книги / Основы пневмоавтоматики

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 или от положения уровня жидкости в сосуде 1.

Перед горлом установлен свисток4 Гартмана 7 с резонатором 5 и поршнем 6, положение которого зависит от давления ри.

Так как частота звука, излучаемого свистком Гартмана, зависит от объема резонатора 5 свистка 7, то по давлению ри 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 и на точность измерения не будет влиять трение поршня о стенки цилиндрического резонатора, а также нестабильность пружины

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

осущёствляющее медленное перемещение поршня вправо и 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.

341

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 им звуковых колебаний. Другими словами, неисправности почти

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 1, струйного элемента памяти 6,

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 турбулизирует питаю­

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

342

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

резонатора 4 и турбулизирует 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 турбулизируется и поступает в канал 5, на выходе которого появляется давле­ ние р 1, и колебательный цикл повто­

ряется снова. При неизменном рас­ стоянии /, составе и температуре га­ за частота работы преобразователя не будет меняться.

При изменении расстояния / 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 не 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 / и составе среды увеличение скорости распространения звукового сигнала ведет к возраста­ нию частоты колебаний давления на выходе преобразователя. У опытного образца такого датчика расстояние / увеличивалось до нескольких метров, при этом частота была равна долям герца.

Акустико-пневматический элемент, показанный на рис. 192, б9

позволяет создать электропневматический преобразователь без

343

Давление питания дискретного электропневмопреобразовате­ ля ро = 1700 Па, входное напряжение 10— 15 В, потребляемая

мощность электрического тока 0,2 Вт, изменение выходного дав­ ления р = 800 Па, габаритные размеры 93 X 45 X 27 мм. Испы­

тания преобразователя прошли успешно. Внешний вид устрой­ ства представлен на рис. 202, б.

Акустико-пневматические логические ячейки.' Используя

акустико-пневматические приемные элементы, можно построить целый ряд логических ячеек. Входными сигналами, управляющи­ ми этими ячейками, служат звуковые колебания с разными час­ тотами, получаемые от генера­ торов звуковых колебаний, а выходными — пневматические сигналы. Если пневматические сигналы, получаемые на выхо­ де логических ячеек, снова пре­ образовать с помощью соответ­ ствующих генераторов звуко­ вых колебаний в звуковые ко­ лебания различных частот, то эти колебания могут быть ис­ пользованы в качестве входных сигналов для других акустико­ пневматических ячеек. На ос­ нове таких ячеек можно было бы строить акустико-пневмати­ ческие логические системы, в которых связь между отдель-

ми логическими ячейками осуществлялась бы не с помощью пнев­ матических каналов, а по воздуху — звуковыми сигналами с раз­ личной частотой. Однако это дело будущего.

Здесь в качестве примера рассмотрим использование акусти­ ко-пневматических приемников звуковых колебаний для реали­ зации двух акустико-пневматических логических ячеек — ячейки, выполняющей логическую операцию НЕ — ИЛИ и операцию запоминания сигналов. Схема акустико-пневматической ячейки НЕ — ИЛИ на п входных акустических сигналов представлена

на рис. 203. Она состоит из акустико-пневматических приемных элементов, соединенных друг с другом таким образом, что каж­ дый выход предыдущего элемента присоединяется к питающему капилляру следующего элемента. К питающему капилляру 1 пер­

вого элемента подводится давление питания ро, а приемный ка­ нал п последнего элемента служит выходом логической ячейки

НЕ — ИЛИ. К горловинам резонаторов Гельмгольца подводятся

нями. При подаче давления питания р0 из капилляра 1 будет ис­

текать ламинарная струйка, которая попадает в приемно-питаю­

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 турбулизация ламинарной струйки и 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 /, <$, в каждом из которых введен дополнительный управляющий канал (соответ­ ственно 3 и 7), предназначенный для воздействия на основную питающую струю. Выходной канал 2 и 5 каждого из акустико-

пневматических элементов соединен с дополнительным управля­ ющим каналом 7, 3 другого. Собственную частоту элементов на­ страивают поршнями 9 и 10. При подаче давления питания ро 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 х 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 /?2, и далее в дополнительный управляющий канал 7. При снятии акустического сигнала струя, вытекающая из управляющего ка­ нала 7, продолжает турбулизировать питающую струю, вытека­ ющую из канала 6, чем достигается запоминание факта наличия

акустического сигнала заданной частоты /ь 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 1. 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 турбулизирует питающую струю, вытекающую из канала 4 и т. д.

3.ПНЕВМОАКУСТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ

Внастоящее время известны три основных способа передачи пневматических сигналов на большие расстояния при помощи или 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-5'-,

где ро — звуковое давление на поверхности излучающего тела,

имеющего форму шарика; б — коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения

6 = lJiL o )2 / 1 + _L JL LI T I

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

1 Ср

звуковая частота: х — теплопроводность среды; k = — — пока­

жу

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 у0— радиус зрачка параболоида; Я—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

2л

= ~~~ Уоctg —— In 1 + cos am

где ат— угол раскрытия К

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

348

187, а. Давление питания к свисткам подается при нажатии кно­ пок 1. Свистки имеют различные объемы резонирующих полос­

тей и генерируют звуковые сигналы с частотами 2,5; 3 и 5 кГц. Приемник звуковых сигналов может быть расположен на рас­ стоянии до 40 м от передатчика. В фокусе параболоида 5 при­

емника расположены три акустико-пневматических приемных элемента 4, настроенных на те же частоты. Элементы питаются

сжатым воздухом с давлением 2000 МПа.

Выходы акустико-пневматических элементов при помощи пневматического переключателя 6 можно попеременно подклю­

чать ко входу струйного реле 7, составленного из двух турбу­ лентных усилителей и предназначенного для усиления выходного сигнала приемного элемента. Сигнал с выхода струйного реле управляет триггером 8. Последний, в свою очередь, осуществля­ ет переключение мембранных усилителей 9 и 11 давления и мощ­

ности, выходы которых соединены с полостями цилиндра испол­ нительного механизма 10.

Приемник реагирует только на ту частоту, на которую он на­ строен переключателем 6. При нажатии кнопки передатчика,

включающей свисток, генерирующий ту частоту, на которую на­ строен приемник, срабатывает соответствующий элемент 4. Дав­

ление на выходе этого элемента уменьшается. Небольшое паде­ ние давления на выходе указанного элемента вызывает резкое уменьшение давления на выходе струйного релейного элемента, что изменяет состояние триггера <9. Триггер переключает усили­ тели 9 и 11, и в камеру поршневого исполнительного механизма 10, которая ранее сообщалась с атмосферой, поступает воздух

высокого давления. Вторая камера сообщается с атмосферой. Поршень исполнительного механизма переходит в противополож­ ное крайнее положение. При прекращении подачи з в у к о в о г о сигнала поршень остается в прежнем положении. Для перевода поршня в первоначальное положение следует снова подать зву­ ковой сигнал. На рис. 205, б и в представлены действующие ма­

кеты передатчика и приемника.

Изложенный принцип управления одним исполнительным ме­ ханизмом может быть использован при разработке устройств управления несколькими исполнительными механизмами с раз­ ветвленной логической схемой управления.

Зависимость давления на выходе акустико-пневматического приемного элемента, установленного в фокусе параболоида (f = = 19 мм, у0 = 120 мм), от расстояния L между этим параболои­

дом и параболоидом со свистком, работающим при постоянной

350