Электромеханопневматические преобразователи

Электромеханопневматический распределитель с электростатическим управлением (рис. 3.9), основан на принципиаль­но новом способе управления устройством «мембрана—сопло» и отвечает этим требованиям.

Электропневматический распредели­тель работает в режиме повторителя (логическая операция ДА). Если же подключить камеру III к подводящей магистрали, каме­ру I - к атмосферному выходу, камеру II — к силовому цилинд­ру, то ЭПР будет работать в режиме инвертора (логическая опе­рация НЕ). Распределитель состоит из электромеханопневматического преобразователя (ЭМПП) и мембранно-клапанного уси­лителя мощности (УМ). Усилитель мощности представляет собой трехлинейный двухходовой клапан, подвижный шток 2 которого укреплен на резиновых мембранах 3, 5, 14. Мембраны и седла клапана образуют рабочие камеры УМ 4, 6, 8, 11, 15. В качестве управляющей использована междроссельная камера 15 усилителя давления «сопло — заслонка», входящего в состав ЭМПП.

Принцип действия ЭМПП основан на управлении смещением металлизованной на лавсановой основе мембраны 18 электроста­тическими силами, которые возникают при приложении напряже­ния к электродам 18 и 16 и равны

где ₀ - электрическая постоянная;  — относительная диэлектри­ческая проницаемость рабочей среды между электродами; S_Э — площадь жесткого центра мембраны-электрода; h—расстояние между электродами.

Для того чтобы не произошло электрического контакта между электродами, сопло 17 выполнено из диэлектрического материала.

Рис. 3.9. Принципиальная схема бесшумного быстродействую­щего электропневматического распределителя с электростати­ческим управлением.

Электромеханопневматический преобразователь управляется от маломощного высоковольтного усилителя 19. Чувствительная мембрана 18 изготовлялась из лавсановой пленки (полиэтилентерефталат, ТУ 6-05-1099—70) толщиной 0,01 мм с наклеенным на нее жестким центром, выполненным из алюминиевой фольги толщиной 0,3 мм.

Электропневматический распределитель работает следующим образом. При нулевом входном сигнале U_вх=0 (напряжение U поступает с выхода высоковольтного усилителя 19) сопло 9 за­крыто, а сопло 12 открыто и через него выходной канал 10 соеди­нен с атмосферным каналом 13. Выходной сигнал равен нулю. При подаче входного электрического сигнала U_BX между мембра­ной 18 и электродом 16 возникают электростатические силы при­тяжения. Эти силы вызывают перемещение мембраны 18 к пере­городке 16, что приводит к закрытию сопла 17. Давление в каме­ре возрастает, мембранный блок 2 перемещается вниз, сопло 12 закрывается, а сопло 9 открывается. Выходной канал 10 соединя­ется с каналом питания 7, и на выходе ЭПР имеет высокое давление питания и расход, определяемый условным проходом кана­ла 10.

При заданной выходной мощности ЭМПР (рис. 3.9) его бы­стродействие будет определяться значением эффективной площади нижней мембраны S₄ и величиной первоначального подпора р₄ в камере IV, причем увеличение S₄ будет вести к повышению быстродействия при включении. Повышение величины первона­чального подпора повысит быстродействие как при включении, так и при отпускании усилителя мощности ЭМПР.

Таким образом, для получения максимального быстродействия, а также равенства времени включения и отпускания второго усилительного каскада ЭПР необходимо оптимальное сочетание S₄ и А=р₄/р_п. Исследования показали, что диапазон допустимых значений при любой схеме подключения ЭМПР определяется соотношением

где S=S₁=S₃, S₁, S₃— эффективные площади соответствующих (рис. 3.9) мембран; .S₂ — площадь отверстия седла клапана.

Для выполнения условия (3 26) необходимо, чтобы

Отсюда видно, что величина S₂ при заданной площади S полностью определяется значением коэффициента А, который, в свою очередь, определяет быстродействие усилителя мощности ЭПР.

