Пневмоакустические устройства

 

Развитие пневматических вычис­лительных и управляющих устройств направлено к снижению диапазона рабочих давлений и увеличению рабочих частот. Наблюдается тенденция к снижению уровня мощности, необходимой на переработку и передачу информации, по сравнению с мощно­стью, затрачиваемой на приведение в действие исполнительных механизмов. И как важный шаг в этом направлении явился переход к низкому (до 100 мм вод. ст.) диапазону рабочих давлений ииспользование переменных токов в пневмоавтома­тике.

Дальнейшее снижение амплитуд и увеличение частоты и скорости распространения рабочих сигналов связано с перехо­дом в область звуковых амплитуд и частот, качественно отличающуюся от области переменных токов, так как звуковые колебания — это упругие колебания.

В области переменных токов происходит перетекание материальной среды — воздуха, в области акустики — упругие колебания частичек воздуха относительно среднего положения. В акустике условно различают три диапазона частот: инфразвуковые частоты (ниже 20 Гц), звуковые (от 20 до 20 000 Гц) и ультразвуковые (свы­ше 20000 Гц).

Направление, развивающееся на стыке струйной техники и акустики, получило название пневмоакустика.

Генерато­рами звуковых колебаний служат различного рода свистки. Наибольшее распространение в пневмоакустике получили свистки Гартмана и свистки с цилиндрическим резона­тором.

Классический генератор Гартмана изображен на рис. 7.28.

 

 

Рис. 7.28. Генератор Гартмана

1 – сопло, 2 - дер­жатель, 3 – резонатор, 4 – поршень

 

Генератор состоит из сопла со штуцером для подвода сжатого воздуха и цилиндрического резонатора, объем которого можно регулировать с помощью поршня. Кольцевой дер­жательобеспечивает соосность сопла и резонатора и возможность переме­щения сопла относительно резона­тора. Передвижной поршень служит для настройки свистка на оптимальный режим.

Когда перепад давлений на сопле свистка Гартмана ниже критического, т.е., , то на срезе сопла устанавливается скорость потока, равная скорости звука. Любое уменьшение отношения   ниже критического не влияет в дальнейшем на скорость газа на срезе сопла. Однако при выходе из сопла струя расширяется и приобретает сверх­звуковую скорость, что связано с опережением темпа уменьше­ния плотности  по сравнению с темпом роста сечения струи S. В струе возникает система скачков уплотнения, представляю­щих собой поверхности разрыва, которые чередуются через определенные промежутки, т. е. возникают волны простран­ственной осцилляции струи.

Пневматические регуляторы

Обычно регуляторы, построенные на базе измерительных при­боров, имеют задатчик, регулирующее и регистрирующее уст­ройства. Поэтому такие регуляторы иногда называют регулято­рами приборного типа. Достоинства этих регуляторов состоят в том, что функции контроля и регулирования объединены в од­ном приборе, что упрощает конструкцию, монтаж и эксплуата­цию. Как уже отмечалось ранее, недостатком таких регуляторов являются большие габаритные размеры и невозможность реали­зации многоконтурных систем регулирования. Однако иногда регуляторы рассматриваемого типа могут быть использованы как корректирующие устройства и в многоконтурных системах автоматического управления.

 

 

Регулято­р  приборного типа

 

С помощью этих регуляторов могут быть реализованы пропорциональный и пропорционально-интегральный за­коны регулирования. Чаще всего они являются регуляторами давления, уровня и температуры.

Рассмотрим реализацию принципа компенсации перемещений на примере пропорционального регулятора - П-регулятора.

Схема простейшего П-регулятора, работающего по принципу компенсации перемещений, показана на рис. 7.32.

 

 

Рис. 7.32. Схема П-регулятора

1 – сильфон, 2 - рычаг-заслонка, 3 - сильфон отрица­тельной обратной связи,4 - пнев­матический усилитель, 5 - постоянный дроссель

 

Регу­лятор является усилителем, работа которого основана на прин­ципе компенсации пере­мещений. Входное давле­ние р₁ преобразуется сильфоном в перемеще­ние x ₁. Жесткий центр сильфона шарнирно сое­динен с одним из концов рычага-заслонки,управ­ляющего сопломпнев­матического усилителя. К постоянному дросселюусилителя подведено давление питания p ₀. К выходу пневматического усилителя подключен делитель давлений, состоящий из двух дросселей α и β. Давление р_ос вмеждроссельной камере делителя заведено в сильфон отрица­тельной обратной связи,жесткий центр которого шарнирно соединен с другим концом рычага-заслонки.

При увеличении давления р₁ рычаг-заслонкаприближается к соплу усилителя,и давле­ние р увеличивается. Одновременно увеличивается давление отрицательной обратной связи р_ос. Жесткий центр сильфона отрицательной обратной связиподнимается и отводит заслонку от сопла. Давление на выходе p уменьшается.

Смещение заслонки относительно сопла на не­сколько сотых долей миллиметра обеспечивает полный набор или сброс давления в междроссельной камере. Поэтому суммар­ное перемещение h заслонки относительно сопла в процессе ра­боты меняется незначительно.

Схема перемещения заслонки-рычага относительно сопла приведена на рис. 7.33.

 

 

Рис. 7.33. Схема перемещения заслонки-рычага относительно сопла

 

В соответствии с этой схемой можно записать, что

h = h ₁ - h ₂ = φb - γa,

вместе с тем из рассмотрения треугольников следует, что

 

x ₁ =(a + b) φ,    

х₂=(a + b) γ,

поэтому

 

.                      

 

Так как h очень мало, то можно принять его равным нулю и записать

 

x ₁ b =х₂а.

С другой стороны,

 

х₁ = k ₁ p ₁,

х₂= k ₂ p _ос.

 

Подставляя эти ра­венства в последнее уравнение, получим

 

k ₁ b p ₁ = k ₂ a p _ос.

 

Если предположить, что дроссели делителя линейны, то его уравнение можно записать в виде

 

Α (p - p _ос) = β p _ос,

откуда

 

.

 

Используя последнее равенство, оконча­тельно получим следующее выражение для выходного давления:

 

.                 

 

Принцип компенсации перемещений лежит также в основе действия ПИД-регулятора, реализующего пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования. Его схема приведена на рис. 7.34.

Задачей ПИД-регулятора является формирование выходного давления в виде

 

,                                                                                       

где T_i – постоянная интегрирования, T_d - постоянная дифференцирования. Этот закон позволяет отработать сигнал рассогласования с высокой стабильностью и скоростью при устранении установившейся ошибки.

Входное перемещение рычага-заслонки формируют давления в сильфонах текущего значения регулируемой величины и уставки.

 

 

Рис. 7.34. Схема пневматического ПИД-регулятора

1 – сильфон уставки, 2 – сильфон текущего значения регулируемой величины, 3 - рычаг-заслонка, 4 – ось рычага- заслонки, 5 – датчик сопло-заслонка, 6 – пневмоусилитель, 7 - сильфон отрица­тельной обратной связи,8 - сильфон интегральной обратной связи,T_d - дифференцирующий дроссель, T_i - интегрирующий дроссель

Полученный сигнал рассогласования измеряется датчиком сопло-заслонка, усиливается пневмоусилителем и поступает в сильфон отрица­тельной обратной связи и сильфон интегральной обратной связи через соответствующие дроссели с заранее настроенными величинами сопротивлений.

     Из приведенной схемы легко получить структуры ПД-регулятора и ПИ-регулятора.