Вычислительные устройства

На пневматических элементах можно реализовывать различные вычислительные операции.

Для реализации алгебраического суммирования трех пневматических сигналов, из которых два складываются, а один вычитается, используется пневматический блок суммирования, принципиальная схема которого представлена на рис. 7.22.

Принципиальная схема пневматического блока суммирования

Рис. 7.22. Принципиальная схема пневматического блока суммирования

Блок состоит из следующих основных элементов: мембранного измерительного устройства, образованного камерами 12, 14, 16, и двухкаскадного усилителя. Первый каскад усилителя выполнен на базе элемента сопло- заслонка в виде сопла 10, постоянного дросселя 25 и междроссельной камеры 9. Второй каскад, образованный камерами 1, 3, 5, 6, является усилителем мощности. Он существенно увеличивает выходную мощность прибора и позволяет подключать к его выходу длинные линии и большие нагрузки, не снижая точности. Работа прибора основана на принципе компенсации сил.

Измерительное устройство предназначено для алгебраического сложения усилий, возникающих под действием входных давлений pJy р2>рз и усилия пружины 18. Вырабатываемое усилителем мощности давление р в качестве отрицательной обратной связи подается в камеру 11 и уравновешивает усилия, действующие со стороны измерительного суммирующего устройства.

В пневматическом блоке суммирования предусмотрены также вспомогательные устройства, позволяющие поддерживать постоянный перепад давлений на постоянном дросселе 25 и переменном дросселе 10 типа сопло- заслонка, управляющим первым каскадом усиления. Обеспечение постоянного перепада на постоянном и переменном дросселях существенно увеличивает крутизну статической характеристики пневматического усилителя сопло-заслонка, благодаря чему уменьшается прогиб мембран и повышается стабильность их эффективных площадей, а в целом повышается точность прибора. Заслонкой для сопла 10 служит нижний торец штока 13, который жестко соединяет между собой мембраны 19, 20, 21 измерительного элемента.

На шток 13 действуют усилия, обусловленные давлениями р, р2, /?з> р и усилием пружины 18. В положении статического равновесия сумма этих сил равна нулю. При нарушении статического равновесия, например, в случае изменения одного из входных пневматических сигналов горец штока 13 смещается относительно сопла 10, что влечет за собой изменения давлений воздуха в камерах 6 и 9, в которые через постоянный дроссель 25 непрерывно поступает воздух.

Если давление в камерах 6 и 9 повышается, что может быть вызвано опусканием штока 13, то мембраны 27 и 28 усилителя, соединенные полым штоком 4, под действием этого давления перемещаются вниз в направлении открытия шарикового клапана. Из камеры 1 питающий воздух через шариковый клапан проходит в камеру 3, а оттуда на выход и в камеру 11 отрицательной обратной связи. Усилитель мощности работает с коэффициентом усиления по давлению, равным единице, т.е. давление в камере 6 всегда равно давлению в камере 3, если пренебречь усилием, создаваемым пружиной 2. Если шток 13 под действием результирующей силы отодвигается от сопла 10, то давление в камерах 9 и 6 уменьшается, в результате чего мембранный блок усилителя мощности перемещается вверх. Полый шток отходит от шарика, и камера 3 соединяется с атмосферой. Давление в камерах 3 и 11, а следовательно, и на выходе уменьшается до тех пор, пока мембраны сумматора не займут новое равновесное положение. При этом шарик и шток усилителя мощности (вторичного реле) занимают положение, при котором отсутствует расход воздуха в камеру 3 и из нее в атмосферу.

Выходное давление р, действующее на нижнюю поверхность мембраны 28, осуществляет внутреннюю отрицательную обратную связь в усилителе мощности. Давление отрицательной обратной связи в камере 11, а следовательно, и на выходе блока при статическом равновесии всегда равно алгебраической сумме давлений, подводимых к входным штуцерам сумматора, плюс давление, уравновешивающее усилия от задающей пружины 18 и пружины 22. Такое равенство имеет место потому, что эффективные площади мембран 19 и 21 выбраны равными между собой и равными половине эффективной площади мембраны 20. Для доказательства этого напишем уравнение, выражающее равновесие сил на штоке 13:

Отсюда

где N - суммарная сила, развиваемая пружинами 18 и 22, F - эффективная площадь мембран 19 и 21.

Величина дополнительного слагаемого N/F устанавливается натяжением задающей пружины 18 путем вращения винта 17.

Рассмотрим работу устройства, поддерживающего постоянный перепад давлений на постоянном дросселе 25 пневматического усилителя сопло-заслонка. Устройство включает в себя подпружиненный шариковый клапан 26, под который подводится давление питания, мембрану 24 и пружину 23, усилие которой определяет собой величину постоянного перепада давлений на дросселе 25. Покажем, что это устройство действительно поддерживает постоянный перепад. Для этого напишем уравнение сил, действующих на мембрану 24:

откуда

где F, - эффективная площадь мембраны 24, р, - давление воздуха в .междроссельной камере 9 усилителя сопло-заслонка, К - сила, развиваемая пружиной 23, Р2 - давление в камере 8.

Сила К при работе устройства остается практически постоянной, так как прогиб мембраны крайне незначителен, а жесткость пружины 23 невелика. При уменьшении давления р, уменьшается также и давление питания первичного реле р2,так как шарик 26 прикрывает отверстие, через которое камера 7 сообщается с камерой 8. Это обстоятельство и обеспечивает высокую крутизну статической характеристики. Постоянный перепад на переменном дросселе 10 поддерживается за счет введения отрицательной обратной связи путем подачи давления р под мембрану 21. Величина постоянного перепада на сопле определяется величиной усилия, создаваемого пружиной 2.

К устройствам, предназначенным для выполнения нелинейных математических операций, могут быть отнесены множительные устройства, устройства для извлечения квадратного корня, для возведения в квадрат и функциональные преобразователи. Например, множительное устройство может быть использовано для возведения в квадрат, входного сигнала, а в некоторых случаях — для извлечения квадратного корня из входного сигнала. Принцип его работы заключается в том, что момент, создаваемый силой, пропорциональной одному из входных сигналов, и действующий на переменном плече, длина которого пропорциональна второму входному сигналу, уравновешивается моментом силы, создаваемой выходным давлением и действующей на постоянном плече. Работа такого блока основана на принципе компенсации моментов сил.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >