Пневмопреобразователи. Классификация элементов пневмоавтоматики

Пневмопреобразователи.
Классификация элементов пневмоавтоматики.
1. По принципу действия делятся:
а) Пневмоусилители и преобразователи непрерывного действия делятся (по принципу построения):
① По схеме компенсации перемещения.
② По схеме компенсации усилия.
б) Пневмоусилители и преобразователи дискретного действия:
① Шифраторы.
② Дешифраторы.
2. По принципу преобразования делятся:
а) Пневмоэлектрические:
① Статические.
② Кинетические:
ⓐ Меточные.
б) Электропневматические:
① Статические:
ⓐ Однофазные.
ⓑ Двухфазные.
② Кинетические:
ⓐ Струйные:
В струйных ЭПП под действием управляющего элект­рического сигнала возможно в зависимости от конструктивного исполнения:
а) расширение ламинарной незаряженной струи вследствие ее турбулизации (струйные ЭПП с изменением режима тече­ния струи);
б) отклонение заряженной или незаряженной струи относи­тельно приемных сопл в определенную сторону (струйные ЭПП с отклонением струи);
в) изменение угла раскрытия предварительно закрученной струи (струйные ЭПП с изменением параметров закручен­ных потоков);
г) изменение кинетической энергии соударяющихся струй (струйные ЭПП с соударением струй);
д) изменение профиля скоростей в струе.
ⓑ Дроссельные:
а) С изменением профиля скоростей.
б) С изменением параметров вихреобразований в потоке.
в) С изменением параметров закрученных потоков.
г) С изменением режима течения.
в) Механопневматические (электромеханопневматические):
① Электромеханопневматический преобразователь с электростатическим управлением.
② Электретные электромеханопневматические преобразователи с электростатическим управлением.
г) Пневмомеханоэлектрические:
① Статические.
② Астатические.
Пневматические усилители и преобразователи.
Пневмоусилители и преобразователи непрерывного действия, применяемые в приборах и устройствах пневмоавтоматики, выполняют по двум принципиально различным схемам: компенсации перемещения и компенсации усилия. В первом случае входной сигнал — перемещение чувствительного органа, а во втором случае — усилие, прилагаемое к чувствительному органу, в пневмопреобразователях преобразуются в пропорциональные этим величинам давления сжатого воздуха.
По схеме компенсации перемещения построен пневмоусилитель типа сопло - заслонка (рис. 8.8, а). В нем сжатый воздух постоянного давления р₁ от источника питания через постоянный дроссель 1 поступает в междроссельную камеру 2. Из нее через сопло 5, прикрываемое заслонкой 4, воздух вытекает в атмосферу. Сопло 5 с заслонкой 4 образуют управляемый дроссель 3. Входным сигналом является перемещение х заслонки 4 относительно сопла 5. При перемещении заслонки изменяется расстояние h между соплом и заслонкой и, следовательно, изменяется сопротивление управляемого дросселя 3. Это, в свою очередь, изменяет давление р₂ в междроссельной камере 2, которое и является выходным сигналом усилителя. По линии связи давление р₂ передается в глухую камеру 6 измерительного прибора или другого пневматического устройства.
Статическая характеристика усилителя (рис. 8.8, б) представляет собой зависимость выходного сигнала (давления р₂) от изменения входного сигнала (зазора h между соплом и заслонкой). Как видим, достаточно незначительного перемещения заслонки относительно сопла (около 0,05 мм), чтобы выходное давление р₂ изменилось на 90—95 % его полного диапазона. Статическая характеристика усилителя типа сопло – заслонка по рисунку нелинейна. На практике такие усилители работают не на всем диапазоне изменения давления, а лишь на участке с линейной частью характеристики.
Поскольку в состав усилителя входит пневматическая проточная камера с управляемым дросселем на выходе, расчет ее статической характеристики довольно сложен. Для этого расчета можно воспользоваться графиками (см. рис. 8.7, б), как и для проточной камеры с турбулентными дросселями.

Рис. 8.8. Пневмоусилитель типа сопло — заслонка: а – схема; б – статическая характеристика.

Рис 8.9. Пневмопреобразователь (а), работающий по схеме компенсации усилия, и пневмоусилитель непрерывного действия (б).

