Пневматические логические элементы

Пневматические (струйные) логические элементы. В основу работы струйных логических элементов управления положены три аэродинамических эффекта: соударения струй, свойства струи газа изменять направление из-за прилипания к расположенной вблизи твердой стенке (эффект Команда) и турбулизации ламинарного потока в результате внешних возмущений. Струйный элемент первого типа содержит входное питающее сопло 1, приемный канал 2, выходной канал 3 и сопло управления 4. При отсутствии управляющего сигнала входная струя Рвк, распространяясь прямолинейно, формирует на выходе сигнал Рвых. При воздействии управляющего сигнала Рупр струя из питающего сопла изменяет свое направление, попадая в приемный канал и образуя на 
выходе сигнал Рвых. Струйные элементы второго типа используют эффект Коанда, суть которого заключается в том, что свободная струя 1 с давлением Рвх, вытекая из сопла , увлекает за собой частицы окружающего газа (воздуха) и образует вторичное течение 2 на периферии струи. 352  
При отсутствии вблизи струи препятствий она не меняет своего направления, и давления Рвых и Рвт по всей области остаются постоянными. Если же вблизи струи поместить твердое препятствие, стенку 3, то поперечное сечение вторичного течения уменьшается с увеличением его скорости и уменьшением статистического давления, в результате чего струя отклоняется к стенке, и в объеме 4 между струей и стенкой образуется циркулярная область с высокой скоростью вторичного течения и малым давлением Рвт. Если в эту область ввести канал управления 5 с давлением РуПр. то ее объем будет увеличиваться, а зона прилипания струи к стенке b станет смещаться по течению струи. Струйные элементы третьего типа, использующие эффект турбулизации ламинарной струи, функционируют следующим образом . Если по относительно длинному гладкому каналу 1 подается поток в давлением Рвх> то ламинарная струя, вытекающая из сопла, на некотором расстоянии / от него переходит в турбулентную, при этом длина участка / уменьшается в результате возмущающего воздействия управляющего сигнала РуПр, подаваемого из сопла управления 2. При достижении приемного канала 3 ламинарной струей в нем формируется давление Рвых, если же приемного канала достигает турбулентный поток, то выходное давление резко падает. 
Сочетание различных струйных элементов позволяет строить логические управляющие устройства. Отечественная промышленность серийно выпускает комплект струйных элементов "Волга", состоящий из набора функциональных, периферийных и вспомогательных устройств, имеющих одинаковые габаритные размеры и стандартные цоколи. Питание струйных элементов производится от общего коллектора или через индивидуальные фильтры. Рекомендуемый диапазон давлений питания 4- ЮкПа. 
При повышенных требованиях к силовым и динамическим характеристикам ПР, работающих в тяжелых внешних условиях, можно применять унифицированные гидравлические аналоговые и дискретные элементы, состоящие из решающих гидравлических усилителей, механогидравлических преобразователей, стабилизаторов давления, гидравлических емкостей, гидравлических реле и тумблеров. Диапазон питающего давления рабочей жидкости в этом случае 1,6-16 МПа.

