книги / Основы пневмоавтоматики

Частота струйных бистабильных генераторов колебаний может быть подсчитана по формуле (см. рис. 157)

где 0 = 21/с + 2т — период колебаний; / — длина линии отрица­

тельной обратной связи; т — время переключения струи из одного стабильного положения в другое; с — скорость распространения

колебаний по каналу отрицательной обратной связи.

Если предположить, что скорость распространения колебаний по каналу отрицательной обратной связи приближается к скоро­ сти звука, т. е. с ~ а, и время переключения т очень мало, то

Из последнего равенства следует, что

df = — dT.

2Т

Таким образом, изменение частоты при данной температуре пропорционально частоте, поэтому для увеличения чувствитель­ ности выгодно работать на больших частотах. Для получения постоянного сигнала давления, зависящего от температуры, час­ тоту сигнала, поступающую от струйного генератора, предназна­ ченного для измерения температуры, смешивают с эталонной частотой примерно той же величины, что и частота генератора. Затем низкочастотный сигнал частоты биений при помощи схе­ мы, построенной на струйных элементах, превращают в постоян­ ный сигнал.

Струйный измеритель числа оборотов. Действие одного из струйных измерителей числа оборотов основано на преобразова­ нии импульсов различной ширины в импульсы постоянной шири­ ны (независимо от частоты следования импульсов) и изменении скважности следования импульсов в функции измеряемого числа оборотов.

Принципиальная схема и циклограмма работы преобразова­ теля пока-заны на рис. 158, 159. Входной сигнал рх с частотой f\

поступает в запоминающее устройство ЗУ и далее во временное устройство ВУ, на выходе которого формируются импульсы оди­ наковой ширины, причем ширина импульсов не зависит от часто-

ТЫ f\.

До поступления очередного входного импульса давление пе­ редается от элемента памяти 5 по каналу 1 (рис. 158) на вход логического элемента 4Увыполняющего операцию И. При подаче входного импульса рх давление с выхода элемента И передается по каналу 3 на вход элемента памяти 5. Давление в канале 1 ис­ чезает, и входной сигнал f x на дальнейшее протекание процесса влиять не будет. С выхода элемента памяти 5 давление переда-

281

.-fyvmnrvvwin.

Рис. 160. Осциллограммы работы преобразователя скважности ппи личных частотах следования входных импульсов- Р р 3'

ется по каналу 2 положительной обратной связи ко второму ка­

налу управления, благодаря чему происходит запоминание сиг­ нала на выходе 13. Одновременно по каналу 12 сигнал с выхода элемента 5 передается на вход усилителя 9Ув котором происхо­ дит окончательное формирование выходного сигнала р2. При поступлении давления в выходной канал 10 оно будет переда­ ваться также по каналу обратной связи 11 и через дроссель 8 в

камеру 7. С повышением давления в камере 7 оно начнет пере­

ментальными характеристиками, приведенными на рис. 160, 161. Если время чередования импульсов р\ изменяется, то при раз­ личных периодах их повторения Ти Т2 и Г3 (на рис. 159) для р2

меняется скважность сигналов и, следовательно, величина, об­ ратная скважности у = т/Т. Так как Т = l/f, где f — частота, то у = xf. Таким образом, у прямо пропорциональна частоте f.

Экспериментальная характеристика показана на рис. 161. Входное устройство в измерителе — диск с отверстиями, же­

стко связанный с валом и прерывающий струю в элементе трубка— трубка, либо любой импульсный элемент, характери­ зующий вращательное движение. При изменении числа оборотов вала (угловой скорости со) меняется частота повторения сигна­ лов на входе элемента 4 и изменяется скважность сигналов на выходе элемента 9. От скважности сигналов зависит давление

в выходной камере 7, соединенной с выходным каналом элемен­ та 9 через дроссель 8.

3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СИСТЕМ ПНЕВМОНИКИ

На выходе струйной управляющей части системы формиру­ ются сигналы низкого давления порядка 40— 100 мм вод. ст. Эти сигналы необходимо преобразовать для обеспечения воздейст­ вия на исполнительный механизм.

283

Ряд выпускаемых серийно датчиков технологических процес­ сов имеют электрический выходной сигнал. Чтобы подать такой сигнал на вход струйной системы управления, его необходимо преобразовать в пневматический сигнал определенного диапазо­ на. Необходимо также контролировать форму сигналов и объ­ ективно оценивать статические и динамические характеристики струйных систем. Преобразование сигналов с выходов струйных элементов и систем в электрические сигналы для обеспечения соединения этих устройств с электронной осциллографирующей и регистрирующей аппаратурой осуществляется с помощью пневмоэлектрических преобразователей. Для индикации могут быть использованы как пневмоэлектрические, так и пневмоме­ ханические преобразователи.

