ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

В настоящее время пневматические устройства применяются в химической, нефтехимической, газовой и других отраслях промышленности. Это объясняется простотой устройства и надежностью в эксплуатации пневматических приборов и регуляторов, а также их пожаро-и взрывобезопасностью.

В пневматике используется унифицированный сигнал — давление сжатого воздуха в диапазоне от 0,2·10⁵ до 1,0·10⁵ Па. Это позволяет соединять различные приборы и регуляторы без дополнительного согласования их входных и выходных сигналов.

Все многочисленные устройства пневматики состоят из небольшого числа элементов: пневматических резисторов, камер, измерительных элементов и др. Действие этих элементов в статике (когда воздух не движется) и в динамике (при движении воздуха) различное.

Рассмотрим основные законы пневматики.

В статике основным законом пневматики является зависимость между давлением сжатого воздуха р и вызываемой им силой F:

F = S·р, (23)

где S — площадь, на которую действует давление.

Движение воздуха по трубкам, через камеры и другие элементы сопровождается трением его о стенки, внезапными сужениями, расширениями и поворотами потока. Все это создает сопротивление движению воздуха, подобно сопротивлению электрической цепи прохождению тока.

Вообще существует аналогия между расходом воздуха через элемент и силой тока в электрической цепи, перепадом давления на элементе и падением напряжения и, наконец, сопротивлением элемента движению воздуха и электрическим сопротивлением. Поэтому зависимость между расходом воздуха Q через элемент и перепадом давления на нем Δр аналогична закону Ома и имеет вид:

Q= Δр/R (24)

где R — пневматическое сопротивление элемента.

Эта зависимость является основным законом пневматики в динамике и часто называется пневматическим аналогом закона Ома.

Величина пневматического сопротивления любого элемента является постоянной лишь при ламинарном режиме движения, когда воздух движется через элемент параллельными струями, не перемешиваясь. С увеличением скорости возникает турбулентный режим движения, при котором воздух движется с завихрениями и перемешивается. При этом пневматическое сопротивление становится величиной переменной и зависит от перепада давления на элементе. Эта зависимость имеет вид:

, (25)

где k— коэффициент пропорциональности.

Здесь можно провести аналогию с диодом, внутреннее сопротивление которого также не является постоянным и зависит от приложенного напряжения.

В пневматике пневматическое сопротивление создается специальными устройствами — пневматическими резисторами, или дросселями. Сопротивление движению воздуха в таких устройствах достигается за счет сужения проходного сечения воздушного канала. В цепях пневмоавтоматики дроссели имеют такое же значение, что и резисторы в электрических цепях.

В зависимости от назначения дроссели разделяют на постоянные и переменные. Проходное сечение постоянных дросселей в процессе работы не изменяется. Они являются аналогами постоянных резисторов. У переменных дросселей проходное сечение можно изменять в определенных пределах. Такие дроссели аналогичны переменным резисторам (например, реостатам).

По характеру движения воздуха постоянные дроссели делят на турбулентные и ламинарные. Турбулентные дроссели (рис. 24, а) обычно выполняют в виде жиклеров — каналов с малым отношением длины к диаметру, а ламинарные (рис. 24, б) в виде капилляров — каналов с большим отношением длины к диаметру.

Рис. 24. Постоянные дроссели: а — турбулентный, б — ламинарный

Наиболее распространенные конструкции переменных дросселей показаны на рис. 25.

Рис. 25. Переменные дроссели: а — цилиндр-конус, б — поршень-канавка, в — сопло-заслонка; 1 — втулка, 2 — конус, 3 — канавка, 4 — поршень, 5 — сопло, 6 — заслонка

На рис. 25, а представлен переменный дроссель типа цилиндр-конус, представляющий собой цилиндрическую втулку 1, вдоль которой перемещается конус 2. Проходное сечение такого дросселя зависит от положения конуса относительно цилиндра.

На рис. 25, б изображен переменный дроссель типа поршень-канавка. Он состоит из цилиндрической втулки 1 и поршня 4 с винтовой канавкой 3. Рабочая длина канавки изменяется при перемещении поршня вдоль втулки. Пневматическое сопротивление такого дросселя определяется не площадью проходного сечения, как в предыдущем случае, а длиной канавки.

На рис. 25, в показан переменный дроссель типа сопло-заслонка, состоящий из сопла 5 с цилиндрическим отверстием и заслонки 6. Пневматическое сопротивление такого дросселя зависит от величины зазора между соплом и заслонкой и изменяется при перемещении заслонки.

Пневматические дроссели применяются в схемах делителей давления, аналогичных делителям напряжения в электрических цепях. Простейший делитель давления состоит из двух последовательно соединенных дросселей с пневматическими сопротивлениями R₁ и R₂ (рис. 26).

Рис. 26. Делитель давления

Аналогично законам электротехники перепады давления р₁ — р₂ и р₂ — р₃ на дросселях делителя давления пропорциональны их пневматическим сопротивлениям R₁ и R₂:

(26)

Из этой формулы можно найти промежуточное давление р₂:

(27)

Промежуточное давление, как видно из формулы (27), — результат сложения двух давлений р₁ и р₂, умноженных на соответствующие коэффициенты. Поэтому схема делителя, приведенная на рис. 26, часто называется дроссельным сумматором.

Если воздух после второго дросселя выходит в атмосферу, то p₃=0. В этом случае формула (27) примет вид:

(28)

Рассмотрим теперь устройство и принцип действия элементарных пневматических преобразователей, наиболее распространенные из которых приведены в табл. 5.

Таблица 5

Мембрана. Это зажатый между фланцами гофрированный диск, чаще всего из прорезиненной ткани, с жестким диском в центре (рис. 27). Мембрана преобразует давление в силу. Так как эта сила F согласно формуле (23) пропорциональна приложенному давлению р, то статическая характеристика мембраны, как преобразователя, линейная.

Для преобразования давления сжатого воздуха в линейное перемещение или силу служат также трубчатые пружины и сильфоны.

Трубчатая пружина. Представляет собой согнутую в виде дуги трубку овального сечения (рис. 28). Один конец трубки запаян, а в другой, укрепленный неподвижно, подается измеряемое давление. Под действием давления р трубка стремится распрямиться, вследствие чего ее свободный запаянный конец перемещается. Это перемещение l пропорционально измеряемому давлению р:

L=k·p (29)

где коэффициент пропорциональности k — коэффициент передачи трубчатой пружины как преобразователя.

Рис. 27. Мембрана Рис. 28. Трубчатая пружина

Сильфон. Это гофрированная трубка, один конец которой закрыт (дно сильфона), а к другому подводится давление р (рис. 29). Под действием давления сильфон растягивается. Зависимость перемещения дна сильфона l от измеряемого давления р, как и в трубчатой пружине, выражается формулой (29).

Если перемещению дна сильфона препятствует неподвижная опора, то выходным сигналом сильфона является не перемещение, а сила F, действующая на опору. Зависимость этой силы от давления р выражается формулой (23), из которой видно, что эта характеристика сильфона также линейная.

Преобразователь сопло-заслонка. Для преобразования линейного перемещения в давление сжатого воздуха применяют переменный дроссель типа сопло-заслонка в сочетании с постоянным дросселем (рис. 30, а). Постоянный дроссель R₁ вместе с переменным дросселем сопло-заслонка R₂ образует делитель давления.

Давление питания р₁ подводится к постоянному дросселю R₁ а выходным сигналом делителя является промежуточное давление р₂ Это давление согласно формуле (28) зависит от изменяемого сопротивления дросселя R₂ и, следовательно, от перемещения заслонки l.