СТРУЙНАЯ  ТЕХНИКА пневмогидроавтоматика, область автоматики, основанная на использовании взаимодействия струй жидкости или газа. Струйная техника аналогична электронике в отношении как основных принципов построения, так и практического применения. Устройства и системы струйной техники не имеют подвижных деталей и используются в компьютерах, насосах аппаратов искусственного кровообращения, системах управления ракет, подводных лодок, металлорежущих станков и т.п. Струйные элементы работают на малых перепадах давления (порядка килопаскалей). Струйные элементы. В устройствах пневмогидроавтоматики управление осуществляется путем взаимодействия струй жидкости или газа в рабочей камере. Из сопла питания в камеру поступает основная струя; на нее воздействует менее мощная управляющая струя. Простое устройство, в котором происходит взаимодействие управляющей и основной струй, называется струйным переключателем. Такой переключатель является основным элементом струйной схемы, подобно транзисторам - основным компонентам электронных схем. В настоящее время применяются струйные элементы двух основных типов: пропорциональные (с непрерывной характеристикой) и двухпозиционные (с релейной характеристикой). Пропорциональный струйный элемент показан на рис. 1. В отсутствие управляющей струи основная струя разделяется поровну на два выходных канала. Управляющая же струя отклоняет основную пропорционально своему количеству движения и тем самым перераспределяет ее между двумя выходными каналами. Поскольку количество движения у основной струи больше, чем у управляющей, такой струйный элемент представляет собой усилитель. Направляя выходную струю одного пропорционального струйного элемента во входной канал другого (рис. 2), можно построить цепь усилителей с очень большим общим коэффициентом усиления мощности. В двухпозиционном переключателе основная струя не разделяется; она поступает в один из выходных каналов. Для каждого из выходных каналов возможны лишь два варианта: "включено" или "выключено", "0" или "1", "Да" или "Нет". Переключатель, показанный на рис. 3, представляет собой сумматор. Сигнал в выходном канале О2 возникает при наличии сигнала в любом из входных каналов - С1 или С2. Струйные элементы специальной конструкции и комбинации элементов могут выполнять многие другие логические и арифметические операции.

 
- а

 
- б

 
Рис. 1. ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ СТРУЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ. 
Предельные состояния: а - основная струя в отсутствие управляющей разделяется поровну между выходными каналами; б - основная струя под действием управляющей полностью поступает в один из выходных каналов.

 
Рис. 2. УСИЛИТЕЛЬ на двух пропорциональных струйных элементах. Выходная струя левого служит управляющей струей правого.

 
Рис. 3. ДВУХПОЗИЦИОННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ, сумматор цифрового компьютера. Основная струя втекает в камеру снизу, управляющие - слева. Наличие сигнала на выходе О1 указывает на отсутствие управляющих сигналов С1 и С2, а наличие сигнала на выходе О2 - на наличие сигнала на входе С1 или С2. 
Применение. На основе двухпозиционных струйных переключателей можно в принципе построить цифровой компьютер, а на основе пропорциональных - аналоговый. Правда, такие компьютеры менее компактны, чем электронные, и уступают им в быстродействии. Кроме того, они, как и все системы струйной техники, непрерывно расходуют рабочее тело. Принцип струйного управления используется в двигателях ракет. Управляющая струя, отведенная по патрубку из камеры сгорания или входной части сопла ракетного двигателя и снова введенная несколько ниже по потоку в реактивное сопло, вызывает отклонение основной струи, а тем самым изменяет направление тяги ракетного двигателя. Струйные системы более эффективны и надежны, чем другие системы управления вектором тяги, например, механические с поворотом всего ракетного двигателя в универсальном шарнире. Струйное управление применяется также в насосах аппаратов искусственного кровообращения. Насос заменяет отключенное сердце пациента в ходе хирургической операции на его сердце. Такие насосы, не имеющие ни движущихся механических частей, ни электронных компонентов, надежны, компактны и недороги. Струйные усилители имеют ряд преимуществ перед электронными. Они более надежны при температурах выше 150 и ниже -50° С, а также при высоких уровнях радиации, например в ядерных реакторах, и более стойки к механическим нагрузкам и вибрации, что немаловажно в ракетах, где системы управления и наведения подвергаются воздействию значительных нагрузок и вибраций при старте и на активном участке.

 
Рис. 4. СТРУЙНАЯ ПЛАТА для компьютера, полученная химическим травлением пластмассы. 
Будущее струйной техники. Одна из важнейших проблем в области струйной техники - проблема миниатюризации. Одно из возможных решений этой проблемы дает применение фотолитографии при их изготовлении. Выполненную в крупном масштабе схему, состоящую из коммуникационных и функциональных каналов и камер, фотографируют, негатив уменьшают, проецируют на слой фоточувствительного материала (фоторезиста), покрывающий пластмассовую подложку, а затем химическим травлением удаляют не защищенные фоторезистом участки подложки. 
ЛИТЕРАТУРА 
Элементы и устройства пневмоавтоматики низкого давления (струйной техники). М., 1973 Алферов В.В. и др. Струйная автоматика в системах управления. М., 1975

Пневматические приборы

За последние годы широко распространилась новая область автоматического  управления производственными процессами - пневмоавтоматика. Ее сравнительно быстрое развитие объясняется рядом преимуществ пневматических приборов - простотой конструкции, высокой эффективностью, надежностью, экономичностью, пожаро- и взрывобезопасностью.  
 
В начале 50-х годов в Советском Союзе была разработана агрегатная унифицированная система контроля и управления (АУС), предназначенная, главным образом, для автоматизации и управления непрерывными процессами на энергетических, нефтеперерабатывающих, химических предприятиях и предприятиях пищевой промышленности.  
 
Управляющие и вычислительные приборы этой системы представляют собой единое целое в функциональном и конструктивном отношениях. Каждый блок системы - это конструктивно вполне законченный прибор, выполняющий определенные операции. АУС, обладая широкими возможностями по управлению (и регулированию) непрерывным процессом, не содержала релейных элементов и, следовательно, не могла быть применена для создания релейных схем управления.  
 
Такое построение системы не удовлетворяло потребностей практики автоматического управления производственными процессами, так как с развитием техники усложняются схемы автоматического управления и растут предъявляемые к ним требования, возникают новые технические задачи, в частности, в машиностроении, для решения которых необходимо располагать как аналоговой, так и дискретной техникой, средствами для реализации логических функций.  
 
В связи с этим в конце 50-х годов в СССР был разработан элементный принцип построения приборов и схем пневмоавтоматики, в соответствии с которым все регулирующие и управляющие приборы строятся не в виде единой неразборной конструкции, а из отдельных типовых звеньев, выполняющих элементарные математические и логические операции. Наиболее полно идея поэлементного построения пневматических управляющих приборов была претворена в Советском Союзе, где разработали универсальную систему элементов промышленной пневмоавтоматики - УСЭППА. 
 
Построенную на базе пневмоэлементов универсального назначения: пневмоусилителей, пневмореле, пневмосопротивлений, пневмоемкостей и других аналогов электрической и .электронной аппаратуры. Все элементы системы выполняют лишь простейшие функции и не содержат внутренних коммуникаций, поэтому они легко отлаживаются и имеют малые размеры. Входы и выходы у них унифицированы, приборы монтируются посредством набора монтажных плат, на которых печатным способом нанесены коммуникационные каналы.  
 
Набор элементов УСЭППА позволяет создавать одно- и многотактные релейные схемы любой сложности, непрерывные и дискретные регулирующие устройства со сложными законами регулирования, системы автоматической оптимизации и другие схемы комплексной автоматизации производственных процессов. Это позволило широко использовать УСЭППА для автоматизации производственных процессов в различных отраслях машиностроения, горной, деревообрабатывающей, текстильной и других отраслях промышленности.  
 
Пневматические приборы и элементы, из которых состоят АУС и УСЭППА, содержат упругие элементы и подвижные детали и являются представителями мембранной техники. На базе УСЭППА были созданы и в настоящее время широко применяются в промышленности комплексы типовых приборов контроля и управления технологическими процессами - СТАРТ и ЦЕНТР, которые вошли в Государственную систему приборов (ГСП).  
 
В конце 50-х ... начале 60-х годов был разработан новый способ построения пневматических элементов на основе использования явлений, возникающих при взаимодействии струйных потоков и взаимодействии струи со стенкой. С учетом явлений, возникающих при этих взаимодействиях, оказалось возможным создать пропорциональные усилители и элементы релейного действия, элементы памяти, триггеры и другие аналоги электронной аппаратуры, причем для них характерно отсутствие упругих и подвижных частей.  
 
Соединяя эти элементы в схемы, можно построить разнообразные приборы непрерывной и дискретной техники. Струйные элементы работают в килогерцовом диапазоне частот, позволяют выполнять сотни операций в секунду, т. е. обладают быстродействием, ранее совершенно недоступным пневмоавтоматике. Эти элементы весьма надежны, так как не содержат подвижных, быстро изнашивающихся частей.  
 
Они могут работать в условиях высоких и низких температур, вибраций и радиационных воздействий. Выполнить приборы можно в виде печатных схем, что позволяет получать малогабаритные и очень дешевые пневматические приборы, содержащие десятки и сотни элементов. Наиболее полно струйная техника автоматического управления представлена системой модулей струйной техники (СМСТ) и системой ВОЛГА.  
 
Разработка пневматической мембранной и струйной релейной техники привела к созданию комплекса пневматических средств дискретной автоматики ЦИКЛ, предназначенного для управления циклическими и периодическими процессами. Элементной базой этого комплекса являются струйные логические модули и мембранные усилители (струйно-мембранная релейная техника). Этот комплекс позволяет построить дискретную цикловую систему управления любой сложности.

12. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Основными элементами мембранной релейиой техники являются пневматические реле, с помощью которых могут быть реализованы логические операции повторения, отрицания и операция И, и клапаны, выполняющие логическую операцию ИЛИ.

Рассмотренное выше трехмембранное реле (см. рис. 34,6), выполняя функции замыкающего пневматического контакта реализует логические операции повторения и операцию И. При использовании его в качестве размыкающего контакта осуществляется операция отрицания.

Эти же логические операции могут выполняться  и пневматическим универсальным  реле типа РУП-1 (см. рис. 35,а). Если давление питания /7пит=1, а управляющий сигнал /?ком1 подается в глухую камеру Г, реле выполняет логическую операцию повторения. Если же подавать управляющий сигнал /?ком2 в камеру Д, а давление питания — в камеры S и Г, выполняется операция отрицания.

При условии равнозначности сигналов, подаваемых в камеру В на вход рпит и в  камеру Г, элемент выполняет функцию  И. Действительно, выход равен 1 только в одном случае, когда сигналы  на обоих входах равны!. Во всех остальных  случаях (Рпит=1 и Рком1 = 0; Рпит —О и рком=1; рпит=0 и рком1 = 0) выход равен 0.

На  рис. 39 представлены принципиальные схемы  трех конструкций мембранных элементов, реализующих 78 операцию ИЛИ. Эта операция заключается в том, что на входе  элемента появляется сишал 1, если хотя бы на один из входов подан единичный сигнал.

Первый  элемент (рис. 39,а) имеет одну мембрану 3 с жестким центром 2, зажатую >по периферии между двумя 1К0'рпусны, ми шайбами 1 я 4. При отсутствии сигналов, т. е. при pi = 0 и /72=0, мембрана находится в среднем положении, и выходнюй сигнал рвых также равен нулю. При подаче единичного сигнала на один из входов, например на первый вход (pi = l), мембрана перебрасывается в крайнее нижнее положение, запирая нижнее сопло, и сигнал 1 через верхнее сопло поступает на выход. Если Pi = 0, а P2=il, то мембрана под действием давления в камере Б перемещается в крайнее верхнее положение, прикрывая 1верхнее сопло, и сигнал Р2 через нижнее сопло поступает на выход. Если сигналы поступают одновременно на оба входа, то иа выход проходит больший из них. Если, например, р\>р2, то мембрана под действием разности давлений прикроет нижнее сопло, а больший из сигналов, а именно pi, поступит на выход. Если Pi=P2=l, то на выход поступает воздух из обоих входов, а мембрана находится в среднем положении.

Этот  элемент хорошо работает 1при резких изменениях амплитуды входных сигналов от О до 1. При плавных изменениях амплитуды входных сигналов элемент  работает нечетко. Если, например, входное  давление р\ очень мало и нарастает медленно, то оно через камеру Л, верхнее сопло, линию выхода, камеру Б и нижнее сопло соединяется с линией второго входа, где нет давления (так как мембрана при малых давлениях не уплотняет нижнее сопло). В результате элемент начинает расходовать воздух.