КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ З КУРСУ “ПНЕВМОАВТОМАТИКА”.

ВСТУП

Курс “ПНЕВМОАВТОМАТИКИ” є одним з провідних спеціальних курсів у загальному навчальному плані за фахом 7.090209 – Гідравлічні і пневматичні машини.

Подана дисципліна тісно пов’язана з структурно-логічною схемою навчання студентів спеціальності тому, що допомагає забезпечити слухачам поглиблене вивчення теорії роботи, конструкцій і функціональних можливостей елементів та пристроїв систем пневмоавтоматики. Здобуття навичок в галузі розрахунку, проектування та експлуатації систем автоматизації технологічних процесів.

Склав конспект лекцій доц., к.т.н. Носко С.В.

Розділ 1. Аналогові пневматичні обчислювальні пристрої.

Лекція 1. Аналогові пневматичні сильфоні та мембранні сумуючі пристрої. Аналогові пневматичні сумуючі пристрої на пневмоопорах.

Аналогові пневматичні сумуючі пристрої призначені для виконання операції алгебраїчного сумування пневматичних сигналів і в загальному випадку реалізують залежність:

(1.1)

де Р_ВИХ. – вихідний сигнал пристроя;

Р_і – і-й вхідний сигнал пристроя;

К_і – постійний коефіцієнт.

В пневмоавтоматиці для виконання операції сумування з високою точністю широко використовують сумуючі пристрої побудовані по принципу компенсації сил (рис.1.1). Схема такого пристроя включає в себе пристрій 1, що вимірює алгебраїчну суму усіх сил які викликані вхідними тисками, з послідовним перетворенням результата вимірювання в пропорційну силу (момент сили) ΔR. Ця сила потім перетворюється в пристрої 2 в тиск, який подається на вихід сумуючого пристроя і на вхід пристроя 1 в якості заперечного зворотнього зв’язку. Таким чином, відбувається компенсація виникаючого разбаланса сил (моментів).

Рис.1.1. Схема пневматичного сумуючого аналогового пристроя що побудован по принципу компенсації сил.

На рис.1.2 показана схема аналогового сильфонного сумуючого пристроя. Тиски Р₁, Р₂ і Р₃, що сумуються подаються в сильфони 1, 2 і 3 і створюють пропорційні тиски і зусилля. Ці зусилля діють на важель 5 і створюють обертаючі моменти відносно точки обертання О важеля. Обертаючий момент суми повертає важель 5 і закріплену на його кінці заслінку 6, переміщуя останню відносно сопла 7. Тиск в лінії за соплом при цьому збільшується, а потім підсилюється пневматичним підсилювачем 9.

Рис.1.2. Схема аналогового пневматичного сильфонного сумуючого пристроя.

Далі тиск подається в сильфон 4 заперечного зворотнього зв’язку та одночасно на вихід підсумовувала. Сильфон 4 заперечного зворотнього зв’язку створює зусилля, що пропорційне вихідному тиску, яке створює обертаючий момент відносно точки обертання О важеля 5. Цей момент компенсує обертаючі моменти від зусиль сильфонів 1-3. Пружина 8 служить для налагодження нульового рівня сигнала на виході сумуючого пристроя. Якщо ефективні площі усіх сильфонів рівні то умова рівноваги сил на важелі 5 має вигляд:

(1.2)

де М – момент, що створює пружина 8.

З формули (2) знаходимо

або

(1.3)

Такий сумуючий пристрій виконує операцію множення вхідних сигналів на постійний коефіцієнт з послідуючим сумуванням.

В промислових системах пневмоавтоматики за стандартний робочій діапазон прийнятий діапазон тисків 0,02-0,1МПа. В сильфонному сумуючому пристрої передбачена можливість віднімання з усіх вхідних тисків сигнала 0,02МПа, що не несе інформацію. Це робиться натягом сильфонів за допомогою пружин.

Операція що реалізує такий підсумовував має вигляд:

(1.4)

Приведена похибка підсумовувала складає ± 2%.

