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

Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne

6

4. OPRACOWANIE WYNIKÓW

Dla ka dego ze stanowisk

- Wykre li charakterystyki statyczne (na wspólnym wykresie)

elementu o oporach stałym R

1

i zmiennym R

2

, dla ró nych warto ci

ci nienia zasilania p

zas

.

- Wykre li charakterystyki statyczne (na wspólnym wykresie)

elementu o dwu oporach zmiennych jednocze nie, dla ró nych

warto ci ci nienia zasilania p

zas

.

- Wykre li charakterystyki statyczne (na wspólnym wykresie)

wzmacniacza pneumatycznego, dla ró nych warto ci ci nienia

zasilania p

zas

.

- Wykre li charakterystyki dynamiczne (na wspólnym wykresie)

układu inercyjnego pierwszego rz du, dla zadanych pojemno ci

i oporów przepływu, badanego układu. Zaznaczy stałe czasowe

i czasy martwe dla poszczególnych przebiegów.

5. SPRAWOZDANIE

Sprawozdanie powinno zawiera :

Stron tytułow (nazw wiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona

wicz cych oraz dat wykonania wiczenia).

Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk.

Wykresy wymienionych wielko ci i zale no ci oraz wyznaczone

warto ci stałych czasowych.

Uwagi i wnioski (dotycz ce przebiegu charakterystyk, ich odst pstw od

przebiegów teoretycznych, rozbie no ci wyników na ró nych

stanowiskach itp.).

Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne

7

Skład sekcji:

ci nienie zasilania: _____________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

Tabela pomiarowa: Element o oporach stałym R

1

i zmiennym R

2

x

[mm]

.

m

[l/h]

p

[kPa]

.

m

[l/h]

p

[kPa]

Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne

8

Skład sekcji:

ci nienie zasilania: _____________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

Tabela pomiarowa: Element o dwu oporach zmiennych jednocze nie

x

[mm]

.

m

[l/h]

p

[kPa]

.

m

[l/h]

p

[kPa]

Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne

9

Skład sekcji:

ci nienie zasilania: _____________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

Tabela pomiarowa: Wzmacniacz pneumatyczny

1

p

[kPa]

2

p

[kPa]

2

p

[kPa]

Skład sekcji:

ci nienie zadane: _____________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

_____________________________

Tabela pomiarowa: Elementy inercyjne pierwszego rz du

Nr elementu

T

m

[s]

T [s]

p

nas

[kPa]

1

2

3

4