БИБЛИОТЕКА ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 45Z
В. ФЕРНЕР
ВОЗДУХ
ПОМОГАЕТ
автоматизировать
Перевод с немецкого
И. А. РАССКАЗОВА
«ЭНЕРГИЯ»
МОСКВА 1971

6Ф6.5
Ф 43
УДК 62-52:621.51.001.8
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:
И. В. Антик, Г. Т. Артамонов, А. И. Бертинов, А. А. Воронов,
Л. М. Закс, В. С. Малов, В. Э. Низе, О. В. Слежановский,
Б. С. Сотсков, Ф. Е. Темников, М. Г. Чиликин, А. С. Шаталов.
Фернер В.
Ф 43 Воздух помогает автоматизировать. Пер. с нем.
М., «Энергия», 1971.
112 с. с илл. (Б-ка по автоматике. Вып. 452).
В книге описываются элементы пневматических приборов, функ-
циональные элементы, аналоговые и цифровые вычислительные устрой-
ства и входящие в них блоки. Изложение построено по принципу
сравнения пневматики и электроники и использования аналогий, при-
сущих обеим областям техники.
Книга рассчитана на широкий круг читателей.
3-3-13
41*70 6Фв5
V. FERNER
Lull hilft automatisieren
VEB Gerate — und Regler — Werke Teltow
Zentraler Anlagenbau der BMSR — Technik
ВОЗДУХ ПОМОГАЕТ АВТОМАТИЗИРОВАТЬ
Редактор О. В. Поваго
Редактор издательства Н. Б. Фомичева
Технический редактор Н. А. Галанчева
Корректор Т. В. Воробьева
Сдано в набор 5/V 1971 г.
Подписано к печати 7/Х 1971 г.
Формат 84Х1087за
Бумага типографская № 3
Усл. печ. л. 5,88
Уч.-изд. л. 6,85
Тираж 12 000 экз.
Цена 47 коп. Зак. 180
Издательство .Энергия*.
Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Московская типография № 10 Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР.
Шлюзовая наб., 10.

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Специалистам, работающим в области пневматических
устройств автоматики, нет нужды рассказывать о докторе-
инженере В. Фернере. Его работы широко известны инженер-
ной общественности Советского Союза.
Рекомендуемая читателю книга В. Фернера существенно
отличается от всего того, что было ранее написано этим вы-
дающимся инженером. Влюбленный в свое дело, В. Фернер
написал книгу, основная цель которой — привлечь к развиваю-
щейся пневмоавтоматике новых последователей этого направ-
ления. Книга написана для тех, кто еще не занимается пневмо-
автоматикой и далек от ее принципов, кто не знает даже фи-
зики процессов, происходящих в этих устройствах. Мне пред-
ставляется, что автор нашел правильный тон в беседе (а книга
написана именно как серия бесед умудренного опытом чело-
века со своими друзьями-учениками). Я уверен, что каждый
инженер, техник или студент, открыв книгу, дочитает ее до
конца. Больше того, многие из прочитавших книгу заинтере-
суются пневмоавтоматикой и перейдут затем к более глубоким
работам.
Особой заслугой В. Фернера является сочетание легкого
стиля изложения с серьезной научной базой излагаемого мате-
риала. В серии «Библиотека по автоматике» пока мало попу-
лярных книг, и книга В. Фернера явится хорошим дополне-
нием к ним.
Я не имею удовольствия быть лично знакомым с доктором
В. Фернером, но, прочитав его книгу, я понял, что он не
только большой специалист, но и добрый, веселый человек.
С веселым человеком приятно путешествовать. Уверен, что пу-
тешествие читателя по книге В. Фернера будет не только по-
лезным, но и приятным. Со многими из тех, кто совершил это
путешествие до конца, надеюсь встретиться в стране пневма-
тики.
Канд. техн. наук В. Эйгенброт

ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1-1. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА
Услуги, которые нам оказывает воздух, многообразны. Без воз-
духа невозможна была бы жизнь, не горел бы огонь в печи и све-
чи на новогодней елке. По улицам не ездили бы машины, а в не-
бе не летали бы самолеты. Без воздуха —-передатчика звуковых
волн — мы не могли бы разговаривать с нашими друзьями, а гром-
коговоритель вашего приемника был бы нем, как рыба. Воздух при-
меняется в самых различных отраслях техники.
Внедрение машин на воздушной подушке произведет револю-
цию в транспорте. При современном быстром развитии автоматиза-
ции промышленности воздух
наряду с электротехникой и
электроникой оказывает неоце-
нимую помощь.
Но прежде лем воспользо-
ваться этой помощью, необхо-
димо познакомиться с некото-
рыми свойствами воздуха,
а также с основами техники
сжатого воздуха — пневмати-
кой.
Перечислим кратко свой-
ства воздуха.
Воздух —это смесь газов,
из которых состоит окружаю-
щая нас атмосфера. Поскольку
частицы газов обладают мас-
сой, то воздух оказывает на
нас давление, которое пример-
но равно I кгс/см2. Это давле-
ние столба воздуха высотой в
несколько километров, который
мы давно уже привыкли носить
на своих плечах, принято на-
зывать атмосферным давле-
нием.
Сходство воздуха и жидко-
сти шроявляется прежде всего
в том, что их частицы облада-
ют большой подвижностью.
Важным свойством возду-
ха является также то, что он,

как и любой другой газ, старается занять все
имеющееся окружающее его пространство.
Один литр воздуха можно транспортировать
как в емкости размером со спичечный коро-
бок, так и в емкости объемом в несколько ку-
бических метров при условии герметичности
транспортируемого объем-а.
Это говорит о том, -что воздух можно сжи-
мать. При сжатии изменяются его объем и
давление. Следует добавить, что эти величины
зависят и от температуры воздуха.
Для того чтобы уяснить принцип действия
пневматических приборов, необходимо знать
основные силы, возникающие при движении
воздуха. К ним относятся прежде всего три
силы, оказывающие влияние на частицу воз-
духа:
сила давления, которая приводит ее
в движение;
сила инерции, которая препятствует изменению ее движения;
сила трения, иначе говоря вязкость, которая оказывает тормо-
зящее воздействие на движение частицы.
Инерция и трение при движении воздуха проявляются одновре-
менно и, как правило, одно усилие преобладает над другим. Но их
можно рассматривать независимо друг от друга.
Области, в которых одна сила
преобладает над другой, соответству-
ют (различным типам потоков: поток
называется ламинарным, если отдель-
ные слои потока движутся парал-
лельно и не смешиваются друг с дру-
гом. В области этого потока преоб-
ладают силы трения, иначе говоря
вязкости.
При увеличении скорости части-
цы, перемешиваясь друг с другом,
образуют турбулентный поток.
Турбулентному потоку соответ-
ствует область с преобладанием
сил инерции. Далее свойства ламинарного и турбулентного пото-
ков будут рассмотрены более подробно.
1-2. СЖИМАЕМОСТЬ ВОЗДУХА
Сжимаемость воздуха — это обратимое изменение объема воз-
духа под действием всестороннего давления, причем давление воз-
духа при сжатии изменяется.
Например, давление в велосипедном насосе увеличивается за
счет движения. поршня. Если воздух в емкости велосипедного на-
соса сжать наполовину при постоянной температуре первоначаль-
ного объема, то давление на выходе насоса увеличится в 2 раза.
Если же воздух расширяется до двойного объема, то давление па-
дает наполовину. Отсюда следует вывод: давление воздуха р об-
ратно пропорционально объему V, занимаемому этим воздухом при
постоянной температуре.
5

пневматических приборов,
маемость воздуха, как прабило, не учитывается.
Это соответствует закону, открыто-
му Бойлем и Мариоттом, согласно ко-
торому произведение давления на объем
воздуха всегда равно постоянной вели-
чине
р V=const,
откуда следует, что
piVi=p2V2.
Как уже указывалось в § 1-1, дав-
ление окружающего нас воздуха назы-
вается атмосферным. В пневматике по
аналогии с электротехникой атмосферное
давление принимается за нулевой по-
тенциал.
Если воздух, находящийся под ат-
мосферным давлением, сжать до
2 кгс/см2 .или, иначе говоря, с 10 ООО мм
вод. ст. до 20 000 мм вод. ст., то объем
воздуха уменьшится наполовину соглас-
но формуле, приведенной выше.
Если давление увеличить по отноше-
нию к атмосферному давлению лишь на
100 мм вод. ст., т, е. с 10 000 мм вод. ст.
до 10 100 мм вод. ст., то объем воздуха
10 000
будет уменьшен только на ю ] qq —0,99
его первоначального объема.
Таким образом, воздух при очень
малом изменении давления практически
можно рассматривать как несжимаемую
среду. Поэтому при проектировании
работающих на низких давлениях, ожи-
1-3. ВЛИЯНИЕ ЗЕМНОГО ПРИТЯЖЕНИЯ
Когда Галилей бросил камень с наклонной башни в Пизе, он
сделал интересное наблюдение, ставшее впоследствии открытием.
Через 1 сек камень пролетел 5 м, через 2 сек — 20 м и через
3 сек — 45 м. Короче говоря, пути, пройденные камнем, относились
как квадраты чисел времени движения:
12:22:32= 1:4:9.
Если бы Галилей накрыл башню огромным колоколом и выка-
чал из него воздух, то он мог бы также сбросить с башни вместо
6

камня частицу воздуха. Че-
рез 3 сек она тоже проле-
тела бы 45 м,' потому что
земное притяжение оказы-
вает на частицу воздуха
такое же воздействие, как
на камень или какой-либо
другой предмет.
1-4. ВЫСОТА ПАДЕНИЯ
И ПЕРЕПАД ДАВЛЕНИЯ
Между высотой паде-
ния камня и перепадом дав-
ления, который воздейству-
ет на частицу воздуха, су-
ществует аналогия. Чем
больше высота, с которой
падает камень, тем больше
его конечная скорость, а чем
выше давление, тем больше
скорость потока частиц воз-
духа. Поэтому формулы для
расчета скорости падения
тела и скорости потока ча-
стиц воздуха очень схожи.
Для скорости 14 камня по-
сле падения с высоты hi
Vi = сг УКГ
Для скорости потока vi
при перепаде давления Др
соответственно
v2 = с2 VTp.
Коэффициенты Ci и Сг зависят от таких постоянных величин,
как ускорение падения и удельный вес. Более подробно эти зависи-
мости здесь рассматриваться не будут, так как мы стремимся лишь
показать основные соотношения.
Для наглядного представления о взаимосвязи между величи-
ной давления и скоростью потока можно провести аналогию меж-
ду частицей воздуха и металлическим шариком, который катится
по наклонной плоскости с высоты,
равной перепаду давления, выра-
женному в единицах водяного стол-
ба. Однако при этом трение меж-
ду частицами в потоке не учиты-
вается.
Раньше мы говорили о силах,
возникающих при движении частиц
воздуха в потоке. Среди них была
названа сила инерции, препятствую-
щая изменению движения частиц.
^Вода Эта сила является причиной возник-
новения пневмосопротивления.
7

1-5. ПНЕВМОСОПРОТИВЛЕНИЕ
На товарной станции рабочие пытаются сдвинуть с места же-
лезнодорожный вагон. Хотя они прикладывают все силы, вагон не
приходит сразу в движение, потому что он оказывает этим силам
сопротивление. Это сопротивление тем больше, чем больше весит
вагон, т. е. чем больше его масса.
Ньютон установил в 1687 г., что любое тело находится в состо-
янии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока
внешние силы не вынудят его изменить это состояние. Закон этот
относится также и к частице воздуха, движущейся в потоке.
Если пропустить воздух по трубе, которая в каком-то месте
имеет сужение сечения в 2 раза, то частицы воздуха в узком ме-
сте перемещаются в 2 раза быстрее. Но любое изменение состоя-
ния тела (изменение скорости), исходя из закона Ньютона, воз-
можно только за счет внешней силы, которая преодолеет инерцию
частиц воздуха и сообщит им дополнительное ускорение. Внешние
силы в данном случае определяются перепадом давления, равным
разнице давлений между различными поперечными сечениями трубы.
8

1-6. ЭНЕРГИЯ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА (СКОРОСТНОЙ НАПОР)
Для того чтобы тело либо частицу воздуха привести в движе-
ние, необходимо затратить энергию. Приобретая скорость, части-
ца воздуха (или тело) приобретает кинетическую энергию. За счет
этой энергии они могут совершать работу до тех пор, пока энергия
не израсходуется. Так, воздух при своем движении может выры-
вать с корнем деревья, разрушать города, приводить в движение
ветряные мельницы и парусные суда.
Тело, обладающее большой мас-
сой и большей скоростью, обладает
большей кинетической энергией.
Если энергию движения обозна-
чить £, массу т и скорость v, то все,
что было сказано выше, можно вы-
разить следующей формулой:
E=mv2/2.
Поэтому воздушные массы в
сильную бурю могут сломать дерево
так же, как это сделает случайно
наехавший на него автомобиль.
Если навстречу потоку воздуха
направить одно из колен U-образной
трубки с залитой в нее жидкостью,
то частицы воздуха, попадающие из
потока воздуха в одно из колен
трубки, будут оказывать давление

на столб жидкости. Высота подъема
столба жидкости — это давление, ха-
рактеризующее "скоростной напор воз-
духа. Он пропорционален его кине-
тической энергии. Если скоростной
напор обозначить q, скорость потока
v и плотность воздуха р, то полу-
чится:
q—pv2/2.
1-7. ВЗАИМОСВЯЗЬ
ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ И
КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ЧАСТИЦ ВОЗДУХА
Ежедневно и ежечасно мы ви-
дим, как энергия переходит из одно-
го вида в другой. В 1842 г. Роберт
Майер установил, что энергия не ис-
чезает, а только переходит из одной
формы в другую. Другой интерпре-
тацией закона является следующее
положение — сумма всех энергий лю-
бой замкнутой материальной систе-
мы — величина постоянная. Энергией
обладают не только движущиеся те-
ла, энергией могут обладать и тела,
находящиеся в покое. Примерами мо-
гут служить заведенная пружина,
натянутый лук, который при стрельбе
из него отдает свою энергию стреле.
Такая энергия называется .потенци-
альной энергией.
Если тело с массой т поднять на высоту h, то для этого
необходимо совершить определенную работу. За счет этой рабо-
ты тело, поднятое на высоту h,, приобретает потенциальную
энергию.
Если же ему предоставить возможность свободно падать, то его
потенциальная энергия будет уменьшаться в той же мере, в какой
увеличивается энергия движения, т. е. кинетическая энергия. При
достижении телом своего первоначального положения его ранее
накопления потенциальная энергия полностью преобразуется в ки-
нетическую.
Взаимное .превращение потенциальной и кинетической энер-
гий можно наблюдать на примере маятника часов или детских ка-
челей.
Полная аналогия существует и для газов. Закон сохранения
энергии для частиц воздуха Бернулли выразил уравнением, физи-
ческий смысл которого заключается в том, что в стационарном и
горизонтальном потоке без трения сумма потенциальной и кинети-
ческой энергий потока в любом поперечном сечении струи одина-
10

кова. Это можно записать следующим образом:
1
— ру2 р = const,
где р — плотность воздуха; v — скорость потока; р — статическое
давление.
В данном случае статическое давление
выражает величину потенциальной энергии
потока.
Иллюстрацией к закону сохранения
энергии может служить картина взаимного
превращения энергий при прохождении по-
тока воздуха через местное сужение
трубки.
По закону сохранения энергии с уве-
личением кинетической энергии в суженном
месте трубки статическое давление умень-
шается.
11

1-8. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОБЪЕМ ВОЗДУХА
Свойство воздуха расширяться при нагревании и, следователь-
но, становиться легче было использовано братьями Монгольфье
в 1783 г., когда они впервые применили для подъема баллон с го-
рячим воздухом.
Примерно 20 лет спустя Гей-Люссаком было установлено, что
воздух постоянного давления при изменении температуры на 1° про-
порционально изменяет свой объем относительно исходного на
1/273. Температура —273° принимается за абсолютный нуль,
а температуру, отсчитанную
от этого нуля, называют
абсолютной температурой
(термодинамической) и из-
меряют в градусах Кельви-
на. Температура, выражен-
ная в градусах Кельвина,
связана с температурой в
градусах Цельсия соотноше-
чием 7i(°K) =273+'/ °С.
Отсюда следует поло-
жение, что при постоянном
давлении отношение объ-
емов количества газа равно
отношению соответствую-
щих абсолютных темпера-
тур:
г 1 1 л*
i 1 1
1 V
11'
т
и
11 1
\ \
и 1
Зависимость объема газа от температуры можно наблюдать на
примере воздушного шарика.
Если воздушный -шарик, плотно надутый на морозе, вмести
в теплую комнату, то он, увеличившись в объеме, может лопнуть.
Следствием колебаний температуры в при-
борах пневмоавтоматики могут стать не толь-
ко изменения конструктивных размеров эле-
ментов приборов, но также и возникновение
в них дополнительных воздушных потоков.
1-9. ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ
ОТ СЖАТИЯ ВОЗДУХА
При мгновенном сжатии воздух нагревает-
ся настолько, что выделяющегося тепла до-
статочно для воспламенения распыленного го-
рючего. Это свойство используется в двига-
теле, изобретенном Рудольфом Дизелем
в -1897 г.
Обратное свойство: охлаждение мгновенно
разряжающегося предварительно сжатого воз-
духа-применил Линде в '1895 г., построив уста-
новку сжижения воздуха.
13

Практически очень трудно оценить влияние изменения объема
на температуру. Если эксперимент проводится медленно, то тепло
успевает рассеяться и температура остается постоянной. В этом
случае сжатие можно назвать изотермическим. Если сосуд, содер-
жащий воздух, теплоизолировать или осуществить сжатие настоль-
ко быстро, .чтобы не было от-
вода тепла стенкой сосуда,
температура воздуха изме-
нится.
При таком сжатии, назы-
ваемом адиабатическим, темпе-
ратура определяется по урав-
нению Пуассона
^2 v Р*I
где k — показатель адиабаты
для воздуха приблизительно
равен 1,4.
В пневмоавтоматике, как
правило, работают только на
двух пределах давления: пре-
дел среднего давления от 0 до
1 кгс/см2 и предел низкого дав-
ления от 0 до 100 мм вод. ст.
Увеличение температуры при
адиабатическом сжатии в пределе среднего давления достигает 50 °С,
а в пределе низкого давления оно остается ниже 1 °С.
Так как во втором случае изменение температуры незначитель-
но, то влияние \епла при сжатии в приборах низкого давления под-
робно рассматриваться не будет.
1-10. ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА
Общеизвестно, что чем больше жара, тем больше жажда. Воз-
дух поглощает водяных паров тем больше, чем выше его темпера-
тура. Однако воздух перестает поглощать влагу, если достигнута
так называемая граница насыщения.
14

В состоянии насыщения 1 м3 воз-
духа содержит следующее количество
водяного пара ори температурах
—10°С—2,36 г
0°С—4,82 г
10е С—9,35 г
20° С—17,22 г
30# С—30,20 г
Если, например, 1 м3 воздуха при
20 °С содержит только 10 г водяного
пара, то относительная влажность
10
17,22
;0,58, или 58%.
Насыщенный влагой воздух при ох-
лаждении отдает ее избыток. Это мож-
но увидеть, когда мы дышим на холод-
ное оконное стекло. Если воздух выходит
из сопла под давлением, то в потоке
в результате его расширения происхо-
дит охлаждение воздуха. При этом его температура может стать
ниже.
Точкой росы называется температура, при которой воздух
в процессе охлаждения насыщается водяными парами.
Нормальная темпера-
тура, нет Выделения
воды
Низкая температура*
выпадает вода
Таким образом, при эксплуатации пневматических приборов су-
ществует опасность выделения воды при резком изменении давле-
ния, что может привести к значительным производственным по-
мехам.
Так, например, при истечении воздуха из сопла и понижении
давления на 1 кгс[см2 возможно мгновенное понижение температу-
ры более чем на 50° С и, как следствие, выделение избытка водя-
ных паров в виде капель (росы).
В приборах низкого давления, где изменение температуры не
превышает 1°С, выпадение росы мало вероятно и его, как прави-
ло, не учитывают.
Ы1. вязкость ВОЗДУХА
Вязкость воздуха определяется силами внутреннего трения ча-
стиц воздуха между собой и характеризуется динамическим и ки-
нематическим коэффициентами вязкости. Динамический коэффици-
ент вязкости измеряется в кгс • сек/м2.
15

Наглядное представление
о вязкости жидкости может
дать картина медленно выте-
кающего из банки сиропа, ча-
стицы которого обладают боль-
шой силой сцепления. Прили-
пая друг к другу, они образу-
ют параллельные струйки. Та-
кое течение представляет со-
бой идеальную картину лами-
нарного или слоистого по-
тока.
Дым тлеющей сигареты
в первый момент дает ту же
картину потока, что и вязкая
жидкость.
Однако, пройдя определенный путь, струйки дыма завихряются
и поток резко меняется. Следовательно, воздух (представляющий
собой смесь газов) также обладает определенной вязкостью и при
определенных условиях может рассматриваться как вязкая жид-
кость.
Однако вязкость меняется с изменением температуры.
Вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается,
с вязкостью воздуха происходит обратное явление. Воздух с пони-
жением температуры становится ме-
нее вязким.
В ламинарных сопротивлениях
приборов пневмоавтоматики исполь-
зуют свойства вязкости воздуха.
1-12. ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ —
ПРИЧИНА ВЯЗКОСТИ
Если .вязкую жидкость поместить
между двумя большими пластинами
с зазором а, из которых одна по-
движная, а другая неподвижная, то
сопротивление, которое жидкость
оказывает движению пластины, ли-
нейно увеличивается со скоростью.
Скорость 'потока в поперечном
сечении увеличивается от 0 до о
из-за прилипания жидкости к пласти-
нам, причем частицы, прилегающие
к неподвижной пластине, имеют ну-
левую скорость.
'Внешняя сила, необходимая для движения пластины для жид-
кости с определенной вязкостью, зависит только от скорости ее
движения v и от расстояния у между пластинами. Эта сила в ито-
ге идет на преодоление сил внутреннего трения, т. е. вязкости
жидкости.
16

