POLITECHNIKA L SKA W GLIWICACH
WYDZIAŁ IN YNIERII RODOWISKA i ENERGETYKI
INSTYTUT MASZYN i URZ DZE ENERGETYCZNYCH
Elementy pneumatyczne
Laboratorium automatyki
(A – 3)
Opracował: dr in . Jacek Łyczko
Sprawdził: dr in . Jerzy Widenka
Zatwierdził: dr hab. in . Janusz Kotowicz
Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne
2
1. CEL WICZENIA
Celem wiczenia jest poznanie podstawowych zagadnie dotycz cych
elementów pneumatycznych.
2. WPROWADZENIE
Elementy pneumatyczne mog spełnia rol elementów steruj cych,
nap dowych, sumuj cych i wzmacniaj cych.
ELEMENTY STERUJ CE
Elementem steruj cym nazywamy element, którego zadaniem jest zamiana
sygnału przesuni cia (wej cie) na sygnał ci nienia (wyj cie).
Element steruj cy o oporach stałym
R
1
i zmiennym R
2
(kapilara, dysza,
przesłona) przedstawiono na rysunku
1. Opór stały R
1
tworzy zw ka
kapilarna w rurce od strony ci nienia
zasilania, natomiast opór zmienny R
2
stanowi przesłona ruchoma wzgl dem
wylotu dyszy. Sygnał wyj ciowy
ci nienia p
x
ustala si w obj to ci
komory V, znajduj cej si pomi dzy
dwoma oporami. Warto ci nienia p
x
zale y od poło enia przesłony.
Przy całkowitym przymkni ciu wylotu
dyszy p
x
=p
zas
, przepływ jest zerowy, natomiast przy całkowitym otwarciu
przysłony (du a warto x) p
x
jest bliskie ci nieniu otoczenia a przepływ jest
maksymalny.
W celu zapewnienia poprawnego działania elementu nale y:
- zapewni stało ci nienia zasilania;
- zminimalizowa obj to komory V (stała czasowa);
- zapewni szczelno (nie mo na pobiera czynnika).
Działanie elementu zale y równie od zmian temperatury (wra liwo na
dylatacje), a czuło elementu
x
p
x
∂
∂
jest zmienna – zakres u yteczny ruchu
w granicach (0 – 0.1) mm.
Rysunek 1 Element o oporach stałym R
1
i zmiennym R
2
Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne
3
Element steruj cy o dwóch oporach
zmiennych
jednocze nie
przedstawia
rysunek 2. Oba opory s realizowane przy
pomocy zaworów, których grzybki s
poł czone ze sob . Takie poł czenie
zapewnia jednoczesn zmian oporów
przepływu. Stan zerowy odpowiada
równemu otwarciu obu zaworów –
przepływ jest wtedy maksymalny, przy
zmianie poło enia x, jeden z oporów ro nie
a drugi maleje.
W porównaniu z elementem o oporze
stałym i zmiennym, element o dwóch
oporach
zmiennych
jednocze nie,
charakteryzuje si nast puj cymi cechami:
- obj to komory roboczej V mo e by du a;
- mo na cz ciowo pobiera czynnik roboczy (stosowa wi ksze
przekroje na zaworach);
- mniejsza czuło i wra liwo na dylatacje;
- wi kszy zakres przemieszcze ;
- du e straty czynnika roboczego (spr onego powietrza) do otoczenia.
ELEMENTY NAP DOWE
Elementami nap dowymi nazywamy elementy, w których sygnałem
wej ciowym jest ci nienie a sygnałem wyj ciowym przemieszczenie. Wad
wszystkich pneumatycznych elementów nap dowych jest zale no
charakterystyk statycznych od temperatury.
Elementy nap dowe małej mocy, to zwykle
elementy membranowe i mieszkowe, rzadziej spotka
mo na rurk Bourdon’a i element tłoczkowy (rysunki
3-6).
Membrana
elementu
nap dowego wykonana jest
zazwyczaj z gumy, metalu
lub tworzywa sztucznego.
