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

пик соответствует определенному Ір. При смещении пиков влево падение давления возрастает. Эти кривые построены для того элемента с настраиваемым объемом, что и кривая на рис. 195.

Изменение давления на выходе элемента зависит существен­ но от длины горла резонатора I (рис. 197). Причем при измене­ нии длины горла каждый раз с помощью поршня настраивали одну и ту же резонансную частоту f = 860 Гц и поддерживали звуковое давление р3 —8,6 Па. Там же приведена кривая

(сплошная линия), характеризующая собой ширину резонансно­ го пика у основания при различных длинах горла резонатора. При увеличении длины горла / полное изменение давления на выходе элемента уменьшается и происходит уменьшение шири­ ны резонансного пика у основания.

Изменение размеров элемента трубка — трубка и количе­ ства поступающего через питающую трубку воздуха не влияет на собственную частоту приемного акустико-пневматического элемента с настройкой на заданную частоту срабатывания.

2. РЕАЛИЗАЦИЯ НЕКОТОРЫХ ПНЕВМОАКУСТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Приборы для измерения и сигнализации. Описанный выше элемент Аугера, совмещенный с резонатором Гельмгольца (рпс. 192), может быть использован для построения целого ряда пневмоакустических приборов. На рис. 198 приведена схема

7

бесконтактного уровнемера, который может быть использован в различных отраслях промышленности для измерения уровня жидкостей, в том числе взрывоопасных. Основной бак 1, пред­ назначенный для хранения жидкости, сообщается с измери­ тельной трубкой 2 , в которой по закону сообщающихся сосудов жидкость устанавливается на том же уровне, что и в баке 1 .

340

которого имеется питающий капилляр 3 и приемная трубка 4. Таким образом, в верхней части измерительной трубки распо­ лагается акустико-пневматический элемент, собственная частота которого зависит от объема пли от положения уровня жидкости

в сосуде 1 .

Перед горлом установлен свисток Гартмана 7 с резонатором 5 и поршнем 6 , положение которого зависит от давления рп.

Так как частота звука, излучаемого свистком Гартмана, зависит от объема резонатора 5 свистка 7, то по давлению рп под

поршнем можно судить о частоте колебаний. Поршень 6 и

резонатор 5 могут также составлять часть следящей системы. Тогда положение поршня будет зависеть от входного давления

ина точность измерения не будет влиять трение поршня о стенки цилиндрического резонатора, а также нестабильность пружины

ит. д.

Сигнал с выхода акустико-пневматического элемента подает­ ся на вход логического устройства 8 , построенного на турбу­

лентных усилителях и осуществляющего сканирующее движение поршня 6 . В тот момент, когда частота звука совпадет с соб­

ственной частотой акустико-пневматического элемента, на вход логической системы управления 8 поступит сигнал, соответ­

ствующий условному 0. Сканирование прекратится, и по мано­ метру М отсчитывают уровень. Через некоторое время, продол­ жительность которого зависит от настройки реле времени, входящего в состав устройства 8 , цикл начинается снова.

По аналогичному принципу может быть построен прибор для определения звуковой частоты (рис. 199), содержащий акустико-пневматический преобразователь 1 с переменной на­

стройкой на частоту срабатывания и логическое устройство 4, осуществляющее медленное перемещение поршня вправо п вле­ во. В момент совпадения частоты подводимого к горлу резона­ тора звука с собственной частотой резонатора в последнем наступает резкое увеличение звукового давления. Ламинарная струйка, вытекающая из питающего капилляра 2, разрушается, и сигнал на выходе элемента изменяет свое значение с I на 0.

3 4 1

Логическое устройство 4 останавливает поршень и на маномет­

цилиндра резонатора и пути следования поршня следует учиты­ вать, что зависимость собственной частоты такого резонатора от положения поршня имеет характер гиперболы (рис. 195).

