Вопрос 22. Гидравлические и пневматические преобразователи (виды, принцип действия, характеристики)

Гидравлические и пневматические датчики преобразуют контролируемые и регулируемые величины различной физической природы в гидравлические и пневматические сигналы. Они состоят из гидравлических или пневматических измерительных устройств и преобразователей.

В качестве чувствительных органов в этих датчиках используют эластичные и упругие мембраны, сильфоны, трубчатые пружины, поплавки, термометрические баллоны, диафрагмы.

На рис. 7.18 а показан чувствительный элемент с упругой круглой мембраной 1 (резина, сталь), которая под воздействием давления р прогибается, заставляя шток 2 смещаться на величину, пропорциональную приложенному давлению. Такие мембраны могут измерять давление от 10⁴ до 10⁸Па.

Чувствительный элемент с гофрированной мембраной 1 (рис. 7.18 б) служит для измерения давления от 1 до 10⁶ Па. Гофрировка увеличивает чувствительность и ход штока 2, который может достигать нескольких миллиметров.

На рис. 7.18 в изображен чувствительный (релейный) элемент с хлопающей мембраной 1. Мембрана имеет вид купола из материала с высоким пределом упругости. С увеличением давления до какого-то максимального значения мембрана практически не прогибается. При давлении р> > p _макс мембрана достаточно быстро меняет свой прогиб на противоположный. При уменьшении давления ниже p _макс под воздействием пружины 3 мембрана также скачкообразно восстанавливает свое исходное положение и форму.

Сильфонный упругий чувствительный элемент (рис. 7.18 г) представляет собой гофрированную трубку, имеет перемещения до нескольких сантиметров и используется в широком диапазоне давлений (от 10^-1 до 10⁵ кПа). Сильфон обычно устанавливают так, чтобы он работал на сжатие. При этом он выдерживает большое давление и имеет меньшую нелинейность характеристики, чем при растяжении.

Рис.7.18.

На рис. 7.18 д показан трубчатый упругий элемент (пружина Бурдона), запаянный с одного конца и изогнутый в форме незамкнутого кольца. Сечение трубки чаще всего бывает овальным или эллипсным. Для увеличения хода свободного конца трубки применяют винтовые трубки.

На рис. 7.18е показан чувствительный элемент с гармониковой мембраной, а на рис. 7.18 ж,з— дифференциальная и компенсационная измерительные схемы с сильфонными элементами. На рис. 7.18 и,к показаны поплавковые чувствительные элементы, применяемые для контроля уровня или расхода жидкости и газа. Поплавковые элементы представляют собой, как правило, полое тело, плавающее на поверхности жидкости и повторяющее все изменения ее уровня.

При изменении расхода жидкости или газа поплавок перемещается вверх потоком, протекающим снизу вверх по конусообразному трубопроводу. Каждому значению расхода соответствует одно устойчивое положение поплавка в трубопроводе. Косые прорези на поверхности поплавка способствуют его вращению. Такое устройство называют ротаметром. Погрешность ротаметров составляет 2...2,5%.

Гидравлические и пневматические преобразователи преобразуют контролируемую величину (скорость течения, расход и др.) в давление или расход жидкости или газа, входят в состав измерительно-преобразующих устройств и по принципу действия могут быть золотниковыми, струйными или дроссельными.

Золотниковый преобразователь (рис. 7.19 а) представляет собой втулку 1 с окнами, в которой перемещается плунжер 2 с поясками 3. Различают золотники с нулевым (D=0), положительным (отсечение, D>0) и отрицательным (проточные, D<0) перекрытиями. При нейтральном положении (х_вх= 0 ) жидкость под давлением от насоса поступает через щель 5 в полости I и II в одинаковых количествax и через щели 4 и 6 на слив. Равенство расходов и перепадов давления во всех щелях обеспечивает одинаковые давления в камерах I и II и отсутствие расхода через исполнительный механизм.

Статические характеристики золотниковых преобразователей в общем случае нелинейны и зависят от величины d_р D и гидравлического сопротивления золотника.

Рис.7.19.

Для золотников с D=0 линейность характеристик сохраняется лишь в определенных пределах величины смещения х. Для золотников с D>0 управление становится существенно нелинейным. Однако эти золотники устраняют бесполезный расход рабочей жидкости при нейтральном положении плунжера.

Механопневматические золотниковые распределители по конструкции и принципу действия практически не, отличаются от гидравлических.

