2.2 Устройство и принцип работы модулей лабораторного стенда.

2.2.1 Модуль интегрирования

Модуль интегрирования (рис. 2.1) построен на мембранном сумматоре ЭС5 и RC- цепочке, состоящей из дросселя Др. и постоянной емкости ПЕ(V),охваченной положитель­ной обратной связью.

Входные сигналы - давление воздуха Р₁ и Р₂ формиру­ются соответственно редукторами РI и РII и подаются к элементу ЭС5 при включении тумблеров ПТ1 и ПТ2.

Рис. 2.1 Модуль интегрирования

В мембранном сумматоре ЭС5 алгебраически складываются четыре сигнала Р₁,Р₂,Рвых,Рз. Это видно из рассмотрения условия статического равновесия пятимембранного сумматора. Обычно большие и малые эффективные площади мембран равны между собой

Величина эффективной площади определяется отношением величи­ны усилия, развиваемого мембраной, к перепаду давления на ней и зависит от площади жесткого центра мембраны. Запишем условие равновесия, действующих на мембранный блок в нижнем крайнем положении:

где Рпит - давление питания ( если мембранный блок переклю­чается в верхнее положение, то вместо давления Рпит следует подставлять величину атмосферного давле­ния Ра).

Учитывая, что разности , равны между собой, после преобразования получаем (2.1)

Величина расхода воздуха в единицу времени через линейный дроссель Др.

определяется перепадом давления на нем ( Рз - Рвых) и его проводимость:

Из дросселя Др. воздух поступает в емкость V,наполнение которой определяется величиной (расхода воздуха через дрос­сель Др. , Используя основной тазовый закон MRT=PV) при допущении, что процесс протекает при постоянной темпера­туре (Т= const) можно записать

(2.3)

где R - газовая постоянная.

Поскольку изменение массы воздуха в емкости определяется расходом через дроссель Др., ,то ,

Отсюда

(2.4)

Подставляя (2.1) в (2.4), получаем величину выходного давления

(2.5)

Здесь - постоянная времени интегрирования модуля, настраиваемая дросселем Др.

Выходной сигнал усиливается по величине расхода усилителем мощности ПУ ускоряет процесс опорожнения емкости V. Рассмотренный интегратор можно струк­турно представить как апериодическое звено, охваченное еди­ничной положительной обратной связью (рис.2.2)

Передаточная функция имеет вид: (2.6)

Рис. 2.2 Апериодическое звено с обратной связью.

Таким образом, при подаче в интегратор положительной разности давления (Р₁-Р₂)>0. Сигнал на выходе интегратора начина­ет возрастать от 0 до 0,1 мПа, в течение времени, определяемого настройкой дросселя Др. При подаче получа­ется (Р₁-Р₂) <0 получается обратная картина - уменьшение выходного давления.

2.2.2 Модуль генератора.

На элементах УСЭППА могут быть реализованы различного рода генераторы сигналов:

линейно-возрастающего, линейно-убывающе­го, пилообразного и др. В данной работе исследуется генератор ступенчатых (прямоугольных) колебаний. Схема генератора (рис2.3) построена на универсальном реле 2 (Р-ЗН) типа П1Р1 переменном дросселе 3 типа П2.Д.1 и емкостиV (ПЕ)типа ПОЕ-50.

Рис.2.3 Модуль генератора

Дроссель и емкость встроены о линию отрицательной обратной связи, соединяющей выходную линию с камерой В реле. Связь является отрицательной, поскольку давление воздуха, поступаю­щее в камеру В уменьшает выходной сигнал. Рассмотрим работу генератора. При включении генератора в линию питания и подаче опорного давления Роп от задатчика 1 в камеру Б шток с мембранами перемещается в крайнее нижнее положение, открывая сопло С1 питания в камере А и закрывая нижнее сопло С2. Связь выходной линии с атмосферой через камеру Г прекраща­ется. В камеру В с выхода начинает поступать воздух, про­ходя дроссель Др. и емкость V , при этой давление Р₂ в камере В начинает возрастать, скорость этого возрастания ограничена дросселей Др. и емкость V. При достижении неравенства Р₂>P_оп+Р_{вых max}

(это условие бу­дет получено ниже), шток с мембранами перемещается мгновенно в крайнее верхнее положение, закрывая сопло в камере А и открывая сопло в камере Г. При этом питание прекращает­ся ,и устанавливается связь камеры В с атмосферой. Давление Р₂ стравливается через дроссель Др, сопло С2,ка­меру Г в атмосферу. При достижении выполнения неравенства Р₂>Роп (это условие также будет получено ниже) шток с мембранами перемещается в крайнее нижнее положение, прекра­щая связь камеры В с атмосферой и формируя тем самым пе­реход к следующему периоду колебаний. Длительность периода колебаний генератора определяется инерционностью апериоди­ческого звена, образуемого емкостью V и дросселем Др и регулируется изменением проводимости дросселя Др. Та­ким образом реализуются прямоугольные импульсы

( рис 2.4 ).

Такого типа, генератор применяется как отметчик време­ни.

Определим величину периода колебаний генератора. Из условия статического равновесия в нижнем положении мем­бранного блока реле можно записать

,

откуда с учетом

(2.7)

Для того , чтобы перевести шток в верхнее положение, необходимо выполнение условия

(2.8)

Рис.2.4 Графики функции и

Статическое условие равновесия при нахождении подвижного штока в верхнем положении имеет вид

(2.9)

Откуда .

Для перевода штока в нижнее положение необходимо выполнение условия

(2.10)

Рассмотрим закон изменения давления Р₂. Основываясь на соображениях, высказанных выше (см. модуль интегрирования), можно записать

Отсюда (2.11)

Выражение (2.11) можно, использовать для определения времени наполнения камеры В, где входным давлением является Рвых ,максимальная величина которого равна 0,1 мПа:

, (2.12)

Так как давление в камере В нарастает от значения атмос­ферного давления Р₁ до значения выходного давления Рвых = 0,1 мПа, то за время наполнения камеры давление Р₂ изменяется на величину Р₂ = Рвых –Р₁.Интегри­руя выражение (2.12),получаем

(2.13)

При опорожнении камеры В имеем ,

Отсюда

При уменьшении давления в камере В от Р₂ до Р₁ (атмосферного) время опорожнения

(2.14)

Период колебаний

Изменение величины давлений Р₂ и Рвых показаны на (рис. 2.4)