Для нормальной работы ЭПР необходимо, чтобы при изменениях магистрального давления р_п величина А=р₄/р_п оставалась постоянной. Это условие может быть выполнено при соблюдении требований, предъявляемых к параметрам междроссельной камеры, предназначенной для пропорционального редуцирования давления. Эти требования ограничивают диапазон допустимых отношений эффективных площадей fi и f₂ сопла и постоянного дросселя (рис. 3.9) величиной

Здесь величина В определяется допустимым изменением значения магистрального давления р_п. В нашем случае диапазон изменения определяется максимальной и минимальной величинами давления в промышленной магистрали: 0р_п1,0 МПа. Для определения конкретного значения f₂/f₁, отвечающего задачам, поставленным при разработке ЭМПР, было проведено исследование статических характеристик первого каскада усилителя ЭМПР. Прежде всего при анализе статического режима работы ЭМПР необходимо знать силу реакции струи F₂ на мембрану-электрод распределителя и ее зависимость от конструктивных и газодинамических параметров.

Исследования показали, что при постоянном перепаде давле­ния на дросселе «сопло — заслонка» (роль заслонки играет в ЭМПР мембрана-электрод 18; рис. 3.9) сила действия струи F₂ вытекающего из сопла воздуха существенно зависит от диаметра сопла d₁, диаметра торца сопла d₃ и расстояния h₁ между соплом и заслонкой. Причем увеличение диаметра торца сопла d₃ при­водит к смещению значений силы F₂ в сторону области отрица­тельных значений и чем больше d₃, тем больше значение отрица­тельной силы. При d₃ = d₁ не было зарегистрировано отрицатель­ных значений силы F₂.

Для расчета статических и динамических характеристик элек­тростатического ЭМПР проведена аппроксимация эксперимен­тальных значений зависимости силы F₂ реакции струи воздуха, истекающего из сопла, на заслонку от расстояния между торцом сопла и заслонкой. Вид аппроксимирующей функции выбирался из условия универсальности применения ее для всего набора из­меняемых входных параметров объекта исследования:

где  - значение силы реакции струи при h₁ = 0; , , ,  - коэффициенты аппроксимации.

В свою очередь, коэффициенты , , ,  были аппроксимирова­ны линейными зависимостями вида

где к_ij, B_ij — коэффициенты аппроксимации, зависящие от значе­ний входных параметров объекта исследования.

Изменение величины давления р₄ в междроссельной камере от конструктивных параметров электропневматического преобра­зователя ЭПР показывают зависимости р₄=f(d₁,d₂) достаточно точно, так как могут быть аппроксимированы выражением вида

где ₁, ₁, ₁, ₁ — коэффициенты аппроксимации.

В свою очередь, коэффициенты ₁, ₁, ₁, ₁ можно аппроксими­ровать линейными зависимостями вида

Где P_i, L_i, М_ij, Н_ij - коэффициенты аппроксимации, зависящие от значений входных параметров объекта исследования.

Диапазон изменения диаметров отверстий постоянного дросселя 1 принимался, как и в случае с d₁, равным d₂= (0,40,9)*10^-3 м.

Для проверки правильности выбранных аппроксимирующих функций (3.28) и (3.29) был произведен расчет статической характеристики p₄=f(U). При расчете принималось, что на чувствительную мембрану-электрод действуют силы электростатического притяжения (3.25) и реакции струи воздуха (3.28), истекающего из сопла. Давление р₄ в междроссельной камере при заданных конструктивных параметрах дросселей определяется величиной подводимого давления и положения h₁ чувствительной мембраны-заслонки относительно торца сопла. Для фиксированный h₁ по выражению (3.29) опреде­лялась величина р₄ (МПа). Затем по формуле (3.28) находили значение F₂. Учитывая, что чувствительная мембрана находится в покое под действием сил F₁ и F₂, можно считать, что F₁ = F2. Тогда из выражения (3.25) определяли значение напряжения на электродах.

Графики на рис. 3.10 показывают хорошую сходимость рас­четных и экспериментальных значений зависимости р₄=f(U), что подтверждает достаточную точность аппроксимирующих функций (3.28) и (3.29).

