Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления технологическими процессами. Учебное пособие для студентов 3 и 4 курсов направлений подготовки 151000, 222900, 240100, 240700, 2410.pdf
а) б)
Рис. 3.3. Схемы одиночного пневмопровода (а) и пневмокабеля (б)
Пневмопроводы классифицируют на расходные и безрасходные.
В расходных пневмопроводах всегда есть расход воздуха (который служит характеристикой передаваемого сигнала) и потери давления на преодоление сил вязкого трения слоёв воздуха друг о друга и о
стенку. При расчёте расходных пневмопроводов стремятся уменьшить
гидравлическое сопротивление потоку воздуха, увеличивая площадь
проходного сечения и снижая линейную скорость. Это ведёт к увеличению ёмк
ости пневмопровода и ухудшению его динамических характеристик, поэтому соотношения диаметра и длины пневмопровода
должны быть оптимальны.
Наибольшее распространение в пневмоавтоматике получили
безрасходные пневмопроводы, предназначенные для передачи сигна-
лов в виде давления на большие расстояния. При изменении давления
на входе в пневмопровод возникает волна уплотнения, распростра-
Р
1
няющаяся по всему объёму со скоростью звука w и вызывающая перетоки (расходы) воздуха. Однако в статических режимах давление
P(l, t) = P
, и расход воздуха G(l, t) в пневмопроводе равен нулю.
1
Мембраны применяют в пневмоавтоматике для преобразования
давления воздуха в перемещение или силу. Мембраны делят на упругие и «вялые».
Упругие мембраны выполняют из тонких металлических пластин
(сталь, бронза, латунь). Они обладают достаточно большой собственной
жёсткостью, их статические характеристики, представляющие зависимость пер
лений P
емещения h центра мембраны или развиваемой силы Ф от дав-
и Р2 или перепада ΔР = Р1 – Р2, обычно нелинейны. Применяют
1
плоские и гофрированные упругие мембраны (рис. 3.4, a, б).
Наличие гофров делает статическую характеристику мембраны более
линейной.
41
а) б) в)
г) д)
Рис. 3.4. Принципиальные схемы мембран:
а, б – упругой, плоской и гофрированной; в, г – «вялой» плоской и
гофрированной; д – двойной гофрированной
Упругие мембраны используют преимущественно как чувствительные элементы в первичных преобразователях, например в дифманометрах.
«Вялые» мембраны выполняют из прорезиненной тонкой ткани
(капрон, шёлк, полотно). К ним предъявляют два требования – отсут-
ствие собственной жёсткости и большая прочность. Эти требования
вытекают из основного назначения «вялых» мембран – преобразовывать большие перепады давлений (до 1
перемещениях (порядка сотых долей мм). «Вялые» мембраны обычно
снабжены металлическим жёстким центром. Они могут быть плоскими
и гофрированными (рис. 3.4, в, г).
Для ослабления зависимости h от P
деформации мембраны применяют гофрированные мембраны (рис. 3.4,
б, г, д). Однако при смене знака Р
жения гофров («прохлопывание»), что влияет на h и делает статическую характеристику существенно нелинейной. Для борьбы с «прохлопыванием» применяют двойные гофрированные мембраны
(рис. 3.4, д).
Тонкие «вялые» мембраны широко применяют в различных устройствах пневмоавтоматики, построенных на принципе сравнения
сил (сумматоры, усилители, повторители). Недостатком таких мембран явл
яется довольно быстрая потеря эластичности и изменение статических характеристик как во время работы, так и при длительном
хранении.
05 Па) в силу при крайне малых
и уменьшения нелинейности
1
возможно резкое изменение поло-
1
42
В пневматических исполнительных механизмах широко
используют многослойные прорезиненные мембраны больших
диаметров d
для преобразования перепада
ΔР в большие усилия, необхо-
, предназначенные
м
Рис. 3.5. Принципиальная
схема сильфона
димые для перемещения регулирующих и запорных органов. В этих мембранах перемещение жёсткого центра достигает 20…60 мм, что, естественно, увеличивает нелинейность статической характеристики.
Сильфоны предназначены для преобразования давления или силы
в перемещения (рис. 3.5). Они представляют собой упругие тонкостенные гофрированные об
олочки (трубки), изготовляемые из бронзы
с различными присадками или из специальных сталей. Наличие гофров позволяет перемещать днище сильфона на значительное расстояние (десятки миллиметров) без заметного изменения его характеристик. Выходная координата сильфона – перемещение h, входные –
давления Р
и Р2 или их разность ΔР либо сила Ф.
