echipamente hidro-pneumatice

Gheorghe LAZEASorin HERLE

Radu ROBOTINCosmin MARCU

ECHIPAMENTE DE AUTOMATIZAREPNEUMATICE SI HIDRAULICE

volumul 1

Echipamente Pneumatice

2006

Prefata

Aceasta carte are, n primul rnd, un scop didactic, dar poate fi utilizata si de cei caredoresc sa se familiarizeze sai sa utilizeze echipamente cu fluid n automatizari industri-ale.

Ea este rezultatul activitatii didactice si de cercetare, de-a lungul mai multor ani,a colectivului de autori, dar a fost inspirata si de alte lucrari similare universitare sauproiecte si produse de firme.

Utilizarea echipamentelor pneumatice si hidraulice n automatizarile industriale estetot att de frecventa cs si a celor electrice s electronice si tendintele actuale de introducerea microelectronicii computationale n partea de comanda i ofera o sansa sigura de viitor.Este si aacesta unul dintre motivele pentru care autorii au redactat aceasta carte.

Primul volum al acestei carti este dedicat echipamentelor de automatizare pneumatice,de nenlocuit n mediile cu pericol de incendiu sau de explozie. Nu este de neglijatnicigreutatea redusa a echipamentelor n raport cu cele electrice, la preturi comparabile sinici posibilitatea de suprancarcare fara pericol de avarie.

Multitudinea solutiilor constructive si a firmelor producatoare ne-a determinat safacem abordari generale, n cele mai multe cazuri. Particularizarile sunt legate, n spe-cial, de echipamentele cele mai uzuale n aplicatii si care ofera o tratare principiala.

Structura cartii a fost gndita ntr-o succesiune de la simplu la complex: fenomenesi principii, elemente de circuite pneumatice, circuite, echipamente cu actiune continuasi discreta. Atunci cnd am considerat necesar s-au inclus aplicatii, mai simple sau maicomplexe, pentru a facilita ntelegerea teoriei.

Speram ca prin aceasta carte sa oferim studentilor nca o posibilitate de a patrundentr-un domeniu important, incitant si care ramactual n preocuparile utilizatorilor deechipamente de automatizare.

Orice observatie din partea celor care vor parcurge paginile cartii va fi acceptata cuconsideratia cuvenita.

Autorii

Cuprins

Cuprins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

Lista de figuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii

Lista de tabele . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix

1 Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Aspecte calitative ale aparaturii de automatizare cu fluid . . . 1

1.2 Principii constructive si functionale . . . . . . . . . . 3

1.3 Actualitatea echipamentelor pneumatice si hidraulice . . . . 5

2 Aspecte teoretice generale privind fluidele . . . . . . . . 9

2.1 Generalitati. . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Proprietati caracteristice pentru fluide . . . . . . . . . 92.2.1 Compresibilitatea . . . . . . . . . . . . . . 92.2.2 Vscozitatea . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.3 Clasificarea miscarii fluidelor . . . . . . . . . . 132.2.4 Ecuatia Bernoulli. Interpretarea grafica. . . . . . . . 142.2.5 Calculul pierderilor de energie . . . . . . . . . . 172.2.5.1 Pierderi liniare . . . . . . . . . . . . . . 172.2.5.2 Pierderi locale . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.6 Aplicatii . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.6.1 Relatia Saint-Venant . . . . . . . . . . . . 202.2.6.2 Calculul practic al pierderii de presiune ntr-o conducta . . . 212.2.6.3 Calculul debitului de fluid prin conducte cu ajutorul diafragmelor 22

3 Elemente de circuit si circuite pneumatice analogice . . . . . . 27

3.1 Generalitati. . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2 Principii constructive ale aparaturii pneumatice de automatizare . 283.2.1 Compensarea deplasarilor . . . . . . . . . . . 283.2.2 Compensarea fortelor . . . . . . . . . . . . . 303.2.3 Compensarea momentelor . . . . . . . . . . . 32

i

Cuprins

3.3 Elemente pasive de circuit . . . . . . . . . . . . 333.3.1 Rezistente pneumatice . . . . . . . . . . . . 33

3.3.1.1 Rezistente pneumatice liniare . . . . . . . . . . 333.3.1.2 Simbolizarea rezistentelor pneumatice . . . . . . . . 373.3.1.3 Variante constructive de rezistente pneumatice . . . . . 38

3.3.2 Capacitati pneumatice . . . . . . . . . . . . 393.3.2.1 Capacitatea pneumatica fixa . . . . . . . . . . 393.3.2.2 Capacitatea pneumatica variabila . . . . . . . . . 40

3.3.3 Inductanta pneumatica . . . . . . . . . . . . 42

3.4 Elemente active de circuit . . . . . . . . . . . . 433.4.1 Elemente pentru modificarea presiunii . . . . . . . . 43

3.4.1.1 Divizorul de presiune . . . . . . . . . . . . 433.4.1.2 Sistemul duza paleta (ajutaj paleta) . . . . . . . 453.4.1.3 Sistemul duzapaleta cu ejector. . . . . . . . . . 48

3.4.2 Amplificatorul pneumatic de presiune . . . . . . . . 493.4.3 Amplificatoare pneumatice de putere . . . . . . . . 51

3.5 Elemente elastice . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.6 Aplicatii ale elementelor pasive si active de circuit . . . . . 553.6.1 Circuite RC pneumatice . . . . . . . . . . . . 553.6.2 Aplicatii ale circuitelor RC . . . . . . . . . . . 57

3.6.2.1 Circuitul de ntrziere . . . . . . . . . . . . 573.6.2.2 Circuit proportional cu ntrziere . . . . . . . . . 593.6.2.3 Circuite derivative cu ntrziere . . . . . . . . . 60

3.6.3 Circuite comparatoare . . . . . . . . . . . . 643.6.4 Circuite pneumatice de calcul . . . . . . . . . . 66

3.6.4.1 Circuit pneumatic de extragere a radacinii patrate . . . . . 663.6.4.2 Element de mpartire (puntea Sorteberg) . . . . . . . 67

4 Echipamente pneumatice analogice de automatizare. . . . . . 71

4.1 Regulatoare pneumatice . . . . . . . . . . . . . 724.1.1 Regulatoare cu burdufuri n linie . . . . . . . . . 73

4.1.1.1 Legea de reglare P . . . . . . . . . . . . . 734.1.2 Regulatoare cu burdufuri n cruce . . . . . . . . . 78

4.1.2.1 Principiul functional . . . . . . . . . . . . 784.1.2.2 Legile de reglare . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2 Traductoare pneumatice si convertoare de semnal . . . . . 854.2.1 Traductoare pneumatice . . . . . . . . . . . . 85

4.2.1.1 Principii constructive . . . . . . . . . . . . 854.2.1.2 Elemente sensibile (detectoare semnal) . . . . . . . . 884.2.1.3 Adaptorul pneumatic . . . . . . . . . . . . 924.2.1.4 Variante constructive de traductoare pneumatice . . . . . 93

ii

Cuprins

4.2.2 Convertoare pneumatice . . . . . . . . . . . . 1014.2.2.1 Convertorul electropneumatic . . . . . . . . . . 1014.2.2.2 Convertor pneumo electric . . . . . . . . . . 1044.2.2.3 Convertoare pneumatice A/D si D/A . . . . . . . . 104

4.3 Elemente de executie pneumatice . . . . . . . . . . 1064.3.1 Elemente de executie pneumatice cu membrana . . . . . 1064.3.1.1 Regimul stationar si dinamic . . . . . . . . . . 1074.3.1.2 Pozitionerul pneumatic . . . . . . . . . . . . 109

4.3.2 Elemente de executie pneumatice cu piston . . . . . . 1124.3.2.1 Variante constructive . . . . . . . . . . . . 1124.3.2.2 Forte n regim stationar . . . . . . . . . . . . 1144.3.2.3 Regimul dinamic al cilindrilor pneumatici . . . . . . . 114

4.4 Elemente de comanda a cilindrilor pneumatici . . . . . . 1194.4.1 Ventile de distributie . . . . . . . . . . . . . 1204.4.1.1 Comanda ventilelor de distributie . . . . . . . . . 122

4.4.2 Ventile de blocare . . . . . . . . . . . . . . 1244.4.2.1 Ventil (supapa) de retinere . . . . . . . . . . . 1244.4.2.2 Ventile (supape) cu comanda dubla . . . . . . . . . 1254.4.2.3 Ventile (supape) de reglarea vitezei . . . . . . . . . 126

4.4.3 Ventile cu functii speciale. . . . . . . . . . . . 127

5 Echipamente pneumatice cu actiune discreta . . . . . . . . 129

5.1 Generalitati. . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.2 Principiile constructive si functionale ale elementelor logice pneumatice130

5.2.1 Elemente logice cu turbulenta . . . . . . . . . . 1305.2.2 Elemente logice cu orientarea jetului . . . . . . . . 1335.2.2.1 Amplificatoare cu devierea jetului (ADJ) . . . . . . . 1335.2.2.2 Celule cu efect de perete (Coanda) . . . . . . . . . 136

5.2.3 Elemente logice pneumatice cu piese n miscare la joasa presiune139

5.2.3.1 Element cu trei membrane si centru rigid . . . . . . . 1405.2.3.2 Elemente logice cu doua membrane . . . . . . . . . 142

5.2.4 Elemente logice realizate cu ventile . . . . . . . . . 144

5.3 Circuite cu elemente logice pneumatice . . . . . . . . 1475.3.1 Bistabil T . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.3.2 Sumator binar . . . . . . . . . . . . . . . 1495.3.3 Generator de semnale cu elemente logice cu orientarea jetului . 1495.3.4 Trigger Schmitt fluidic . . . . . . . . . . . . 1505.3.5 Circuit de ntrziere cu un tact . . . . . . . . . . 1515.3.6 Generator de impulsuri pneumatice cu celule logice cu doua

membrane . . . . . . . . . . . . . . . . 153

iii

Cuprins

5.3.7 Numarator binar cu relee logice cu doua membrane . . . . 153

5.4 Sinteza sistemelor pneumatice de comanda . . . . . . . 1565.4.1 Generalitati. . . . . . . . . . . . . . . . 1565.4.2 Metoda lanturilor de comanda . . . . . . . . . . 156

5.4.2.1 Diagrama de functionare . . . . . . . . . . . 1565.4.2.2 Alegerea echipamentelor . . . . . . . . . . . 1575.4.2.3 Diagrama de miscare . . . . . . . . . . . . 1595.4.2.4 Modul de comanda . . . . . . . . . . . . . 1625.4.2.5 Schema de legaturi . . . . . . . . . . . . . 164

5.4.3 Metoda diagramei Karnaugh . . . . . . . . . . 166

6 Prepararea si distribuirea aerului instrumental . . . . . . . 171

6.1 Filtrarea. . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6.2 Uscarea aerului . . . . . . . . . . . . . . . 173