Изменение давления р₄ при подаче управляющего сигнала не одинаково для различных точек рабочего участка статической характеристики р₄=f(h₁) элемента «сопло — заслонка» (электрод). Для определения максимального изменения давления р₄ под действием управляющего воздействия U проведено исследование зависимости максимального изменения давления в междроссельной камере от первоначального настроенного положения сопла относительно заслонки при различных р₄ и сочетаниях d₁ и d₂ и при фиксированном U. При этом отношение d₁ и d₂ изменялось в интервале 0,57—2. Величина р_п, как и при других исследованиях, принималась равной 0,09; 0,18; 0,27 МПа. На основании вышеизложенного из условия наименьшей чувствительности максимального изменения давления р₄ в междроссельной камере IV ЭМПР (см. рис. 3.9) от давления питания р_п и условия пропорциональности редуцирования давления в камере IV при разработке конструкции ЭМПР (рис. 3,9) выбран диаметр сопла d₁ = 0,6 мм, а диаметр постоянного дросселя d₂=0,5 мм.

Рис. 3.10. Статические характеристи­ки электропневматического преобра­зователя с электростатическим уп­равлением:

р_п=0,1 МПа; d₂=0,4 mm; d₁=0,6 mm; h = 1,5 мм. о — эксперимент; х — расчет.

Наибольший перепад давления в междроссельной камере с указанными параметрами дросселей достигался при исходном по­ложении заслонки относительно сопла, соответствующем такой ве­личине давления р₄, при которой А=р₄/р_п=0,52. Исходное расстоя­ние между торцом сопла и заслон­кой составило h₁ =0,12 мм.

Конструктивные параметры мембранно-клапанного усилителя мощ­ности с электростатическим управ­лением (см. рис. 3.9) выбираются на основании (3.26) и (3.27) из ус­ловия

S(1+А)S₄<2S₂.

Это соотношение, как указыва­лось выше, удовлетворяет всем возможным схемам подключения электропневматического распреде­лителя к промышленной пневмомагистрали и к силовому пневмати­ческому исполнительному механиз­му при всех возможных значениях давлений в камерах усилителя мощ­ности.

На рис. 3.11, а приведен график

Рис. 3.11. Определение конст­руктивных параметров сило­вых мембран усилителя мощ­ности электропневматического распределителя с электростати­ческим управлением.

для выбора эффективных площадей силовых мембран S и S₄ в зависимости от площади отверстия седла клапана S₂ и площади поперечного сечения штока 5_шт, связывающего мембранный блок. Этот график построен по соотношениям (3.26) и (3.27), получен­ным при анализе принципиальной схемы усилителя мощности. На рис. 3.11, а заштрихованная область представляет собой геомет­рическое место точек, координаты которых удовлетворяют приве­денному выше соотношению для выбора конструктивных парамет­ров силовых мембран усилителя мощности для всех возможных значений А.

Для определения эффективной площади S₄ необходимо за­даться величиной S. Затем, как показано на рис. 3.11, а, провести горизонтальную прямую до пересечения с прямой, соответствую­щей выбранному значению А (в нашем случае А = 0,52). Опущен­ный из точки пересечения перпендикуляр укажет величину иско­мой эффективной площади S₄.

Размеры диаметров защемления и диаметров жесткого центра силовых мембран (рис. 3.11, б) определялись из известного соотношения

где S — эффективная площадь силовой мембраны; D₁, D₂ — соответственно диаметр защемления и диаметр жесткого центра силовой мембраны.

Рис. 3.12. Влияние конструктивных и газодинамических параметров на быстродействие электропневматического распределителя с электростатическим управлением:

1. t_cp= f(p_ц); 2 – t_cp = f(h).

площадь отверстия седла клапана S₂ определялась в зависимости от значения условного прохода Dy ЭМПР:

S₂ = D²_y/4,

где D_y — значение условного прохода ЭМПР. 1

Величина хода клапана Н принималась: Н=1 мм для ЭПР с условным проходом Dу=6, 8, 10 мм и H=0,5 мм для ЭПР с условным проходом Dу=4 мм. Минимально допустимый межэлектродный промежуток - 1,5 мм. Ход мембраны 18 (см. рис. 3.9) под действием электростатических и газодинамических сил выбирался по графикам зависимости p₄=f(h₁) и составил 0,12 мм. Экспериментальные исследования разработанного ЭПР показа­ли, что момент срабатывания мембранно-клапанного усилителя мощности ЭПР не зависит от величины подведенного к нему дав­ления питания. Следовательно, быстродействие электропневмати­ческого распределителя (см. рис. 3 9) мало зависит от величины давления питания.

