Elementy pneumatyczne

Transkrypt

1 POLITECHNIKA LSKA W GLIWICACH WYDZIAŁ INYNIERII RODOWISKA i ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN i URZDZE ENERGETYCZNYCH Elementy pneumatyczne Laboratorium automatyki (A 3) Opracował: dr in. Jacek Łyczko Sprawdził: dr in. Jerzy Widenka Zatwierdził: dr hab. in. Janusz Kotowicz

2 1. CEL WICZENIA Celem wiczenia jest poznanie podstawowych zagadnie dotyczcych elementów pneumatycznych. 2. WPROWADZENIE Elementy pneumatyczne mog spełnia rol elementów sterujcych, napdowych, sumujcych i wzmacniajcych. ELEMENTY STERUJCE Elementem sterujcym nazywamy element, którego zadaniem jest zamiana sygnału przesunicia (wejcie) na sygnał cinienia (wyjcie). Element sterujcy o oporach stałym R 1 i zmiennym R 2 (kapilara, dysza, przesłona) przedstawiono na rysunku 1. Opór stały R 1 tworzy zwka kapilarna w rurce od strony cinienia zasilania, natomiast opór zmienny R 2 stanowi przesłona ruchoma wzgldem wylotu dyszy. Sygnał wyjciowy cinienia p x ustala si w objtoci komory V, znajdujcej si pomidzy dwoma oporami. Warto cinienia p x zaley od połoenia przesłony. Rysunek 1 Element o oporach stałym R 1 i zmiennym R 2 Przy całkowitym przymkniciu wylotu dyszy p x =p zas, przepływ jest zerowy, natomiast przy całkowitym otwarciu przysłony (dua warto x) p x jest bliskie cinieniu otoczenia a przepływ jest maksymalny. W celu zapewnienia poprawnego działania elementu naley: - zapewni stało cinienia zasilania; - zminimalizowa objto komory V (stała czasowa); - zapewni szczelno (nie mona pobiera czynnika). Działanie elementu zaley równie od zmian temperatury (wraliwo na p dylatacje), a czuło elementu x jest zmienna zakres uyteczny ruchu x w granicach (0 0.1) mm. Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne 2

3 Element sterujcy o dwóch oporach zmiennych jednoczenie przedstawia rysunek 2. Oba opory s realizowane przy pomocy zaworów, których grzybki s połczone ze sob. Takie połczenie zapewnia jednoczesn zmian oporów przepływu. Stan zerowy odpowiada równemu otwarciu obu zaworów przepływ jest wtedy maksymalny, przy zmianie połoenia x, jeden z oporów ronie a drugi maleje. W porównaniu z elementem o oporze stałym i zmiennym, element o dwóch oporach zmiennych jednoczenie, charakteryzuje si nastpujcymi cechami: - objto komory roboczej V moe by dua; Rysunek 2 Element o dwu oporach zmiennych jednoczenie - mona czciowo pobiera czynnik roboczy (stosowa wiksze przekroje na zaworach); - mniejsza czuło i wraliwo na dylatacje; - wikszy zakres przemieszcze; - due straty czynnika roboczego (spronego powietrza) do otoczenia. ELEMENTY NAPDOWE Elementami napdowymi nazywamy elementy, w których sygnałem wejciowym jest cinienie a sygnałem wyjciowym przemieszczenie. Wad wszystkich pneumatycznych elementów napdowych jest zaleno charakterystyk statycznych od temperatury. Elementy napdowe małej mocy, to zwykle elementy membranowe i mieszkowe, rzadziej spotka mona rurk Bourdon a i element tłoczkowy (rysunki 3-6). Membrana elementu napdowego wykonana jest zazwyczaj z gumy, metalu lub tworzywa sztucznego. Podstawow wad jest Rysunek 3 Element napdowy membranowy zmienno powierzchni efektywnej w czasie pracy ( Aef = f ( x, px pot ) ). Odpowiednio dobrany kształt i profil membrany pozwala na zminimalizowanie Rysunek 4 Element napdowy mieszkowy Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne 3

