Статические характеристики наиболее часто

Применяемых элементов

Статический элемент с сухим трением. Применяется в качестве основной части комбинированных реле давления и температуры, контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и т.п. (рис. 5.13).

Рисунок 5.13. Измеритель давления и его структурная схема

Уравнение статического равновесия без учета сил сухого трения

,

где здесь и далее знаком обозначается приращение параметра;

– жесткость пружины;

z – перемещение точки А (в дальнейшем, перемещение муфты).

Сильфон 1 является чувствительным элементом (ЧЭ) для измерения давления, элемент сравнения (ЭС) в данном случае сведён к точке А, в которой происходит сравнение координаты задания y_зад с координатой входного сигнала. Как правило, координата задания (уставка) определяется величиной предварительной затяжки главной пружины z_пр.з.

Связь выходной координаты y с ЭС определится выражением в исполнительном элементе (ИЭ).

Для приведения к относительным единицам в уравнение введем

и ,

где и - паспортные значения для номинального режима.

Тогда для частного случая z_пр.з. = 0 получим

или

,

где .– коэффициент статической передачи измерителя давления, определяемый соотношением параметров, характеризующих данный статический элемент. Семейство статических характеристик измерителя давления представлено на рис. 5.14.

Рисунок 5.14. Семейство статических характеристик измерителя давления

Изменение величины предварительной затяжки пружины обеспечивает эквидистантный перенос статической характеристики, таким образом, обеспечивается «всережимность» прибора. Наклон статической характеристики определится величиной ее проекции на ось абсцисс, равной δ.

Другое определение δ – степень неравномерности статической характеристики, или статизм, или «остаточная ошибка регулирования».

Наклон статической характеристики определяется величиной угла γ :

или .

На практике это достигается путем введения устройства, позволяющего изменять угол наклона (см. рис. 5,14) дополнительной пружины и соответственно регулировать величину приведенной к муфте жесткости суммарной пружины (главной и дополнительной).

Силы трения в механизме измерителя давления в шарнирах рычага 5 на практике вносят изменение в статическую характеристику (рис. 5.15, а).

Заштрихованная область – зона нечувствительности измерителя давления. При медленном (статическом) увеличении координаты (давление) от точки 1 на участке 1-2 никакого перемещения координаты не произойдет, так как с учетом сил сухого трения в уравнении в правой части добавится член , где – сила сухого трения, она всегда направлена противоположно направлению движения (следует помнить, что силы трения покоя несколько больше сил трения при движении).

Далее, при увеличении входного сигнала начинается перемещение до точки 3. При дальнейшем уменьшении (от точки 3 до точки 4 ) y = 0 и, далее, будет уменьшаться до точки 5. Зона нечувствительности прибора

называется степенью нечувствительности .

На рис. 5.15,б представлены реальные статические характеристики измерителя давления с зоной нечувствительности, полученной путем многократного определения при медленном увеличении и затем уменьшении координаты .

Степень нечувствительности статической характеристики определяется как

о.е.

или

.

Для большинства статических элементов зависимость выходной координаты от входной (при фиксированном другом канале проводимости в общем случае) прямолинейна. Наибольшее ее отклонение от прямолинейной зависимости называется степенью непрямолинейности статической характеристики (см. рис. 5.15, в).

Для определения соединяют хордой начало и конец характеристики, проводят касательную к характеристике, параллельную хорде.

Для определения необходимо многократно отснять статическую характеристику. Изображенная на рис. 5.15,в кривая будет являться среднестатистической линией эксперимента, а наибольшее значение полученной зоны нечувствительности определит величина .

Рисунок 5.15. Статическая характеристика измерителя давления

с учетом сил сухого трения:

а – теоретическая; б – реальная;

в – параметры статической характеристики

Статический элемент с гистерезисом. В любом реальном статическом элементе при его нагружении и разгрузке энергия деформации диссипирует (рассеивается) в окружающую среду в виде тепла. Это приводит к появлению зоны нечувствительности элемента.

Эффект (внешний) аналогичен влиянию сил сухого трения на степень нечувствительности. В частности, сильфон вследствие релаксационных явлений материала вносит дополнительно к силам сухого трения зону нечувствительности (поле гистерезиса), рис. 5.16, а.

Рисунок 5.16. Статические характеристики:

а – элемент с гистерезисом; б – элемент с зазором; в – астатический элемент с перекрышей;

г – статический элемент с «пассивной» зоной

Эта зона, как правило, невелика, но вместе с силами сухого трения она определяет степень нечувствительности прибора, например, комбинированного реле давления.

Статический элемент с зазором. Люфты и зазоры характерны для большинства элементов судовой автоматики, например, зазор в подшипнике рычага 5 и в кулисном сопряжении штока 4 и рычага 5 (см. рис. 5.13).

Влияние зазоров и люфтов на статическую характеристику элемента (см. рис. 5.16, б) аналогично влиянию сил сухого трения.

Должно произойти изменение входной координаты от точки 1 до точки 2 для выборки всех люфтов и зазоров, прежде чем начнется изменение выходной координаты

,

где – суммарное значение зазоров и люфтов;

– (паспортное) суммарное значение люфтов и зазоров в элементе.

Астатический элемент с перекрышей. Примером является золотниковый элемент управляющего устройства усилителя мощности (гидравлический или пневматический, (см. рис. 5.16,в). Входная координата (перемещение золотника) при , где – перекрыша элемента, вызовет соответствующее практически мгновенное изменение выходной координаты в том или ином направлении. Чувствительность элемента определяется величиной перекрытия золотника и зависит от точности выполнения и качества изготовления деталей. Такие астатические элементы ( ) представляют собой прецизионную сборочную единицу.

Статический элемент с пассивной зоной (см. рис. 5.16, г).

На участке статической характеристики ( ) выходная координата не изменяется ( ).

Например, для измерителя давления это может быть достигнуто путем применения двух пружин различной жесткости при соответствующих предварительных затяжках пружин. Используют «пассивную» зону для целей регулирования объекта (двухрежимные регуляторы).

При этом первая зона статической характеристики обеспечивает управление минимальным режимом, вторая – максимальным.

Вышеприведенные статические элементы получили в эксплуатации широкое применение (это датчики и сигнализаторы, чувствительные элементы давления и температуры, измерители частоты вращения, регуляторы температуры, давления и уровня и т.д.).