книги / Основы пневмоавтоматики

Глава VII

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Датчиком называется элемент системы автоматического контроля, регулирования или управления, предназначенный для преобразования измеряемого (регулируемого) физического параметра в другой физический параметр, который может быть использован в качестве носителя рабочих сигналов в регули­ рующих и вычислительных системах. В частном случае датчик может служить также и для преобразования физических величин. В этом случае имеет значение масштаб преобразова­ ния, который выбирают с таким расчетом, чтобы выходная величина изменялась в пределах, определяемых прибором или регулятором, подключенным к выходу датчика.

Пневматические датчики преобразуют контролируемые и регулируемые величины различной физической природы в пневматические сигналы, используемые для управления раз­ личного рода пневматическими приборами и регуляторами.

Любой пневматический датчик состоит из измерительного

ствительный орган, который непосредственно воспринимает

ны), поплавки, диафрагмы и т. д.

Чувствительный орган непосредственно воспринимает воз­ действие измеряемого параметра, поэтому он в наибольшей

измерительные приборы, регулирующие блоки и вычислитель­ ные устройства, находятся в лучших условиях, так как устанавливаются в помещения с нормальной температурой и незагрязненным воздухом. Поэтому к датчикам и их чувстви­ тельным органам предъявляют наиболее жесткие требования.

262

Датчики обычно снабжают измерительными приборами, а иногда и самопишущими приборами. Это позволяет контроли­ ровать работу датчика и судить о его исправности. Следователь­

чувствительный орган, который удален на значительное рас­ стояние от самого датчика. Примером может служить датчик температуры, чувствительный орган которого — термобаллон располагают обычно на значительном расстоянии от датчика и соединяют с последним капиллярной трубкой.

Преобразователи трансформируют один вид сигнала в дру­ гой по форме (например, дискретный сигнал в непрерывный и наоборот) либо по виду энергии (например, электрический сигнал в пневматический или механическое перемещение в пнев­ матический сигнал, причем последний используется в качестве носителя информации). Таким образом, преобразователи могут также выполнять роль датчиков. Как пример можно назвать преобразователь температуры, в котором термометр сопротив­ ления служит чувствительным органом. Однако преобразовате­ ли в основном применяют для переработки сигналов, являющих­ ся носителями информации в схемах вычислительных и регулирующих устройств. Примером тому может служить пневмоэлектрический и электропневматический преобразователи, трансформирующие пневматические сигналы в электрические и наоборот. Датчики и преобразователи могут быть реализованы на основе использования пневмомеханического принципа, с при­ менением мембран и иных упругих элементов и построены по принципу компенсации перемещений, компенсации сил или рас­ ходов или же с применением элементов струйной техники (пневмоники).

1. ДАТЧИКИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Датчик температуры. Наибольшее распространение в раз­

личных отраслях промышленности получили манометрические термометры с пневматической дистанционной передачей [38]. В качестве чувствительных органов в манометрических датчиках применяют термобаллоны. Датчики температуры по виду жид­ кости, заполняющей термобаллон, делят на газовые, жидкостные

иртутные. В каждой из указанных групп могут быть датчики,

всостав которых входят либо показывающие измерительные приборы, либо самопишущие приборы, либо датчики без указан­

263

ных приборов. Выпускаемые нашей промышленностью датчики температуры предназначены для работы в комплекте с вторич­ ными измерительными приборами и регулирующими блоками систем АУС и УСЭППА.

Измерительные системы датчиков температуры заполняют

систему, состоящую из термобаллона /, капилляра 2 , сильфона 3 с внешним кожухом и передающего штока 4\ задатчик с пружи­

тель 13 усилия в давление воздуха и устройство 11 запаздываю­

щей отрицательной обратной связи (предварения).

Термобаллон 1 помещают в среду, температуру которой

необходимо измерить и преобразовать в давление сжатого воздуха. При изменении температуры, например при ее увеличении, давление газа в баллоне 1 также возрастает про­

порционально температуре и это изменение давления по капил­ лярной трубке 2 передается в пространство над сильфоном 3,

что ведет к появлению дополнительной силы, которая через шток 4 передается на рычаг 7, вращающийся вокруг оси 10.

