книги из ГПНТБ / Штейнберг, Ш. Е. Промышленные автоматические регуляторы

охватывается жесткой отрицательной обратной связью по положению выходного штока исполнительного меха­ низма.

Рассмотрим конструкцию, принцип действия и основ­ ные технические данные серийно выпускаемых позицио­ неров. Позиционер П-1 (рис. 11-2) имеет сильфонный чув­ ствительный элемент /, в который поступает командный

сигнал с выхода пневмати­ ческого регулирующего ус­ тройства. Изменения этого сигнала приводят к переме­ щениям дна сильфона и зо­ лотника 2. Последний сооб­ щает полость над мембра­ ной исполнительного меха­ низма либо с атмосферой (при ходе вниз), либо с ли­ нией давления питания (при

Рис. 11-2. Позиционер П-1. ходе вверх). Рост (или уменьшение) давления над

мембраной МИМ продолжается до тех пор, пока под его действием шток 3 не пе­

реместится настолько, что при помощи рычагов 4 вновь поставит золотник 2 в нейтральное положение. Новое по­ ложение штока МИМ будет при этом определяться ха­ рактеристиками сильфона и рычажной системы позици­ онера, т. е. не будет уже зависеть от трения в подвиж­ ной системе МИМ.

Применение позиционера позволяет снизить статиче­ скую погрешность в установке штока исполнительного механизма до 1—1,5%. Одновременно часто достигается существенное улучшение динамических характеристик исполнительного механизма. Так, для регулирующего клапана типа 25с30нж, условный диаметр D y = 2 5 мм с МИМ применение позиционного реле приводит к рас­ ширению границы области нормальной работы с 0,05—

МИМ других типоразмеров, обладающими большой надмембранной головкой, может не дать заметного улучше­ ния динамических свойств исполнительного механизма, из-за ограниченной мощности позиционного реле.

Конструктивное выполнение прибора позволяет на­ страивать рабочий ход рычага обратной связи в диапа-

402

пор, пока перемещение штока МИМ через рычаг 6 об­ ратной связи и пружину 5 не восстановит равенство сил на элементе сравнения.

Таким образом, новое положение штока МИМ всег­

в) ПОРШНЕВОЙ СЛЕДЯЩИЙ ПРИВОД ПСП-1

Следящий пневмопривод типа ПСП-1 предназначен для управления нагруженными регулирующими органами, имеющими большой рабочий ход, в соответствии с ко­ мандными пневматическими сигналами от регулирующе­ го устройства. Входной сигнал стандартного диапазона 0,2—1,0 кгс/см2 преобразуется приводом в пропорцио-

7 6 5

Рис. 11-4. Поршневой привод ПСП-1.

нальные перемещения выходного штока в пределах 0—

ством, действующим по принципу силовой компенсации. Входной командный пневматический сигнал развивает на мембране 2 в камере А пропорциональное усилие, на­ правленное влево. К' жесткому центру этой мембраны прикреплен шток 6, левый конец которого управляет по­ ложением золотника /, а правый соединен с пружиной 5 жесткой обратной связи. Золотник 1 сообщает рабочие полости цилиндра 4 по обеим сторонам поршня 3 либо с атмосферой, либо с линией давления питания, переме­ щаясь при нарушении равновесия сил на мембранном блоке вправо или влево; при этом происходит перемеще­ ние поршня 3 до тех пор, пока в результате изменения

404

силы натяжения (на рисунке направленной вправо) пру­ жины 6 равновесие сил не восстановится вновь. Таким образом, шток привода «следит» за изменениями входно­ го пневматического сигнала. Мембранный пакет 7 выпол­ нен так, что изменения давления в силовых полостях ци­ линдра не сказываются на условиях равновесия сил на элементе сравнения.

Благодаря применению принципа силовой компенса­ ции следящий пневмопривод ПСП-1 обладает высокой чувствительностью (зона нечувствительности составляет не более 0,5% максимального значения входного сигна­ ла) . Время перемещения поршня из одного крайнего по­ ложения в другое при ненагруженном штоке равно 4 сек. Частотная граница области нормальной работы привода равна примерно 0,6 рад/сек.

