Элементы пневмоавтоматики

Пневматические элементы автоматики входят в состав пневматических устройств, которые применяются в автоматизированных системах управления технологическими процессами. Большое распространение получили пневматические устройства, которые собирают на базе элементов "Универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики" (УСЭППА).

Данная система реализует элементный принцип и представляет собой набор аналоговых и дискретных элементов (дроссель, ёмкость, тумблер, трехмембранное реле, элемент сравнения, повторитель и др.), каждый из которых предназначен для выполнения простейших операций над входными сигналами. Комбинируя эти элементы, можно составить различные устройства. Элементы выполнены из квадратных секций, между которыми расположены резинотканевые мембраны; в секциях имеются полости, образующие совместно с мембранами пневматические камеры. Условные обозначения элементов в пневматических схемах приведены в таблице 3.1.

Табл. 3.1.

Условные обозначения элементов в пневматических схемах

Элемент	Условное обозначение
Пневмодроссель
Пневмодроссель регулируемый
Питание
Атмосфера
Устройство сопло-заслонка
Сопло закрыто
Пневмокамера постоянного объёма
Переключатель

Дроссель предназначен для ограничения или изменения протекающего через него воздуха, что обеспечивает создание местного пневмосопротивления на пневмолиниях. Дроссели основных типов приведены на рисунке 3.1.

Постоянный дроссель (нерегулируемое пневмосопротивление) представляет собой капилляр длиной 20 мм и диаметром 0,18 или 0,30 мм (рис. 3.1а). Большое отношение длины к диаметру капилляра обеспечивает ламинарный режим течения воздуха. Статическая характеристика дросселя представляет собой зависимость массового расхода воздуха от перепада давления на дросселе и определяется равенством:

(3.1)

где - проводимость постоянного дросселя (коэффициент, пропорциональный площади его проходного сечения), .

Рис. 3.1.

Регулируемый дроссель обычно выполняется по схеме конус-конус (рис. 3.1б). Уравнение его статической характеристики имеет вид:

(3.2)

где - проводимость регулируемого дросселя, .

Перемещение внутреннего конуса вызывает изменение площади кольцевого зазора дросселя и его пневматического сопротивления. Проводимость дросселя при этом изменяется, примерно, в раз. Регулируемый дроссель настраивается поворотом винта, связанного с внутренним конусом; угол поворота винта составляет 300°.

Переменный дроссель выполняется в виде устройств сопло-заслонка или шарик-цилиндр (рис. 3.1в, г).

Их гидравлическое сопротивление изменяется при перемещении заслонки относительно сопла или шарика относительно цилиндра. Режим истечения воздуха в них турбулентный.

В пневматических устройствах встречаются параллельное и последовательное соединения дросселей.

Совместные проводимости двух дросселей, например, постоянного и регулируемого, при таких соединениях определяются равенствами:

; (3.3)

Пневмокамеры предназначены для наполнения сжатого воздуха. Объём пневмокамеры равен . В сочетании с дросселем пневмокамеры используют как инерционные элементы. В зависимости от схемы подвода и отвода воздуха они могут быть глухими и проточными (рис. 3.2).

Рис. 3.2.:

глухая (а) и проточная (б) пневмокамеры и их обозначения (в, г)

Уравнение динамики глухой пневмокамеры (рис. 3.2. а, в) при ламинарном изотермическом истечении воздуха через дроссель с проводимостью имеет вид

(3.4)

где - постоянная времени глухой камеры;

- давление до дросселя;

- объем камеры;

- давление воздуха в камере;

- универсальная газовая постоянная;

- абсолютная температура.

Поведение глухой камеры описывается уравнением апериодического звена 1-го порядка с коэффициентом усиления . В равновесном состоянии . Передаточная функция глухой камеры имеет вид

(3.5)

Уравнение динамики проточной камеры (рис. 3.2. б, г), воздух в которую поступает через постоянный дроссель, а вытекает через регулируемый, имеет вид

(3.6)

где - постоянная времени проточной камеры;

и - коэффициенты усиления по входным величинам и (при этом .

Дроссельный сумматор имеет два или три дросселя. Двухдроссельный сумматор (рис. 3.3) включает в себя постоянный дроссель проводимостью и переменный дроссель проводимостью . Входными величинами этого сумматора являются давления и , а выходной - давление в полости между дросселями. Зависимость между ними определяется уравнением

(3.7)

где

,

Рис. 3.3.:

сумматор с двумя дросселями (а) и его структурная схема (б)

Давление в полости между дросселями равно сумме входных давлений, умноженных на весовые коэффициенты, сумма которых равна единице. Изменяя проводимость регулируемого дросселя, давление можно устанавливать в широком интервале между и . Поэтому дроссельные сумматоры называют также делителями давления.

При постоянстве одного из входных давлений, например , приращение входной величины сумматора пропорционально его входной величины , и его поведение описывается уравнением усилительного звена .

Элемент сравнения предназначен для сравнения двух или четырех входных сигналов (рис. 3.4). Он формирует на выходе дискретные сигналы или .

Трехмембранный элемент сравнения на два входа состоит из четырех камер, ограниченных секциями корпуса и блоком трех мембран, связанных между собой штоком и закрепленных по периметру (рис. 3.4, а).

Рис. 3.4.:

трехмембранный (а) и пятимембранный (б)

элементы сравнения и их структурные схемы (в, г)

Площадь средней мембраны превышает площади крайних. Жесткие центры крайних мембран служат заслонками сопл в камерах и . Камеры и сообщены между собой. Воздух питания через верхнее сопло поступает в камеру . Через нижнее сопло камера сообщается с атмосферой. Давление в камерах и - выходной сигнал элемента сравнения . Входные сигналы и подаются в камеры и .

Блок мембраны находится под действием сил, развиваемых давлениями в камерах элемента сравнения. Мембраны обладают малой жесткостью и поэтому даже при рассогласовании входных давлений, равном всего суммарное усилие достаточно для перемещения блока мембран в одном из крайних положений. При > результирующая сила будет направлена вниз, и блок мембран опустится. Сопло в камере при этом закроется и перекроет линию выхода воздуха в атмосферу, а сопло в камере откроется, и воздух питания, поступая в камеры и , сформирует на выходе элемента сравнения сигнал равный . При > мембранный блок поднимается вверх, сопло в камере закрывается, и прекратится подача воздуха питания, а сопло в камере откроется, и линия выхода элемента сравнения сообщается с атмосферой. При этом сигнал на выходе станет равным . Таким образом, трехмембранный элемент сравнения представляет собой пневматическое реле, отрабатывающее зависимость:

, при > ;

, при < .

Пятимембранный элемент сравнения имеет четыре входа. Он состоит из шести камер, разделенных пятью мембранами, связанных в блок (рис. 3.4, б).

Входные сигналы подводятся в камеры , , и . Выходной сигнал отводится из камер и . В остальном конструкция пятимембранного элемента сравнения и его работа аналогичны трехмембранному элементу сравнения. Он представляет собой пневматическое реле и обеспечивает выполнение операции

, при > ;

, при < .

На структурных схемах элементы сравнения представляют в виде последовательно соединенных узла суммирования, на который поступают входные сигналы со своими знаками, и релейного звена. Передаточная функция элемента сравнения имеет вид

>> . (3.10).

В пневматических приборах пятимембранные элементы сравнения часто используют в качестве мембранного сумматора для алгебраического суммирования непрерывных входных сигналов (рис. 3.5 стр. 23).

Для этого выходной сигнал направляют в камеру , камеру отрицательной обратной связи. Элемент приходит в равновесие, когда усилия, развиваемые входными давлениями, уравновешиваются усилием, создаваемым , и расходы воздуха через пневмоконтакты сопло-заслонка равны. Так как суммарные площади мембран в камерах , , и одинаковы, то при равновесии справедливо равенство

(3.11)

Рис. 3.5.:

мембранный сумматор (а) и его структурная схема (б)

Следовательно, при такой коммутации элемент сравнения выполняет функцию сумматора, который складывает два сигнала со знаком плюс и один со знаком минус.

