Конструктивное оформление ПСА

Отечественные ПСА имеют четыре условных уровня агрегатизации: элементный, модульный (агрегатный); приборный и блочный.

Под элементом в ПСА понимают законченную конструкцию, предназначенную для выполнения одной простой операции (усиление, сложение, преобразование и т.п.). Элементы условно классифицируют на простые (неделимые) и сложные (составные). Простые элементы (дроссели, емкости, мембраны, пружины и др.) не имеют самостоятельного значения в ПСА, их используют для конструирования более сложных элементов (типа пневмокамер, усилителей, реле и т.п.).

Совокупность элементов с унифицированными сигналами и единым конструктивным оформлением образует систему элементов. Применяемые системы элементов ПСА обычно избыточны, в их состав входят более сложные узлы, ячейки, модули с единым конструктивным оформлением. Отечественные ПСА базируются преимущественно на универсальной системе элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА), комплексе миниатюрных элементов и модулей пневмоавтоматики (КЭМП) и - частично - системе элементов струйной техники.

Элементы ПСА по характеру изменения сигналов во времени разделяют на аналоговые и дискретные. Сигналы аналоговых элементов изменяются в стандартном диапазоне (20-100) кПа, дискретные сигналы принимают условное значение «0» (не более 10 кПа) и «1» (не менее 110 кПа). Питание всех элементов УСЭППА и КЭМП осуществляется сжатым воздухом давлением (140±14) кПа.

Элементы УСЭППА и КЭМП конструктивно допускают "печатный" монтаж на платах с расположенными в них межэлементными каналами. Элементы УСЭППА имеют небольшие габаритные размеры - в среднем 40x40x50 мм; линейные размеры элементов КЭМП уменьшены в 1,5- 2 раза.

Элементы ПСА применяют для построения более сложных устройств - модулей (ячеек), выполняющих самостоятельные функции типа интегрирование, дифференцирование, запоминание и т.п. Конструктивно модуль представляет собой единое устройство, состоящее из группы элементов, которые закреплены на унифицированной плате и соединены внутренними коммуникационными каналами.

Модули с унифицированными информационными и конструктивными характеристиками называют агрегатами. Каждый агрегат предназначен для выполнения определенной функции системы контроля или регулирования, например сигнализации, стабилизации, регистрации.

Приборное конструктивное оформление ПСА предполагает размещение в корпусе одного прибора всех (или почти всех) ячеек, реализующих АСР -измерительного, задающего, регулирующего и регистрирующего устройства. Приборные ПСА строят по принципу компенсации перемещений, что снижает их функциональные возможности и усложняет эксплуатацию.

Блочное конструктивное оформление ПСА применяют при построении систем контроля и управления сложных ТОУ. В этом случае систему управления делят на ряд взаимосвязанных блоков, содержащих однотипные функциональные агрегаты или модули, например регуляторы, регистраторы, сигнализаторы и т.п. Блочная компоновка упрощает проектирование, монтаж и эксплуатацию пневматических систем управления. Блочный принцип построения широко используют при создании пневматических и пневмоэлектрических комплексов ТСА. [ 2, 3 ].

Элементы и устройства пневматических средств автоматики

ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИКИ Под элементами в пневмоавтоматике понимают относительно простые функционально и (или) законченные конструктивно части более сложного устройства, предназначенные для выполнения одной сравнительно простой операции или преобразования сигнала. Элементы условно можно классифицировать на простые (неделимые) и составные. 2.1. Простые элементы К простым элементам относятся пневматические емкости, дроссели, пневмопроводы, мембраны, сильфоны, пружины и, наконец, механические рычаги. Из них собирают составные элементы: пневматические камеры, преобразователи, усилители, сумматоры. Каждый составной элемент выполняет одну операцию или функцию. Пневматическое устройство в целом реализует, как правило, ту или иную функцию переработки информации. Емкости Емкости предназначены для накопления сжатого воздуха. Параметры емкости ее объем V и (иногда) число вводов (выводов) потоков воздуха. Различают емкости постоянного и переменного объема (рис.1.1), причем в последнем случае объем V изменяют вручную. Входной координатой являются давление Р₁ и расход G воздуха на входе в емкость, выходной - давление воздуха Р или его масса М в емкости.

Подробнее о физической картине процесса.

