Элементы сопло-заслонка

Много параметров автоматических систем, таких как поток, давление, температура, уровень, могут быть преобразованы в малые перемещения. Элемент сопло-заслонка позволяет преобразовать эти перемещения в изменение давления, используя свойства соответствующего дросселя. В этом смысле этот элемент является универсальным преобразователем и датчиком в пневматических автоматических системах управления.

Схема элемента сопло-заслонка приведена на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Схема элемента сопло-заслонка

1- канал питания, 2 – дроссель, 3 – измерительная камера, 4 – сопло, 5 – заслонка, 6 – выходной канал

Давление питания поступает через дроссель в измерительную камеру. Струя сжатого воздуха проходит через сопло, формируя давление в измерительной камере, которое зависит от положения заслонки X, перемещение которой является входным сигналом. При приближении заслонки к соплу давление P на выходе возрастает.

Объем V представляет собой объем трубопровода от датчика к индикатору. Уравнение для массового расхода данной системы можно записать в виде

.

Эту же величину для идеального газа можно выразить как

,

где w = 29 – молекулярный вес воздуха, , R – универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура среды.

Уравнение массового расхода через дроссель

,

где C_D – конструктивный коэффициент, d₀ – диаметр дросселя, - плотность воздуха.

Уравнение массового расхода через сопло

,

где d_N - диаметр сопла, P_a – атмосферное давление.

В статическом состоянии dP/dt and равны нулю, поэтому

.

Так как избыточное давление атмосферы равно нулю, из последнего уравнения получим

.

Отсюда выводится соотношение между выходным давлением и перемещением заслонки.

.

Типовая аппроксимация соотношения между выходным давлением и перемещением заслонки приведена на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Зависимость выходного давления от перемещения заслонки

Если сопло полностью перекрывается заслонкой, то выходное давление равно давлению питания. Минимально возможное выходное давление может быть ниже атмосферного при диаметре сопла большим диаметра дросселя, так как в этом случае появляется эжекционный эффект (см. 6.2).Обычно в качестве рабочей зоны характеристики выбирают зону X_w, поскольку она является наиболее линейной и обладает высокой чувствительностью.

При необходимости расширения рабочей зоны входных перемещений используется конструкция с кольцевым каналом питания (рис. 2.23).

Рис. 2.23. Конструкция с кольцевым каналом питания

1 – корпус, 2 – вход канала питания, 3 – кольцевой канал, 4 – заслонка,

5 – измерительный канал

Давление питания поступает в кольцевой канал со спиральной нарезкой, что позволяет на выходе сопловой части получить струю, способную отражаться от заслонки в измерительный канал с расстояний до 5 мм.

Выходное давление может подаваться на пневмоэлектрический переключатель, коммутирующий управляющие цепи при заданном давлении переключения. Промышленные переключатели имеют рабочий диапазон давлений от - 0.9 бар до 12 бар при допустимом диапазоне температур от - 20 C° до + 60 C°.

Струйные трубки

Пневматические усилители со струйной трубкой предназначены для преобразования незначительных уси­лий, образуемых датчиком, в сравнительно мощные потоки воз­духа, направляемые в полости пневматического поршневого исполнительного механизма. Коэффициент усиления по мощно­сти устройства можно значительно повысить, если к усилителю со струйной трубкой присоединить второй каскад усиления, выполненный, например, в виде золотника. В этом случае управля­ющие потоки воздуха с выхода струйной трубки будут направ­ляться в соответствующие камеры плунжера золотника.

Применение многокаскадных пневматических усилителей связано со стремлением поднять коэффициент усиления по мощности и по давлению, равный в этом случае произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов, не увеличивая усилие, развиваемое датчиком и необходимое для приведения в действие струйной трубки. Возможно увеличение коэффициента усиления струйной трубки за счет увеличения давления питания. Однако это приведет также и к увеличению перестановочного усилия, развиваемого датчиком, и уменьшению точности, так как в этом случае увеличивается сила реакции струи и возрастает момент трения в подшипниках трубки. Схема струйной трубки приведена на (рис. 2.24) .

Рис. 2.24. Схема струйной трубки

Она состоит из трубки 3, на конце ко­торой имеется выходное сопло 2. Трубка в верхней своей части соединена с тройником 5, который имеет две опоры: иглу 4 и регулировочный полый винт 7, через который к трубке подводит­ся питающий воздух под давлением. Для предотвращения утечки воздуха винт 7 уплотнен резиновым кольцом 6. Благода­ря опорам трубка может свободно поворачиваться на некоторый угол вокруг оси, совпадающей с осью винта 7 и иглы 4. Поворот трубки происходит за счет внешнего усилия, прикладываемого к зоне 8 со стороны датчика, при этом обычно в противополож­ную сторону действует усилие пружины задающего элемента. Под соплом расположена плата 1 с приемными отверстиями.

Струйные трубки

Увеличение числа каскадов приводит к более существенному увеличению соответствующих коэффициентов усиления, но при этом необходимое усилие со сто­роны датчика не увеличивается, так как первый каскад питается более низким давлением, чем второй и т. д. В качестве каскадов усиления помимо струйных трубок и золотников применяют усилители сопло-заслонка и струйные усилители.