11-2. П Н Е В М А Т И Ч Е С К И Е Л И Н И И П Е Р Е Д А Ч И

Пневматические линии (пневмопроводы) предназначены для передачи сигнала изменения давления от одного при­ бора (элемента пневматической САР) к другому. Как уже отмечалось, им принадлежит особое место среди всех других элементов пневматических систем автомати­ зации: характеристики пневмопроводов часто могут ре­ шающим образом повлиять на общие технико-экономиче­ ские показатели и на всю работоспособность пневматиче­ ской системы регулирования.

В зависимости от принятого варианта территориаль­ ной схемы (см. рис. 9-1) каждая одноконтурная пневма­ тическая система автоматического регулирования (вме­ сте со связанной с ней, как правило, системой контроля) содержит от двух до пяти длинных пневматических ли­ ний, соединяющих между собой территориально разоб­ щенные элементы САР. Наибольшее влияние на качест­ во работы системы регулирования при этом оказывают свойства двух основных пневмопроводов, входящих в замкнутый регулирующий контур: линии, соединяющей выход пневматического датчика со входом регулирующе­ го устройства, и линии, соединяющей выход регулирую­ щего устройства с пневматическим исполнительным ме­ ханизмом. Однако при проектировании и эксплуатации систем пневмоавтоматики необходимо иметь в виду, что работоспособность системы зависит практически от всех входящих в нее пневмопроводов.

405

По своим принципиальным схемам линии передачи, встречающиеся в пневматических САР, как правило, чрезвычайно просты. Обычно их можно отнести к одно­

ства к мембранному исполнительному механизму без по­ зиционера) ;

линия с разветвлением (рис. 11-5, в) соединяет выход источника с входами двух (редко трех и более) прием­ ников.

Основными параметрами, определяющими свойства пневматических линий передачи, являются внутренний диаметр d и длина /. Кроме того, как будет показано ниже, свойства пневмопроводов, существенно зависят от величины и характера их нагрузки.

Математическое описание и анализ процессов измене­ ния давления в пневмопроводах проводятся обычно при следующих основных допущениях:

в статическом режиме расход воздуха вдоль трубо­ провода в любом его сечении равен нулю (входная каме­ ра прибора-приемника глухая, «утечка» воздуха из ли­ нии в атмосферу отсутствует);

величина изменений давления в линии мала по срав­ нению со значением абсолютного давления в ней в ис­ ходном статическом режиме;

движение воздуха вдоль пневмопровода подчиняется

406

уравнениям установившегося ламинарного течения жид­ кости (газа) по цилиндрическому каналу с постоянным сечением.

При этих допущениях изменения давления Р и расхо­ да Q в любом сечении пневмопровода описываются сле­ дующей системой дифференциальных уравнений:

где x — расстояние рассматриваемого сечения от источ­ ника сигнала; t — время; R, L , С — коэффициенты, опре­ деляемые соотношениями

эти величины, описывающие процессы в пневматических

анализ процессов в линии при сделанном выше допуще­

в функции расхода на границах пневмопровода: в его

407

прибора-источника. При использовании системы уравне­ ний (11-1) обычно принимают, что на входе в пневмо­ провод поддерживается заданный закон изменения дав­ ления, независимо от величины расхода в этом сечении, т. е. предполагается, что расходную мощность источника , сигнала можно считать неограниченной. В большинстве практически важных случаев такое допущение можно считать справедливым. Однако при достаточно быстрых изменениях давления на входе в пневмопровод (при вы­ соких частотах передаваемых по линии сигналов) оно нарушается.