6.3 Distributia aerului instrumental . . . . . . . . . . . 173

Bibliografie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

iv

Lista de figuri

1.1 Comparatie ntre sistemele hidraulice si cele pneumatice . . . . . . . . . . 41.2 Schema functionala a unei bucle servo-electro-hidraulice . . . . . . . . . . 71.3 Axa servopneumatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.1 Curgerea fluidului printr-o conducta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2 Linia de curent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 Linia energetica si linia piezometrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Determinarea vitezei de iesire a unui gaz printr-un orificiu al unui recipient 202.5 Curgerea fluidului printr-o diafragma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.6 Variatia debitului n functie de coeficientul de destindere, . . . . . . . . . 26

3.1 Principiul compensarii deplasarilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2 Exemplu: compensarea deplasarilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.3 Principiul compensarii fortelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.4 Principiul compensarii fortelor exemplu constructiv . . . . . . . . . . . . 313.5 Principiul compensarii momentelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.6 Sectiune printr-un capilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.7 Curba de separare dinre capilarele liniare si cele neliniare . . . . . . . . . . 353.8 Sectiune printr-o rezistenta variabila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.9 Capacitatea pmeumatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.10 Capacitatea pneumatica fixa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.11 Capacitatea pneumatica variabila . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.12 Inductanta pneumatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.13 Element activ de circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.14 Divizorul de presiune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.15 Divizorul de presiune variabil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.16 Amplificatorul ajutaj paleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.17 Caracteristica experimentala pentru amplificatorul ajutaj paleta . . . . . 473.18 Sistemul duzapaleta cu ejector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.19 Caracteristica experimentala a sistemului duzapaleta cu ejector . . . . . . 493.20 Amplificatorul pneumatic de presiune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.21 Structura amplificatorului pneumatic de putere . . . . . . . . . . . . . . . . 513.22 Amplificatorul de putere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.23 Circuit RC pneumatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.24 Golirea unui circuit RC pneumatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.25 Umplerea unui circuit RC pneumatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.26 Circuitul de ntrziere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

v

Lista de figuri

3.27 Circuitul proportional si circuitul proportional cu ntrziere . . . . . . . . 593.28 Circuit derivativ cu ntrziere de ordinul I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.29 Circuit derivativ cu ntrziere de ordinul II . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.30 Circuitul de extragere a radacinii patrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.31 Puntea Sorteberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683.32 Puntea Sorteberg - schema bloc pentru subansamblul dreapta . . . . . . . 683.33 Puntea Sorteberg - schema bloc pentru subansamblul stnga . . . . . . . . 683.34 Circuitul de ridicare la patrat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.1 Structura tipica a unei bucle de reglare automate . . . . . . . . . . . . . . . 714.2 Regulator cu burdufuri n linie. Legea de reglare P . . . . . . . . . . . . . . 744.3 Regulator P cu burdufuri n linie - schema structurala . . . . . . . . . . . . 744.4 Regulator cu burdufuri n cruce principu constructiv . . . . . . . . . . . 794.5 Regulator cu burdufuri n cruce. Decompunerea fortelor . . . . . . . . . . 804.6 Regulator cu burdufuri n cruce legea de reglare P . . . . . . . . . . . . . 814.7 Regiulator P cu burdufuri n cruce schema bloc functionala . . . . . . . . 824.8 Regulator cu burdufuri n cruce legea de reglare PI . . . . . . . . . . . . . 834.9 Regiulator PI cu burdufuri n cruce schema bloc functionala . . . . . . . 834.10 Regiulator PI cu burdufuri n cruce diagrama de semal simplificata . . . 834.11 Regulator pneumatic cu burdufuri n cruce obtinerea legii PID . . . . . 844.12 Regulator cu burdufuri n cruce schema bloc functionala . . . . . . . . . 854.13 Structura generala a unui traductor pneumatic . . . . . . . . . . . . . . . . 864.14 Structura funtionala a unui traductor pneumatic . . . . . . . . . . . . . . . 864.15 Principiul compensarii deplasarilor la traductoarele pneumatice . . . . . . 874.16 Principiul compensarii fortelor la traductoarele pneumatice . . . . . . . . 874.17 Principiul de functionare al traductoarele pneumatice . . . . . . . . . . . . 894.18 Element sensibil pentru regulatoare pe principiul compensarii deplasarii . 904.19 Detector de presiune diferentiala (AT 30) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904.20 Elemente de masura pentru presiune relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.21 Elemente de masura pentru presiune diferentiala . . . . . . . . . . . . . . . 914.22 Element de masura pentru temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914.23 Adaptorul deplasare presiune (PLT 370) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 924.24 Traductor pneumatic de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 934.25 Compensarea temperaturii mediului ambiant la traductorul de temperatura 944.26 Schema bloc functionala pentru traductorul de temperatura . . . . . . . . 944.27 Etalonarea traductorului de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 954.28 Traductorul pneumatic de presiune relativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 964.29 Traductorul pneumatic de presiune relativa. Schema bloc functionala . . . 964.30 Traductorul pneumatic de presiune diferentiala . . . . . . . . . . . . . . . . 974.31 Schema de montaj traductor de presiune diferentiala . . . . . . . . . . . . 1004.32 Convertorul electro pneumatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.33 Convertorul electropneumatic principiu de functionare . . . . . . . . . . 1034.34 Convertorul electropneumatic schema bloc functionala . . . . . . . . . . 1034.35 Convertorul electropneumatic caracteristica statica . . . . . . . . . . . . . 1034.36 Convertorul pneumo electric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.37 Principiul convertorului pneumatic analog digital . . . . . . . . . . . . . 1054.38 Convertorul pneumatic digital analog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

vi

Lista de figuri

4.39 Element de executie pneumatic cu membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . 1064.40 Structura elementului de executie cu membrana si pozitioner . . . . . . . 1074.41 Element de executie pneumatic cu membrana caracteristica statica . . . 1094.42 Element de executie pneumatic cu membrana s pozitioner . . . . . . . . . 1104.43 Element de executie pneumatic cu membrana s pozitioner diagrama

functionala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1104.44 Caracteristica statica a elementului de executie pneumatic cu membrana

s pozitioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.45 Pozitioner cu semnal de intrare pneumatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.46 Pozitioner cu semnal de intrare electric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1124.47 Element de executie cu piston, comandat cu un distribuitor pneumatic cu

sertar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1154.48 Evolutia deplasarii cilindrului si evolutia presiunii . . . . . . . . . . . . . . 1154.49 Ventil de distributie cu sertar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1224.50 Ventil electromagnetic etajat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.51 Supapa de retinere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.52 Separarea a doua elemente pneumatice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.53 Introducerea de temporizare pe alimentarea camerei C1 . . . . . . . . . . . 1254.54 Ventil cu comanda dubla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.55 Comanda unui cilindru pneumatic din trei puncte . . . . . . . . . . . . . . 1264.56 Ventil de reglare a vitezei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.57 Schema de comanda cu temporizare pe admisie . . . . . . . . . . . . . . . 1274.58 Supapa limitatoare de presiune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274.59 Ventil de strangulare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.1 Principiul de functionare al amplificatorului cu turbulenta . . . . . . . . . 1315.2 Caracteristica iesire alimentare si caracteristica iesire comanda pentru

amplificatorul cu turbulenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1315.3 Elementul NICI, principiu constructiv si simbolizare . . . . . . . . . . . . . 1325.4 Functii logice de baza realizate cu apmificatorul AUGER . . . . . . . . . . 1335.5 Aplificatorul cu devierea jetului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1345.6 Aplificatorul cu devierea jetului simetric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1345.7 Aplificatorul cu devierea jetului cu comanda diferentiala . . . . . . . . . . 1355.8 Aplificatorul cu devierea jetului cu ciocnire axiala . . . . . . . . . . . . . . 1365.9 Aplificatorul cu devierea jetului, reprezentare prin cuadripol static . . . . 1365.10 Efectul de perete (Coanda) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1375.11 Celula realizata cu efectul de perete (Coanda) . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385.12 Celula pasiva SI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1395.13 Element cu trei membrane USEPPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1405.14 Carcteristicile statice ale releului cu trei membrane USEPPA . . . . . . . . 1415.15 Functiile logice de baza realizate cu relee cu trei membrane . . . . . . . . . 1425.16 Releu cu doua membrane element logic universal . . . . . . . . . . . . . 1435.17 Element logic SAU cu doua membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.18 Element logic universal tabela de adevar 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1435.19 Element logic universal tabela de adevar 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1445.20 Functii logice realizate cu elemente cu doua membrane . . . . . . . . . . . 1445.21 Comanda unui cilindru pneumatic din trei puncte . . . . . . . . . . . . . . 145

vii

Lista de figuri

5.22 Obtinerea functiilor logice utiliznd ventile cu trei cai . . . . . . . . . . . . 1465.23 Functii logice realizate ventile cu trei si patru cai . . . . . . . . . . . . . . . 1465.24 Bistabilul T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.25 Bistabilul T realizat cu elemente logice cu turbulenta . . . . . . . . . . . . . 1485.26 Timpul de propagare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1485.27 Sumator binar realizat cu elemente logice pneumatice cu comutarea jetului 1495.28 Generator de semnale realizat cu comutatoare de nivel . . . . . . . . . . . 1505.29 Generator de semnale principiu de functionare . . . . . . . . . . . . . . . 1505.30 Trigger Schmitt fluidic schema de principiu . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515.31 Trigger Schmitt fluidic principiu de functionare . . . . . . . . . . . . . . . 1515.32 Circuit de ntrziere cu un tact schema de principiu . . . . . . . . . . . . 1525.33 Circuit de ntrziere cu un tact principiu de functionare . . . . . . . . . . 1525.34 Generatorul de impulsuri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.35 Numarator binar comutarea unui etaj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1545.36 Celula de numarator binar realizat cu doua porti INHIBITIE si o memorie 1545.37 Numarator logic binar celula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555.38 Etaj de numarator logic binar realizat cu celule logice cu pese n miscare . 1555.39 Instalatie de debitare pneumatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1575.40 Diagrama de functionare pentru instalatia de debitare . . . . . . . . . . . . 1585.41 Schemele simplificate ale lanturilor pneumatice de comanda . . . . . . . . 1595.42 Schema de principiu pentru instalatia de debitare . . . . . . . . . . . . . . 1605.43 Diagrama de miscare pentru instalatia de debitare . . . . . . . . . . . . . . 1615.44 Sistem de comanda pneumatic cu doi cilindri . . . . . . . . . . . . . . . . 1625.45 Programator cu came . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.46 Programator cu banda perforata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.47 Schema de legaturi pentru o masina cu 5 elemente de actionare . . . . . . 1655.48 Ciclu automat cu cilindri independenti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.49 Ciclograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.50 Diagrama Karnaugh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.51 Diagrama Karnaugh extinsa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.52 Schema logica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1685.53 Schemade comanda cu elemente logice pneumatice . . . . . . . . . . . . . 169

