Расчет частотно-импульсного дозатора с пневматическим управлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

Объем дозы - VД = 50 см3

Тип усилителя - РУП.1М

Диаметр трассы - dтр = 4 мм

Длина трассы - Lтр = 100 м

PД = 0,05 Мпа

P3 = 0,04 Мпа

Проводимость дросселя - прямая

Введение

При повышенных требованиях к точности регулирования среднего расхода жидкости вместо систем автоматического регулирования, включающих регуляторы и стандартные исполнительные устройства типа регулирующие клапаны, находят применение системы частотно-импульсного дозирования ЧИД, в состав которых входят аналого-частотный преобразователь АЧП и объемный дозатор Д. Дозатор, в свою очередь, состоит из мерной емкости МЕ, привода П и клапанов К, которые могут иметь как электрическое так и пневматическое управление. В последнем случае требуется преобразование выходного сигнала управляющего устройства Ру, представленного в аналоговой форме, в последовательность низкочастотных пневматических импульсов с помощью пневматического аналого-цифрового преобразователя ПАЧП.

Структурная схема системы частотно-импульсного дозирования, включающая ПАЧП и Д, приведена на рисунке 1.

1. Описание структурной и принципиальной схемы

Регулирующее воздействие от управляющего устройства в виде унифицированного пневматического сигнала Ру=(0.02-0.1) МПа подается на вход управляемого генератора импульсов УГИ пневматического аналого-частотного преобразователя ПАЧП, где преобразуется в частоту f пневматических импульсов. Необходимая длительность импульсов УГИ формируется импульсатором ИМП, усиливается усилителем мощности УМ и по импульсной трассе ИТ передается на дозатор Д. Дозатор преобразует импульсы командного давления Рк в фиксированные объемы доз.

Диапазон частот ПАЧП определяется регламентом технологического процесса и свойствами объекта управления и обычно лежит в диапазоне от 1 до 0.01 Гц.

Производительность Q дозатора определяется из выражения:

Q=k V f,

где f - частота управляющих импульсов, V - объем дозы, k - периодичность дозатора (k=1 для однополупериодного дозатора и k=2 для двухполупериодного дозатора).

Период следования управляющих импульсов T=1/f должен удовлетворять условию:

Ttвд +tзд

где tд - время выдачи дозы, tз - время заполнения мерной емкости дозатора.

При производительности дозатора выше 10 дм3/ч на выходе ПАЧП устанавливается усилитель мощности.

Время выдачи каждой дозы, определяемое параметрами ЧИД, должно быть меньше длительности командных импульсов Рк, формируемых ПАЧП.

Рис.1 Структурная схема ЧИД

В качестве ПАЧП может применяться простейший управляемый генератор импульсов

Рис. 2 Принципиальная схема простейшего генератора импульсов

Простейший генератор пневматических импульсов может быть построен на основе мембранного пневмореле П1Р.1 системы УСЭППА и апериодического звена, состоящего из переменного дросселя Rп и пневмоемкости V, включенного в линию обратной связи реле. Принципиальная схема генератора представлена на рисунке 2.

Работает генератор следующим образом. В пневмокамеру В реле подается давление подпора Рп. В начальный момент времени, под действием давления подпора в камере В, подвижный мембранный блок реле опускается вниз при этом закрывается сопло в камере А и открывается сопло в камере Г, через которое воздух питания давлением Ро поступает на выход генератора, где сигнал Рвых становится равным логической 1. Сигнал Рвых поступает на вход апериодического звена и в камере Б давление начинает возрастать. Далее, когда давление в камере Б Рб=Рср реле срабатывает, мембранный блок поднимается вверх, сопло в камере А открывается, а в камере Г закрывается. На выходе генератора сигнал становится равным логическому 0, при этом через камеру А начинает опорожняться камера Б и емкость V. Давление Рб уменьшается и при Рб=Ротп реле отпускает. Мембранный блок вновь опускается вниз. Ввиду того, что время опорожнения пневмоемкости всегда несколько больше времени ее наполнения, длительность паузы tп всегда несколько больше длительности импульса tим.

2. Расчет динамических характеристик канала управления дозатором

1) Определяем полный объем V пневматической системы как сумму

V = Vd + Vpr + 1/3Vtr м3

где Vd - объем дозы

Vpr - объем приводной камеры (Vpr=0.5Vd)

Vtr - объем импульсной трассы (Vtr=((р dtr2 Ltr)/4)

Vpr = 0.5 ? 1.8?10-4 = 0.9?10-4 м3

Vtr = (3.14?(0.004)2?5)/4 = 6.28?10-5 м3

V = 1.8?10-4 +0.9?10-4 +6.28?10-5 /3= 2.91?10-4 м3

2) Определяем скорость течения воздуха при заполнении и опорожнении емкости

Т.к. отношение

Где P1 = P0+Pатм = 0.14+0.1=0.24 МПа

P2 = Pатм=0.1 Мпа

то скорость течения воздуха определяем по формуле

м/c

где и = 293 К- абсолютная температура воздуха;