Podstawow wad jest
zmienno
powierzchni
efektywnej w czasie pracy
(
)
,
(
ot
x
ef
p
p
x
f
A
−
=
). Odpowiednio dobrany kształt
i profil membrany pozwala na zminimalizowanie
Rysunek 3 Element nap dowy
membranowy
Rysunek 4 Element nap dowy
mieszkowy
Rysunek 2 Element o dwu oporach zmiennych
jednocze nie
Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne
4
wpływu tego zjawiska. Element mieszkowy zapewnia stało powierzchni
efektywnej, natomiast jego wadami s zmiany dylatacyjne wynikaj ce ze zmian
temperatury oraz (o rz d istotniejsze) zmiany modułu spr ysto ci.
Elementy nap dowe du ej mocy nazywane s siłownikami i s omawiane na
wiczeniu A-5.
WZMACNIACZE PNEUMATYCZNE
Ka dy wzmacniacz pneumatyczny składa si z elementu nap dowego
i elementu steruj cego. Zadaniem wzmacniacza jest przetworzenie sygnału
wej ciowego (ci nienia) na sygnał wyj ciowy (b d cy równie ci nieniem ale
o du ym strumieniu masy), kosztem energii doprowadzonej z czynnikiem
zasilaj cym o ci nieniu p
zas
.
Wzmacniacze – separatory stosowane s do
zmiany czynnika gazowego. Podstawowe cechy
wzmacniacza – separatora to:
- bardzo dobra liniowo ;
- nieczuło na dylatacje;
- nieczuło na zmiany ci nienia.
W
stanie
ustalonym
(charakterystyka
statyczna) bilans sił działaj cych na membran ma
posta :
A
p
pA
x
=
dla
zas
p
p
<
st d
x
p
p
=
,
co tłumaczy kształt charakterystyki.
Rysunek 6 Element nap dowy
tłoczkowy
Rysunek 5 Rurka
Bourdon'a
Rysunek 7 Wzmacniacz - separator
Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne
5
Zadaniem wzmacniacza mocy jest zwi kszenie mocy sygnału
pneumatycznego wyj cia dzi ki zwi kszeniu strumienia masy. Cechy takiego
wzmacniacza to:
- bardzo dobra liniowo ;
- mo liwo pobierania du ych
ilo ci czynnika;
- mały wpływ ci nienia zasilania
p
zas
;
- mo liwo zmian
charakterystyki statycznej.
DYNAMIKA ELEMENTÓW PNEUMATYCZNYCH – INERCJA
PIERWSZEGO RZ DU
Procesy zwi zane z eksploatacj systemów lub elementów pneumatycznych
polegaj zazwyczaj na napełnianiu czynnikiem roboczym okre lonych
przestrzeni roboczych lub komór. Dynamika tego typu procesów jest najcz ciej
klasyfikowana jako tzw. element inercyjny pierwszego rz du.
Transmitancja takiego elementu w zapisie transmitancji operatorowej ma
posta :
1
1
)
(
+
=
Ts
s
G
o
gdzie czas T okre la tzw. stał czasow elementu.
Warto stałej czasowej zale y od pojemno ci (obj to ci) i oporów
przepływu (podczas napełniania i/lub opró niania) rozpatrywanego elementu.
Jest to wielko charakterystyczna, definiuj ca zachowanie tego typu elementów
w stanach dynamicznych.
3. PRZEBIEG WICZENIA
Dla zadanego ci nienia zasilania p
zas
, ka da z sekcji przeprowadza
nast puj ce badania i pomiary, na wła ciwych stanowiskach:
- charakterystyka statyczna elementu o oporach stałym R
1
i zmiennym
R
2
;
- charakterystyka statyczna elementu o dwu oporach zmiennych
jednocze nie;
- charakterystyka statyczna wzmacniacza pneumatycznego;
- charakterystyki dynamiczne układów inercyjnych pierwszego rz du.
Rysunek 8 Wzmacniacz mocy