6.1 Statie de preparare a aerului instrumental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1726.2 Filtru ceramic sau cu cartus din material sinterizat . . . . . . . . . . . . . . 1736.3 Instalatie de distributie a aerului comprimat la mai multe posturi auto-

matizate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

viii

Lista de tabele

2.1 Valoare critica a numarului lui Raynolds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2 Coeficientul de pierderi locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1 Simbolizarea rezistentelor pneumatice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.2 Tipuri de rezistente pneumatice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3 Elemente elastice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.4 Circuite formatoare de semnal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.4 (Continuare) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.5 Circuite comparatoare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.1 Regulatoare PI, PD, PID cu burdufuri n linie . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.1 (Continuare) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.2 Traductoare pneumatice de presiune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 994.3 Conversie digital analogica cu 5 intrari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054.4 Variante constructive de cilindri pneumatici . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.5 Ventile cu scaun . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.6 Comanda ventilelor de distributie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.1 Tipuri de elemente logice pneumatice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1305.2 Functii logice obtinute cu celule cu devierea jetului . . . . . . . . . . . . . . 1385.3 Caracteristicile celulelor logice cu orientarea jetului . . . . . . . . . . . . . 1395.4 Tabelul de adevar al bistabilului T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.5 Tabelul de adevar al sumatorului binar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1495.6 Tabelul de adevar al numaratorului binar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

ix

Lista de tabele

x

Capitolul 1

Introducere

Utilizarea energiei hidraulice si pneumatice se face tot att de des n aplicatiile prac-tice, mai ales cele industriale, ca si energia electrica si mecanica. Faptul se datoreazaunor calitati specifice ale acestora, ceea ce le face sa fie preferate n anumite domenii.

1.1 Aspecte calitative ale aparaturii de automatizare cufluid

Echipamentele hidraulice prezinta urmatoarele avantaje:

Forta specifica a unui electromagnet construit din otel electrotehnic este pna la17.5 daN/cm2, sau n cazul constructiei acestuia din aliaje de cobalt si fier ajunge la22 daN/cm2. Pentru sistemele hidraulice cu motoare liniare sau rotative, presiuneade lucru uzuala ajunge la valori 150 300 daN/cm2, ea putnd ajunge la utilaje spe-ciale (prese folosite la sinteza diamantului) pna la cteva mii de daN/cm2 (1000 3000 daN/cm2). Se spune despre sistemele hidraulice ca fiind sistemele cu cea maimare densitate de energie.

Greutatea raportata la unitatea de putere (Kg/Kw) a masinilor hidraulice (mo-toare, pompe), este de pna la 10 ori mai mica dect n cazul masinilor electrice.Acest lucru este posibil, pe de o parte, datorita densitatii mari de energie (aliniatulprecedent) si pe de alta parte datorita faptului ca raportul moment motor/momentde inertie este la masina hidraulica (motor) de cca. 1000 fata de cca. 5 la mo-torul electric. Acest ultim aspect conduce la randamente mai bune pentru masinahidraulica, dar si la posibilitatea utilizarii lui n aplicatii de puteri mari, cu greutateredusa a echipamentului (bratele robotilor industriali).

Posibilitatea obtinerii unor cicluri automatizate de lucru si usurinta modificariicaracteristicilor acestor cicluri.

Obtinerea de forte si puteri mari cu mecanisme hidraulice simple si de gabarit mic,comanda usoara a acestor energii mari si controlul permanent asupra fortelor.

Posibilitatea obtinerii unor variatii continue a vitezelor mecanismului actionat siposibilitatea reglarii automate a vitezei n timpul functionarii, fara efecte si solici-tari dinamice mari.

1

2 ECHIPAMENTE PENUMATICE

Fata de actionarea electrica unde modificarea vitezei se face prin blocuri speciale(reductoare mecanice, variatoare de turatie etc.) la masina hidraulica modificareade viteza se face prin modificarea debitului (servovalva, regulator de debit etc.)permitnd o modificare continua n plaja wmin wmax (de obicei wmin = 0).

Posibilitatea plasarii comode a elementelor de actionare si comanda n locuri usoraccesibile.

Posibilitatea deservirii centralizate a unui grup de masini.

Principalele dezavantaje ale echipamentelor hidraulice sunt:

Pierderi liniare si locale de presiune, si deci de energie, care cresc cu patratulvitezei de deplasare a uleiului, ceea ce induce si limitari de viteza.

Influenta temperaturii asupra vscozitatii lichidului de lucru (ulei hidraulic) ceeace face necesara luarea n considerare a racirii acestuia (naturala sau fortata).

Viteza de transmitere a semnalului si distanta la care acesta este transmis este lim-itat fata de sistemele electrice.

Ca o concluzie, utilizarea sistemelor hidraulice de automatizare este recomandata,n principal, acolo unde se cer puteri (forte, cupluri) mari la o greutate redusa a echipa-mentului si cu precizie ridicata.

Echipamentele de automatizare pneumatice, dar si cele utilizate n actionari saucomenzi pneumatice, au urmatoarele avantaje:

Siguranta functionarii n medii cu pericol de incendii, explozie, sau acolo undeapar cmpuri perturbatoare: magnetice, termice.

Motoarele pneumatice sunt mai usoare dect cele electrice de aceeasi putere (pnade 10 ori mai usoare), cu mentiunea ca diferenta mare se ntlneste pentru mo-toarele cu miscare de translatie. Acest lucru justifica utilizarea motoarelor pneu-matice n constructia echipamentelor portabile.

Daca n cazul motoarelor electrice suprasarcina produce ncalzire si defectare (prinarderea bobinajului) la motoarele pneumatice suprasarcina are ca singur efect opri-rea functionarii acestuia, functionare ce se reia dupa reducerea sarcinii.

Lipsa pericolului de electrocutare pentru uneltele portative pneumatice ( masinide polizat, freza si turbina pentru cabinetele stomatologice etc.).

Posibilitatea reglarii n limite largi a vitezei si fortei (turatie si cuplul motor) prinmodificarea parametrilor aerului comprimat (debit si presiune).

Principalele dezavantaje ale echipamentelor pneumatice sunt:

Datorita compresibilitatii ridicate a aerului, nu se utilizeaza n aplicatii ce necesitaforte mari deoarece nu asigura precizie n pozitionare.

Distanta si viteza de transmitere a semnalelor este limitata (pentru distante: 250 morizontala, 150 m verticala), datorita ntrzierilor ce pot aparea, dar si diminuariisemnalului prin pierderi energetice liniare si locale.

Introducere 3

1.2 Principii constructive si functionale

Asa cum se observa n figura 1.1 echipamentele de actionare si cele de automati-zare pneumatice si hidraulice s-au dezvoltat n strnsa legatura cu aplicatiile indus-triale: pozitionari, reglarea vitezei, reglarea fortei, actionari si comenzi sub forma decircuite deschise (lanturi de comanda). Ele cuprind: generatoare (pompe hidraulice,compresoare pentru aer), motoare, elemente de comanda si distributie (distribuitore,servoelemente), aparate de masura si protectie (relee, aparate indicatoare si nregistra-toare, aparate de semnalizare etc.)

Urmatoarele principii constructive si functionale de baza pot fi enumerate:

Un sistem hidraulic, sau pneumatic este construit dint-un lant energetic ce pre-supune transformarea energiei: energia mecanica energia fluidului (pneuma-tica sau hidraulica) energia mecanica. Acest circuit nseamna ca un echipamenthidraulic (sau pneumatic) contine un generator de energie hidraulica (pneuma-tica) ce furnizeaza la iesire parametrii p si Q (presiune si debit) pe seama uneienergii mecanice la intrare si un motor hidraulic (pneumatic) care intervine ninstalatie cu o energie mecanica. Asa cum se observa n figura 1.1, ntre gener-atorul hidraulic (pneumatic) si motorul hidraulic (pneumatic) exista un elementde decizie (bloc comanda, bloc reglare, regulator mecanic, etc.) care da caracterulechipamentului: actionare, reglare automata.

Masinile pneumatice si hidraulice, din punct de vedere teoretic, functional, au car-acter reversibil, putnd functiona ca motor sau ca generator (pompa, compresor).Din punct de vedere constructiv, ele sunt realizate fie ca motoare, fie ca genera-toare.

La baza functionarii echipamentelor pneumatice si hidraulice stau legile specificepentru lichide si pentru gaze.

4E

CH

IPAM

EN

TE

PE

NU

MA

TIC

E

Ma ina

For

Generator

Hidraulic saupneumatic

Bloc deComand

Energie Hidraulicsau Pneumatic

Motor

H draulicPneumatici sau

Proces

Echipament

Energie

Primar

Energie

Mecanic

Energiehidraulic

Energiepneumatic

!

!

!

!

Motor Termic

Turbin

Motor Electric

Motor Eolian

Hidraulic

! Pomp Cinetic

!

!

Servoelemente

mplificatoareA

! Distribuitoare

!

!

Motorliniar

Motor hidraulicrotativ

hidraulic

! Turbin

!

!

Motor pn liniar.

Motor pn.rotativ

! Turbinpneumatic

!

!

!

!

Poziionarema

ncnavigaietransport

ControlVitez

Control For

Conducere

(,

,,,

etc.)

ini -

unelte

rctoare

!

!

Compresor Cinetic

Ventilator (cinetic)

H D

RA

UL

ICI

PN

EU

MA

TIC

! PompVolumetric

! CompresorVolumic

Figura 1.1: Comparatie ntre sistemele hidraulice si cele pneumatice

Introducere 5

1.3 Actualitatea echipamentelor pneumatice si hidraulice

Tehnica energiei hidraulice si a celei pneumatice a avut perioade de avnt, dar siperioade de stagnare. De exemplu, tehnica energiei hidraulice a cunoscut perioade dedezvoltare deosebita la nceputul si sfrsitul secolului XX (1900 1940; 1970 2000).

n deceniul opt al secolului douazeci o serie de autori de lucrari n domeniu: RichardC. Beercheck (editor de la revista "Machine Design" - SUA), prof. dr. J. Thoma (Elvetia),prof. dr. H. Weule (Germania) si-au pus ntrebarea privind sansa si perspectiva tehniciihidraulice n viitor. Aceleasi ntrebari s-au pus cu diverse ocazii si n privinta tehniciipneumatice.

Eforturile de reindustrializare din anii 1970 ale unor state, inclusiv SUA, au stimulataparitia unor utilaje noi pentru prelucrarea metalelor, a maselor plastice, precum si pen-tru manipularea materialelor (roboti industriali). Multe din aceste utilaje nu ar fi pututsa fie concepute fara puterea furnizata de componentele hidraulice.

Echipamentele hidraulice n functiune la ora actuala, n special cele legate de servo-valve si servopompe, au constituit "o a doua sansa" pentru energia hidraulica. Pierderilesi alte probleme ridicate de sistemele hidraulice anterioare au fost n mare masura re-zolvate.