Преобразователи типа сопло-заслонка (рис. 7.19 б и в) состоят из двух дросселей, один из которых представляет собой регулируемый щелевой дроссель с соплом диаметром d ₂ и заслонкой, другой — нерегулируемый дроссель диаметром d ₁ и междроссельной камерой, давление в которой зависит от положения заслонки.

При полном перекрытии дросселя заслонкой (х= 0 ) давление p ₁ в междроссельной камере определяется расходом жидкости через исполнительный механизм. По мере увеличения расстояния х расход Q через регулируемый дроссель возрастает, а давление в междроссельной камере уменьшается за счет увеличения перепада давлений на нерегулируемом дросселе R _o.

Характеристика Q=f(x) в общем случае нелинейна. Поэтому надо стремиться выбирать рабочую точку на линейном участке характеристики, которой соответствует начальный зазор х _о между соплом и заслонкой. Обычно х _о = 0,5 х.

Если в качестве рабочей жидкости применяются минеральные масла, то 0< х < (0,1...0,08) d ₂, а в пневматических устройствах 0< x <0,25 d ₂.

Преобразователи типа сопло-заслонка имеют тот недостаток, что в исходном положении бесполезно расходуют жидкость. При этом вырывающийся из сопла поток стремится отбросить заслонку, поэтому удержать ее в исходном положении способны лишь сравнительно мощные управляющие устройства.

С целью реверсивного управления, увеличения крутизны статической характеристики и уменьшения силового воздействия струй на заслонку применяют дифференциальные преобразователи (рис. 7.19 в). На этом же рисунке показаны аналоги преобразователей типа сопло-заслонка. Преобразователи с соплом и. заслонкой обладают высокой чувствительностью к малым перемещениям заслонки.

Преобразователи со струйной трубкой (рис. 7.19 г) состоят из струйной трубки 1, способной поворачиваться вокруг оси, и силовой приемной головки 2 с двумя близко расположенными приемными соплами. В нейтральном положении, когда трубки расположены точно посередине между приемными соплами, жидкость, поступающая в нее от насоса, ускоряясь в конической насадке и формируясь в компактную струю, обладающую большой кинетической энергией, ударяет в приемные сопла, перекрывая одинаковые площади в каждом из них. Кинетическая энергия струи переходит в потенциальную энергию давления. При небольшом смещении трубки в ту или иную сторону под воздействием чувствительного элемента давление в одном из сопел увеличивается, а в другом падает, что вызывает соответствующее смещение исполнительного механизма.

К недостаткам струйного преобразователя относятся малое быстродействие, холостой расход жидкости при нейтральном положении трубки.

Вопрос 23. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

АЦП предназначены для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов тока или напряжения в импульсы, длительность или частота следования которых пропорциональны напряжению или току датчика. АЦП позволяют согласовывать сигналы аналоговых датчиков с цифровыми устройствами и с цифровыми вычислительными машинами. Времяимпульсный преобразователь применяется для преобразования выходного напряжения датчика в импульсы, длительность которых пропорциональна напряжению.

Рассмотрим работу преобразователя, функциональная схема которого показана на рисунке 2.4. Генератор тактовых импульсов (ГТИ) вырабатывает тактовые импульсы с постоянной частотой следования, которые используются для запуска преобразователя.

Рисунок 2.4 – Времяимпульсный преобразователь напряжения

Очередной тактовый импульс переводит триггер в другое устойчивое состояние. При этом напряжение на выходе триггера скачком изменяется от 0 до Е_к (рисунок 2.4 б). Этот скачок напряжения интегрируется. На выходе интегратора получается линейно-нарастающее напряжение. Когда это напряжение сравняется с напряжением датчика U _д, то сравнивающее устройство (СУ) выдает импульс, называемый импульсом сброса, который возвращает триггер в исходное состояние. При этом напряжение на выходе триггера скачком уменьшается от Е_к до 0. В результате на выходе триггера получается импульс напряжения положительной полярности – выходной импульс. После этого напряжение на выходе интегратора уменьшается до 0. С приходом следующего тактового импульса все повторяется снова. Из треугольника АВС имеем AC = BC ctgα. Так как AC = t _и и ВС = МU _д, то получим

t _и = M ctgα· U _д = КU _д,

где K = M ctgα – коэффициенты передачи;

М – масштаб коэффициента передачи.

Таким образом, на выходе преобразователя получаются импульсы напряжения, длительность которых t _и пропорциональна мгновенному значению напряжения датчика в момент сравнения.

Преобразователь напряжения – частота предназначен для преобразования выходного напряжения датчика в частоту следования импульсов, амплитуда и длительность которых постоянна.