала управления (по два с каждой стороны), можно превратить в элемент ИЛИ — НЕ ИЛИ, если в один из каналов управления подать сигнал смещения (т. е. соединить канал уп­ равления через дроссель с каналом питания) [107].

Другим примером может служить многофункциональный элемент, который в зависимости от включения реализует функ­ ции ИЛИ — НЕ ИЛИ, запоминание дискретных сигналов или запрет. Элемент имеет несимметричную конфигурацию; переход от режимов с одним устойчивым состоянием в режим памяти осуществляется включением дросселя в канале смещения [40].

Пассивные элементы. Известно несколько типов пассивных элементов, использующих взаимодействие струи со стенкой.

Пассивный элемент, реализующий логические функции И и запрет (рис. 101, а), представляет собой модифицированный

струйный элемент типа ИЛИ — НЕ ИЛИ, в котором одним из каналов управления служит сопло 1*. На выходе 2 сигнал по­ является при наличии сигналов в каналах 1 и 4, т. е. на выходе

* Warren R. W., Pure fluid shift register. US Patent, N 3. 221.990.

Puc. 101. Пассивные струйные элементы, использующие притяже­ ниеструикстенке:

а — элем ент И — зап рет; и — элем ен т И — неравнозначность

226

Puc.102.Комбинированныеструйныеэлементы:

а — элем ент И; б — элем ент неравнозначность; в — элем ент И — Н Е И

имеется вогнутая зона. Если сигнал подан только в канал 1, то струя, вытекающая из сопла, притягивается к стенке 5 и попада­ ет в выходной канал 3. При подаче сигнала только в канал 4 струя отклоняется вогнутым участком стенки 6 и тоже попадает в канал 3. Если же сигнал подан в оба канала 1 и 4, то струя поступает в выходной канал 2. Таким образом, элемент реали­ зует логические функции И на выходе 2 и неравнозначности — на выходе 3. Следует отметить, что элементы такого типа пока

не получили широкого распространения.

Комбинированные элементы. Логические возможности актив­ ных струйных элементов могут быть расширены, если использо­ вать их в сочетании с пассивными элементами, основанными на соударении струй [93]. На рис. 102, а, б изображены элементы,

реализующие функции И и неравнозначности. Принцип их дей­ ствия легко представить из рассмотрения рисунка.

На рис. 102, в изображена конфигурация комбинированного

элемента, реализующего логическую функцию И **. В элементе имеется два канала управления 1 и 2, выполненные соосно и соединяющиеся с входным каналом 3. Так как вблизи точки сое­

динения каналы управления сужаются, то при подаче сигнала

227

3. Внешние характеристики

Наибольшее распространение среди дискретных струйных элементов получили элементы двух типов: элементы ИЛИ — НЕ ИЛИ и триггеры с раздельными входами. Поэтому ограничимся

рассмотрением характеристик только этих элементов.

Характеристики переключения — это релейные характеристи­

ки с гистерезисом (рис. 103); релейность, в отличие от элементов, основанных на соударении струй, получается без введения об­ ратных связей, за счет внутренних свойств явления притяжения струи к стенке.

Как видно, давление высокого уровня на выходах несколько изменяется по мере изменения сигнала управления ру. Это объ­ ясняется тем, что при подаче сигнала управления изменяется кривизна струп и ее расход (к расходу струн питания добав­ ляется расход струи управления). Однако упомянутое измене­ ние давления высокого уровня обычно невелико. Характеристи­ ка вход — выход д (рис. 103, а) представляет собой П-харак- теристику (см. гл. I), а характеристика вход — выход и — И-ха-

рактеристику.

Выходные характеристики имеют вид, обычный для струйных

элементов: с увеличением давления расход уменьшается (см. гл. I). Выше отмечалось, что давление высокого уровня в неко­ торой степени зависит от давления управления. Однако, учиты­ вая незначительность этой зависимости, можно ограничиться одной выходной характеристикой (не прибегая к универсальным

характеристикам).

Входная характеристика имеет наибольшее значение для

определения основных параметров и оценки режима работы. Характеристика состоит из двух участков (рис. 103,6): линии 1

исходного состояния, соответствующей притяжению струи

Рис. 103. Характеристики элемента, использующего притяже­ ниеструикстенке:

а — характери сти ка переклю чения; б — входная характеристика

228

к стенке, которая примыкает к каналу управления, н линии 4 пе­

реключенного состояния.

При возрастании давления управления увеличивается расход управления. Струя остается в исходном состоянии, пока давле­ ние управления меньше давления срабатывания (/?у < р Ср)- Когда давление управления достигает давления срабатывания, струя отрывается от стенки и притягивается к противоположной стенке. При этом зависимость давления и расхода соответствует линии переключенного состояния. Как видно, в переключенном состоянии одному и тому же давлению управления соответствует меньший расход, чем в исходном состоянии. Поэтому, если на вход подать сигнал постоянного давления (расхода), то при переключении будет наблюдаться скачок давления (расхода). Если же источник управляющего воздействия имеет реальную характеристику (кривая 2), то при переключении будут скачко­ образно уменьшаться расход и увеличиваться давление (переход из точки 3 в точку 5). Переход с линии 4 на линию 1 исходного

229