Пневматические каналы связи

Быстродействие пневматических устройств определяется в основном свойствами канала связи. Под каналом связи понимается сово­купность трех элементов — передающего, при­емного и собственно линии связи, которая соединяет передающий и при­емный элементы. В качестве передающих и при­емных элементов используются такие устройства, как пневматические реле, усилители, кнопки и тумблеры. Их время срабатывания мало и практически не влияет на быстродействие пневматического канала, которое по существу определяется свойствами линии связи.

Под достоверной передачей непрерывного сообщения понимается достижение на прием­ной стороне давления, отличающегося от дав­ления на передающей стороне в пределах заданной по­грешности. Фактором достоверной передачи дискретной информации можно считать изме­нение состояния приемного элемента, насту­пающего при достижении давления в конце линии, равного уровню срабатывания приемного элемента.

В системах пневмоавтоматики различают­ся два вида линий связи - короткие коммуни­кационные каналы, необходимые для соедине­ния элементов в блоках пневматических уст­ройств, и длинные каналы связи отдельных блоков между собой.

Короткие коммуникационные каналы могут представлять собой фрезерованные углубле­ния в корпусах. Длинные каналы связи выполняются в виде пластиковых или металлические трубопроводов.

Металлические трубопроводы

При построении пневматических прибо­ров особое внимание уделяют определению потерь давления на сопротивлениях и расчету расходов разветвленной цепи. Пневматические линии связи создают по­тери давления, обусловленные либо местными сопротивлениями на входе, выходе и изгибах канала, либо силами вязкого трения, распре­деленными по длине канала. Потери по длине каналов определяют по формуле

,

где k_тр - коэффициент сопротивления трения; - плотность воздуха; v - средняя скорость течения потока; l - длина канала; k - коэф­фициент трения, зависящий от режима тече­ния, формы сечения и относительной шерохо­ватости; d_г - гидравлический диаметр, рав­ный учетверенной площади поперечного сече­ния канала к периметру.

Коэф­фициент трения приближенно определяют по формуле Блазиуса:

k = 0,316 Re^-1/4.

Пневматические системы для автоматизации обычно работают на низком рабочем давлении, которое в промышленных пневмосетях поддерживается на уровне до 10 бар. В этом случае для оценки потерь давления в линии можно пользоваться следующей формулой

,

где L - длина трубы, V - объем воздуха, проходящего в линии, K – коэффициент сжатия на входе в трубку, D - диаметр трубки, k – конструктивный коэффициент. Из этого соотношения следует, что диаметр трубки является наиболее важным параметром. Теоретически снижение потерь давления можно уменьшить использованием больших диаметров трубки. Однако на практике это приводит к необходимости заполнения воздухом дополнительного объема линии, ухудшению динамических параметров и к повышению габаритов и стоимости линии.

Пример задержки времени прохождения пневмосигнала в функции длины линии и различных внутренних диаметров стандартных трубок проиллюстрирован на рис. 1.4.

Рис.1.4. Задержка времени сигнала от длины и диаметра трубки

1 - диаметр 2.1 мм, 2 - диаметр 2.8 мм

Можно также считать, что на каждые 30 м длины линии давления падает на 5 %.

При исследовании динамических свойств пневматических линий связи обычно исполь­зуется развитый аппарат исследования элект­рических длинных линий. Основанием для отне­сения пневматической линии связи к катего­рии «длинной» является соблюдение двух ус­ловий: длина линии l должна быть больше четверти длины волны передаваемых колеба­ний, а поперечные размеры линии должны быть много меньше длины волны. Длина волны, соответствующая предельной частоте работы пневматических элементов f = 20 Гц и скорости распространения звука a = 330 м/с, составляет = a/f =16,5 м. Таким образом, линии связи, имеющие протяженность более 4 м, и внутренний диаметр, измеряемый несколькими мил­лиметрами могут исследоваться с ис­пользованием аппарата анализа длинных линий.

При передаче пневматических сигналов по каналам имеет место сочетание двух процес­сов - процесса разгона массы среды и волно­вых явлений. Учет этих факторов весьма сло­жен, поэтому на практике процессы в линии описываются звеном с запаздыванием

и апериодическим звеном с постоянной времени

T = RCl²,

где l - длина линии; а - скорость звука; R и С - сопротивление и емкость единицы дли­ны линии. Правомерность такой аппроксимации лежит в пренебрежимо малом проявлении инер­ции в зоне рабочих частот, так как плотность воздуха достаточно мала при низких давле­ниях, используемых в пневматических устройст­вах.

Линия с глухой камерой на приемном конце опоражнивается быстрее, чем заполняется. Это объясняется тем, что среднее давление в линии во время опорожнения меньше, чем при заполнении. Амплитудно-частотные и фазочастотные харак­теристики такого трубопровода обладают боль­шой крутизной. Это обстоятельство почти ис­ключает возможность применения частотного и импульсного методов модуляции сиг­налов при релейно-мембранной элементной ба­зе. Амплитудный способ модуляции можно использовать при применении элементов с глухой приемной камерой. При этом с увели­чением диаметра линии давление нарастает быстрее, однако, это справедливо лишь для изолированной линии, т. е. в предположении, что скачок давления формируется источником бесконечной мощности, внутреннее сопротив­ление которого равно нулю.

Время передачидискретного сигнала по каналу связи зависит как от диаметра, так и от длины линии при заданных сопротив­лении источника сигнала, объеме входной ка­меры приемного элемента и пороге его срабатывания. Анализ переходных процессов при источнике, обладающем внут­ренним сопротивлением R_вых, показывает, что существует оптимальный диаметр линии связи, обеспечивающий минимальное время передачи сигнала, равный

,

где - кинематическая вязкость воздуха. Это соотношение определяет такую величину диаметра, при которой внутреннее сопротивление источника сигнала равно волновому сопротивле­нию линии, что соответствует известному положению теории электрических цепей.