В пневмоавтоматиці більше використовують мембранні сумуючі пристрої, які мають менші габаритні розміри, більш просту конструкцію та достатньо високу точність.

Для сумування пневматичних сигналів широко використовують чотирьохвходві підсилювачі, що входять в УСЕППА, та трьохвходові підсилювачі спеціальної системи елементів пневмоавтоматики.

Схема включення чотирьохвходового підсилювача в режим сумування показан на рис.1.3, а. Така схема підсилювача відрізняється від звичайної тим, що в одну з заперечних камер, наприклад в камеру Б, підводиться тиск з вихода підсилювача, т.ч. підсилювач охоплен одиничним заперечним зворотнім зв’язком. В такому режимі зусилля на штоці, що створюється дією тисків Р₁ – Р₃ на мембрани, компенсується зусиллям яке створює друга мембрана під дією тиску Р_ВИХ.. Умова рівноваги зусиль на мембранному блоці

Вирішуючи цей вираз відносно Р_ВИХ. знайдемо

(1.5)

Похибка виконання операції алгебраїчного сумування складає ± 1%.

За допомогою цього підсумовувала можливо виконувати операцію ділення вхідних сигналів Р₁ або Р₃ на два, або операцію усереднення сигналів Р₁ і Р₃. Підсумовував виконує також операцію множення вхідного сигнала на 2.

Рис.1.3. Схеми пневматичних мембранних сумуючих пристроїв.

Схема включення трьохвходового підсилювача спеціальної системи пневмоавтоматики для виконання операції сумування показана на рис.1.3, б. Цей підсилювач має спеціальну конструкцію призначену для виконання операції сумування. Умова рівноваги зусиль на мембранному блоці має вигляд:

(1.6)

звідки, при F=2f вихідний тиск:

(1.7)

Аналогові пневматичні сумуючі пристрої на пневмоопорах.

Для сумування пневматичних сигналів в багатьох приборах та пристроях пневмоавтоматики застосовують підсумовувачі виконані на ламінарних пневмоопорах.

В пневмоавтоматиці застосовують як пасивні підсумовувачі на пневмоопорах, так і підсумовувачі на пневмоопорах з підсилювачами. Пасивний підсилювач на пневмоопорах являє собою пневматичну проточну камеру, в якій крізь деякі опори подаються тиски що сумуються. Тиск Р_К в камері є вихідним тиском Р_ВИХ. підсумовувала і зв’язан з сумою вхідних тисків Р_і формулой

(1.8)

де k_i – проводимість пневмоопорів.

Вираз (1.8), при відсутності різниці між вхідними і вихідними опорами, має вигляд, якщо прийняти

(1.9)

Так як в цих підсумовувачах завжди k_i < 1, то підсумовував може виконувати операцію звичайного сумування.

Підсумовувач на пневмоопорах з двохвходовим підсилювачем показан на рис.1.4. Тиск Р_К в камері В підсилювача підтримується постійним і не рівним нулю. Щоб цей пристрій міг виконувати операцію сумування, необхідно забезпечити умови при яких крізь усі пневмоопори міг би проходити як приток, так і відток повітря.

Враховуючи, що камера Б проточна і підключені до неї пневмоопори є пасивним підсумовувачем, тиск Р_Б в камері Б дорівнює:

(1.10)

де k₀ – провідність пневмоопора заперечного зворотнього зв’язку.

Рис.1.4. Схема пневматичного підсилювача на пневмоопорах.

Так як пневматичний підсилювач має дуже великий коефіцієнт підсилення, то в рівновісному стані тиск в камері Б практично завжди дорівнює тиску в камері В. Підставив в (1.10) замість Р_Б значення тиску, що дорівнює Р_В = Р_К і його відносно Р_ВИХ. знаходимо

(1.11)

Таким чином, підсумовувач може виконувати операцію сумування пневматичних сигналів з попереднім множенням на постійний коефіцієнт (0<k_i <∞).

Література: [1] стор.41-43; [3] стор.177-188.