1
Статические характеристики сильфонов очень незначительно изменяются во времени, поэтому сильфоны всё шире и шире применяют
в различных ответственных устройствах пневмоавтоматики. Как правило, их используют для работы на сжатие, т.е. при P
малых перемещениях допустимо применение сильфонов при P
> P2, однако при
1
< P2,
1
т.е. при работе на растяжение.
Пружины предназначены для преобразования силы в перемеще-
ние, часто – значительное. По форме они делятся на цилиндрические и
профильные (рис. 3.6, а, б), по направленности действия – на пружины
сжатия, растяжения, кручения и (реже) изгиба. Выходная координата
пружины – перемещение h, входная – сила Ф.
На рисунке 3.6, в показано условное о
принципиальных схемах пневмоавтоматики.
бозначение пружин на
а) б) в)
Рис. 3.6. Схемы пружин:
а – цилиндрические; б – профильные; в – условные обозначения
43
∑
б) а)
Рис. 3.7. Принципиальные схемы рычажных сумматоров
перемещении (а) и усилий (б)
Механические рычаги. Рычаги представляют собой механические
стержни с одной или двумя осями вращения, которые либо перемещаются в пространстве, либо закреплены неподвижно (рис. 3.7). Рычаги
применяют для суммирования и усиления перемещений и сил.
3.2.2. СЛОЖНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПСА
К ним относят пневматические камеры, дроссельные делители,
преобразователи перемещений и сил в давление, усилители давления и
мощности, сумматоры и реле.
Пневмокамеры служат для аккумуляции сжатого воздуха и изме-
нения его давления во времени по определённому закону. Камера состоит из ёмкости объёмом V и нескольких ПС на вводах. Различают
глухие камеры с о
дним вводом V (рис. 3.8, a) и проточные камеры,
у которых два и более ввода (рис. 3.8, б).
Дроссельные делители предназначены для суммирования давле-
, Р2, ..., Рm с весами k1, k2, ..., km. Делители строят на базе проточ-
ний Р
1
ных камер малого объёма с ламинарными ПС проводимостью a
(j = 1, 2, ..., m). Суммарное давление в камере делителя
=≈
PkP ,2,1
jj
j
где k
= a
/(a1 + а2+ ... + аm).
j
j
j
а) б) в)
Рис. 3.8. Схемы камер:
а – глухой; б – проточной; в – дроссельного делителя
44
– Р
0
а) б)
Рис. 3.9. Преобразователь перемещения в давление типа сопло–заслонка:
a – принципиальная схема; б – статическая характеристика;
1 – преобразователь с постоянным давлением Р0;
2 – преобразователь с постоянным перепадом ΔР = Р
Статическая погрешность делителя при близких Рj не превышает
2…4% и зависит от способа измерения Р. В динамическом отношении
делители рассматривают как усилительные звенья в области частот
[0; 0,7] рад/с. В ПСА чаще всего используют делители с m = 2 и V = 0;
схема этого элемента показана на рис. 3.10, в.
Преобразователи перемещений и усилий в давление. Эти элемен-
ты предназначены для преобразования ма
лых перемещений и усилий в
достаточно большие изменения давления воздуха. Эффект преобразования осуществляется чаще всего элементом, содержащим переменный дроссель.
Преобразователь перемещения в давление типа сопло–заслонка
показан на рис. 3.9, а. В него входят постоянный дроссель, проточная
камера небольшого объёма и переменный дроссель, построенный на
пневматическом сопле и заслонке. Пе
ремещения заслонки h приводят
к изменению гидравлического сопротивления вытекающей из сопла
струи и соответственно – давления Р в камере. При удалении заслонки
от сопла на 0,15…0,20 мм давление Р становится равным нулю.
Описанный преобразователь не имеет обратной связи, поэтому
плохо работает при перекосах заслонки, вибрациях, колебаниях давления воздуха и т.п.
Наибольшее распрост
ранение в пневмоавтоматике получил преобразователь перемещения в давление с отрицательной обратной связью (см. рис. 3.10, а). Он состоит из проточной камеры с постоянным и
переменным дросселями, сильфона обратной связи и механического
рычага – сумматора перемещений.
Принципиальная схема преобразователя силы в давление приведена
на рис. 3.10, б. Преобразователь состоит из проточной камеры с по
стоянным и переменным (типа сопло – заслонка) дросселями, сильфона обратной связи и рычажного преобразователя усилий в перемещение.