Устройства, соединяющие струйную управляющую часть

сисполнительными механизмами, определяются видом привода

имогут'быть пневмоэлектрическими, пневмогидравлическими, пневмомеханическими, пневмопневматическими, преобразующи­

ми сигналы низкого давления в сигналы высокого давле­ ния — так называемые повысители давления и мощности. Ниже будут рассмотрены некоторые наиболее распространенные пре­ образователи систем пневмоники [4, 35].

Пневмоэлектрические преобразователи. По назначению пневмоэлектрические преобразователи систем пневмоники мож­ но подразделить на две группы: 1) преобразователи, используе­ мые для исследования струйных элементов и устройств и конт­ роля их параметров; 2) преобразователи, предназначенные для получения электрического сигнала необходимой мощности в це­ пи управления.

Среди пневмоэлектропреобразователей, предназначенных для контроля и исследования протекающих в струйных устрой­ ствах процессов, наибольшее распространение получили индук­ тивный аналоговый преобразователь типа ПЩ-12 — измеритель

иудобством в эксплуатации. Он позволяет без какой-либо спе­ циальной усилительной электронной аппаратуры оперативно контролировать с помощью стандартного электронного осцилло­ графа и звукового питающего генератора происходящие в струй­ ных устройствах процессы изменения давления как низкой, так

ивысокой частот, оценивать длительность и форму пневмоим­ пульсов, а также уровень и характер шумов. Чувствительный элемент пневмощупа представляет собой индуктивный датчик, собранный по трансформаторной схеме (рис. 162, а). Пневмодат­

чик состоит из дифференциального трансформатора, в который

284

входят два магнитопровода 7, замыкающиеся общей мембраной 6 из пермаллоя. Каждый магнитопровод имеет рабочий зазор 7

п дополнительный зазор: в одном магнитопроводе постоянный зазор «?, а в другом — регулируемый зазор 8, используемый для

точной балансировки магнитной системы. Первичные обмотки 15 дифференциального трансформатора, находящиеся на полых зернах 5 магнитопроводов и питаемые от звукового генератора, создают два встречных потока, сходящихся в мембране 6. При подаче давления в канал 2 на вторичных обмотках 14 дифферен-

Рис. 162. Пневмощуп ПЩ-12:

а — конструктивная схема; 6 — схема включения

циального трансформатора образуется соответствующая раз­ ность напряжений. Тонкая мембрана толщиной 0,02—0,03 мм и диаметром 12 мм, обеспечивающая высокие рабочие частоты и чувствительность прибора, зажата между широкими торцами двух металлических обойм 12. Собственная частота мембраны

порядка 6000 Гц. Точное фиксирование малых рабочих зазоров порядка 0,02—0,04 мм, равных толщине прокладки 13, также

способствует увеличению чувствительности.

Объем пневмокамеры, ограниченной неметаллической шай­ бой 10, составляет величину всего 50 мм3 и при прогибе мембра­

ны увеличивается не более чем на 1,5 мм3.

Балансировка плеч дифференциального трансформатора при давлении, равном нулю, осуществляется путем последователь­ ной подстройки активного сопротивления потенциометра 4 н ре­ активного сопротивления обмоток винтом 9, изменяющим вели­

чину регулируемого зазора. При подаче в камеру пневмощупа контролируемого давления на выходе дифференциального транс­ форматора образуется разностное напряжение, поступающее через согласующий повышающий резонансный трансформатор 11 на вход электронного осциллографа.

С помощью двух пневмощупов и дополнительной аппаратуры можно получать статические (квазистатические) характеристи-

285

кн струйных устройств (СУ). Установка для получения статиче­ ских характеристик (рис. 162, б) состоит из двух одинаковых

преобразующих каналов и генератора пилообразных сигналов ГПС. В каждый канал входит пневмощуп ПЩ-12, звуковой пи­ тающий генератор ЗГ, усилитель-преобразователь УП, усилива­ ющий и демодулирующий сигнал с выхода пневмощупа ПЩ-12 и подающий его на соответствующие пластины электроннолуче­ вой трубки осциллографа.

Частоту генератора ГПС медленно меняющихся пилообраз­ ных пневматических сигналов выбирают порядка 0,1—0,5 Гц. При подключении одного преобразующего канала и генератора пневматических сигналов на вход СУ, а другого канала — к вы­ ходу этого устройства на экране осциллографа можно наблюдать кривую зависимости выходного пневматического сигнала от входного. Эту характеристику можно называть квазистатической, так как ее снимают при изменяющемся входном давлении Р \ . К струйному устройству может быть присоединено нагрузоч­ ное сопротивление R.

