§ 5.2. Пневматическая система передачи

Системы передачи измерительной информации с унифицированным пневматическим сигналом находят применение в тех отраслях про­мышленности, где по условиям техники безопасности нецелесооб­разно использование электрических систем передачи. Пневматиче­ская система передачи обеспечивает надежную передачу информа­ции на расстояние до 300 м, а при использовании специального усилителя мощности—до 600 м. При больших расстояниях меж­ду объектом и пунктом приема информации точность системы пе­редачи информации уменьшается.

Передача информации в пневматических системах осуществ­ляется по каналу связи, представляющему собой пластмассовую или металлическую трубку внутренним диаметром 4—10 мм.

На рис. 5.2 представлена схема пневматической системы пере­дачи. Система включает ПИП I (источник информации) и прием­ник информации IV, соединенные между собой каналом связи. ПИП I устанавливается непосредственно на объекте и осуществ­ляет преобразование измеряемого параметра П в унифицирован­ный пневматический сигнал Р_ВЫХ.

Основными узлами ПИП являются чувствительный элемент II и преобразователь «сила — давление» III. В качестве чувствитель­ного элемента может быть использован любой чувствительный эле­мент, осуществляющий преобразование технологического парамет­ра П в усилие. Например, при измерении давления чувствитель­ным элементом может служить трубчатая пружина, сильфон или мембрана (см. § 4.6), а при измерении уровня жидкости — буёк и т. п.

Преобразователь «сила—давление» (см. рис. 5.2) состоит из корректора нуля — пружины 1, рычага 2, сильфона обратной свя­зи 3, управляемого пневмосопротивления типа «сопло — заслон­ка» 4 и пневматического усилителя мощности 7. Управляемое пневмосопротивление 4 является индикатором перемещения рыча­га 2. Питание сопла производится через усилитель мощности 7 из линии выходного сигнала через постоянное пневмосопротивле­ние 11. Поэтому давление в камере Б всегда меньше, чем в каме­рах А и В, на одно и то же значение, определяемое натяжением пружин 9. Преобразование технологического параметра П в пнев­матический сигнал осуществляется следующим образом. При от­клонении преобразуемого параметра П от исходного значения из­меняется сила R_Х, что приводит к перемещению рычага 2 относи­тельно точки опоры О. Одновременно с рычагом перемещается и укрепленная на нем заслонка 5 относительно сопла 6. Это приводит к изменению зазора h между соплом и заслонкой. В резуль­тате зазор становится равным h₁ и рычаг 2 занимает положение А (рис. 5.3, а). Этому положению заслонки соответствует давление на выходе сопла, которое после усиления в усилителе мощности подается в сильфон отрицательной обратной связи 3 и в канал связи.

Рис. 5.2. Схема пневматической системы передачи измерительной информации

Рис. 5.3. Схема управляемого пневмосопротивления (а) и его стати­ческая характеристика (б)

Под действием возросшего давления Р_ВЫХ сильфон 3 начи­нает деформироваться и отодвигать заслонку от сопла. Изменение Р_ВЫХ происходит до тех пор, пока не наступит равновесие системы. Рычаг 1 при этом займет положение В, при котором расстояние между соплом и заслонкой станет равным h₂. Расстояние h₂ мень­ше расстояния h на Δλ. Таким образом, в новом состоянии равновесия положение рычага уже не соответствует начальному, т. е. при работе преобразователя по схеме компенсации усилий возникают перемещения, без которых преобразователь не может работать. Однако эти перемещения очень малы и определяются ходом за­слонки относительно сопла (0,01—0,02 мм). Поэтому рычаг с за­слонкой при любых усилиях остается практически в неизменном положении.

В процессе работы усилителя мощности 7 за счет перемещения мембран 8 я 10 перепад давлений на пневмосопротивлении 11 остается всегда постоянным (4000—6500 Па), что увеличивает кру­тизну статической характеристики преобразователя типа «сопло — заслонка» (рис. 5.3, б).

Уравнение статической характеристики преобразователя «си­ла— давление» может быть получено из выражения, описывающе­го состояние равновесия рычага 2:

R_xl₁= R_ocl₂, (5.1)

где R_x — усилие, развиваемое чувствительным элементом; R_oc — усилие, развиваемое сильфоном обратной связи. Представляя величину R_oc в виде

R_oс=F_ЭФР_ВЫХ, (5.2)

и решая совместно (5.1) и (5.2), получим

Р_ВЫХ= R_xl₁ / (l₂ F_ЭФ ) , (5.3)

где F_ЭФ— эффективная площадь сильфона обратной связи.

Так как диапазон изменения унифицированного пневматическо­го сигнала 0,02—0,1 МПа, то при R_х= 0 путем натяжения пружи­ны 1 корректора нуля осуществляют настройку нулевого сигнала преобразователя. В результате настройки зависимость (5.3) может быть переписана в виде

Р_ВЫХ = (5.4)

Это уравнение представляет собой статическую характеристику преобразователя «сила — давление». Оно может быть преобразо­вано в уравнение статической характеристики ПИП, если принять во внимание статическую характеристику чувствительного эле­мента

R_x =k₀П, (5.5)

где k₀ — коэффициент преобразования чувствительного элемента.

