Пневмопреобразователи. Классификация элементов пневмоавтоматики

1 — при D_y=4 мм; 2 — при D_y—6 мм; 3 — при D_y —8 мм; 4 — при D_y=l0 мм.

Быстродействие данного ЭМПР практически не зависит от ве­личины подведенного давления (рис. 3.12, а, кривая 1) и в основ­ном определяется конструктивными параметрами междроссельной камеры усилителя давлений. Этим же объясняется и различие во времени срабатывания аппаратов с различными условными про­ходами (рис. 3.12, б, 3.13, а), а значит, и с разными конструктив­ными параметрами междроссельных камер усилителей давления. Быстродействие ЭМПР практически не изменяется при увеличе­нии в разумных пределах расстояния между электродами электро­пневматического преобразователя (рис. 3.12, а, кривая 2) и по­зволяет снизить технические требования к точности сборки элек­тростатического ЭМПР.

Максимальная частота переключения в режиме насыщения по расходу определяется характеристиками междроссельной камеры усилителя давления и инерционностью мембранного блока усилителя мощности. Этим объясняется различие максимальных про­пускных частот у распределителей с различными условными проходами.
Типичная экспериментальная осциллограмма переходного процесса в электростатическом ЭМПР приведена на рис. 3.13, б. Время переключения разработанного ЭМПР составило (0,01±0,001) А при включении и (0,0060,001) с при отпускании. Максимальная частота переключения в ЭМПР в режиме насыщения по расходу для распределителей с различными условными проходами колебалась от 30 Гц (для D_у=10 мм) до 45 Гц (для D_у= 6 мм),
Электретные электромеханопневматические преобразователи (рис. 3.14, а) позволяют на порядок уменьшить значение управляющего напряжения U на электродах «мембрана — плоскость с соплом за счет использования электрического поля электрета. В электретном электромеханопневматическом преобразователе (рис. 3.14, а) устройство типа «сопло — заслонка» реализовано с использованием постоянного дросселя 4, установленного на входе питающей магистрали 5, и переменного дросселя «диэлектриче­ское сопло 6—мембрана 5», причем сопло 6 закреплено на ме­таллическом основании 2, а вялая мембрана 8 представляет со­бой электризованную диэлектрическую пленку (электрет) с по­верхностной плотностью электрического заряда а. Мембрана 8 с жестким металлическим центром 1 и сопло 6 установлены в ка­мере 7. Жесткий центр 1 мембраны 8 и основание 2 одновременно являются электродами ЭМПП, на которые подается управляющее напряжение U. Выходное давление р_вых снимается с выхода 3 междроссельной камеры.



Рис. 3.14. Конструкция (а), статические (б) и динамические (в) характеристики электретного электромеханопневматического пре­образователя и изменение U₃ во времени (г):

Электрет создает постоянное электрическое поле напряжен­ностью ez, направление которого совпадает с направлением уп­равляющего поля ei (рис. 3.14, а), возникающего при приложении входного напряжения U к электродам преобразователя 1, 2, при­чем на основании законов Кирхгофа и Гаусса

где ₁, ₂ - относительные диэлектрические проницаемости рабо­чей среды в камере 7 и электретной мембраны соответственно; Н — толщина электретной мембраны: о — электрическая постоян­ная; h₁ — расстояние от среза сопла до мембраны;  - расстоя­ние, на которое возвышается срез сопла над плоскостью жестко закрепленного тянущего электрода 2. Величина

и представляет собой потенциал U_э электретной мембраны отно­сительно земли.
При приложении входного напряжения к электродам подвиж­ный электрод-мембрана 1, 8 смещается к соплу 6 под действием возникающей пондеромоторной силы

где S — площадь, на которую действуют электростатические си­лы притяжения; d₁ — наружный диаметр диэлектрического сопла 6; D₂ — диаметр электрода 1.
В процессе работы электретного ЭМПП сила (3.31) преодоле­вает силу реакции струи, причем последняя вычисляется на осно­вании (3.28). При этом расстояние h₁ между мембраной и соплом уменьшается и на выходе давление р_вых увеличивается (рис. 3.14, б). Следует особо подчеркнуть, что электретная мембрана для увеличения быстродействия преобразователя выбирается очень малой толщины (порядка 20 мкм). Так как расстояния между электродами в разработанном преобразователе также ма­лы (50—160 мкм) и уменьшаются в процессе работы, то необходимо при функционировании преобразователя выполнить условна

где U_=U+U_Э; U_пр - напряжение, соответствующее напряжению искрового пробоя межэлектродного промежутка при минимальном расстоянии между электродами.
В табл. 3.1 приведены значения U_пр для полимерных пленок из различных материалов в зависимости от их толщины. Электретная разность потенциалов U_Э является для выбранного типа материала пленки относительно стабильной величиной (рис. 3.14, г), что обеспечивает приемлемую для практики стабильность статических характеристик ЭМПП.
Характеристики рис. 3.14, г сняты для мембраны ЭМПП, из­готовленной из фторопластовой пленки Ф-4 толщиной 20 мкм, электризация которой проводилась в коронном разряде с отрица­тельным потенциалом коронирующего электрода. Измерение по­верхностного потенциала полученного таким образом электрета проводилась методом динамического конденсатора с компенса­цией (см.: Сесслер Г. М. Электреты. М, 1983).