При анализе динамических характеристик такого электростатического ЭМПР необходимо учитывать тот факт, что при изменении эффективной площади проходного сечения переменного дросселя ЭПП «мембрана — электрод — сопло» изменяется как давление в междроссельной камере, так и объем камеры.

Поэтому для расчета динамики междроссельной камеры ЭМПП следует ориен­тироваться на уравнение баланса энергии для переменного коли­чества газа. Принимаем также, что коэффициенты расхода посто­янного дросселя / (см. рис. 3.9) диаметром d₂ и переменных дросселей типа «сопло - за­слонка» мембранно-клапанного усилителя мощ­ности в первом прибли­жении одинаковы и рав­ны 0,8.

Записав уравнения движения для мембраны-электрода (пренебрегая в первом приближении его жесткостью) и мембран­но-клапанного блока с учетом (3.25), (3.28), (3.29), таким образом можно получить систему дифференциальных урав­нений для анализа дина­мического режима рабо­ты ЭМПР (см. рис. 39). Численные решения на ЭВМ полученной системы дифференциальных уравнений и их анализ позво­ляют сделать следующие выводы (рис. 3 12, 3.13).

Быстродействие раз­работанного ЭМПР на порядок выше, чем у применяемых в настоящее время аналогич­ных устройств, например электропневматического распределителя типа В64-13А.

Рис. 3.13. Динамические характеристики элек­тропневматического распределителя с электро­статическим управлением:

1 — при D_y=4 мм; 2 — при D_y—6 мм; 3 — при D_y —8 мм; 4 — при D_y=l0 мм.

Быстродействие данного ЭМПР практически не зависит от ве­личины подведенного давления (рис. 3.12, а, кривая 1) и в основ­ном определяется конструктивными параметрами междроссельной камеры усилителя давлений. Этим же объясняется и различие во времени срабатывания аппаратов с различными условными про­ходами (рис. 3.12, б, 3.13, а), а значит, и с разными конструктив­ными параметрами междроссельных камер усилителей давления. Быстродействие ЭМПР практически не изменяется при увеличе­нии в разумных пределах расстояния между электродами электро­пневматического преобразователя (рис. 3.12, а, кривая 2) и по­зволяет снизить технические требования к точности сборки элек­тростатического ЭМПР.

Максимальная частота переключения в режиме насыщения по расходу определяется характеристиками междроссельной камеры усилителя давления и инерционностью мембранного блока усилителя мощности. Этим объясняется различие максимальных про­пускных частот у распределителей с различными условными проходами.

Типичная экспериментальная осциллограмма переходного процесса в электростатическом ЭМПР приведена на рис. 3.13, б. Время переключения разработанного ЭМПР составило (0,01±0,001) А при включении и (0,0060,001) с при отпускании. Максимальная частота переключения в ЭМПР в режиме насыщения по расходу для распределителей с различными условными проходами колебалась от 30 Гц (для D_у=10 мм) до 45 Гц (для D_у= 6 мм),

Электретные электромеханопневматические преобразователи (рис. 3.14, а) позволяют на порядок уменьшить значение управляющего напряжения U на электродах «мембрана — плоскость с соплом за счет использования электрического поля электрета. В электретном электромеханопневматическом преобразователе (рис. 3.14, а) устройство типа «сопло — заслонка» реализовано с использованием постоянного дросселя 4, установленного на входе питающей магистрали 5, и переменного дросселя «диэлектриче­ское сопло 6—мембрана 5», причем сопло 6 закреплено на ме­таллическом основании 2, а вялая мембрана 8 представляет со­бой электризованную диэлектрическую пленку (электрет) с по­верхностной плотностью электрического заряда а. Мембрана 8 с жестким металлическим центром 1 и сопло 6 установлены в ка­мере 7. Жесткий центр 1 мембраны 8 и основание 2 одновременно являются электродами ЭМПП, на которые подается управляющее напряжение U. Выходное давление р_вых снимается с выхода 3 междроссельной камеры.