4 wpływu tego zjawiska. Element mieszkowy zapewnia stało powierzchni efektywnej, natomiast jego wadami s zmiany dylatacyjne wynikajce ze zmian temperatury oraz (o rzd istotniejsze) zmiany modułu sprystoci. Rysunek 5 Rurka Bourdon'a Rysunek 6 Element napdowy tłoczkowy Elementy napdowe duej mocy nazywane s siłownikami i s omawiane na wiczeniu A-5. WZMACNIACZE PNEUMATYCZNE Kady wzmacniacz pneumatyczny składa si z elementu napdowego i elementu sterujcego. Zadaniem wzmacniacza jest przetworzenie sygnału wejciowego (cinienia) na sygnał wyjciowy (bdcy równie cinieniem ale o duym strumieniu masy), kosztem energii doprowadzonej z czynnikiem zasilajcym o cinieniu p zas. Wzmacniacze separatory stosowane s do zmiany czynnika gazowego. Podstawowe cechy wzmacniacza separatora to: - bardzo dobra liniowo; - nieczuło na dylatacje; - nieczuło na zmiany cinienia. W stanie ustalonym (charakterystyka statyczna) bilans sił działajcych na membran ma posta: pa = px A dla p < pzas std p = px, Rysunek 7 Wzmacniacz - separator co tłumaczy kształt charakterystyki. Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne 4

5 Zadaniem wzmacniacza mocy jest zwikszenie mocy sygnału pneumatycznego wyjcia dziki zwikszeniu strumienia masy. Cechy takiego wzmacniacza to: - bardzo dobra liniowo; - moliwo pobierania duych iloci czynnika; - mały wpływ cinienia zasilania p zas ; - moliwo zmian charakterystyki statycznej. Rysunek 8 Wzmacniacz mocy DYNAMIKA ELEMENTÓW PNEUMATYCZNYCH INERCJA PIERWSZEGO RZDU Procesy zwizane z eksploatacj systemów lub elementów pneumatycznych polegaj zazwyczaj na napełnianiu czynnikiem roboczym okrelonych przestrzeni roboczych lub komór. Dynamika tego typu procesów jest najczciej klasyfikowana jako tzw. element inercyjny pierwszego rzdu. Transmitancja takiego elementu w zapisie transmitancji operatorowej ma posta: 1 G o ( s) = Ts + 1 gdzie czas T okrela tzw. stał czasow elementu. Warto stałej czasowej zaley od pojemnoci (objtoci) i oporów przepływu (podczas napełniania i/lub opróniania) rozpatrywanego elementu. Jest to wielko charakterystyczna, definiujca zachowanie tego typu elementów w stanach dynamicznych. 3. PRZEBIEG WICZENIA Dla zadanego cinienia zasilania p zas, kada z sekcji przeprowadza nastpujce badania i pomiary, na właciwych stanowiskach: - charakterystyka statyczna elementu o oporach stałym R 1 i zmiennym R 2 ; - charakterystyka statyczna elementu o dwu oporach zmiennych jednoczenie; - charakterystyka statyczna wzmacniacza pneumatycznego; - charakterystyki dynamiczne układów inercyjnych pierwszego rzdu. Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne 5

6 4. OPRACOWANIE WYNIKÓW Dla kadego ze stanowisk - Wykreli charakterystyki statyczne (na wspólnym wykresie) elementu o oporach stałym R 1 i zmiennym R 2, dla rónych wartoci cinienia zasilania p zas. - Wykreli charakterystyki statyczne (na wspólnym wykresie) elementu o dwu oporach zmiennych jednoczenie, dla rónych wartoci cinienia zasilania p zas. - Wykreli charakterystyki statyczne (na wspólnym wykresie) wzmacniacza pneumatycznego, dla rónych wartoci cinienia zasilania p zas. - Wykreli charakterystyki dynamiczne (na wspólnym wykresie) układu inercyjnego pierwszego rzdu, dla zadanych pojemnoci 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 wiczcych oraz dat wykonania wiczenia). Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk. Wykresy wymienionych wielkoci i zalenoci oraz wyznaczone wartoci stałych czasowych. Uwagi i wnioski (dotyczce przebiegu charakterystyk, ich odstpstw od przebiegów teoretycznych, rozbienoci wyników na rónych stanowiskach itp.). Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne 6

7 Skład sekcji: cinienie 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 7

8 Skład sekcji: cinienie zasilania: Tabela pomiarowa: Element o dwu oporach zmiennych jednoczenie x [mm]. m [l/h] p [kpa]. m [l/h] p [kpa] Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne 8

9 Skład sekcji: cinienie zasilania: Tabela pomiarowa: Wzmacniacz pneumatyczny p 1 [kpa] p 2 [kpa] p 2 [kpa] Skład sekcji: cinienie zadane: Tabela pomiarowa: Elementy inercyjne pierwszego rzdu Nr elementu T m [s] T [s] p nas [kpa] Laboratorium automatyki. Elementy pneumatyczne 9