Переменные Р и М связаны между собой "уравнением состояния Клапейрона MRQ-PV (где R — универсальная газовая постоянная для воздуха, Q - абсолютная температура). В пневмоавтоматике используют пневматические емкости относительно небольших объемов (не более 30-50 см³). Поэтому при малых гидравлических сопротивлениях вводов и выводов давление Р во всех точках емкости устанавливается практически мгновенно, как только изменятся Р₁ или G₁. Поэтому при отсутствии дросселей на вводах и выводах потоков воздуха пневмоемкость можно рассматривать как усилительное звено с коэффициентом усиления давления, равным единице.

Рис.1.1. Схемы пневматических емкостей постоянного (а) и переменного (б) объема

Рис. 1.2. Принципиальные схемы дросселей:

а - капилляр; б - жиклер; в -конус-цилиндр; г - конус—конус; д - цилиндр—цилиндр;

е - сопло-заслонка; ж - шарик-цилиндр.

Пневмоемкость не получила самостоятельного применения, однако в сочетании с дросселями на вводах и выводах ее широко используют для построения проточных и глухих камер.

Дроссели

Дроссели (пневмосопротивления) предназначены для создания местного гидравлического сопротивления движущемуся потоку воздуха и, следовательно, для изменения его расхода. Поэтому основной выходной координатой дросселя является расход воздуха G, а входными - давление воздуха до и после дросселя Р₁и Р₂ либо их разность DР=Р₁-Р₂.

По режиму течения воздуха дроссели делятся на ламинарные, турбулентные и смешанные; по способу создания сопротивления - на постоянные, регулируемые (вручную) и переменные; по виду статической характеристики - на линейные и нелинейные (рис.1.2).

Подробнее о дросселях.

В ламинарных дросселях установившиеся линии токов воздуха не пересекаются друг с другом, скорость потока невелика (Re<2300), температура практически постоянна. Гидравлическое сопротивление создается за счет сил вязкого трения слоев воздуха друг с другом и со стенкой канала. Подобные ламинарные режимы наблюдаются в дросселях типа капилляр (рис.1.2, а) с большим отношением длины к диаметру (обычно L/d>10). Для турбулентных дросселей характерны интенсивное хаотическое перемешивание линий токов воздуха, большие значения скоростей и критерия Re, малые отношения L/d и адиабатическое изменение состояния воздуха. Гидравлическое сопротивление создается за счет вихреобразований, особенно сильных при сужении и расширении струи воздуха. В турбулентных дросселях, например типа жиклер (рис.1.2, б), могут наблюдаться докритические (скорость потока меньше скорости звука) и надкритические (скорости потока и звука равны) режимы. Деление дросселей на ламинарные и турбулентные условно, так как режим течения воздуха зависит и от конструкции дросселя, и от условий его работы, в частности от перепада давлений DР. Дроссели, в которых возможен и ламинарный, и турбулентный режим, называют смешанными. В постоянных дросселях площадь проходного сечения не меняется; примерами таких дросселей служат упоминавшиеся капилляр и жиклер (рис.1.2 a, б). Постоянные дроссели (как и все другие) характеризуются только статическими характеристиками, так как в динамическом отношении они являются безынерционными звеньями: геометрические размеры каналов дросселей обычно очень малы (например, длина капилляра не более 20 мм, диаметр 0,18 или 0,32 мм), поэтому все переходные процессы, распространяющиеся со скоростью звука, заканчиваются в дросселях практически мгновенно. К регулируемым дросселям относят конус-цилиндр, конус-конус, и цилиндр-цилиндр (рис.1.2, в-д). Перемещение h внутренних конусов или цилиндра осуществляется вручную и вызывает изменения площади F или гидравлического сопротивления кольцевого зазора. В регулируемых дросселях возможны турбулентные, ламинарные и переходные режимы истечения воздуха. Статические расходные характеристики таких дросселей описываются сложными нелинейными выражениями, в которые всегда входят экспериментально определяемые параметры. При небольших перепадах DР и перемещениях h регулируемые дроссели можно рассматривать. К регулируемым дросселям, обладающим линейными расходными характеристиками во всем диапазоне изменения DР, относятся так называемые пульсирующие сопротивления. Переменные дроссели типа сопло-заслонка и шарик-цилиндр показаны на рис.1.2, е, ж. Перемещение заслонки и шарика осуществляется с помощью какого-либо другого элемента пневмоавтоматики. В дросселе первого типа изменение гидравлического сопротивления достигается за счет сил трения воздуха о сопло и заслонку и эффектов сжатия и расширения струи. Величина h мала (порядка 0,03-0,1 мм), поэтому дроссель чувствителен к перекосам и вибрациям заслонки. Дроссель второго типа более надежен, так как шарик самоцентруется в струе воздуха. Изменение расхода достигается изменением площади F и гидравлического сопротивления потоку воздуха при перемещении шарика. Для переменных дросселей характерен турбулентный режим течения воздуха. При малых изменениях h и DР статические характеристики переменных дросселей можно рассматривать как линейные в малом.