Рис. 3.14. Конструкция (а), статические (б) и динамические (в) характеристики электретного электромеханопневматического пре­образователя и изменение U₃ во времени (г):

Электрет создает постоянное электрическое поле напряжен­ностью ez, направление которого совпадает с направлением уп­равляющего поля ei (рис. 3.14, а), возникающего при приложении входного напряжения U к электродам преобразователя 1, 2, при­чем на основании законов Кирхгофа и Гаусса

где ₁, ₂ - относительные диэлектрические проницаемости рабо­чей среды в камере 7 и электретной мембраны соответственно; Н — толщина электретной мембраны: о — электрическая постоян­ная; h₁ — расстояние от среза сопла до мембраны;  - расстоя­ние, на которое возвышается срез сопла над плоскостью жестко закрепленного тянущего электрода 2. Величина

и представляет собой потенциал U_э электретной мембраны отно­сительно земли.

При приложении входного напряжения к электродам подвиж­ный электрод-мембрана 1, 8 смещается к соплу 6 под действием возникающей пондеромоторной силы

где S — площадь, на которую действуют электростатические си­лы притяжения; d₁ — наружный диаметр диэлектрического сопла 6; D₂ — диаметр электрода 1.

В процессе работы электретного ЭМПП сила (3.31) преодоле­вает силу реакции струи, причем последняя вычисляется на осно­вании (3.28). При этом расстояние h₁ между мембраной и соплом уменьшается и на выходе давление р_вых увеличивается (рис. 3.14, б). Следует особо подчеркнуть, что электретная мембрана для увеличения быстродействия преобразователя выбирается очень малой толщины (порядка 20 мкм). Так как расстояния между электродами в разработанном преобразователе также ма­лы (50—160 мкм) и уменьшаются в процессе работы, то необходимо при функционировании преобразователя выполнить условна

где U_=U+U_Э; U_пр - напряжение, соответствующее напряжению искрового пробоя межэлектродного промежутка при минимальном расстоянии между электродами.

В табл. 3.1 приведены значения U_пр для полимерных пленок из различных материалов в зависимости от их толщины. Электретная разность потенциалов U_Э является для выбранного типа материала пленки относительно стабильной величиной (рис. 3.14, г), что обеспечивает приемлемую для практики стабильность статических характеристик ЭМПП.

Характеристики рис. 3.14, г сняты для мембраны ЭМПП, из­готовленной из фторопластовой пленки Ф-4 толщиной 20 мкм, электризация которой проводилась в коронном разряде с отрица­тельным потенциалом коронирующего электрода. Измерение по­верхностного потенциала полученного таким образом электрета проводилась методом динамического конденсатора с компенса­цией (см.: Сесслер Г. М. Электреты. М, 1983).

Таблица 31. Влияние материала и толщины электретной пленки на диапазон изменения напряжения (3.32) на электродах электромеханопневматического преобразователя (рабочая среда — воздух)

Материал пленки		Диапазон изменения напряжения (U - UЭ)пр, В, при толщине пленки Н, мкм
Название	Относи­тельная диэлектри­ческая про­ницаемость ej	15	20	25	30
Полиэтилен	2,4	573	623	669	712
Фторопласт-4	2,1	595	650	700	746
Фторопласт-3	3,0	540	583	623	660
Полистирол	2,5	566	615	660	701
Лавсан	3,3	527	568	605	640
Винипласт	3,8	510	547	581	613

С увеличением потенциала (3.30) U_Э электрета коэффициент передачи преобразователя увеличивается (рис. 3 14, б, кривые 1, 2, 3). При U_э=const коэффициент передачи ЭМПП увеличивается и с уменьшением расстояния между электродами (рис. 3.14, б, кривые 3, 4, 5). Статические характеристики рис. 3.14, б получены для электретной мембраны из фторопластовой пленки Ф-4 толщиной 20 мкм.

Типичная переходная характёристика электретного электромеханопневматического преобразователя (рис. 3.14, а) при нагрузке на глухую камеру показана на рис. 3.14, в. Найденная в линей­ном приближении соответствующая рис. 3.14, в передаточная функция ЭМПП имеет вид

где

Рис. 3.15. Конструкция (а) и динамические характеристики (б) электретного электромеханопневматического распределителя с электростатическим управ­лением.

