Методичка - Пневмоавтоматика - файл n1.docx

приобрести
Методичка - Пневмоавтоматика
скачать (14914.1 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx14915kb.08.07.2012 19:08скачать

n1.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Витебский государственный технологический университет»


Технические средства автоматизации

Методическое пособие по пневмоавтоматике.


Витебск

2011

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . 2

  1. УНИВЕРСАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ . . . . . . . 3

    1. Пневматические сопротивления – дроссели . . . 3

    2. Пневмоемкости . . . . . . . 5

    3. Элементы сравнения . . . . . . 7

    4. Пневмоповторители . . . . . . 9

    5. Элементы дискретного действия . . . . 11

    6. Органы управления . . . . . . . 13

    7. Преобразователи, коммутирующие органы и

вспомогательные элементы . . . . . 15

1.8. Некоторые схемы на элементах УСЭППА . . . 17

1.9. Функциональные приборы . . . . . 19

2. СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ НЭМП . . . . . 23

3. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СТРУЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ . . . 25

    1. Схемы элементов струйной пневмоавтоматики . . 26

    2. Комплекс струйных элементов "Волга" . . . 27

    3. Комплекс струйных модулей СМСТ-2 . . . 29














ВВЕДЕНИЕ



В послевоенные годы пневмоавтоматика находит все более широкое применение в системах автоматизации производственных процессов. Если до недавнего прошлого область ее применения ограничивалась главным образом системами автоматической стабилизации параметров технологических процессов, то в настоящее время средствами пневмоавтоматики реализуются любые законы управления технологическими процессами. Это оказалось возможным из-за проникновения в пневмоавтоматику ряда новых технических идей и, в частности, переход к элементному принципу, при котором любое новое пневматическое устройство создается не в форме специальной конструкции, а собирается из пневмоэлементов универсального назначения. Построенные на такой основе системы конструктивно просты, надежны в эксплуатации, по своей природе пожаро– и взрывобезопасны и уступают электронным лишь в отношении быстродействия. Однако для реализации почти всех вариантов управления технологическими процессами в легкой промышленности быстродействие, обеспечиваемое пневмоавтоматикой, оказывается достаточным.

Настоящее методическое указание содержит описание принципов действия и конструкций, основные расчетные соотношения элементов УСЭППА, НЭМП, СМСТ, а также схемы функциональных приборов.

Информация, содержащаяся в методических указаниях, может быть использована при теоретическом изучении курса "Технические средства автоматики", а также при курсовом и дипломном проектировании студентами специальности Т II.03.

1. УНИВЕРСАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ
Современные пневматические автоматические регуляторы различаются назначения собираются из унифицированных устройств – простейших элементов, серийно выпускаемых промышленностью и входящих в Универсальную систему элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭПП). В ее состав входят усилители, повторители, пневмореле, пневморезисторы, пневмоемкости, органы управления и другие элементы, выполняющие простейшие функции.

При построении пневматических регулирующих устройств из отдельных элементов УСЭППА образуют часто повторяющиеся сочетания, типовые узлы, реализующие определенные алгебраические или временные преобразования пневматических сигналов. Рассмотрим назначение, принцип действия, статические и динамические свойства основных типовых элементов пневматических регуляторов.


    1. Пневматические сопротивления – дроссели


Пневмосопротивление (дроссель) представляет собой местное сопротивление прохождению воздуха в линиях связи между элементами пневмоавтоматики. Пневмосопротивления выполняют постоянными и переменными.

Постоянные (нерегулируемые) пневмосопротивления представляют собой капилляр длиной 7 или 20 мм (рис. 1.а) с калиброванным диаметром 0,18 или 0,3 мм. Переменные пневмосопротивления имеют конструкцию, дающую возможность изменять вручную проходное сечение пневмосопротивления. Наиболее часто конструктивно пневмосопротивления выполняются в виде рабочей пары типа "конус-конус" (рис. 1.б), "конус-шар" или "сопло-заслонка".



Течение воздуха по дросселю может быть ламинарным или турбулентным. Характер течения определяется числом Рейнольдса:

,

где V - скорость течения, м/с; r - радиус канала дросселя, м;  - кинематическая вязкость, с/м2.

Для цилиндрического канала критическое значение числа Рейнольдса Re =2300. Если параметры потока ниже критического значения, поток ламинарный, если выше – турбулентный. Зависимость расхода Q от перепада давлений Р на дросселе при ламинарном режиме определяется формулой Пуазейля:

,

где r- радиус;  - плотность;  - динамическая вязкость среды; l - длина канала дросселя.

Все эти величины при конкретных условиях истечения можно считать постоянными, поэтому формулу Пуазейля можно представить так:

Q=P,

где  - проводимость дросселя в ламинарном режиме.

В турбулентном режиме зависимость Q=f(P) определяется формулой Бернулли:

или ;

где  - проводимость дросселя в турбулентном режиме.

Таким образом, при Re<2300, режим течения турбулентный и зависимость Q=f(P) прямо пропорциональная; при Re>2300 режим течения турбулентный и зависимость Q=f(P) становится квадратичной. Графически эта зависимость показана на рис. 2. Для дросселей с диаметром капилляра 0,18 и 0,3 мм до перепада давления порядка 50 кПа оба дросселя имеют линейные характеристики, т. е. работают в ламинарном режиме, а при больших перепадах – переходят в турбулентный режим.

В переменных пневмосопротивлениях чаще всего используется пара "сопло-заслонка". Линейность характеристик и здесь обеспечивается малым перемещением заслонки относительно сопла и малым перепадом давлений на них.

Соединение дросселей обычно рассчитывают, используя линейные зависимости между расходом и перепадом давлений. Делитель давления представляет собой цепь из однотипных дросселей, соединенных последовательно (рис. 3.а).
Для этой цепи можно записать:

;


Откуда


Из этой общей формулы можно вывести имеющее важное практическое значение выражение для делителя давления, состоящего из двух последовательно включенных дросселей (рис. 3.б).

;
.
Окончательно получим

.


    1. Пневмоемкости


Пневмоемкость – элемент пневматического регулятора, представляющий собой замкнутый объем – емкость с двумя штуцерами для входа и выхода воздуха.

Постоянные пневмоемкости (рис. 4.а) выполняются в виде камеры цилиндрической формы со штуцерами. Переменные пневмоемкости (рис. 4.б) представляют


собой сильфон, внутренний объем которого изменяется путем его деформации.

Определим изменение давления Р в камере объемом V во времени при подаче на ее входы в начальный момент времени давления Р1 и Р2 (рис. 5). В камере масса воздуха , где R – универсальная газовая постоянная, равная 2930 см/К; T – абсолютная температура, К. Продифференцируем это выражение по времени.


.


Величина – представляет собой изменение массы воздуха в камере, равное разности притока и оттока

.

Отсюда

.

Поделим обе части последнего равенства на 1+2 и перенесем Р в правую часть

или
,

где Т – постоянная времени; Р - установившееся давление.

Это уравнение экспоненты, график которой изображен на рис. 6.

Если 2=0 (камера глухая), то Р=Р1, т. е. давление в камере устанавливается равным давлению на ее входе. Для глухой камеры, на вход которой подается скачок давления, передаточная функция может быть представлена в виде



Таким образом, пневмоемкость в динамическом отношении представляет собой апериодическое звено 1-го порядка. Если глухую камеру охватить единичной положительной обратной связью, как показано на рис. 7.а, то результирующая функция такой системы равна:

.

Эта схема реализует интегрирование входного давления.

При подаче на вход ступенчатой функции Рвх выходное давление увеличивается линейно и, достигнув Рвх, остается постоянным (рис. 7.б).

Схема, в которой выход глухой камеры вычитается из входного сигнала (рис. 8.а), имеет передаточную функцию
,
т. е. реализует операцию дифференцирования с постоянной времени Т. График переходной характеристики показан на рис. 8.б.

Если апериодическое звено включить в линию отрицательной обратной связи, охватывающую усилитель с большим коэффициентом передачи К (рис. 9.а), то такая схема реализует операцию предварения


Давление выходного сигнала мгновенно поднимается до максимального значения, практически до давления питания, а затем экспоненциально снижается до величины Рвх (рис. 9.б).


    1. Элементы сравнения


В состав элементов УСЭППА входят элементы сравнения, которые изготовляются в 3-х модификациях: трехмембранные типов П2ЭС.1 и П2ЭС.2 и пятимембранные типа П2ЭС.3. Все типы элементов сравнения применяются в аналоговых схемах, в которых играют роль усилителей. Рассмотрим устройство трехмембранного элемента сравнения П2ЭС.1 (рис. 10). Элемент состоит из сборного корпуса 2 с вялыми мембранами 3, 7 и 8. Мембраны соединены общим жестким центром 6. Корпус имеет два ввертываемых сопла С1 и С2, которые, соответственно, в паре с торцами 5 и 9 жесткого центра 6 образуют два пневмосопротивления. Мембраны 3, 7 и 8 с корпусом образуют две проточные камеры А и Г и две глухие камеры Б и В. Через штуцеры в камеры В и Б подводится воздух с давлением Р1 и Р2. К соплу С2 через канал 1 подводится давление питания Рп, а сопло С1 через канал 4 сообщается с атмосферой. Камеры А и Г соединяются каналом, из которого отбирается давление

выхода Рвых элемента сравнения. Так как эффективная площадь мембраны 7 больше эффективной площади каждой из мембран 3 и 8, то при повышении давления Р1 в камере В жесткий центр опустится вниз. При этом увеличивается проводимость пневмосопротивления пары 1 – 9 и уменьшается проводимость пары 4 – 5; давление на выходе возрастает. При повышении давления Р2 в камере Б жесткий центр перемещается вверх, уменьшится проводимость пневмосопротивления пары 1 – 9 и увеличится пневмосопротивление пары 4 – 5; давление на выходе уменьшится. С учетом описанной работы элемента сравнения в установившихся состояниях между разностью входных давлений Р1 – Р2 и выходным давлением Рвых в рабочем диапазоне перемещения жесткого центра 6 имеется зависимость



,
т. е. выполняется операция сравнения двух сигналов "больше - меньше". На рис. 11 дана схема включения пятимембранного элемента сравнения типа П2ЭС.3 в режиме мембранного сумматора. Давление на выходе Рвых в рабочем диапазоне перемещения жесткого центра определяется зависимостью
.
Уравнение статических характеристик элементов сравнения, работающих в режиме усиления, можно записать в следующем виде:
Рвых = К(Р12) – для усилителя с двумя выходами;
Рвых = К[(Р13)- (Р24)] – для усилителя с четырьмя входами.
Гарантированная разность давлений, необходимая для перемещений мембранного блока из одного крайнего положения в другое, для П2ЭС.1 равна 0,5 кПа, для П2ЭС.3 – 1 кПа. Коэффициент усиления можно определить как отношение приращений давления на входе и выходе элемента сравнения



    1. Пневмоповторители


Для реализации операции повторения сигнала промышленностью выпускаются специальные элементы – пневмоповторители, которые применяются в четырех вариантах: маломощный повторитель без сдвига и со сдвигом. Грубый и точный мощные повторители.

Маломощный повторитель без сдвига П2П.1 (рис. 12.а) имеет две камеры.

Камеры разделены гибкой мембраной с жестким центром, который выполняет функцию "заслонки" для сопла С и через который камера А сообщается с атмосферой. В камеру Б подается входной сигнал Рвх. В камеру А через постоянный дроссель подается питание Рп. Пневмоповторитель работает по принципу компенсации сил на гибкой мембране. Например, при возрастании Рвх мембрана прогибается вниз, прикрывает сопло С, уменьшая выход воздуха в атмосферу. В результате этого давление Рвых в камере А возрастает до значения Рвх. Таким образом, пневмоповторитель всегда обеспечивает условие Рвыхвх в соответствии со статической характеристикой, приведенной на рис. 12.б. Погрешность повторения пневмоповторителя П2П.1 определяется как разность значений давлений на входе и выходе: Рвых - Рвх=, при Рвх = 20, 60 и 100 кПа. Относительная погрешность не должна превышать 0,25%. Пневмоповторитель на рис. 13.а типа П2П.2 отличается тем, что имеет дополнительно две пружины разной жесткости, одна из которых – регулируемая. В результате этого пневмоповторитель повторяет входной сигнал со сдвигом: Рвых = Рвх  , где  - значение сдвига, определяемое разностью натяжений пружин. Значение сдвига может устанавливаться вручную оператором путем вращения винта натяжения верхней пружины. Если усилие верхней пружины больше, чем усилие нижней, то Рвых = Рвх + , а если усилие нижней больше усилия верхней, то Рвых = Рвх - . Статические характеристики повторителя показаны на рис. 13. б. Погрешность повторения пневмоповторителя П2П.2 не должна превышать 0,5%. Диапазон сдвига должен быть не менее 15 кПа.

Низкий уровень выходной мощности двух первых повторителей обусловлен тем, что выходное давление Рвых забирается из междроссельной камеры пневматического усилителя "сопло-заслонка", имеющего постоянный дроссель с большим сопротивлением.

Грубый мощный повторитель П2П.3 обеспечивает формирование выходного сигнала, равного по давлению входному, но усиленного по мощности, т. е. данный тип повторителя выполняет дополнительную функцию усилителя. На рис. 14 представлена принципиальная схема повторителя.

Повторитель состоит из корпуса двух сблокированных гибких мембран 1 и 2 с жестким центром 3 и двух переменных сопротивлений. Повторитель имеет глухую камеру А и проточные камеры Б, В и Г. Камеры В и Г разделяются жесткой перегородкой 4 с отверстием в центре, которое прикрывается большим шариком 5. Средняя часть жесткого центра выполнена в виде открытой только со стороны камеры В втулки и имеет отверстие для сообщения с камерой Б. Открытая сторона втулки прикрывается маленьким шариком 6. Входной сигнал поступает в камеру А; камера Б сообщается с атмосферой; мощный выходной сигнал Рвых поступает из камеры В; в камеру Г подается давление питания. Воздух под давлением из камеры Г проходит в камеру В через нижнее переменное пневмосопротивление, образованное парой "отверстие 6 в перегородке 4-большой шарик 5" далее воздух из камеры В проходит в камеру Б через верхнее переменное пневмосопротивление, образованное парой "открытая часть втулки 7 жесткого центра 3-маленький шарик 6". Таким образом, камера В выполняет функции междроссельного канала, из которого отбирается выходной сигнал. В камере В устанавливается промежуточное давление Рвых между Рп и Ратм в зависимости от соотношения проводимостей переменных пневмосопротивлений, что в свою очередь определяется значением Рвх.

Повторитель работает по принципу компенсации сил на мембранном блоке: усилие от давления Рвх на мембране 1, направленное вниз и усилие от давления Рвых на мембране 2, направленное вверх. При повышении давления Рвх мембранный блок идет вниз, уменьшается проводимость верхнего пневмосопротивления, тем самым уменьшается доля воздуха питания, выход его в атмосферу, давление Рвых возрастает, восстанавливая равновесие сил на мембранном блоке. При понижении давления Рвх мембранный блок будет перемещаться вверх, проводимость верхнего пневмосопротивления увеличивается, давление Рвых будет, соответственно, уменьшаться. Таким образом, значение Рвых непрерывно сравнивается и приводится в соответствие со значением Рвх.

На рис. 15 представлена принципиальная схема точного мощного повторителя-усилителя П2П.7 с тарельчатым переменным дросселем.

Воздух под давлением питания подается в камеру А и одновременно через постоянный дроссель – в камеру В повторителя. Входной сигнал поступает в камеру Д. Выходным сигналом служит разность давлений в камерах Б и Е. В камеру Г подается сигнал отрицательной обратной связи. Например, при увеличении Рвх мембранный блок опускается вниз, давление в камере В возрастает и тарельчатый клапан открывается, в результате чего увеличивается его проводимость и, соответственно давление Рвых на выходе повторителя-усилителя. Благодаря действию обратной связи при Рвых = Рвх, в повторителе-усилителе наступает равновесие сил на мембранах.


    1. Элементы дискретного действия


Если пневматическая дискретная техника характеризуется тем, что входные и выходные давления принимают в процессе работы любые значения, то релейная техника отличается тем, что выходные сигналы могут принимать лишь два значения: 0 и 1, причем нулю соответствует давление 0 – 20 кПа, а 1 – давление 100 10 кПа.

Основным элементом релейной техники является пневмореле типа П1Р.1, (рис. 16.а) схема которого не отличается от схемы элемента сравнения ПЭС.1. Однако их конструкции различны: пневмореле имеет большие габаритные размеры, так как чувствительность его не должна быть столь высокой, как у элемента сравнения. Упомянутые элементы отличаются друг от друга также и способом включения. Для введения положительной обратной связи в пневмореле нижнюю камеру соединяют с атмосферой, а верхнюю камеру с нижним соплом.

При срабатывании реле, когда мембранный блок перемещается вниз, давление в камере А увеличивается до 100 кПа и увеличивается усилие, действующее на мембранный блок вниз. Действие камеры А определяет ширину петли гистерезиса характеристики реле и составляет 0,14  0,33 Рп, т. е.  20  40 кПа.

Применяются две схемы включения и два вида статических характеристик пневмореле. По схеме, показанной на рис. 16.а в камеру Б подается малое давление подпора, равное 30  40 кПа. При отсутствии Рвх мембранный блок под действием давления подпора перемещается вниз и Рвых = 100 кПа. Так как при этом в камере А также имеется давление, для срабатывания реле в камеру В требуется подать давление Рвх = 60  80 кПа. При этом мембранный блок переместился вверх, давление в камере А и на выходе реле станет равным нулю. Для возврата реле необходимо, чтобы давление в камере В стало меньше давления подпора. Статическая характеристика реле, показанная на рис. 16.б, называется обратной.

На рис. 17.а изображена схема включения реле для получения прямой статической характеристики (рис. 17.б).