Наибольшее распространение в пневмоавтоматике получили ламинарные дроссели типа капилляр (L =20 мм, d=0,18 и 0,32 мм) и конус-конус, а также турбулентные сопло-заслонка (h=0,03-0,1 мм, d=0,5 мм) и шарик-цилиндр.

Пневмопроводы

Пневмопроводы служат для передачи импульса давления или изменений расхода воздуха на достаточно большие расстояния L (от нескольких метров до 250—300 м). Пневмопроводы выполняют из пластмассовых или металлических трубок внутренним диаметром d=1-8 мм; иногда пластмассовые трубки объединяют в пневмакабели (рис.1.4, а, б). Пневмопроводы используют для соединения отдельных элементов и устройств внутри пневматических приборов (L 1-2 м, d 1-3 мм), а также для передачи сигналов от первичных преобразователей к приборам и от регуляторов к мембранным исполнительным механизмам (L<=250—300 м, d=4-8 мм). В первом приближении пневмопровод можно рассматривать как ламинарный дроссель типа капилляр. При этом, однако, нужно учитывать следующее: значительную пневматическую емкость, распределенную по всей длине L; большие гидравлические сопротивления, затрудняющие передачу сигналов и вносящие в них фазовые искажения.

Рис. 1.3. Схемы одиночного пневмопровода (а) и пневмокабеля (б).

Пневмопроводы классифицируют на расходные и безрасходные.

Подробнее...

В расходных пневмопроводах всегда есть расход воздуха (который служит характеристикой передаваемого сигнала) и потери давления на преодоление сил вязкого трения слоев воздуха друг о друга и о стенку. При расчете расходных пневмопроводов стремятся уменьшить гидравлическое сопротивление потоку воздуха, увеличивая площадь проходного сечения и снижая линейную скорость.Это ведет к увеличению емкости пневмопровода и ухудшению его динамических характеристик, поэтому соотношения диаметра и длины пневмопровода должны быть оптимальны. Наибольшее распространение в пневмоавтоматике получили безрасходные пневмопроводы, предназначенные для передачи сигналов в виде давления на большие расстояния. При изменении давления Р₁ на входе в пневмопровод возникает волна уплотнения, распространяющаяся по всему объему со скоростью звука w и вызывающая перетоки (расходы) воздуха. Однако, в статических режимах давление P(l,t)=P₁, и расход воздуха G(l,t) в пневмопроводе равен нулю.

Мембраны

Мембраны применяют в пневмоавтоматике для преобразования давления воздуха в перемещение или в силу. Мембраны делят на упругие и «вялые».

Упругие мембраны выполняют из тонких металлических пластин (сталь, бронза, латунь). Они обладают достаточно большой собственной жесткостью, их статические характеристики, представляющие зависимость перемещения h центра мембраны или развиваемой силы Ф от давлений P₁ и Р₂ или перепада DР=Р₁—Р₂, обычно нелинейны. Применяют плоские и гофрированные упругие мембраны (рис.1.4, a,б). Наличие гофров делает статическую характеристику мембраны более линейной.

Рис. 1.4. Принципиальные схемы мембран:
а, б —упругой, плоской и гофрированной; в, г — «вялой» плоской и гофрированной;

д — двойной гофрированной.

Упругие мембраны используют преимущественно как чувствительные элементы в первичных преобразователях, например в дифманометрах.

«Вялые» мембраны выполняют из прорезиненной тонкой ткани (капрон, шелк, полотно). К ним предъявляют два требования - отсутствие собственной жесткости и большая прочность. Эти требования вытекают из основного назначения «вялых» мембран — преобразовывать большие перепады давлений (до 105 Па) в силу при крайне малых перемещениях (порядка сотых долей мм). «Вялые» мембраны обычно снабжены металлическим жестким центром. Они могут быть плоскими гофрированными (рис.1.4, б, з).

Статическая характеристика "вялой" мембраны

Статическая характеристика «вялой» мембраны представляет зависимость силы Ф от перепада DР: Ф= DР F_э (1) где F_э - эффективная площадь мембраны, причем всегда F_э <pd²_м/4 (d_м - диаметр мембраны, равный диаметру фланцев, между которыми она зажата). Выражение (1) справедливо при малых перемещениях жесткого центра мембраны (или, точнее, когда F_э не зависит h) и пренебрежимо малой жесткости самой мембраны. В общем случае F_э зависит от перемещения h, что делает функцию (1) нелинейной по аргументу DР, так как h, в свою очередь, определяется DР. Тогда Ф= DР F_э(h) = DР F_э[h(DР)] (1а) Для ослабления зависимости F_э от h и уменьшения нелинейности функции (1а) применяют гофрированные мембраны (рис.1.4, г). Однако при смене знака DР возможно резкое изменение положения гофров («прохлопывание»), что влияет на F_э и делает статическую характеристику (1а) существенно нелинейной. Для борьбы с «прохлопыванием» применяют двойные гофрированные мембраны (рис.1.4. д).

Тонкие «вялые» мембраны широко применяют в различных устройствах пневмоавтоматики, построенных на принципе сравнения сил (сумматоры, усилители, повторители). Недостатком таких мембран является довольно быстрая потеря эластичности и изменение статических характеристик как во время работы, так и при длительном хранении.

В пневматических исполнительных механизмах широко используют многослойные прорезиненные мембраны больших диаметров d_м, предназначенные для преобразования перепада DР в большие усилия, необходимые для перемещения регулирующих и запорных органов. В этих мембранах перемещение жесткого центра достигает 20-60 мм, что, естественно, увеличивает нелинейность статической характеристики.

Сильфоны

Сильфоны предназначены для преобразования давления или силы в перемещения (рис.1.5.). Они представляют собой упругие тонкостенные гофрированные оболочки (трубки), изготовляемые из бронзы с различными присадками или из специальных сталей. Наличие гофров позволяет перемещать днище сильфона на значительное расстояние (десятки миллиметров) без заметного изменения его характеристик. Выходная координата сильфона - перемещение h, входные - давления Р₁ и Р₂ или их разность DР либо сила Ф.

Рис. 1.5. Принципиальная схема сильфона.

Статическая характеристика сильфона

Сильфоны обладают достаточно большой собственной жесткостью (для увеличения которой в них иногда вставляют пружины), поэтому при малых изменениях DР их статические характеристики считаются линейными: h=Ф/k_c=F_э(P₁-P₂)/k_c (2) где k_c - коэффициент жесткости сильфона; F_э - эффективная площадь, практически не зависящая от перемещения h. Статическая характеристика (2) иногда имеет гистерезис, зона которого зависит от коэффициента жесткости, размеров и числа гофров и т.п. Для уменьшения зоны гистерезиса применяют пружины. Статические характеристики сильфонов очень незначительно изменяются во времени, поэтому сильфоны все шире и шире применяют в различных ответственных устройствах пневмоавтоматики. Как правило, их используют для работы на сжатие, т.е. при P₁>P₂, однако при малых перемещениях допустимо применение сильфонов при P₁< P₂, т. е. при работе на растяжение.

Пружины

Пружины предназначены для преобразования силы в перемещение, часто -значительное. По форме они делятся на цилиндрические и профильные (рис.1.6, а, б), по направленности действия - на пружины сжатия, растяжения, кручения и (реже) изгиба. Выходная координата пружины - перемещение h, входная - сила Ф.

Статическая и динамическая характеристики пружин

Статическая характеристика пружины: h =Ф/k_n (где k_n - коэффициент жесткости пружины, зависящий от материала, диаметра проволоки d₁, диаметра пружины d, числа витков п). В динамическом отношении пружина является колебательным звеном. Как и силъфон, при малых частотах w пружину можно рассматривать как усилительное звено с коэффициентом передачи k_n.

На рис.1.6, в показано условное обозначение пружин на принципиальных схемах пневмоавтоматики.