Evolutii spectaculoase s-au nregistrat si n domeniul echipamentelor pneumaticeprivind: mbunatatirea raportului pret / calitate, aparatura n tehnica modulara, minia-turizare si cresterea vitezei de raspuns, legarea microelectronicii pentru partea de co-manda.

Competitivitatea sistemelor hidraulice si pneumatice de automatizare este condition-ata de aspecte ce tin de:

economisirea crescnda a energiei; folosirea extensiva a sistemelor de control electronice cu microprocesoare (micro-

calculatoarele); echipamente noi mai mici, mai economice si mai sigure, cu performante deosebite; noi fluide de lucru necombustibile si nepoluante (pentru echipamentele hidraulice).Multe din aceste probleme sunt rezolvate, la ora actuala, asa cum s-a aratat mai sus.

De exemplu realizarea unor fluide de lucru bazate pe apa HWBF 1 sunt o certitu-dine. Noile pompe cu piston produse de Sperry Vickers ajung la presiuni de 108 N/m2 cuHWBF si au fost testate pompe Parker-Hannifin pentru 1.7 108 N/m2. Micsorarea pierder-ilor n sistem este legata de marirea vscozitatii fluidului pe baza de apa prin utilizareaunei componente de ngrosare. Un asemenea lichid a fost introdus n fabricatie de firmaBASF Wyandotte si produce o vscozitate de 10 ori mai mare dect a HWBF-ului con-ventional.

E.F. Hougton and Co. a obtinut un produs care poate ndeplini mai multe functiunipentru un utilaj: fluid de racire, fluid hidraulic, n conditiile n care este anticorosiv sibiodegradabil (nepoluant).

Cercetari din deceniul opt al secolului XX la IOP Zurich si IHP2 Aachen au condusla realizarea unor fluide HFA (CETOP 3 recomanda pentru Europa utilizarea simbolului

1High Water Base Fluid (acronim, en.)2Institute of Hydraulic and Pneumatic Drive Systems (acronim, en.)3Comisia Europeana pentru Transmisii Oleo-Pneumatice


HFA n cazul fluidelor pe baza de apa) cu pna la 90% apa si aditivi sintetici biodegra-dabili care ndeplinesc functiile de mai sus.

Legarea microelectronicii de echipamentele hidraulice si pneumatice se perfectio-neaza rapid si este ceruta de industria robotilor, a masinilor-unelte etc., Acest fapt per-mite comenzi cu viteza mare, interconectare cu sisteme complexe electrice, n care exe-cutia se mentine hidraulica sau pneumatica (forte mari pentru sisteme hidraulice, sim-plitatea servo-motoarelor pneumatice). Utilizarea microprocesorului (microcalculator,controler etc.) se poate face n diverse variante:

a). Sistem n bucla nchisa. Avem de-a face cu un sistem de servoreglaj n care micro-procesorul nlocuieste sumatorul analogic sau digital si prelucreaza informatia deeroare.

b). Sistem cu microprocesorul n afara buclei, microprocesorul avnd aici rolul de pro-gramator pentru un sistem analogic conventional.

c). Sistem cu procesoare periferice. Microprocesorul lucreaza cu informatii din afara sis-temului, dar generate de operatiile acestuia.

d). Sistem adaptiv. Microprocesorulul asigura att dispozitivul de adaptare ct si mod-elul de referinta. Scopul este de a furniza cea mai buna varianta a raspunsuluisistemului, pentru schimbarile identificate ale acestuia.

e). Sistem redundant. Sistemul se bazeaza pe un calculator de comanda care are posi-bilitatea de a interpreta "esecurile" sistemului si n functie de tipul "esecului" si deactiunea care trebuie facuta, selecteaza canalele ce trebuie ntrerupte. n acest felesecurile minore nu vor cauza ntreruperea totala a sistemului.

f). Sistem cu comanda n timp optimal. Exista sisteme de pozitionare cu forta limitatacare cer timp minim de raspuns pentru orice schimbare de pozitie. n aceste sis-teme forta maxima este aplicata cnd elementul de executie parcurge jumatate dincursa sa, apoi se schimba polaritatea fortei aplicate pentru a opri elementul de ex-ecutie n punctul final specificat. Rolul pe care un microcalculator l poate avea nsistem este dublu. nti, el poate furniza un punct precis de comutare. n al doilearnd, el poate corecta punctul de comutare de la ciclu la ciclu, furniznd comandaoptima.

Ca urmare celor prezentate mai sus figura 1.2 prezinta structura bloc a unei axeservo-electro-hidraulice specifica constructiei unui robot industrial, iar figura 1.3 struc-tura unei axe servo-pneumatice (document Festo Pneumatik) utilizata n sisteme indus-triale de pozitionare.

Progrese importante s-au realizat si n obtinerea de echipamente cu fluid mai eco-nomice si mai sigure. n vederea reducerii consumului de energie s-au initiat cercetariprivind perfectionarea elementelor existente, dar si realizarea altora noi. S-au creat ser-vovalve la care puterea de comanda este sub 1 W, cum nu sunt de neglijat si valveleproportionale cu control electric care lucreaza la presiuni de 1 MPa, fata de 7 15 MPavalvele servo.

Rezolvarea unor probleme legate de etansari a condus la miniaturizarea compo-nentelor de sistem, n special a motoarelor, marirea puterii disponibile la iesire, m-bunatatirea dinamicii.

Introduce

re7

D

AA

Servovalv

Mhi

otordraulic

ReductorSARCIN

( )m, f, k

A

hidraulic

gregat

Traductor depoziie

ConvertorDigital -Analog

Amplificator

Semnal digitalSemnal electric

(tensiune) CurentDebit hidraulic Poziie

modificarevitez

Sistem HidraulicImpulsuri

Calculator

legzori

tura cu mediul(Sen )

w

r

+

-

y

Figura 1.2: Schema functionala a unei bucle servo-electro-hidraulice

8E

CH

IPAM

EN

TE

PE

NU

MA

TIC

E

Figura 1.3: Axa servopneumatica Document Festo Pneumatik

Capitolul 2

Aspecte teoretice generale privind fluidele

2.1 Generalitati

Fluidele se caracterizeaza prin proprietatea de a lua forma vasului n care se afla,prin deplasarea particulelor unele fata de altele, datorita unei forte de coeziune slaba.Cuprindem n categoria fluidelor lichidele si gazele care, n conditiile de lucru ale apara-turii hidro-pneumatice, au proprietatea de mai sus. Ca mediu de lucru hidraulic sepoate ntlni si metalul lichid la temperaturi de lucru nalte (exemplu: aliaj Eutectoid77% Na si 23% Ka, cu punctul de topire 12 C si punctul de fierbere 850 C).

n interiorul unui fluid n repaus apar numai eforturi normale pe suprafetele de con-tact. Exista proprietati care diferentiaza lichidele de gaze (ex. compresibilitatea ) ceeace face ca si comportarea lor n situatii speciale sa difere. Mai mult, exista notiunea degaz perfect si gaz real. Aplicarea ecuatiilor de stare de la gazul perfect la gazul real seface cu anumite corectii. Aceste aspecte ne duc la concluzia ca, desi, n general, se vadiscuta de fluide, n anumite situatii se vor particulariza problemele pentru gaze, saupentru lichide.

Evident ca si studiul aparaturii cu fluid pentru automatizari se va face n doua grupe:pneumatice si hidraulice, att datorita particularitatilor constructive ct si datorita celorfunctionale.

2.2 Proprietati caracteristice pentru fluide

2.2.1 Compresibilitatea

Prin compresibilitate se defineste proprietatea fluidului de a-si modifica volumulinitial V cu o cantitate V , la o variatie de presiune p si se exprima prin coeficientulde compresibilitate relativa () sau modulul de elasticitate volumica (EV ).

Se defineste:

= (VV

)p

= 1V V

p(2.1)

9


sau n modul:

|| =Vp

1V (2.2)Ultima expresie se mai poate scrie:

|p| = 1|| |V |V

(2.3)

relatie care exprima legea lui Hooke pentru compresibilitate volumica.Cu notatia: EV = 1|| avem:

EV =|p||V | V (2.4)

unde cu EV s-a notat modulul de elasticitate volumica. (Cnd nu se specifica altfel senoteaza cu E).

Observatii:

a). Modulul de elasticitate al fluidelor se poate calcula cu relatia (2.4) n cazulunui proces lent (izotermic) cnd are loc o egalizare a temperaturilor si Eeste considerat constant, caz acceptabil n cazul lichidelor la presiuni pnala 300 daN/cm2 ;

b). n cazul unei variatii rapide a presiunii procesul de comprimare este adia-batic si se calculeaza modulul de elasticitate adiabatic E0, plecnd de la re-latia vitezei sunetului n fluide:

c =

E0

(2.5)

unde c este viteza sunetului n fluid. Transformarea adiabatica este caracter-izata de relatia p v = const., unde v este volumul specific (v = V

M= 1

), iar

este indicele adiabatic (pentru aer = 1.4).c). Daca se tine cont de faptul ca n timpul comprimarii masa ramne constanta

(m = V = const.), avem:

dm = dV + V d = 0 (2.6)

Din relatiile (2.1), (2.5) si (2.6) se poate scrie:

d =dp

c2(2.7)

Conform acestei ultime relatii trebuie sa admitem ca lichidele sunt compre-sibile ( 6= const.), altfel viteza sunetului prin ele ar trebui sa fie infinita.Lichidele pot fi considerate incompresibile n raport cu gazele, dar compresi-bile n raport cu solidele.

Aspecte teoretice generale privind fluidele 11

Asupra modulului de elasticitate influenteaza temperatura si presiunea, iar n cazulspecial al lichidelor si aerul nedizolvat. Toti acesti factori se iau n calcul cu ajutorulunor relatii de corectie. Asemenea relati se prezinta n continuare pentru lichide.

a). Influenta presiunii:

Ep = 12.5 (p+ 1000)[daN

cm2

]

b). Influenta temperaturii:

Et = EV [1 kt (t t0)][daN

cm2

]

c). Influenta continutului de aer nedizolvat:

E V = EV 1

1 + VaV EVp

[daN

cm2

]

n aceste relatii s-au notat:

Ep - modulul de elasticitate la presiunea p;

Et - modulul de elasticitate la temperatura t;

EV - modulul de elasticitate volumic;

E V - modulul de elasticitate volumic corectat (EV se considera la temperatura de15 C);

kt - coeficient functie de temperatura (cu valoare 0.9 pentru apa; 0.85 pentru uleimineral);

Va - volumul de aer nedizolvat;

V - volum total de aer plus lichid (pentru aplicatii practice se recomanda Va/V cr, regimul subcritic si calculul debitului de face cu relatia (2.33);

b). = cr, regimul critic si calculul debitului se face cu relatia:

Q = Cd S0 p1

gR T1

(2

+ 1

)+11

(2.35)

obtinuta din relatia (2.33) prin nlocuirea lui cu cr.

c). < cr, regimul supracritic si calculul debitului se face cu relatia (2.35).

n cazul aerului cr =(p2p1

)cr

= 0.528.

