книги из ГПНТБ / Дмитриев, В. Н. Основы пневмоавтоматики

Линия задержки k, выполненная в виде канала диаметром d = 2,2 мм н длиной 250 мм, предназначена для формирования сдвига фаз между сигналом, промодулнрованным в усилителе 3, и сигналом несущей частоты, поступающим с буферного каскада 1 .

Рис. І44. Струпный частотный дискриминатор:

а— схем а; и , в — осциллограм м ы работы

Сигнал р“, поступающий на вход модулятора 3, модули­

рует несущую частоту, усиливается и через линию задержки 3 поступает на вход усилителя переменного тока 4, где снова происходит усиление входного сигнала на переменном токе.

В зависимости от сдвига фаз ср между сигналами одной п той же несущей частоты, поступающими на вход усилителя 4 с каскадов 1 и 3, можно менять характеристику усилителя.

260

Г лава VII

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Датчиком называется элемент системы автоматического контроля, регулирования пли управления, предназначенный для преобразования измеряемого (регулируемого) физического параметра в другой физический параметр, который может быть использован в качестве носителя рабочих сигналов в регули­ рующих и вычислительных системах. В частном случае датчик, может служить также и для преобразования физических величин. В этом случае имеет значение масштаб преобразова­ ния, который выбирают с таким расчетом, чтобы выходная величина изменялась в пределах, определяемых прибором пли регулятором, подключенным к выходу датчика.

Пневматические датчики преобразуют контролируемые и регулируемые величины различной физической природы в пневматические сигналы, используемые для управления раз­ личного рода пневматическими приборами и регуляторами.

Любой пневматический датчик состоит из измерительного устройства и пневмопреобразователя, преобразующего пере­ мещение пли усилие в пневматический сигнал давления. Важ­ нейшим элементом измерительного устройства является чув­ ствительный орган, который непосредственно воспринимает

ны), поплавки, диафрагмы и т. д.

Чувствительный орган непосредственно воспринимает воз­ действие измеряемого параметра, поэтому он в наибольшей степени подвержен тепловым, химическим, механическим и иного рода воздействиям. В этом отношении другие элементы системы управления или измерения такие, как вторичные измерительные приборы, регулирующие блоки и вычислитель­ ные устройства, находятся в лучших условиях, так как устанавливаются в помещения с нормальной температурой и незагрязненным воздухом. Поэтому к датчикам и их чувстви­ тельным органам предъявляют наиболее жесткие требования.

262

Датчики обычно снабжают измерительными приборами, а иногда и самопишущими приборами. Это позволяет контроли­ ровать работу датчика и судить о его исправности. Следователь­

чувствительный орган, который удален на значительное рас­ стояние от самого датчика. Примером может служить датчик температуры, чувствительный орган которого — термобаллон располагают обычно на значительном расстоянии от датчика и соединяют с последним капиллярной трубкой.

Преобразователи трансформируют одни вид сигнала в дру­ гой по форме (например, дискретный сигнал в непрерывный и наоборот) либо по виду энергии (например, электрический сигнал в пневматический пли механическое перемещение в пнев­ матический сигнал, причем последний используется в качестве носителя информации). Таким образом, преобразователи могут также выполнять роль датчиков. Как пример можно назвать преобразователь температуры, в котором термометр сопротив­ ления служит чувствительным органом. Однако преобразовате­ ли в основном применяют для переработки сигналов, являющих­ ся носителями информации в схемах вычислительных и регулирующих устройств. Примером тому может служить пневмоэлектрпческпй и электропневматпческий преобразователи, трансформирующие пневматические сигналы в электрические и наоборот. Датчики и преобразователи могут быть реализованы на основе использования пневмомеханического принципа, с при­ менением мембран и иных упругих элементов и построены по принципу компенсации перемещений, компенсации сил или рас­ ходов или же с применением элементов струйной техники (пнев­ мониии) .

1. ДАТЧИКИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Датчик температуры. Наибольшее распространение в раз­ личных отраслях промышленности получили манометрические термометры с пневматической дистанционной передачей [38]. В качестве чувствительных органов в манометрических датчиках применяют термобаллоны. Датчики температуры по виду жид­ кости, заполняющей термобаллон, делят на газовые, жидкостные и ртутные. В каждой из указанных групп могут быть датчики, в состав которых входят либо показывающие измерительные приборы, либо самопишущие приборы, либо датчики без указан­

263

ных приборов. Выпускаемые нашей промышленностью датчики температуры предназначены для работы в комплекте с вторич­ ными измерительными приборами и регулирующими блоками систем АУС и УСЭППА.