В камеру В подают большее давление подпора, равное 70  80 кПа. Для срабатывания реле в камеру Б нужно подать давление Рвх = 70  80 кПа, при этом камера А становится под давлением Рвых = 100 кПа, ее действие направлено навстречу действию давления подпора и для возврата реле давления в камере Б должно быть снижено до Рвх = 30  40 кПа. Ширину зоны срабатывания Р для пневмореле делают равной (0,3  0,4) Рп. При использовании пневмореле в релейных схемах оно будет участвовать в проработке лишь дискретных сигналов, принимающих два значения: одно из них представляется давлением питания, а другое атмосферным давлением. Подача дискретных сигналов в камеры Б и В приводит к неработоспособной схеме, так как при одинаковых значениях этих дискретных сигналов Р = 0, а такому значению Р соответствует по статической характеристике неопределенное значение Рвых.

Пневматическое реле типа П1П.3 (рис. 18) целесообразно использовать в тех случаях, когда состояние реле после подачи давления питания в систему должно быть определенным, если применение задатчиков для создания давления подпора нецелесообразно и если допустимо меньшее быстродействие элемента. Реле типа П1Р.3 отличается от П1Р.1 тем, что функцию подпора выполняет пружина, установленная в камере Г. Камеры Б и В можно использовать для соединения с источниками дискретных сигналов. При работе вышеуказанных реле следует учитывать следующее обстоятельство. Во время перехода мембранного блока из одного крайнего положения, при котором полностью закрыто какое-нибудь одно сопло, в другое крайнее положение, при котором окажется закрытым противоположное сопло, мембранный блок в промежуточном положении оставляет открытым оба сопла. В это время линия питания оказывается соединенной через два сопла с атмосферой и через нее расходуется воздух. По аналогии с электротехников это явление можно назвать коротким замыканием. При достаточной емкости питающей магистрали это явление не мешает нормальной работе схемы. И все же иногда желательно полностью устранить это явление. В таких случаях применяют нестандартное реле РУП-1М (рис. 19). Реле содержит разновысокое сдвоенное сопло, управляемое одной заслонкой, поддерживаемой верхней пружиной так, что исключается одновременное открытие обоих сопл. Первоначальное состояние сопл фиксируется пружиной.

Принципиальная схема включающего реле П-1108 представлена на рис. 20. Реле состоит из трех камер, раздвоенных гибкими мембранами. Жесткие центры этих мембран соединены жестким штоком. В глухую камеру А подается командный (управляющий) сигнал Рк, глухая камера В сообщается с атмосферой. В камере Б расположены сопла С1 и С2, для которых торцы жесткий центров служат заслонками. К соплам С1 и С2 подводятся входные сигналы Рвх1 и Рвх2. Давление в камере Б служит выходным сигналом. Включающее реле обеспечивает следующие режимы работы: а) при командном сигнале Рк, равном 0, пружина отжимает мембранный блок вниз, сопло С1 открывается, сопло С2 закрывается и сигнал на выходе Рвых = Рвых2; б) при Рк = 0 мембранный блок перемещается на выходе реле Рвых = Рвых1. Таким образом пневмореле обеспечивает переключение каналов связи пневмолиний. Реле может быть использовано и для управления одним входным сигналом. В этом случае вход одного из сопел заглушается. При этом реле может работать в следующих режимах:

при заглушенном С1:

при заглушенном С2:

Рвых = Рвх при Рк > 0

Рвых = Рвх при Рк = 0

Рвых = 0 при Рк = 0

Рвых = 0 при Рк > 0



    1. Органы управления


Органами управления в УСЭППА являются формирователи сигналов (задатчики), а также пневмокнопки и пневмотумблеры.

Задатчики предназначены для установки местного задания в узлах и блоках средств пневмоавтоматики. Выходной сигнал имеет малую мощность и подается в глухие камеры пневматических элементов. Применяют маломощные задатчики трех типов: дроссельный, мембранный и шариковый. В качестве дроссельного задатчика используют регулируемое пневмосопротивление, один выход которого соединен с атмосферой, а другой – с линией питания через постоянное сопротивление (рис. 21.а).

Мембранные задатчики П23Д.3 и П2ЗД.3П (рис. 21.а,б) состоят из двух секций, разделенных плоской резинотканевой мембраной и образующих камеры А и Б, пружины и установочного винта. Жесткий центр мембраны служит заслонкой сопла, имеющего выход в атмосферу, давление питания Рп подается через нерегулируемое пневмосопротивление П2Д.4, поступает в камеру Б задатчика. Изменение степени сжатия пружины установочным винтом регулирует сброс воздуха в атмосферу. Мембрана устанавливается в положение, при котором усилие, создаваемое выходным давлением Рвых, уравновешивает усилие пружины. В шариковом задатчике вместо узла типа "сопло-заслонка" используется узел типа "сопло-шарик". Мощный задатчик типа П2ЗД.4 применяется для щитового монтажа в системах автоматизированного контроля и управления. Установка задания производится вручную. Принципиальная схема задатчика приведена на рис. 22. Задатчик состоит из четырех секций, трех плоских резиновых мембран 4, 6, 8, двух пар "сопло-заслонка" 5, 7, клапана 3, нерегулируемого сопротивления 2, двух цилиндрических пружин 10 и 12, одной конической пружины 13 и установочного винта 9. Секции совместно с мембранами образуют семь пневматических камер. Давление питания подается непосредственно в камеру Ж и через пневмосопротивление 2 – в камеры Б и Д. Выход элемента из камеры Е. Камеры Б и Д соединены между собой и являются емкостью заключенной между двумя пневмосопротивлениями. Давление в емкости управляет набором (из камеры Ж) и сбросом в атмосферу (из камеры Г) выходного давления. Выходная камера Е соединена с камерами отрицательной обратной связи А и В. При увеличении натяжения пружины 10 мембрана 8 прогибается в сторону камера А и перекрывает сопло, давление в камерах Б и Д увеличивается, вследствие чего прекращается сброс в атмосферу через пару "сопло-заслонка" 5, мембрана 4 прогибается в сторону камеры Е, проходное сечение клапана 3 увеличивается и выходное давление возрастает. Обратный эффект наблюдается при уменьшении натяжения пружины.

Пневмокнопка П1КН.3, рис. 23.а, предназначена для кратковременной подачи пневматического сигнала в систему управления. Давление питания подается в нижнюю проточную камеру. При нажатии кнопки ее стержень открывает пневмоконтакт и обеспечивает сообщение канала питания с выходом. Когда кнопку отпускают, пневмоконтакт "сопло-заслонка" вновь закрывается и коммутирует поток воздуха между входом и выходом элемента. Давление на выходе падает до нуля, так как канал выхода соединяется через полый шток с атмосферой.

Пневмотумблер П1Т.2, рис. 23.б, предназначен для ручной подачи командных сигналов в системах пневмоавтоматики. По своей конструкции аналогичен пневмокнопке П1КН.3 и отличается от последней тем, что вместо кнопки применен рычаг тумблера, имеющий два фиксированных положения.


    1. Преобразователи, коммутирующие органы и вспомогательные элементы


Преобразователи, относящиеся к УСЭППА, предназначены для преобразования дискретных пневматических сигналов в электрическую форму (дискретный пневмоэлектрический преобразователь), дискретных электрических сигналов пневматическую форму (дискретный электропневматический преобразователь) и дискретных механических сигналов в пневматическую форму (конечный выключатель). В преобразователях ПЭ и ЭП электрической дискретной переменной является напряжение постоянного тока 24 В.

Принципиальная схема ПЭ преобразователя типа П1ПР.4 представлена на рис. 24.а.

Преобразователь состоит из двух секций, одной плоской резинотканевой мембраны, образующих две камеры – А и Б, пружины и переключателя. Камера А соединена с атмосферой. Под действием давления, подаваемого в камеру Б при единичном значении входного сигнала, мембрана прогибается и толкатель, воздействуя на шток микропереключателя и через плоскую пружину, замыкает нормально разомкнутый и размыкает нормально замкнутый контакты. При нулевом значении входного сигнала под действием пружины мембрана возвращается в исходное положение, и контакты микропереключателя изменяют, соответственно, свое состояние.

Электропневматический преобразователь П1ПР.5 (рис. 25.б) состоит из двух секций, электромагнита, пружины и двух сопл. Якорь электромагнита с двухсторонней заслонкой закреплен на плоской резинотканевой мембране и перемещается между соплами. Камера между соплами соединена каналом 3. При нулевом значении входного сигнала заслонка якоря под действием пружины закрывает сопло, соединенное с каналом 1. При этом коммутируемый сигнал по каналам 2, 3 поступает на выход. При одиночном значении выходного сигнала под действием напряжения на катушке электромагнита якоря притягивается, преодолевая усилие пружины, и заслонка закрывает сопло, соединенное с каналом 2. При этом коммутируемый сигнал по каналам 1, 3 поступает на выход. Принципиальная схема конечного выключателя П1ВК.1 отличается от схемы пневмокнопки П1КН.3 видом нажимного органа.

Коммутирующими органами в УСЭППА являются мембранные клапаны, предназначенные для замыкания и размыкания пневматических линий. Клапан одноконтактный типа ПЗК.1 (рис. 25.а) состоит из трех секций, двух плоских резинотканевых мембран, связанных в мембранный блок, и сопла. Секции и мембраны образуют три камеры А, Б и В. Для нормально закрытого клапана давление подпора, равное 30 – 70 кПа подается через канал 2 в камеру В. Для нормально открытого клапана давление подпора, равное 60  80 кПа подводится через канал 12 в камеру Б. Коммутируемый (аналоговый или дискретный) сигнал через каналы 1, 11 подводится в камеру А. Выходной сигнал отводится из камеры А через канал 11 или 1. Мембранный блок занимает одно из двух крайних положений в зависимости от дискретного сигнала разрешения, который подводится в камеру Б или В.

Клапан типа ПЗК.5 (рис. 25.б) предназначен для реализации логической функции ИЛИ двух переменных. Элемент состоит из двух сопл, между которыми расположены клапан, выполненный в виде круглой пластины. Входное давление подается в каналы 11 и 12, выходное давление отводится из канала 1. Если единичное значение имеет только один из входных сигналов, то клапан под действием этого давления закрывает сопло другого входа и наоборот. В том случае, когда единичное значение имеют оба входных сигнала, клапан находится в неопределенном положении, и с выходом коммутируется любая из двух входных коммутаций или обе сразу.

Вспомогательными элементами являются фильтры, вентили, индикаторы. Фильтр предназначен для местной очистки подаваемого в прибор давления питания. Он состоит из корпуса, в котором находится несколько смежных войлочных дисков, поджатых винтом.

Вентиль типа ПОВ.1 (рис. 26.а) предназначен для ручного замыкания мощной пневматической линии связи.

Состоит из двух секций, плоской мембраны, которая служит заслонкой, сопла, пружины и винта. Входное давление подается по каналу 1, выходное давление отводится по каналу 11.

Индикатор пневматический (рис. 26.б) по своему функциональному назначению является аналогом электрической лампочки. Основными деталями индикатора является корпус 1, мембрана 2, шторка 3 и стекло 4. При поступлении давления эластичная мембрана растягивается и секторные участки шторки раздвигаются, ложась по окружности стекла. Окрашенная в разные цвета мембрана выкладывается по профилю стекла, что соответствует как бы загоранию лампочки. При снятии давления мембрана возвращается в исходное положение и шторки закрывают ее.

    1. Некоторые схемы на элементах УСЭППА


Инерционное звено, собранное на элементах УСЭППА, показано на рис. 27.а. На входе пневмоповторителя установлена инерционная цепочка дроссель-емкость. Давление в глухой камере Б определяется

Учитывая условие равновесия мембранного блока Рб = Рвых, можно записать , где . Кривые динамических характеристик изображены на рис. 27.б.

Интегрирующее звено (рис. 28.а) представляет собой инерционное звено, охваченное положительной обратной связью.

Для инерционного звена, состоящего из дросселя  и емкости , можно записать


Условие равновесия мембранного блока Рвых – Р1 + Р2 – Р3 = 0,

отсюда


Проинтегрируем правую и левую части этого равенства:

Динамические характеристики показаны на рис. 28.б. При подаче на вход звена ступенчатого импульса величина Рвых увеличивается пропорционально времени до величины Рп.