Для оценки динамики устройства один пневмощуп подклю­ чают на вход, а другой — на выход контролируемого устройства. Подавая на вход исследуемого устройства пневматические коле­ бания синусоидальной формы разных частот и одинаковой ам­ плитуды от какого-либо пневмогенератора, на выходе можно» фиксировать амплитуду и сдвиг фаз, и по этим данным постро­ ить амплитудную и фазовую частотные характеристики устрой­ ства. Иногда для получения частотных характеристик при мед­ ленно протекающих процессах применяют тензодатчики с выхо­ дом на шлейфовый осциллограф. Генераторами колебаний могут служить струйные, механико-пневматические, электропневматические устройства. Для грубой оценки динамических свойств иногда используют генераторы несинусоидальных сигналов. Простейший генератор — насаженный на ось мотора диск с от­ верстиями, который прерывает струю элемента трубка — трубка.

Разработан ряд пневмоэлектрических преобразователей ти­ па ПЭР (ПЭР-38, ПЭР-38М и ПЭР-18), предназначенных для преобразования дискретного пневматического сигнала низкого давления в дискретный электрический сигнал сравнительно большой мощности. Например, преобразователь ПЭР-38 с рабо­ чей частотой до 12 Гц предназначен для управления электро­ приводом. Преобразователи этого типа являются мембранно­ контактными устройствами.

Преобразователь (рис. 163) состоит из корпуса 5, имеющего две камеры А и Б, образованные рабочей мембраной 1 из лако-

ткани и герметизирующей мембраной 5, толкателя 2, контактной группы 4 стандартного реле. При подаче в камеру А входного сигнала р{ мембрана 1 прогибается и толкатель 2, жестко свя­

занный с мембраной У, перемещает верхний контакт и замыкает его с нижним. Мембрана 5 находится в свободном состоянии и

286

выполняет роль компенсатора объема герметизированной каме­ ры. Преобразователь ПЭР-38М может работать непосредствен­ но от одного струйного модуля с частотой до 10 Гц. Работа на частотах, выше 10 Гц, требует применения промежуточного уси­ лителя расхода воздуха и параллельного включения ряда моду­ лей. Наличие контактов снижает надежность таких преобразо­ вателей. Однако следует учитывать такие важные преимущества

-50В

подобных преобразователей, как простота и малые габаритные размеры.

Мембранно-контактный преобразователь ПЭР-18 (рис. 164) отличается тем, что металлическая мембрана 2 выполняет роль контактной пластины, причем контактная пара 2 п 1 герметизи­

рована и работает в легком режиме сеточного контакта. Кон­ такты включены в цепь базы транзисторного усилителя, работа­ ющего в режиме ключа. На контактах действует постоянная активная нагрузка порядка 200 Ом при токе 0,5 мА, что делает его нечувствительным к увеличению переходного сопротивления контактов от 0 до 200 Ом; рабочая частота — около 800 Гц.

Существует несколько конструкций бесконтактных пневмо­ электропреобразователей [30], предназначенных для управления электро- и гидроприводом.

Электропневматические преобразователи ЭПР-1 и ЭПР-2.

Помимо непрерывных электропневмопреобразователей в релей­ ной пневмоавтоматике широко используются преобразователи дискретного электрического сигнала в дискретный пневматиче­ ский сигнал, устанавливаемые на входе в пневматическое уст­ ройство.

Дискретные электропневматические преобразователи ЭПР-1 и ЭПР-2 построены на основе электромагнитных реле. Якорь реле играет роль заслонки по отношению к соплу. Само сопло укрепляется на реле.

Принципиальная схема электропневматического преобразо­ вателя ЭПР-1 представлена на рис. 165, а. Основой преобразо­

вателя служит малогабаритное быстродействующее электромаг­

287

нитное реле РЭС-10, выпускаемое серийно. При отсутствии на входе электрического сигнала t/BX якорь-заслонка 2 находится в верхнем крайнем положении и закрывает сопло 4. Сопло 4 в со­ вокупности с эжектирующим соплом 3 образует усилитель типа

сопло — заслонка, поэтому на выходе из междроссельной каме­ ры образуется пневматический сигнал, соответствующий услов­ ной единице.

При подаче на вход электрического напряжения якорь притя­ гивается катушкой и сопло 4 открывается. Благодаря этому воз­

которого представлена на рис. 165, б. Этот преобразователь так

же, как и ЭПР-1, построен на базе реле РЭС-10. Диапазон ра­ бочих частот описанных дискретных преобразователей находит­ ся в пределах 0—400 Гц.