Измерительные системы датчиков температуры заполняют

(рис. 145). Прибор включает измерительную манометрическую систему, состоящую из термобаллона 1 , капилляра 2 , сильфона 3

с внешним кожухом и передающего штока 4\ задатчик с пружи­

тель 13 усилия в давление воздуха и устройство 11 запаздываю­ щей отрицательной обратной связи (предварения).

Термобаллон 1 помещают в среду, температуру которой необходимо измерить и преобразовать в давление сжатого воздуха. При изменении температуры, например при ее увеличении, давление газа в баллоне 1 также возрастает про­

порционально температуре и это изменение давления по капил­ лярной трубке 2 передается в пространство над сильфоном 3,

что ведет к появлению дополнительной силы, которая через шток 4 передается на рычаг 7, вращающийся вокруг оси 10.

264

Часть этой силы через шток передается на мембрану пневмо­ преобразователя 13. Действующее на мембрану с противопо­ ложной стороны выходное давление создает уравновешиваю­ щую силу. Со стороны рычага 8 через подвижную опору 9 на

рычаг 7 действует дополнительная сила отрицательной обрат­ ной связи, запаздывающая во времени и создающая эффект предварения. Запаздывание во времени реализуется введением в схему регулируемого дросселя времени предварения 1 2 с ем­ костью 1 1 между сильфоном и кожухом.

Перемещение подвижной опоры 9 позволяет изменять коэффициент отрицательной обратной связи и, следовательно, коэффициент усиления всего устройства в целом, а также диапазон измерения.

Пружина 5 и регулировочный винт 6 предназначены для

задания нижнего предела измерения.

Для отыскания уравнения датчика необходимо составить уравнения отдельных звеньев, входящих в него.

Чувствительный элемент (термобаллон 1 с соединительной трубкой 2 и емкостью над сильфоном 3) в качестве входной

величины имеет температуру Т окружающей термобаллон сре­ ды, а в качестве выходной — давление р\. Изменение емкости термобаллона, соединительной капиллярной трубки п объема между сильфоном 3 и кожухом, обусловленное перемещением донышка сильфона, мало и поэтому им можно пренебречь по сравнению с суммарным объемом. В качестве приближенного уравнения, описывающего изменение давления рх в зависимости от изменения температуры Т во времени, можно принять урав­

цированпя; kx— коэффициент усиления.

Давление р х преобразуется в усилие Nx сильфоном с эффек­ тивной площадью Fc\, причем перемещение сильфона мало, и поэтому им можно пренебречь и, следовательно, можно не учитывать противодействующую силу, возникающую из-за жесткости сильфона. С учетом сказанного уравнение сильфона, характеризующее преобразование давления в силу, можно записать в следующем виде:

Л', =PiFel.

Рычажная система датчика предназначена для суммирова­ ния усилий N\, N2 , jѴ5, действующих со стороны сильфона 3 (см. рис. 145), пружинного задатчика 5, 6 и сильфона И эле­ мента предварения. Суммарное усилие N3 передается затем

через шток на мембрану пневмопреобразователя. Расчетная схема рычажной системы представлена на рис. 146. Перемеще-

265

лнем подвижной опоры (позиция 9 на рис. 145) можно изменять длины соответствующих плеч рычагов и тем самым перена­ страивать общий коэффициент усиления датчика. Для опреде­ ления выходного усилия /Ѵ3 в зависимости от входных усилий N\, N2 , N5 составим уравнения моментов сил относительно осей

вращения 1 и 2 (рис. 146):

Nl(п -р Ь-J- с) =—/Ѵ2 (ц -{- ö -Ь с) -j- /Ѵ3 (£? -р с) 4 -

N5 {d + е) = Nф.