Алгоритм функционирования звена предварения определяется зависимостью

Схема этого звена на элементах УСЭППА изображена на рис. 29. Поскольку давление в камере В не может увеличиться мгновенно из-за инерционной цепочки  и , при подаче на вход звена любого ступенчатого давления, мембранный блок перемещается вниз, и давление на выходе быстро возрастает до величины Рп. Затем по мере увеличения компенсирующего давления в камере В выходное давление Рвых уменьшается. Равновесие наступает, когда Рвых = Рвх. Это звено имеет склонность к автоколебаниям, поэтому его выполняют на пятимембранном элементе сравнения П2ЭС.3, две камеры которого вместе с дросселем д играют роль демпфера (рис. 30.а).

Звено дифференцирования, если из Рвых вычесть Рвх, можно получить из звена предварения. Эта операция выполняется еще на одном элементе сравнения П2ЭС.3, включенном по схеме (рис. 30.а). Условие равновесия мембранного блока элемента 2: Р2 - Рвых + Рп - Рвх = 0. Для элемента 1, представляющего собой звено предварения,


Окончательно:
,
где Р2 - опорное давление. Графики динамических характеристик дифференцирующего звена изображены на рис. 30.б. Независимо от величины Рвх в начальный момент времени Рвых увеличивается до значения давления питания, а затем по экспоненте приближается к нулю или значению опорного давления.

На рис. 31 показана схема триггера с раздельными входами, собранного на реле П1Р.3 и клапане П3К.5. При отсутствии сигналов Рвх1 и Рвх2 пружина поднимает мембранный блок реле вверх и на выходе сигнал отсутствует. При подаче сигнала Рвх1 (100 кПа) мембранный блок переместится вниз и на выходе появится сигнал Рвых = 100 кПа, который через элемент ИЛИ поддерживает реле в сработавшем состоянии даже тогда, когда исчезнет сигнал Рвх1. Для возврата триггера в исходное положение необходимо подать сигнал Рвх2 = 100 кПа.




    1. Функциональные приборы


Приборы выполняют некоторые алгебраические, логические и временные операции над аналоговыми сигналами, необходимыми для целей управления технологическими процессами.

Суммирующий прибор ПФ1.1 (рис. 32) состоит из семимембранного элемента 3, усилителя мощности 4 (типа П2П.3) и двух задатчиков З1 т З2, выполненных на элементах П2ЗД.3, работающих в комплекте с постоянными дросселями П1127. Элемент сравнения вместе с усилителем мощности охвачен общей отрицательной обратной связью. Таким образом, компенсируется погрешность грубого повторителя П2П.3. Учитывая, что эффективные площади всех мембран с большим жестким центром элемента сравнения в 2 раза больше эффективных площадей с малым жестким центром, уравнение равновесия сил может быть представлено в виде:

Р3132123вых=0, или Рвых = Р1233132.





Соединяя между собой и с атмосферой некоторые камеры можно с помощью суммирующего прибора ПФ1.1 выполнять операции не только суммирования, но и умножения и деления на два, инвертирования и релейного действия (рис. 33).

Прибор ограничения сигнала по максимуму или минимуму ППII.I (рис. 34) состоит из трехмембранного элемента сравнения 2 типа П2ЭС.1, в камеры которого подаются входное давление Р1 и давление Р2 от задатчика 1. Элемент сравнения не имеет обратной связи, следовательно, режим работы его близок к релейному: при превышении одного из давлений, например, Р1 над Р2, на выходе элемента сравнения появится давление порядка 100 кПа, которое попадает в верхнюю камеру реле переключения 5 типа ПIР.5. Реле срабатывает и в зависимости от положения переключателя 3 пропускает на усилитель мощности, состоящий из элементов 4 и 6, давление Р1 или Р2. Если в приборе ППII.I использован грубый мощный повторитель 6 типа П2П.3, для компенсации его погрешности используется элемент сравнения 4 и оба элемента охватываются общей отрицательной обратной связью. В приборах ППII.I новых выпусков в качестве усилителя мощности применяется точный мощный повторитель типа П2П.7, и надобность в элементе сравнения отпадает.

Прибор селектирования большего или меньшего сигнала типа ПФ4/5.1 работает аналогично прибору ППII.I. Его схема отличается от схемы прибора ППII.I отсутствием задатчика I: оба входных сигнала Р1 и Р2 параллельно подаются на вход элемента сравнения 2 и через переключатель 3 на вход реле переключения 5. Они могут произвольно изменяться во времени. Значения давлений входных сигналов сравниваются на элементе сравнения, дискретное значение давления на выходе которого управляет положением реле переключения. В зависимости от положения реле переключения, на усилитель мощности и на выход прибора поступают значения меньшего сигнала Рвых1 или большего Рвых2.

Прибор для умножения на постоянный коэффициент ПФ1.3 (рис. 35) состоит из двух дросселей 1 и 2 пятимембранного элемента сравнения типа П2ЭС.3, схваченного вместе с усилителем мощности П2П.3 общей отрицательной обратной связью.

Камеры В и Д элемента сравнения подключены таким образом, что их влияние компенсирует погрешности грубого повторителя–усилителя мощности и устраняет колебания мембранного блока. В установившемся режиме можно считать влияние этих камер равным нулю. Тогда условие равновесия мембранного блока элемента сравнения можно записать в виде Рвг. Для схемы, изображенной на рис. 35.а:

, .

Приняв и , можно записать
.

Для этой схемы К1.

Для схемы, изображенной на рис. 35.б:
, .
Преобразовав эти выражения, можно получить:


Для этой схемы К1.

Устройство для извлечения квадратного корня типа ПФ1.17 (рис. 36) реализует функцию с помощью аппроксимации параболы трех прямых:

Рвых = К2вх1 - 45) + 45; Рвых = К1вх - 20) + 20; Рвых = Кэвх2 - 65) + 65.

Каждый из отрезков выполняется на повторителе со сдвигом. Давления Рвх, Рвх1, Рвх2 задаются с помощью делителей, на один вход подано опорное давление Р0, а на другой – давление Рвх. Схема устройства состоит из двух делителей 1–2 и 3–4, трех повторителей со сдвигом 5, 6 и 7 усилителя мощности на элементах 8, 9. В коллекторе, к которому подключены выходные штуцера повторителей, всегда устанавливается давление, равное меньшему и Рвых, поэтому аппроксимирующая кривая с точностью до 1% приобретает форму, показанную на рис. 36. Устройство прямого предварения типа ПФ2.1 (рис. 37) используется для введения в цепь регулирования воздействия по скорости отклонения от заданного значения и реализует операцию вида: .

Схема состоит из элемента сравнения 1 типа П2ЭС.1, емкости V, дросселя д. Работа этого узла аналогична работе звена предварения. Выходное давление элемента 1 образуется на делителе, состоящем из постоянного делителя 1 и переменного – 2. Усилитель мощности 2 типа П2П.7 не имеет обратной связи с элементом сравнения. Для гашения высокочастотных колебаний применен сильфонный дифференциатор. При резком измерении давления выхода элемента сравнения также резко изменяется и производная по времени этого давления подается в камеру отрицательной обратной связи, элемента сравнения. Реле отключения шунтирует дроссель д и сильфонный дифференциатор: при подаче Рк устройство ПФ2.1 будет работать как повторитель–усилитель мощности.

Устройство обратного предварения ПФ3.1 предназначено для замедления воздействия регулятора на объект при резких изменениях регулируемой переменной этого объекта. В сущности устройство обратного предварения представляет собой инерционное звено; его основная часть состоит из трехмембранного элемента сравнения, во входную цепь которого включена инерционная цепочка. Кроме того, в схему устройства ПФ3.1 входят усилитель мощности и отключающее реле.

  1. СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ НЭМП


Современные серийные элементы УСЭППА не полностью отвечают требованиям, предъявляемым к ним в сложных системах. Опыт широкого использования этих систем показал, что наиболее серьезные недостатки таковы:

Усовершенствование существующих элементов не позволяет полностью устранить эти недостатки, что связано с некоторыми принципиальными и конструктивными решениями. Дороговизна и громоздкость выпускаемых пневмоэлементов не позволяет использовать различные схемные усложнения с целью улучшения характеристик устройств. Поэтому наиболее перспективным путем развития пневмоавтоматики является разработка новой системы элементов, удовлетворяющей следующим требованиям: надежность, точность, быстродействие, небольшая стоимость. Первым шагом в этом направлении была разработка набора элементов и модулей пневмоавтоматики НЭМП–30. Этот набор элементов и модулей характеризуется ограниченной номенклатурой: одномембранный элемент с фиксированным сдвигом, задатчик, дроссель постоянный ламинарный, дроссель постоянный турбулентный, дроссель переменный, пневмоемкость. Питание элементов осуществляется сжатым воздухом с давлением 140 кПа.

Одномембранный элемент (рис. 38) содержит две разделенных мембраной камеры: глухую 2 и проточную 3, в которой расположено сопло 4. В одну из камер может быть помещена пружина 5. В работе мембрана 1 в зависимости от перепада давления на ней открывает или закрывает сопло 4. В основание элемента могут быть установлены пружины (могут быть и не установлены), обеспечивающие различные значения давления срабатывания элемента, которые входят в индексацию элемента. Например СК-0.08 обозначает, что сопло элемента расположено в крышке, а пружина соответствует давлению срабатывания 8 кПа; СО-0.32 – сопло элемента расположено в основании, давление срабатывания пружины 32 кПа. Существенными отличительными особенностями одномембранных элементов является простота их конструкции и изготовления, а также приспособленность к миниатюризации. Кроме того, одномембранные элементы обладают в схемах высоким коэффициентом усиления и надежностью (мембрана работает при малых перепадах давления, а при больших ложится на дно). Ресурс работы одномембранного элемента составляет несколько миллионов циклов, в то время как аналогичный элемент УСЭППА – 50000 циклов.

Одномембранные элементы позволяют сравнительно просто осуществить модульный принцип построения систем автоматики, что значительно облегчает общий монтаж схемы, проверку отдельных узлов, а также процесс восстановления работоспособности схемы. Используя модули и постоянные турбулентные дроссели, можно достаточно просто реализовать элементарные логические функции. На рис. 39 показаны примеры схем основных из них.


  1. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СТРУЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ


В основу работы струйных элементов положены три аэродинамических явления: соударение струй, эффект Коанда и турбулизация ламинарного потока в результате воздействия внешних возмущений.

Соударение струй – столкновение двух струй, направленных под углом друг к другу, которое приводит к образованию результирующей струи, не совпадающей по направлению с направлением соударяющихся струй. Направление результирующей струи определяется геометрической суммой количеств движения соударяющихся струй.

Эффект Коанда – свойство струи изменять направление течения из–за прилипания к расположенной вблизи твердой стенки. Эффект заключается в следующем. Свободная струя, вытекая из сопла (рис. 40.а), увлекает за собой частицы окружающей среды. Это приводит к образованию вторичного течения на периферии струи, которое дополнительно поддерживает захваченные частицы. Если вблизи струи отсутствуют стенки, то давление во всей области течения струи остается постоянным и струя не меняет направление течения. Если вблизи струи поместить твердую стенку (рис. 40.б), то поперечное сечение вторичного течения уменьшается со стороны твердой стенки. Происходит увеличение скорости потока и уменьшение статического давления вблизи стенки. Указанное приводит к отклонению струи к стенке под действием внешнего атмосферного давления до тех пор, пока струя не коснется стенки и не наступит равновесное состояние (рис. 40.в). В объеме, заключенном между краем струи и стенкой, образуется циркуляционная область с высокой скоростью вторичного течения и низким давлением. Если в область низкого давления ввести через дополнительный канал управляющий сигнал, эта область начинает увеличиваться, зона прилипания струи к стенке сместится по течению струи, удалясь от дополнительного канала. Когда расход управления станет равным расходу переключения, произойдет отрыв струи от стенки, что обусловит изменение направления ее течения.