Часто о неисправности работы двигателя, турбины или иного устройства можно судить по изменению частоты генерируемых нм звуковых колебаний. Другими словами, неисправности почти всегда сопутствует определенная частота звука, издаваемого тем пли иным устройством. Для обнаружения этой частоты и сигнализации о неисправности служит акустический сигнализа­ тор неисправностей (рис. 200). Сигнализатор содержит настраиваемый на заданную частоту акустико-пневматический приемный элемент, состоящий из резонатора 4, питающего ка­ пилляра 3, приемного канала 2 и поршня 5, а также струйного инвертирующего элемента /, струйного элемента памяти б, пневматического усилителя давления и мощности 7 и излучате­ ля звуковых колебаний (свистка) 8 .

Резонатор 4 с помощью поршня 5 настраивают на звуковой сигнал определенной частоты соответствующей неисправности контролируемого объекта. Этот сигнал турбулпзирует питаю­ щую струю, вытекающую из канала 3. Вследствие этого дав­ ление на выходе канала 2 уменьшается, и сигнал с выхода инвертирующего элемента 1 подается на вход элемента памя­ ти 6 , где происходит «запоминание» звукового сигнала опреде­ ленной частоты. Сигнал с выхода элемента памяти 6 проходит

на вход пневматического или струйного усилителя 7, где усили­ вается по давлению и мощности, и поступает к излучателю звуковых колебаний 8 . Сброс элемента памяти на нуль осу­

ществляется путем подачи сигнала сброса рс- Датчики и преобразователи. Используя акустическую ли­

нию связи, можно построить генератор пневматических коле­ баний, который выполняет роль датчика частоты колебаний пневматического давления, зависящего от какого-либо физиче­ ского параметра, например, расстояния, состава газа, темпера­ туры, давления и т. д. Схема датчика показана на рис. 201.

Датчик состоит из акустико-пневматического приемного элемента 4, расположенного на некотором расстоянии / напро­ тив излучателя звуковых колебаний 1 и пневматического или струйного усилителя мощности и давления 6 . Выходной канал 5

соответствующих приспособлений можно изменять длину / этого канала. К капилляру акустико-пневматического приемного

342

зона — около 0,2 МПа. Резонатор 4 настроен на частоту свист­ ка 1 .

Питающая струя, вытекающая из капилляра 3, направляется в канал 5, на выходе которого создается сигнал р\, который, бу­

резонатора 4 и турбулпзпрует ламинарную струю, вытекающую из капилляра 3, и давление р\ уменьшается до нуля. Генератор че­ рез время, определяемое инерцион­ ностью системы, перестает работать.

Питающая струя уже не турбулизпруется и поступает в канал 5, на выходе которого появляется давле­ ние р\, и колебательный цикл повто­ ряется снова. При неизменном рас­ стоянии /, составе и температуре га­ за частота работы преобразователя не будет меняться.

При изменении расстояния I ме­ жду свистком 1 и резонатором 4 меняется частота колебаний всего

устройства, т. е. устройство работает в режиме частотного дат­ чика расстояния. Действительно, если расстояние /, например, уменьшается, а параметры газа ие изменяются, то и скорость звука в нем неизменна, и, следовательно, время прохождения звукового сигнала в цепи отрицательной обратной связи умень­ шается, что ведет к увеличению частоты колебаний давления р на выходе частотного преобразователя. Если расстояние / воз­ растает, то частота колебаний давления р уменьшается.

При изменении иного физического параметра, например, тем­ пературы проходящего между генератором и приемным акусти­

температуры ведет к уменьшению плотности среды и увеличению скорости распространения звука в цепи отрицательной обратной связи. При неизменных расстоянии I и составе среды увеличение скорости распространения звукового сигнала ведет к возраста­ нию частоты колебаний давления на выходе преобразователя. У опытного образца такого датчика расстояние I увеличивалось до нескольких метров, при этом частота была равна долям герца.

'Акустико-пневматический элемент, показанный на рис. 192, б, позволяет создать электропневматический преобразователь без

343

контактов и подвижных деталей, что несомненно повышает его надежность.