Capitolul 3

Elemente de circuit si circuite pneumaticeanalogice

3.1 Generalitati

Echipamentele pneumatice se obtin din interconectarea unor elemente de circuit ac-tive, sau pasive, dar si elemente elastice. Functionarea unor asemenea circuite, sauechipamente, are la baza un sistem de ecuatii care descriu:

miscarea fluidului (conservarea debitului); ecuatii de echilibru mecanic (forte, cupluri), pentru componente n miscare.

Indiferent de ipotezele simplificatoare cu care se lucreaza, se obtin ecuatii neliniare sirezolvarea lor presupune metode specifice. Din nevoia de a lucra mai rapid, mai simplu,s-au cautat metode de analiza liniara, specifice circuitelor electrice n curent continuu.

Liniaritatea circuitelor pneumatice se poate admite n conditiile unor variatii miciale parametrilor (si semnalelor) n jurul unui punct optim de functionare al caracteris-ticii. Aceasta ar nsemna elemente de circuit liniare, gen rezistenta pneumatica, capa-citate si inductanta pneumatice. ntr-un asemenea caz se poate aplica analogia electro-pneumatica:

p uq i

Analogia electropneumatica face parte din analogia electromecanica: analogulfortei este tensiunea si analogul vitezei este curentul (este o analogie de tipul I u f ;i w n care raportul f/w se numeste impedanta mecanica). Conditia de a alege marimianaloage este ca produsul lor sa reprezinte o putere [ ]:

Pe = u i (puterea electrica)Pm = f w (puterea mecanicaa)Pp = q p (puterea n circuitele pneumatice)

Desi analogia electropneumatica aduce simplificari importante n calculul circuitelorpneumatice, nu se poate face generalizarea ei la toate circuitele, acolo unde neliniari-tatile trebuie luate n seama.

27


3.2 Principii constructive ale aparaturii pneumatice de au-tomatizare

3.2.1 Compensarea deplasarilor

Principiul compensarii deplasarilor se enunta astfel: "deplasarea determinata demarimea de intrare (l1) este compensata cu o deplasare determinata de marimea deiesire (l2)." si se poate urmari n figura 3.1. n aceasta figura l31 si l32 sunt deplasari alepunctului C , datorate deplasarilor l1 si l2, si se determina conform schemei din figura3.1.c.

Figura 3.1.b prezinta o schema de montaj cu elemente specifice. Burduful B1, ncare se aplica semnalul de intrare de presiune p1, determina deplasarea l1 n punctul Bal prghiei AB, respectiv l31 n punctul C . Modificarea distantei ajutaj paleta deter-mina semnalul de iesire p2. Acesta prin intermediul burdufului B2, produce deplasareal2 n punctul A al prghiei AB, respectiv l32 n punctul C. Rezultatul este o compen-sare a efectului semnalului de intrare, prin intermediul reactiei de la semnalul de iesire.Schema bloc din figura 3.1d conduce la o functie de transfer:

H(s) = S 1k ba+ b

kA1 + kA aa+b 1k S

n conditia kA 1, aceasta functie de transfer devine:

H(s) =b

a(3.1)

si este o constanta de proportionalitate. Modificarea se face din bratul b, n sensul capunctul de actionare al burdufului de reactie poate culisa pe prghie.

Un exemplu de utilizare a principiului compensarii deplasarilor este la regulatoarelepneumatice locale [], si se poate urmari n figura 3.2. La aceste tipuri de regulatoarepneumatice, elementul de masura (M) este inclus n constructia regulatorului si in-tervine cu o deplasare la amplificatorul ajutaj paleta. Semnalul modelat de ajutaj paleta este modificat de amplificatorul de putere (A) si furnizat ca semnal de iesire pe.Compensarea deplasarii determinate de semnalul de intrare se realizeaza cu o deplasaredeterminata de semnalul de iesire pe prin ansamblul burduf (B) arc elastic (R).

Principalele caracteristici ale echipamentelor pneumatice care utilizeaza principiulcompensarii deplasarilor sunt:

deplasari relativ mari (ordinul mm); caracteristica de functionare neliniara; circuitul de masura este inclus n bucla.

Elemente de circuit si circuite pneumatice analogice 29

(a)

C

B A

l1 l2

l31 l32

l3=l31-l32

(b)

C

B

Al1

l2

B1

s

B2

s

p1

l3

p2

R0

a b

C AB

l1

B

C

ba

ba

bll

13 1

l31

(d)

l32

p1S

k

1

ba

b

Ak

ba

a

k

1S

p2l1 l31

+ -

(c)

Figura 3.1: Principiul compensarii deplasarilor


R

M

A

B

p0

pe

R0

pc1

Figura 3.2: Exemplu: echipament pneumatic cu compensarea deplasarilor

3.2.2 Compensarea fortelor

Principiul compensarii fortelor se enunta: "forta determinata de marimea de intrareeste compensata cu o forta determinata de marimea de iesire" si se poate urmari n figura3.3.

Ca o particularitate constructiva, prghia portpaleta este fixata printr-un elementelastic (EE) puternic nct semnalele determinate de marimile de intrare si iesire suntforte si nu deplasari. Particularitatile functionale ale acestui sistem sunt:

deplasari foarte mici (de ordinul micronilor [m]);

precizia mult mai buna dect la aparatele pe principiul compensarii

deplasarilor.

Figura 3.4 prezinta un exemplu constructiv.

n acest caz marimea de intrare intervine cu forta F1, care, actionnd prin intermediulprghiilor (2 ), (3 ), (4 ) si a cursorului (C) modifica distanta ajutaj paleta (h). Semnalulde iesire p2 intervine cu forta F2 care readuce paleta n pozitia de functionare dorita.

H(s) =p2(s)

p1(s)=S1S2,

daca 1 1/ke k


F2

F1

F3=F

1-F

2

Element

elastic

(a) Principiu

p0R

0

p2

F2

F1

p1

Element

elastic

S1

S2

(b) Realizare

F2

p1S1 k

ek

1

S2

p2F1

+ -

h

(c) Diagrama de semnal

Figura 3.3: Principiul compensarii fortelor

R

M

A

B

p0

p2

R0

pc1

C

F1

h

F2

24

3

Figura 3.4: Principiul compensarii fortelor exemplu constructiv


3.2.3 Compensarea momentelor

Principiul compensarii momentelor este un caz particular al principiului compen-sarii fortelor si se poate urmari n figura 3.5.

F1 F

2

M1 M2

M3

=M1

-M2

(a) Principiu

F

F1 F2

p1

p0

p2

R0

a b

SS

(b) Realizare

p11

S a Akk

1

a

1

b2

S

p2F1

F2

F

M1

M2

M3

+ -

(c) Diagrama de semnal

Figura 3.5: Principiul compensarii momentelor

Fata de cazul precedent fortele determinate de semnalele de intrare si iesire actioneazaprin intermediul unor brate a si b, respectiv sub forma de momente. Acest lucru faceposibila obtinerea unei functii de transfer:

H(s) =S1 aS2 b , (3.2)

respectiv un element proportional, cu amplificare variabila functie de bratul b (burdufulde reactie poate culisa n lungul prghiei).


3.3 Elemente pasive de circuit

3.3.1 Rezistente pneumatice

Rezistentele pneumatice, cunoscute si ca elemente de strangulare care produc o ca-dere de presiune ntre intrarea si iesirea din ele, sunt caracterizate de o relatie Q =f(p), unde p = p1 p2 este tocmai caderea de presiune. Aceasta relatie da si carac-terul rezistentei pneumatice: liniara sau neliniara, aspect legat si de felul curgerii prin ea:laminara sau turbulenta.

n practica se utilizeaza si rezistente pneumatice mixte (compuse) ale caror caracter-istici de baza le permit sa functioneze att ca rezistente laminare (liniare), ct si turbu-lente (neliniare).

3.3.1.1 Rezistente pneumatice liniare

Rezistentele pneumatice liniare corespund tuburilor capilare, la care curgerea gazu-lui (aerului), n regim permanent, este laminara si caracteristica Q = f(p) este liniara.n acest caz se defineste rezistenta pneumatica:

Rp =p

Q, (3.3)

unde p = p1 p2.Conditiile de existenta ale unei rezistente pneumatice liniare sunt:

viteza fluidului si variatiile de viteza n rezistenta sunt mici; pierderile locale la intrarea si iesirea rezistentei sunt neglijabile n raport cu

cele liniare (de frecare vscoasa); raportul l/d este mare.

l

d

p1p2

(a) sectiune longitudinala

2

d

r

d

edS

dr

(b) sectiune transversala

Figura 3.6: Sectiune printr-un capilar


n figura 3.6(b) este prezentata o sectiune marita prin capilar si n cadrul ei elementulde arie dSe, respectiv:

dSe = r dr d

Debitul masic elementar va fi:

dQme = w dSe = w r dr d (3.4)

unde

w este viteza fluidului;r = d

2

Limitele de variatie pentru dr si d sunt:

dr = 0 d2

d = 0 2pi

Se obtine succesiv:

Qm = 2pi d2

0

w r dr

si cu w din relatia Darcy-Weissbach (curgere laminara):

p = p1 p2 = ld w2

2 = 64

wd l

d w2

2 ,

w = d2

32l (p1 p2)

unde s-a nlocuit = ,

Qm = pi d4

128 l (p1 p2) (3.5)

Din relatia Rp = pQ , avem:

Rp =128 lpi d4 (3.6)

Dupa cum s-a vazut n conditiile de existenta a rezistentelor liniare, viteza fluxu-lui de aer trebuie sa fie mica si raportul l/d mare. ndeplinirea acestor conditii duce laun numar Re < Recr . n caz contrar avem de-a face cu rezistente neliniare. Curba deseparare a zonei capilarelor liniare de cele neliniare este prezentata n figura 3.7.


0.8

0.4

0

10 30 50 70 90 l[mm]

d[mm]

liniar

neliniar

Figura 3.7: Curba de separare dinre capilarele liniare si cele neliniare

Fata de conditiile de existenta a rezistentelor pneumatice liniare impuse, mai exista oconditie, ca lungimea rezistentei (capilarului) sa fie mai mare dect lungimea sectoruluiinitial l > Li. Prin sector initial (Li) se ntelege acea portiune a canalului rezistenteipneumatice, pe a carei lungime orice perturbatie, care apare la introducerea aerului ncanal, se atenueaza. De asemenea pe sectorul initial se formeaza curgerea laminara.