Исключая усилие іѴ4) действующее на рычаги со стороны подвижной опоры, получим

Введя обозначения

■окончательно будем иметь

N г = {J 9 \ — УѴ2 ) е г — N 5б 2 ■

Пневмопреобразователь 13 (см. рис. 145) предназначен для преобразования силы N3 в пропорциональное ей давление. Это

звено состоит из двух каскадов усиления. Пер­ вый каскад — усилитель сопло — заслонка, второй каскад — усилитель мощности. Благо­ даря тому, что объемы камер ппевмопреобрдзователя незначительны н пневматические со­ противления также малы, переходные процес­ сы в пневмопреобразователе протекают зна­ чительно быстрее, чем, например, переходный процесс нарастания давления в термобаллоне при увеличении температур«. Эти переходные процессы можно не учитывать и считать пнев­ мопреобразователь чисто статическим звеном, описываемым уравнением

Пневмопреобразователь работает по принципу компенсации усилий. Поэтому перемещение мембраны, на которую передает­ ся усилие /Vз, очень мало, следовательно, эффективная площадь F практически остается постоянной.

Элемент предварения состоит из регулируемого пневмати­ ческого сопротивления 12 и емкости. Если принять, что сопро-

266

тпвленпе линейно, то элемент предварения можно описать уравнением апериодического звена (см. гл.III, п. 2):

(T , S + 1)р2 = р,

где то— постоянная времени.

Давление р2 преобразуется в силу N5 сильфоном. Уравнение

•сильфона, если пренебречь его ходом, будет иметь вид

N5 ~ РІ7 с2>

где /р. 2 — эффективная площадь сильфона.

За исходный статический режим выберем положение сн- •стемы, когда сила У, равна силе N2. Будем рассматривать ■отклонение давлений температуры и других параметров именно

Здесь 6 обозначает приращение соответствующих парамет­ ров относительно их значений на выбранном исходном статиче­ ском режиме.

Из системы уравнений (122) исключим все переменные, кроме входного параметра — температуры бТ п выходного пара­ метра — давления бр. Тогда передаточная функция датчика

267

Для определения изменения давления бр на выходе датчика во времени решим уравнение (123) в предположении, что темие-ѵ ратура в начальный момент времени претерпевает скачкообраз­ ное изменение от своего значения на исходном статическом ре­ жиме, т. е.

Найдем значение давления па выходе датчика температуры Ьро в момент времени / = 0, для чего проинтегрируем уравнение, умножив предварительно его на dt:

Вследствие того, что t* = 0 (рассматривается нулевой момент

оо

для приращения давления в нулевой момент получим следующее выражение:

Ті6/?0 = kx2 8 Tl и 8 po —k — 8 T\.

Из последнего равенства следует, что в первый момент вре­ мени давление на выходе достигает значительной величины. Ре­ шение уравнения (123) будет представлять собой сумму общего решения (динамическая часть) и частного решения [статическая часть — уравнение (124)]. Общее решение является решением уравнения

Постоянная интегрирования С в этом уравнении определяет­ ся из условия, что при t —0

8 р = бpo = k — 6Г,.

Ті

268

Подставляя в уравнение (125) найденное таким способом

С = Іг&Т! IL _ 1 Tl

<окончательно получим

Из полученного решения следует, что в начальный момент •Бремени на выходе происходит увеличение давления до величины

k — 6Г| (в этом проявляется эффект предварения), а затем медті

ленный спад до установившегося значения kbT\ (кривая 2 на рис. 147). В реальной системе давление сразу не может возрасти

Рис. 147. Изменение давления на выходе датчика при скачко­ образном изменении темпера­ туры:

до определенного значения, так как на это затрачивается неко­ торое время (кривая 3). При выводе уравнения было получено несколько идеализированное решение, так как в ходе решения ■были приняты некоторые допущения. На основании системы уравнений (122) и схемы датчика, представленной на рис. 145, ■можно составить структурную схему датчика температуры (рис. 148). В каждом прямоугольнике, обозначающем отдельное

.звено датчика температуры, записывается его передаточная 'функция (в общем случае динамический коэффициент усиления звена).

Датчик уровня бесшкальный компенсационный УП-332.

.Датчик УП-332 (рис. 149) предназначен для измерения уровня

.жидкостей в открытых пли находящихся под давлением сосудах 'Он снабжен дистанционной пневматической передачей и работа­ ет совместно с измерительными приборами и блоками АУС и ІУСЭППА. Принцип измерения уровня жидкости основан на ис­ пользовании эффекта потери веса тонущего поплавка при увелп-

269