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

плавок.

Измерительная часть датчика уровня состоит из буйка 1У трехплечего рычага 2 и уплотнительного сильфона 3. Устройство задания (винт 4 и пружина 5) служит для настройки начальной

вижную регулируемую опору 9 и рычаг 11 передается на шток элемента предварения 1 2 .

Перемещаемая опора 9 изменяет соотношение длин плеч ры­ чагов 8 и 11 и тем самым коэффициент усиления датчика. На­

стройка коэффициента усиления датчика необходима при изме­ нении диапазона измерения уровня и корректировке выходного' сигнала в соответствии с изменением плотности контролируемой жидкости.

Элемент предварения предназначен для введения производной в закон изменения выходного давления р датчика уровня и со­ стоит из пневматического апериодического звена, составленного из регулируемого сопротивления для настройки времени предва­ рения 13, надсильфонной емкости и сильфона 14. Вход апериоди­ ческого звена (регулируемый дроссель 13) включен к выходу датчика. Сильфон 14 преобразует давление, возникающее на вы-

270

e3 —

in

Член T2 s/г учитывает воздействие по производной.

Как следует из последних выражений, т, мало по сравнению с то и поэтому в некоторых частных случаях им можно прене­ бречь п, следовательно,

р= А + т2 sh + ВІі.

Встатическом режиме уравнение датчика уровня имеет вид

р= А + ВІі.

Вотличие от уравнения (124) статического режима датчика температуры здесь присутствует постоянная А, соответствующая давлению на выходе датчика при h = 0, что объясняется отсче­ том переменных от исходного статического режима р = 0.

При перемещении подвижной опоры 9 изменяются значения всех коэффициентов уравнения (127), так как при этом изменя­ ются еі и ео. Поэтому при настройке коэффициента усиления В одновременно изменяются и постоянные времени Т| и то н началь­ ное давление А. Это свидетельствует о взаимозависимости на­

строек. После настройки коэффициента В можно с помощью пружины 5 перенастроить коэффициент 71, а с помощью дросселя 13 — постоянные времени и тгДействуя в описанной ранее последовательности, можно найти давление на выходе датчика в момент времени t —0:

Ро = — h{ + А .

Т|

Решение уравнения (127) имеет следующий вид:

p=(^— hx—B/z,^e т' + А + Bhl

при скачкообразном изменении входного сигнала

Электропневматические преобразователи. В пневмоавтома­ тике для трансформации сигнала электрического тока в пропор­ циональный ему пневматический сигнал в форме давления сжа­ того воздуха применяют электропневматические преобразовате­ ли. В релейной пневматической технике применяют дискретные

2 7 2

электропневмопреобразователи, которые преобразуют сигналы электрического тока, равные нулю п единице, в пневматические сигналы с уровнями, соответствующими нулю и единице. В этом разделе в качестве примера рассмотрим непрерывный электропневмопреобразователь ЭП-56Б.

Электропневматическнй преобразователь ЭП-56Б преобра­ зует входные сигналы постоянного тока, изменяющиеся в преде­ лах от 0 до 5 мА, в пропорциональный выходной пневматический

сводится к преобразованию сигналов постоянного тока нестан­ дартного диапазона в стандартный сигнал постоянного тока, из­ меняющийся в пределах 0—5 мА.

Принципиальная схема преобразователя ЭП-56Б представле­ на на рис. 150.

Одной из основных частей преобразователя является рычаг 5, который может поворачиваться относительно крестовой опо­

постоянного магнита 1 , а вторая — со стороны спиральной пру­ жины 7, причем сила N2 компенсирует действие силы N\, созда­ вая относительно крестовой опоры 6 тот же момент, что и сила

уѴ|. В этом смысле она действует как отрицательная обратная связь.

Сила отрицательной обратной связи N2 возникает за счет за­

крутки на угол а пружины 7, один конец которой жестко соеди­ нен с правым концом рычага 5, а второй конец с осью 5. Поворот

Мембранный усилитель мощности формирует выходное дав­ ление р, подаваемое одновременно в камеру, расположенную

над сильфоном 11 отрицательной обратной связи. Он имеет два каскада усиления. Первый каскад усиления включает усилитель типа сопло — заслонка, состоящий из сопла 4 и постоянного дросселя 15, а второй каскад — сдвоенные мембраны с полым штоком 16 и подпружиненным клапаном 17.