Элемент сопло — заслонка удовлетворительно работает в ши­ роком диапазоне частот и имеет четкие пневматические импуль­ сы при оптимальном входном напряжении и правильно подоб­ ранных основных параметрах.

Пневмогидропреобразователь. Для управления гидроприво­ дом разработан пневмогидравлический преобразователь, транс­ формирующий пневматический сигнал разности давлений в гид­ равлический сигнал. Для этих целей могут быть использованы и иные преобразователи, например, преобразующие давление воздуха в давление масла и др.

Пневмогидропреобразователи, необходимые для связи пнев­

сти, струйной) автоматики с преимуществами гидропривода.

288

Пневмогидропреобразователь (рис. 166) состоит из двух ос­ новных узлов — пневмомеханического преобразователя и гидрав­ лического дроссельного усилителя мощности. В пневмогидро­ преобразователе в качестве гидравлического усилителя мощно­ сти применен двухкаскадный усилитель ГУ-3, разработанный в ИАТ. Управляющий полый шток 12 с прорезью гидроусилителя соединен со штоком 9 пневмомеханического преобразователя.

Пневмомеханический преобразователь представляет собой трехмембранный пневматический блок, состоящий из двух рабо­

чих 7 и 8 и одной разделительной 11 мембран из мембранного

полотна. Между мембранами располагаются зажимные кольца. Мембраны с кольцами образуют камеры 10, куда заводят срав­

ниваемые сигналы давления воздуха. Пружинный механизм, со­ стоящий из двух шайб 3 и 5 и пружины 4, фиксирует мембран­

ный блок в среднем положении. В исходном положении под дей­

вправо или влево от своего нейтрального положения, что зависит от знака рассогласования. При перемещении шток 9 увлекает за собой жестко соединенный с ним полый шток 12, служащий уп­

равляющим органом первого каскада усиления гидравлического усилителя мощности. Плунжер золотника отслеживает переме­ щение штока 12, соединяя одну линию, идущую к гидроцилинд­

ру, со сливной магистралью, а другую — с источником давления масла.

Давление питания первого каскада (низкое давление) под­ водится к крайней левой камере гидроусилителя через постоян­ ный дроссель. Таким образом, постоянный дроссель со щелью штока 12 образует междроссельную камеру, давление в которой

изменяется в зависимости от открытия щели, т. е. от величины смещения штока. Это давление действует на левый торец плун­ жера золотника с силой, которая уравновешивается силой, воз­ никающей от действия давления питания первого каскада усиле­ ния на поршень, расположенный справа, поэтому в статике всег­ да справедливо равенство

PiF = Poif,

гре р\ — давление в междроссельной камере; р0\ — давление

ного справа.

При перемещении штока 12 приведенное равенство сил нару­

шается, превращаясь в неравенство. Под действием разности сил плунжер перемещается до тех пор, пока открытие щели штока 12 не будет соответствовать прежнему значению давления р х в меж­

дроссельной камере. Таким образом плунжер золотника отсле­ живает положение штока 12. Давление питания второго каскада

(высокое давление) подводится к выточке в средней части зо­ лотника.

Пневматические мембранно-шариковые преобразователи давления непрерывного действия. Мембранно-шариковые пре­

образователи давления непрерывного действия предназначены для перехода с нормального диапазона давлений (0—0,1 МПа) ка низкий (0— 100 мм вод. ст.) и с низкого на нормальный. Пре­ образователи служат для работы с устройствами струйной тех­ ники.

Шариковый элемент представляет собой цилиндрический ка­ нал, в котором расположен шарик. Разность диаметров шарика и канала колеблется в пределах 0,01—0,03 мм, что практически обеспечивает свободное перекатывание шарика в цилиндричес­ ком канале. Если к цилиндрическому каналу подведено давле­ ние, то на шарике развивается усилие, равное произведению эффективной площади шарика на давление. Если центр шарика при работе прибора не выходит за пределы цилиндрического ка­ нала, то можно считать, что эффективная площадь шарика оста­ ется практически постоянной и равной площади его сечения по диаметру.

Понизитель и повыситель давления непрерывного действия работают по принципу компенсации сил. При подаче на вход понизителя давления (рис. 167, а) на шарике 5 развивается уси­ лие, перемещающее мембранный блок 4 и заслонку 3, которая прикрывает сопло 2. Благодаря этому возрастает давление р в эжекторе 1Усоставляющем с соплом 2 усилитель типа сопло —

290