Сопротивление движению частиц жид-
кости при их смещении относительно друг
друга называется касательным напряжени-
ем т и определяется по формуле
v
где т] — коэффициент вязкости; v — скорость движущейся пластины;
а — расстояние между пластинами..
Эта формула действительна и для воздуха.
Если вязкость воды и других жидкостей, например масла,
с увеличением температуры неравномерно уменьшается, то вязкость
лгс-сек
20 40 60 80 100
Температура, °С
воздуха с увеличением температуры равномерно увеличивается. Это
видно из сопоставления динамической вязкости воздуха и воды.
Динамическим коэффициентом вязкости называют обычно про-
сто вязкость.
Температура, вС
0
20
40
60
80
100
п кгс•сек
Вода' 10V
182
102
66,5
47,9
36,3
28,8
кгс•сек
Воздух, Ш6ж2
1,75
1,85
1,95
2,04
2,13
2,22
Максвелл доказал в 1876 г., что давление не оказывает ника-
кого влияния на коэффициент динамической вязкости идеального
газа. Это определение означает, что потери на трение у ламинар-
ного потока всегда одинаковы, независимо от изменения давления.
2—180
17

1-13. ЛАМИНАРНОЕ (СЛОИСТОЕ) ТЕЧЕНИЕ
Рассмотрим течение 'воздуха по трубке. При этом большую
роль играет динамическая вязкость. Предположим, что давление
в потоке постоянное.
Если поперечное сечение потока велико, то частицы воздуха
имеют большую свободу при передвижении и могут протекать тур-
булентно завихряясь.
Если же поперечное сечение уменьшить, то частицы воздуха
уже не 'могут так свободно передвигаться, как раньше. Они уже
с трудом будут вталкиваться в узкое поперечное сечение.
Беспорядочного движений частиц в этом случае в трубке не
наблюдается. Наоборот, они двигаются прямолинейными слоями, но
с различной скоростью, причем в середине скорость самая большая,
в направлении к стенке она уменьшается до нуля. Частицы возду-
ха, находящиеся у самой стенки, неподвижны, так как из-за их
малой величины для них даже гладкая стенка является шерохо-
ватой. Поэтому при ламинарном потоке
шероховатость стенок трубы не играет ре-
' шающей роли.
Распределение скорости в поперечном
сечении трубы согласно закону Хатена и
Пуайзеля, открытому в il846 г., у ламинар-
ного потока соответствует параболе.
В следующем разделе будут рассмат-
риваться явления, происходящие в воздухе
при переменном давлении.
18

1-14. ОБ УСЛОВИЯХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНЫХ
И ЛАМИНАРНЫХ ТЕЧЕНИЙ
Влияние перепада давления
Если измерить давления в двух поперечных сечениях на кон-
цах трубки, то разность их при наличии ламинарного потока будет
невелика.
•С увеличением перепада давления до определенной величины
скорость течения возрастает настолько, что каждая движущаяся
прямолинейная струйка начинает
размываться и перемешиваться
с потоком. В потоке возникает
вихревое движение. Следователь-
но, ламинарный поток при дости-
жении перепадом критической ве-
личины может перейти в турбу-
лентный. В этом случае достаточ-
но небольшого нарушения, напри-
мер сотрясения стенки трубы, для
того, чтобы вызвать внезапный пе-
реход потока в турбулентный ре-
жим. Он сохранится до тех пор, Высокое ^-у,*.- ^
пока перепад давления не снизит- давление Щ?Щ lyiSS2SSrm
<я до определенной величины. кш&Ц -,.^*5*
Малое
давление
ЛаминаШое
течеШ
Влияние длины канала
Одним из факторов, влияющих на образование ламинарного
и турбулентного потоков, является длина канала, по которому дви-
жется поток. В § 11-5 рассматривалась причина возникновения пнев-
мосопротивления в месте сужения потока, следствием которого
явилось возникновение перепада давления при протекании воздуха,
через суженное место. Конструктивно пневмосопротивление, назы-
ваемое обычно дросселем, выполняется в виде трубки переменного
сечения.
^ЧЧ^ЧЧЧЧЧ\ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧУ1
19

Если сопротивление узкое и длинное, то при сильном напоре
движение медленное и непрерывное.
Если пневмосопротивление очень короткое, например образо-
вано остроконечной диафрагмой, то ламинарный поток не обра-
зуется.
Ламинарный поток может иметь место и при относительно вы-
соком перепаде давления. Однако узкий канал потока должен быть
для этого достаточно длинным. Ори увеличении перепада давления
для сохранения ламинарного потока длина канала также должна
быть увеличена.
Известно, что условия перехода ламинарного течения в турбу-
лентный и обратно зависят от перепада давления, длины канала
и его диаметра, т. е. от скорости потока. Для области ламинар-
ного потока в трубе справедливо соотношение
где v — скорость потока; d -— диаметр поперечного сечения; р —
плотность воздуха; rj—коэффициент вязкости воздуха.
1-15. СВОЙСТВА СВОБОДНОЙ СТРУИ ВОЗДУХА
Частица воздуха ведет себя точно так же, как камень, бро-
шенный в горизонтальном направлении. Прямолинейная траектория
ее полета изменится, несмотря на инерцию массы частицы. Причиной
этого является земное притяжение и сопротивление воздуха. Части-
цы воздуха, вылетающие из сопла, выстреливаются из него, как из
пушки.
Однако поток воздуха после выхода из сопла смешивается
с окружающей его средой и окружающий воздух стремится про-
никнуть в него.
< 2 320.
Для турбулентного потока:
v dp
<3 000,
20

Сопротивление
воздуха
.При столкновении частиц потока с частицами окружающего
воздуха происходит активный обмен энергии между ними. Резуль-
татом этого является увеличение количества частиц воздуха, дви-
жущихся в потоке, и падение давления потока за соплом. При
этом смешивание происходит в конусе, образующие которого от-
клонены от цилиндрической образующей отверстия на 6° внутрь
и 8° наружу.
'Поперечное сечение потока, в котором сохраняется скорость,
приобретенная в сопле, уменьшается, и поток исчезает, пройдя
расстояние, равное 4—5 диаметрам сечения сопла.

Диаметр свободного потока воздуха рассчитывается прибли-
зительно
D0 б щ=iDc он л а+0,29/;
D я д р а=Dс о ж л ат-0,2/,
где Do б щ— диаметр всего свободного потока воздуха; £>СОпла —
диаметр сопла; £>Ядра— диаметр ядра потока; / — длина потока.
У сопла диаметром 2 мм на расстоянии от него 2 мм
/)0бщ=2+0,29- 2=12,68 мм;
£Ядра=2+0,2-2=1,6 мм.
Поток воздуха ведет себя так же, как поток воды, однако
исчезает он значительно быстрее. В связи с этим возможности
использования потоков воздуха в приборах автоматизации ограни-
чиваются. Характерными особенностями 'обладает поток, направлен-
ный в сторону какой-либо плоскости.
1-16. СВОЙСТВА ПОТОКА ВОЗДУХА, НАПРАВЛЕННОГО
К ПЛОСКОСТИ
Если ребенку, сидящему на неподвижных качелях, бросить мяч,
который он поймает, то качели придут в движение, так как мяч
передал свою энергию движения качелям.
Если бросить мяч в стену, то в месте соприкосновения воз-
никает противодействующая сила, зависящая от кинетической энер-
гии мяча.
Поток воздуха, выходящий из сопла, также можно направить
на ровную пластинку. Если она расположена к потоку перпенди-
кулярно, то поток воздуха будет отводиться от нее под углом 90°.
22

При этом сила, действующая на пластинку, зависит от кинетической
энергии частиц (Ьоадуха. Эта сила должна учитываться при по-
строении некоторых приборов пневмоавтоматики. Приближенно
сила, действующая на пластинку, рассчитывается по следующей
формуле:
F=2Sp,
где F — сила (давление потока), действующая на пластину; 5 —
поперечное сечение сопла; р — статическое давление в трубопро-
воде перед соплом.
Если поток попадает на пластинку под углом а, то эта фор-
мула принимает вид:
F=2Sp sin а.
ГЛАВА ВТОРАЯ
СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
И ПНЕВМАТИКИ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
2-1. ЗАКОН ОМА В ПНЕВМАТИКЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
Из электротехники известно, что сила постоянного тока /,
протекающего по проводнику, прямо пропорциональна разности
потенциалов между конечными точками проводника U и обратно
пропорциональна электрическому сопротивлению. Эта зависимость
выражается законом~Ома
U
Если в пневматическую линию вклю-
чить ламинарное пневмосопротивление,
то через него в единицу времени прохо-
дит определенное количество воздуха.
Если увеличить сопротивление, напри-
мер, посредством увеличения длины его
канала в 2 раза, то количество воздуха,
проходящее в единицу времени, сокра-
тится наполовину.
Если наполовину уменьшить пере-
пад давления Ар на ламинарном сопро-
тивлении R, то объемный расход возду-
ха Q также сократится наполовину.
Напря-
жение

Малое сопротив-
ление, большой
расход
Большое соп-
ротивление, ма-
лый расход
Следовательно, можно сказать, что закон Ома справедлив и
для области ламинарного потока в следующем виде:
2-2. СОПОСТАВЛЕНИЕ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ
Так как для измерения электрических величин уже введены
единицы, то необходимо ввести соответствующие единицы и для
измерения величин пневмоавтоматики низкого давления.
При сравнении электрических и пневматических цепей нетрудно
установить аналогию между их свойствами.
Ниже приводятся обозначения некоторых величин пневмоавто-
матики с указанием единиц измерения.
При сопоставлении некоторых закономерностей в электротех-
нике и пневматике низкого давления можно вывести расчетные фор-
мулы необходимых нам пневматических величин.
Ламинарное сопротивление, например, можно рассчитать, зная
давление и силу потока воздуха.
Если при давлении 100 мм вод. ст. через трубопровод проходит
в секунду 2 см3 объема воздуха, то ламинарное сопротивление
р 100 мм вод. ст.
ft — —- == ---*_ —
Q 2 см9/сек
мм вод. ст.-сек
— 50 s •
см3
Если в пневматическом лами-
нарном сопротивлении 50 мм
вод. ст. • сек/см3 проходит поток
воздуха. 2 см3/сск, то перепад дав-
ления на сопротивлении
_ мм вод. ст.-сек п см3 __
= 100 мм вод. ст.
24

Электротехника
Пневматика низкого давления в области
ламинарного потока
Силой тока / обозначается
количество электричества, про-
текающего через поперечное се-
чение проводника за определен-
ный промежуток времени
Сила тока измеряется в ампе-
рах (а)
Объемным расходом (потоком)
воздуха Q обозначается количество
воздуха, проходящего через попе-
речное сечение трубопровода в
опре деленныйf промежуток времени
Расход воздуха измеряется в
смг/сек
Электрическим напряжением
U обозначается разность потен-
циалов между двумя точками
проводника
Напряжение измеряется в
вольтах (в)
Перепадом давления р обознача-
ется разность давлений между дву-
мя точками трубопровода
Перепад давления измеряется в
_ миллиметрах водяного столба
(мм вод,cm,)
Величина электрического со-
противления R определяется по
закону Ома, через силу тока и
напряжение
Сопротивление измеряется в
омах (ом)
Величина пневматического лами-
нарного сопротивления R опреде-
ляется через расход воздуха и пе-
репад давлений
Ламинарное пневмосопротивление
мм.вод.ст-сек
измеряется в ~ мг
Количество электричества оп-
ределяется силой тока, проходя-
щего через поперечное сечение
проводника за данный промежу-
ток времени
Количество электричества из-
меряется в кулонах (к)
Количество воздуха определяется
расходом воздуха за данный про-
межуток времени.
Количество воздуха измеряется в
кубических сантиметрах (см9)
Емкость С электрического кон-
денсатора определяется как от-
ношение электрического заряда
устройства к разности потенци-
алов
Емкость измеряется в фара-
дах (ф)
Емкость пневматического аккуму-
лятора определяется как отноше-
ние количества воздуха к перепаду
давлений внутри объема и на вхо-
де в объем.
Емкость измеряется
см*
в мм вод,ст.
25

2-3. РАСЧЕТ ЛАМИНАРНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Между омическими и ламинарными сопротивлениями сущест-
вует много общего, но имеются и существенные различия.
(Известно, что некоторые материалы очень хорошо проводят
электрический ток, а другие очень плохо или даже вообще не про-
водят. Например, сопротивление железной проволоки значительно
больше, чем сопротивление медной проволоки тех же геометриче-
ских размеров.
Для того' чтобы учесть свойства материалов, в электротехнике
введена единица удельного сопротивления, р — сопротивление про-
волоки длиной 1 м и поперечного сечения 1 мм2 при температуре
20° С.
Так как сопротивление изменяется пропорционально длине
проводника / и обратно пропорционально поперечному сечению
S, то
причем / исчисляется в метрах и 5 в миллиметрах квадратных,
а сопротивление R в омах.
Для пневматических ламинарных сопротивлений материал, из
которого они изготовлены, не играет роли, потому что само со-
противление зависит от величины воздуш-
ного зазора. А величина воздушного зазора
во многом зависит от формы поперечного
сечения. Удельное сопротивление определя-
ется формой поперечного сечения. Однако
при дальнейшем рассмотрении ограничимся
только круглыми поперечными сечениями.
Так как распределение скорости в ла-
минарном сопротивлении параболическое,
то с уменьшением поперечного сечения ла-
минарное сопротивление в отличие от элек-
трических сопротивлений увеличивается
не линейно. Величина пневмосошротивления
обратно пропорциональна квадрату попе-
речного сечения и прямо пропорциональна
его длине.
Несмотря на это, при определении удельного ламинарного со-
противления можно поступить так же, как в электротехнике. Для
этого берут капиллярную трубку длиной 1 м с поперечным сече-
нием отверстия il мм2 и измеряют сопротивление. Это сопротивление
принимают за удельное сопротивление р для капиллярной трубки.
Тогда сопротивление потока воздуха можно определить по формуле
Так же, как при расчете электрических сопротивлений / изме-
ряется в метрах и S в миллиметрах квадратных.
Таким образом, если известно сопротивление \R, то можно
определить:
длину капилляра RS2
26

поперечное сечение потока
S
удельное сопротивление
RS2
2-4. ТЕОРЕМЫ КИРХГОФА
При дальнейшем рассмотрении аналогий между электрически-
ми и пневматическими цепями нам необходимо обратиться к пра-
вилам Кирхгофа, которые устанавливают соотношения между
силами токов и напряжений в разветвленных сетях проводников.
Согласно первому правилу, относяще-
муся к точке разветвления токов, сумма
токов, притекающих к любому узлу, равна
сумме токов, утекающих из этого узла:
/общ = /1+/2+/з+ ...
Для пневматики соответственно
Qo6n* = Qi+:Q2+Q3+ ... +Qn.
По второму правилу Кирхгофа токи об-
ратно пропорциональны соответствующим
сопротивлениям. Для разветвленных цепей
токов п действительны следующие фор-
мулы:
/i:/2:/e.../n=iRn.../?e:lRa:/?i
и соответственно для пневматики
Qt• Q2. Q3 • • • Qn—Rn • • • R3' R2: Ri-
Предположим, что в пневматическом трубопроводе низкого
давления находятся следующие параллельно включенные сопротив- -
ления: /?1=60 мм вод. ст.-сек/см3, #2=-100 мм вод. ст. - сек/см3 и
/?з—200 мм вод. ст. • сек/см3.
Давление питания составляет:
р=100 мм вод. ст.
Следуя аналогии с законом Ома, можно рассчитать расходы
воздуха Qi, Q2 и <Q3:
/> 100 мм вод. ст.
Ri
50
мм вод. ст.*сек
еж*
100 мм вод. ст.
= 2 см9/сек;
100 мм вод. ст.-сек ~ 1 смЧсе1С>
см9
100 мм вод. ст.
200
мм вод. ст..сек=0>* см%'сек>
см9
27

С?общ = 3,5 см3/сек.
Следовательно, в основном трубопроводе расход воздуха
3,5 смг/сек.
2-5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ
ПНЕВМОСОПРОТИВЛЕНИИ
Если ламинарное сопротивление, состоящее из стеклянных ка-
пилляров, разъединить на несколько частей, то общее сопротивле-
ние по аналогии с электротехникой будет также разделено на не-
При соединении сопротивлений
шлангами прежнее состояние вос-
становится.
Соотношение, действительное для
электрических сопротивлений
Яобщ=«1+Л2+</?з+ • • • +Яп
сохраняется и для пневматики.
Так как проходящий поток возду-
ха Q во всех частях схемы одинаков,
то его можно определить, если изве-
стны падение давления на сопротивле-
нии и величина сопротивления. Анало-
гично закону Ома получаем:
^общ ^_ Pi _ Р2 _ Рг
4 Ri + Rz + R* Ri #2 Я.'
откуда следует, что
Pi: р2: рз=#1 :i?2 : R$ и робщ^/л+^г+рз.
28

Пример. Стеклянный капилляр длиной 12 см имеет сопротив-
ление 24 мм вод. ст. • сек/см3. Разделим его на три части длиной
3, 5 и 4 см, и получим три сопротивления 6, 10 и '8 мм вод. ст.Х
Хсек[см3.
Эти сопротивления включим последовательно и посмотрим,
каково будет падение давления ри рг и р3 на каждом сопротивле-
нии, если давление питания составляет /7=100 мм вод. ст.:
р 100 мм вод. ст.
Q = ТГ мм вод. ст..сеГ = 4'167 см^сек'
24 см*
p1 = Q^1=4)167 см3/сек*6 мм вод. ст. • сек/см3^25 мм вод. ст.;
р2=ф/?2=4,167 см3/сек*8 мм вод. ст. • сек/см? ^ 33,3 мм вод. ст.;
p3=Qi/?3=4,167 см3/сек-\0 мм вод. ст. • сек/см3 ж41,,7 мм вод. ст..
2-6. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ
ПНЁВМОСОПРОТИВЛЕНИЙ
Из электротехники известно, что общее сопротивление несколь-
ких параллельно включенных сопротивлений всегда (меньше самого
малого из всех сопротивлений и рассчитывается по формуле
1 1.1.1
^Общ
Ri + R:
Это соотношение действительно и для
пневматики.
Пример. Три сопротивления
Ri=2 мм вод. ст. - сек/см3; R2=
= 3 мм вод. ст. • сек/см3 и
i/?3=4 мм вод. ст. • сек/см3
включены параллельно.
Тогда общее сопротивление
1 1,1,1/1,1,14
f -. *7 , ,
13
12 мм вод. ст.»сек9
"общ '-
= 0,92
мм вод, ст.-сек
см%
Параллельное включение ламинарных сопротивлений является
очень удобным средством для уменьшения общего сопротивления
без изменения его длины или поперечного сечения. Это позволяет
избежать перехода в область турбулентного потока.
2-7. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ЛАМИНАРНЫЕ
СОПРОТИВЛЕНИЯ
Электрическое сопротивление большинства материалов возраста-
ет с увеличением температуры. Изменение электрического сопротив-
ления в 1 ом для данного материала при изменении температуры
29

на 1° .выражается так называемыми температурными коэффициен-
тами а. Например, если утюг вначале имеет сопротивление Ri, то
оно с каждым градусом нагрева возрастает на olRi ом, а при на-
гревании на At на aRiAt ом. Поэтому сопротивление Rz после нагре-
ва на At получается:
или
«2=#i(l + aAtf).
Пневматические ламинарные сопротивления ведут себя так же,
как электрические сопротивления из металла.
Одновременно с увеличением вязкости при увеличении темпера-
туры увеличивается поперечное сечение пневмосопротивления и, сле-
довательно, величина сопротивления уменьшается.
Однако изменение вязкости оказывает большее влияние, чем
изменение геометрических размеров сопротивления.
Кроме того, изменение геометрических размеров сопротивления
зависит от формы поперечного сечения.
На практике температурный коэффициент а определяют с по-
мощью капиллярных сопротивлений с круглым сечением и затем
рассчитывают сопротивление после нагрева на At с помощью фор-
мулы
R2=Rl(l-\-aAt).
Если известна величина сопротивления до и после нагрева, то
увеличение температуры М можно определить по следующему урав-
нению:
100 50 р
мм доЫст. мм дойст. JlL j
Это позволяет измерить темпе-
ратуру с помощью пневматических
ламинарных сопротивлений так же,
как это обычно делается с помощью электрических сопротивлений.
Предположим, что температурный коэффициент стеклянного ка-
пилляра a=0,002. Если два одинаковых ламинарных сопротивления
R1+R2 включены последовательно и давление питания составляет
100 мм вод. ст., то давление между обоими сопротивлениями равно
50 мм вод. ст.
Если сопротивление R2 нагреть, то давление между обоими со-
противлениями увеличится, потому что, R2 станет больше. Можно
Ri увеличить так, чтобы промежуточное давление снова стало
50 мм вод. ст. Тогда оба сопротивления будут одинаковой величи-
ны и по изменению сопротивления Ri можно судить о температуре.
Предположим, что до измерения было:
30
Rl=lR2=: 100 мм вод.ст.»сек/см3,

а после нагрева сопротивление R2 увеличилось до 110 мм вод. ст.х
X сек/см3.
Теперь можно определить повышение температуры на сопро-
тивлении Ri
Так как величина пневматического сопротивления изменяется
прямо пропорционально длине, регулируемое ламинарное сопротив-
ление можно отградуировать так, чтобы после уравновешивания
сопротивлений можно было считывать повышение температуры не-
посредственно на сопротивлении.
2-8. ЕМКОСТИ (АККУМУЛЯТОРЫ)
Воду можно налить в ведро, сжатый воздух поместить в сталь-
ной баллон, а электрический заряд накопить в конденсаторах.
Ведро, стальной баллон или электрический конденсатор предна-
значены для аналогичных целей.
МЕмкость электрического конденсатора зави-
сит от площади его пластин, расстояния между
ними и характеристик диэлектрика, расположен-
ного между пластинами. Аккумулирующая спо-
собность пневматической емкости зависит от ее
объема.
Количество электричества Q, накопленное в электрическом кон-
денсаторе, рассчитывается по формуле
я=си.
31

Количество аккумулированного воздуха V в пневматике опре-
деляется по формуле
V=Cp.
В большинстве случаев применения пневматических конденса-
торов желательно аккумулировать большое количество воздуха.
Если применять емкости с эластичными, а не с жесткими стен-
ками, то С можно увеличить почти в 50 раз.
Of сг cs
В качестве простого и идеально работающего аккумулятора
низкого давления переменной емкости может служить стеклянная
трубка U-образной формы, наполовину заполненная водой. Если
с одного конца в трубку подать воздух, то количество воды, вы-
тесненное им, уйдет в противоположный конец U-образной трубки.
Тогда давление столба аккуму-
лированного воздуха будет соответ-
ствовать высоте водяного столба.
Если параллельно включить не-
сколько электрических конденсаторов,
то общая емкость равна сумме емко-
стей. Это действительно и для пнев-
матических конденсаторов:
У
С0бщ = С1-|-С2+Сз.
последовательно
включенных
конденсаторов емкость уменьшается,
как уменьшается общее сопротивле-
ние при их параллельном включении.
Для электрических и пневматических
цепей с конденсаторами действительно соотношение
1 1,1,1
^общ
с,
Сг
Последовательное включение емкостей в пневматике встречается
редко, поэтому такие цепи нами в дальнейшем не рассматриваются.
2-9. ЭЛЕМЕНТЫ СОПРОТИВЛЕНИЕ — ЕМКОСТЬ
(#С-ЭЛЕМЕНТЫ)
Для наполнения водой ведра или ванны требуется различное
время. Оно зависит от давления, напора, сопротивления потоку
в трубопроводе подачи воды и от величины емкости (накопителя).
Время наполнения тем больше, чем ниже давление в трубопроводе
подачи воды, выше сопротивление притока и чем больше объем на-
копителя.
32

Если спускать воду из ванны, вытащив пробку, то сопротивление
стока и емкость накопителя останутся постоянными. Однако ско-
рость стока все время меняется из-за непрерывного изменения пе-
репада давления. Сначала вода течет быстро, затем, все медленнее,
так как ванна является емкостью, а водосточная труба — сопро-
тивлением. Это сочетание элементов аналогично электрическому
конденсатору, разряжающемуся. через сопротивление К.
Более точную аналогию можно провести, если аккумулятор низ-
кого давления заряжать или разряжать через ламинарное сопротив-
ление R.
Если к трубопроводу разряженного аккумулятора воздуха по-
дать давление /?=100 мм вод. ст., то перепад давления между тру-
бопроводом питания и аккумулятором составит 100 мм вод. ст.
Предположим, что емкость аккумулятора С составляет
30 см3/мм вод. ст. и ламинарное сопротивление при 100 мм вод. ст.
пропускает объем воздуха 1 см3 в 1 сек. Если сохранить скорость
наполнения аккумулятора постоянной, то он за 30 сек был
бы наполнен и давление в нем было бы равно давлению питания
100 мм вод. ст. Однако эта скорость непрерывно уменьшается.
Если, например, аккумулятор наполнен наполовину, т. е. до
15 см3, то перепад давления на входе сопротивления составляет
только 50 мм вод. ст. Поэтому скорость снижается наполовину,
т. е. до 0,5 см31сек. Если теперь
сохранить скорость наполнения
0,5 см3/сек, то аккумулятор напол-
нится за 15/0,5=30 сек — за то же
время, которое было необходимо при
первоначальной скорости наполнения.
Следовательно, из-за возрастания
давления при наполнении аккумуля-
тора скорость его наполнения посте-
пенно убывает и этот процесс затя-
гивается.
и.
x
и2
Uj- входное напря-
жение;
Uz- напряжение
конденсатора
1—1 н
I,
1
С
Pi -входное давление;
p2-давление аккуму-
лятора
3—180
33

Кривая, характеризующая нарастание давления в аккумуляторе
до давления питания в зависимости от времени, идентична кривой
зарядки электрического конденсатора, заряжающегося через элек-
трическое сопротивление.
Если через начальную точку этой кривой провести касательную,
то она достигнет величины питающего давления (р= 100 мм вод. ст.)
за время Т.
Эта величина «называется постоянной времени. Она зависит от
ламинарного сопротивления Д и емкости С.
Ее можно легко рассчитать по формуле
T=RC.
В приведенном примере емкость пневматического аккумулятора
воздуха составляет С=30 см3/мм вод. ст., величина пневматического
ламинарного сопротивления <R= \ мм вод. ст. • сек/см3.
А постоянная времени
7=#С=30 см3/мм вод. ст.*1 мм вод. ст. • сек/см3=30 сек.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ИЗМЕРЕНИЕ ВЕЛИЧИН
ПНЕВМАТИКИ НИЗКОГО
ДАВЛЕНИЯ
В связи с наличием большого ко-
личества аналогий между электротех-
никой и пневматикой низкого давле-
ния многие способы измерения раз-
личных величин можно перенести из
электротехники на пневматику низко-
го давления. Измерение пневматиче-
ских величин низкого давления не
является проблемой. Очень часто
можно самому сделать без больших
затрат необходимый измерительный
прибор.
В дальнейшем не вдаваясь глу-
боко в область измерительной техни-
34

ки, мы дадим только некоторые советы, которые помогут про-
вести необходимые измерения при экспериментировании с пневма-
тическими приборами.
3-1. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ (ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ,
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ)
Самыми простыми и надежными приборами для измерения низ-
ких давлений являются U-образные стеклянные трубки, частично
заполненные водой. К одному концу U-образной трубки подается
Г мм
давление и измеряется разность высоты водяных столбов в обоих
коленах трубки.
При этом разность высоты в 1 мм сответствует давлению 1 мм
вод. ст.
Можно измерять разность двух давлений, подавая к каждому
концу U-образной трубки давления pi и рг-
Если простую стеклянную трубку с внутренним диаметром при-
близительно 3—5 мм согнуть над пламенем газа и укрепить на
дощечке с заранее наклеенной шкалой из миллиметровой бумаги,
то получится вполне пригодный прибор для измерения давления.
При повышенных требованиях
к точности измерения рекомен-
дуется применять так называе-
мые манометры с наклонной
трубкой. Такой прибор состоит
в основном из запасной емко-
сти для мерной жидкости и на-
клонно вмонтированной стек-
лянной трубки, внутренний
диаметр которой должен со-
ставлять около 3 мм. Можно
расположить друг над другом
3* 35

несколько показывающих трубок, запасные емкости подсоединить
к обратной стороне прибора и соединить их с трубками гибкими
шлангами. Таким образом легко составляются блоки показывающих
приборов, которые целесообразно применять, если необходимо счи-
тывать и сравнивать несколько величин.
В воду обычно добавляется немного спирта для того, чтобы
уменьшить натяжение поверхности жидкости и тем самым повысить
точность измерения. Подкраска мерной жидкости красными, зелены-
ми или синими чернилами облегчает считывание показаний.
Манометрами с наклонной трубкой можно измерять также
дифференциальные давления, а если прибор имеет несколько пока-
зывающих трубок, то его можно использовать во всем диапазоне
в области низкого давления, а именно для измерения повышенного,
пониженного и дифференциального давления.
3-2. ИЗМЕРЕНИЕ ОБЪЕМА ВОЗДУХА
Для измерения объема воздуха также применяется U-образная
трубка, наполненная водой. Объем воздуха, подаваемый в одно
колено трубки, равен объему воды, вытесненному им. Целесообразно
применять U-образную трубку с внутренним диаметром приблизи-
36

гельно 16 мм, потому что в
данном случае подаваемый
объем воздуха легко опреде-
лить по разности высот водя-
ных столбов в обоих коленах.
Разность высот в 1 см соот-
ветствует примерно 1 см3 объ-
ема воздуха.
Разность высоты водяных
столбов в коленах U-образной
трубки, равная Ю см, означа-
ет, что в измерительный 'при-
бор подано 10 см3 воздуха.
Если имеется медицинский
шприц с делениями объема, то
можно легко отградуировать
U-образную трубку с любым
внутренним диаметром, пода-
вая шприцем в измерительную
трубку определенный объем
воздуха и нанося на ней соот-
ветствующие объемные деления.
3-3. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА ВОЗДУХА Q
В электротехнике для определения электрических величин на-
ряду с измерительными приборами необходимо иметь источник тока.
Для очень малых токов достаточно батарейки карманного фонаря.
В пневматике низкого давления в качестве источника давления
достаточно маленькой резиновой груши. Если кроме такой груши
иметь прибор измерения давления, прибор измерения объема и се-
кундомер, то можно измерять расход воздуха Q. При этом постоян-
ный перепад давления на сопротивлении поддерживается соответст-
вующим нажимом на грушу и измеряется объем воздуха, прохо-
дящий в единицу времени.
Предположим, что перепад давления во время измерения соста-
вил 10 мм вод. ст. и в течение 80 сек через сопротивление прошло
16 см3 воздуха. Тогда расход
Q=16 см3/80 шс=0,2 см3/сек.
Если известен расход воз-
гсм"
-30
-20
-10
&о
духа, то можно определить и
величину сопротивления, через
которое прошел этот поток воз-
духа. Если же известны только
величина сопротивления и пе-
репад давления, то можно
определить расход воздуха, не
измеряя объем воздуха в еди-
ницу времени. Следовательно,
измерение объема необходимо
провести только один раз для
того, чтобы определить величи-
ну сопротивления, которую за-
тем можно использовать для
всех последующих измерений.
37

Расход воздуха Q является основной величиной в пневматике
низкого давления так же, как сила тока в электротехнике.
3-4. ИЗМЕРЕНИЕ ЛАМИНАРНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Если известны расход воздуха Q, проходящего через ламинар-
ное сопротивление, и перепад давления на сопротивлении, то со-
противление определяется по аналогии с законом Ома. В преды-
дущем примере
Q=0,2 смг/сек и р=10 мм вод. ст.,
сопротивление
Р _Ю мм в°д- с№. мм вод. ст.-сек
R==~~Q 0,2 см3/сек = 50 см*
Целесообразно создать эталонное сопротивление, например
100 мм вод. ст. • сек/см3, с помощью которого можно определять ве-
личины других сопротивлений.
р2 Если имеется набор эталонных
сопротивлений, то все измере-
ния сопротивлений можно ве-
сти методом сравнения.
Имея эталонное сопротив-
ление, например #i=100 мм
вод. ctJcm3, можно измерить
сопротивление #2, включив их
последовательно.
Пусть перепады давлений
на сопротивлениях соответ-
ственно равны pi = 100 мм вод.
ст. и /?2=20 мм вод. ст., тогда
величину сопротивления /?2
можно определить, учитывая
соотношение
Rl ___ ^2 »
Pi Рг%
R2 =
P2R1 _
20 мм вод. ст. • 100
мм вод. ст. -сек
см*
Pi
= 20
100 мм вод. ст.
мм вод. ст.*сек
В этом случае прибор, измеряющий перепад давления на со-
противлении R2, можно градуировать не в мм вод. ст., а в
мм вод. ст. • сек/см3 и тем самым быстро и удобно определить любое
сопротивление, меньшее 100 мм вод. ст. • сек/см3. Имея набор эта-
лонных сопротивлений, например таких, как 10, 100 и 1 000 мм
вод. ст. • сек/см3, можно быстро и точно определять все практически
встречающиеся сопротивления. В дальнейшем мы познакомимся еще
с одним удобным способом определения сопротивления.
38

3-5. ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ
Для измерения емкости пригоден
мощью которого определенный объем
кость — накопитель. Затем измеряется
в качестве накопителя использовать
U-образную стеклянную трубку, то
емкость легко рассчитывать исходя
из того, что давление 1 мм вод. ст.
в любом конце U-образной трубки
соответствует изменению высоты во-
дяного столба на 0,5 мм.
Если нет под руками медицин-
ского шприца с точной объемной гра-
дуировкой, то можно обойтись U-
образной трубкой с резиновой гру-
шей. С помощью резиновой груши
воздух нагнетается в одно колено
и-о5разной трубки. Водяной столб,
поднимающийся в другом колене,
вытесняет соответствующий объем
воздуха в измеряемую емкость.
После того, как накопитель
наполнен, в нем измеряется дав-
ление. Предположим, что давле-
ние в накопителе после поступле-
ния туда объема воздуха 20 см3
повысилось на 100 мм вод. ст.,
тогда емкость накопителя со-
ставляет:
V 20 см3
р 100 мм вод. ст.
см3
= 02 •
• мм вод. ст.
медицинский шприц, с пб-
воздуха нагнетается в ем-
давление в емкости. Если
т
• Аккуму-
• лятор •
.(емкость).
Очевидно, что при этом необходимо учитывать емкость пока-
зывающего прибора, измеряемую таким же образом.
3-6. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ И ЕМКОСТЕЙ
ЯС-ЭЛЕМЕНТАМИ
Простой, надежный и быстрый метод определения сопротивле-
ний и емкостей основан на применении ^С-элемента. Для осущест-
вления измерения, кроме ^С-элемента, необходимы еще резиновая
груша для создания давления, манометр и секундомер.
При измерении вначале необходимо убедиться, что накопитель
полностью разряжен, т. е. давление в нем равно нулю. Теперь
можно нагнетать воздух через сопротивление R в накопитель С до
тех пор, пока давление в нем подымется немного больше 100 мм
вод. ст. Затем отсоединить шланг на входе сопротивления от источ-
39

ника давления, чтобы накопи-
тель мог разрядиться через со-
противление. Как только дав-
ление в накопителе достигнет
100 мм вод. ст., то сразу вклю-
чается секундомер. Отсчет вре-
мени производится до тех пор,
пока давление в накопителе не
снизится до 37 мм вод. ст.,
так как по закону в течение
постоянной времени ^-элемен-
та величина давления снижает-
ся приблизительно на 63% от
его конечной величины.
Величина времени, отсчитан-
ная по секундомеру, является
постоянной времени Т, так как
то, если известно С, можно рассчитать сопротивление:
С- —
и емкость, если известно Я накопителя,
^ т
Предположим, что постоянная времени Т составляет 60 сек, а
в качестве сопротивления взято эталонное сопротивление
100 мм вод. ст. • сек/ом3.
В этом случае накопитель имеет емкость
^ ~~ мм вод. ст.-сек Л Л
С ==60 сек/Ш —% =0,6 см9/мм вод. ст.
см
Предположим, что известна емкость С=0,6 см3/мм вод. ст. и
вышеуказанным методом измерения найдена постоянная времени
Г=30 сек, то сопротивление составит:
30 сек -Л мм вод. ст.-сек
R= —i = 50 —
0,6
см"
мм вод. ст.
Таким образом, измерение величин пневматики можно осущест-
вить простыми приборами, используя методы, аналогичные электро-
техническим.
3-7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПНЕВМАТИКИ
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОЯСНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ
ПОЛОЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
До сих пор мы пользовались соотношениями для уяснения про-
цессов, происходящих в пневматике низкого давления. Однако и не-
которые основные положения электротехники могут быть рассмотре-
40

ны, исходя из пневматики низко-
го давления. Положительным ка-
чеством такого метода является
также то, что пневматические про-
цессы проще, нагляднее и легче
запоминаются.
Для того чтобы с помощью
пневматики пояснить закон Ома,
теоремы Кирхгофа и различные
С и jRC-схемы, достаточно не-
скольких стеклянных капилляров
в качестве сопротивлений, несколь-
ко стеклянных трубок в качестве
показывающих приборов или на-
копителей. В качестве источника
давления вначале достаточно ре-
зиновой груши.
3-8, ВЗАИМОСВЯЗЬ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ
И ЭЛЕКТРОАВТОМАТИКИ
Из предыдущего мы достаточно ясно усвоили, что пневматика
и электротехника по физическим явлениям и комплексу технических
задач очень родственные области.
Пневмо- и электроавтоматика «сопер-
ничают» там, где каждая из них мо-
жет быть применена самостоятельнб
и успешно «сотрудничают» там, где
их физические свойства или техниче-
ские средства дополняют друг друга.
Общая цель — автоматизация
должна развиваться на базе дости-
жений в каждой области.
С методологической точки зре-
ния основные положения выгодно
рассматривать, привлекая пневматику
и электротехнику, как мы уже де-
лали.
Одним из оптимальных решений
при проектировании устройств авто-
матики, конечно, было бы применение
электропневматики.
Наша книга в основном посвяще-
на пневмоавтоматике, поэтому мы
ограничим обширный материал по
автоматизации только областью пнев-
матики низкого давления.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ
ПРИБОРОВ
Сигналы измерительных устройств автоматики, как правило,
слабы. Исполнительные же устройства требуют мощных сигналов.
Орежде чем -подать сигнал на исполнительный механизм, его
необходимо преобразовать и усилить. Эту задачу выполняют прибо-
ры, называемые усилителями.
Усиление сигналов по мощности не всегда является обязатель-
ным. Это относится и к электротехнике и к пневмоавтоматике.
Зачастую необходимо преобразовать одни сигналы в сигналы
другого вида, заложив в них определенную информацию. Эти сиг-
налы можно сравнить с посыльными, которые 'приходят с определен-
ной информацией в один из пунктов центра управления, сдают ее
там и уходят с новым поручением.
Усилитель можно в переносном смысле сравнить с одним из
таких пунктов управления — ячейкой управления, а центральный
усилитель — с центральным пунктом управления.
В технике автоматизации преобразование сигнала происходит
в такой ячейке управления с применением различных вычислитель-
ных операций, а сама ячейка в этом случае называется решающим
усилителем.
Задание, которое согласно вышеприведенному примеру выпол-
няет посыльный, можно сравнить с программой решающего усилите-
ля, выполняющего определенные вычислительные операции.
4-1. УСИЛИТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ
42

Количество и роль решающих усилителей все время увеличи-
ваются, так как количество вычислительных операций, выполняемых
при автоматизации производственных процессов, постоянно возра-
стает. 'В пневматике сигналы давления играют роль «посыльных»,
а усилители давления — «ячеек управления».
Для более детального ознакомления с пневматическими решаю-
щими усилителями необходимо кратко рассмотреть некоторые основ-
ные свойства пневматических усилителей давления.
4-2. КАСКАДЫ
Садовод-любитель при поливе регулирует кран так, чтобы по
возможности полить большую площадь собственного сада, а не сада
соседа. В этом случае он действует по принципу, который заложен
в основу работы каскада давления. Если давление на выходном
(пневмосопрогивлении) дросселе разбрызгивателя очень высокое, то
он закручивает кран и тем самым увеличивает дросселирование (со-
43

противление) потока на входе. И наоборот, кран можно отвернуть
сильнее и тем самым уменьшить дросселирование на входе, если
давление воды на выходе из разбрызгивателя мало. В данном
случае мы имеем дело с так называемым дросселированием вход-
ного потока, так как выходной дроссель разбрызгивателя остается
неизменным, а давление воды устанавливается на входе в шланг.
С помощью разбрызгивателя, как правило, не удается полить
всю площадь сада и садовник снимает его, уменьшая этим дрос-
селирование на выходе. Для того чтобы не было большого расхода
воды, он завинчивает немного кран и вода вытекает из отверстия
шланга с небольшим давлением.
Потом садовник прикрывает большим пальцем отверстие шланга,
в результате чего сразу повышается давление воды, которая вы-
брасывается сильной струей из шланга. Это удобное средство для
того, чтобы приспособить выходное давление воды к соответствую-
щим требованиям дальности полива. В этом случае в качестве вы-
ходного дросселя применяется система сопло — заслонка, в которой
конец шланга является соплом, а большой палец — заслонкой. Та-
кой пневмопреобразователь, в котором входной сигнал i(перемещение
заслонки переменного дросселя) преобразуется в измененное дав-
ление в междроссельной камере, называется каскадом. Рассмотрим
подробнее свойства каскада с системой сопло — заслонка.
4-3. СИСТЕМА СОПЛО—ЗАСЛОНКА
Частицы воздуха, проходящие через трубопровод или шланг,
на входе каскада проходят через сужение канала; им, как травило,
является турбулентное сопротивление. В этом случае для ускорения
движения частицам воздуха необходимо преодолеть только силы
инерции. Силы трения очень малы и не учитываются. Воздух, минуя
это сопротивление, свободно выходит через конец шланга (сопло).
При открытом сопле давление между обоими дросселями в так на-
зываемой междроссельной камере почти равно нулю.
Предварительный расчет поможет нам убедиться в этом. Вна-
чале определим, какова скорость потока воздуха в зависимости
от перепада давления р перед входным дросселем и после него.
Для области низкого давления скорость воздуха рассчитывается
по формуле
о^4КА/?,
где v — скорость потока, м\сек\
Ар — перепад давления, мм вод. ст.
44

hi:
Ори перепаде давления 100 мм вод. ст. воздух проходит через
входное сопротивление со скоростью 4 КЮ0=40 м/сек. Так как
в рассматриваемом каскаде одно и то же количество воздуха про-
ходит через два различных поперечных сечения, то скорости потока
v в них обратно пропорциональны поперечным сечениям:
V2 Si
Если впускной дроссель имеет поперечное сечение Si=0,2 мм2
(диаметр дросселя около 0,5 мм); выпускной дроссель 52=2 мм2
(диаметр дросселя около 1,6 мм) и скорость потока на дросселе
40 м/сек, то
St м 0,2 мм2 м
v2 = Vl -gr-^40 —• 2лш2 =4—.
Давление перед выходным соплом определяется по формуле
А^Тб'
42
Д/? = -т£-лш вод. cmJj= 1 лш вод. с/и.
Таким образом, если изготовить каскад с. входным сопротивле-
нием, диаметр отверстия которого равен 0,5 мм, и выходным соплом,
отверстие которого имеет диаметр .1,6 мм, то при давлении питания
100 мм вод. ст. с полностью открытым соплом можно рассчитывать
на снижение давления в меж-
дроссельной камере приблизи-
тельно на 1 мм вод. ст.
Если выходной дроссель
закрыть, то давление в меж-
дроссельной камере увеличится
до давления питания. В пред-
шествующем опыте, когда ко-
нец шланга закрывали боль-
шим пальцем, одновременно с
увеличением давления возника-
ло противодавление на палец,
которое при сильном напоре
воды достаточно велико.
Воздух
питания
Входной
дроссель
Междроссель^
ный объем
Сопло
Заслонка
45

Если, например, давление воды составляет б кгс/см2, а попе-
речное сечение шланга — 3 см2, то вода давит на палец с силой,
равной 18 кгс.
Если выходное сопло, которое питает каскад с давлением воз-
духа 100 мм вод. ст. закрыть пальцем, то возникает противодавле-
ние. Однако оно почти незаметно, так как его сила составляет
только 0,2 гс.
Таким образом каскадом давления можно управлять, нажимая
на заслонку очень небольшим усилием, и этим устанавливать любое
давление в междроссельной камере.
Перемещение
заслонки
Если давить на заслонку с силой, равной -0,2 гс, то в междрос-
сельной камере установится давление 10 мм вод. ст. Сила давления
на заслонку в '1 гс создает каскадное давление, .равное 50 мм вод. ст.
Система сопло — заслонка обладает еще одним свойством. Если
водопроводный кран, к которому подключен шланг, отвернуть так,
чтобы вода из него вытекала почти без давления и использовать
палец вместо заслонки, то можно заметить, что достаточно очень
малого перемещения большого пальца к концу шланга, чтобы созда-
вать самые различные каскадные давления.
В обычных каскадах пневмоавтоматики перемещением, заслонки
приблизительно в 0,1 мм регулируют изменение давления в полном
диапазоне работы прибора. При изменении расстояния между соп-
лом и заслонкой в 0,01 мм достигается изменение выходного дав-
ления каскада приблизительно на ilO мм вод. ст.
Изменение каскадного давления может быть осуществлено раз-
личными способами. Можно давить на заслонку с определенной си-
лой и при этом не принимать во внимание величину ее перемеще-
ния. Это осуществляется, например,
небольшим грузом, который накла-
дывается на заслонку.
Можно также измерить путь/ко-
торый проходит заслонка, и при этом
не учитывать воздействующую на нее
силу.
Для такого измерения использу-
ют микрометрический болт, основа-
ние которого может одновременно
служить заслонкой.
Кривые, характеризующие зави-
симость величины каскадного
8 ,
£100
i
i
иакФХ
Перемещение, мм
46

давления от величины груза, наложенного на заслонку, или от ее
перемещения, .как правило, асимптотически приближаются к оси
абсцисс. Нулевое каскадное давление в обычных каскадных усили-
телях не достигается, так как сопротивление выходного дросселя
имеет конечную величину. Поэтому в междроссельной камере су-
ществует остаточное давление, ограничивающее рабочий предел из-
менения выходного давления, неблагоприятно воздействующее на
пневматические приборы.
Далее мы познакомимся с другой каскадной системой, которая
не имеет этого недостатка.
4-4. КАСКАДНАЯ СИСТЕМА С ЭЖЕКТОРНЫМ ВХОДНЫМ
ДРОССЕЛЕМ
В предыдущей главе было установлено, что общая энергия
давления всегда представляет собой сумму потенциальной и ки-
нетической энергий. Там, где имеется большая скорость течения
и вследствие этого существует большая кинетическая энергия, по-
тенциальная энергия должна быть незначительной.
Рассмотрим принцип действия разбрызгивателя с точки зрения
взаимного превращения энергий. Поток воздуха с большой кинети-'
ческой энергией проходит через, напорную трубку, которая опущена
в жидкость. Так как в потоке воздуха статическое давление как
мера потенциальной энергии меньше, чем в окружающем воздухе,
то жидкость засасывается потоком и разбрызгивается. На этом
принципе работают струйные насосы и он может быть использован
при создании каскадных управляющих устройств.
Для этого необходимо точку отбора давления в междроссель-
ной камере расположить непосредственно у входного дросселя. Изве-
стно, что поток воздуха, свободно выходящий из сопла, сохраняя
сначала цилиндрическую форму, становится конусообразным до
попадания на стенку трубы. (Между ее стенкой и конусом потока
образуется вихревое поле низкого давления, так как поток имеет
в этой области большую кинетическую, а следовательно, и малую
потенциальную энергию, т. е. статическое давление.
Выше отмечалось, что в обычных каскадах давление в меж-
дроссельной камере из-за конечной величины сопротивления выход-
ного дросселя не может стать равным атмосферному давлению,
что необходимо для нормальной работы пневматических приборов.
Как мы видим, образование вихревого поля низкого давления
позволяет нам получить давление в междроссельной камере, равное
атмосферному, а в некоторых случаях и ниже.
47

Перемещение, $
Такие дроссели, с помощью которых создается пониженное дав-
ление в междроссельной камере, называются эжекторными дроссе-
лями.
Характеристики приборов с эжекторными входными дросселя-
ми отличаются от характеристик обычных каскадных систем своей
крутизной и линейностью. А самым, важным признаком является
то, wo они пересекают ось абсцисс.
Частицы воздуха всегда стремят-
ся заполнить имеющееся в их распо-
ряжении пространство. При этом они
пытаются преодолевать все встречаю-
щиеся им препятствия, применяя все
свои силы. Однако, если в каком-
либо месте частиц окажется больше,
чем в другом, то между ними проис-
ходит «бурная борьба», которая за-
канчивается только в том случае,
если восстановлено равновесие.
4-5. МЕМБРАННЫЕ СИСТЕМЫ
Частицы воздуха, находящиеся
в замкнутом объеме, в любой точке
давят на все стенки с одинаковой
силой. Если эти стенки замкнутого
объема эластичные и с противопо-
ложной стороны на них не оказывают
воздействие какие-либо внешние си-
лы, то частицы воздуха выдавливают
стенки.
Мембраные системы, как прави-
ло, состоят из нескольких камер, ко-
торые отделены друг от друга элас-
тичной стенкой. Частицы воздуха,
заключенные в камерах, давят на эту
стенку, стремясь занять большее про-
странство.
То же самое пытаются сделать
частицы воздуха, находящиеся
в противоположной камере. Поэтому
между ними в обеих мембранных ка-
мерах происходит «борьба» за боль-
шую долю пространства.
43

Самой простой мембранной системой
является камера с резиновой мембраной
в качестве эластичной перегородки. Во из-
бежание сильного прогиба мембраны она
усиливается в середине жестким центром в
виде тарелки.
Если обе камеры соединить с внешней
средой, то частицы воздуха давят на эла-
стичную перегородку с одинаковой силой
й мембрана остается в покое. Но если в од-
ной камере давление более высокое, то пре-
обладает сила частиц воздуха, заключен-
ных в ней, и они выдавливают эластичную перегородку в сторону
камеры с более низким давлением.
4-6. СИЛА МЕМБРАНЫ
Мембрана с диаметром приблизительно 3,6 см имеет площадь
около 10 см2.
Давление в 1 мм вод. ст. оказывает на каждый 1 см2 этой мем-
браны усилие в 0,1 гс. Следовательно, давление 100 мм вод. ст. воз-
действует на такую мембрану силой
100-0,1 гс/см2-10 см2=100 гс.
Если мембранную систему расположить
горизонтально и в мембранную камеру по-
| дать давление 100 мм вод. ст., то необходи-
iti мо положить на мембрану массу в 100 г
ё для того, чтобы скомпенсировать давление
| воздуха.
(2 Следовательно, для данной мембраны
§ каждый 1 мм вод. сг. давления в камере
создает усилие на мембрану в «1 гс, что по-
зволяет в дальнейшем легко пересчитать
давление на усилие. Однако при этом необходимо ввести некоторые
уточнения, о которых речь пойдет дальше.
4-7. ЭФФЕКТИВНАЯ ПЛОЩАДЬ МЕМБРАНЫ
Если на подвижный ролик повесить два соединенные канатом
груза весом по 1 кгс, то на ось ролика будет действовать сила
в 2 кгс.
Можно один конец каната закрепить на стенке. Тогда на каж-
дый конец каната действует сила в (1 кгс, а удерживающая сила
на оси ролика составляет по-прежнему 2 кгс. Сила, которая до
этого приходилась на груз, теперь относится к усилию закрепления
в стенке.
Предполагая, что силы трения незначительны, можно ролик
вращать в ту и другую сторону, ничего не изменяя в соотношении
сил.
4—180 49

2 кгс
2 кгс
2 кгс
Эффективная
площадь
мембраны
Если вышесказанное отнести к мембранной системе, то можно
увидеть, «что действующие силы давления распределяются между
точкой крепления мембраны в стенку и жестким центром мембраны,
причем одна часть воспринимается точкой
крепления, а другая часть воздействует на
жесткий центр мембраны. Так как мы рас-
сматриваем только половину мембраны, то
эффективной площадью мембранного полот-
на является приблизительно только его по-
ловина, а эффективная площадь всей мем-
браны при равном натяжении складывает-
ся из плоскости жесткого центра и поло-
вины мембранного полотна. Поэтому эф-
фективная площадь^ мембраны всегда боль-
ше площади жесткого центра и меньше об-
щей площади мембраны.
В дальнейшем, когда идет речь
о площа'ди мембраны, то имеется в ви-
ду ее эффективная площадь. Под диаметром мембраны сле-
дует понимать средний диаметр свободного мембранного полотна,
так как он приблизительно
соответствует диаметру эффек-
тивной площади мембраны.
4-8. ВЛИЯНИЕ
ЭЛАСТИЧНЫХ
СВОЙСТВ МЕМБРАН
Известно, что трамплин,
воспринимая прыжки акробата,
пружинит. Мембранные систе-
мы также воспринимают воз*
действующие на них давления
частиц воздуха и при этом
прогибаются. Однако они не
должны быть очень упругими
для частиц воздуха. Вообще
такие системы должны объеди-
нять силы давления всех час-
тиц воздуха, воздействующих
на эластичную стенку, как ка-
нат при перетягивании объеди*
60

няет в себе все отдельные приложенные к нему силы. У мем-
бранной системы элементом, на котором объединяются силы воз-
духа, является жесткий центр. Силы концентрируются в средней
точке центра и могут быть легко измерены.
Следует отметить некоторые особые свойства мембранных си-
стем, которые необходимо знать при проектировании пневматиче-
ских приборов.
Обычно, имея дело с мембранными системами, исходят из того,
что силы давления никогда не бывают настолько велики, чтобы
раздуть резиновую мембрану как воздушный шар, т. е. предпола-
гают, что у резины очень ограниченные эластичные свойства.
Мембрана" при слабом натяжении оказывает воздействующим
силам воздуха сначала незначительное сопротивление, которое с ее
прогибом быстро увеличивается и возрастает до тех пор, пока пру-
жинящее противодействие мембраны не достигнет величины силы
воздуха.
Во избежание проявления упругих свойств рабочий ход мем-
бранных систем с плоско натянутыми мембранами очень ограничен.
Ее перемещение составляет приблизительно 0,1 мм, и если на плос-
кую мембрану в 10 см2 положить груз в 1 г, можно определить,
что давления в 1 мм вод. ст. достаточно для того, чтобы вернуть
мембрану в исходное положение.
4-9. УСИЛИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ КАК ОСНОВНОЙ ЭЛЕМЕНТ
В СХЕМАХ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ
Из каскада, состоящего из турбулентного сопротивления, вы-
ходного сопла и мембранной системы, можно построить усилитель
давления.
Как садовод-любитель в предыдущем примере при управлении
водяным каскадом использовал палец в качестве заслонки, так для
управления воздушным каскадом будет использована мембрана, при-
чем жесткий центр мембраны будет одновременно использоваться
в качестве заслонки.
Если входное давление, которое с этого момента будет обозна-
чаться ХВХу увеличивается, то жесткий центр приближается к соплу
каскадной системы. (В результате этого преграждается выход частиц
воздуха во внешнюю среду и давление в междроссельной камере,
4*
51

которое обозначим в качестве выходного давления ^вых, тоже уве-
личивается. В предыдущем примере мы выяснили, что перемещением
заслонки сопла всего в 0,1 мм можно изменять давление каскада на
10 мм вод. ст. Вполне очевидно, что небольшого входного давления
достаточно для того, чтобы создать большое выходное давление. Рас-
смотрим это подробнее.
!Усиление силы
ш
1
щ
1|УГт:т iYf
Давление
питания
Усиление дад летя
При рассмотрении управления каскадом выяснилось, что сила
противодавления на заслонку обычного каскадного сопла при полном
его закрытии и давлении питания каскада 100 мм вод. ст. составляет
приблизительно 0,2 гс. Но мембрана создает силу в 100 гс при
100 мм вод. ст. Следовательно, входного давления Хъх=0,2 мм вод. ст.
достаточно для того, чтобы на выходе ХВЫх получить давление
100 мм вод. ст.
В этом случае коэффициент усиления
и — г= ^меддбРана 100 см2
*»х 500Пад 0,2 см2 -DUUe
Следовательно, входное давление усиливается в 500 раз.
Но на коэффициент (усиления оказывают еще дополнительное
влияние эластичные свойства мембраны. В § 4-8 предполагалось, что
сила в 1 гс отклоняет мембрану с эффективной площадью 10 см2 на
0,1 мм. Но 1 гс соответствует давлению 1 мм вод. ст. в мембранной
камере. Отсюда ясно, что эластичность мембраны в этом примере
больше влияет на усиление, чем противосила на сопле. В этом слу-
чае давление 1 мм вод. ст. в мембранной камеве может при благо-
приятных обстоятельствах управлять давлением 100 мм вод. ст. на
каскаде, а это соответствовало бы коэффициенту усиления К=1100.
Конечно, оба фактора, а именно сила противодавления на сопле
управления и упругость мембраны одновременно воздействуют на
коэффициент усиления. У обычных мембранных систем низкого дав-
ления с учетом всех факторов обычно коэффициент усиления /(—100.
4-10. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Мембранные усилители представляют собой в основном рычаж-
ные балансные устройства, на которых силы уравновешиваются. При
наличии одинаковых сил с обеих сторон плечи рычага тоже должны
быть одинаковой длины. Удваивая силы на одной стороне, длину
52

плеча рычага необходимо уменьшить
наполовину. В состоянии равновесия
рычажной системы произведения си-
лы и длины плеча рычага с обеих
сторон от точки вращения должны
быть одинаковые, т. е.
Fili = F2l2-
Если вместо силы F подставить
давление р, а вместо длины рычага
L площадь S, на которую воздей-
ствует давление, то получается урав-
нение равновесия мембранного уси-
лителя
PiSi = p2S2.
Если систему усилителя, с ко-
торой мы ознакомились в предыду-
щем разделе, рассмотреть с точки
зрения рычажной системы, то сле-
довало бы точку приложения дав-
ления pt поместить на очень длин-
ный рычаг, а точку приложения дав-
ления р2 на очень короткий ры-
чаг.
От рычажной системы, исполь-
зуемой в качестве весов, требуется,
чтобы соотношение плеч рычага мож-
но было изменять в больших преде-
лах, а от усилителя, как правило,
требуют возможность изменения ко-
эффициента усиления.
Так как площадь, подвергаю-
щуюся воздействию давления, нель-
зя свободно изменять, то для изме-
нения коэффициента усиления при-
ходится искать другой выход.
В этом случае берется еще одна
мембранная камера, а мембрана яв-
ляется теперь перегородкой двух
камер одинаковой величины. От
средней точки жесткого центра мем-
браны через дополнительную камеру
герметично выводится шток, на
котором расположена заслонка.
Междросселыная камера соединяет*
ея со второй мембранной камерой.
Каскадное давление отводится
теперь в мембранную систему и яв-
ляется давлением обратной связи.
Давления Хв* '(входное давление) и
Явых (выходное давление) воз-^
действуют на ту же мембрану с
противоположных сторон. Поэтому
53

равновесие системы наступает только в том случае, если
Если предположить, что ХВх установлено от 0 до 50 мм вод. ст.,
то заслонка закрывает выпускное сопло, а давление в междро'ссель-
ной камере стремится увеличиться до давления питания 100 мм
вод. ст.
Так как каскадное давление отводится в мембранную камеру,
противодействующую входному давлению, то мембрана в тот же мо-
мент отводит заслонку назад и давление в этой камере достигает
50 мм вод. ст.
Таким образом устанавливается равновесие сил на мембране и
вместе с тем равенство давления между Хвх и Хвых. Если не при-
нимать во внимание очень маленькие прогивосилы на сопле, что
вполне возможно у систем с обратной связью, то у Такой системы
входное и выходное давления всегда одинаковы, т.. е. Хвых=Явх и
коэффициент усиления
■х
Так как Хвх и ХЪых одинаковы, то речь идет о передаточном
звене 1:1.
Так как выходная величина в этом случае включается противо-
положно входной величине, то можно>провести аналогию со схема-
ми усилителей с обратной связью в электротехнике. Поэтому если
в пневмоавтоматике говорят «обратный ввод», а в электротехнике
«обратная связь», то, как правило, имеется в виду одно и то же.
iB дальнейшем мы будем пользоваться терминологией электро-
техники и говорить об обратной связи.
4-11. СХЕМЫ ДЕЛИТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ
Яблоко можно разделить на две или несколько долей и снова
сложить вместе, получив вновь -целое яблоко. То же самое можно
сделать с ламинарным сопротивлением низкого давления. Например,
если сопротивление, состоящее из тонкого стеклянного капилляра,
разделить на четыре равные части, то получатся четыре одинаковых
сопротивления. Сложив сопротивления, соединяя их маленькими ре-
зиновыми шлангами, вновь получим первоначальное сопротивление.
54

»В ламинарном сопротивлении давление изменяется 'пропорцио-
нально длине сопротивления. В трубке сопротивления все частицы
воздуха трутся о ее стенки и обладают' одинаковой вязкостью.
Для того чтобы каждая частица прошла через сопротивление,
необходимо к каждой приложить определенную силу, которая при-
ведет ее в движение. Если же одна частица вынуждена передвигать
другую, находящуюся впереди нее частицу, то давление на выходе
уменьшается пропорционально длине трубки сопротивления. Следо-
вательно, с делением сопротивления связано и соответствующее де-
ление давления. Это подтверждается и в том случае, если части со-
противления снова соединить шлангами и затем измерить давление
в местах разделения сопротивления.
Предположим, что простое ламинарное сопротивление разделено
на две одинаковые части, которые затем соединены друг с другом.
Если последовательно включенные сопротивления вмонтировать в тру-
бопровод низкого давления, то, например, при давлении 100 мм
вод. ст. на входе в месте разделения будет давление 50 мм вод. ст.
Можно проделать также следующий эксперимент. В капилляр-
ном сопротивлении длиной 100 мм' отделим «10 мм. При перепаде
давления на сопротивлении 100 мм вод. ст. в месте разделения будет
измерено в одном направлении ilO мм вод. ст. и в другом — 90 мм
вод. ст. Если отделить 30 мм, то в зависимости от направления тече-
ния воздуха будет измерено давление 30 или 70 мм вод. ст.
Следовательно, делением сопротивлений можно делить давление
на части любой величины.
ГЛАВА ПЯТАЯ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ
5-1. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Электротехник, имеющий в своем распоряжении ассортимент
таких электрических элементов, как сопротивления, конденсаторы,
электронные лампы и т. д., может построить большое количество
различных схем. Пневматчику, располагающему соответствующими
55

пневматическими элементами: сопротивлениями, емкостями и мем-
бранными усилителями, тоже представляются почти неограниченные
возможности для построения вычислительных схем. Коммутационная
техника при реализации электрических и пневматических вычисли-
тельных схем аналогична. Однако существуют и некоторые прин-
ципиальные различия. Простая регулировка давлений позволяет лег-
ко создавать схемы пневмоавтоматики. Они очень наглядны, просты,
легко доступны и не требуют высококвалифицированного обслужи-
вания.
Прежде чем перейти к подробному рассмотрению некоторых вы-
числительных схем, следуег ознакомиться с самыми важными обо-
значениями пневматических элементов и сравнить их с обозначе-
ниями аналогичных электрических элементов.
5-2. ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Если схему назвать стенографической записью техника, то обо-
значения применяемых элементов являются буквами этой стено*
графии.
Для электрических элементов обязательные обозначения обще-
известны. Для пневматики необходимо создать такие обозначения.
Целесообразно приравнять друг .другу электрические и пневмати-
ческие обозначения, что особенно ярко видно на ламинарных со-
противлениях.
Для пневматических турбулент-
ных сопротивлений в электротехнике
аналогии не существует.
В отличие от электротехники эле-
менты, применяемые в пневматике,
немногочисленны. При осуществлении
аналоговых вычислительных операций
в пневматике в основном применяют-
ся три вида элементов, а именно:
1) сопротивления;
2) аккумуляторы сжатого возду
ха (емкости);
3) мембранные усилители.
56

Таблица 1
Обозначения пневматических и электрических элементов
Пневматика
Электротехника
Название
Обозначение
Название
Обозначение
Ламинарное пос-
тоянное сопро-
тивление
Постоянное со-
противление
-СП—
Ламинарное ре-
гулируемое со-
противление
Регулируемый
ламинарный де-
литель давле-
ния
Турбулентное
постоянное со-
противление
-dS~
Регулируемое
сопротивление
Регулируемый
делитель напря-
жения
Турбулентное
регулируемое
сопротивление
Турбулентный
дроссель Вен-
тури
Емкость
Конденсатор
—ii—
Одномембран-
чый усилитель
Диод
—и—
Одномембрач-
ный усилитель
Триод
-с
Одномембран-
ный усилитель
-нхь-|
Электронная
лампа с 2 уп-
равляющими
сетками
1г
Двухмембран-
ный усилитель
н^^^—
Электронная
лампа с 4 уп-
равляющими
сетками
4

5-3. СУММИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Если на одну из чашек точно уравновешенных равноплечных ве-
сов положить груз, то весы выйдут из равновесия. Для восстановле-
ния равновесия необходимо на другую сторону весов положить груз
такой же величины.
На чаши весов можно класть любые грузы, а равновесие всегда
будет сохраняться в случае, если они на обеих сторонах одинаковы.
Двухмембранную систему можно сравнить с весами, на которые
можно класть несколько грузов, однако на мембраны вместо веса
грузов воздействует давление. Если 'эффективная площадь мембраны
составляет Ш см2, то давление р в 1 мм вод. ст. действует на мем-
брану как груз весом в один грамм.
С помощью двухмембранной четырехкамерной системы можно
суммировать несколько давлений. Это суммирование происходит по
методу взвешивания, причем весы автоматически приводятся в рав-
новесие.
Для наглядности приведем следующий пример.
На одном конце рычага весов находится сосуд для жидкости,
а на другом — гири. Если гиря перевешивает, то весы выходят из
равновесия и открывают клапан притока Z. Жидкость из запасной
емкости V поступает в дозирующую емкость (D до тех пор, пока
весы не придут в равновесие и не закроют клапан притока.
Если величину груза на левой стороне уменьшить, то рычаг ве-
сов снова выйдет из равновесия. Однако в этом случае откроется
выпускной клапан Л, который будет открыт до тех пор, пока не
вытечет достаточное количество жидкости из дозирующей емкости,
чтобы привести весы в равновесие. Таким образом, состояние равно-
весия после любой помехи восстанавливается автоматически.
58

На те же весы можно положить несколько грузов, например т4
и т3 на левую, а т2 на правую сторону, тогда грузом т4 будет
являться дозирующая жидкость, а условием равновесия весов будет
следующее:
Таким же образом можно суммирова^ть давления в двухмембран-
ной системе, потому что двухмембранную систему можно сравнить
с весами с грузами ти т2, т3 и противодействующим грузом та.
Так как выходная величина ХВЫх полностью переключена на
отрицательную обратную связь, то равновесие можно установить
только в том случае, если давления XBxi, Хвх2 и Хвхз уравновешены
величиной обратной связи.
Усилитель практически работает как передаточное звено 1 : 1 по
формуле
•^в ы зс ~ .Хв X. о б щ •
Если три входные величины, которые могут быть поданы в мем-
бранные камеры усилителя, подставить в уравнение, то получится:
^вых==:'Хвх1"ь^вхз—^вх2«
5-4. ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (Р-ЭЛЕМЕНТ)
Мы рассмотрели случай, когда с помощью отрицательной обрат-
ной связи можно достичь изменения коэффициента усиления k с 100
До 1.
Решающий усилитель, в камеру обратной связи которого пол-
ностью заведено давление из междроссельной камеры, имеет коэф-
фициент усиления равный 1.
Если же отрицательная обратная связь полностью отсутствует,
усиление может быть доведено до стократной величины.

Следовательно, чем сильнее действие отрицательной обратной
связи, тем меньше коэффициент усиления всего устройства, а вклю-
чение слабой отрицательной обратной связи вызывает соответствую-
щее увеличение коэффициента усиления.
Очевидно, что изменяя глубину обратной связи, можно регули-
ровать коэффициент усиления. Изменение глубины обратной связи
аишаратурно реализуется с помощью включения в канал обратной
связи делителя давления с сопротивлениями Ri и R2. Если сопро-
тивление R2 полностью открыть, то отрицательная обратная связь
действовать не будет и коэффициент усиления £«100. Если же со-
противление R2 полностью закрыть, то обратная связь будет действо-
вать полностью и при К = 1. -Регулируя сопротивление R2 от 0 до оо,
можно изменять коэффициент обратной связи от 1 до 100.
Коэффициент усиления устанавливается регулировочным движ-
ком этого делителя давления. Уравнение такого передаточного эле-
мента
•^в ых = х»
Так как выходная величина такого усилителя при постоянном
коэффициенте усиления пропорциональна входной величине, то его
называют пропорциональным усилителем, или просто /7-элементом.
5-5. ЭЛЕМЕНТ ИНТЕГРИРОВАНИЯ (/-ЭЛЕМЕНТ)
'В технике регулирования часто встречаются случаи, когда от
вычислительного устройства требуется, чтобы при изменении входной
величины пропорционально изменялась скорость выходной величины.
Это бывает нужно, например, когда отклонение регулируемой вели-
чины необходимо свести к нулевому значению, применяя терминоло-
гию автоматического регулирования, поддержать заданный режим
регулирования с очень малой степенью неравномерности.
Математически операция, реализуемая таким звеном, выражает-
ся следующим уравнением:
1 dt -и**
t
где Т — постоянная времени интегрирования.
60

Поэтому если входная величина изменяется, например, на
10 мм вод. ст., то соответственно должна изменяться скорость вы-
ходной величины, например так, чтобы она с каждой секундой уве-
личивалась или уменьшалась на 1 мм вод. ст.
При изменении входной величины на 20 мм вод. ст. выходная
величина должна изменяться на 2 мм вод. ст. в секунду. Так как
выходная величина меняется по интегральному закону, то такие
элементы называют интегральными, или сокращенно /-элементами.
Используя мембранный усилитель, интегрирующий элемент мож-
но получить, введя запаздывающую положительную обратную связь.
Замедление обратной связи осуществляется с помощью включения
в ее канал /?С-элемента, который мы рассматривали в § 3-6.
Допустим, что в ,/?С-элементе закрыт свободный выход емкости
в атмосферу, а входная величина Хвх устанавливается на 10 мм
вод. ст. Теперь можно заряжать емкость, и так как заряжающее
давление вследствие глубокой обратной связи равно входному дав-
лению, т. е. 10 мм вод. ст., выходная величина изменяется с такой
скоростью, что она после прохождения времени Т увеличивается на
10 мм вод. ст. При этом Т является постоянной времени /?С-элемента
и идентична постоянной времени интегрирования.
Если например, /?=100 мм вод. ст.»сек]смъ, С=0,1 см3/ммвод.ст.,
то
Г=/?С-10 сек.
Так как выходная величина заведена в камеру положительной
обратной связи, то скорость ее изменения остается постоянной, если
Хв сохраняется постоянной. Если, например, X* изменяется на 20 мм
вод. ст., то выходная скорость удваивается, потому >что удваивается
и давление, заряжающее аккумулятор (емкость). Постоянная вре-
мени Т не изменяется, так как необходимы, как прежде, 10 сек для
того, чтобы выходная величина достигла значения 20 мм вод. ст.,
на которое изменилась входная величина. Время интегрирования мо-
жет настраиваться в широком диапазоне за счет изменения сопро-
тивления R.
61

5-6. ПРОПОРЦИОНАЛЬНО-ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
(Р/-ЭЛ ЕМЕНТЫ)
Для реализации пропорционально-интегрального элемента мем-
бранный усилитель используют как суммирующий элемент. В каме-
ру а подается давление Хвх, камера b сообщается с атмосферой.
В камеру с поступает скоростная составляющая (/-часть), и так как
давление в камере d в состоянии равновесия равно сумме давлений,
действующих в остальных трех камерах, то получается:
Хвых=р/-часть+рР-часть.
Такой усилитель имеет пропорционально-интегральную характе-
ристику и может применяться для создания Р/-регуляторов.
Р- элемент
-т-
1-элеЩЯт
Р1-элемент
-в-
Схема Р/-элемента очень наглядно показывает наличие в нем Р
и /-элементов. Так как Р/-элемент в технике регулирования играет
очень большую роль, поясним зависимость между входной и выход-
ной величиной еще на одном примере.
Если входную величину ХВх сразу увеличить от 0 до 10 мм
вод. ст., то выходная величина за счет Р-части сразу же увеличи-
вается до 10 мм вод. ст. Если постоянная времени #С-элемента в ка-
нале положительной обратной связи составляет Т ==20 сек, то выход-
ная величина увеличивается со скоростью 10 мм вод. ст. за каждые
20 сек. Если входная ветичина остается постоянной, то выходная
величина достигает через
20 сек 10 мм вод. ст+
+10 мм вод. ст. — 20 мм
вод. ст и через 40 сек
10 мм вод. ст.+20 мм вод.
ст.—30 мм вод. ст.
Если вслед за этим
установить на ХВх—20 мм
вод. ст., то ^вых за счет
пропорциональной состав-
ляющей увеличивается на
10 мм вод. ст., а затем со
скоростью 20 мм рт. ст. за
20 сек, так что через
последующие 20 сек дости-
^ гает 30 мм вод. ст.+ 10 мм
вод. ст.+20 мм вод. ст.—
=60 мм вод. ст.
62
i i i
UJ
Время, t

Если входную величину снизить до нуля, то выходная величина
сократится на 60 мм вод. ст. — 20 мм вод. сг.=40 мм вод. ст. и
остановится на этом уровне, потому что при Хъх=0 и изменение
скорости равно нулю.
Этот процесс можно представить графически, неограниченно про-
должая его.
5-7. ЭЛЕМЕНТЫ УПРЕЖДЕНИЯ (PD-ЭЛЕМЕНТЫ)
Регулятор должен быстро устранять помехи в производствен-
ном процессе. По возможности он должен срабатывать еще тогда,
когда помехи только начинают возникать. Иногда это можно сде-
лать, потому что помехи в производственном процессе не всегда
возникают мгновенно и неожиданно, а дают о себе знать уже за-
ранее. Как черные грозовые обла-
ка являются признаком изменения
погоды, так и характер изменения
величины помех часто очень от-
четливо указывает на то, что сле-
дует ожидать в дальнейшем. По-
этому необходимы вычислительные
элементы, которые в состоянии
определить тенденцию изменения
измеряемых величин, чтобы обес-
печить своевременную реакцию.
Элементы упреждения — диф-
ференцирующая часть—чаще всего
изготовляются в сочетании с Р-элементами, в результате чего об-
разуется Р£>-элемент.
PD-элемент аналогичен барометру, стрелка которого движется
по шкале пропорционально измеряемому давлению воздуха и колеб-
лется между значениями «дождь — переменно — ясно». Но интерес-
но не только то, что показывает барометр, так как погоду в данный
момент лучше определить, взглянув в окно. При этом важно знать,
как будет меняться атмосферное давление, а следовательно, погода.
Выход пропорциональной составляющей Р/)-элемента пропор-
ционален входному давлению и соответствует действительному по-
ложению стрелки барометра. Наличие дифференцирующей части по-
зволяет увидеть медленно или быстро подымается или падает дав-
ление.
Для этого в канал отрицательной обратной связи мембранного
элемента вводится /?С-элемент, что замедляет обратную связь. При
§
1
i
Время, t
63

неизменном входном давлении в обеих камерах мембранного уси-
лителя устанавливается одинаковое давление, т. е. Явых — Явх*
Так как равновесие на мембране существует только в том слу-
чае, если давления в мебранных камерах одинаковы, то в состоянии
равновесия «скорость, с которой изменяется давление в камере Ь,
должна быть равна скорости изменения давления в камере а.
Иначе говоря, если предположить, что Хъх от нуля начинает
увеличиваться со скоростью 1 мм вод. ст. в секунду, то выходное
давление увеличится настолько, чтобы скорость зарядки 7?С-элемен-
та в канале обратной связи тоже составляла 1 мм вод. ст. в се-
кунду. В этом «случае в обеих камерах а и Ь существует равновесие.
Если постоянная времени #С-элемента составляет, например, Т=
=10 сек, то при перепаде давления 10 мм вод. ст. скорость зарядки
достигает 1 мм вод. ст. в секунду, что необходимо для приведения
мембранной системы в равновесие. Выходное давление опережает
входное на 10 мм вод. ст.
Если скорость изменения входного давления увеличить-в 2 ра-
за, то в 2 раза увеличится и давление выхода.
Если входное давление изменяется с одинаковой скоростью, на-
пример 2 мм вод. ст. в секунду, то выходное давление опережает
его на 20 мм вод. ст. Если входное давление неизменно, то изме-
нение выходного давления равно нулю.
Очевидно, что давление зависит только от скорости изменения
входного давления.
5-8. ЭЛЕМЕНТЫ УМНОЖЕНИЯ
Служащий банка, занимающийся финансовыми подсчетами, вы-
полняет сравнительно простую вычислительную операцию. Он умно-
жает денежную единицу определенной страны на постоянный фак-
тор и получает затем денежную единицу другой страны.
При расчете денежных единиц только двух стран вычислитель-
ная операция заключается в умножении входной величины на по-
стоянный коэффициент.
Мы уже ознакомились с усилителями, которые работают с де-
лителем давления в канале обратной связи. У таких усилителей,
как известно, коэффициент усиления изменяется с помощью одного
из сопротивлений в делителе давления. Следовательно, для того что-
64

бы, например, пересчитать германские марки в рубли или наоборот,
можно использовать пневматическое вычислительное устройство.
Продавщице при продаже большого количества товаров с раз-
личными ценами приходится разные количества товаров умножать
на потребительские розничные цены, соответствующие этим това-
рам. В этом случае постоянный коэффициент множителя не имеет
места.
Продавщице приходится постоянно умножать две независимые
величины, а именно количество товара и его цену.
В технике автоматизации в возрастающем количестве требуются
приборы, с помощью которых можно постоянно умножать незави-
симые переменные величины. Это может быть в том случае, когда
необходимо установить соотношения двух величин, фактор значения
которых постоянно колеблется. Например, регулятор горения про-
мышленной печи должен решить задачу, чтобы к определенному
количеству газа добавлялось соответствующее количество воздуха.
При постоянном качестве газа достаточно сделать один раз настрой-
ку коэффициентов, чтобы к количеству газа добавлялось нужное
количество воздуха.
При колебании качества газа приходится соответственно ис-
правлять множительный коэффициент. В качестве корректирующей
величины можно применить калорийность газа, т. е. измеренная ве-
личина калорийности должна обеспечивать изменение множитель-
ного фактора. Для этого можно использовать обычные вычислитель-
ные устройства и на сопротивлении в канале обратной связи уста-
новить привод, который при изменениях калорийности будет менять
сопротивление.
Если множительный коэффициент меньше единицы, то от уси-
лителя можно отказаться, потому что выходная величина в этом
случае меньше входной величины. В этом случае можно обойтись
простой схемой делителя давления.
В нашем устройстве на коэффициент пересчета денежной еди-
ницы настраиваются сопротивления Ri и fo.
Делитель давления можно использовать для умножения и деле-
ния.
Из предыдущего примера видно, что множительный коэффици-
ент варьируется изменением сопротивлений схемы делителя давле-
ния. При этом безразлично, будет ли изменяться сопротивление Ru
/?2 или оба сопротивления.
Схему делителя давления можно построить так, чтобы сопро-
тивление i?2 регулировалось пневматическим поршневым двигателем,
приводимым в движение входной величиной Хъ. Однако поршневые
5—180 65

приводы обладают трением, легко заклиниваются и при их изго-
товлении требуется высокая точность.
Попытаемся обойтись мембранным приводом и используем ла-
минарное сопротивление, величина которого будет варьироваться из-
менением ширины щели между двумя пластинами. При этом необ-
ходимые управляющие перемещения очень малы, потому что самая
большая ширина щели Ъ со-
)*в|*Г
R2
ставляет лишь несколько
десятых миллиметра.
Для того чтобы пере-
мещение управляющей пла-
стины сделать зависимой от
величины управления, необ-
ходимо установить взаимо-
связь между движением
управляющей пластины и
соотношением сопротивле-
ний Ri и R2i для чего уста-
навливается вторая пара со-
противлений с общей пла-
стиной управления. Приво-
дом пластины является мем-
бранная система.
Предположим, что со-
противления в любом слу-
чае и независимо от поло-
жения пластины управле-
ния равны соответственно
Ri=Rs и #2=#4.
Равновесие сил на мем-
бране соответствует одина-
ковому давлению в обеих
мембранных камерах А и В.
Если это равновесие нарушено, пластина перемещается до тех пор,
пока не восстановится равновесие сил и вместе с тем равенство
давлений.
Приведем самое простое рассуждение. Если входная величина
Xi составляет, например, 50 мм вод. ст., то давление между обоими
сопротивлениями Ri и R2 равно 50 мм вод. ст. Постоянное давление
Хк установлено на 100 мм вод. ст. Так как сопротивления Ri и Rzy
R2 и i?4 одинаковы, то соответственно должны одинаково изменять-
ся и давления в' междроссельных камерах. Поэтому если Xi =
= 100 мм вод. ст., то Явы*=50 мм вод. ст. Если A"i = 10 мм вод. ст.»
то Авых=5 мм вод. ст. Если,давление Xi составляет 90 мм вод. ст.,
то между Ri и R2 тоже устанавливается давление 90 мм вод. ст. и
выходное давление Хъых при входном давлении Яг =100 мм вод. ст.
составляет 90 мм вод. ст. Если бы входная величина Х2=\0 мм
вод. ст.у то выходная величина Х*ыт была бы установлена на
9 мм вод. ст.
Таким образом, выходная величина является произведением
обеих входных величин Xi и Х2, деленным на постоянную величину*
Xh, так что взаимосвязь можно выразить следующей формулой:
-^■ых =
i**
66

Эта формула действи-
тельна только в том случае,
если давление между сопро-
тивлениями Ri и R2 равно
давлению Хи что бывает
только тогда, когда на мем-
брану не воздействуют ни-
какие другие силы.
Однако на пластине
управления появляются до-
полнительные силы и в том
числе сила трения, что при-
водит к искажению резуль-
тата вычисления. В каче-
стве простого и эффектив-
ного решения для устране-
ния нежелательных воздей-
ствий вводят промежуточ-
ное усиление.
Так как коэффициент
усиления пневматического
усилителя больше 100, то
влияние ошибок, оказываю-
щих воздействие на управ-
ляющую пластину, умень-
шается по меньшей мере на
1/100, что практически сво-
дит его к нулю.
Так как промежуточное
усиление служит только для
повышения точности, то
принципиально его можно
оставить без внимания. При
рассмотрении же общей схе-
мы введем его снова.
Схему умножения двух переменных величин можно легко пере-
строить в устройство возведения в квадрат. Для этого достаточно
оба входных канала соединить друг с другом и ввести в них вели-
чину Xi. Тогда элемент будет выполнять следующие вычислительные
операции:
А?
Хъ xh
Также просто можно получить элемент деления, который будет
выполнять следующие операции:
X*
Х\Хъ
Итак, для того чтобы реализовать то или иное уравнение, основ-
ную схему необходимо «преобразовать» соответствующим образом.
Несколько труднее построить элемент извлечения корня.
За исходное принимается уравнение элемента деления
XiXh
Хлых —
Хш
67

После преобразования получаем:
Хв ы хХ2=XiXh.
Учитывая, что Х2=ХВых, можно записать:
^ВЫХ^ВЫХ = ^ВЫХ = "^l^fc*
Преобразовав это выражение, получим
-^ВЫХ = VXiXfr,
Элемент извлечения корня имеет вид
К сожалению, эта схе-
ма функционирует не сов-
сем точно, потому что со-
противления Ri и /?2 вклю-
чены последовательно и
оказывают влияние друг на
друга. Сопротивления необ-
ходимо разделить между
собой, включив между ними
повторитель, так что основ-
ная схема примет следую-
щий вид.
оильность Xh- Основная схе-
ма регулятора постоянного
давления имеет следующий
вид.
На регулировочное со-
противление Явх подается
постоянное вспомогательное
давление Hh, которое долж-
но быть больше выходного
давления Хъ.. Давление, ре-
гулируемое сопротивлением,
подается на повторитель, на
выходе которого получается
постоянное давление Хъ.
Устройство для извле-
чения квадратного корня
включает в себя в общей
сложности четыре решаю-
щих усилителя.
В начале этого пара-
графа говорилось, что
для четкого срабатывания
управляющей пластины не-
обходим еще промежуточ-
ный усилитель. Кроме того,
целесообразно установить
делитель давления для ста-
билизации давления с до-
полнительным включением
усилителя мощности. Воз-
можность регулирования по-
стоянного давления позво-
ляет в любое время вводить
небольшие поправки на ста-
86

5-9. ЛАМИНАРНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ ВЫСОКИХ
ДАВЛЕНИЙ
Очевидно, что ламинарное течение возможно и при более вы-
соких давлениях.
Дорога, которая на протяжении 100 м подымается на 5 м, име-
ет такой же средний подъем как дорога, которая на протяжении
1 ООО м подымается на 50 м.
Если сопоставить величины уклона дороги и картину ламинар-
ного течения, то для сохранения условий ламинарного течения при
перепаде давления 1 кгс/см2,
т. е. 1 ООО мм вод. ст., ка-
пиллярное сопротивление с
30 мм необходимо удлинить
до 3 ООО мм. При этом пред-
полагается, что для перепа-
да, давления 100 мм лами-
нарное течение наблюда-
ется в капилляре длиной
30 мм.
Следовательно, для со-
хранения одинаковых усло-
вий течения длину сопро-
тивления нужно изменять
прямо пропорционально уве-
личению сопротивления.
Длинные сопротивления
на практике неудобны.
Можно уменьшить попереч-
ное сечение течения и тем
самым сократить сопротив-
ление, у Однако для капил-
лярных трубок уменьшение
сечения возможно только в
определенных границах, по-
этому в качестве ламинар-
ных сопротивлений при пе-
репаде давления до 1 кгс/см2
они не используются. К это-
му добавляется еще и то,
что емкостное действие мем-
бранных камер и линий свя-
зи с возрастанием перепада
давления увеличивается
вследствие влияния сжимае-
мости, из-за чего схемы де-
лителя давления с ламинар-
ными сопротивлениями при
перепаде давления 1 кгс/см2
нежелательны. Скорость те-
чения была бы у них почти
в 100 раз меньше, чем у со-
противлений с теми же ус-
ловиями течения в пределе
низкого давления.
Н=100 мм вод. ст.
Кольцевая щель
69

А для реализации вышеуказанных операций на схемах делите-
лей давления требуется по возможности большая рабочая скорость.
Можно при больших величинах сопротивлений увеличить количе-
ство пропускаемого потока или, еще лучше, вместо капиллярных
трубок применить так называемые дроссели с кольцевой щелью,
которые практически можно рассматривать, как большое количество
параллельно включенных капиллярных трубок. Но здесь сказывается
влияние сжимаемости.
Влияние сжимаемости на ламинарные сопротивления
Так как при увеличении давления в 2 раз объем воздуха умень-
шается наполовину, то в емкости с избыточным давлением в 1 кгс/см2
содержится частиц воздуха в 2 раза больше, чем в такой же емко-
только от перепада давления, а не от величины или массы отдель-
ных частиц.
Это видно из того, что через пневматическое ламинарное сопро-
тивление 10 мм вод. ст. • сек/см3 при перепаде давления 10 мм вод. ст.
расход воздуха при давлении ниже атмосферного давления равен:
сти с атмосферным давле-
нием.
Ранее было установле-
но, что вязкость воздуха не
изменяется с его сжатием.
Как скорость шариков раз-
ной величины, которые ска-
тываются на наклонной пло-
скости, зависит только от
уклона, и не от величины
или массы шариков (трение
и сопротивление воздуха на-
столько малы, что их мож-
но не учитывать), так и
скорость частиц воздуха,
проходящих через ламинар-
ное сопротивление, зависит
100 мм вод. ст.
10
мм вод. ст.*сек
смг
При этом речь идет о воздухе, не сжатом дополнительным дав-
лением.