264

Часть этой силы через шток передается на мембрану пневмо­ преобразователя 13. Действующее на мембрану с противопо­

ложной стороны выходное давление создает уравновешиваю­ щую силу. Со стороны рычага 8 через подвижную опору 9 на

рычаг 7 действует дополнительная сила отрицательной обрат­ ной связи, запаздывающая во времени и создающая эффект предварения. Запаздывание во времени реализуется введением в схему регулируемого дросселя времени предварения 12 с ем­ костью 11 между сильфоном и кожухом.

Перемещение подвижной опоры 9 позволяет изменять

коэффициент отрицательной обратной связи и, следовательно, коэффициент усиления всего устройства в целом, а также диапазон измерения.

Пружина 5 и регулировочный винт 6 предназначены для

задания нижнего предела измерения.

Для отыскания уравнения датчика необходимо составить уравнения отдельных звеньев, входящих в него.

Чувствительный элемент (термобаллон 1 с соединительной трубкой 2 и емкостью над сильфоном 3) в качестве входной величины имеет температуру Т окружающей термобаллон сре­ ды, а в качестве выходной — давление р\. Изменение емкости

термобаллона, соединительной капиллярной трубки и объема между сильфоном 3 и кожухом, обусловленное перемещением

донышка сильфона, мало и поэтому им можно пренебречь по сравнению с суммарным объемом. В качестве приближенного уравнения, описывающего изменение давления р\ в зависимости от изменения температуры Т во времени, можно принять урав­

нение апериодического звена

учитывать противодействующую силу, возникающую из-за жесткости сильфона. С учетом сказанного уравнение сильфона, характеризующее преобразование давления в силу, можно записать в следующем виде:

iVi = р 1/7с •

Рычажная система датчика предназначена для суммирова­ ния усилий N u N2, N5, действующих со стороны сильфона 3 (см. рис. 145), пружинного задатчика 5, 6 и сильфона 11 эле­ мента предварения. Суммарное усилие Nz передается затем

через шток на мембрану пневмопреобразователя. Расчетная схема рычажной системы представлена на рис. 146. Перемеще­

265

нием подвижной опоры (позиция 9 на рис. 145) можно изменять

длины соответствующих плеч рычагов и тем самым перена­ страивать общий коэффициент усиления датчика. Для опреде­ ления выходного усилия Ns в зависимости от входных усилий N 1, N2, Ns составим уравнения моментов сил относительно осей вращения 1 и 2 (рис. 146):

N \(о*“Ь b ~г с) = N2(я + Ь+ с) + Ns {Ь+ с) + N4сш,

N5(d + e) = N4e.

Исключая усилие N4, действующее на рычаги со стороны

подвижной опоры, получим

' Ь Ч 1 + т ) ( 7 Т 7 >

Введя обозначения

окончательно будем иметь

Nz = (Nl - N 2)el- N 5s2.

Пневмопреобразователь 13 (см. рис. 145) предназначен для преобразования силы N3 в пропорциональное ей давление. Это

звено состоит из двух каскадов усиления. Пер­ вый каскад — усилитель сопло — заслонка, второй каскад — усилитель мощности. Благо­ даря тому, что объемы камер пневмопреобра­ зователя незначительны и пневматические со­ противления также малы, переходные процес­ сы в пневмопреобразователе протекают зна­ чительно быстрее, чем, например, переходный процесс нарастания давления в термобаллоне при увеличении температуры. Эти переходные процессы можно не учитывать и считать пнев­ мопреобразователь чисто статическим звеном, описываемым уравнением

Ns = pF,

где р — давление на выходе пневмопреобразователя; F — эф­

фективная площадь мембраны.

Пневмопреобразователь работает по принципу компенсации усилий. Поэтому перемещение мембраны, на которую передает­ ся усилие Ns, очень мало, следовательно, эффективная площадь F практически остается постоянной.

Элемент предварения состоит из регулируемого пневмати­ ческого сопротивления 12 и емкости. Если принять, что сопро­

266

тивление линейно, то элемент предварения можно описать уравнением апериодического звена (см. гл. III, п. 2):

(x2s + 1 )р2= рУ

где Т2 — постоянная времени.

Давление р2 преобразуется в силу Ns сильфоном. Уравнение

сильфона, если пренебречь его ходом, будет иметь вид

N$ = pFc2,

где Fс2 — эффективная площадь сильфона.