45
а) б) в)
Рис 3.10. Принципиальные схемы преобразователей с обратной связью:
а – перемещения в давление; б – силы в давление;
в – силы в давление (типа шарик–седло)
На рисунке 3.10, в показана схема преобразователя силы (или пе-
ремещения) в давление, базирующегося на переменном дросселе типа
шарик–седло (шарик–цилиндр).
Преобразователи шарикового типа применяют для построения
усилителей давления и (чаще)
мощности (расхода) пневматических сигналов.
Одновходовые усилители стро-
ят на базе переменного ПС типа
сопло–заслонка и стабилизатора пе-
пада давления Р
ре
– Р (рис. 3.11, а).
0
Двух- и четырёхвходовые уси-
а)
лители конструируют на основе
двух последовательно включённых
переменных ПС типа сопло–
заслонка и мембранного сумматора сил, формируемых давлениями
, Р2, или Р1 – Р4 (рис. 3.12, б, в).
Р
1
б)
Рис. 3.11. Принципиальные
схемы усилителей давления типа
сопло–заслонка:
а – с постоянным давлением P
0
б – с постоянным перепадом
DР = Р0 – Р; 1 – пружина;
2 – дроссель; 3 – проточная камера
46
;
Усилители давления УСЭППА
называют элементами сравнения:
трёхмембранный элемент П2ЭС.1
(рис. 3.12, в) сравнивает два давле-
и Р2 и в зависимости от знака
ния Р
1
их разности формирует на выходе
сигнал «0» или «1» (в системе
КЭМП аналогичный элемент назван
компаратором КАМП).
Р
Р
Р
Р
0
Р
1
1
Р
2
1
Р
2
Р
3
Р
Р
4
Р
а) б) в)
Рис. 3.12. Схемы усилителей давления:
а – одновходового; а – двухвходового; в – четырёхвходового
В пятимембранном элементе П2ЭС.3 сравнивают три давления
(на рис. 3.12, в камера Д соединена с атмосферой); выходной сигнал
вне зоны линейности равен нулю или единице.
Элементы сравнения используют для построения сумматоров
двух, трёх или четырёх давлений. Для этого в камеру Д четырёхвходового усилителя (рис. 3.12, в) вводят сигнал отрицательной обратной
связи из каме
сил возможно на линейном участке статической характеристики при
– Р2 + Р3. На этом усилителе можно выполнять разные опера-
Р = Р
1
ции: при Р
– Р2; при Р2 = РВ = 0 имеем P = P1 + P3; при РВ = РД = Р получим
Р = Р
1
Р = (Р
1
усилительный элемент при частотах до 10…20 рад/с; основная погрешность сумматора на базе П2ЭС.3 не выше 0,5%.
В состав КЭМП входит сильфонный сумматор трёх давлений типа СМАМП, основная погрешность суммирования – 0,5%.
Усилители мощности предназначены для увеличения расхода
воздуха без существенного изменения его давления. Такие усилители
называют п
тических устройств на независимые по расходу части. Различают точные (маломощные) и грубые (мощные) повторители, имеющие разные
классы точности и расходы воздуха.
В КЭМП входят точные маломощные повторители без сдвига
ПАМП-1 (класс точности 0,25) и со сдвигом ПАМП-2 (класс точности
0,5), а также мощный усилитель ПАМП-3
воздуха 1500 л/ч).
ры Е. В этом случае равновесие мембранного сумматора
= PБ = РГ имеем Р = 2Р1 – Р2; при Р1 = Рk = 0 получим
1
+ Р3)/2. В динамическом отношении сумматоры представляют
невмоповторителями и применяют для разделения пневма-
(класс точности 0,5, расход
47
Δ
Р
1
Р
Р
1
Р
1
а) б) в)
Р
Р
Р
1
H
1
H
2
Р
Р
1
Р
Рис. 3.13. Схемы пневмоповторителей:
а – точного маломощного типа П2П.1; б – грубого мощного типа П2П.3;
в – точного мощного типа П2П.7
Релейные элементы ПСА используют для реализации зависимости P = signΔP (где ΔP =Р
на базе двухвходовых усилителей давления с положительной обратной
связью и регулируемым смещением С статических характеристик. Для
создания смещения в одну из камер усилителя вводят малое или большое давление подпора, равное 30…40 или 70…80% от давления питания Р
(на схемах ПСА камера малого подпора имеет одинарную
п
штриховку, большого – двойную).