Для улучшения качества статической характеристики перво­ го каскада усиления (усилителя типа сопло — заслонка) на по­ стоянном дросселе 15 с помощью специального устройства, со­ стоящего из мембраны 13, пружины 12 и шарикового подпружи­ ненного клапана 14, создается постоянный перепад давлений. При падении давления в междроссельной камере, которая соеди­ нена каналом с пространством над сдвоенной мембраной 16. подает также давление питания усилителя сопло—-заслонка перед постоянным дросселем 15. При этом разность давлений на дросселе 15 всегда остается постоянной.

Малейшее перемещение заслонки (в пределах 0,01 мм) отно­ сительно сопла 4 приводит к резкому возрастанию давления р, причем нарастание давления р будет происходить до тех пор, пока не станут равными моменты, создаваемые силами N\ и АП относительно крестовой опоры 6 . Так как перемещение заслон­

ки 3 относительно сопла 4 ничтожно мало по сравнению с.раз­ мерами рычага 5, то практически рычаг 5 остается непод­ вижным.

Увеличение тока в катушке 2 вызывает пропорциональное увеличение силы ІѴ, и некоторое смещение заслонки 3 относи­ тельно сопла 4, что влечет за собой рост давления р, перемеще­ ние дна сильфона 1 1 и штока 1 0 вверх и закрутку спиральной пружины 7. Благодаря этому сила N2 также возрастает.

Уравнение электропневмопреобразователя можно получить путем решения системы уравнений, каждое из которых описыва­ ет работу отдельного звена. Преобразователь работает по прин­ ципу компенсации сил, поэтому его основным уравнением будет уравнение баланса сил на рычаге 5.

При выводе уравнений отдельных звеньев сделаем следую­ щие упрощающие допущения:

1. Силой реакции струи сопла 4 на рычаг 5 пренебрегаем ввиду ее малости по сравнению с силами, действующими со сто­ роны спиральной пружины 7 и катушки 2.

2.Не будем учитывать силу, действующую со стороны спи­ ральной пружины 13 на шток 10, так как она мала по сравнению'

ссилой, развиваемой сильфоном 1 1 .

3.Будем считать, что мембранный усилитель представляет

собой чисто усилительное звено, и переходные процессы, проте­ кающие при заполнении камеры, располагающейся над сильфо­ ном отрицательной обратной связи 1 1 , учитывать не будем.

4. Так как ускорения отдельных подвижных элементов пре­ образователя и их массы сравнительно невелики, силы инерции, развиваемые этими элементами при их движении, учитывать ие

274

будем. Не будем учитывать также и действие демпфирующих сил, пропорциональных скорости движения.

При упрощающих допущениях систему уравнений отдельных звеньев можно представить в следующем виде:

1)уѴ! = /et;

2)Nia = (N2 -N„)b-,

где уѴ1 — электромагнитная сила, развиваемая катушкой 2 с то­

звена, состоящего нз постоянного магнита 1 и катушки 2, преоб­

разующего электрический ток і в силу N\, действующую на ры­ чаг 5. Уравнение 2) суммирующего рычага 5 отражает равенст­ во моментов относительно крестовой опоры 6 , причем сила No

отрицательной обратной связи, уравновешивающая момент, соз­ даваемый силой іѴ1 , образуется в результате поворота рычага 9

на угол а п закрутки на тот же угол спиральной пружины 7. Этот факт учитывается уравнением 3), которое является урав­ нением звена, состоящего из рычага 9, оси 8 и спиральной пру­

жины 7. Уравнение 4) выявляет связь между перемещением дна сильфона X II углом поворота а, а последнее уравнение 5) опи­ сывает работу сильфона 1 1 отрицательной обратной связи, пре­

образующего выходное давление р в перемещение х. Исключая нз системы уравнения (128) все переменные, кроме выходного

давления р и входного параметра — тока і, получаем уравнение статики электропневмопреобразователя:

р = А і + р т

где

2. ДАТЧИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ СТРУЙНОЙ ТЕХНИКИ

Пневматические датчики температуры без подвижных дета­ лей. Если ламинарный пневматический дроссель подвергнуть

твердого тела. Однако всегда представляется возможность таким образом выбрать параметры ламинарного дросселя, что измене­ ние температуры либо совсем не будет сказываться на изменении пневматического сопротивления, либо это изменение будет ни­ чтожно малым.

Увеличение сопротивления пневматического ламинарного дросселя при увеличении температуры можно объяснить следу­ ющим образом. При нагревании газа, протекающего, например, через дроссель 2, включенный в делитель давления (рис. 152), в системе происходит расширение газа п, как следствие этого, увеличение скорости течения. Но увеличение скорости течения может быть достигнуто только при увеличении перепада давле­ ний на дросселе, т. е. при увеличении давления р и что эквива­ лентно увеличению сопротивления дросселя 2.