Зависимость между расходом и давлением на конце пневмопровода определяется характером его выходной нагрузки. В наиболее распространенных случаях, пока­ занных на рис. 11-5, а и в, она имеет следующий вид:

где Р о р — среднее значение абсолютного давления в рас­ сматриваемом динамическом процессе. Если же объем V не остается постоянным (рис. 12-5,6), то следует пользо­ ваться более сложным соотношением:

408

ческих задач. Поэтому представляют интерес более про­

ее кривой разгона. Типичный вид такой кривой показан нарис. 11-6. Она обычно имеет участок чистого запаздыва­ ния длительностью т и участок, на котором происходит постепенное изменение давления на конце пневмопрово­ да. Учитывая, что это изменение происходит по кривой, близкой к экспоненте, его обычно характеризуют пара­ метром Т, равным интервалу времени, в течение которо­ го изменение давления достигает 63% своего максималь­ ного значения. Характерным для пневматических линий считают также параметр Т63, равный сумме интервала чистого запаздывания т и постоянной времени Т.

На рис. 11-7 приведены полученные эксперименталь­ но зависимости параметров т и Т от длины пневмопрово­ да. Эти графики справедливы лишь для отмеченных на рисунке условий. При изменении условий (особенно при других значениях диаметра линии и величины на­ грузки) необходимо вносить соответствующие коррек­ тивы.

409

Хорошее соответствие данных эксперимента с расчет­ ными характеристиками получается при использовании следующих полуэмпирических соотношений:

В конструктивном отно­ шении пневматические ли­ нии передачи представляют собой трубные проводки,

выполненные из металлических (красная медь, алюми­ ний, сталь) или пластмассовых (полиэтилен, полихлор­ винил) материалов. В последнее время начали приме­ нять «пневматические кабели» — многоканальные пласт­ массовые трубы. Внутренний диаметр трубок обычно вы­ бирают в диапазоне 4—8 мм.

11-3. С И С Т Е М Ы П И Т А Н И Я П Н Е В М А Т И Ч Е С К И Х С А Р

Питание приборов пневматических САР обычно осуще­ ствляется сухим и очищенным воздухом от сети с дав­ лением от 3 до 10 кгс/см2. Для этой цели применяется самостоятельная система воздухоснабжения, не связан­ ная с технологическими агрегатами автоматизируемого процесса.

410

дов и необходимой дополнительной аппаратуры: фильтра 1, конце­ вого холодильника 4, предохранительного клапана 6, регулятора давления 9 и обратных клапанов 10.

Выбор производительности компрессорной установки произво­ дится по количеству воздуха, потребляемого всеми используемыми приборами пневмоавтоматики, и определяется их численностью и расходом воздуха питания с учетом возможных потерь и необ­

Рис. 11-9. Система питания пневматических САР.

специальный аварийный компрессор 3, включающийся в работу ав­ томатически при снижении давления в системе воздухоснабжения.

Основной задачей при подготовке воздуха для питания пнев­ матических приборов является его осушка. Наличие влаги в сжа­ том воздухе может вызвать коррозию металлических воздухопро­ водов, вследствие чего произойдет загрязнение фильтров, приборов и арматуры. Кроме того, в холодное время могут произойти кон­ денсация и замерзание влаги в линиях пневматических систем авто­ матизации и прекращение подачи воздуха к приборам. Во избе­ жание этих явлений применяется охлаждение воздуха на выходе компрессоров в концевых холодильниках. Однако, если воздушные линии проходят на открытом воздухе и в зимнее время могут на­ ходиться при температуре ниже 40 °С, целесообразно применять ком­ бинированный метод удаления влаги. Воздух, пройдя концевой хо­ лодильник, дополнительно осушается в установке химического поглощения влаги. Чаще всего в качестве химического поглотителя в промышленных условиях применяется силикагель. Силикагелевая

Осушаемый воздух, охлажденный в концевом холодильнике до тем­ пературы около 20 °С, поступает в башню с силикагелем и, лишь пройдя ее, в магистральную линию питания пневматических прибо­ ров. Количество влаги, поглощаемой силикагелем, достигает 7% его массы. Установка работает периодически: после восьмичасового периода насыщения силикагель регенерируют нагретым воздухом,

411