Пневмопреобразователь, работающий по схеме компенсации усилия (рис 8 9, а), состоит из постоянного дросселя 4, через который сжатый воздух под давлением р₁ поступает в междроссельную камеру 5, и управляемого дросселя, образованного соплом 1 и заслонкой 2. В качестве заслонки 2 служит торец жесткого центра эластичной мембраны 3 Входным сигналом преобразователя является усилие х, приложенное к жесткому центру мембраны. Принцип компенсации усилия в этой схеме состоит в том, что изменение выходного давления р₂ в междроссельной камере 5, вызванное изменением входного сигнала (усилия) х, продолжается до тех пор, пока усилие, создаваемое давлением на мембране 3, не становится равным усилию входного сигнала х Давление р₂ в междроссельной камере 5 изменяется вследствие изменения зазора h между соплом 1 и заслонкой 2, вызванного изменением входного сигнала х. Изменение выходного давления р₂ в междроссельной камере 5 по линии связи передается в глухую камеру 6 измерительного прибора или пневматического регулятора для отработки управляющего воздействия.
В этом преобразователе сопло и заслонка находятся внутри проточной камеры, а воздух из междроссельной проточной камеры 5 вытекает не в атмосферу, а в другую камеру прибора с давлением р₃. Такие пневмопреобразователи называют пневмопреобразователями с закрытым соплом, в отличие от преобразователей с открытым соплом, где сжатый воздух через сопло вытекает в атмосферу (см. рис 8.8., а). Примерный вид статической характеристики для пневмопреобразователя с закрытым соплом тот же, что и для преобразователя с открытым соплом (см. рис 8 8, б). Пневмопреобразователи непрерывного действия представляют собой проточные камеры с постоянным сопротивлением на входе и регулируемым — на выходе.
Рассмотренные пневмопреобразователи непрерывного действия одновременно являются н пневматическими усилителями.
В качестве примера пневматического усилителя непрерывного действия рассмотрим усилитель, принципиальная схема которого показана на рис. 8.9, б [6] Усилитель состоит из пневмопреобразователя типа сопло—заслонка, включающего в себя постоянный дроссель 4, проточную камеру А и управляемый дроссель с соплом 1, и мембранного блока с мембранами 3 и 7, соединенными жестким центром 2, с эффективными площадями f и F, причем F > f. Торец жесткого центра 2 служит одновременно заслонкой сопла 1. Усилитель имеет две проточные камеры камеру Г с постоянным дросселем 6 на входе и регулируемым дросселем 8 на выходе и камеру В с постоянным дросселем 9 на входе и регулируемым дросселем 5 на выходе. Проводимости дросселей 6, 8, 9 и 5 соответственно ₁, ₂, ₃ и ₄. Пневматические проточные камеры Г и В с постоянными дросселями на входе и регулируемыми на выходе представляют собой пневматические делители давления. Давление в камерах определяется настройкой регулируемых дросселей 5 и 8. Наличие двух регулируемых дросселей позволяет изменять коэффициент усиления в широких пределах
Работает усилитель следующим образом. Давление питания из магистрали через постоянный дроссель 4 подводится к междроссельной камере А, а из нее через сопло 1 и камеру Б сжатый воздух выходит в атмосферу. Давление р_вых междроссельной камеры А зависит от проводимости управляемого дросселя (положения заслонки относительно сопла 1). Из междроссельной камеры А сжатый воздух поступает на выход усилителя и по линии отрицательной обратной связи через дроссель 9 — в проточную камеру В, а из нее через регулируемый дроссель 5 уходит в атмосферу. Давление р₂ в этой камере и усилие, действующее на мембранный блок вверх (F > f), зависит от проводимости (настройки) регулируемого дросселя 5.
Пневматический сигнал р_вх, который требуется усилить, подается через постоянный дроссель 6 в проточную камеру Г пневматического делителя. Давление р₁ в этой камере, а значит, и усилие, действующее вниз на мембранный блок, зависит от настройки регулируемого дросселя 8.
Усилию, создаваемому давлением р₁ на мембранном блоке, противодействует усилие, создаваемое на мембранном блоке давлением р₂ со стороны проточной камеры В. При увеличении, например, давления р₁ (вследствие возрастания давления р_вх) мембранный блок перемещается вниз. В результате этого заслонка приближается к соплу и давление р_вых в междроссельной камере А увеличивается. Соответственно повышается и давление перед дросселем 9 и в проточной камере В. Это увеличение происходит до тех пор, пока усилие, действующее на мембранный блок вверх со стороны камеры В, не уравновесит усилие, действующее на этот же блок вниз со стороны камеры Г.
Таким образом, необходимая пропорциональная зависимость р_вых от р_вх обеспечивается отрицательной обратной связью: чем выше давление р_вх (а значит, и р₁), тем выше давление р₂ (а значит, и р_вых), и наоборот.
Уравнение усилителя в статическом режиме можно получить, решив систему уравнений, два из которых являются уравнениями расходов проточных камер Г и В, а третье выражает равенство сил на мембранном блоке [6]:

Решая эту систему уравнений (исключая из уравнений р₁ и р₂), получаем

Здесь К_p - коэффициент усиления усилителя

Анализируя зависимость (8.18), легко заметить, что наличие двух регулируемых дросселей с проводимостями ₂ и ₄ позволяет в широких пределах (1 > К_р > 1) изменять коэффициент усиления К₀. Из зависимости (8.17) следует, что рассмотренный усилитель осуществляет пропорциональный закон усиления входного сигнала.
Пневмоусилители и преобразователи дискретного действия. Необходимость в пневмопреобразователях дискретного действия возникла в связи с развитием пневматических дискретных систем автоматического управления, где непрерывная форма пневматических сигналов оказалась неприемлемой.
Преобразователи дискретного действия разделяются на шифраторы и дешифраторы. Шифраторы преобразуют непрерывный входной сигнал в дискретные выходные сигналы, зашифрованные в соответствующий код. В основе построения таких шифраторов лежит использование пространственных носителей кода, создающих на различных участках своей поверхности резко различающиеся сопротивления истечению сжатого воздуха из выходного сопла в атмосферу. Простейшие носители кода — кодирующие диски или барабаны с различными радиусами наружной поверхности на разных участках, перфокарты или перфоленты.
Простейший дискретный пневмопреобразователь (рис. 8.10, а) состоит из кодирующего диска 1, выходного сопла 2 и постоянного дросселя 4. Поверхность кодирующего диска и сопло образуют управляемый дроссель, а пространство между соплом и постоянным дросселем образует проточную камеру 3, давление в которой зависит от расстояния между соплом и поверхностью кодирующего диска (радиусов r₁ и r₂). Давление питания в преобразователь подается через постоянный дроссель 4 Поверхность кодирующего диска выполнена таким образом, что ее участки либо прикрывают сопло (поверхность радиуса r₁), либо оставляют его свободным (поверхность радиуса г₂). В первом случае в междроссельной камере создается максимальное давление, условно принятое за «1» (р_вых = 1), во втором — резко падает и достигает значения, обозначаемого условно «0» (р_вых = 0). Таким образом, на выходе преобразователя получаем комбинацию выходных дискретных сигналов «0» и «1», закодированных в соответствии с профилем наружной поверхности кодирующего диска 1. Входным сигналом преобразователя служит непрерывное или шаговое вращение кодирующего диска.

Рис. 8.10. Дискретные пневмопреобразователи: а — с кодирующим диском; б — с перфокартой (перфолентой).

Пневмопреобразователь, изображенный на схеме 8.10, б, отличается от рассмотренного тем, что в качестве пространственного носителя кода применена перфокарта (перфолента), получающая непрерывное или шаговое поступательное перемещение. Работает преобразователь аналогично рассмотренному ранее. В момент времени, когда напротив сопла 2 оказывается не пробитая часть перфокарты (перфоленты) и сопротивление истечению воздуха из камеры 3 через сопло 2 максимально, давление в камере 3 максимально и на выход поступает сигнал р_вых= 1. Если же напротив сопла 2 оказывается отверстие в перфокарте (перфоленте), давление в камере 3 минимально и на выход поступает сигнал р_вых = 0.

Такие преобразователи используют для осуществления струйного способа считывания сигналов, применяемого в пневматических программных задающих устройствах (более подробно см. далее).
Показанные на рис. 8.10 пневмопреобразователи одноразрядные. В системах пневмоавтоматики, как правило, применяют много разрядные дискретные преобразователи, которые состоят из нескольких одноразрядных. В этих случаях в качестве пространственного носителя кода используют не кодирующие диски, а кодирующие барабаны, на поверхности которых нанесено необходимое количество шифровальных дорожек, вдоль которых расположены выступы в соответствии с принятым кодом и разрядностью пневмопреобразователя. Каждый из одноразрядных преобразователей, входящих в состав много разрядного, считывает информацию со своей шифровальной дорожки кодирующего барабана.
Поскольку питание рассмотренных усилителей осуществляется через постоянные дроссели 4, ограничивающие расход сжатого воздуха, который поступает в междроссельную камеру 3, мощность их выходного сигнала незначительна и требует усиления. В качестве усилителей мощности выходного сигнала в дискретных пневмопреобразователях обычно применяют мембранные усилители релейного типа.
Усилитель (рис. 8.11, а) состоит из камер А, Б и В, разделенных эластичными мембранами 4 и 2 с эффективными площадями F и f, причем F > f что позволяет сделать камеру Б управляющей. Жесткие центры мембран связаны между собой втулкой 3 и являются одновременно заслонками сопел 1 и 6. В камере В расположена пружина 5, прижимающая в отсутствии входного сигнала мембранный блок к соплу 1. Настраивают усилитель на определенный порог срабатывания (чувствительности), который зависит от жесткости и натяжения пружины и соотношения эффективных площадей мембран.
Давление питания р_пит подводится к соплу 1. Входной дискретный сигнал, мощность которого подлежит усилению, подводится в камеру Б. Выходная линия усилителя через сопло 6 и камеру В связана с атмосферой.

Рис. 8.11. Дискретные пневмоусилители: а - мембранный релейного типа; б - струйных сигналов двухкаскадный.

В нормальном положении, когда входного сигнала р_вх нет (р_вх= 0), мембранный блок пружиной 5 прижат к соплу 1. при этом сопло 1 закрыто, выходная линия отсоединена от линии питания и через сопло 6 и камеру В сообщается с атмосферой. Давление на выходе р_вых = 0. При подаче в камеру Б входного сигнала р_вх, превышающего порог срабатывания, усилие на мембранном блоке, направленное вверх (F>f), превысит усилие пружины 5 и мембранный блок переместится вверх, открывая сопло 1 и закрывая сопло 6. при этом выходная линия усилителя отсоединяется от камеры В и атмосферы и через сопло 1 соединится с линией питания. На выходе усилителя установится давление р_вых = р_пит, условно принятое за «1»: р_вых = 1. При снятии давления р_вх мембранный блок под действием пружины 5 возвращается в исходное положение. При этом сопло 1 закрывается, а выходная линия через сопло 6 и камеру В вновь сообщается с атмосферой. Выходной сигнал вновь становится равным «0» (р_вых = р_вх = 0).

Таким образом, при подаче на вход усилителя дискретных сигналов «0» и «1» на выходе получаем также дискретные сигналы соответственно «0» и «1», усиленные по мощности. Коэффициент усиления может быть весьма большим и зависит только от размеров мембран, их жестких центров и давления р_пит.
В качестве примера рассмотрим еще один усилитель (ПФ67-21), предназначенный для усиления дискретных пневматических сигналов (по давлению и расходу) в системах управления, построенных на струйных элементах. Усилитель содержит два каскада усиления (рис. 8.11, б): 1) давления; 2) расхода. Первый каскад состоит из глухой камеры А и проточной камеры Б с постоянным дросселем 6 на выходе. Второй каскад состоит их управляющей камеры В, проточной камеры Г, камеры выхода Д, камеры питания Е и клапанного узла 1, связанного с жестким центром мембраны 7.
Давление питания усилителя подводится в камеру Е. Через дроссель 2 сжатый воздух поступает в управляющую камеру В через сопло 3, камеру Б и дроссель 6 выходит в атмосферу. Под действием давления питания в камере Е клапанный узел 1 приподнимается. При этом выходная камера Д отсекается от камеры питания Е и через камеру Г соединяется с атмосферой. На выходе усилителя устанавливается давление р_вых, равное атмосферному давлению р_а, а в камерах Б и В – давление, определяемое сопротивлениями дросселей 2, 6 и сопла 3.
При поступлении управляющего сигнала р_у в камеру А мембрана 5 под действием усилия давления и силы тяжести центра перемещается вниз. При этом заслонка 4 перекрывает сопло 3. управляющая камера В становится глухой, и вследствие поступления сжатого воздуха через дроссель 2 давление в ней возрастает, достигает значения, достаточного для перемещения клапанного узла 1 вниз. При этом выходная камера Д отсекается от камеры Г и соединяется с камерой питания Е. На выходе усилителя устанавливается давление, равное р_пит.
Усилитель струйных сигналов обеспечивает широкий диапазон изменения выходного давления р_вых = 0,14 …0,63 МПа, что дает возможность использовать струйные системы управления в сочетании с аппаратурой среднего и высокого давления. Входное давление усилителя изменяется в широких пределах: р_у = 0,6 …5 кПа.
Коэффициент усиления первого каскада усилителя струйных сигналов определяется отношением эффективных площадей мембраны 5 и сопла 3:

где - диаметры соответственно заделки и жесткого центра мембраны; d_с — диаметр сопла. Например, для усилителя ПФ67-21 максимальный коэффициент усиления К_р = 870. Однако для надежной работы усилителя рекомендуется коэффициент К_р = 300...400.
При подаче управляющего сигнала р_у на мембрану 5 со стороны камеры А действует усилие

где G_ц — сила тяжести жесткого центра мембраны. Со стороны камеры Б на нее действуют давление р_В­ и реакция струи, вытекающей из сопла 3. В результате [6]

где G — массовый расход воздуха через сопло; r_с — радиус сопла; ₀ — плотность воздуха на срезе сопла.
При р_у > р_В мембрана с заслонкой перемещаются вниз, перекрывая сопло 3, что вызывает нарастание давления р₁ в камере В. Момент переключения клапанного узла определяется из условия равновесия сил на мембране 7. Со стороны камеры В на мембрану действует усилие

где - эффективная площадь мембраны 7; G_К — сила тяжести клапанного узла; d₂ диаметр жесткого центра мембраны. Снизу на клапанный узел действует усилие

где f_K=d²_K/4 – площадь клапана; F_э2 = F_э1 – f_к - эффективная площадь мембраны 7 со стороны камеры Г. Надежное переключение клапанного узла обеспечивается при р₁ >>р₂.
Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА).
Функциональное назначение элементов УСЭППА. По функциональному назначению набор элементов УСЭППА можно разделить на три группы; 1) элементы непрерывного действия; 2) релейного действия; 3) вспомогательные элементы.
Набор элементов УСЭППА функционально полон. Он включает элементы, необходимые для построения любого управляющего устройства непрерывного действия, любой релейной схемы и любого управляющего устройства непрерывно-дискретного действия.
Элементы системы унифицированы. Один и тот же элемент можно многократно применять в одной схеме и использовать в схемах самых различных приборов. Элементы представляют собой завершенные конструкции, каждый из них выполняет определенную элементарную функцию и имеет определенную характеристику, поэтому при включении в схему никакой дополнительной отладки не требует. Особенность УСЭППА состоит в том, что в ее элементах предельно унифицированы отдельные детали, в частности, все элементы имеют одни и те же монтажные детали. Монтаж элементов в схемы ведут на специальных пластинах-платах, внутри которых проходят все коммутационные каналы [30].

Рис. 8 18 Пневмокнопки (а - в) и пневмотумблер (г).

Пневмокнопки и пневмотумблеры (рис. 8.18) предназначены для ручной подачи командных сигналов в схемах пневмоавтоматики и выполняются двух видов — разомкнутыми и замкнутыми. Разомкнутая пневмокнопка (рис. 8.18, а) кратковременно подает давление питания в схему после кнопки. Давление питания подведено через штуцер / в камеру, закрытую пневмоконтактом типа сопло – заслонка. В нормальном состоянии (при не нажатой кнопке) линия выхода 2 через отверстие внутри стержня сообщается с атмосферой и на выходе кнопки давление р = 0. Когда кнопку нажимают, стержень опускается, открывает пневмоконтакт сопло – заслонка и линия питания 1 сообщается с линией выхода 2. На выходе кнопки появляется выходной сигнал р =р_пит.
Нормально замкнутые кнопки (рис. 8.18, б, в) в свободном состоянии (при не нажатой кнопке) дают на выходе давление р =р_пит, а при нажатой кнопке – атмосферное давление.
Принцип действия пневмотумблера (рис. 8.18, г) аналогичен принципу действия нормально разомкнутой пневмокнопки (рис 8.18, а).
Преобразователи в УСЭППА применяют трех видов — пневмоэлектрические, электропневматические и механопневматические.
Пневмоэлектрические преобразователи (рис. 8.19, а) превращают пневматический дискретный сигнал в электрический. Состоит преобразователь из двух секций: мембраны и переключателя. Дискретный пневматический сигнал p₁, подаваемый на вход преобразователя, перемещает вверх подпружиненную мембрану, которая с помощью толкателя размыкает нормально разомкнутый контакт и замыкает нормально разомкнутый контакт переключателя.

Рис. 8.19. Преобразователи: а – пневмоэлектрический, б – электропневматический.

Когда дискретный сигнал р₁ снят, пружина отводит мембрану и возвращает контактную пластину переключателя в исходное положение.

Электропневматический преобразователь (рис. 8.19, б) преобразует электрический дискретный сигнал постоянного тока в пневматический. Состоит преобразователь из двух контактного клапана и электромагнита, якорь которого связан с заслонкой. При подаче напряжения на катушку электромагнита заслонка перемещается между двумя соплами, открывая одно из них и закрывая другое, таким образом, соединяя или отключая выходную линию преобразователя от линий дискретных входных сигналов р₁ или р₂.
Механопневматический дискретный преобразователь (конечный выключатель) представляет собой сочетание двух контактного узла (пневмокнопки) и механического толкателя [30].


гидро - и пневмомеханоэлектрические ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.
Рассмотренные преобразователи на практике всегда использу­ются в той или иной подходящей к случаю комбинации друг с другом, что приводит к большому разнообразию схем преобразо­вания. Чтобы получить о них общее представление, обратимся к универсальной структурной схеме преобразователей гидравлических (пневматических) величин в электрические, которая охваты­вает основные комбинации элементарных преобразователей (рис. 3.19). Как видно из схемы, в случае промежуточных преобразо­ваний расход или давление жидкости по цепям 4—7 преобразу­ется в силу или перемещение, которые затем преобразуются в эле­ктрическую величину по цепям 5—5 и 7—8. В наиболее громоздком случае преобразования расхода в электрическую величину по цепи 1—4—6—7—8 этот процесс включает в себя четыре последо­вательных элементарных преобразования.

Рис. 3 19 Обобщенные функциональные схемы преобразователей расхо­да (давления) в электрический сигнал (а) и гидро (пневмо)механоэлектрических преобразователях (б).

Однако точность преоб­разования в этом случае сравнительно невелика, так как ошибка системы _с будет равна сумме ошибок _i звеньев, находящихся в цепи преобразования:

где п — число последовательно включенных звеньев (в случае пре­образования по цепи 1—4—6—7—8 на рис. 3.19 п = 4).
Погрешность таких преобразователей ± (1.5  2,5)% и выше, что заставляет прибегать к помощи отрицательных обратных свя­зей (прерывистые линии на рис. 3.19). Схемы с обратными свя­зями нередко именуют компенсационными.
При относительно высокой точности звена обратной связи (электрический ток — механическая или гидравлическая величи­на) компенсационные схемы принципиально точнее, чем схемы прямого преобразователя без обратной связи. Если обратная связь охватывает всю прямую цепь преобразования (например, 1—4— 6—7—8—12 на рис. 3.19), то ошибка системы

где _1-8 — ошибка цепи /—4—6—7—8 (суммарная ошибка звень­ев прямой цепи); _8-12 — ошибка обратного преобразователя (сум­марная ошибка звеньев обратной связи); к­_1-8,к_8-12 — коэффици­енты передачи соответственно прямой цепи и цепи обратной связи.
Из выражения (3.45) следует, что при к­_1-8к_8-12  

т. е., увеличивая коэффициент передачи прямой цепи, можно су­щественно снизить влияние ошибок ее звеньев на ошибку систе­мы. Однако увеличение коэффициентов передачи приводит к уменьшению запаса устойчивости системы, что требует включения в ее структуру корректирующих звеньев. Последнее, в свою оче­редь, усложняет схему преобразователя. Следовательно, требова­ния увеличения точности и запаса устойчивости взаимно противо­речивы, поэтому часто компенсационные схемы выбирают стати­ческими с допустимой величиной статизма (в статических схемах компенсация требуемого параметра осуществляется не полностью, а значение не скомпенсированного параметра — давления, усилия, перемещения — определяет статизм системы). В астатических же системах с обратной связью происходит теоретически полная ком­пенсация давления, усилия или перемещения (в зависимости от выбранной структуры преобразователя), но при этом в прямую цепь необходимо ввести интегрирующий элемент, который снижа­ет устойчивость и усложняет конструкцию преобразователя. Ис­пользование электродвигателя в качестве интегрирующего эле­мента в ряде случаев вызывает необходимость введения допол­нительного выходного звена, преобразующего перемещение (угол поворота) в унифицированный электрический сигнал, не охвачен­ного обратной связью и увеличивающего погрешность астатиче­ских схем.
В гидро (пневмо)механоэлектрических преобразователях с об­ратной связью возможна компенсация перемещения по цепи 8—9, силы по цепи 8—10, давления по цепи 8—11 и расхода по цепи 8—12. Кроме того, компенсация этих гидравлических и механи­ческих величин возможна и по изображенным на схеме внутрен­ним цепям, например 7—11 или 5—12.
Как уже было показано, компенсация уменьшает погрешность, вносимую звеньями, охваченными обратной связью, но не сказывается на погрешности остальных звеньев. Поэтому в принципе следует стремиться охватить компенсацией возможно большее число звеньев, чему обычно препятствует отсутствие подходящих преобразователей для цепей обратной связи. В результате при на­личии только компенсации перемещения снижается погрешность преобразователя «перемещение — электрический ток», но сохраня­ются все источники погрешностей, связанные с сохранением пол­ного рабочего хода элементов преобразователя «сила — перемеще­ние», такие, как трение, гистерезис и т. п. В результате ошибка преобразования с компенсацией перемещений бывает не ниже ±(0,51)%.
Эти недостатки в значительно меньшей степени проявляются в случае применения преобразователей с силовой компенсацией. В последнем случае различают полную силовую компенсацию (ас­татическая схема) и неполную силовую компенсацию (статическая схема). При полной силовой компенсации в установившемся ре­жиме подвижные органы преобразователя «сила — перемещение» занимают всегда одно и то же положение, не проявляя ни тре­ния, ни гистерезиса. При неполной силовой компенсации рабочие органы совершают перемещения, однако значительно меньшие, чем при компенсации перемещений. Силовая компенсация позво­ляет снижать погрешность преобразования до величин порядка 0,2-0,5%.
Как видно из схемы (рис. 3.19), преобразование расхода и давления в электрический сигнал возможно и непосредственно по цепям 2—8 и 3—8, которые не содержат никаких механических преобразований и лишены сопутствующих этим преобразованиям недостатков.
Однако реализация цепей 2—8 и 3—8 требует применения спе­циальных преобразователей «расхода — электрический ток» и «давление — электрический ток», которые пока серийно не произ­водятся. Не­посредственное преобразование гидравлических величин в элект­рические может осуществляться как с компенсацией по цепям 8— 11 и 8—12, так и без нее, поскольку в прямых цепях находится всего по одному преобразователю с относительно небольшой по­грешностью. Компенсация же возможна лишь при наличии в це­пях обратной связи специальных преобразователей электрических величин в гидравлические.
Более детальная функциональная схема преобразователей гид­равлических (пневматических) сигналов в электрические с их про­межуточным преобразованием показана на рис. 3.19, б В ней при­няты следующие обозначения- 1 — пневматический (гидравличе­ский) усилитель мощности (П(Г)УМ); 2 —пневмо- или гидроме­ханический преобразователь (П(Г)МП); 3—механоэлектрических преобразователь (МЭП); 4 —электрический усилитель мощности; 5 —электромеханический преобразователь (ЭМП); 6 — механопневматический или механогидравлический преобразователь (МП(Г)П).
При достаточно мощном входном пневматическом или гидрав­лическом сигнале пневматический (ПУМ) или гидравлический (ГУМ) усилитель мощности может отсутствовать.

ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

Преобразователи с непосредственной связью электрических и гидравлических про­цессов, отличаются простотой конструкции и высокой надежностью в работе, но пока еще не стандартизированы и серийно не выпускаются.
Особенность рассматриваемых в настоящем параграфе прин­ципов электрофлюидного (ЭФ) преобразования электрических сиг­налов в пневматические сигналы и наоборот состоит в использо­вании для управления объемами, струями и потоками жидкости кулоновских или поляризационных сил (ЭФ-воздействий), созда­ваемых на молекулярном уровне непосредственным приложением сильных электрических полей к рабочим средам преобразовате­лей, а также сопутствующих им явлений, что позволяет устранить все подвижные механические и электромеханические элементы из процесса преобразования сигналов.
В электрогидроавтоматике широко применяются различные по принципу действия струйные и дроссельные устройства, оптималь­ные по тем или иным параметрам для конкретных условий рабо­ты, поэтому разработка новых методов непосредственного преоб­разования рода энергии сигналов, теории, методов конструирова­ния и создания комплекса преобразователей рода энергии сигна­лов (ПРЭС) широкого назначения без подвижных механических элементов является одной из актуальнейших научно-технических проблем электрогидро - и электропневмоавтоматики.
В дальнейшем, говоря об электрогидравлических преобразователях (ЭГП), будем подразу­мевать, что на тех же принципах можно строить и электропневма­тические преобразователи (ЭПП). Отличия же в работе ЭГП и ЭПП будут оговариваться особо.
Классификация ЭГП (ЭПП) с непосредственным преобразова­нием сигналов приведена на рис. 3.20.
Электрогидравлические (электропневматические) преобразова­тели с использованием действия электростатического поля на не­подвижный в исходном состоянии (у = 0) однофазный или двух­фазный диэлектрик будем называть статическими ЭГП (ЭПП) со­ответственно с однофазным и двухфазным диэлектриком. К ним относятся, прежде всего, преобразователи, с помощью которых осуществляется управление гидро - или пневмоусилителями.
Кроме того, ЭГП с неподвижным в исходном состоянии однофазным и двухфазным диэлектриком применяются в компенсационных схе­мах в качестве обратных электрофлюидных преобразователей для измерения малых давлений 0,1 —1000 Па, ускорений, а также для измерения расходов жидкостей при использовании калиброванных постоянных дросселей.
Если скорость v диэлектрической жидкости (газа) отлична от нуля при отсутствии электрического сигнала, то имеем кинетиче­ские ЭГП (ЭПП), для которых характерен замкнутый контур цир­куляции потока. При этом электрический сигнал преобразуется в гидравлический (пневматический) изменением гидравлических свойств (гидравлического сопротивления) переменного дросселя под действием входного электрического сигнала. ЭГП (ЭПП) в зависимости от наличия или отсутствия в гидравлическом (пнев­матическом) тракте преобразователя открытого участка напорно­го трубопровода (напорный трубопровод — трубопровод, по кото­рому движется под внешним давлением жидкость или воздух, пол­ностью его заполняя) можно соответственно подразделить на струйные и дроссельные электрогидравлические (электропневма­тические) преобразователи.

Рис. 3.20. Классификация электрогидравлических (электро­пневматических) преобразователей с непосредственным преоб­разованием рода энергии сигналов.


В струйных ЭГП (ЭПП) под действием управляющего элект­рического сигнала возможно в зависимости от конструктивного исполнения:
а) расширение ламинарной незаряженной струи вследствие ее турбулизации (струйные ЭГП (ЭПП) с изменением режима тече­ния струи);
б) отклонение заряженной или незаряженной струи относи­тельно приемных сопл в определенную сторону (струйные ЭГП (ЭПП) с отклонением струи);
в) изменение угла раскрытия предварительно закрученной струи (струйные ЭГП (ЭПП) с изменением параметров закручен­ных потоков);
г) изменение кинетической энергии соударяющихся струй (струйные ЭГП (ЭПП) с соударением струй);
д) изменение профиля скоростей в струе.
Во всех перечисленных выше случаях струя может быть как затопленной (распространяться в среде той же плотности — одно­фазный диэлектрик в зоне управления), так и незатопленной (рас­пространяться в среде значительно меньшей плотности — двух­фазный диэлектрик в зоне управления).
Струйные ЭФ ЭГП (ЭПП). В настоящее время практика син­теза струйных систем управления базируется в основном на четы­рех типах струйных элементов: турбулентных усилителях, устрой­ствах с отклонением струи, вихревых устройствах (вихревых дрос­селирующих усилителях) и устройствах со встречным соударени­ем струй. Названные струйные элементы нашли наибольшее при­менение в промышленности, поэтому, чтобы принципиально не ог­раничивать фронт внедрения электропневматических и электро­гидравлических систем управления, необходимо, прежде всего, строить новые преобразователи электрических сигналов в пневматические (гидравлические) на базе вышеназванных устройств. Причем, как показали исследования, возможны два пути решения поставленной задачи [16].

Рис 3.26. Принципы построения электропневматических (электрогидравлических) преобразователей с турбулизацией струи потоком ионов.

1. 
   Замена газо- и гидродинамических управляющих воздейст­вий электрогазо- и электрогидродинамическими с сохранением места воздействия управления на основную струю и способа пре­образования ее энергии в выход­ной сигнал, как это, например, осуществлено в рассматриваемых ниже ЭФ ЭПП и ЭГП с турбулизацией незаряженной струи, в электрогидравлических преобра­зователях на встречно соударяющихся струях, в электропневма­тических и электрогидравличе­ских преобразователях с отклоне­нием струи потоком ионов и со­путствующим ему «электриче­ским ветром» с использованием статических ЭФ ЭПП и ЭГП.
   
2. 
   Новые методы организации управляющих ЭФ воздействий на струи жидкости (газов) с сохра­нением способа преобразования энергии струи в выходной гидравлический (пневматический) сигнал (см. ниже ЭГП с отклонением предварительно заряженной струи).
   

В первом случае имеем ряд практических удобств при элект­рофлюидном управлении струйными системами, реализованных на стандартных пневматических и гидравлических устройствах, по­скольку наделение их принципиально новыми функциями (преоб­разование рода энергии сигналов) осуществляется с минимальны­ми конструктивными переделками.
Во втором случае в ЭФ ЭГП (ЭПП), построенных на базе со­ответствующих гидравлических или пневматических устройств, как правило, остается неизменной в конструктивном плане только их выходная гидравлическая (пневматическая) часть.
Естественно, как в том, так и в другом случае статические и динамические характеристики струйных электрофлюидных преоб­разователей будут прежде всего определяться характеристиками тех устройств, которые положены в основу построения ЭГП и ЭПП.
ЭПП и ЭГП с турбулизацией струи. Принцип действия данных кинетических (см. рис. 3.20) преобразователей основан на потере устойчивости и турбулизации в пределах фиксированных расстояний затопленной ламинарной струи при помощи направленного движения ионов в резко неоднородном поперечном к струе элект­рическом поле, образующемся при повышении напряжения U на электродах до определенного значения U_K. При U_K  U < U_пр , где U_пр — напряжение, соответствующее искровому пробою межэлект­родного промежутка, сечение перехода х_т0 (рис. 3.26, а) ламинар­ной струи в турбулентную условно (поскольку расстояние х меж­ду формирующим и приемным соплами (рис. 3.26, б) меньше х_т0) смещается в сторону формирующего сопла и при определенных токах достигает входного среза приемного сопла. С этого момен­та при дальнейшем увеличении тока (напряжения на электродах) давление в приемном сопле р_в начинает быстро уменьшаться при постоянном давлении питания р„ вследствие уменьшения кинети­ческой энергии струи при ее расширении и эффектов обратных потоков.
Итак (рис. 3.26, а, б),