Что касается заполнения и опорожнения линии, на входе которой имеется сосредоточенное сопротивление R_вх, то доста­точно удовлетворительную сходимость с экс­периментом дает аппроксимация экспонентой. Так, при нарастании давления во времени t на вхо­де до р₀, такая аппроксимация запишется как

.

Отмеченное выше позволяет считать, что главными недостатками пневматических линий связи являются ограниченная дальность передачи, обычно не превышающая 300 м, и низкая скорость передачи.

Существует ряд спо­собов ускорения передачи пневматических сигналов: автоматическое изменение порогов срабатывания приемных устройств, промежуточное усиление пневматических сигналов, дифференцирование пневматических сигналов, ис­пользование звуковых и ультразвуковых коле­баний, а также передача пневматических сиг­налов по проводной линия связи.

Схема одного из вариантов ускорения передачи сигнала путем ограничения давления р_вх перед при­емным элементом после его срабатывания приведена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схема ускорения передачи сигнала

Ограничение давления р_вх достигается введением дросселя R_др и клапана К. После срабатывания пневматического элемента ПЭ давление р_вых становится равным давлению питания р_пит, а кла­пан К через дроссель сообщает с атмосферой тот конец линии R_л, который связан со входом приемного элемента. Благодаря сооб­щению линии с атмосферой давление р_вх после достижения им давления срабатывания приемного элемента растет медленнее, чем это имело бы место без использования рассматриваемого приема. Максимальное входное давле­ние определяется из соотношения

.

Так как р_вх < р_пит, время отпускания при­емного элемента уменьшается.

Другим приемом увеличения скорости передачи сигналов является использование блоков предварения, установленных на при­емной стороне. Выходной сигнал на выходе блокапредварения приблизительно ра­вен сумме входного сигнала и его производ­ной, умноженной на коэффициент, зависящий от конструктивных параметров блока предва­рения. Если в начальный момент подать в линию скачкообразный сигнал, рав­ный давлению питания, то по истечении вре­мени запаздывания давление на входе блока предварения начнет повышаться по кривой, близкой к экспоненте. Вве­дение в схему блока предварения приводит к тому, что давление на его выходе растет быстрее, вследствие чего выходной элемент срабатывает раньше. Обеспечивая существенный выигрыш в скорости передачи сигнала, рассмотренный способ требует ис­пользования точного стабилизатора давления на передающей стороне.

При ускорении передачи пневматического сигнала с помощью промежуточных усилителей вдоль линии свя­зи она делится на участки.

Пневмоусилитель

После каждого участка устанавливается усилитель­ное реле. Уровень срабатывания каждого из реле ниже передаваемого по линии сигна­ла, давление которого равно давлению питания. Выходным сигналом каждого из усили­тельных реле является давление питания. Уско­рение передачи сигнала тем больше, чем ни­же уровень срабатывания реле. Однако при значительном гистерезисе может возникнуть проигрыш во времени при передаче нулевого сигнала. Поэтому к выбору усилительных реле предъявляют достаточно жесткие требования. Этот способ, обеспечивая достаточный выигрыш в скорости передачи, требует наличия линии питания вдоль всей линии связи, а также введения промежуточ­ных усилителей.

Имеется возможность передачи дискретных пневматических сигналов с помощью звуковых или ультразвуковых ко­лебаний непосредственно по воздуху либо по специальным звукопроводам. Передача сигна­лов с помощью звуковых или ультразвуковых колебаний является естественным переходом от собственно пневматики к акустике и автома­тически обеспечивает пожаровзрывобезопасность каналов связи. Однако передача пневматических сигналов с по­мощью звуковых колебаний ограничена расстоянием до 20 м из-за значительного затухания звуковых ко­лебаний. Кроме того, преобразователи пневматического сигнала, задаваемого в ви­де давления, в звуковой или ультразвуковой сигнал и преобразователи звукового или ультразвукового сигнала в давление сжатого воздуха сложны и относительно слабо защищены от звуковых по­мех, создаваемых работающими производст­венными агрегатами.

Существует возмож­ность преобразовать пневматический сигнал в электрический, передать этот сигнал на достаточно большое расстояние и осуществить пре­образование электрического сигнала обратно в пневматический. Преобразование сигналов и их пере­дача может быть осуществлена без применения источников электрического питания. Этот способ пе­редачи реализуется с помощью пьезокерамических преобразователей и позволяет осуществить ускоренную передачу пневмати­ческих сигналов частотой до 40 Гц на рас­стояние до 1 км при сохранении одного из основных достоинств пневматики - пожаровзрывобезопасности.

В течение многих десятков лет развития пневмоавтома­тики основным материалом для прокладыва­ния линий связи являлись медные, стальные или алюминиевые трубы. Высокая стоимость самих труб и их монтажа, низкая ремонто­пригодность, а также широкое развитие пневмоавтоматики привели к замене металлических труб поливинилхлоридными или полиэтиленовыми. Металлические трубы остались только на объектах с повышенной или пониженной температурой окружающей среды, а также с повышен­ной пожароопасностью. Для соединения пластиковых трубок выпускаются стандартные быстроразъемные элементы.

Полиэтиленовые трубки допускает­ся применять при температуре окружающей среды от -60 до +50°С и не разрешается использовать в условиях тропического климата и при нали­чии гамма-радиации. Поливинилхлоридные трубки допускается применять только для внутренних проводок, в пожароопасных помеще­ниях при температуре окружающей среды от -40 до +50°С.