Lungimea sectorului initial a capilarului este data de:

Li = 0.029 d Re (3.7)

Observatii:

a). Pe rezistenta capilara exista o diferenta de presiune limita, de la care n suscurgerea devine turbulenta:

p1 p2 = ld w

2

2 ,

undew se nlocuieste n functie deRecr (numarul Reynolds critic), coeficientul prin 64

Recrsi =

. Se obtine:

(p1 p2)lin = 32 Recr l 2d3 (3.8)

b). Variatia parametrilor functionali sau constructivi ai rezistentelor utilizate naparatura pneumatica duce la modificarea sensibila a caracteristicilor fun-ctionale. Astfel, daca diametrul capilarului creste de la d = 0.2 mm la d =0.23 mm, debitul se modifica de 1.7 ori.

n figura 3.8 este prezentata o rezistenta liniara reglabila, la care obturatorul (2 ) sepoate deplasa n interiorul partii fixe (1 ).


x

Dd

1

2

(a) sectiune longitudinala

2r

r

d

edS

dr

1r

(b) sectiune transversala

Figura 3.8: Sectiune printr-o rezistenta variabila

Trebuie ndeplinite aceleasi conditii de existenta ca n cazul precedent, inclusiv x >Li. Se poate scrie, cu referire la figura 3.8(b):

dSe = r dr d,

si

dQm = w r dr d (3.9)

unde dr variaza ntre r1 si r2 (d = 2 r1 si D = 2 r2), iar d variaza ntre 0 2pi.Pentru calcul se introduce asa numitul diametru echivalent (sectiunea capilarului de

diametru echivalent de identica cu sectiunea inelara din figura 3.8(b)).

pi d2e4

= pi r22 pi r21sau

d2e = 4(r22 r21

)

n aceste conditii:

p1 p2 = lde w

2

2

si:

w =p1 p232 l d

2e =

p1 p232 l 4

(r22 r21

)

nlocuind n (3.9):

Qm =

2pi0

d

r2r1

p1 p232 l 4

(r22 r21

) r dr


Qm =pi

8 l (p1 p2) D2m (3.10)

unde: = r2 r1(fanta)Dm = r2 + r1(diametrul mediu)

n final se obtine:

Rp =8

pi D2m 2 x (3.11)

unde n loc de l s-a introdus x.

Observatie:Rezistentele pneumatice neliniare se obtin n cazul unei curgeri turbulente, cnd l d1 (constructiv) si h > h0 (functional) si poatefi urmarit n figura 3.18(a). Presiunea p3 devine mai mica dect presiunea de iesire si areloc la o inversare a sensului de curgere a debitului la iesire, nct prin suprafata S2 vaiesi n atmosfera un debit mai mare dect cel la alimentare.

Caracteristica statica din figura 3.18(b) pune n evidenta o zona cu semnal negativ.Este zona n care debitul de iesire este mai mare dect debitul de la alimentare pe seamamediului la care este legata iesirea amplificatorului. O aplicatie posibila a acestuia poatefi asa numitul ventilator static care evacueaza aerul dintr-o incinta n care pot apareasubstante toxice si eventual cu pericol de explozie ceea ce face dificila utilizarea unuiventilator electric.

11, pS

4

2

1

1

dS

(

)

4

2

3

3

dS

*

+hdS ,-.32 /

0p

ep

3d

1d

33, pS

atp

h

021

atppS 22 ,

(a) sectiune

hh0

pep0

pat

03

atp

(b) caracteristica

Figura 3.18: Sistemul duzapaleta cu ejector

Caracteristica statica se poate obtine pe baza relatiei:

S2S1

=1

2 S1S2(

S1S3

)2+ pe

p0pe

(3.29)

unde:

S1 =pi d21

4; S2 = pi d3 h; S3 = pi d

23

4


(a se vedea si figura 3.18(a)).n figura 3.19 este prezentata o caracteristica experimentala pentru un sistem duza-

paleta cu ejector (document H. Tpfer []).

0

-0.2

40

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0o

e

p

p

465

mh 7

80 120 160 200

(a) caracteristica experimentala

4 7

h11 , dS

22, dS

3d

0p

ep

M P ap

S

S

m md

m md

1.0

5.2

1

2 0.1

7 5.0

0

2

1

3

1

8

9

:

;

(b) sectiune

Figura 3.19: Caracteristica experimentala a sistemului duzapaleta cu ejector (dupa H.Tpfer, [16])

3.4.2 Amplificatorul pneumatic de presiune

n figura 3.20 este prezentata o varianta constructiva de amplificator de presiune lacare coeficientul de amplificare poate ajunge la valori de 200 400.

Principial, avem de-a face cu un divizor de presiune pe traseul p0, R0, incinta D,duza-paleta, atmosfera. Semnalul de iesire de la divizor, pe, depinde de distanta (h)dintre ajutaj paleta (rezistenta duza-paleta este variabila), iar aceasta distanta se mod-ifica functie de valoarea presiunilor p1 si p2 care actioneaza pe membranele elastice M1si M2.

Presiunea p1 provine de la divizorul R1 R2 pe seama semnalului de intrare pi.

1 (pi p1) = 2 (p1 pat) (3.30)

si cu pat = 0 (presiune de referinta):

p1 = pi 11 + 2

(3.31)


R2 ( )2R1 ( )1

pi

R4 ( )4 R3 ( )3

A

B

C

D

M1

M2

R0

pat

pe

p1

p2

p0

Figura 3.20: Amplificatorul pneumatic de presiune

Semnalul p2 este considerat ca un semnal de reactie si provine de la divizorulR3 R4pe seama semnalului de iesire pe:

3 (pe p2) = 4 (p2 pat) (3.32)

si la fel, cu pat = 0:

p3 = pe 33 + 4

(3.33)

unde i, i = 1, ..., 4 sunt coeficienti de debit ai rezistentelor pneumatice.Echilibrul sistemului (regimul stationar) se obtine cnd fortele de presiune datorate

semnalelor p1 si p2 sunt egale.

p1 S1 = p2 (S1 S2) (3.34)

n final:

pe =S1

S1 S2 1 (3 + 4)3 (1 + 2) pi (3.35)

n relatia 3.35:

K =S1

S1 S2 1 (3 + 4)3 (1 + 2) (3.36)

reprezinta coeficientul de amplificare n presiune (cstigul static).


3.4.3 Amplificatoare pneumatice de putere

Aceste elemente active realizeaza o amplificare semnificativa n putere, dar si o sep-arare ntre marimea de intrare si iesire. Ele pot realiza amplificari n presiune de 15 20 bar si pot controla debite pna la 1000 m3/h.

Exista amplificatoare de putere cu consum permanent de aer si amplificatoare cuconsum intermitent. Consumul de aer mai mare la prima categorie este compensat deo dinamica superioara n functionare. De asemenea, exista o multitudine de varianteconstructive legate n special de firmele producatoare de aparatura pneumatica.

n figura 3.21 este prezentat un amplificator pneumatic de putere, inclus n con-structia regulatoarelor pneumatice de tablou F-AB, F-BB, fabricatie IEPAM Brlad

A

B

C

D

E

M1

M2

M3

pe

p0

pat

pi

Ro

hpat

R

1

2

Figura 3.21: Structura amplificatorului pneumatic de putere

Iesirea din sistemul comparator-preamplificator la regulatoarele de tablou, are ovariatie de 0.04 bar. Deoarece marimea de iesire din regulator (comanda) trebuie sa fievariabila n domeniul unificat 0.21 bar, este necesara introducerea amplificatorului deputere.Si n cazul acestui amplificator este utilizat ca principiu functional cel al divizoruluide presiune (figura 3.22(a)) ce se poate urmari pe traseul p0, camera C, rezistenta con-cilindru R1, iesirea pe, rezistenta bila-cilindru R2), camera B, atmosfera. Modificareadivizorului se face cu semnalul pi aplicat n camera A asupra membranei elastice M1.


Amplificatorul de putere prezent n constructia regulatoarelor F-AB, F-BB mai esteprevazut cu un sistem de stabilizare a semnalului de iesire n cazul unor variatii alepresiunii de alimentare n limitele 10% (1.4 bar10%). n acest scop, presiunea de ali-mentare este introdusa simultan n camerele C siE ale amplificatorului pe fetele lateraleale unei capsule elastice formate din membranele M2 si M3 si cu camera de legatura Dconectata la atmosfera.

(a) amplificatorul ca divizor de presiune (b) caracteristica (2 ) cu si (1 ) fara com-pensarea variatiilor presiunii de ali-mentare

Figura 3.22: Amplificatorul de putere: circuitul echivalent si caracteristica statica

Prin dimensionarea corespunzatoare a suprafetelor efective ale membranelor M2 siM3 se poate face n asa fel nct semnalul de iesire sa depinda numai de rezultantafortelor create pe cele doua fete ale membranei M1 de presiunea atmosferica si respec-tiv semnalul de intrare n amplificator. n figura 3.22(b) este prezentata diagrama defunctionare cu si fara compensarea variatiilor presiunii de alimentare.

Amplificarea realizata este:

K =pepi

=1 0.2

0.24 0.2 = 20


3.5 Elemente elastice

Elementele elastice se utilizeaza n constructia aparaturii pneumatice, n special caelemente sensibile, care prin forma si proprietatea materialului de constructie se de-formeaza sub actiunea unui element exterior. ntre deformatie si semnal se stabileste oanumita dependenta liniara, sau neliniara, dependenta ce constituie caracteristica ele-mentului. n aplicatiile pentru automatica intereseaza zona liniara a caracteristicii.

Forma si calitatea materialului le confera urmatoarele proprietati:

acumuleaza o cantitate mare de energie mecanica; fortele si momentele create de ele sunt proportionale cu deformatia elastica, fara

sa depinda de pozitia n spatiu a elementului; greutate si gabarit redus; pulsatie proprie mare.Parametrul care caracterizeaza comportarea elementului elastic este rigiditatea k, definita

ca raportul dintre cresterea sarcinii (forta, moment) si cresterea deformatiei (liniara,unghiulara).

La deformare liniara avem:

k =dF

dx

n timp ce pentru o deformare unghiulara:

k =dM

d

n practica se mai utilizeaza si inversul rigiditatii 1/k, definit de relatiile inverse demai sus. Pentru zona liniara a caracteristicii, acesti parametri sunt constanti.


Tabelul 3.3 Elemente elastice

Tip Forma Variante Observatii

Membraneelastice

a) Membrana simpla;

b) Membrana cu gofrasi saiba de rigidizare;

c) Membrana dubla;

d) Membrana ondu-lata;

Sef =pi3 (

D2

4 +Dd4 d

2

2

)

D - diametrul membranei;d - diametrul saibei derigidizare;

Sef - suprafata efectiva;

Capsuleelastice

a) Capsula simpla;

b) Capsula dubla(multipla);

a)calcul similar membranelorondulate;lucreaza la diferenta de pre-siune;

b)multiplica deplasarea laacelasi semnal;

Burdufurielastice

Burduf cu gofre active

Sef =pi4 (

d2 +

D2

)2;

= 2 n A Fc(D2 )

2

Eh3;

n - numarul gofrelor active; - ?????? sageata????;Fc - forta;E - modulul de elasticitate;

A =3(12)

4pi [m21

m2 4lmn2

m21

];

m = Dd

; - coeficient Poisson;


3.6 Aplicatii ale elementelor pasive si active de circuit

3.6.1 Circuite RC pneumatice

Asa cum s-a precizat la definirea capacitatii pneumatice, ea are sens fizic numai ncombinatie cu rezistente pneumatice. Umplerea si golirea unei capacitati pneumaticeprintr-o rezistenta pneumatica se face dupa caracteristici dinamice similare ca la ncar-carea si descarcarea unui condensator electric printr-o rezistenta.