Дискретный бесконтактный электропневмопреобразователь (рис. 202, а) состоит из мультивибратора 1 на транзисторах, пре­

образующего напряжение 12 В постоянного тока в прямоуголь­ ные импульсы, телефона 2 (ДЭМША) и акустико-пневматичес­

кого приемного элемента 3, собственная частота резонатора которого совпадает с частотой импульсов, поступающих с выхо-

Рис. 202. Электропневматнческии преобразователь без контактов и под­ вижных детален:

а — схема; б — внешний вид

да мультивибратора (4 кГц). Постоянный ток, преобразованный мультивибратором в прямоугольные импульсы, подается в теле­ фон, который преобразует их в звуковые колебания той же час­ тоты. Звуковой сигнал, поступая на вход акустико-пневматичес­ кого приемного элемента, вызывает падение давления на его выходе. Принципиально в электропневмопреобразователе этого типа можно было бы использовать элемент Аугера. Однако при­ менение акустико-пневматического элемента, описанного ранее, оказывается в данном случае более целесообразным, так как резонатор усиливает звуковые колебания и тем самым повышает чувствительность устройства.

3 4 4

щий капилляр 2 , затем в капилляр 3 и т. д. до выходного при­

емного канала п. На выходе давление будет равно условной единице. Если на вход ячейки направить звуковой сигнал, час­ тота которого совпадает хотя бы с одной из собственных частот п резонаторов, то в горловине соответствующего резонатора произойдет турбулпзация ламинарной струйки п давление на выходе п-й ячейки станет равным условному нулю. Тот же ре­ зультат будет получен, если на вход будет подано два звуковых

на рис. 204. Ячейка пред­ назначена для выполнения операции запоминания акустического входного сигнала определенной частоты. Она состоит из двух акустико-пневматических приемных элементов /, 8 , в каждом из

которых введен дополнительный управляющий канал (соответ­ ственно 5 и 7), предназначенный для воздействия на основную питающую струю. Выходной канал 2 п 5 каждого из акустикопневматических элементов соединен с дополнительным управля­ ющим каналом 7, 3 другого. Собственную частоту элементов на­ страивают поршнями 9 и 10. При подаче давления питания р0 в капилляры 4 и 6 питающая струя направляется в канал 5, на

выходе из которого создается давление р\, и далее в дополни­ тельный управляющий канал 3. Ламинарная питающая струя, вытекающая из канала 4, турбулизируется, вследствие чего в ка­ нале 2 и на выходе из него давление р2 уменьшается до нуля и

в дополнительный управляющий канал 7 давление не поступает. Элемент памяти находится в одном устойчивом состоянии.

При подаче акустического входного сигнала с частотой, рав­ ной собственной частоте резонатора элемента 8 , вытекающая из капилляра 6 питающая струя турбулизируется, вследствие чего

в канале 5 и на выходе из него давление р\ уменьшается до нуля и перестает поступать в дополнительный управляющий канал 3. При этом питающая струя, вытекающая из канала 4, направ­

346

ляется в канал 2 , на выходе которого создается давление р?, и

далее в дополнительный управляющий канал 7. При снятии акустического сигнала струя, вытекающая из управляющего ка­ нала 7, продолжает турбулпзпроватъ питающую струю, вытека­ ющую из канала 6 , чем достигается запоминание факта наличия

акустического сигнала заданной частоты /д. Элемент памяти бу­ дет находиться в этом устойчивом состоянии до тех пор, пока не будет подан акустический сигнал определенной частоты /2, на ко­ торую настроен резонатор I. В этом случае турбулизируется питающая струя, вытекающая из канала 4, давление р2 на выхо­ де из канала 2 уменьшается до нуля, а вытекающая из дополни­

тельного управляющего канала 3 струя под давлением р турбулнзпрует питающую струю, вытекающую из канала 4 п т. д.

3.ПНЕВМОАКУСТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

Внастоящее время известны три основных способа передачи пневматических сигналов на большие расстояния при помощи пли с использованием на той или иной стадии преобразования звуковых колебаний. Первый способ сводится к передаче звуко­ вых колебаний по воздуху. При этом звуковые колебания различ­ ных частот получают путем преобразования давления сжатого воздуха. Обратное преобразование звуковых колебаний в давле­ ние воздуха осуществляют с помощью акустико-пневматических

приемных элементов, настроенных на определенные частоты. Второй способ сводится к передаче звуковых колебаний по труб­ ке. И, наконец, третий способ, который позволяет передавать пневматические сигналы на десятки километров, сводится к пре­ образованию пневматического сигнала в звук, а затем в электри­ ческий ток в передатчике, к передаче электрического тока по проводам и, наконец, вторичному преобразованию электричес­ кого тока в звук и звука — в пневматический сигнал.

Первый способ позволяет передавать пневматические сигна­ лы лишь на десятки метров, что связано с тем, что звуковые ко­ лебания сильно рассеиваются и поглощаются в свободной атмо­ сфере. Причем ослабление звуковой волны при рассеивании связано с увеличением шаровой поверхности фронта при удале­ нии от излучающего звука тел. Рассеивание звука можно умень­ шить. делая фронт звуковой волны плоским. Поглощение звука в воздухе объясняется наличием вязкости, теплопроводности и молекулярного поглощения. Ослабление звукового давления р на расстоянии г от излучающего тела можно рассчитать по фор­ муле [15]

Р = Рое_5г>

где ро — звуковое давление на поверхности излучающего тела, имеющего форму шарика; б — коэффициент поглощения.

рость распространения звука в среде; р — плотность среды; со —

звуковая частота: к — теплопроводность среды; k —— — пока-

сѵ

затель адиабаты.

Из последнего выражения видно, что коэффициент поглоще­ ния зависит и от частоты звукового сигнала во второй степени. Поэтому передача звуковых сигналов по воздуху на большие расстояния из-за значительного поглощения звука невозможна.

Очень важным является вопрос о правильном выборе часто­ ты. Для того чтобы уменьшить поглощение звука при передаче звуковых сигналов по воздуху, следует брать как можно мень­ шую частоту. Однако для того, чтобы предотвратить рассеива­ ние звука и, следовательно, передавать звуковую волну в виде направленного луча с плоским фронтом, необходимо использо­ вать различного рода звуковые концентраторы, такие, как рупо­ ры, параболоиды и звуковые линзы. Дальность передачи кон­ центраторами звуковой волны в виде луча тем больше, чем боль­ ше размеры концентраторов по сравнению с длиной звуковой волны. Например, параболоид передает звуковую волну в виде луча на расстояние

где уо — радиус зрачка параболоида; л —длина звуковой волны. На больших расстояниях звуковой луч превращается в рас­ ходящийся конус и быстро рассеивается. Как следует из послед­ ней формулы, чтобы передать звуковую волну в виде луча на большее расстояние, необходимо уменьшать длину звуковой волны. При приеме звуковой волны концентратором имеет силу соотношение: чем больше по сравнению с длиной звуковой волны размеры концентратора, тем больше коэффициент усиле­ ния, представляющий собой отношение звукового давления в центре фокального пятна к звуковому давлению в падающей волне. Например, для параболоида коэффициент усиления по

давлению

k p = ^ - У о ctg Qm2 ln-

. + cos am

где am— угол раскрытия '.

1 Угол между осью параболоида и линией, соединяющей фокус с точкой параболоида, соответствующей у0.

348

Таким образом, вести передачу на очень низкой частоте не­

целесообразно. Необходимо выбирать оптимальный диапазон частот.

В ИАТ для подтверждения возможности многоканального телеуправления приборами струйной техники было создано уст­ ройство, схема которого представлена на рис. 205, а. Система

Рис. 205. Устройство многоканального звукового управления приборами струй-

349