При истечении воздуха

м/c

Для случаев заполнения глухих камер

3) Определяем вязкость воздуха

м = (5.12?10-8?t + 1.77?10-5) Па с

где t =20 °С- температура окружающей среды;

м =(5.12?10-8?20 + 1.77?10-5)=1.872?10-5 Па с

4) Определяем режим течения воздуха по трассе, для этого рассчитываем критерий Рейнольдса

дозатор регулирование сигнал импульс



где с - плотность воздуха (1.29 кг/м3 = 12.65 Па с2/м2)

Для случая истечения воздуха

Для случая заполнения воздуха камеры

5) Определяем коэффициент трения воздуха:

Для случая истечения воздуха

Для случая заполнения глухих камер

6) Определяем коэффициент расхода б при заполнении и опустошении емкости

где оус- коэффициент местного сопротивления участка пневматической цепи

dус - диаметр участка пневматической цепи, м

Для усилителя РУП.1М оус= 1.8 ; dус = 3.5 мм

Для случая истечения воздуха

Для случая заполнения глухих камер

7) Определяем время заполнения и опустошения камеры привода дозатора

где с - скорость звука в воздухе (340 м/с)

Время чистого запаздывания (время, в течении которого возмущение на входе доходит до выходного сечения импульсной трассы)

 с

Время переходного процесса (время нарастания давления на выходе трассы) при заполнении трассы

, c

где Vпр - объем приводной камеры

Vтр - объем импульсной трассы

- максимальное давление в камере, МПа (0.14)

- давление воздуха в камере, в момент отсчета времени, МПа (0.04)

S - площадь поперечного сечения трассы, м2

м2

, c

Время переходного процесса при опорожнении линии

, c

8) Определяем расход жидкости при заполнении и опорожнении мерной камеры дозатора

м3/с

где бр - коэффициент расхода для жидкости (бр = 0.35)

с - плотность жидкости (с = 1000 кг/м3)

F - площадь сечения трубопровода для жидкостей (диаметр трубопровода 0.012 м)

ДP - перепад давления на исполнительном устройстве дозатора(P3, Pdmax-Pd)

Расход жидкости при заполнении мерной камеры жидкостью

м3/c

Расход жидкости при опорожнении

м3/с

9) Определяем время заполнения мерной емкости жидкостью и время выдачи дозы жидкости

;

где Vд - объем дозы, м3, Qз и Qд- расходы жидкостей при заполнении и опорожнении камеры, соответственно.

tз = 0.593, c

tд = 0.951, c

10) Определяем время цикла работы дозатора

Тц = фч + ф зап + ф оп + tз + tд, с

Тц = 0.015 + + + 0.593 + 0.951 = 2.573 с

3. Расчет частоты колебаний генератора импульсов

Определение периода колебаний генератора

Генератор прямоугольных импульсов преобразует подводимое к нему постоянное давление Р0 в импульсы заданной продолжительности ф1 следующие через равные интервалы ф0 с периодом Т.

Величины Т и ф1 определяются постоянной времени ф инерционного звена, т.е. величиной емкости V1, величиной проводимости дросселя б1 и величиной подпора Рп подаваемого в камеру Б.

Р0 = 0.1?10 6 Па Рп = 0.05?10 6 Па

Рср = Рп + 0.032 МПа Рср = 0.082 МПа

Ротп = Рп - 0.003 МПа Ротп = 0.047 МПа

где Р0 - давление питания ,

Рп - подпора,

Рср - давление срабатывания,

Ротп - давление отпирания.

Так как минимальный период колебаний Т должен быть равен времени цикла дозирования Тц, то из равенства Тц = Т находим:



Время нарастания давления в камере В:

c

Время уменьшения давления от Рср до Ротп:

c

Зная ф находим период колебаний Тг, который определяется сумой времен ф1 и ф0:

Т = + = + = 2.57 с

Найдем частоту колебаний:

f = 1 / T = 1 / 2.57= 0.389 1/c

4. Согласование параметров генератора с параметрами ЧИД

Для обеспечения выдачи ЧИД полного объема доз необходимо, чтобы длительность импульса генератора была несколько длительности выдачи дозы tз.

tз + 0.2 - Импульс генератора необходимо укорачивать.

0.593 + 0.2

Определяем количество стандартных пневмоёмкостей N:

V = TbбRи

где б = 5010 -10 мс

R = 29.3 м 2/с 2 К

и = 293 К

м 3

N = V/5010 -6 = 2.146

Принимаем N = 2

Уточняем V

V = N 5010 -6 = 1 10 -4 м3

Уточняем б

мс

По б определяем управляющий сигнал: Ру = 0. 06 МПа

Определяем диапазон частот аналаго-частотного преобразователя и строим его рабочую характеристику.

f = ( Ру )

Выбираем из графика б при Ру = 0.02 МПа

б = 16 * 10 -10 м*с

Найдем время переходного процесса

Время нарастания давления:

c

Время уменьшения давления:

c

Период колебаний:

Т = +

Т = + = 2.57 с

Найдем частоту колебаний:

f = 1 / Т

f = 1 / = 0.389 1/с

Построим график зависимости f = ( Py )



Рис. 3 Рабочая характеристика ПАЧП

Результаты расчета сводим в таблицу 1.

Таблица 1 - результаты

№ задания

Исходные данные

Расчетные данные

Тип усил.

Vд

dтр

Lтр

Pд

Pз

фз

фоп

tз

tд

Тц

Tцновое

fmax

fmin

см3

мм

м

МПа

МПа

с

с

с

с

с

с

Гц

Гц

П2П.3

180

4

5

0.05

0.03

0.192

0.822

0.593

0.951

2.573

5. Описание конструктивного решения

После расчета статических и динамических характеристик и параметров технического средства, приведем принципиальную и монтажную схему пневматического аналого-частотного преобразователя и опишем его работу.

Принципиальная схема частотно-импульсного дозатора и генератора импульсов показана в Приложении 1, монтажная схема - в Приложении 2.

Пневматический аналого-частотный преобразователь работает следующим образом. В элементы 2,3 подается давление подпора Рп, давление питания Р0 - в элементы 1,2,4 и сигнал управления Ру в элемент 1. В начальный момент времени t1, под действием давления подпора Рп в камере В элемента 2, подвижный мембранный блок опускается вниз, и открывается верхнее сопло в камере Г, через которое питания давлением Р0 поступает на выход генератора, где сигнал Рвых становится равным 1. Сигнал Рвых поступает также на управляемый дроссель 1 в камеру А . При этом в камеру Б подан управляющий сигнал Ру. Так как дроссель с прямой проводимостью, то при повышении давления Ру сопротивление Rупр уменьшается. Мембранный блок управляемого дросселя 1 при этом начинает двигаться вверх, и через сопло в камере А начинает заполнять емкость V1 и расти давление в камере Б элемента 2. В момент, когда Рб2 = Рср реле 2 срабатывает, мембранный блок поднимается вверх, сопло в камере А открывается, а в камере Г закрывается. На выходе генератора 2 сигнал равен 0, при этом начинает опорожняться камера Б и емкость V1 через камеру А элемента 2, связанную с атмосферой. Рб2 уменьшается до Ротп, и реле отпускает.

При появлении импульса Рвых на входе генератора 2, на выходе импульсатора 3 появляется Рвых. В камере Б реле 3 начинает расти давление. Когда Рб1 = Рср реле 2 срабатывает и мембранный блок перебросится вверх, Рвых через камеру А реле 3 сбросится в атмосферу, при этом импульс Рвых будет укорочен. Когда Рвых = 0, то Рб1 начнет падать и при Рб1 = Ротп реле импульсатора отпускает. Давление Рвых импульсатора 3 поступает на вход усилителя мощности 4 релейного типа. На входе усилителя 4 формируется сигнал Ротп, который поступает в камеру мембранного исполнительного механизма 5, отделенную мембраной 6 от другой камеры 7, в которой находится дозируемая жидкость, поступающая в нее из емкости заполнения 8. Жидкость под действием сигнала Рвых с момента, когда Ротп ? Рп вытесняется мембраной 6 через выходной неуправляемый клапан 9 в емкость 10 с давлением Рв, при этом давление в камере 5 возрастает от Рв до Р0.

Выводы по работе

В данной курсовой работе мы рассчитали пневматический аналого частотный преобразователь. Нашли динамические характеристики канала управления дозатором, а также частоту колебаний простейшего генератора прямоугольных импульсов. Получили максимальную и минимальную частоту управляющих импульсов частотно-импульсного дозатора:

f max = 1/с

f min = 1/с

Определили его максимальную и минимальную производительность:

Q max = k * Vд * f max = 1 * 180*10-6 * 0.053 = 2.65*10-6 м3/с

Q min = k * Vд * f min = 1 * 180*10-6 * 0.017 = 8.5*10-7 м3/с

Также в данной работе была составлена схема частотно-импульсного дозатора и генератора импульсов, а также приведена монтажная схема.

Список использованной литературы

1. Расчет и проектирование элементов автоматики и технических средств автоматизации. Методические указания. - СПб: 2009 г.

2. Попов Д.Н. Механика гидро- и пневмоприводов: Учебник. - М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002 г.

3. Форенталь В.И. Пневматические исполнительные механизмы. Учебное пособие. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1999.

Размещено на Allbest.ru

...