В составе КЭМП специальных релейных элементов нет, их функции выполняют клапаны (рис. 3.14, 3.15).
Для коммутации пневматических сигналов и реализации простейших логических операций в ПСА применяют выключающие реле
и клапаны.
– Р2; Р1, Р2 – входные сигналы). Реле строят
1
Р
Р
Р
1
Р
2
Р
а) б)
Р
2
Р
Р
Р
2
Рис. 3.14. Схемы и статические характеристики реле:
а – без смещения; б – со смещением
48
Р
Р
Р
2
Р
к
Р
1
Р
2
Р
Р
Р
1
к
Р
Р
Р
1
2
Р
Р
к
1
Р
Р
2
а) б) в) г) д)
Рис. 3.15. Схемы клапанов:
а – безмембранный типа ПЗК.5; б – выключающее реле П-1108;
в – одноконтактный клапан ПЗК.1; г – модуль интегральный П1МИ;
д – клапан КЛАМП
Для формирования пневмосигналов определённого уровня в ПСА
используют задатчики.
Их строят на базе дроссельных делителей (см. рис. 3.15, в), один
из вводов которого соединён с источником питания, а другой – с атмосферой; точного маломощного повторителя со сдвигом (рис. 3.15, а)
и проточной камеры с регулируемым ПС типа шарик–цилиндр
(рис. 3.15, б). В УСЭППА вх
одят задатчик П23Д.3 (рис. 3.16), устанавливаемый перед глухими камерами, и мощный задатчик П23Д.4
с дополнительным усилителем мощности. В КЭМП имеется маломощный задатчик ЗАМП-1.
Дискретные сигналы в ПСА формируют с помощью пневмокно-
пок и тумблеров.
Эти элементы конструируют на базе регулируемых ПС типа сопло–
заслонка или шарик–цилиндр. Сх
ема пневмокнопки П1КН.3 показана на
рис. 3.17. При нажатии на кнопку 1 шток 2 открывает заслонку 3 и давле-
проходит на выход. В пневмотумблере П1Т.2 перемещение штока
ние Р
п
осуществляет рычаг, фиксирующий «открытие» или «закрытие» тумблера.
а) б)
Рис. 3.16. Схемы задатчиков:
а – маломощного; б – типа П23Д.3
49
Рис. 3.17. Схема пневмокнопки
Пневмокнопки используют и как конечные выключатели (элемент
П1ВК.1).
Устройства ПСА. К устройствам, состоящим из нескольких эле-
ментов, условно относят мощные повторители, интеграторы, умножители, дифференциаторы, сумматоры, селекторы, квадраторы и т.п.
Некоторые из этих устройств конструктивно оформлены как единое
изделие (например, сумматоры, дифференциаторы и т.д.), другие устройства (и
нтеграторы, генераторы и т.п.) используют только как со-
ставные части приборов и регуляторов.
Точные мощные повторители строят на базе повторителя типа
П2П.7 и оформляют как самостоятельное изделие, либо конструируют
на основе двухвходового усилителя давления и грубого повторителя,
охваченных отрицательной обратной связью ОС (рис. 3.18, а). Такой
повторитель ПП1.5 имеет класс точност
и 0,5 и обеспечивает расход
воздуха 180…200 л/ч.
Устройство алгебраического суммирования типа ПФ1.1М1 реа-
лизует с погрешностью 1% зависимость P = P
– Р3 – входные сигналы, H1, Н2 – опорные давления из интервала
где Р
1
– Р2 + Р3 – H1 + Н2,
1
(20…100) кПа. В состав устройства (рис. 3.18, б) входят семимембран-
ный элемент сравнения, усилитель мощности, два задатчика и линия
обратной связи ОС.
Умножители сигнала на константу k с погрешностью 0,5% вы-
полняют операцию P = k(P
– H) + H, где k ∈ (0, 1, 2) или k ∈ [1, ∞],
1
Н = 20 кПа. Устройство умножения ПФ3.3.9 (рис. 3.19) состоит из
задатчика для получения сигнала Н, дроссельного сумматора, двухвходового усилителя УС, охваченного отрицательной обратной связью
ОС, и усилителя мощности типа П2П.7. Переключатели П
и П2 слу-
1
жат для установки диапазона изменения k (для k < 1 коммутация сигналов показана на рис. 3.19 сплошными линиями).
50