Figura 3.23: Circuit RC pneumatic

n figura 3.23 se prezinta un circuit RC pneumatic, unde capacitatea, de tip nfundata,este caracterizata de volumul V si presiunea p.

a). Golirea

Se presupune ca pi = pat = 0, situatie n care presiunea din incinta este o suprapre-siune (fata de atmosfera). Pentru situatia din figura, relatia de curgere prin rezistentaconstanta este:

Q =dG

dt= (pi p) = p (3.37)

ceea ce practic nseamna sens invers celui din figura pentru debit.Cu s-a notat coeficientul de debit al rezistentei. Pe de alta parte, n cazul unui

proces izotermic, pe baza ecuatiei generale a gazelor:

p V = G R T

se poate scrie:

dG

dt=

V

R T dp

dt(3.38)

ceea ce reprezinta debitul gravimetric de iesire (variatia n timp a greutatii aerului dincapacitatea pneumatica)

Din egalarea relatiilor 3.37 si 3.38 se obtine:

V

R T dp

dt+ p = 0, (3.39)


o ecuatie diferentiala omogena, cu solutia:

p = Ce RTV t (3.40)

Daca notam:

=V

R T (3.41)

si determinam C din conditii initiale t = 0, p = p, unde p este presiunea din capacitatela momentul initial, se obtine:

p = p e t (3.42)

si este reprezentata grafic n figura 3.24.

0 t

p

p*

0, comanda creste pna la o valoare desaturatie, egala cu presiunea de alimentare, 1.4 bar n cazul echipamentelorpneumatice, iar pentru a < 0 comanda se reduce la valoarea zero a presiunii.

b). KR, Ti, Td, definiti ca parametri de reglaj, se definesc drept: coeficientulde amplificare, constanta de timp a actiunii integrale, constanta de timp aactiunii derivative. Ei sunt variabili ntr-o anumita plaja si permit acordareaexperimentala a regulatorului.

n practica, n loc de KR, se poate utiliza si termenul de "banda de proportionalitate",notata BP si definita astfel: procentul din domeniul marimii a pentru care un regulatorP produce o marime egala cu 100% din domeniul posibil al marimii de iesire.

BP =100

KR=domeniu c

domeniu a

1acronim pentru Proportional Integral Derivativ

Echipamente pneumatice analogice de automatizare 73

Pentru semnal unificat pneumatic, cnd cele doua domenii sunt egale (0.2 1 bar):

BP =100

KR(4.2)

n configuratia unui regulator pneumatic se ntlnesc urmatoarele elemente obliga-torii: blocul de prescriere a intrarii, blocul de comparare, preamplificatorul, amplifica-torul de putere, circuite de corectie, blocurile auxiliare pentru: indicare, calcul abatere,comutare automat manual, semnalizare etc.

Legile de reglare la regulatoarele pneumatice se obtin cu ajutorul circuitelor de corectie(formatoare de semnal) n diverse moduri. La regulatoarele cu burdufuri n linie (sis-temul Telepneu al firmei Siemens) avem urmatoarele variante:

legea P cu o reactie negativa printr-un divizor de presiune; legea I se introduce cu o reactie pozitiva locala printr-un circuit de ntrziere de

ordinul 1, sau printr-o reactie locala negativa printr-un circuit derivativ cu ontrziere de ordinul I;

legea PI se obtine din combinarea celor doua efecte precedente; legea PD cu ajutorul unei reactii negative, printr-un circuit de ntrziere de or-

dinul I; legea PID se poate obtine n doua moduri:

- cu o reactie negativa printr-un circuit RC legat n serie cu circuitul RC pentruactiunea integrala;

- prin folosirea unui regulator PI la care marimea de reactie principala se aducela comparator printr-un bloc PD la care KP = 1.

4.1.1 Regulatoare cu burdufuri n linie

Sunt regulatoare construite pe principiul compensarii fortelor. Comparatorul inclusn ansamblul regulator, este realizat cu burdufuri dispuse n linie, la fel fiind dispuse siburdufurile care preiau semnalul circuitelor de corectie pozitiva si negativa locale.

4.1.1.1 Legea de reglare P

n figura 4.2 este prezentata schema constructiva de principiu a unui regulator cuburdufuri n linie (Telepneu), care realizeaza legea de reglare P.

Se pun n evidenta urmatoarele blocuri:

- comparator (B1, B2 si reazemul O);- preamplificator ajutaj paleta;- amplificator de putere (A);- circuit de corectie negativa (divizor R1, R2 si burduful B3).


Figura 4.2: Regulator cu burdufuri n linie. Legea de reglare P

Pentru deducerea legii de variatie a semnalului de comanda pc, functie de abatere,se fac urmatoarele precizari:

- constanta de rigiditate echivalenta: burdufuri, elemente elastice este Ke;- se neglijeaza ntrzierile introduse de amplificatorul ajutaj clapeta si ampli-

ficatorul de putere, nct functiile lor de transfer sunt K1 si K2 (elemente pro-portionale).

n figura 4.3 este prezentata schema structural functionala, pe baza careia se deducefunctia de transfer.

Figura 4.3: Regulator pneumatic cu burufuri n line. Schema structurala pentru legea dereglare P

Marimile care intervin sunt date de relatiile:

Mw = pw S a1My = py S a2

iesirea de la comparator (abaterea):

M = Mw My

My 1a

= F


distanta ajutaj paleta:

h = F 1Ke

pc1 = K1 h

pc2 = K2 pc1

p3 =R1

R1 +R2 pc

M3 = p3 S a3

Functia de transfer:

H(s) =pc(s)

M(s)=

1a 1

KeK1 K2

1 + 1a 1

KeK1 K2 a3 S R1R1+R2

Deoarece:

1 1a 1Ke

K1 K2,

aceasta se neglijeaza n expresia de la numitor si se obtine n final:

H(s) =1

a3 S R1 +R2R1

= KR (4.3)

ceea ce nseamna o lege de variatie de tip proportional.Modificarea amplificarii KR (coeficient sau banda de proportionalitate) se face din

divizorul de presiune (una din rezistente este reglabila) sau din bratul a3 (posibilitate dedeplasare laterala a burdufului de corectie B3).

n tabelul 4.1 se prezinta mai multe variante de legi de reglare (PI, PD, PID) obtinuten cazul regulatoarelor cu burdufuri n linie.

76E

CH

IPAM

EN

TE

PE

NU

MA

TIC

ETabelul 4.1 Regulatoare pneumatice cu burdufuri n linie - obtinerea legilor de reglare PI, PD, PID

Legea PI Legea PI (varianta 2)S

c

h

e

m

a

c

o

n

s

t

r

u

c

t

i

v

a

S

c

h

e

m

a

b

l

o

c

f

u

n

c

t

i

o

n

a

l

a

F

u

n

c

t

i

a

d

e

t

r

a

n

s

f

e

r

HPI (s) =pc (s)

M (s)=

1a3S

R1 +R2R1

1 R1 +R2R1

1a3S

a4S 1Tis+ 1

La numitor, daca R2 R1 si a3S = a4SHPI (s) = KR

(1 + 1

Tis

); cu Ti = R1C1

HPI (s) =1a

1ke K1 K21 +

is

s+ 1K1 K2

HPI (s) =1a 1

ke(1 + 1

is

)unde 1 K1 K2 si i = RiCi

(Reactie printr-un circuit derivativ cu ntrziere)

Echipa

mente

pne

um

aticeanalogice

deauto

matiza

re77

Tabelul 4.1 CONTINUARE - Regulatoare pneumatice cu burdufuri n linie - obtinerea legilor de reglare PI, PD, PID

Legea PD Legea PID

S

c

h

e

m

a

c

o

n

s

t

r

u

c

t

i

v

a

S

c

h

e

m

a

b

l

o

c

f

u

n

c

t

i

o

n

a

l

a

F

u

n

c

t

i

a

d

e

t

r

a

n

s

f

e

r

HPD (s) =

1a

1Ke

K1 K21 +

1

a 1Ke

K1 K2 a3S 1Td s + 1

H (s) = a3S (1 + Td s)Td = Rd Cd; 1


4.1.2 Regulatoare cu burdufuri n cruce

Avnd o constructie mai pretentioasa dect regulatoarele cu burdufuri n linie, reg-ulatoarele cu burdufuri n cruce sunt mai precise si mai sigure n functionare. n cadrulacestui paragraf se vor detalia regulatoarele cu burdufuri n cruce din seria Flexair (vari-anta IEPAM Brlad, preluata prin licenta de la KentTieghi) avnd schema constructiv-functionala n figura 4.4.

4.1.2.1 Principiul functional

[Conform prospect IEPAM]Elementul principal l constituie comparatorul preamplificator, format din:

burdufurileB1 siB2 pentru marimile de intrare si masurata (comparator propriu-zis);

burdufurile B3 si B4 pentru corectiile pozitiva si negativa (reactii locale ce asig-ura obtinerea legilor de reglare);

preamplificator ajutaj paleta (A1); amplificator de putere (A2).

Denumirea de regulator cu burdufuri n cruce vine de la pozitia celor patru bur-dufuri (B1 - burduful marimii reglate, B2 - burduful marimii prescrise, B3 - burdufulcorectiei pozitive, B4 - burduful corectiei negative), dispuse la 90 unul de altul, n planorizontal si actionnd asupra axului vertical (1 ) prin intermediul cadrului metalic (4 ).Se retine (vezi figura 4.4) ca cele patru burdufuri nu actioneaza direct asupra axului ciprin intermediul cadrului metalic (a se vedea si figura 4.5(a)).

Tot n figura 4.4 apare unghiul ntre prghia portpaleta si directia burdufurilorB1 B2. Modificarea unghiului se face prin rotirea ansamblului ajutaj paleta, cuprghiile de fixare, n jurul axului (1 ) ntre 0 90 .

Fortele datorate burdufurilor sunt situate ntr-un plan paralel cu membrana M (5 )(vezi figura 4.5(a)), la distanta d fata de aceasta. n partea superioara a axului (1 ) suntmontate prghiile (2 ) si (3 ), cuplate ntre ele printr-o legatura elastica (4 ). Prghia (2 )poarta ajutajul (6 ), iar prghia (3 ) poarta paleta. Numai prghia (3 ) are legatura cuaxul (1 ), fixarea realizndu-se printr-un lagar de rotire (8 ). Acest sistem permite douamiscari:

- o miscare de rotatie a ntregului ansamblu n jurul axului (1 ) cu pastrareaconstanta a distantei ajutaj paleta (h);

- o miscare de ordinul zecilor de microni a prghiei port paleta (B n B ), subactiunea fortelor, respectiv modificarea distantei ajutaj paleta (h), la un unghi constant.