С учетом уравнения (5.5) статическая характеристика ПИП примет вид

Р_ВЫХ = (5.6)

Или

Р_ВЫХ = k_ПП + 0,02, (5.7)

где k_П = k₀l₁/(l₂F_ЭФ) —коэффициент преобразования ПИП.

Путем изменения коэффициента k_П можно изменять диапазон измерений преобразователя в пределах ±(10—20)%. Практически это достигается изменением отношения l₁/l₂ в результате переме­щения точки опоры О. Для преобразователя, настроенного на за­данный диапазон преобразования, статическая характеристика (5.7) может быть представлена и в виде

Р_ВЫХ = (5.8)

Здесь 0,08/П_МАХ — коэффициент преобразования ПИП, полу­ченный из уравнения (5.7) при П= П_МАХ и Р_ВЫХ =0,1 МПа.

В тех случаях, когда в процессе эксплуатации ПИП возникает необходимость изменения диапазона измерений в больших пределах, целесообразно применение ПИП, оснащенного преобразова­телем «сила — давление», схема которого приведена на рис. 5.4.

Принципиальное отличие пре­образователя «сила — давление», представленного на рис. 5.4, от рассмотренного ранее — в нали­чии Г-образного рычага 3 с но­жевой опорой 4, последняя может перемещаться вдоль Г-образного рычага, чем достигается измене­ние пределов измерений преобра­зователя в широком диапазоне. Отличительной особенностью пре­образователя является и то, что конструкция рычага 1 позволяет подключать чувствительные эле­менты различных видов. Стрелка­ми показаны направления усилий, развиваемых подключаемыми чувствительными элементами. Назначения остальных элементов преобразователя (пружины 2 корректора нуля, управляемого пневмосопротивления 5, сильфона обратной связи 6 и усилителя мощности 7) аналогичны назначению соответствующих элементов рассмотренного преобразователя. Классы точности ПИП с унифицированным пневматическим сигналом 0,5 — 2,5.

В качестве приемников информации в пневматических системах передачи широко применяются вторичные приборы, принцип действия которых основан на методе уравновешивающего преобразо­вания. Эти приборы входят в ГСП и обеспечивают принципиально более высокую точность измерений, чем приборы прямого дейст­вия. Промышленность выпускает показывающие и самопишущие вторичные приборы с диапазоном измерений 0,02—0,1 МПа.

5 .4. Схема унифицированного пре­образователя «сила — давление»:

1 - Т-образный рычаг; 2 — пружина корректора нуля; 3 — Г-образзный рычаг; 4 —ножевая опора; 5 — управляемое пневмосопротивление; 6 — сильфон обратной свя­зи; 7 — усилитель мощности

Измеряемое давление Р (рис. 5.5) преобразуется чувствитель­ным элементом прибора — сильфоном 1 в силу N, под действием которой рычаг 2 и укрепленная на нем заслонка 3 перемещаются относительно сопла 4. В результате в линии, соединяющей сопло с силовым элементом 11, изменяется давление сжатого воздуха, что приводит к перемещению чашеобразной мембраны силового эле­мента и упирающегося в него рычага 10, связанного с рычагом 2 через нить 9 и пружину обратной связи 5.

Рис. 5.5. Схема самопишущего измерительного прибора пневмати­ческой системы передачи измерительной информации

Последняя служит для преобразования перемещения конца рычага 2 в усиление R, Пере­мещение рычага 2 под действием указанных сил происходит до тех пор, пока момент М₁, создаваемый силой N, не уравновесится мо­ментом М₂, создаваемым силой R. В состоянии равновесия, т. е. при

М₁ = М₂, (5.9)

перемещение рычага прекращается. О значении измеряемого дав­ления судят по положению указателя 8 на шкале 7 либо по записи на диаграммной ленте 6 пера, укрепленного на указателе. Пока­жем, что в состоянии равновесия перемещение указателя по шкале пропорционально измеряемому давлению. С этой целью равен­ство (5.9) представим в виде

Rb = Na, (5.10)

где b и а — расстояния от точек приложения сил R и N до оси вращения рычага.

Принимая во внимание зависимости

N = F_ЭФР (5.11)

и

R = сΔl, (5.12)

преобразуем равенство (5.10):

Δl= , (5.13)

где Δl — деформация пружины, равная отклонению указателя; F_ЭФ — эффективная площадь сильфона; с — жесткость пружины. В выражении (5.13) все величины, за исключением Р,— посто­янные. Поэтому уравнение (5.13) может быть представлено сле­дующим образом:

Δl= kP, (5.14)

где k= .

В настоящее время промышленностью освоено несколько модификаций вторичных приборов, построенных по рассмотренной схе­ме. Шкала приборов процентная. Класс точности 1,0.