За исходный статический режим выберем положение си­ стемы, когда сила N\ равна силе N2. Будем рассматривать

отклонение давлений температуры и других параметров именно от этого исходного статического режима. Запишем исходную систему уравнений при этих условиях:

Здесь 6 обозначает приращение соответствующих парамет­

ров относительно их значений на выбранном исходном статиче­ ском режиме.

Из системы уравнений ( 1 2 2 ) исключим все переменные, кроме входного параметра — температуры бТ и выходного пара­ метра— давления 6р. Тогда передаточная функция датчика

в следующем виде:

6р _^ T2 S 4- 1

W~ TjS 4- 1 ’

ауравнение датчика примет вид выражения

267

Для определения изменения давления 6р на выходе датчика

во времени решим уравнение (123) в предположении, что темпе­ ратура в начальный момент времени претерпевает скачкообраз­ ное изменение от своего значения на исходном статическом ре­ жиме, т. е.

t > О, 6Г = 8ТХ. ]

Найдем значение давления на выходе датчика температуры дро в момент времени t = 0, для чего проинтегрируем уравнение* умножив предварительно его на dt\

Вследствие того, что /* = 0 (рассматривается нулевой момент

оо

для приращения давления в нулевой момент получим следующее выражение:

%l8pQ= kx28Tl и 8p0 = k — 8Tl .

Из последнего равенства следует, что в первый момент вре­ мени давление на выходе достигает значительной величины. Ре­ шение уравнения (123) будет представлять собой сумму общего решения (динамическая часть) и частного решения [статическая часть — уравнение (124)]. Общее решение является решением уравнения

Следовательно, решение уравнения (123) будет

Постоянная интегрирования С в этом уравнении определяет­ ся из условия, что при t = 0

6 /7 = 8pQ= k — 8Т{.

Tl

268

Подставляя в уравнение (125) найденное таким способом

с = ш х — l ) ,

«окончательно получим

Из полученного решения следует, что в начальный момент времени на выходе происходит увеличение давления до величины

к — 8 Г, (в этом проявляется эффект предварения), а затем мед-

Ti

ленный спад до установившегося значения k8Тх (кривая 2 на

рис. 147). В реальной системе давление сразу не может возрасти

Рис. 147. Изменение давления на выходе датчика при скачко­ образном изменении темпера­ туры:

.до определенного значения, так как на это затрачивается неко­ торое время (кривая 3). При выводе уравнения было получено

несколько идеализированное решение, так как в ходе решения были приняты некоторые допущения. На основании системы уравнений (122) и схемы датчика, представленной на рис. 145, можно составить структурную схему датчика температуры (рис. М8). В каждом прямоугольнике, обозначающем отдельное

звено датчика температуры, записывается его передаточная функция (в общем случае динамический коэффициент усиления звена).

Датчик уровня бесшкальный компенсационный УП-332.

.Датчик УП-332 (рис. 149) предназначен для измерения уровня жидкостей в открытых или находящихся под давлением сосудах. Юн снабжен дистанционной пневматической передачей и работа­ ет совместно с измерительными приборами и блоками АУС и УСЭППА. Принцип измерения уровня жидкости основан на ислользовании эффекта потери веса тонущего поплавка при увели­

269

трехплечего рычага 2 и уплотнительного сильфона 3. Устройствозадания (винт 4 и пружина 5) служит для настройки начальной

го управляемого клапана. Часть усилия с рычага 8 через под­ вижную регулируемую опору 9 и рычаг 11 передается на шток элемента предварения 12.

Перемещаемая опора 9 изменяет соотношение длин плеч ры­ чагов 8 и 11 и тем самым коэффициент усиления датчика. На­

стройка коэффициента усиления датчика необходима при изме­ нении диапазона измерения уровня и корректировке выходного сигнала в соответствии с изменением плотности контролируемой жидкости.

Элемент предварения предназначен для введения производной в закон изменения выходного давления р датчика уровня и со­

стоит из пневматического апериодического звена, составленного из регулируемого сопротивления для настройки времени предва­ рения 13, надсильф.онной емкости и сильфона 14. Вход апериоди­ ческого звена (регулируемый дроссель 13) включен к выходу датчика. Сильфон 14 преобразует давление, возникающее на вы­

270