Figura 4.4: Regulator cu burdufuri n cruce principu constructiv

n figura 4.5(b) sunt prezentate fortele ce actioneaza asupra axului (pct. B), vazutede sus, figura ce permite calculul componentelor active ce modifica distanta h. Se potscrie succesiv:

- fortele determinate de marimea prescrisa si de marimea masurata:

Fw = pw S,Fy = py S;

- cele doua forte se compun algebric:

F = Fw Fy;- forta rezultata se descompune n doua componente dupa doua directii, una per-

pendiculara pe prghie si cealalta n lungul prghiei:

Fa = F sin,Fp = F cos; (4.4)


- componenta pasiva Fp, care actioneaza n lungul prghiei, este anulata de rigid-itatea acesteia;

- componenta activa Fa intervine asupra axului (1 ) printr-un moment Fa d simodifica distanta ajutaj paleta;

- semnalul de comanda pc (figura 4.4) intervine prin burdufurile B3 (prin circuitde ntrziere RC) si B4 (direct) cu o forta de corectie Fc, astfel:

Fc = Fn Fp,Fn = pc S,Fp = pc S 1T s+1 ;

(4.5)

- forta de corectie are si ea doua componente: una activa (perpendiculara) si unapasiva (paralela, n lungul prghiei), componenta pasiva fiind anulata de rigid-itatea prghiei (Fcp = 0):

Fca = Fc cos,Fcp = Fc sin; (4.6)

- la fel ca si componenta activa a fortei de abatere (Fa) si componenta activa afortei de corectie intervine cu un moment Fca d si corecteaza distanta ajutaj paleta, sensul de actiune fiind contrar fortei de abatere.

1

23

4

5

6

7

8

Fp Fy

Fn

d

h

M A

B'

B

Fw

element

elastic

(a) (b)

Figura 4.5: Regulator cu burdufuri n cruce. Decompunerea fortelor

Deoarece momentele care intervin provin din forte diferite, dar care actioneaza laaceeasi distanta d, toate schemele de calcul se vor analiza considernd forte si nu mo-mente.


4.1.2.2 Legile de reglare

Se prezinta modul de obtinere a legilor de reglare asa cum indica firmele construc-toare (IEPAM, KentTieghi etc.) prin cataloagele constructive, de montare si reglare (....)

a). Legea P

Pentru obtinerea unui regulator proportional semnalul de la iesirea amplificatoruluide putere (A2) este introdus n burduful de reactie negativa direct, n timp ce burdufulreactiei locale pozitive este nlocuit cu un arc calibrat la 0.6 bar (figura 4.6).

Figura 4.6: Regulator cu burdufuri n cruce legea de reglare P

Starea de echilibru a regulatorului se obtine cnd fortele date de abatere si corectie(componentele active) sunt egale:

Fa = Fca (4.7)

de unde: Fc = F tg.Factorul de amplificare al regulatorului este:

KR =FcF

= tg (4.8)

si el se poate deduce si pe baza schemei bloc din figura 4.7.Considernd intrarea F si iesirea pc, avem:

H(s) =pc(s)

F(s)=

1

S tg = KR (4.9)


Figura 4.7: Regulator pneumatic cu burdufuri n cruce. Schema bloc functionala pentrulegea de reglare P

Se observa ca modificarea amplificarii (benzii de proportionalitate) la acest tip deregulator se face din unghiul . n functie de valoarea lui exista urmatoarele limite:

- = 0 ; KR = 0, sistemul este insensibil la orice variatie a semnalului de intrare(prghia port-paleta n lungul directiei B1 B2 si orice valoare ar avea intrarea,nu apare o componenta activa a fortei date de abatere);

- = 45; KR = 1, cele doua componente active ale fortelor de abatere si corectiesunt egale;

- = 90; KR = , sistemul este insensibil la semnalul de reactie locala (eroareanu gaseste o opozitie n corectie).

n functionarea normala a regulatorului, unghiul nu va avea niciodata valorileextreme. n punctul de acordare experimentala, unghiul se fixeaza manual.

b). Legea PI

Pentru obtinerea legii de reglare proportional integrale, semnalul de iesire din am-plificatorul de putere (pc) este introdus n burduful corectiei negative (B4), iar apoi esteintrodus printr-un circuit de ntrziere de ordinul unu n burduful corectiei pozitive(B3). Ca urmare, amplificarea este variata n timp, pentru o anumita abatere, de la val-oarea data de actiunea proportionala pna la maximul admis de amplificator (saturatie,egala cu presiunea de la alimentare). Viteza de variatie a amplificarii depinde de con-stanta de timp integrala (Ti = RiCi).

Schema bloc din figura 4.9 permite deducerea functiei de transfer:

HPI(s) =pc(s)

F(s)=

1

S tg

(1 +

1

Ti s), (4.10)


Figura 4.8: Regulator cu burdufuri n cruce legea de reglare PI

Figura 4.9: Regulator pneumatic cu burdufuri n cruce. Schema bloc functionala pentrulegea de reglare PI

dupa ce mai nti s-a procedat la reducerea schemei ca n figura 4.10.

Figura 4.10: Regulator pneumatic cu burdufuri n cruce. Diagrama de semnal simplificatapentru legea de reglare PI

Pentru modificarea constantei de timp a actiunii integrale Ti este prevazuta rezis-tenta Ri reglabila.


c). Legea PID

Introducerea actiunii derivative la regulatoarele din seria Flexair I (IEPAM, Kent Tieghi) se face actionndu-se asupra semnalului marimii reglate, n acest mod actiuneaderivativa este independenta de actiunea integrala si actioneaza numai pentru variatiilemarimii reglate. Concret, acest lucru se realizeaza prin introducerea pe calea marimiireglate a unui amplificator avnd n paralel un grup RC (figura 4.11).

Figura 4.11: Regulator pneumatic cu burdufuri n cruce obtinerea legii PID

Amplificatorul actiunii derivative, mpreuna cu grupul RdCd ce realizeaza o reactielocala ntrziata cu Td = Rd Cd, determina un semnal:

p2 = (Td s+ 1) py (4.11)

nct vom avea o schema bloc functionala ca n figura 4.12.Rezulta ca blocul (Td s + 1), ce actioneaza pe marimea masurata introduce un efect

de anticipare, compensnd ntrzierile introduse de blocurile de reactie locala cu efectasupra semnalului de comanda. Din combinarea efectului de anticipare si functia detransfer de tip PI, dedusa n cazul anterior, rezulta:

HPID =1

S tg

(1 +

1

Ti s) (1 + Td s)

sau:

HPID = Kp (1 + TD s+ 1

TI 1s

)(4.12)


Figura 4.12: Regulator cu burdufuri n cruce schema bloc functionala

unde:

KP =1s tan Td + TiTi ;

1TI

= 1Td + Ti;

TD =Td TiTd + Ti

.

Parametrii de reglare KP , TI si TD se modifica din unghiul (KP ) si din rezistentelevariabile Ri si Rd (pentru TI si TD).

4.2 Traductoare pneumatice si convertoare de semnal

4.2.1 Traductoare pneumatice

4.2.1.1 Principii constructive

Traductorul este elementul prin care se efectueaza operatia de masurare n sistemeleautomate. El stabileste o corespondenta ntre marimea de masurat si o marime cu undomeniu de variatie calibrat, apta de a fi receptionata si prelucrata de echipamentul deconducere (calculator, regulator automat).

Structura generala a unui traductor pneumatic contine doua blocuri principale (pre-zentate n figura 4.13):

- elementul sensibil (detectorul)

- adaptorul

Elementul sensibil are rolul de a detecta marimea fizica pe care traductorul trebuiesa o masoare (si sa reduca, n acelasi timp, influentele altor marimi fizice din zona pro-cesului).


ieireelement

sensibiladaptor

(

)

semnalpneumatic

unificat

( )deplasare

(for )

intrare

()

mrimefizic

surs

aer instrumental

de

alimentare

( )

Figura 4.13: Structura generala a unui traductor pneumatic

Adaptorul are ca functii principale:

- de a adapta informatia obtinuta la iesirea elementului sensibil la cerintele im-puse de aparatura de automatizare (adaptoare de nivel sau de putere)

- n cazul sistemelor pneumatice cu semnal unificat, iesirea adaptorului este nplaja 0.2 1 bar;

- asigurarea posibilitatilor de efectuare a unor operatii de calcul liniare (atenuare,amplificare, sumare, integrare, diferentiere) sau neliniare (produs, ridicare lapatrat, etc.)

- asigurarea liniarizarii caracteristicii, prin prezenta unei reactii locale, asa cumapare n schema bloc din figura 4.14, unde:

1. element sensibil;

2. comparator;

3. amplificator pneumatic;

4. reactie locala.

xiES

RL

pe+

-

1 2 3

>

4

Figura 4.14: Structura funtionala a unui traductor pneumatic

Schema din figura 4.14, care include trei blocuri pentru traductor: element sensibil,detector si adaptor, permite ca prin schimbarea elementului sensibil sa se obtina traduc-toare pentru marimi fizice diferite, sau pentru domenii de variatie diferite ale aceleiasimarimi fizice.

n constructia traductoarelor pneumatice se utilizeaza cele doua principii de baza n-tlnite n constructia altor categorii de echipamente: principiul compensarii deplasarilorsi principiul compensarii fortelor.


A. Traductoare pneumatice pe principiul compensarii deplasarilor (figura 4.15)

A

B

pe

p0

p1

l2

l1

ES

xi

4

3

2

1

1

C

Figura 4.15: Principiul compensarii deplasarilor la traductoarele pneumatice

Elementul sensibil (1 ) transforma marimea de intrare xi ntr-o deplasare l1 a capa-tului A al prghiei (2 ). Detectorul de eroare, n cazul de fata amplificatorul ajutaj paleta (3 ) transforma deplasare ntr-o variatie de presiune (p1) care apoi este amplifi-cata (amplificatorul (4 )) la semnalul de iesire. Conform acestui principiu, marimea deiesire pe, intervine cu o deplasare l2, prin intermediul burdufului de reactie locala (5 ),compensnd deplasarea datorata semnalului de intrare pna la echilibrul sistemului.

B. Traductor pneumatic pe principiul compensarii fortelor (figura 4.16)

Fm

pe

O1

O2

l1

l2

l3

l4

FrFr

Fr

C

Figura 4.16: Principiul compensarii fortelor la traductoarele pneumatice

n figura 4.16 s-au notat:

Fm forta datorata elementului sensibil;Fr forta datorata reactiei;


F r actiunea (si reactiunea) elementului de sprijin de tip cursor (C).

Conform principiului compensarii fortelor: forta determinata de marimea

echipamente hidro-pneumatice

Documents