Влияние сжимаемости очень вредно сказывается при зарядке
и разрядке пневматических #С-элементов. Если работать в диапа-
зоне давления 0—1 кгс/см2, то скорости зарядки, несмотря на оди-
наковый перепад давления на сопротивлении и высокую стабиль-
ность сопротивления и аккумулятора, очень сильно зависят от того,
в какой области рабочего диапазона работает прибор, т. е. при ма-
лом сжатии, или с сильно сжатым воздухом. Работать в диапазоне
верхнего давления очень неудобно, потому что зависимые от RC-
элементов коэффициенты настройки регуляторов, например время
дополнительного регулирования и упреждения, различны для верхне-
го и нижнего диапазонов давления. В верхнем диапазоне давления
0,1 кгс/см3 отклонения, обусловленные сжимаемостью, могут достичь
100%, а в нижнем диапазоне давления 0—100 мм вод. ст. отклоне-
ния под давлением сжимаемости не более 1%.
71

ГЛАВА ШЕСТАЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВ
АВТОМАТИЗАЦИИ
Представление об автоматах подобных человеку возникло очень
давно. В отличие от неуклюже шагающего робота современный ав-
томат или, лучше говоря, современное устройство автоматизации
имеет совершенно другой вид. Однако вид человекоподобного робо-
та очень хорошо 'символизирует внутреннее строение современного
устройства автоматизации, а попытка переносить систему биологии
в технику в основном является правильной. Наконец, самая совре-
менная отрасль науки — кибернетика, в частности, занимается в на-
стоящее время сопоставлениями в биологии и технике.
Вообще робот предзна-
значен стать помощником и
слугой человека. Когда речь
идет о простых, все время
повторяющихся функциях,
он должен заменить чело-
века. Те же задачи, выпол-
няет и устройство автомати-
зации. Оно заменяет челове-
ка при выполнении многих
операций в производствен-
ном процессе.
Но прежде чем отва-
житься на попытку заме-
нить человека, следует опре-
делить, какие свои качества
он использует и какие дей-
ствия совершает человек
при управлении производ-
ственными процессами и ка-
кие вспомогательные сред-
ства находятся при этом
в его распоряжении.
Человек имеет органы
чувств, с помощью которых
он воспринимает процессы
окружающего мира. Нерв-
ная система, которая фикси-
рует и передает раздраже-
ния, воспринятые органами
чувств, где концентрируют-
ся и обрабатываются все
сигналы раздражения-. Мы-
шечная система человека
является органом, испол-
няющим приказы, исходя-
щие от мозга.
Система автоматиза-
ции, которая должна
частично заменить челове-
72

ка, по-видимому, должна быть построена аналогично. Роль
органов чувств возьмут на себя датчики, которые наблюдают за
отдельными участками производственных процессов и результат
своих наблюдений преобразуют в соответствующие сигналы. Эти сиг-
налы передаются по коммуникационным связям, «нервами» установ-
ки автоматизации, «в мозг», образованный регулирующими, управ-
ляющими и вычислительными приборами, т. е. вычислительными
Органы
чувств
Нервы
Мозг
Нервы
Мышцы
Ojjj OQOJDOO
D°DDoDDD0D[
Измери-
Проводнини
Вышел и*
тельные
устройства
Проводнини
Исполни-
тельные
устройства
элементы
с и гнало д
сигналод
устройствами. Здесь, как в мозгу, обрабатываются все сигналы, из
которых создается соответствующий приказ. Этот приказ передается
по сигнальным проводам в исполнительные элементы, которые в пе-
реносном смысле являются «мышцами» установки автоматизации.
Это можно пояснить на очень простом примере.
Человек, сидящий в теплой нагретой комнате, почувствовал, что
температура понижается. Его органы чувств преобразуют восприня-
тое раздражение так, чтобы его можно было в качестве сигнала,
передать по нервной системе в мозг. Здесь поступающий сигнал об-
рабатывается и в качестве промежуточного результата устанавли-
вается, что в печь нужно добавить топливо. Окончательным резуль-
татом является соответствующий приказ, который по нервам пере-
дается мышцам, с помощью которых подкладывается топливо. Из-
лишне говорить о том, что при сильном снижении температуры до-
бавляется больше топлива, а при небольшом изменении — меньше.
Комнату можно отапливать электричеством и при этом исполь-
зовать простое устройство автоматизации. Датчиком, измеряющим-
температуру, может служить ртутный термометр. При этом высота
ртутного столбика является мерой комнатной температуры. При до-
стижении заданной комнатной температуры ртутный столбик ка-
73;

сается металлического проводка, замыкая электрическую цепь, кото-
рая приводит в действие выключатель отопления.
Если температура становится ниже установленной на термомет-
ре величины, то электрическая цепь прерывается и включается ото-
пление. В данном случае заданная величина комнатной температу-
ры' сравнивается с величиной, которая имеется фактически и назы-
вается действительной величиной. Затем отдается соответствующий
приказ, а именно «электрическую цепь замкнуть» или «электриче-
скую цепь разомкнуть». В устройстве сравнения, которое является
вычислительным элементом этой простой установки автоматизации,
осуществляется в основном элементарная функция мозга. Замыкание
и размыкание электрической цепи нагрева реализуются с помощью
электрического реле, которое управляется электрической цепью сиг-
наля и включает или выключает- ток нагрева. Следовательно, реле
выпоняет частично функции мозга и одновременно работает как ис-
полнительный элемент.
Хотя функциональные элементы устройств автоматизации часто
технически тесно взаимосвязаны, как показано на вышеприведенном
примере, системы автоматизации комплектуются в основном из сле-
дующих' основных групп приборов:
1) измерительных устройств — датчиков;
2) вычислительных устройств;
3) регулирующих устройств.
Рассмотрим эти три группы элементов.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Измерительные устройства, в переносном смысле являются «ор-
ганами чувств» установок автоматизации. Чувствительные элементы
реагируют на помехи в производственном процессе. Для восприятия
сигналов необходимо, чтобы измеренные величины, которые затем
направляются в «мозг» установки автоматизации и там обрабаты-
ваются, были представлены в «понятном виде».
74

Поэтому сообщения, поступающие от чувствительных элементов
и измерительных устройств, переводятся на язык сигналов, доступ-
ный мозгу «для понимания». Этим языком являются сигналы, изме-
няющиеся в определенном рабочем диапазоне. Для систем автомати-
зации низкого давления он равен 0—100 мм вод. ст., поэтому все
величины, измеренные чувствительными элементами, должны преоб-
разовываться в сигнал вышеуказанной области давлений. В связи
с этим чувствительные элементы должны быть связаны с измери-
тельными преобразователями, а иногда они объединяются в едином
приборе, как это можно наблюдать в биологии. Так глаз со своей
системой линз в качестве измерительного элемента и сетчаткой в ка-
честве преобразователя раздражения образуют единый прибор.
7-1. ПРЯМОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Для того чтобы воспринимать условия окружающего мира и
преобразовывать их в форму сигнала, понятную для мозга, биоло-
гия не всегда пользуется такими сложными измерительными преоб-
разователями, какими являются глаза и уши. Многие измеряемые ве-
личины могут восприниматься непосредственно нервными окончания-
ми, причем они, как, например, температура, воздействуют непо-
средственно на нервные окончания через места, чувствительные
к температуре, распределенные на поверхности кожи. В этом случае
нет необходимости в измерительных и преобразовательных элемен-
тах, которые очень чувствительны и восприимчивы к помехам. Раз-
дражение, воспринятое нервными окончаниями, сразу передается
в мозг, в котором затем обрабатывается.
И в технике также самое благоприятное решение достигается
тогда, когда можно отказаться от специальных преобразователей из-
мерительных величин, так как в этом случае достигается высокая
степень простоты и производственной точности.
Если «мозг» установки автоматизации предназначен для обра-
ботки сигналов низкого давления, то измеряемые величины низкого
давления через шланговые трубопроводы, служащие как бы «нерва-
ми», передаются в «мозг». Следовательно, обычный решающий уси-
литель низкого давления
можно рассматривать как
измерительный элемент.
Контроль и регулирова-
ние процессов—это широкая
область применения решаю-
щих усилителей низкого
давления в качестве изме-
рительных элементов. При-
мером этого могут слу-
жить устройства управле-
ния процессами в техни-
ческих печах, например для
нагрева стальных блоков
(болванок), прежде чем они
поступят на прокатные ста-
ны, или, например, при до-
полнительной обработке в
печах нагрева вальцованно-
го железа.
75

Для поддержания процесса тепловой обработки металла прихо-
дится обеспечивать хорошее сгорание подаваемого газа в печи на-
грева, к которым относятся и доменные печи, печи Сименса—Мар-
тена и паровые котлы. Давление газа и воздуха при регулировании
процесса сгорания имеют такие величины, что их можно учитывать
обычными мембранными усилителями низкого давления. Это отно-
сится к давлениям в печном пространстве (давлениям пода), кото-
рые часто измеряются лишь несколькими мм вод. ст. Однако во
многих случаях целесообразно применять преобразование измерен-
ных величин, с помощью дополнительного мембранного усилителя-
для того, чтобы облегчить обработку сигналов в вычислительном
устройстве. Это необходимо в том случае, если измеряемое давление
слишком высокое или низкое или когда приходится преобразовы-
вать разностные давления в простые статические давления. Допол-
нительные усилители низкого давления применяют и для смещения
нулевой точки. Ниже будут приведены примеры применения усили-
телей низкого давления для измерения величин при регулировании,
процессов сгорания в технических печах, которые отапливаются
смесью газа с воздухом.
7-2. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА И ГАЗА
В промышленной печи, которая отапливается смесью газа с воз-
духом, давления в трубопроводе воздуха и в трубопроводе газа
должны измеряться и преобразовываться в единый сигнал в диа-
пазоне от 0 до 100 мм вод. ст. Но так как давления в обоих тру-
бопроводах немного выше установленного давления сигнала, при-
76

ходится обеспечивать соответствующее снижение давления. Для это-
го существует несколько методов.' Самой простой формой является
редуцирование давления с помощью ламинарного делителя давле-
ния, которым можно легко снижать давления, изменяющиеся в диа-
пазоне от 0 ... 1 ООО мм вод. ст. до давления в диапазоне 0 ...
100 мм вод. ст., как это показано в § 4-11.
При этом необходимо позаботиться о том, чтобы газ, проходя-
щий через делитель давления, отводился в специальный объем, что-
бы он не мог повредить обслуживающему персоналу. Пусть давле-
ния газа от 0 до 200 мм вод. ст. преобразуются в соответствующее
давление воздуха в диапазоне от 0 до 100 мм вод. ст. Особенно
важным является точное преобразование дифференциальных разно-
стей давлений, потому что дифференциальное давление сни-
маемое с измерительной диафрагмы, является мерой количества
воздуха или газа, которое проходит через трубопровод.
77

В зависимости от постановки задачи здесь могут применяться
различные схемы. Например, дифференциальное давление Ар в воз-
душном трубопроводе от 0—100 мм вод. ст. преобразуется в соот-
ветствующее простое давление воздуха от 0 до 100 мм вод. ст.,
в то время как в измерительном преобразователе таза осуществ-
ляется смещение нулевой точки рабочего диапазона на 100 мм вод. ст.
В результате этого при дифференциальных давлениях до 100 мм
вод. ст. выходной сигнал отсутствует, а дифференциальные дав-
ления от 100 до 200 мм вод. ст. преобразуются в соответствующие
простые давления от 0 до 100 мм. вод. ст.
Часто дифференциальные давления настолько малы, что необ-
ходимо вводить усиление, чтобы выходной сигнал изменялся в диа-
пазоне от 0 до 100 мм вод. ст. Тогда с преобразованием дифферен-
циального давления в единый сигнал давления можно совместить
и усиление выходного сигнала. Это осуществляется ослаблением
обратной связи в мембранном усилителе с помощью установки
обычного сопротивления делителя давления в канал обратной свя-
зи. Таким образом можно достичь более чем десятикратного уси~
ления и вместе с тем преобразовать дифференциальные давления
Ар от 0 до 10 мм вод. ст. в простые статические давления от О
до 100 мм вод. ст.
78

Таким же образом контролируют и давление печного простран-
ства (давление пода). Так как оно в большинстве случаев мень-
ше 10 мм вод. ст., то необходимо усиление для того, чтобы предел
измерения соответствовал диапазону изменения сигнала. Это можно-
сделать с помощью простого усилителя низкого давления, если ос-
лабить обратную связь посредством добавления делителя давления
в канал обратной связи.
7-3. ПРОСТЕЙШИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Пневмоэлектрический преобразователь
Как известно, в биологических системах в результате раздра-
жений, воспринятых органами чувств, образуются слабые токи
(биотоки), которые передаются далее, передавая информацию. *
Например, световые лучи, попадающие 'на сетчатку глаза, пре-
образуются в соответствующие электрические сигналы.
Примером этого может служить случай, когда фотолюбитель
выбирает фотоэкспонометром самые благоприятные условия осве-
щения. Фотоэлектрический слой, расположенный на маленькой ме-
таллической пластине, преобразует лучи света в соответствующий?
электрический ток, т. е. этот фототок в переносном смысле стано-
вится «биотоком» экспонометра.
Можно привести еще ряд примеров.
Например, если спаять металлическую и константановую прово-
локи, то в месте спайки образуется так называемый термоэле-
мент, который реагирует на разницу температуры так же, как
фотоэлемент на лучи света.
Термоэлемент в определенной степени является техническим*
«органом чувств», воспринимающим изменения тепловых воздейст-
вий. Если термоэлемент «раздражать» нагревом, то потечет слабый-
электрический ток, аналогичный биотоку, называемый в технике
термотоком. Он является мерой температуры в месте пайки. Здесь
электрический сигнал стано-
вится носителем информа-
ции температурных величин.
Однако, если носите-
лем информации в системе
должен быть стандартный
сигнал низкого давления, то
электрические сигналы до
ввода в вычислительное
устройство необходимо пре-
образовывать в соответ-
ствующие сигналы выше-
указанного диапазона.
Это делается сравни-
тельно просто, если исполь-
зовать систему с катушкой
индуктивности и пневмати-
ческую систему сопло — за-
слонка.
Если термоэлемент под-
ключить к катушке индук-
тивности и нагреть место
спайки, то по катушке по-
течет термоток, в результа-

11
l
8ых
те чего она будет втягиваться в воздушный зазор магнитного
сердечника или выталкиваться из него.
Направление силы воздействия на катушку индуктивности мож-
но легко изменить, если поменять -местами провода при подключе-
нии. Так как силы, воздей-
ствующие на катушку, очень
малы, то для увеличения
силы целесообразно закре-
пить ее на одном из плеч
рычага рычажных весов,
другое плечо которого дей-
ствует в качестве заслонки.
В такой системе сопло —
заслонка выходное давление
зависит от силы воздей-
jj ствия катушки индуктивно-
сти на соответствующее пле-
чо рычага. Следовательно,
.выходное давление Хвых является мерой температуры.
Таким образом температурные величины можно, сравнительно
легко преобразовывать в соответствующие величины низки!о дав-
ления.
Пневматический преобразователь числа оборотов
Чем быстрее метатель молота поворачивается, раскручивая сна-
ряд, тем сильнее, упираясь ногами, он должен противостоять силам
ускдрения, которые воздействуют па молот. Молот оказывает со-
противление вращательному движению, так как он стремится дви-
гаться по примой траектории, касательной к описываемой им ок-
ружности, и сделает это, как только освободится от удерживающей
его силы.
Движущиеся частицы воздуха также можно только принуди-
тельно заставить изменить свою первоначально сообщенную им
прямолинейную траекторию. Поэтому, если резиновый шланг вра-
щается по кругу, то частицы 4 воздуха, находящиеся в нем, ста-
раются освободиться так же, как и стальной молот от удер-
живающей силы. Возникающее при
этом давление выполняет роль
удерживающей силы. Сила тяги
на удерживающем' тросе молота
возрастает с увеличением числа
оборотов молота, давление в ре-

зиновом Шланге также возрастает с увеличением числа оборотов
вращающегося шланга. Изменение давления при измерении скоро-
сти вращения незначительной величины массы воздуха сравнитель-
но невелико, поэтому в большинстве случаев необходимо проме-
жуточное усиление измеренного сигнала.
А для того, чтобы при сравни-
тельно малых количествах оборотов
без 'Промежуточного усиления до-
стичь изменения давления до 100 мм
вод. ст., можно пользоваться следую-
щим методом преобразования.
Небольшой диск, который приво-
дится в движение вращающимся те-
лом, число оборотов которого нужно
измерить, через шток, прикрепленный
к периферии диска, приводит в ко-
лебательное движение небольшую ре-
зиновую мембрану. При этом в мем-
бранную камеру попеременно засасы-
вается и вытесняется воздух. Ори за-
сасывании воздух, окружающий от-
верстие сопла, кратчайшим путем
устремляется в мембранную камеру.
При вытеснении воздух, выходя-
щий из сопла, образует струю,
которая сначала сохраняет свою форму, а затем после удаления
от сопла смешивается на определенном расстоянии с внешним воз-
духом и растворяется в нем. И если против питающего сопла, сое-
диненного с мембранной камерой, поместить второе сопло, оно нач-
нет улавливать поток воздуха. В этом приемном сопле поток
скапливается, а возникающий скоростной напор является мерой чис-
ла оборотов. Следовательно, мембранную систему с двумя соплами
можно применять в качестве преобразователя числа оборотов в ве-
личины низкого давления.
7-4. КОМБИНИРОВАННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Глазной линзой световые лучи собираются в пучок и переда-
ются на сетчатку, где воздействие света используется для обра-
зования сигналов, передающихся по нервам в мозг. Аналогичным
является действие органов слуха. В них звуковые колебания пре-
образуютея в биооигналы, которые могут передаваться по нер-
вам и обрабатываться в мозгу.
В технике автоматизации во многих случаях тоже используются
методы преобразования входной величины в выходную величину
через промежуточную величину. Измерительный элемент, который
различные физические величины преобразовывает в единую про-
межуточную величину, соединяют с измерительным преобразовате-
лем, преобразующим промежуточную величину в сигналы низкого
давления.
Так как измерение давлений и дифференциальных давлений
в технике автоматизации очень распространено, а давления очень
легко преобразуются в усилие, то возможно использование его
в качестве промежуточной величины для создания комбинирован-
6—180
81

ного измерительного устройства. При этом необходим прибор, пре-
образующий полученное усилие в пропорционально низкое давле-
ние. Оба прибора могут быть объединены друг с другом, в резуль-
тате чего получится новый, законченный прибор.
В качестве чувствительного
элемента при измерении давлений
и дифференциальных давлений,
используются мембранные или
сильфонные 'системы. Преобразо-
вание электрических величин в
усилия целесообразно осуще-
ствлять с помощью системы с ка-
тушкой индуктивности.
Преобразование усилия в про-
порциональное ему давление от О
до 100 мм вод. ст. осуществляется с помощью мембранного устрой-
ства, управляемого системой сопло — заслонка. Измеренное усилие
воздействует на рычаг с закрепленной на нем' заслонкой. Последняя
управляет давлением в междроссельной камере, которое подается
в камеру мембранной системы. Сила воздействия мембранной си-
Измерительная
сила
?^меряемая
величина низкого
давления
| Измерительная
сила
\ \ Измеряемая »
величина диффе-
ренциального
давления
стемы, зависимая от выходного давления, через регулируемый
привод оказывает обратное 'воздействие на рычаг заслонки. Система
находится в равновесии в том случае, если с обоих сторон на ры-
чажную систему воздействуют одинаковые силы. Отсюда следует,
что давление в мембранной камере, которое одновременно явля-
ется выходным давлением преобразователя, соответствует вели-
чине входного усилия. С помощью регулируемой шайбы рычажной
системы можно изменять соотношение плеч рычага и тем самым до-
82

Измерительная
^ сила
Измеряемая
* величина давления
ительнал
'сила
^Измеряемая вели-
чина тома
стшгать соответственного изменения соотношения входного усилия
и усилия мембранной системы.
Например, если диаметр эффективной площади мембраны со-
ставляет 51 мм, то мембрана при давлении 100 мм вод. ст. соз-
Измеритель-
ная сила """^
Измеряемая
веМШна
V
Измери -
тельная
сила
Противосила
Выходное
давление
дает усилие приблизительно 0,2 кгс, которое при десятикратной
редукции рычага повышается на И кгс. Поэтому с помощью сравни-
тельно небольших мембран и систем рычагов можно достигать
вполне достаточных противосил для компенсации измерительных
частей.
Прибор для различных измеряемых величин, изменяющихся
в различных диапазонах, имеет различные входные измерительные
системы, но всегда один и тот же выходной преобразователь, позво-
ляющий получить выходной сигнал только одного определенного
диапазона.
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
АНАЛОГОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
«Аналоговый» — значит, «соответствующий», «похожий» или
«одинаковый». Однако это не поясняет суть аналогового вычисли-
тельного элемента. Обычно, когда речь идет о вычислении, то, как
правило, подразумевают цифры.
6* 83

Однако аналоговые вычислительные устройства оперируют не
цифрами, а величинами, которые соответствуют цифровым значени-
ям. Если речь идет об электрических аналоговых устройствах, то
в качестве аналоговых величин, соответствующих цифровым зна-
чениям, берутся электрические напряжения или токи. Например, на-
пряжение 100 в. или ток '100 ма
может соответствовать цифре 100.
Можно взять другие масштабы
и тогда напряжение 10 в или ток
5 ма может тоже соответствовать
цифре 100.
В пневматике низкого давле-
ния пересчет аналоговых величин
в цифровые величины очень про-
стой: давление 0 соответствует
числу 0, а давление 100 мм вод. ст.
может соответствовать числу 100
или 100%, т. е. давлением пневматчик может измерить контроли-
руемую величину так же, как плотник метром, аптекарь весами и
продавец литром, так как они все работают с аналоговыми величи-
нами.
8-1. ДЛЯ ЧЕГО ВЫЧИСЛЕНИЕ?
Ответ простой. Не существует ни одного процесса автоматиза-
ции, даже самого простого, который не являлся бы одновременно
вычислительным процессом. Вычислительная техника является фун-
даментом всей техники автоматизации.
Попытаемся пояснить на самом простом примере.
Какую существенную роль играют вычислительные устройства.
Температура газовой промышленной печи, которая предусмотрена
для сушки синтетических волокон, должна регулироваться так,, что-
бы в печи она была на 50° выше внешней температуры.
Температура измеряется с помощью термоэлемента, а термоток
преобразуется в пневматическом преобразователе тока / в аналого-
вую величину низкого давления. Предположим, что при изменении
температуры в печи на '100°, изменение давления на выходе равно
100 мм вод. ст. Это приблизительно соответствует величинам, кото-
рые получают, применяя железо-константановый и обычные элек-
тропневмопреобразователи с катушкой индуктивности. Если в печи
достигнута необходимая разность температур 50°, то выходное
давление электронного преобразователя составляет 50 мм вод. ст.
Эта величина в единицах давления называется заданной величи-
ной Х3.
84

При регулировании заданную величину Хи нужно сравнить
с действительной величиной X, разность этих величин есть отклоне-
ние регулируемой величины Х0, которую необходимо привести в
норму с помощью регулятора. Сравнение заданной и действитель-
ной величин происходит в вычислительном устройстве 2, выполняю-
щем следующую вычислительную операцию:
X—Xk — Xqt.
Предположим, что разность температур печи и внешней среды
очень большая и составляет 60° С, тогда Х=60 мм вод. ст. Если за-
данная величина Хк установлена на 50 мм вод. ст., то отклонение
регулирования Л"0т=Ю мм вод. ст. В вычислительном устройстве
осуществляется операция алгебраического сложения заданной и те-
кущей величин.
Цель регулирования состоит в поддержании заданной темпера-
туры. Поэтому регулятор должен по возможности быстро и основа-
тельно устранять появляющиеся отклонения регулирования, оказы-
вая воздействие на подачу газа. В данном примере он должен
дросселировать подачу газа, чтобы снизить температуру. Необходи-
мо обратить внимание на следующее. Если регулятор очень слабо
реагирует на отклонение, то оно устраняется лишь частично. Если
он реагирует очень сильно, то появляются колебания выходной ве-
личины. Вентиль газа то открывается, то закрывается и регули-
рование в этом случае не достигает поставленной" цели. Поэтому
необходимо, чтобы определенному отклонению регулирования соот-
ветствовала определенная величина положения клапана. Для этого
необходимо предварительно отклонение регулирования усилить.
Усиление сигнала осуществляется в вычислительном устройст-
ве 3, выполняющем умножение входной величины на коэффициент
С. Вычислительная операция этого устройства
Хъых. = СХоч,
где Хот — входная величина, а Хвых — выходная величина.
Предположим, что происходит трехкратное усиление и если от-
клонение регулирования на входе 10 мм вод. ст., то на выходе
оно равно 30 мм вод. ст.
Если для приведения в действие клапана газа использовать
пневматический исполнительный механизм, то сигналы низкого дав-
ления, используемые в вычислительном устройстве, нужно усилить
до обычного для такого привода многократного давления. Следова-
тельно, необходимо предусмотреть еще одно множительное вычис-
лительное устройство 4, которое все поступающие величины умно-
жает на определенный коэффициент и передает затем .на привод
регулирования 5, который воздействует на клапан газа.
Очевидно, что даже очень простая задача регулирования тре-
бует выполнения многих вычислительных операций. Во многих слу-
чаях такие задачи регулирования удовлетворительно решаются толь-
ко PI или /VD-регуляторами, поэтому необходимы вычислитель-
ные элементы для создания / и D-режима, т. е. интегрирующие и
дифференцирующие устройств.
85

8-2. ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ
Вид и количество вычислительных операций, выполняемых при
решении задач автоматизации, практически не ограничены. Но поч-
ти все вычислительные операции можно свести к нескольким основ-
ным видам. Это относится и к приборам. Реализуя такую возмож-
ность, можно большинство основных вычислительных операций вы-
полнять с помощью малого количества элементов.
Целесообразно эти элементы определенным образом группиро-
вать в базовые вычислительные устройства. Тогда посредством не-
больших схемных изменений можно строить большое количество
устройств, выполняющих самые различные вычислительные опера-
ции.
С самыми важными элементами пневмоавтоматики и их прин-
ципом действия мы уже познакомились, но здесь вспомним о них
еще раз. Необходимо иметь в наличии следующие элементы:
1. Мембранные системы.
2. Системы сопло — заслонка.
3. Регулируемые делители давления и сопротивления.
4. Емкости (конденсаторы).
Конструктивно и схемно они выглядят следующим образом:
Для того чтобы эти элементы объединить в функционирующие
приборы, необходимы еще монтажные платы, осуществляющие ком-
мутацию входных и выходных каналов элементов между собой. На
обратной стороне их расположены штекерные колодки с выведен-
ными на внешнюю сторону штуцерами подключения коммуникаци-
онных каналов.
В качестве дополнительных принадлежностей необходимы еще
постоянные ламинарные сопротивления и малогабаритный показы-
вающий прибор, который можно было бы подключить к любому
устройству, чтобы облегчить контроль и наблюдение за его рабо-
той.
86

8-3. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ БЛОКИ
В строительной технике метод «кирпич, известь» все больше
сменяется блочным или крупнопанельным строительством. То же
самое и в технике автоматизации.
В современной строительной технике выпускаются крупные па-
нели с готовыми монтажными деталями монтажа, а из них по точ-
но разработанному плану монтируются готовые здания. Этот способ
оправдал себя при строительстве как крупных, так и небольших со-
оружений.
В технике автоматизации берется монтажная плата, на ней мон-
тируются необходимые элементы, которые соединяются затем в мон-
тажном корпусе, и блок готов.
Ясно, что блочный принцип должен найти свое отражение
в монтажных схемах пневмоавтоматики, потому что отдельные мон-
тажные блоки являются готовыми деталями, также имеющими
в свою очередь монтажные схемы, которые можно удобно вписать
в общий план.
Ниже будут рассмотрены некоторые вычислительные блоки.
87

Основной вычислительный блок с Двумя мембранными системами
(четырехкамерная система)
Рассмотрим его некоторые особенности на примере жилой мно-
гокомнатной квартиры. При известных обстоятельствах в очень
большой квартире можно оставить одну комнату неиспользованной,
например ддя случая появления неожиданного гостя.
Пневматический мембранный вычислительный блок также тем
универсальнее, чем больше имеется в распоряжении мембранных
камер. И здесь, смотря по обстоятельствам, можно оставить ту
или другую камеру неиспользованной, потому что и у вычислитель-
88

ных элементов должны быть возможности резерва в смысле выпол-
нения дополнительных операций. Поэтому у самых простых вычисли-
тельных блоков делают две рабочих мембраны и четыре мембран-
ных камеры. Каждая мембранная камера имеет свой отдельный
вход, что соответствует в переносном смысле четырехкомнатной
квартире с изолированными комнатами.
Часто для удобства проживающих необходимо позаботиться о
том, чтобы четырехкомнатную квартиру можно было бы разделить
на две двухкомнатные. Позднее окажется, что с одной мембранной
камерой при определенных обстоятельствах можно сделать то же
самое.
Мембранные системы соединены друг с другом системой сопл,
с двумя соплами и двумя заслонками. Эта блочная единица, состо-
ящая из двух мембранных усилителей, дополняется регулируемым
делителем давления и показывающим прибором. Все элементы кре-
пятся на монтажной плате (панели) и тем самым объединяются в
прибор.
Соответствующая схема воспроизводит внутреннюю структуру
блока и иллюстрирует все его функции. Следует отметить, что к
блочным единицам в пневматике относится объединенный с пнев-
матическим сопротивлением так называемый /?С-элемент.
Двойной блок
Не все монтажные конструкции здания, сооружаемого по блоч-
ному принципу, бывают одинаковой величины, хотя это было бы
желательно с точки зрения массового промышленного производст-
ва. Очень сильное упрощение элементов могло бы неблагоприятно
сказаться на целесообразности и общем виде сооружаемого по
крупноблочному методу здания. Поэтому необходимо найти ком-
промиссное решение между целесообразностью, оформлением внеш-
него вида и технологией. Кроме того, необходимо предусмотреть
возможность широкой предварительной проверки функционирования
блоков перед монтажом. Например, панели, содержащие окна или
двери, должы быть в 2 раза больше, чем самые простые блоч-
ные единицы.
При применении блочного ме-
тода в пневмоавтоматике прихо-
дится сталкиваться с аналогичны-
ми проблемами. Если, с одной сто-
роны, для технологии массового
производства желательна широ-
кая унификация размеров, то, с
другой стороны, предъявляется
требование изготавливать отдель-
ные блоки с самого начала, как
законченные функциональные еди-
ницы. Особое преимущество этого
заключатся в том, что перед мон
тажом блоков в общую схему
можно проверить надежность
функционирования блока, что зна-
чительно облегчает отладку всего
устройства. Этим также облегча-
ются поиски неисправностей и
89

эксплуатация устройства. Плохр работающий блок можно легко за-
менить.
Пневматические вычислительные элементы низкого давления,
сочлененные с J^C-элементами, соответствуют монтажным двойным
панелям. Это прежде всего относится к вычислительным элементам,
работающим совместно с элементами времени. Как, правило, такое
сочленение бывает у интегрирующих и дифференцирующих элемен-
тов. Поэтому целесообразно обычную единицу мембраного усили-
теля и i^C-единицу совмещать на общей монтажной плате.
На предварительно смонтированные двойные блоки так же, как
на отдельные блоки, составляется схема включения, содержащая
обозначения примененных элементов. После этого может быть легко
составлена окончательная схема.
8-4. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ
Пневматические блоки для установок автоматизации можно при-
менять для решения различных задач, не изменяя их ооновного уст-
ройства.
Количество вариантов изменения схемы настолько велико, что
здесь невозможно дать их все. Поэтому будут приведены только
Таблица 2
Назва-
ние
блока
Схема прохождения
сигнала
Реализуемое
уравнение
Соединение функ-
циональных и монтаж-
ных элементов блока
Сумми-
рующий
блок
Я-эле-
мент
/-эле-
мент
PI- эле-
мент
PD-эле-
мент
Х1
1 *вых
Хвых~Х1 + Х*~Хг
[
W)dt
l— 3b 2—с A — a
5—d 6—e
1—9—6
A —a
3-7
2-е
8—d
1—2—11—10—с 3—13—6
4—1
6—d 5—e
1—3—13 b
A—a
6-c
2-11-10
b-d
1-13-6
A—a
3—11—10
5-c
90

некоторые типичные из них.
После приобретения небольшо-
го навыка, разработка и осу-
ществление последующих схем
почти не представляют ника-
кой трудности.
Для того чтобы постепен-
но перейти к разработке схем
автоматизации, рассмотрим ва-
рианты применения основных
блоков и включения их в схему.
1 2 3 f 5 6 789 10 111213
abccfefgh
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ДВОИЧНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
В двоичных вычислительных устройствах обрабатываются сиг-
валы, которые могут принимать только два значения: максимальное
и минимальное значения рабочего диапазона сигнала. При этом
усилители работают так же, как выключатели, которые могут быть
включены или выключены. Электрический выключатель, замыкаю-
щий и размыкающий электрическую цепь, также является дискрет-
ным устройством. Включение механизмов тоже осуществляется
обычно не вручную, а посредством дискретных сигналов.
Величины сигнала пневматических вычислительных устройств
низкого давления представляют собой или нулевое давление, или
давление 100 мм вод. ст.
При этом для обозначения «0» точное равенство давления, рав-
ное нулю или 100 мм вод. ст., не является существенным. Можно
условиться, что давления свыше 50 мм вод. ст. считаются наилуч-
шим сигналом, т. е. «1», который обозначен L, а давления ниже
50 мм вод. ст. следует рассматривать как нулевой сигнал.
Следовательно, вся область изменения сигналов делится на две
части, как сетка делит на две половины игровое поле теннисной
площадки. Небольшие колебания величины сигнала у двоичных вы-
числительных элементов вообще не играют роли. В этом заключает-
ся большое преимущество дискретных элементов по сравнению с вы-
числительными элементами, которые работают с аналоговыми вели-
чинами сигналов.
Большая часть всех действий, которые мы совершаем в повсе-
дневной жизни, носит двоичный характер. Когда мы включаем или
о
9-1. НУЖНЫ ЛИ ДВОИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ?
91

выключаем свет, радиоприемник и телевизор, открываем или за-
крываем дверь, то принятое решение всегда соответствует четкому
«Да» или «Нет». Такие решения принимаются часто после много-
численных логических размышлений, основывающихся на отдельных
двоичных решениях.
Логические решения приходится принимать и при автоматиза-
ции производственных процессов. Если задачу реализаций таких
решений перенести на установку автоматизации, то она должна
иметь в распоряжении соответствующие логические элементы.
Это можно легко пояснить на простом примере.
9-2. ПРЕДПОСЫЛКИ К АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОСТОГО
ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА
Расссмотрим в качестве примера решение задачи автоматизации
простого производственного процесса.
Предположим, что необходимо автоматизировать химический
реактора в котором нужно получить химическое соединение из двух
различных жидкостей. Так как установка автоматизации должна
выполнить частично работу,, которая возложена на занятых в про-
изводстве рабочих, то необходимо учесть, какие логические реше-
ния они должны принимать для правильного управления производ-
ством и какие ситуации необходима сохранять в памяти для даль-
нейшего управления. Первоначально в данном примере необходимо
две различные жидкости, которые находятся в запасных емкостях
Vi и Уг, перелить в дозирующие емкости Di и iD2 и здесь точно
измерить (дозировать). Затем точно дозированные жидкости слить
в смеситель М, в котором потом должно происходить соединение
обоих веществ под влиянием давления и температуры. Но прежде
необходимо проанализировать ход производственного процесса до
смешивания обоих жидкостей, и здесь мы познакомимся с самыми
важными обстоятельствами, играющими боль-
шую роль в работе дискретных устройств.
Рабочему, который должен управлять
процессом смешивания, необходимо внача-
ле убедиться в том, что количества жидко-
стей в запасных емкостях хватает для даль-
нейшего ведения процесса. Если это так, то
он откроет оба впускных клапана и откроет
доступ жидкости в дозирующие емкости.
При этом он будет постоянно наблюдать за
уровнем жидкостей в дозирующих емкостях
и закроет клапаны, как только будет до-
стигнут заданный уровень жидкостей. Оче-
видно, что при управлении этим процессом
можно обойтись двумя положениями кла-
панов: клапаны открыты, если происходит
дозировка, или закрыты, если процесс дози-
рования окончен. Клапаны управляются
только приказами «открыто» или «закрыто»,
т. е. работают двоично, реагируя только на
сигналы L и 0, причем можно заранее усло-
виться, что сигнал L будет означать «кла-
пан открыть», а сигнал 0—«клапан закрыть».
92

Если наблюдать за рабочим во время процесса дозирований,
то выяснится, что он постоянно измеряет уровень жидкости и толь-
ко в том случае, если достигнут заданный уровень, перекрывает
клапан.
До сих пор рабочему приходилось осуществлять наиболее про-
стые операции без необходимости вести сложные подсчеты. В даль-
нейшем ему придется провести ряд логических размышлений. На-
пример, логично, что правильное соотношение смешивания может
быть достигнуто только в том случае, если емкости D\ и iD2 напол-
нены до заданного уровня, так как без этого резервуар смешивания
нельзя заполнять ни в коем случае. После дальнейшего размыш-
ления рабочий придет к выводу, что емкость смешивания можно
заполнять только, тогда, когда она пустая и закрыт спускной
клапан. Следовательно, решение, можно ли заполнять емкость
смешивания, зависит от четырех логических условий, а «именно:
1) емкость Di должна быть дозирована до заданного уров-
ня;
2) емкость D2 должна быть дозирована до заданного уровня;
3) емкость смешивания должна быть пустой;
4) спускной клапан должен быть закрыт.
Если устройству автоматизации приходится управлять таким
процессом, то оно должно быть оснащено элементами, которые
в состоянии принимать аналогичные логические решения. В данном
случае в качестве логического элемента был бы необходим так на-
зываемый элемент И — элемент с четырьмя входами.
Предположим, что контроль уровня жидкости в дозирующих
емкостях невозможен. Однако давление в трубопроводе подачи
жидкости в емкость все время постоянное, так что после открытия
впускного клапана в нее всегда поступает одинаковое количество
жидкости в единицу времени. Поэтому время открытия впускных
клапанов может служить мерой количества, следовательно, вместо
высоты наполнения можно измерять время, т. е. рабочий мог бы
одновременно с открытием клапана включить секундомер и после
определенного времени закрыть клапан, зная, что емкость напол-
нилась до определенного уровня.
В устройстве автоматики для управления процессом дозирова-
ния количества жидкости в единицу времени необходим переклю-
чающий элемент времени. Он должен оохранять отданный приказ,
например «впускной клапан открыть»* в течение точно определенно-
го времени, а после прохождения заданного времени восстанавли-
вать прежнее состояние «впускной клапан закрыт».
Элемент, который определенное время помнит отданный приказ,
представляет собой вид запоминающего накопителя — ячейку памя-
ти. Но так как величина запоминается только определенное время,
назовем такой элемент «ячейкой памяти времени».
Рабочий, управляющий процессом смешивания, должен все вре-
мя пользоваться своей памятью. Во время дозирования он держит
клапан притока открытым до тех пор, пока не поступит правильное
количество жидкости, т. е. приказ «клапан открыть» сохраняется
в его памяти, пока не будет, достигнут заданный уровень.
Установка автоматизации тоже должна иметь соответствующие
элементы, запоминающие отдельный приказ до тех пор, пока не
поступит сообщение о выполнении приказа.
Даже при очень простом процессе смешивания двух жидко-
стей необходима память для того, чтобы впускной и сливной кла-
93

паны открывать или закрывать точно в определенное время. Поэто-
му устройства, запоминающие кратковременный сигнал до тех нор,
пока не поступит сигнал так называемого «стирания», т. е. «сброса»,
играют решающую роль в технике автоматизации.
Имеется несколько групп элементов, работающих с двоичными
величинами и почти всегда встречающихся в большинстве установок
автоматизации. К ним относятся следующие элементы.
Коммутирующие элементы, осуществляющие пере-
ключение после достижения некоторыми величинами L
их предельных значений. -6-QE5-*»-
К этой группе относятся прежде всего вычисли-
тельные элементы, в которые вводится аналоговая величина. Если
она достигла заданного предельного значения, то на выходе решаю-
щего усилителя появляется сигнал. С помощью коммутирующих
элементов создается возможность перехода от аналоговых сигналов
к двоичным.
Логические элементы, оперирующие с входными
двоичными сигналами, принимающие простые, фор- —£\
мально логические решения. Типичными логическими
элементами являются элементы И, которые имеют
несколько входов. Выходной сигнал L появляется ^
только в том случае, если все входные сигналы, на- ^Zty~
пример Xi и Хг, имеют максимальную величину. ^
Элементы ИЛИ формируют выходной сигнал
только в том случае, если одна из входных величин «Уу)-
равна L. Для двухвходового элемента достаточно, v-'
если Xi или Хг принимает величину L.
Элементы памяти. К ним относятся элементы,
которые запоминают двоичную величину точно опре-
деленное время. В электротехнике к таким элемен-
там памяти времени относятся электрические реле, задерживающие
притяжение или отпускание контактов, т. е. реле времени.
Особенно важны ячейки памяти, запоминающие кратковремен-
ные двоичные сигналы до тех пор, пока не поступит сигнал стира-
ния памяти, после чего создается возможность для запоминания сле-
дующего сигнала.
С помощью этих элементов можно проектировать простые
устройства автоматизации. Покажем это на примере смешивания
жидкостей.
9-3. ПРИМЕРЫ СХЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
Остановимся на уже известном нам процессе дозирования и
смешивания двух жидкостей. При этом сначала ограничимся дози-
рованием одной жидкости, затем перейдем к дозированию второй
жидкости.
Будем исходить из того, что дозирование и смешивание прежде
осуществлялось рабочим оператором вручную, который воздейство-
вал на впускные и выпускные клапаны.
В нашем примере клапаны оборудованы пневмоприводами, уп-
равляемыми с помощью кнопок.
Однако управление кнопками можно поручить запоминающему
элементу, который кратковременный приказ запоминает до тех пор,
пока он не будет снят.
94

Первый приказ, а именно «клала» открыть», можно отменить
непродолжительным нажатием, на вторую кнопку, которая сотрет
память, после чего клапан закроется.
Однако, если рабочий по какой-либо причине забудет своевре-
менно нажать на кнопку стирания памяти, то может испортиться
продукция целого дня, в связи с чем первая попытка в области авто-
матизации обошлась бы очень дорого.
Поэтому сделаем следующий шаг и смонтируем измерительный
прибор, который постоянно измеряет уровень наполнения резервуара
и при достижении определенной величины создает дискретный сиг-
нал переключения. © качестве чувствительного элемента при изме-
рении уровня жидкости мог бы служить поплавок (давление столба
жидкости на основание резервуара также является мерой уровня
наполнения), а в качестве дискретного выключателя можно приме-
нить систему сопло — заслонка.
Теперь дискретный сигнал переключателя можно использовать
для того, чтобы стирать память. Это является уже решающим ша-
гом по пути автоматизации, потому что построен так называемый
контур отключения. Установка выключается в этом случае сама и
поэтому не зависит больше от недостатков и ошибок обслуживаю-
щего персонала.
Следующим шагом будет применение такого же контура отклю-
чения для опорожнения дозирующей емкости в смеситель. После
правильного дозирования и закры- ф ..
95

ния открыть». Если дозирующая емкость почти опорожнена, т. е.
уровень жидкости достиг определенной нижней границы, то эле-
мент переключения подает сигнал стирания памяти. Поскольку до-
зирующий резервуар опорожнен до заданной величины, клапан сме-
шивания закрывается без участия рабочего.
Наконец, этот способ можно применить и для опорожнения
смесителя, чтобы облегчить спуск смешанного продукта.
Для приготовления жидкостной смеси необходимо взять вторую
дозирующую емкость для другой жидкости. Для управления будут
применяться те же элементы, которые были предусмотрены для до-
зирования и опорожнения первой жидкости.
Наконец, можно сделать еще одно небольшое упрощение и
сигналы, вызываемые нажатием кнопки, одновременно подвести
к соответствующему запоминающему элементу.
Теперь достигнуто такое положение, что рабочий во время про-
хождения процесса смешивания должен отдавать только три при-
каза нажатием на соответствующую кнопку. С помощью первой
кнопки включается процесс дозирования и ее обозначают надписью
«дозирование». Нажатие на вторую кнопку с обозначением «сме-
шивание» включает наполнение смесителя и, наконец, с помощью
третьей кнопки с обозначением «опорожнение» начинается спуск
смешанного продукта.
Однако право принимать формаль-
но логические решения по-прежнему
предоставлено оператору. Он осуще-
г™ ~ ствляет это следующим образом.
шдозирооание M^^i После отдачи стартового сигнала
\ • l^&j «дозирование» необходимо подождать,
пока правильно наполнятся дозирующие
емкости Di и D2. До нажатия кнопки
«смешивание» он должен убедиться в
том, что смеситель пустой. Если это
так, то включению процесса смешивания
ничто не мешает.
{Смешивание
Опорожнение
96

Так как принимаемое формально-логическое решение очень
простое, можно установить логический элемент, который подает при
выполнении условий двоичный сигнал. Так как приходится выпол-
нять несколько И-условий, а именно емкость Di заполнена, емкость
D2 заполнена и емкость D3 пустая, то необходим логический эле-
мент с тремя входами, на выходе которого будет сигнал L, если
соответствующие условия выполнены. Так как включение соответ-
ствующего сигнала обеспечивается И-элементом, то кнопка «сме-
шивание» не нужна. Теперь установка контролируется и управля-
ется автоматически стартовым сигналом до заполнения смесителя и
удерживает готовый смешанный продукт,
который спускается после нажатия кноп-
ки «опорожнение».
Если смешанный продукт должен
выдаваться сразу после смешивания, то
решение о необходимости подачи сигнала «опорожнение» можно
тоже передать логическому элементу. При этом необходимо опреде-
лить условия этого решения.
Процесс смешивания заканчивается в том случае, если дози-
рующие емкости Di и D2 пустые. Поэтому в качестве логического эле-
мента можно взять И-элемент с двумя входами, который после одно-
временного выполнения новых условий
подаст сигнал, включающий опорожне-
ние смесителя. Остается только старто-
вая кнопка. Все остальное осуществля-
ется автоматически.
Если процесс непрерывного дозирования и смешивания дол-
жен протекать по возможности в течение короткого времени, то
7—180 97

