Пневматические каналы связи

Быстродействие пневматических устройств определяется в основном свойствами канала связи. Под каналом связи понимается совокупность трех элементов - передающего, приемного и собственно линии связи, которая соединяет передающий и приемный элемешы. В качестве передающих и приемных элементов используются такие устройства, как пневматические реле, усилители, кнопки и тумблеры. Их время срабатывания мало и практически не влияет на быстродействие пневматического канала, которое по существу определяется свойствами линии связи.

Под достоверной передачей непрерывного сообщения понимается достижение на приемнрй стороне давления, отличающегося от давления на передающей стороне в пределах заданной погрешности. Фактором достоверной передачи дискретной информации можно считать изменение состояния приемного элемента, наступающего при достижении давления в конце линии, равного уровню срабатывания приемного элемента.

В системах пневмоавтоматики различают два вида линий связи - короткие коммуникационные каналы, необходимые для соединения элементов в блоках пневматических устройств, и длинные каналы связи отдельных блоков между собой.

Короткие коммуникационные каналы могут представлять собой фрезерованные углубления в корпусах. Длинные каналы связи выполняются в виде пластиковых или металлических трубопроводов.

При построении пневматических приборов особое внимание уделяют определению потерь давления на сопротивлениях и расчету расходов разветвленной цепи. Пневматические линии связи создают потери давления, обусловленные либо местными сопротивлениями на входе, выходе и изгибах канала, либо силами вязкого трения, распределенными по длине канала. Потери по длине каналов определяют по формуле:

где ктр - коэффициент сопротивления трения, р - плотность воздуха, v - средняя скорость течения потока, / - длина канала, к - коэффициент трения, зависящий от режима течения, формы сечения и относительной шероховатости, - гидравлический диаметр, равный учетверенной площади поперечного сечения канала к периметру.

Коэффициент трения приближенно определяют по формуле Блазиуса:

Пневматические системы для автоматизации обычно работают на низком рабочем давлении, которое в промышленных пневмосетях поддерживается на уровне до 10 бар. В этом случае для оценки потерь давление в линии можно пользоваться следующей формулой:

где L - длина трубы, V - объем воздуха, проходящего в линии, К - коэффициент сжатия на входе в трубку, D - диаметр трубки, к - конструктивный коэффициент. Из этого соотношения следует, что диаметр трубки является наиболее важным параметром. Теоретически снижение потерь давления можно уменьшить использованием больших диаметров трубки. Однако на практике это приводит к необходимости заполнения воздухом дополнительного объема линии, ухудшению динамических параметров и к повышению габаритов и стоимости линии.

Пример задержки времени прохождения пневмосигнала в функции длины линии и различных внутренних диаметров стандартных трубок приведен на рис. 1.4.

Задержка времени сигнала от длины и диаметра трубки

Рис. 1.4. Задержка времени сигнала от длины и диаметра трубки: 1 - диаметр 2,1 мм; 2 - диаметр 2,8мм

Можно также считать, что на каждые 30 м длины линии давления падает на 5%.

При исследовании динамических свойств пневматических линий связи обычно используется развитый аппарат исследования электрических длинных линий. Основанием для отнесения пневматической линии связи к категории «длинной» является соблюдение двух условий: длина линии / должна быть больше четверти длины волны Я передаваемых колебаний, а поперечные размеры линии должны быть много меньше длины волны. Длина волны, соответствующая предельной частоте работы пневматических элементов/= 20 Гц и скорости распространения звука а = 330 м/с, составляет Я - a/f = 16,5 м. Таким образом, линии связи, имеющие протяженность более 4 м, и внутренний диаметр, измеряемый несколькими миллиметрами, могут исследоваться с использованием аппарата анализа длинных линий.

При передаче пневматических сигналов по каналам имеет место сочетание двух процессов - процесса разгона массы среды и волновых явлений. Учет этих факторов весьма сложен, поэтому на практике процессы в линии описываются звеном с запаздыванием

и апериодическим звеном с постоянной времени

где / - длина линии, а - скорость звука, R и С - сопротивление и емкость единицы длины линии. Правомерность такой аппроксимации лежит в пренебрежимо малом проявлении инерции в зоне рабочих частот, так как плотность воздуха достаточно мала .при низких давлениях, используемых в пневматических устройствах.

Линия с глухой камерой на приемном конце опоражнивается быстрее, чем заполняется. Это объясняется тем, что среднее давление в линии во время опорожнения меньше, чем при заполнении. Амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики такого трубопровода обладают большой крутизной. Это обстоятельство почти исключает возможность применения частотного и импульсного методов модуляции сигналов при релейномембранной элементной базе. Амплитудный способ модуляции можно использовать при применении элементов с глухой приемной камерой. При этом с увеличением диаметра линии давление нарастает быстрее. Это справедливо лишь для изолированной линии, т.е. в предположении, что скачок давления формируется источником бесконечной мощности, внутреннее сопротивление которого равно нулю.

Время передачи дискретного сигнала по каналу связи зависит как от диаметра, так и от длины линии при заданных сопротивлении источника сигнала, объеме входной камеры приемного элемента и пороге его срабатывания. Анализ переходных процессов при источнике, обладающем внутренним

сопротивлением RebLX, показывает, что существует оптимальный диаметр линии связи, обеспечивающий минимальное время передачи сигнала равный

где у - кинематическая вязкость воздуха. Это соотношение определяет такую величину диаметра, при которой внутреннее сопротивление источника сигнала равно волновому сопротивлению линии, что соответствует известному положению теории электрических цепей.

