Все многочисленные устройства пневматики состоят из небольшого числа элементов: пневматические дроссели, камеры, пневматические элементарные преобразователи, задатчики и выключающие реле.
Пневматические дроссели создают пневматическое сопротивление за счет сужения прохождения воздушного канала (рис.1)
Рис. 1 Постоянные дроссели
а — турбулентный, б — ламинарный
В зависимости от назначения дроссели разделяют на постоянные и переменные. Проходное сечение постоянных дросселей в процессе работы не изменяется. У переменных дросселей проходное сечение можно изменить в широких пределах. Пневматические дроссели применяют в схемах делителей давления. Простейший делитель давления состоит из двух последовательно соединенных дросселей с пневматическими сопротивлениями R1 и R2.
Рис. 2 Делитель давления
Перепады давления Р1-P2 и P2-P3 на дросселях делителя давления (рис. 2) пропорциональны их пневматическим сопротивлением R1 и R2.
(P1-P2)/(P2-P3) = R1/R2
из этой формулы находим промежуточное давление P2
P2=(R2/(R1+R2)*P1) + (R1/(R1+R2)*P3)
Если воздух после второго дросселя выходит в атмосферу то,
P3 = 0; P2=R2/(R1+R2)*P1
Мембрана — это зажатый между фланцами гофрированный диск, чаще всего из прорезиненной ткани с жестким диском в центре (рис.3)
Мембрана преобразует давление в силу. Так как сила F, согласно формуле F=S*Р пропорциональна приложенному давлению Р, то статическая характеристика мембраны, как преобразователя, линейная.
Рис. 3 Мембрана
Трубчатая пружина представляет собой согнутую в виде дуги трубку овального или эллиптического сечения (рис 4). Один конец трубки запаян, а в другой, укрепленный неподвижно, подают измеряемое давление. Под действием давления Р трубка стремится распрямиться в следствии чего, ее свободный запаянный конец перемещается. Это происходит из-за того, что малая ось эллипса стремится увеличиться, а большая уменьшиться, так как площадь вокруг малой оси значительно больше площади вокруг большой оси и следовательно сила F1 больше силы F2. Перемещение запаянного конца пропорционально измеряемому давлению Р.
L = K*Р,
где коэффициент пропорциональности К — коэффициент передачи трубчатой пружины.
Рис.4 Трубчатая пружина
Сильфон — это гофрированная трубка, один конец которой закрыт (дно сильфона), а к другому подводится давление Р (рис 5). Под действием давления сильфон растягивается. Зависимость перемещения дна сильфона, от измеряемого давления выражается формулой
L = K*Р.
Рис. 5 Сильфон
Преобразователь сопло — заслонка служит для преобразования линейного перемещения в давление сжатого воздуха и представляет собой переменный дроссель типа сопло-заслонка в сочетании с постоянным дросселем (рис 6).
Рис. 6 Преобразователь сопло — заслонка
Постоянный дроссель R1 вместе с переменным дросселем сопло — заслонка R2 образуют делитель давления. Давление питания Р1 подводиться к постоянному дросселю R1, а выходным сигналом делителя является промежуточное давление Р2. Это давление согласно формуле зависит от измеряемого сопротивления дросселя и следовательно от перемещения заслонки.
P2 = R2/(R1+R2)*P1
К числу наиболее распространенных функциональных элементов пневматических устройств относятся повторители, реле, сумматоры, усилители мощности, задатчикии выключающие реле. Конструктивно они представляют собой устройства состоящие из нескольких мембран, связанных одним штоком и дросселями типа сопло-заслонка. Заслонками для сопел служат жесткие центры мембран. Во всех этих элементах входные пневматические сигналы предварительно преобразуют в механические силу и перемещение, а после выполнения необходимых операций — снова в пневматические. Преобразование входного давления в силу и перемещение производится в основном мембранами. а перемещения в выходное давление — соплом с заслонкой.
Повторитель давления (рис.7) состоит из мембраны 1 и делителя давления, образованного постоянным дросселем типа соплозаслонка. Роль заслонки для сопла 2 выполняет жесткий центр мембраны.
Рис. 7 Повторитель давления
В таком повторителе входное давление преобразуется мембраной 1 в пропорциональное ему усилие, направленное вниз. Это усилие уравновешивается направленным вверх усилием, создаваемым выходным давлением. В состоянии равновесия эти силы равны. Поэтому по формуле F=S*Р будут равны и создающие их давления.
Любое изменение входного давления приводит к нарушению равновесия сил на мембране и к ее перемещению относительно сопла 2, что повлечет изменение выходного давления, которое будет изменяться до тех пор, пока снова не сравняется с входным. Таким образом выходное давление будет повторять любое изменения входного.
Усилитель мощности — представляет собой мощный повторитель давления (рис. 8)
Рис. 8 Усилители мощности
а — устройство, б — схема
В него входит двухмембранный блок 1, в котором роль штока выполняет толкатель, имеющий внутренний канал, сообщающийся с атмосферой. В нижней части усилителя находится шариковый клапан 2, прижимаемый к седлу пружиной 3.
Состояние равновесия мембранного блока наступает тогда, когда выходное давление равно входному. Если входное давление увеличивается, то мембранный блок переместится вниз и откроет нижнее сопло. При этом выходное давление быстро увеличивается до нового значения входного давления за счет большого притока питающего воздуха через седло. Если входное давление уменьшится, то мембранный блок переместится вверх и откроет верхнее седло. Выходное давление уменьшится до нового значения входного давления за счет стравливания воздуха в атмосферу, через канал в штоке.
Задатчик — предназначен для ручного изменения давления сжатого воздуха. Усилие действующее на мембрану 3 (рис.9) сверху создается при помощи пружины 2, сжимаемой винтом 1. При ввинчивании винта в корпус задатчика выходное давление увеличивается, а при вывинчивании — уменьшается за счет изменения усилия пружины.
Рис. 9 Задатчик
а — устройство, б — схема
Выключающее реле — выполняет операцию переключения сигналов в пневматических цепях. В состав выключающего реле (рис. 10) входят мембранный блок 1, подпираемый снизу пружиной 2 и два сопла, расположенные с внутренней стороны мембран.
10 Выключающее реле
Мембранный блок может занимать два крайних положения: верхнее (под действием пружины 2) и нижнее (под действием выключающего сигнала) При этом происходит перекрытие одного из двух сопел, к которым подводится входные давления. Выходное давление при этом будет совпадать с одним из входных давлений:
Pвых = Pвх1, при Рвых = 0
Рвых = Рвх2, при Рвыкл = Рпит
Двух и четырех входовые элементы. Функции выполняемые двух и четырех входовыми элементами, определяются характером пневматических связей между их камерами.
Двухвходовый элемент предназначен для выполнения различных операций с одним или двумя пневматическими сигналами (рис. 11) в зависимости от различных вариантов включения.
Рис.11 Схемы включения двухвходового элемента
а — реле с подпором, б — двухвходовое реле, в — повторитель давления
Двухвходовый элемент представляет собой устройство с мембранным блоком, состоящим из трех мембран и двух дросселей типа сопло-заслонка. Мембраны делят двухвходовый элемент на четыре камеры): две глухих и две проточные. Давления в этих камерах создают усилия, действующие вдоль оси штока.
В зависимости от различных вариантов включения двухвходовый элемент будет выполнять операции:
- сравнение входного сигнала с постоянным давлением (рис. 11-а).
При таком включении давления в проточных камерах всегда одинаковы и поэтому положение мембранного блока зависит только от соотношения давлений Рвх и Рпод. Если входное давление Рвх меньше давления подпора Рпод, то их разность будет меньше 0 и мембранный блок окажется в верхнем положении. При этом верхнее сопло закроется, а нижнее откроется, и, следовательно, выходное давление Рвых станет равным атмосферному. Если же DР меньше 0, то мембранный блок закроет нижнее сопло и откроет верхнее. При этом Рвых = Рпит.
- сравнение двух входных сигналов (рис.11-б).
В этом случае элемент работает как реле, на вход которого подается разность DР = Рвх1 — Рвх2 входных сигналов. Пока Рвх1 будет меньше Рвх2 выходное давление Рвых останется неизменным и равным 0. Как только Рвх1 превышает Рвх2, то выходное давление возрастет до Рпит.
Четырехвходовый элемент (рис. 12) состоит из пяти мембран, связанных одним штоком. При этом, также как и двухвходовом, соблюдается чередование мембран большой и малой площади. Эти мембраны образуют четыре глухих и две проточные камеры. В зависимости от вариантов включения четырехвходовой элемент может выполнять различные функции:
Рис. 12 Четырехвходовой элемент