Конструкция электретного дискретного электромеханопневма­тического распределителя (ЭМПР) представлена на рис. 3.15, а. Этот быстродействующий мембранно-клапанный ЭМПР с электро­статическим управлением состоит из ЭМПП, аналогичного рас­смотренному выше, и из пневматического усилителя мощности. ЭМПП содержит мембрану 19 из тонкой пленки с электродом 1 и жестким центром 2 и неподвижного тянущего электрода 4. В принципе, в отличие от рис. 3.14, а электретная пленка 3 мо­жет быть расположена на неподвижном электроде 4. Устройство типа «сопло — заслонка», в котором роль заслонки выполняет мембрана 19, реализуется с использованием сопла 5 и постоянно­го дросселя 16.

Выходное давление ЭМПП из междроссельной камеры 6 по­ступает на вход мембранно-клапанного усилителя мощности, представляющего собой трехлинейный двухпозиционный клапан подвижный шток 9 которого укреплен на упругих резиновых мембранах 7 и 11. Мембраны и седла клапана образуют рабочие ка­меры усилителя мощности 6, 10, 12, 13, 18.

В исходном положении при U=0 мембранно-клапанный блок усилителя мощности прижат к седлу 15 и таким образом давление питания р„ не проходит на выход 8. При этом выходной канал 8 соединен с атмосферой через камеру 18, поскольку мембранно-клапанный блок не прижат к седлу 17.

При поступлении входного напряжения U мембрана 19 пере­мещается к соплу 5, давление в междроссельной камере 6 повы­шается, что приводит к срабатыванию распределителя: мембрано-клапанный блок, перемещаясь вниз, прижимается к седлу 17 и таким образом отсоединяет выходной канал 8 распределителя от атмосферы, одновременно клапан 9 отходит от седла 15 и давле­ние питания проходит на выход 8 данного электромеханопневматического распределителя. Следовательно, ЭМПР рис. 3.15, а реа­лизован по схеме рис. 2.35, б.

Для уменьшения влияния давления питания на характеристи­ки распределителя давление питания р„ подается через канал 14 в глухую камеру 12.

В данном распределителе увеличение быстродействия обеспе­чивается сведением к минимальной величине перемещений рас­пределительных узлов, исключением сухого трения при перемеще­ниях, применением легких металлизованных мембран в управ­ляющем блоке и, самое главное, использованием малоинерцион­ного электростатического способа управления мембраны-заслонки.

В качестве примера на рис. 3.15, б показаны эксперименталь­но снятые характеристики переключения ЭМПР с условным про­ходом D_У = 4 мм с поверхностным потенциалом электретной плен­ки из лавсана U_Э=400 В толщиной 20 мкм при подаче на его вход прямоугольных импульсов управляющего напряжения U = 220 В. Как видно из рис. 3.15, б, быстродействие такого ЭМПР существенно лучше, чем у серийно выпускаемых аналогичных рас­пределителей с электромагнитным управлением.

ПРИМЕРЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Кодовый электропневматический преобразователь КЭПП-2М.

Прибор предназначен для преобразования электрического параллельного восьмиразрядного двоич­ного кода в пневматический аналоговый сигнал 0,2— 1 кгс/см². Управление преобразователем осуществляется от вычислительной машины. Принцип действия прибора основан на суммировании расходов воздуха, проходящего через параллельно включенные дроссели с различными условными проходными сечениями при постоянном пере­паде давления на них, при этом предусматривается авто­матический сдвиг начальной точки диапазона преобра­зования. Преобразователь состоит из семи регулируемых разрядных дросселей, настроенных так, что их условные проходные сечения относятся, как 1:2:4:8:16:32:64, электропневмопреобразователей, отключающих или подключающих разрядные дроссели, следящей системы нулевого опорного давления и схемы автоматического сдвига начала преобразования. Пневматическая схема задатчика выполнена на базе универсальной системы, элементов промышленной пневмоавтоматики.

Напряжение питания 27 В постоянного тока, номи­нальный ток управления не более 150 мА. Давление пита­ния 1,4 кгс/см², объемный расход воздуха не более 8 л/мин. Основная погрешность ±1,5%.

В качестве электропневматического аналогового пре­образователя может быть использован также преобразователь ферродинамический функциональный ПФФ (см. XII.2), работающий с выходным пневматическим преоб­разователем ПП (см. XIV.8).