Введение и задачи модуля

Цель настоящего модуля заключается в изложении основных сведений по пневмоприводам, составляющих одно из ведущих направлений в приводной технике, технике автоматического регулирования и управления трубопроводной арматурой.

Современные пневмоприводы позволяют успешно решать большинство практических задач управления трубопроводной арматурой.

В таких отраслях промышленности как химия и нефтехимия, пищевая и газовая промышленность, целлюлозно-бумажная промышленность и др. применение пневматических приводов для управления трубопроводной арматурой дает большой технико-экономический эффект.

Это объясняется теми положительными свойствами, которые отсутствуют у других видов приводной техники, таких как гидропривод и электропривод. Так, в традиционной для пневмоприводной техники отрасли промышленности как нефтехимия, особенно важны такие качества пневматических устройств, как пожаро и взрывобезопасность, высокая надежность, дешевизна, простота эксплуатации и возможность использования в агрессивных средах.

Уровень развития пневмоприводов во многом определяет и состояние управления трубопроводной арматурой. "Ваш регулирующий клапан настолько хорош, насколько хорош его привод", примерно так можно охарактеризовать важность пневмоприводов для регулирования. Чтобы добиться больших результатов в управлении трубопроводной арматурой пневмоприводы оснащают

многочисленными приборами управления, одно из главных мест среди которых занимают позиционеры. Им будет уделено в материалах модуля наибольшее внимание.

Приборы управления совместно с инструментами позволяют реализовать различные функции запорной и регулирующей арматуры, что в свою очередь создает возможности для расширения функций и самой арматуры и лучшего соответствия ею технологическому процессу.

При написании данного модуля были использованы материалы ведущих компаний – производителей пневмоприводов. Обобщение результатов позволило в сравнительно небольшом объеме дать достаточно полное изложение материалов по пневмоприводам и приборам управления.

Раздел 1. Пневмопривод

1. Пневматика. Основные положения

Основные сведения о пневматике и пневматических системах

Промышленное использование пневматики началось более ста лет назад в печатном деле (линотип) и патронном производстве (контрольно-сортировочные автоматы). Широкое же применение пневматики в промышленности, одновременно во многих странах, началось после второй мировой войны, в связи с автоматизацией производства.

Долгое время (до появления промышленных микропроцессорных устройств) пневмоавтоматика являлась почти единственным средством управления технологическими процессами. Ввиду высокой надежности элементов пневмологики есть производства, где эти системы работают до сих пор.

И хотя в современном производстве они почти повсеместно заменены электронными управляющими устройствами, общие объемы применения пневматики не сократились,

а постоянно увеличиваются за счет более широкого применения силовых элементов – пневмоприводов вместо гидро- и электропривода. Современное автоматизированное производство немыслимо без пневматики, которая находится на этапе бурного, как количественного, так и качественного развития.

Развитие пневматики идет по следующим основным направлениям:

– применение современных материалов, которые позволяют:

• исключить появление масляного тумана, который загрязняет окружающую среду и создает опасность здоровью обслуживающего персонала;

• повысить срок службы всех элементов пневмосистемы;

• минимизировать или полностью исключить необходимость обслуживания пневмосистемы;

• исключить утечки сжатого воздуха;

• повысить КПД пневмоприводов;

• обеспечить устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды, таким как высокие и низкие температуры,

воздействие пыли, влаги, агрессивных химических веществ.

– миниатюризация управляющих устройств, применение группового монтажа (универсальные монтажные плиты, блочные конструкции распределителей, пневмоострова и т. п.).

– создание устройств стыковки пневматических и электронных систем (электропневматические

и пневмоэлектрические устройства).

– применение ресурсо- и энергосберегающих режимов работы пневмосистем (например, использование явления параметрического резонанса позволяет удешевить систему, сделать ее более компактной и существенно повысить КПД).

Основные параметры воздуха

Сжатый воздух, являющийся рабочим телом в системах пневматики, представляет собой смесь газов, молекулы которых, с достаточной для практических целей точностью можно представить в виде мельчайших упругих шариков, движущихся равномерно и прямолинейно в произвольном для каждого шарика направлении со скоростями примерно 1000 м/с. Шарики испытывают постоянные столкновения между собой и со стенками сосуда, в котором находится сжатый воздух. Столкновения молекул со стенками сосуда и создает давление газа.

Давление может быть определено как отношение силы к площади, на которой она распределена:

(1)

Единицы измерения

В международной системе единиц СИ, что является аббревиатурой французского SI (Siste’me International d’Unit’es), единице давления присвоено имя французского ученого Паскаля, автора известного закона о равномерном распространении статического давления по всем направлениям.

Один “Паскаль” равен давлению, создаваемому силой в 1 “ньютон", равномерно распределенной на площади в 1 м² (Лат. 1 Ра= 1 N/m²).

Это очень малое давление и, поскольку эта единица неудобна, то для измерения используемых в технике стандартных уровней давления введена специальная единица – бар, равная 1/10 Мегапаскаля (Лат. bar. 1 бар = 0,1 МПа = 105 Па).

Удобство этой единицы состоит в том, что она практически равна традиционно используемой технической атмосфере (1 ат. = 1 кгс/см²).

Соотношение: 1 ат = 0,98067 бар.

1 бар = 1,01972 ат

Ожидается, что в будущем к системе СИ перейдут все страны, в том числе и страны с неметрическими системами единиц. В качестве единицы давления в этих странах всё еще используется 1 фунт-сила/кв. дюйм (1 psi).

Соотношение: 1 бар = 14,5 psi

1 psi = 0,06895 бар

Для измерения малых уровней давления используются также миллиметры водяного и ртутного столба.

Соотношение: 1 ат = 10000 мм. вод. ст. = 736 мм. рт. ст.

1 мм. вод. ст. = 9,80665 Па

1 мм. рт. ст. = 1,1333224 Па

Атмосфера Земли на её поверхности развивает давление в одну физическую атмосферу.

Соотношение: 1 атм. = 760 мм. рт. ст. = 1,01325 бар (нормальное давление).

Давление

Давление газа пропорционально его абсолютной температуре Т и концентрации молекул n, которую можно определить как отношение:

(2)

где N – число молекул, находящихся в сосуде;

V – объем сосуда.

Давление P газа равно:

(3)

Коэффициент пропорциональности k представляет собой постоянную Больцмана, равную

Чаще известен объем V сосуда и масса m заключенного в нем воздуха. В предположении, что воздух является идеальным газом, давление P внутри сосуда может быть определено по формуле Клапейрона:

(4)

где R – универсальная газовая постоянная

для воздуха, которая равна внешней работе, совершаемой при постоянном давлении одним килограммом воздуха при нагревании его на 1 градус;

T – температура в градусах Кельвина (абсолютная температура).

Нормальная температура в физике

Различают абсолютное P, избыточное (относительное) P_и и местное атмосферное P_а давления.

Абсолютное давление – это абсолютное значение силы, отнесенное к единице поверхности.

Поэтому абсолютное давление – это разность между давлением в данной точке среды и абсолютным нулем давления, соответствующим давлению в совершенном вакууме, рис. 1.

Под избыточным (относительным) давлением понимают разность между абсолютным (полным) и местным атмосферным давлением:

(5)

Избыточное давление в соответствии с соглашением всегда положительно. “Отрицательное” относительное (избыточное) давление определяется как вакуумное.

Вакуумным называется давление, меньшее местного атмосферного давления. Местное атмосферное давление может изменяться в зависимости от окружающей температуры, высоты

над уровнем моря и местных погодных условий.

На рис. 1 можно увидеть соотношения между абсолютным, относительным и вакуумным давлениями.

Существует так же дифференциальное давление – это разность между двумя неизвестными давлениями. Этот тип измерения давления обычно используется, чтобы получить падение давления в системе подачи текущей среды. При измерении разности давлений не важно, какое из них считать опорным.

Если концентрация молекул равна нулю, то абсолютное давление в таком сосуде также равно нулю. Можно считать, что на поверхности Земли он обладает некоторой потенциальной энергией, так как весь окружающий его воздух находится под атмосферным давлением Р_и, входя в сосуд,

может совершить работу. Так работают многие вакуумные устройства, например вакуумные приводы. Говорят, что эти устройства работают на разряжение.

Сосуд будет также обладать потенциальной энергией, если давление газа внутри него будет больше атмосферного (т. е. P_и > 0). Здесь газ также может совершить работу, но уже при выходе из сосуда

в атмосферу, т. е. привести в действие устройства, работающие на нагнетание.

Поскольку большинство устройств промышленной пневмоавтоматики работает на нагнетание, а магистральное давление существенно больше атмосферного, при расчете усилий удобно пользоваться избыточным давлением.

В термодинамических расчетах, например в формуле (1), пользуются абсолютным давлением.

Высокое давление: Это давление в пневматических системах, находящееся в пределах 3–10 бар.

Используется для запитки большинства промышленных устройств.

Низкое давление: Используется в различного вида датчиках и некоторых управляющих устройствах.

Низкое давление разбито на три диапазона:

• Давление 0,5 бар и менее;

• Давление от 0,5 бар до 1 бара;

• Давление от 1 до 3 бар.

Расход газа

Расход является вторым важнейшим параметром, характеризующим работу любого пневматического устройства, и определяется как количество вещества, проходящее через данное сечение в единицу времени. Поскольку можно измерять как объем вещества, так и его массу,

существует понятие объемного расхода Q и массового расхода G.

Объемный расход

Схема определения объемного расхода показана на рис. 2.

Объемный расход определяется по формулам

(6)

где:

V – объем газа или жидкости, прошедших через данное сечение за определенный промежуток времени;

t – время, в течение которого прошел данный объем газа;

W – скорость потока в сечении (средняя скорость при неравномерном ее распределении по сечению);

S – площадь поперечного сечения потока (см. рис. 2).

Единицы измерения

В системе СИ объемный расход измеряется в м³ /с. Поскольку расход в 1 м³ /с очень велик, в технических характеристиках пневматических аппаратов расход часто указывается в л/мин и в м³/час.

Соотношение: между основными величинами показано ниже

Для жидкостей, из-за их не сжимаемости, объемный расход Q является однозначной характеристикой потока.

В случае воздуха, плотность которого существенно зависит от давления, более определенной характеристикой потока является массовый расход G_m, определяемый как отношение массы воздуха, прошедшей через данное сечение в единицу времени.

Массовый расход

(7)

Соотношение между объемным и массовым расходами:

(8)

где:

Q- объемный расход;

ρ – плотность;

W – скорость потока в сечении;

S – площадь поперечного сечения потока.

Нормальный объемный расход

Для обозначения расходных характеристик в технике используется понятие нормального расхода.

Данный расход Q_n измеряется при избыточном давлении на входе устройства 6 бар и 5 бар на его выходе.

Объём проходящего через пневмоэлемент воздуха рассчитывается при нормальных условиях

(при температуре +20°С и абсолютном давлении 1,013 бар, соответствующем 760 мм ртутного столба).

Единицами измерения данного расхода являются Нл/мин (нормальные литры в минуту, для определения массового расхода по нормальному расходу, плотность воздуха берется

при атмосферном давлении).

Расход воздуха при различных режимах истечения воздуха

Расход воздуха при подкритическом режиме истечения воздуха (режим при котором отношение давления в полости наполнения к давлению в ресивере (полости истечения) больше 0,5288).

(9)

где:

f _Э – эффективная площадь проходного сечения пневмомагистрали, м²,

P_о – давление в полости, из которой идет истечение воздуха, Па,

P₁