Повторители давления (усилители мощности) предназначены для усиления расхода воздуха на выходе при постоянных давлениях на входе и выходе. Их применяют для уменьшения запаздывания сигналов в пневмокамерах большого объема в длинных пневмолиниях, а также для развязки пневматических цепей.

В основном применяются маломощные повторители давления, мощные и точные. Точные мощные повторители давления обеспечивают уменьшение погрешности повторения. Рассмотрим маломощный повторитель давления (рис. 3.6).

В маломощном повторителе давления между двумя секциями зажата по периметру мембрана, жесткий центр которой является заслонкой сопла, расположенного в камере и сообщающего ее с атмосферой.

Рис. 3.6.:

маломощный повторитель давления

Входной сигнал подается в камеру . В камеру через постоянный дроссель поступает давление питания. Давление в камере - выходной сигнал . С увеличением мембрана прогибается вниз. При этом уменьшается расстояние между заслонкой и соплом, уменьшается расход воздуха из камеры через сопло в атмосферу, и выходное давление возрастает до значения . В момент равновесия расходы воздуха через постоянный дроссель и пневмоконтакт сопло-заслонка одинаковы. Класс точности такого повторителя равен 0,25.

При необходимости изменить повторителя относительно на постоянную величину в его камеры устанавливают пружины. В таких повторителях - повторителях со сдвигом статической характеристики наличие пружин в камерах и приводит соответственно к увеличению или уменьшению сигнала по сравнению с . Уравнение статической характеристики имеет вид

± (3.12)

Передаточная функция повторителей:

по давлению ,

по расходу воздуха >>1.

На структурных схемах - усилители представляют в виде одного звена с соответствующей передаточной функцией.

Задатчик (рис. 3.7) в комплекте с постоянным дросселем предназначен для ручной установки заданного сигнала. Он состоит из камер А и Б.

Рис. 3.7.: задатчик давления

Разделенных плоской мембраной, жесткий центр которой служит заслонкой сопла. Воздух питания проходит через дроссель в камеру А и выходит из неё через сопло в атмосферу. Выходной сигнал задатчика - давление воздуха в камере А. Камера Б сообщена с атмосферой. На мембрану со стороны камеры Б действует сила натяжения пружины, устанавливаемся винтом, а со стороны камеры А - сила давления воздуха. При изменении натяжения пружины мембрана, прогибаясь, изменяет зазор пневмоконтакта сопло - заслонка и расход воздуха и камеры А в атмосферу. В результате этого давление воздуха в камере А и в выходной линии задатчика изменяется.

Выключающее реле (рис. 3.8) предназначено для отключения или переключения (коммутирования) входных сигналов при подаче на него командного дискретного сигнала .

Рис. 3.8.: выключающее реле

Реле состоит из трех камер А, Б и В, которые разделены двумя мембранами, соединенными в блок штоком, двух сопл и пружины. Жесткие центры мембран выполняют роль заслонок по отношению к соплам и вместе с ними образуют два пневмоконтакта сопло - заслонка: один (сопло ) - нормально открытый, второй (сопло ) - нормально закрытый. Входные сигналы и подводятся к соплам и , командный - в камеру А, выходной сигнал отводится из камеры Б. Камера В сообщена с атмосферой. Выключающее реле относится к элементам дискретного действия. При блок мембран под действием пружины в камере опустится вниз, сопло закрывается, сопло открывается, и сигнал проходит на выход реле. При на блок мембран со стороны камеры действует усилие, превышающее силу натяжения пружины. Блок мембран поднимается вверх, сопло закрывается, сопло открывается, и выход реле проходит сигнал . В регуляторах реле при подаче на него давления запирает выходной сигнал регулятора, а при сбросе - сообщает выход регулятора с исполнительным устройством.