3. Пневматические усилители

При построении электронных, пневматических и гидравлических приборов и устройств определяющим является используемый прин­цип усиления сигналов, от которого зависят простота, быстродействие, надежность, точность и компактность устройств и систем.

В пневмоавтоматике в настоящее время разработано много прин­ципов усиления пневматических сигналов. Общее для всех них — реализация путем управления сопротивлением усилителя с помощью сигналов, значительно меньших по мощности или давлению по сравнению с теми, которые получаются на выходе усилителя.

В настоящее время наиболее широкое применение получили пнев­матические усилители с преобразователем типа сопло — заслонка. На них базируется основной парк приборов пневмоавтоматики. Раз­рабатываются также струйные усилители, приборы и устройства.

3.1 Пневматические преобразователи

Механопневматические преобразователи типа сопло — заслонка. Такой тип преобразователя служит для преобразования механи­ческих перемещений в пневматический сигнал. Этот преобразователь используют в датчиках давления, перепада давлений, расхода, уров­ня, температуры, числа оборотов, эксцентриситета, линейных размеров, шероховатости поверхностей и т. д. Кроме того, его применяют в боль­шинстве современных пневматических усилителей и в различных вы­числительных устройствах.

Механопневматический преобразователь типа сопло — заслонка иногда называют пневматическим реле, но название это условно, так как преобразователь типа сопло — заслонка не обладает релейной характеристикой.

Преобразователь типа сопло — заслонка состоит из постоянного пневмосопротивления ПП (рис. 4, а, б), представляющего собой ка­пилляр, и управляемого пневмосопротивления УП, выполняемого либо в виде сопла С и заслонки 3, либо в виде сопротивления конус — шарик или цилиндр — шарик. Между постоянным и управ­ляемым пневмосопротивлениями включается пневмоемкость ПЕ. Та­ким образом, преобразователь типа сопло — заслонка можно рассмат­ривать как проточную пневматическую камеру с одним постоянным и одним управляемым сопротивлениями.

Преобразователь работает следующим образом. К постоянному сопротивлению подводится сжатый воздух питания с давлением Р_о.

При изменении расстояния h между соплом С и заслонкой 3 изменяет­ся давление в пневмоемкости ПЕ так, как это показано на рис. 4, в (кривая 7). Это давление служит выходной величиной преобразователя.

Применяют два вида преобразователей этого типа: с открытым соплом (рис. 4, а) и с закрытым соплом (рис. 4, б). В преобразовате­ле с закрытым соплом заслонка 3 и сопло С находятся внутри пневма­тической камеры.

Статическая характеристика преобразователя типа сопло — за­слонка представляет собой зависимость изменения давления в пнев­моемкости ПЕ от перемеще­ния заслонки. Ее можно по­строить по расходным харак­теристикам постоянного и управляемого пневмосопротивлений. По расходным характеристикам управляемое сопротивление сопло — заслонка, а также сопротивление, выполненное в виде шарикового клапана, относят к сопротивлениям смешанного типа. Аналити­ческое определение расхода воздуха через эти сопротив­ления при больших перепа­дах давлений сопряжено с трудностями. Поэтому для нахождения расходных ха­рактеристик подобных со­противлений прибегают к опытным данным. В качестве примера на рис. 4 представлены полученные опытным путем расходные харак­теристики для сопротивления типа сопло — заслонка (рис. 4, а) и сопротивления, выполненного в виде шарикового клапана (рис. 4, б).

Рассмотрим требования, предъявляемые к статической характе­ристике преобразователя.

Как видно из рис. 4, в, на начальном участке статическая харак­теристика имеет малый угол наклона к оси h, затем угол наклона уве­личивается, а потом опять уменьшается. Из-за нелинейности статиче­ской характеристики преобразователя используют только ее средний (рабочий) участок. Кроме того, при больших расстояниях от сопла положение заслонки практически не влияет на давление в проточной камере, а при малых — преобразователь очень чувствителен к вибра­ции и перекосам заслонки относительно сопла.

Для повышения чувствительности и точности пневматического пре­образователя необходимо увеличить крутизну и линейность рабочего участка статической характеристики, сместить последний по возмож­ности вправо от начала осей координат и поднять участок, предшест­вующий ему, в зону больших давлений в камере преобразователя.

Такое преобразование характеристики дает возможность увеличить на ее рабочем участке диапазон полного изменения давления в камере между сопротивлениями и осуществить это изменение при относитель­но больших расстояниях заслонки от сопла, что делает преобразова­тель малочувствительным к вибрациям и перекосам заслонки. Графи­чески указанное преобразование состоит в приближении расчетной характеристики 1 к характеристике 2, т. е. к характеристике, близкой к релейной.

В практических расчетах сопротивление сопло — заслонка часто принимают как турбулентное.

Предположение о турбулентном характере течения газа через сопротивления преобразователя сопло—заслонка оправдывается тем, что получаемые расчетным путем из расходных характеристик турбу­лентных пневмосопротивлений статические характеристики преобра­зователя хорошо согласуются с экспериментальными.