Таблица 31. Влияние материала и толщины электретной пленки на диапазон изменения напряжения (3.32) на электродах электромеханопневматического преобразователя (рабочая среда — воздух)

Материал пленки		Диапазон изменения напряжения (U - UЭ)пр, В, при толщине пленки Н, мкм
Название	Относи­тельная диэлектри­ческая про­ницаемость ej	15	20	25	30
Полиэтилен	2,4	573	623	669	712
Фторопласт-4	2,1	595	650	700	746
Фторопласт-3	3,0	540	583	623	660
Полистирол	2,5	566	615	660	701
Лавсан	3,3	527	568	605	640
Винипласт	3,8	510	547	581	613

С увеличением потенциала (3.30) U_Э электрета коэффициент передачи преобразователя увеличивается (рис. 3 14, б, кривые 1, 2, 3). При U_э=const коэффициент передачи ЭМПП увеличивается и с уменьшением расстояния между электродами (рис. 3.14, б, кривые 3, 4, 5). Статические характеристики рис. 3.14, б получены для электретной мембраны из фторопластовой пленки Ф-4 толщиной 20 мкм.

Типичная переходная характёристика электретного электромеханопневматического преобразователя (рис. 3.14, а) при нагрузке на глухую камеру показана на рис. 3.14, в. Найденная в линей­ном приближении соответствующая рис. 3.14, в передаточная функция ЭМПП имеет вид

где


Рис. 3.15. Конструкция (а) и динамические характеристики (б) электретного электромеханопневматического распределителя с электростатическим управ­лением.

Конструкция электретного дискретного электромеханопневма­тического распределителя (ЭМПР) представлена на рис. 3.15, а. Этот быстродействующий мембранно-клапанный ЭМПР с электро­статическим управлением состоит из ЭМПП, аналогичного рас­смотренному выше, и из пневматического усилителя мощности. ЭМПП содержит мембрану 19 из тонкой пленки с электродом 1 и жестким центром 2 и неподвижного тянущего электрода 4. В принципе, в отличие от рис. 3.14, а электретная пленка 3 мо­жет быть расположена на неподвижном электроде 4. Устройство типа «сопло — заслонка», в котором роль заслонки выполняет мембрана 19, реализуется с использованием сопла 5 и постоянно­го дросселя 16.

Выходное давление ЭМПП из междроссельной камеры 6 по­ступает на вход мембранно-клапанного усилителя мощности, представляющего собой трехлинейный двухпозиционный клапан подвижный шток 9 которого укреплен на упругих резиновых мембранах 7 и 11. Мембраны и седла клапана образуют рабочие ка­меры усилителя мощности 6, 10, 12, 13, 18.
В исходном положении при U=0 мембранно-клапанный блок усилителя мощности прижат к седлу 15 и таким образом давление питания р„ не проходит на выход 8. При этом выходной канал 8 соединен с атмосферой через камеру 18, поскольку мембранно-клапанный блок не прижат к седлу 17.
При поступлении входного напряжения U мембрана 19 пере­мещается к соплу 5, давление в междроссельной камере 6 повы­шается, что приводит к срабатыванию распределителя: мембрано-клапанный блок, перемещаясь вниз, прижимается к седлу 17 и таким образом отсоединяет выходной канал 8 распределителя от атмосферы, одновременно клапан 9 отходит от седла 15 и давле­ние питания проходит на выход 8 данного электромеханопневматического распределителя. Следовательно, ЭМПР рис. 3.15, а реа­лизован по схеме рис. 2.35, б.
Для уменьшения влияния давления питания на характеристи­ки распределителя давление питания р„ подается через канал 14 в глухую камеру 12.
В данном распределителе увеличение быстродействия обеспе­чивается сведением к минимальной величине перемещений рас­пределительных узлов, исключением сухого трения при перемеще­ниях, применением легких металлизованных мембран в управ­ляющем блоке и, самое главное, использованием малоинерцион­ного электростатического способа управления мембраны-заслонки.
В качестве примера на рис. 3.15, б показаны эксперименталь­но снятые характеристики переключения ЭМПР с условным про­ходом D_У = 4 мм с поверхностным потенциалом электретной плен­ки из лавсана U_Э=400 В толщиной 20 мкм при подаче на его вход прямоугольных импульсов управляющего напряжения U = 220 В. Как видно из рис. 3.15, б, быстродействие такого ЭМПР существенно лучше, чем у серийно выпускаемых аналогичных рас­пределителей с электромагнитным управлением.

ПРИМЕРЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Кодовый электропневматический преобразователь КЭПП-2М.
Прибор предназначен для преобразования электрического параллельного восьмиразрядного двоич­ного кода в пневматический аналоговый сигнал 0,2— 1 кгс/см². Управление преобразователем осуществляется от вычислительной машины. Принцип действия прибора основан на суммировании расходов воздуха, проходящего через параллельно включенные дроссели с различными условными проходными сечениями при постоянном пере­паде давления на них, при этом предусматривается авто­матический сдвиг начальной точки диапазона преобра­зования. Преобразователь состоит из семи регулируемых разрядных дросселей, настроенных так, что их условные проходные сечения относятся, как 1:2:4:8:16:32:64, электропневмопреобразователей, отключающих или подключающих разрядные дроссели, следящей системы нулевого опорного давления и схемы автоматического сдвига начала преобразования. Пневматическая схема задатчика выполнена на базе универсальной системы, элементов промышленной пневмоавтоматики.
Напряжение питания 27 В постоянного тока, номи­нальный ток управления не более 150 мА. Давление пита­ния 1,4 кгс/см², объемный расход воздуха не более 8 л/мин. Основная погрешность ±1,5%.
В качестве электропневматического аналогового пре­образователя может быть использован также преобразователь ферродинамический функциональный ПФФ (см. XII.2), работающий с выходным пневматическим преоб­разователем ПП (см. XIV.8).
Пневмоэлектрический преобразователь типа ПЭ-55М.
Прибор предназначен для преобразования унифицирован­ного пневматического сигнала (0,2 – 1 кгс/см²) в унифи­цированный электрический сигнал постоянного тока (0—5 мА).
Измерительным элементом преобразователя является манометрическая трубчатая одновитковая пружина / (рис. XV.4). Преобразование перемещения ее конца в усилие осуществляется с помощью спиральной пру­жины 2, которая укреплена на рычаге 3, вращающемся вокруг оси 4. На рычаге 3 укреплен также медный диск 7, который находится в высокочастотном поле плоской катушки 6, входящей в базовый контур генератора 9. Генератор выполнен двухконтурным по схеме с общим коллектором. При перемещении коромысла изменяются параметры базового контура, что приводит к изменению режима генератора. Изменение режима генератора вызы­вает изменение постоянной составляющей коллекторного тока и тока базы, а, следовательно, и выходного тока. В цепь коллектора включена катушка обратной связи 5, укрепленная на рычаге 3 в поле постоянного магнита 8. Выходной ток, обтекая катушку 5, создает момент обрат­ной связи, противоположный моменту, создаваемому пружиной 2, вследствие чего коромысло будет переме­щаться до наступления нового состояния равновесия.
В блоке I собраны электрические элементы, обеспе­чивающие питание генератора, фильтрацию выходного тока и стабилитроны для смещения нуля. На соединитель­ной колодке II, кроме зажимов для подключения питания и нагрузки, имеются клеммы, предназначенные для про­верки исправности преобразователя.
Класс точности преобразователя 1. Пневматическая часть прибора питается сухим и чистым воздухом давле­нием 1,4 кгс/см², электрическая часть — переменным током напряжением 220 В, потребляемая мощность 5 В*А. Суммарное сопротивление проводов и нагрузки не должно превышать 2,5 кОм. Преобразователь выпускается в пылезащищенном и брызгонепроницаемом исполнении. Габа­ритные размеры 314х220х132 мм.

Рис. XV.4. Принципиальная схема пневмоэлектрического преобразователя ПЭ-55М.
ПНЕВМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ.
Пневмоэлектрические преобразователи дискретного действия предназначены для управления электрическими цепями с помощью пневматического командного сигнала. Типы, основные характеристики и изготовители этих преобразователей приведены в табл. XV.5.
В преобразователях CM-1, Р-70A, П1ПР.4 входной сигнал в виде давления сжатого воздуха действует на мембрану узла чувствительного элемента и через шток — на кнопку микропереключателя, в котором происходит замыкание и размыкание контактов.
В пневмоэлектрическом сигнальном устройстве ПЭСУ-4 (рис. XV.5) сжатый воздух поступает в полость над сильфоном 1. При сжатии сильфона перемещается шок 4 и связанная с ним рейка 5, которая находится в зацеплении с шестерней 6. При вращении шестерни вращается барабан 7 и установленные на нем с помощью пружинных фиксирующих устройств держатели 9 ртутных контактов 8. В зависимости от положения ртутных контактов происходит поочередное их замыкание. Настройка ртутных контактов производится вручную путем перестановки их держателей 9 по накатке барабана. Шаг накатки соответствует угловому перемещению ртутных контактов на 4°. Каждый из четырех ртутных контактов настраивается отдельно. Внутри сильфона 1 установлена пружина 2, предварительное натяжение которой регули­руется гайкой 3.
Максимальный угол поворота барабана при полном перемещении сильфонного механизма равен 40°; поворот барабана на 4° соответствует изменению давления контролируемой среды на 0,1 кгс/см².
В качестве пневмоэлектрических преобразователей дискретного действия могут применяться также электро­контактные манометры.

Рис. XV.5. Пневмоэлектрическое сигнальное устройство ПЭСУ-4.

ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ.

Типы, основные технические характеристики, габа­ритные размеры электропневматических преобразователей дискретного действия приведены в табл. XV.6. Принцип их действия заключается в том, что золотник или заслонка, перемещаясь под действием электромагнита или пружины (или под действием электро­двигателя), перекрывает или переключает каналы связи. Рабочим агентом, кроме аппаратов, для которых это оговорено особо, является воздух или неагрессивная взрывобезопасная среда.

Таблица XV.5 Пневмоэлектрические преобразователи дискретного действия.

Тип	Наименование	Чувствитель­ный элемент	Давления, при которых контакты замыкаются или размыкаются в кгс/см^8	Контакты	Род тока	Напряжение в В	Ток, на который рассчита­ны контакты, в А	Габариты в мм
СМ-1	Сигнализатор мем­бранный	Мембрана	1; 0	Один переключающий	Переменный	127; 220	1	72X74X108
Р-70А	Реле пневмоэлек­трическое	»	0; 1,1—6	Два замыкающих и два размыкающих	Переменный и постоянный	220	2	90 X 55Х 47
П1ПР.4	Пневмоэлектриче­ский преобразова­тель	»	1,4; 0	Один замыкающий	Постоянный	30	0,5—4	24X24X43
ПЭСУ-4	Пневмоэлектриче­ское сигнальное устройство	Сильфон	0,2—1	Два размыкающих и два замыкающих	Переменный	220	1	280X1 75Х 165

Продолжение табл. XV.6.

Тип	Наименование	Конструктивное исполнение	Диаметр условного прохода , мм	Максимальное Давление кгс/см^2	Род тока и напряжение в В	Габаритные размеры в мм
пэкдд	Пневмоэлектро- клапан двойного действия	Четырех – ходовой	4	40— 54	Постоянный, 27	215х140х95

В электропневматическом преобразователе П1ПР.5 якорь электромагнита связан с двусторонней подпру­жиненной заслонкой, которая перемещается между двумя соплами, закрывая поочередно каждое из них и сообщая выход прибора с атмосферой или с напорной магистралью. Прибор входит в систему УСЭППА.
Электропневматическое реле Р-50А входит в систему АУСЭДД. Его принципиальная схема приведена на рис. XV.6. Сжатый воздух из линии питания поступает в камеру А и через управляющий клапан, расположенный в камере Д, подается в камеру Г. Камера Б соединена с атмосферой через камеру В. При исчезновении команд­ного электрического сигнала управляющий клапан под действием возвратной пружины прекращает подачу сжа­того воздуха в камеру Г, сообщая ее через камеру Д с атмосферой. Освобожденный мембранно-клапанный ме­ханизм возвратной пружиной и потоком сжатого воздуха разъединяет камеры А т Б и одновременно открывает проход воздуха из камеры Б в камеру В, соединенную с атмосферой.



В преобразователе с электромагнитным приводом ПЭКДД (рис. XV.7) при отсутствии напряжения входного сигнала сжатый воздух из магистрали питания поступает через клапан Б в полость 3 и через клапан Е в полость 7. Усилие, развиваемое мембраной 4 под действием давле­ния в камере 3, отжимает шток 5, благодаря чему клапан Г открывается, а клапан В закрывается. При этом камера 7 сообщается с атмосферой, и воздух из камеры 6 поступает к исполнительному механизму.



Рис. XV.7. Принципиальная схема пневмоэлектроклапана двойного действия ПЭКДД.

Подача напряжения на обмотку электромагнита 1 вызывает перемещение штока 2, который закрывает клапан Б и открывает клапан А, вслед­ствие чего камера 3 сообщается с атмосферой, давление воздуха поднимает шток 5, клапан Г закрывается, а кла­пан 6 открывается. При открытом клапане В прогибается вниз мембрана, управляющая клапанами Д и Е, сжатый воздух ив одной полости пневмопривода через открытый клапан Д вытекает в атмосферу, а другая полость через клапан В сообщается с магистралью сжатого воздуха. Преобразователь работает при давлении сжатого воздуха от 40 до 54 кгс/см² и в интервале температур от - 50 до + 50 С.