276

Сопротивление турбулентных дросселей при их нагревании тоже увеличивается, однако это увеличение не столь ярко выра­ жено, как у ламинарных дросселей.

Простейшим пневматическим датчиком температуры может служить делитель (рпс. 152), состоящий из турбулентного дрос­ селя 1 и ламинарного капиллярного дросселя 2 .

Можно найти зависимость между температурой воздуха, про­ текающего через последовательно соединенные турбулентный дроссель II ламинарный капилляр, и давлением воздуха в камере, расположенной между дросселями 1 п 2 в статическом режиме.

Для этого необходимо приравнять расход воздуха через турбу­ лентный дроссель расходу воздуха через капилляр. Формирова­ нием параболического профиля скоростей на начальном участке капилляра пренебрежем, т. е. расход воздуха через капилляр будем рассчитывать по формуле Пуазейля. Тогда для случая до-

где Fu— площадь поперечного сечения капилляра.

Следует учесть, что коэффициент динамической вязкости цд также зависит от температуры, причем наиболее простой являет­

Показатель степени я для воздуха в диапазоне температур 90— 300° К равен 8/э, а при температурах 300—400° К я = 3Д. Исклю­ чив из уравнения (129) с помощью равенства (130) рд, получим

2/1+ 1

Р \ - Р 1

Т =

V Р\ (Ро---Рі)

где постоянная величина

Щя/ЦдоЦ./7 У2R

Поступая аналогичным образом, можно найти зависимость между температурой Т п давлением в междроссельной камере р для случая критического течения воздуха (р\/р0 ^ 0,5) через

турбулентный дроссель:

Ро

277

где

Іб я / Ц д о ц .^ У R

Температуру среды можно измерять с помощью пневматиче­ ских мостпковых схем, подобных электрическим мостам Уитсто­ на. Одна из таких схем представлена на рис. 153. В диагональ моста включен дифференциальный манометр, измеряющий раз­ ность давлений, образующихся в междроссельных камерах верх­ ней и нижней ветвей моста. Нагревая сразу два ламинарных дросселя верхней и нижней ветвей моста, один нз которых яв­ ляется первым, а другой — вторым по потоку, можно существен­ но повысить чувствительность устройства. Для настройки на-

ность давлений. Так, например, электрический ток, проходящий через нагревательную катушку, может отдавать тепло пневма­ тическому сопротивлению. Таким способом могут быть преобра­ зованы электрические величины в давление без подвижных деталей. На рис. 154 показана зависимость перепада давлений в диагонали моста от температуры сопротивления [46].

Разница между электрическим п пневматическим сопротив­ лением состоит в том, что при изменении температуры у первого изменяется электрическая проводимость материала, а у второго сопротивление зависит главным образом от свойств протекаю­ щего по нему газа.

Существенным недостатком способа измерения температуры с помощью пневматических сопротивлений является низкое бы­ стродействие, что связано с необходимостью передачи тепла че­ рез стенки сопротивления к протекающему по нему газу. По­ этому такие датчики целесообразно применять при регулирова­ нии температуры объектов с большими постоянными времени.

278

Описанные датчики целесообразно использовать также в качест­ ве дискретных устройств для измерения положения уровня жид­ костей, имеющих очень низкую температуру, таких, как жидкий кислород, азот и т. д. В этом случае из-за большой разности температур сопротивления и жидкости скорость передачи тепла через стенки металлической капиллярной трубки в начальный период переходного процесса значительно возрастает.

Помимо проточных пневматических камер, содержащих тур­ булентные и ламинарные дроссели, и пневматических мостпко-

ламинарный капилляр 2. Благодаря взаимодействию питающей и управляющей струи результирующая струя отклоняется на угол а и попадает в выходной канал 3. Зависимость tg а от абсо­ лютной температуры Т для случая взаимодействия турбулентной и ламинарной струй выражается равенством [26]

0 (374+ 5,03Г)2Г ’

где с — постоянный коэффициент для элемента заданной геомет­ рии при неизменном давлении питания р0, заведенного в питаю­ щий канал 1 и в канал управления 2 , и неизменном давлении ок­

ружающей среды.

При увеличении температуры окружающей струйный элемент среды сопротивление ламинарного управляющего канала 2 воз­

растает, угол отклонения струи а уменьшается н давление в при­ емном канале 3 падает. Примерный вид зависимости давления в приемном канале р от температуры в статике показан на рис. 155, б.

Установлено также, что эффект отклонения результирующей струи в зависимости от температуры получается и при однотип­ ных питающих и управляющих каналах (турбулентных или ла­ минарных), но при различной геометрии самих каналов (здесь имеются в виду как размеры, так и форма каналов).

279