Турбулизация ламинарной струи. Если по относительному длинному гладкому каналу, являющемуся соплом, подается поток, то струя, вытекающая из сопла, является ламинарной. На некотором расстоянии от среза сопла происходит переход ламинарного течения в турбулентное. Длина ламинарной части струи может уменьшаться под действием внешних возмущений. Турбулентное течение свободной струи характеризуется гораздо большей шириной струи, чем ламинарное. Это приводит к уменьшению осевой скорости турбулентной струи. Если на оси ламинарной струи расположить приемную трубку, то при отсутствии внешнего воздействия свободная струя достигнет ее, сохранив ламинарный характер, и в приемной трубке сформируется некоторое давление. При подаче управляющего сигнала происходит турбулизация струи, и давление в приемной трубке резко падает.

Струйная пневмоавтоматика – новое и весьма перспективное направление развития пневмоавтоматики, имеющее следующие отличительные особенности:



    1. Схемы элементов струйной пневмоавтоматики


Схема однокаскадного усилителя, основанного на отклонении ламинарной струи, изображена на рис. 41.а. Давление питания Рп подведено к питающему соплу, из которого выходит ламинарная струя и, поступая в приемное сопло, вызывает в нем давление Рвых1  0,8 Рп. Если в сопло управления подать давление Ру, основная струя будет им отклоняться и при Ру  0,2 Рп давление Рвых1 упадет до нуля, а Рвых2 возрастает до 0,8 Рп. Статическая характеристика усилителя показана на рис. 41.б.

Очевидно, что коэффициент усиления струйного усилителя невысок. Для повышения коэффициента усиления применяют многокаскадные или струйные усилители, использующие давление соударения (рис. 42) и турбулизации струи.

Две струи давлением Рп от источника питания направляются встречно и, соударяясь, рассеиваются в межсопловом пространстве. Если в одно из внешних концентрически расположенных сопел подать давление управления Ру, зона соударения сместится вправо и в приемном сопле появится давление Рвых. Два усилителя этого типа, соединенных в каскад, могут дать коэффициент усиления по давлению К = 8000.

В струйных реле (рис. 42) обычно используется эффект Коанда, если струю направить вдоль стенки, она попадает в приемное сопло Рвых. Для отрыва струи от стенки необходимо подать давление в сопло управления Ру. Отрыв струи от стенки и ее "прилипание" происходит скачкообразно при различных значениях Ру, то есть реле имеет гистерезис. На рис. 44 изображена схема дискретного элемента сигналов. Первоначально при включении элемента, то есть при подаче питания Рп давление появится в сопле Рвых1. Для обрыва струи от стенки нужно подать давление Ру2. Давление появится в Рвых2 и в дальнейшем струя будет поддерживаться в "отлипшем" состоянии за счет действия обратной связи при исчезновении сигнала Ру2. Переброс сигнала в Рвых, произойдет только при подаче управляющего сигнала Ру1.

Схема двоичного дискретного элемента с двумя устойчивыми положениями показана на рис. 45.а. При подаче давления Рп вся струя за счет прилипания к стенке втянется в один из выходных каналов. Для переброса ее в другой канал требуется подать кратковременный импульс Ру1 или Ру2.

На рис. 45.б изображена схема дискретного элемента с тремя устойчивыми положениями, на котором можно реализовать ряд простейших логических операций: равнозначность, неравнозначность, импликация, запрет.


    1. Комплекс струйных элементов "Волга"


Комплекс струйных элементов "Волга" состоит из функциональных, периферийных и вспомогательных элементов. Струйный функциональный элемент представляет собой единое соединение двух плат – рабочей и крышки. На рабочей наносится профиль струйного элемента. Монтаж элементов осуществляется способом штекерного разъема. Рабочий процесс элементов основан на сочетании эффекта Коанда и взаимодействия струй (табл. 3.1).

К периферийным и вспомогательным элементам относятся конечные выключатели, датчики, аппаратура ручного управления, устройства индикации.
Таблица 3.1


Тип

Условное обозначение

Функция

Тип

Условное обозначение

Функция




..\мои рисунки\методичка_1\табл 3_1_1.jpg







..\мои рисунки\методичка_1\табл 3_1_2.jpg







..\мои рисунки\методичка_1\табл 3_1_3.jpg







..\мои рисунки\методичка_1\табл 3_1_4.jpg




    1. Комплекс струйных модулей СМСТ-2


Комплекс струйных модулей логических операций, арифметических операций, запоминающих устройств, вспомогательных устройств. Комплекс модулей работоспособен при давлении питания 20  100 кПа. Модули построены с применением пассивных и активных элементов, действие которых определяется двумя явлениями – соударением двух и более струй и эффектом Коанда. При построении пассивных элементов используется эффект струй, а при построении активных – эффект Коанда. В таблице 3.2 приведены схемы элементов, их условные обозначения и реализуемые ими функции.

Таблица 3.2.


Наименование

Условное обозначение

Функция

Пассивные




..\мои рисунки\методичка_1\табл 3_2_1.jpg









Активные




..\мои рисунки\методичка_1\табл 3_2_2.jpg












ЛИТЕРАТУРА


  1. А.С. Клюев. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования. Справочное пособие, Изд-е 2-е. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

  2. А.С. Клюев. Наладка автоматических систем и устройств управления технологическими процессами. Справочное пособие. - М.: Энергия, 1977.

  3. Т.К. Берендес, Т.К. Ефремова, А.А. Тагаевская. Элементы и схемы пневмоавтоматики. Учебное пособие. - М.: Машиностроение, 1976.

  4. В.Н. Дмитриев, В.Г. Градецкий. Основы пневмоавтоматики. - М.: Машиностроение, 1973.

  5. В.И. Погорелов. Элементы и системы пневмоавтоматики. Изд. Ленинградского университета, 1979.

  6. Справочник по средствам автоматики /Под ред. В.Э. Низэ и И.В. Антика. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

  7. В.А. Дубровный. Элементы пневмоавтоматики. Учебное пособие. - Киев: КТИЛП, 1986.

  8. Приборы и средства автоматизации. Отраслевой каталог. -М.: 1986, 1991.


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации