ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ

В качестве источника энергии и носителя сигналов в пневматиче­ских регуляторах используют сжатый воздух. Информация о текущем значении регулируемого параметра, сигнал задания, командный сиг­нал к исполнительному механизму в современных пневматических ре­гуляторах передаются импульсами сжатого воздуха при давлении 0,02—0,1 МПа.

Обычно пневматический регулятор состоит из датчика, задатчика, регулирующего устройства и исполнительного механизма.

Пневматические датчики предназначены для непрерыв­ного преобразования текущего значения регулируемого параметра в пневматический сигнал.

В качестве задатчика в пневматических регуляторах обычно применяют редукторы-стабилизаторы давления «после себя». С помощью настроечной пружины редуктора можно установить на выходе задатчика определенное давление в пределах 0,02—0,1 МПа.

Регулирующее устройство, как известно, формирует один из стандартных законов регулирования и состоит из элемента сравнения и формирующего устройства. Элемент сравнения в пневма­тических регуляторах выполняется в виде сборок мембран, а форми­рующее устройство—в виде узла «сопло—заслонка» и усилителя, охваченного обратными связями.

Пневматический исполнительный механизм слу­жит для преобразования командного пневматического сигнала с вы­хода регулирующего устройства в перемещение регулирующего органа. Наибольшее распространение получили мембранные исполни­тельные механизмы.

В качестве линии связи для передачи информации в пневмати­ческих регуляторах используют металлические или пластмассовые трубопроводы. По ним сигнал в виде избыточного давления сжатого воздуха, изменяющегося в пределах 0,02—0,1 МПа, передается от датчика и задатчика к регулирующему устройству и от этого устрой­ства — к исполнительному механизму. Подобные линии связи — пневмопроводы—характеризуются существенно ограниченной скоростью передачи сигналов. Однако для довольно инерционных технологиче­ских процессов нефтяной и газовой промышленности эта скорость вполне достаточна. Протяженность пневматических линий связи за­метно ограничена, обычно она не превышает 300 м.

Для пневматических регуляторов необходимо иметь особый источник питания—систему подачи сжатого воздуха, осушенного и очищенного от пыли и масла, с хорошо стабилизированным давлением р_пит=0,14 МПа±10%. В большинстве случаев для этой цели прихо­дится создавать специальную систему воздухоснабжения, к качеству и надежности работы которой предъявляются достаточно жесткие

требования.

Важная особенность пневматических регуляторов—высокий уро­вень их эксплуатационной надежности. Они могут безотказно рабо­тать в тяжелых эксплуатационных условиях в течение длительного времени. В их состав не входят элементы с существенно ограничен­ным сроком службы. Для эксплуатации пневматических регуляторов не требуется высокой квалификации обслуживающего персонала.

Задача унификации средств автоматики в рамках ГСП распрост­раняется, естественно, и на пневматические регуляторы. Основной пневматической ветви ГСП является унифицированная система эле­ментов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА).

УНИФИЦИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ (УСЭППА)

Система УСЭППА представляет собой набор отдельных конструк­тивных единиц-элементов, каждый из которых может выполнять лишь простейшую функцию преобразования сигналов в общей схеме всего устройства. В их числе постоянные и регулируемые пневмосо-противления, пневмоемкости, пневмореле, пневмоусилители и другие аналоги электромеханических и электронных устройств.

На практике применяют комплекс средств пневмоавтоматики, по­строенных на элементах УСЭППА, получивших наименование систе­мы «Старт». В состав ее входит несколько модификаций пневматиче­ских регуляторов, реализующих различные законы регулирования, вто­ричные приборы, а также приборы, реализующие простейшие вычис­лительные функции.

Принцип действия блоков системы «Старт» основан на компенса­ции усилий при малых перемещениях подвижных элементов (мембран). Конструктивное выполнение регуляторов этой системы в значительной мере определяется принятым для них элементным принципом построения. Подобно тому как электрические элементы устанавливают на специальные платы (шасси), оснащенные необхо­димыми монтажно-соединительными деталями (шинами, контактами, панелями, клеммами и т. д.), пневмоэлементы УСЭППА также мон­тируют на платах, содержащих коммуникационные каналы-пневмопроводы и монтажные детали. Платы-шасси приборов изготовляются склеиванием трех пластин из органического стекла. На обеих сторо­нах одной из них, средней, штамповкой или фрезерованием нанесены углубления, «рисунок» которых соответствует нужной схеме соедине­ния элементов УСЭППА и принятому их расположению. Склеивание этой средней пластины с двумя другими и необходимые сквозные отверстия в них обеспечивают весь набор герметичных коммуника­ций между элементами.

Элементы УСЭППА соединяются с каналами в коммутационной плате с помощью специальных «ножек», образующих монтажный цо­коль элемента и в то же время осуществляющих подвод и отвод воз­духа к нему. При изображении элементов на схемах приняты следую­щие условные обозначения.

Рассмотрим основные элементы и узлы системы УСЭППА. По­стоянный дроссель (рис. 14.1), предназначенный для использования в качестве нерегулируемого пневмосопротивления, выполнен в виде капилляра 3, помещенного в продольном канале винта 5. Последний ввинчен в корпус 2, имеющий две присоединительные ножки 1.

Давление pi через одну из присоединительных ножек и просвер­ленные отверстия в корпусе (на схеме не показаны) поступает к капилляру, на наружной поверхности которого навита шерстяная пря­жа 4. Воздух проходит через пряжу и внутреннюю часть капилляра. При этом давление р₂ воспринимается с другой стороны капилляра через вторую коммутационную ножку. Сопротивление, создаваемое постоянным дросселем, определяется геометрическими размерами капилляра (обычно диаметр—0,3 мм, длина 20 мм).

Переменный дроссель (рис. 14.2) предназначен для исполь­зования в качестве переменного сопротивления в пневматических це­пях. В корпусе 1 помещена втулка 2 с конусным отверстием, вдоль оси которого расположена игла. 3. Последняя закреплена в жестком центре разделительной мембраны 5 и пружиной 4 прижимается к лекальной пластине 6. При вращении настроечной головки эта пласти­на, опирающаяся на винты 8, давит на иглу 3, заставляя ее переме­щаться вдоль оси втулки 2. В результате перемещения иглы 3 зазор между нею и конусной втулкой изменяется, чем и достигается на­стройка проводимости а дросселя в пределах 0—1. Переменный дрос­сель присоединяется к пневматическим цепям через две коммутацион­ные ножки, которые сообщаются с двумя торцевыми сторонами конусной втулки через сверления в корпусе. Настроечная головка дросселя снабжена равномерно оцифрованной шкалой с указате­лем 7.

Переменный дроссель имеет индивидуальную градуировку в еди­ницах тех величин, изменение которых осуществляется изменением проводимости дросселя (например, время изодрома, коэффициет усиления и т. п.).

Пневмоемкости предназначены для создания инерционных звеньев в пневматических цепях. Выпускают их с объемом рабочей камеры 40 и 50 см³.

Дроссельный сумматор (сумматор на сопротивлениях) предназначен для суммирования двух пневматических сигналов (рис. 14.3). Уравнение этого сумматора легко можно получить из аналогии пневматических цепей электрическим.

Для электрической цепи

где I—сила тока; g— проводимость; U—напряжение.

Для пневматической цепи при незначительных расходах воздуха

где Q—расход воздуха; α—проводимость дросселя; Δр—перепад давления на дросселе.

Для электрической разветвленной цепи в соответствии с законом Кирхгофа сумма токов, направленных к узлу, равна сумме токов, направленных от узла.

Рассматривая точку А в качестве такого узла и, учитывая, что выходной сигнал р_вых обычно поступает в глухую камеру (по этой линии расход равен нулю, можно записать

менения входного сигнала

Он состоит из входной Б и выходной А камер, разделенных гиб­кой мембраной, жесткий центр которой служит заслонкой сопла.

Повторитель действует по принципу компенсации сил. Входной пневматический сигнал поступает в камеру Б и развивает на мембра­не усилие, направленное вниз. В камеру А через постоянный дрос­сель, в комплекте с которым работает повторитель, непрерывно пода­ется воздух по линии питания. Часть воздуха из камеры А через за­зор между заслонкой и соплом выпускается в атмосферу. В камере А устанавливается давление, промежуточное между давлением р_пит и атмосферным. Это давление, которое является выходным сигналом элемента, развивает на мембране усилие, направленное вверх.

Оба противоположно направленные на мембрану усилия непрерывно срав­ниваются. При нарушении равновесия, например при увеличении р_вх, мембрана прикроет сопло и уменьшит расход воздуха в атмосферу. Давление в ка­мере А(р_вых) увеличится, и равновесие восстановится. Благодаря высокой чувстви­тельности мембраны повтори­тель обладает высокой точ­ностью повторения сигнала, однако мощность этого эле­мента весьма ограничена.

Усилитель мощно­сти (рис. 14.5) предназначен для повторения входного пневматического сигнала и усиления его по мощности. Входное давление поступает в камеру Д усилителя. Дав­ление питания проходит в камеру А и через постоянное сопротивле­ние в камеру В. При отсутствии входного сигнала воздух питания проходит из камеры В через сопло 4 в камеру Г и далее через ка­меру Е и сопло 1 в атмосферу.

При увеличении входного давления мембрана 2 закрывает соп­ло 1, а мембрана 3 закрывает сопло 4. Давление в камере В повыша­ется клапан 5 открывается, и давление в камере Б и на выходе уве­личивается. Одновременно под действием обратной связи увеличива­ется давление в камерах Г и Е. Сопла 1 и 3 приоткрываются, и воз­дух питания снова проходит через камеры В, Г и Е в атмосферу. Давление в камере В уменьшается, и клапан закрывается. На выходе устанавливается давление р_вых, равное входному р_вх. С уменьшением входного давления мембрана 2 открывает сопло 1, а мембрана .3 открывает сопло 1. Часть воздуха из выходной камеры Б проходит через сопло 1 в атмосферу, и давление на выходе понижается. Используя дополнительный источник питания и управляющий кла­пан 5 большого проходного сечения, усилитель обеспечивает усиление выходного сигнала по мощности (за счет увеличения расхода воз­духа).

Элемент сравнения предназначен для алгебраического сум­мирования пневматических сигналов. Изготавливают трехмембранный и пятимембранный (рис. 14.6) элементы сравнения.

В конструктивном отношении он представляет собой набор метал­лических шайб, разделенных «вялыми» мембранами. Жесткие центры всех мембран соединены общим штоком, концы которого служат заслонками, управляющими скоростью истечения воздуха через ниж­нее и верхнее сопла. Для обеспечения подстройки элементов сопла выполняют регулируемыми по положению.

Схема включения, показанная на рис. 14.6,б, осуществляет алге­браическое суммирование трех входных пневматических сигналов, которые поступают в камеры Д, Г и В элемента. Через верхнее сопло подводится воздух питания, а нижнее сопло соединено с атмосферой. Давление в камерах А и Е равно выходному сигналу, который подво­дится в камеру Б в качестве отрицательной обратной связи. Если обо­значить площадь большой мембраны через F, а малой мембраны — через f, то условие равновесия усилий будет иметь вид

Задатчик (рис. 14.7) с постоянным дросселем предназначен для поддержания постоянного (заданного) давления сжатого воздуха в глухих камерах регулирующих устройств. Он состоит из шарикового клапана, образованного шариком 4 и седлом 3, пружины 5, вин­та 7, тарелки 6, входной и выходной присоединительных ножек 2 и1. При подаче через одну из ножек воздуха питания в камеру Л в ней устанавливается давление, соответствующее давлению, при котором сжимается пружина. Избыток сжатого воздуха через шариковый кла­пан и камеру Б выпускается в атмосферу. Изменяя степень сжатия пружины при помощи винта, можно получить различные значения давления воздуха на выходе задатчика.

Инерционное звено образуется при совместном включении переменного дросселя и пневмоемкости (рис. 14.8).

При небольших расходах воздуха через переменный дроссель с проводимостью а справедливо соотношение

Дифференцируя по времени известное уравнение Менделеева — Клапейрона для пневмоемкости, имеем

где V—объем пневмоемкости; R—универсальная газовая постоян­ная; θ— абсолютная температура воздуха. Подставив (14.10) в (14.11), получим

где T=V/Rθα—постоянная времени звена, которую можно изменять путем изменения проводимости переменного дросселя.

Интегрирующее звено образуется при совместном включе­нии элемента сравнения I и инерционного звена II (рис. 14.9). При этом выходной сигнал звена заводится в камеру Д элемента сравне­ния I. Выходной сигнал этого элемента равен алгебраической сумме его входных сигналов:

Он же является входным сигналом инерционного звена, для кото­рого справедливо соотношение

Величину Т — постоянную времени — можно изменять путем из­менения проводимости а переменного дросселя инерционного звена.

Реле переключения (рис. 14.10) применяют для коммута­ции пневматических каналов автоматических регуляторов при пере­ходе с автоматического регулирования на ручное.

Реле состоит из трех камер, разделенных мембранами, жесткие центры которых являются заслонками сопел C₁ и С₂. В камеру Л пода­ется командный сигнал, камера В соединяется с атмосферой, а каме­ра Б является выходной.

При р_к==0 мембранный блок под действием пружины занимает нижнее положение, открывая сопло С₂ и закрывая сопло C₁. При этом на выход проходит входной сигнал р_вх2. При подаче командного сигнала р_к=1 открывается сопло C₁ и закрывается сопло С₂. На вы­ход проходит входной сигнал р_вх2.