можно дозировать жидкости во время спуска продукта предыду-
щего периода смешивания. Поэтому сигнал начала дозирования
можно подавать одновременно с сигналом опорожнения конечного
продукта. В этом случае процесс дозирования и смешивания осу-
ществляется периодически, т. е. не только в самое короткое время,
но и с более высокой точностью и надежностью.
9-4. УНИФИКАЦИЯ ДИСКРЕТНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕМЕНТОВ
ПНЕВМОАВТОМАТИКИ
Возвращаясь к проблемам аппаратурной реализации схем пнев-
моавтоматики, мы видим, что для этого необходимо создать сис-
тему средств автоматизации, причем в средства входят как дис-
кретные, так и аналоговые элементы.
Технические требования, предъявляемые к дискретным вычис-
лительным элементам, значительно ниже требований к аналоговым
вычислительным элементам. Поэтому аналоговые вычислительные
элементы, как правило, часто применяются как дискретные. По этой
же причине не все дискретные элементы можно применять как ана-
логовые.
Следовательно, при разработке устройств автоматизации целе-
сообразно разработать дешевую и надежную комбинированную си-
стему элементов таким образом, чтобы с ее помощью можно было
выполнять и дискретные и аналоговые операции. Далее мы рассмо-
трим некоторые «схемы элементов пневмоавтоматики.
9-5. СХЕМЫ ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
П Н ЕВМОАВТОМАТИ КИ
Как мы уже говорили, дискретные элементы по своей конструк-
ции идентичны аналоговым элементам низкого давления. Однако
есть и существенные различия в схемах, которые будут приведены
ниже.
98

Начнем с блок-схемы устройства .переключения.
Аналоговая величина Хвх сравнивается с относительной величи-
ной W. Поскольку Хвх меньше W, выходной сигнал Хвых = 0. Но
если Хвх больше W, то на выходе появляется сигнал L.
Технически это легко осуществимо. В обычном мембранном уси-
лителе давления Хвх и W задаются в противоположные камеры.
w н
W
Для схемы с обратным действием достаточно поменять местами
вводы сигналов Хвх и W в мембранную систему. В блок-схеме так-
же делается перестановка обозначений или на выходе устанавлива-
ется так называемый элемент «НЕТ», который более четко выделя-
ет место смены знака сигнала. Более подробно элемент «НЕТ» рас-
сматривается ниже.
9-6. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Элемент НЕТ
Еще раз вернемся к вышерассмотренному процессу дозирования.
Если впускной клапан открыт, то спускной клапан должен быть за-
крыт. И наоборот, впускной клапан должен быть закрыт, если от-
крыт спускной клапан. Хотя оба клапана управляются одной и той
же величиной, т. е. уровнем наполнения емкости, но результаты их
действий противоположны. В обоих контурах отключения работа
клапанов осуществляется с помощью элемента НЕТ, у которого на
выходе 0, если на входе IL. И наоборот, на выходе \L, если на вхо-
де 0. Место инвертирования сигналов обозначается на блок-схеме
точкой.
В техническом отношении элемент НЕТ аналогичен ранее рас-
смотренному переключателю с обратным действием. Существует
лишь небольшое различие. Относительная величина в переключаю-
щем элементе обозначают буквенно, в данном случае W, чтобы от-
метить, что она как определяющая точку переключения переменная.
Если такой элемент применять в качестве элемента НЕТ, то
относительная величина устанавливается приблизительно равной
50 мм вод. ст., потому что она должна по возможности находиться
в середине рабочего диапазона давлений.
7*
99

Элемент И
Элемент И имеет по меньшей мере два входа, но может
иметь и несколько входов. Выходной сигнал равен L в том случае,
если все входные сигналы тоже равны L. Рассмотрим элемент И
с двумя входами.
Элемент И можно реализовать, например, с помощью пневма-
тического мембранного усилителя низкого давления. При этом вход-
ные величины Xi и Х2 подаются в положительные камеры двухмем-
бранного усилителя, а относительная величина ро и давление пита-
ния Н соответственно * направляются в отрицательные мембранные
камеры. Если #=ilG0 мм вод. ст. и /?о=50 мм вод. ст., то сопло
закрывается заслонкой только в том случае, если Xi и Х2 состав-
ляют 100 мм вод. ст. Иначе ховоря, выходная величина Х& равна L
только в том случае, если Хх и Хг тоже равны L.
Если давление питания через два одинаковых сопротивления
делить пополам и подавать в решающий усилитель в качестве ро,
то повысится функциональная надежность прибора, так как в этом
случае не будут сказываться колебания
давления питания. Эта схема наряду с вы-
сокой функциональной точностью имеет еще
то преимущество, что ее можно легко пре-
образовать в элемент ИЛИ, как будет
показано ниже.
Р0 *
*2
Хвых

BbiX
Элемент ИЛИ
Из приведенного выше примера ясно,
что закрытую емкость можно заполнить
жидкостью только в том случае, если из
нее удаляется воздух. И наоборот, ту же
емкость нельзя опорожнять, если в нее не
может поступать воздух. Поэтому в зави-
симости от того, заполняется или опоро-
жняется емкость, из нее должен отводиться
или в нее «подаваться воздух с помощью
воздушного клапана. Клапан нужно от-
крыть, если подается сигнал «емкость на-
полнить» или сигнал «емкость опорожнить».
Следовательно, необходим элемент ИЛИ
с двумя входами.
Выходной сигнал равен L, если на одном
или другом входе имеет место сигнал L. В отличие от элементов И
блок-схема ИЛИ имеет,другое изображение.
Между пневматическими элементами И и ИЛИ в конструктив-
ном отношении не существует никаких различий,. а различия
в схемах очень незначительны. На схеме ИЛИ исключен ввод дав-
ления питания в отрицательную камеру мембранной системы. Дели-
тель давления делает равными относительное давление ро, действую-
щее в отрицательной мембранной камере, половине давления Н.
Поэтому. при давлении питания 100 мм вод. ст. ро=50 мм
вод. ст., а при давлении питания 120 мм вод. ст. р0 устанавлива-
ется на ©0 мм вод. ст. Так как сигнал L—H, то элемент нормально
функционирует и при колебании давления питания. Так как через
оба входа Х\ и Хг при сигнале L в соответствующую мембранную
камеру подается давление 100 мм вод. ст.,
то каждый сигнал, преодолевая относи-
мы! тельное давление ро, прижимает заслонку
к соплу, в результате на выходе появляет-
ся сигнал L.
*1
Xf х2
вых
101

Инерционные элементы времени (с малой постоянной
времени)
Если нужно на определенное время запомнить сигнал, то необ-
ходимо иметь элемент, который в состоянии измерять время. Для
этого не нужны сложные часы. Домохозяйка, например, пользуется
на практике так называемыми песочными часами. Принцип, исполь-
зуемый в песочных часах, может оказать помощь и при решении
других задач автоматики. Если рассмо-
треть подробное устройство таких часов,
то мы увидим, что в песочных часах
имеется «накопитель», содержащий мел-
кий песок, который во время работы пе-
ретекает через сопротивление в-другой
накопитель. Таким образом, домохозяй-
ка использует для измерения времени
при варке пищи /?С-элемент.
В автоматике так же часто приходится измерять промежуток
времени в несколько секунд или минут. В этом случае цель также
достигается с помощью iftC-элементов, применяющихся в качестве
инерционных элементов времени.
Если к емкости присоединить регулируемое сопротивление, то
время определенного наполнения емкости можно изменять в боль-
ших пределах. Следовательно, «воздушные» часы можно хорошо
приспосабливать к любым условиям.
Если создать пневматический элемент времени — реле времени,
то воздух к переключателю подают через сопротивление R в емкость
Аккуму-
лятор С
Сопротив-
ление R
С. Если давление в емкости д'остигло определенной величины, кото-
рая на блок-схеме и на схеме прибора обозначается W, переключа-
тель срабатывает и на -выходе появляется дискретный сигнал Хъых,
Подробную блок-схему реле времени можно заменить простой и
наглядной, похожей на обычные часы с двумя стрелками. Из схемы
переключателя с точкой срабатывания W можно легко получить
схему реле времени, который запоминает, сигнал на определенное
время и затем стирает его.
102

Многообразие часов зависит от разносторонних требований, ко-
торые предъявляются к приборам измерения времени.
Для непродолжительных и часто повторяющихся измерений вре-
мени пригодны секундомеры, которые можно пускать, останавливать
3sCa 1
Ро л
вых
и возвращать в исходное положение соответствующим нажатием на
кнопку. В технике автоматизации также должна быть возможность
быстрого возврата часов в исходное состояние. Реле времени, ко-
торое снабжено пневматическим i^C-элементом. после быстрой раз-
рядки накопителя сразу возвра-
щается в исходное положение. По-
этому за сопротивлением /?С-эле-
мента можно установить выпуск-
ной дроссель, срабатывающий в том
случае, если «часы» нужно вернуть
в исходное положение и зафикси-
ровать. В качестве выпускного
дросселя можно применить обыч-
ный пневматический мембранный
усилитель, и тогда приказ «исход-
ное положение» будет зависеть от
двоичного сигнала А.
Ячейка памяти
В правилах внутреннего распорядка предприятия точно опреде-
лены не только начало и конец работы, а и перерыв на обед. Одна-
ко измерение времени не предоставляется каждому отдельному сот-
руднику, а за него это делает установка, сигнализирующая начало
и конец определенного рабочего периода. В этом случае сотрудни-
ки освобождены от обременительного измерения времени и могут
спокойно работать, пока не раздастся сигнал.
Для этого необходимо устройство, которое запоминает сигнал
«рабочее время» до тех пор, пока не придет сигнал «конец рабочего
времени». У каждого человека таких запоминающих устройств много
и они являются не чем иным, как клетками памяти.
Устройство автоматизации тоже должно иметь «ячейки памяти»,
которые реагируют на подаваемые им сигналы. При этом постоянно
приходится заботиться о своевременной подаче сигнала.
103

f5© Хвыя
*1
В ранее рассмотренном процессе смешивания кратковременный
дискретный сигнал, вызванный непродолжительным нажатием на
кнопку, открывает клапан до тех пор, пока его не закроет другой
дискретный сигнал.
Для приборной реализации элемента
памяти необходим двухмем-бранный решаю-
щий усилитель с положительной обратной
связью. Выходная величина ХЪЫх подклю-
чается при этом к одной из положительных
мембранных камер.
Процесс запоминания дискретного сиг-
нала осуществляется следующим образом.
Давления Xi и Х2у а также Хвых — дис-
кретные величины L или 0. Относительное
давление ро составляет 50 мм вод. ст. Так
как сигнал L соответствует давлению
100 мм вод. ст., заслонка закрывает сопло,
если Xi—100 мм вод. ст. В результате это-
го увеличивается ХЪых до 100 мм вод. ст.
При наличии положительной обратной связи
оно действует в том же направлении, как Xit
k о
вых
1с4

и еще сильнее Прижимает заслонку к соплу. Сопло остаётся за-
крытым и в том случае, если Xi=0, потому что положительная об-
ратная связь 100 мм вод. ст. воздействует на заслонку в 2 раза
сильнее, чем ро, равное 50 мм вод. ст.
Но если Яг =100 мм вод. ст., то преобладает давление ро. За-
слонка открывает сопло, давление положительной обратной связи
исчезает, а Хвых равно-0, если Х2=0.
Следовательно, Хг соответствует приказу «запоминать», ф а Х2
приказу «гасить» или, если это относится к рабочему времени пред-
приятия, Xi соответствует сипналу «начало работы», а Х2 сигналу
«конец работы».
9-7. НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕРЫ ДИСКРЕТНЫХ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
В предыдущих главах была проведена аналогия между основ-
ными монтажными единицами, составленными из отдельных элемен-
тов, и основными блоками крупно-
блочного строительства. Основные
блоки, которые применялись для
осуществления аналоговых вычис-
лительных операций, используются
и для решения дискретных задач.
В табл. 3 приведен пример
применения схемы двойного блока
в зависимости от блок-схем дис-
кретных устройств. Это позволяет
читать «монтажные схемы» круп-
ных установок автоматизации или
даже разрабатывать их самим.
Таблица 3
1 23 $ 56 789
а Ь с й е f g h
10 111213
mm
Название блока / Схема прохождения сигнала
Соединения
Блок переклю-
чателя
Блок И
Блок ИЛИ
Ячейка памяти
Датчик импуль-
сов
w
1
*8ых
l
О
\—Ь 2-
4 — а
-с 3—d
1—2—d 3-е
4—а 5—£ £—f
\—Ъ 2—d 3—с
А—а Б—е
1—2—6 3—с
-d Ъ—е 4—а
1—2—13—& 3—6—11—10
4—л 5-е
12—0
105

ГЛАВА дёсятАй
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
10-1. ПЕРЕХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Во время телефонного разговора носителем информации являет-
ся потенциал тока, сила которого мала. С помощью этой силы нель-
зя запустить мощный электромотор.. Следовательно, потенциал мощ-
ности разговорного тока необходимо усилить.
Подобно этому у вычислительных устройств пневмоавтоматики,
управляющих пневматическими наполнительными .механизмами, пря-
мой переход от маломощного вычислительного устройства к испол-
нительному механизму, являющемуся крупным потребителем мощ-
ности, невозможен.
Чтобы разгрузить вычислительное устройство, необходимо меж-
ду ним и исполнительным механизмом включить мощный усилитель-
ный каскад.
Усиление давления можно осуществить с помощью сопротивле-
ния делителя давления, включенного в канал обратной связи уси-
лителя. К сожалению, этот удобный путь здесь неприменим, потому
что у ламинарных сопротивлений в рабочем диапазоне давления до
1 кгс/см2 очень" велики ошибки из-за сжимаемости.
Вместо ослабления обратной связи с помощью сопротивлений
необходимо попытаться получить ослабленную противосилу путем
применения малых мембран или соответствующей рычажной пере-
дачи. Если воспользоваться обеими возможностями одновременно,
то можно уменьшить эффективную площадь мембраны, создающей
противосилу, приблизительно на одну десятую и ввести дополнитель-
ное соотношение рычага приблизительно 1 : 10, в результате полу-
чится усиление 1 : 100.
Преимущество этого метода решения заключается в том, что
можно сделать редуктор давления 100:1, изменив схему усилителя
давления 1 : 100. Это необходимо для создания перехода к обычно-
му в настоящее время диапазону изменения сигнала 0,2—1 кгс/см2.
Усилители являются связующим звеном между пневматическими си-
стемами различных диапазонов изменения сигнала.
106

10-2. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Исполнительные механизмы являются в определенной степени
«мышцами» установок автоматизации, потому что их задачи состо-
ят в том, чтобы выполнять «приказы», отданные «мозгом», в ка-
честве которого применяются вычислительные устройства. Для того
чтобы преодолеть все возникающие при
этом препятствия, исполнительные механиз-
мы должны быть достаточно мощными.
В конце концов все задачи автоматиза-
ции процессов сводятся, как правило,
к управлению клапанами, которые в свою
очередь управляют расходом газа или жид-
кости в трубопроводах подачи или приема
сырья.
Исполнительные механизмы в принци-
пе выполняют такую же задачу, как домо-
хозяйка, которая открывает и закрывает
водопроводный кран. Так как при этом
конус клапана, который управляет испол-
нительным механизмом расхода воды, не-
значительно отходит от седла, то во многих
случаях имеют место большие установоч-
ные силы при малых движениях поршня.
Из-за простоты конструкции и надежности в пневматике в пер-
вую очередь применяются мембранные приводы, принцип действия
которых аналогичен принципу действия простых мембранных уси-
лителей. Управляющее давление р воздействует на мощную резино-
вую мембрану, которая приводит в движение тело клапана через
шток. Противодействующая пружина обеспечивает соответствие сме-
щения штока воздействующему на мембрану давлению. Это позво-
ляет более точно устанавливать величины расхода.

К сожалению, многие причины, например трение в сальнике
штока клапана и противодавление проходящей по трубопроводу сре-
ды, вызывают ошибки в согласовании управляющего давления и по-
ложения клапана. Если эти возмущающие воздействия очень велики,
то приходится прибегать к средствам принудительного согласования
положения клапана и управляющего давления.
Эт9 достигается промежуточным усилителем, выполняющим роль
координатора положения, который называют позиционером.
В системах пневмоавтоматики низкого давления выходной сиг-
нал вычислительных устройств подводят непосредственно к испол-
нительному элементу и здесь «с помощью усилителя давления пере-
ходят на давление управления. Затем усиленный сигнал подается
в промежуточный усилитель, действующий в качестве позиционера,
который приводит в движение шток клапана.
10-3. МОНТАЖНЫЕ ДЕТАЛИ
Для изготовления комплексных устройств необходимы монтаж-
ные каркасы, на которых крепятся монтажные панели нескольких
вычислительных блоков.
Вычислительные блоки соединяются между собой полиэтилено-
108

выми шлангами, которые надеваются на соответствующие штуцера
При этом нет необходимости предохранения мест подключения oi
непреднамеренного отсоединения шлангов или от -разгерметизации.
Силы давления сигналов низкого давления настолько малы, что
в местах соединения не возникает никаких нарушений.
Как в биологии мозг расположен в хорошо защищеииим месте,
так и «мозг» автоматизации нужно по возможности расположить
внутри так называемого пульта управления.
Теперь необходимо лишь позаботиться о том, чтобы ведущие
от «мозга» трубопроводы проложить к измерительным и исполни-
тельным элементам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Во время разработки, изготовления, монтажа и наладки систе-
мы автоматизации может вкрасться не одна ошибка.
Они могут появиться и у инженеров-проектантов и у чертежни-
цы при изготовлении монтажного плана. Может допустить ошибку
и механик по монтажу и, наконец, контролер приборов.
Если все вышеуказанные ошибки устранены, то нужно точно
установить отдельные величины настройки, чтобы достичь оптиму-
ма работы системы. Например, установить выдержку времени, до-
полнительное время регулирования и т. п.
Но и у хорошо проверенной установки могут появиться поме-
хи, которые выведут ее из строя. Для выявления причин неисправ-
ностей необходимо хорошо знать устройство системы автоматизации
и практические методы устранения неисправностей.
И если эта книга окажет небольшую помощь при решении этих
трудных и увлекательных задач, то значит она выполнила свое
назначение.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию 3
Глава первая. Общие положения 4
1-1. Некоторые свойства воздуха . 4
1-2. Сжимаемость воздуха 5
1-3. Влияние земного притяжения 6
1-4. Высота падения и перепад давления 7
1-5. Пневмосопротивление 8
1-6. Энергия движения воздуха (скоростной напор) . . 9
1-7. Взаимосвязь потенциальной и кинетической энергии
частиц воздуха .... Ю
1-8. Влияние температуры на объем воздуха .... 13
1-9. Зависимость температуры от сжатия воздуха . . . 13
1-10. Влияние влажности воздуха -. 14
1-11. Вязкость воздуха 15
1-12. Внутреннее трение — причина вязкости . , . . . 16
1-13. Ламинарное (слоистое) течение 18
1-14. Об условиях возникновения турбулентных и ламинар-
ных течений 19
Влияние перепада давления 19
Влияние длины канала 19
1-15. Свойства свободной струи воздуха 20
1-16. Свойства потока воздуха, направленного к плоскости 22
Глава вторая. Сопоставление электротехники и пневма-
тики низкого давления 23
2-1. Закон Ома в пневматике низкого давления ... 23
2-2. Сопоставление единиц измерения ...... 24
2-3. Расчет ламинарных сопротивлений 26
2-4. Теоремы Кирхгофа 27
2-5. Последовательное включение пневмосопротивлений . 28
2-6. Параллельное включение пневмосопротивлений . . 29
2-7. Влияние температуры на ламинарные сопротивления 29
2-8. Емкости (аккумуляторы) 31
2-9. Элементы сопротивление — емкость (;/?С-элементы) . 32
Глава третья. Измерение величин пневматики низкого
давления 34
3-1. Измерение давления (избыточного давления, низкого
давления, дифференциального давления) .... 35
3-2. Измерение объема воздуха 36
3-3. Измерение расхода воздуха Q 37
3-4. Измерение ламинарных сопротивлений .... 38
ПО

3-5. Измерение ёмкости 39
3-6. Измерение сопротивлений и емкостей #С-элементами 39
3-7. Использование элементов пневматики низкого давле-
ния для пояснения некоторых положений электротех-
ники 40
3-8. Взаимосвязь пневмоавтоматики и электроавтоматики 41
Глава четвертая. Основные элементы пневматических
приборов 42
4-1. Усилители давления 42
4-2. Каскады 43
4-3. Система сопло — заслонка 44
4-4. Каскадная система с эжекторным входным дросселем 47
4-5. Мембранные системы 48
4-6. Сила мембраны 49
4-7. Эффективная площадь мембраны 49
4-8. Влияние эластичных свойств мембран 50
4-9. Усилитель давления как основной элемент в схемах
пневмоавтоматики 51
4-10. Отрицательная обратная связь . 52
4-11. Схемы делителя давления 54
Глава пятая. Вычислительные схемы " 55
5-1. Вычислительные элементы 55
5-2. Элементы и их обозначения 56
5-3. Суммирующие элементы 58
5-4. Пропорциональный усилитель (Р-элемент) ... 59
5-5. Элемент интегрирования (/-элемент) 60
5-6. Пропорционально-интегральные элементы (Р/-эле-
менты) 62
5-7. Элементы упреждения (PD-элементы) .... 63
5-8. Элементы умножения 64
5-9. Ламинарные сопротивления для высоких давлений . 69
Глава шестая. Функциональные элементы системы низко-
го давления для устройств автоматизации ..... 72
Глава седьмая. Измерительные устройства и измери-
тельные преобразователи 74
7-1. Прямой измерительный преобразователь .... 75
7-2. Измерение давления воздуха и газа 76
7-3. Простейшие измерительные преобразователи ... 78
Пневмоэлектрический преобразователь ..... 78
Пневматический преобразователь числа оборотов . . 80
7-4. Комбинированные измерительные преобразователи . 81
Глава восьмая. Аналоговые вычислительные элементы 83
8-1. Для чего вычисление? 84
8-2. Элементы аналоговых вычислительных устройств . . 86
8-3. Вычислительные блоки 87
Основной вычислительный блок с двумя мембранными
системами (четырехкамерная система) .... 88
Двойной блок 89
8-4. Примеры применения аналоговых вычислительных
блоков 90
111

Глава д е в я т а я. Двоичные вычислительные устройства . 91
9-1. Нужны ли двоичные элементы? 91
9-2. Предпосылки к автоматизации простого производ-
ственного процесса 92
9-3. Примеры схем автоматизации 94
9-4. Унификация дискретных систем элементов пневмо-
автоматики 98
9-5. Схемы дискретных элементов пневмоавтоматики . . 98
9-6. Логические элементы 99
9-7. Некоторые примеры дискретных вычислительных
устройств 105
Глава десятая. Дополнительные приборы 106
10-1 Переходные элементы 106
10-2. Пневматические исполнительные механизмы . . . 107
10-3. Монтажные детали 108
Заключение 109