Что касается заполнения и опорожнения линии, на входе которой имеется сосредоточенное сопротивление Rext то достаточно удовлетворительную сходимость с экспериментом дает аппроксимация экспонентой. Так, при нарастании давления во времени t на входе до р0 аппроксимация запишется так:

Отмеченное выше позволяет считать, что главными недостатками пневматических линий связи являются ограниченная дальность передачи, обычно не превышающая 300 м, и низкая скорость передачи.

Существует ряд способов ускорения передачи пневматических сигналов: автоматическое изменение порогов срабатывания приемных устройств, промежуточное усиление пневматических сигналов, дифференцирование пневматических сигналов, использование звуковых и ультразвуковых колебаний, а также передача пневматических сигналов по проводной линия связи.

Схема одного из вариантов ускорения передачи сигнала путем ограничения давления перед приемным элементом после его срабатывания приведена на рис. 1.5.

Схема ускорения передачи сигнала

Рис. 1.5. Схема ускорения передачи сигнала

Ограничение давления р„ достигается введением дросселя R^, и клапана К. После срабатывания пневматического элемента ПЭ давление рвьи становится равным давлению питания рпиту а клапан К через дроссель сообщает с атмосферой тот конец линии RAy который связан со входом приемного элемента. Благодаря сообщению линии с атмосферой давление рЛХ после достижения им давления срабатывания приемного элемента растет медленнее, чем это имело бы место без использования рассматриваемого приема. Максимальное входное давление определяется из соотношения:

Поскольку р„ < рпит,, время отпускания приемного элемента уменьшается.

Другим приемом увеличения скорости передачи сигналов является использование блоков предварения, установленных на приемной стороне. Выходной сигнал на выходе блока предварения приблизительно равен сумме входного сигнала и его производной, умноженной на коэффициент, зависящий от конструктивных параметров блока предварения. Если в начальный момент подать в линию скачкообразный сигнал, равный давлению питания, то по истечении времени запаздывания давление на входе блока предварения начнет повышаться по кривой, близкой к экспоненте. Введение в схему блока предварения приводит к тому, что давление на его выходе растет быстрее, вследствие чего выходной элемент срабатывает раньше. Обеспечивая существенный выигрыш в скорости передачи сигнала, рассмотренный способ требует использования точного стабилизатора давления на передающей стороне.

При ускорении передачи пневматического сигнала с помощью промежуточных усилителей вдоль линии связи она делится на участки. После каждого участка устанавливается усилительное реле. Уровень срабатывания каждого из реле ниже передаваемого по линии сигнала, давление которого равно давлению питания. Выходным сигналом каждого из усилительных реле является давление питания. Ускорение передачи сигнала тем больше, чем ниже уровень срабатывания реле. Однако при значительном гистерезисе может возникнуть проигрыш во времени при передаче нулевого сигнала. Поэтому к выбору усилительных реле предъявляют достаточно жесткие требования. Этот способ, обеспечивая достаточный выигрыш в скорости передачи, требует наличия линии питания вдоль всей линии связи, а также введения промежуточных усилителей.

Имеется возможность передачи дискретных пневматических сигналов с помощью звуковых или ультразвуковых колебаний непосредственно по воздуху либо по специальным звукопроводам. Передача сигналов с помощью звуковых или ультразвуковых колебаний является естественным переходом от собственно пневматики к акустике и автоматически обеспечивает пожаровзрывобезопасность каналов связи. Однако передача пневматических сигналов с помощью звуковых колебаний ограничена расстоянием до 20 м ввиду значительного затухания звуковых колебаний. Кроме того, преобразователи пневматического сигнала, задаваемого в виде давления, в звуковой или ультразвуковой сигнал и преобразователи звукового или ультразвукового сигнала в давление сжатого воздуха сложны и относительно слабо защищены от звуковых помех, создаваемых работающими производственными агрегатами.

Существует возможность преобразовать пневматический сигнал в электрический, передать этот сигнал на достаточно большое расстояние и осуществить преобразование электрического сигнала обратно в пневматический. Преобразование сигналов и их передача может быть осуществлена без применения источников электрического питания. Этот способ передачи реализуется с помощью пьезокерамических преобразователей и позволяет осуществить ускоренную передачу пневматических сигналов частотой до 40 Гц на расстояние до 1 км при сохранении одного из основных достоинств пневматики - пожаровзрывобезопасности.

В течение многих десятков лет развития пневмоавтоматики основным материалом для прокладывания линий связи являлись медные, стальные или алюминиевые трубы. Высокая стоимость самих труб и их монтажа, низкая ремонтопригодность, а также широкое развитие пневмоавтоматики привели к замене металлических труб поливинилхлоридными или полиэтиленовыми. Металлические трубы остались только на объектах с повышенной или пониженной температурой окружающей среды, а также с повышенной пожароопасностью. Для соединения пластиковых трубок выпускаются стандартные быстроразъемные элементы.

Полиэтиленовые трубки допускается применять при температуре окружающей среды от -60 до +50°С и не разрешается использовать в условиях тропического климата и при наличии гамма-радиации. Поливинилхлоридные трубки допускается применять только для внутренних проводок, в пожароопасных помещениях при температуре окружающей среды от -40 до +50°С.

Контрольные вопросы

  • 1. Что такое абсолютное и относительное давление?
  • 2. Как записывается уравнение состояния?
  • 3. В чем физический смысл динамической вязкости газа?
  • 4. Какой термодинамический процесс называется изохорическим?
  • 5. Что определяет число Рейнольдса?
  • 6. Каковы функции ресивера?
  • 7. Как рассчитываются потери давления по длине каналов связи?
  • 8. Чем определяется задержка времени прохождения пнсвмосигнала?
  • 9. Какие существуют способы ускорения передачи пневматических сигналов?
  • 10. Как конструктивно выполняются пневматические линии связи?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >