Аппаратура информационной подсистемы

Манометр является основным устройством для измерения давления в гидравлических и пневматических системах. Для контроля и автоматизации работы гидропневмоприводов применяются реле давления. Они информируют о текущем уровне давления и могут использоваться для управления включением или отключением оборудования.

На рис. ZSK.36.1 показана конструкция реле давления, предназначенного для применения в гидравлических приводах.

Рис. ZSK.36.1. Гидравлическое реле давления модели Г-62: а – принципиальная схема; б – конструктивная схема; в – условное обозначение

В гидравлических системах реле давления соединяется с контролируемым каналом через входное отверстие А, по которому поступает рабочая жидкость. Когда давление в канале достигает заданного уровня, определяемого предварительным натягом пружины 3, оно передаётся через мембрану на поршень 2. Поршень под воздействием давления развивает усилие, которое через рычаг 5 передаётся на контактную группу 4. В результате электрические контакты замыкаются или размыкаются, формируя управляющий сигнал для дальнейшей работы системы. В результате формируется электрический сигнал, который может использоваться для автоматического включения или отключения других гидравлических компонентов системы, а также для реализации заданных операций технологического процесса. Такой принцип работы обеспечивает точный контроль давления и надёжное взаимодействие гидравлических и электрических частей системы.

В пневматических системах реле давления работает по аналогичному принципу. На рис. ZSK.36.2, а представлен реле давления модели РДП-5, в котором используется сильфон 4, установленный в корпусе 3. Когда давление в канале, подключенном к штуцеру 7, достигает заданного значения р, толкатель 2 воздействует на сильфон, сжимая пружину 5. В результате этого механического перемещения замыкаются или размыкаются контакты микропереключателя 1, формируя электрический сигнал, который может быть использован системой управления для автоматического включения или отключения пневматических устройств либо выполнения определённых технологических операций. Такой принцип обеспечивает точное срабатывание при заданном давлении и надёжную интеграцию пневматических и электрических компонентов системы. Такие устройства относятся к реле давления измерительного типа, реагирующим на изменения давления в контролируемом канале.

Дифференциальные реле давления предназначены для срабатывания при достижении определённой разницы давлений между двумя каналами привода, например, между штоковой и бесштоковой полостями гидроцилиндра. На рис. ZSK.36.2, б показано конструктивное исполнение такого реле.

К отверстию А корпуса 1 подсоединяется канал с более низким давлением, а к отверстию Б — канал с повышенным давлением. Давления с обеих сторон воздействуют на поршень 6, создавая результирующую силу. Когда разность давлений достигает заранее установленного значения, эта сила преодолевает усилие пружины 5, и поршень начинает перемещаться вверх. Движение поршня передаётся на штифт микропереключателя 4, соединённого с пружинами 5 и 7, что приводит к замыканию или размыканию электрических контактов и формированию управляющего сигнала для системы.

Регулировка уровня срабатывания реле по величине перепада давления осуществляется посредством изменения натяжения пружины 3 с помощью винта 2, что позволяет точно задавать диапазон давления, при котором устройство включается. Такой механизм обеспечивает высокую точность контроля дифференциального давления и надёжность работы гидропневматических систем, особенно в условиях переменных нагрузок или при необходимости защиты от перегрузок.

Рис. ZSK.36.2. Пневматические реле давления: а – измерительного типа; б – дифференциального типа

Индикаторы давления

Индикаторы давления служат для наглядного контроля наличия давления в гидравлических и пневматических системах и выпускаются, как правило, двух типов: поршневые и ламповые. Они сигнализируют о том, что в подключённом канале присутствует рабочее давление, что позволяет оператору оперативно оценивать состояние привода или системы.

Поршневой индикатор давления, например модель В52-11 (рис. ZSK.36.3, а), работает следующим образом: при подаче рабочей среды (обычно сжатого воздуха) давление воздействует на поршень 3, вызывая выдвижение штока 1. Одновременно пружина 2 сжимается, создавая возвратное усилие, которое возвращает поршень и шток в исходное положение при падении давления. Герметичность рабочей полости поддерживается с помощью манжетного уплотнения 4, что исключает утечки и обеспечивает надёжность показаний индикатора.

Такой индикатор позволяет визуально фиксировать факт наличия давления без необходимости подключения сложных измерительных приборов, облегчая техническое обслуживание и контроль за безопасной работой гидропневматических систем. В пневматических приводах подобные устройства особенно востребованы для быстрого выявления утечек и проверки функционирования отдельных каналов системы.

Ламповые индикаторы давления (рис. ZSK.36.3, б—г) используют ярко окрашенные подвижные элементы, обеспечивая наглядную индикацию в условиях нормальной освещённости.

• Индикатор П-ИДС (рис. ZSK.36.3, б) оснащён поршнем 2 с окрашенным коническим углублением. При подаче давления поршень поднимается к прозрачной линзе 1, и появление окрашенной зоны на линзе служит наглядным сигналом о наличии давления в канале. Такая конструкция позволяет быстро оценивать состояние системы даже на расстоянии.
• Индикатор РУС-1 (рис. ZSK.36.3, в) использует поршень 1 с шайбой и мембрану. Под действием давления поршень поднимается, сжимая возвратную пружину 2, а окрашенный флажок 3 через фигурный вырез шайбы поворачивается на 90°, визуально показывая наличие давления. Механизм обеспечивает точную и долговечную индикацию даже при колебаниях давления.
• Индикатор ИП-1 (рис. ZSK.36.3, г) применяет эластичную мембрану 1 с окрашенными лепестками 2. При подаче давления мембрана прогибается, прижимая лепестки к прозрачной линзе 3, что создаёт наглядный сигнал. Сферическая линза позволяет наблюдать показания как спереди, так и сбоку. После снятия давления мембрана и лепестки возвращаются в исходное положение благодаря упругости материала, обеспечивая многократное использование индикатора.

Рис. ZSK.36.3. Пневматические индикаторы давления: а — поршневого типа; 6 — г лампового типа; д — условное обозначение

Контролирующая и регулирующая аппаратура

Для оперативного контроля рабочих параметров гидропневмосистем широко применяются специализированные датчики, которые преобразуют измеряемую величину в сигнал, пригодный для непосредственного управления системой или регистрации данных.

Датчики давления предназначены для точного определения давления рабочей среды и могут быть двух основных типов:

Проточные датчики — измеряют давление непосредственно в потоке рабочей среды, обеспечивая непрерывный контроль.

Непроточные (глухие) датчики — фиксируют давление в замкнутой полости и применяются там, где проточная установка невозможна или нежелательна.

В конструкции таких датчиков используются различные физические эффекты для преобразования давления в электрический или механический сигнал: изменение электрического сопротивления, индукционные эффекты, пьезоэлектрические свойства материалов и др.

На рис. ZSK.36.4 представлены тензометрические датчики давления, в которых используется эффект деформации чувствительного элемента под воздействием давления. Деформация элемента фиксируется и преобразуется в пропорциональный электрический сигнал, что обеспечивает высокую точность измерения и стабильность показаний даже при колебаниях температуры и динамических нагрузках в гидропневмосистеме.

Глухой датчик давления

Изображен на рис. ZSK.36.4, а и предназначен для измерения давления в замкнутой полости или неподвижном канале. Основным чувствительным элементом служит мембрана 3, на которую наклеены тензометры 4 — малые электрические резисторы, сопротивление которых изменяется при деформации мембраны. При подаче давления p в рабочий канал 1 мембрана прогибается, вызывая изменение сопротивления тензометров, что в свою очередь изменяет ток в электрической цепи. Сигнал с тензометров передается по проводам 5, собранным в жгут 6, к усилительной и измерительной аппаратуре, позволяя использовать его для контроля давления, автоматического регулирования или аварийной сигнализации в гидравлических и пневматических системах.

Проточный датчик давления

Представлен на рис. ZSK.36.4, б, отличается тем, что чувствительная мембрана 3 одновременно является частью корпуса датчика, через который проходит рабочая среда. Давление p воздействует на тонкую стенку корпуса, вызывая её деформацию, которая преобразуется в электрический сигнал аналогично глухому датчику. Такой тип датчика обеспечивает непрерывное измерение давления в потоке жидкости или воздуха и широко используется в системах с проточной подачей рабочей среды, где требуется постоянный контроль и быстрое реагирование на изменения давления.

Оба типа датчиков позволяют интегрировать сигнал давления в систему управления, обеспечивая точное регулирование, защиту от перегрузок и автоматическое выполнение технологических операций.

Рис. ZSK.36.4. Датчики давления: а — непроточного (глухого) типа; б — проточного типа

Датчики температуры

Такие датчики предназначены для контроля температуры рабочей среды в гидравлических и пневматических системах и формирования электрического или сигнального импульса при достижении установленного значения. Схематичное изображени датчика представлено на рис. ZSK.36.5. Принцип их работы основан на использовании физических свойств чувствительных элементов — изменения электрического сопротивления, термоэлектрических эффектов или ёмкостных характеристик под воздействием температуры.

Чувствительный элемент датчика размещается в месте, где требуется измерение температуры, и контактирует с рабочей средой — жидкостью или воздухом. При нагреве или охлаждении среды изменяются параметры элемента, что приводит к изменению электрического сигнала. Этот сигнал может напрямую использоваться для включения исполнительных механизмов, например, нагревательных или охлаждающих устройств, или подаваться на регистрирующую аппаратуру и системы автоматического управления.

Использование таких датчиков позволяет не только поддерживать оптимальные температурные режимы работы оборудования, но и предотвращать перегрев или переохлаждение компонентов системы, повышая надёжность и долговечность гидропневмосистем. При подключении к осциллографу или цифровой системе регистрации можно отслеживать динамику изменения температуры в реальном времени, что особенно важно для анализа процессов с быстрыми колебаниями температур и для настройки систем защиты.

Конструкция датчика температуры реализована следующим образом:

• Внутри термобаллона 4 расположен наполнитель, чувствительный к температурным изменениям. При нагреве рабочей среды наполнитель расширяется, увеличивая давление внутри баллона, а при охлаждении — давление снижается.
• Изменение давления передается на сильфон 3, который преобразует его в механическое перемещение. Через связанный со штоком механизм усилие передается на микропереключатель 1.
• Микропереключатель реагирует на перемещение сильфона, замыкая или размыкая электрические контакты и формируя командный сигнал о достижении установленной температуры.
• Настройка температуры срабатывания осуществляется с помощью пружины 2: изменяя её натяжение, оператор задаёт предел температуры, при котором датчик активируется. Это позволяет адаптировать устройство под конкретные требования технологического процесса и обеспечивать точное управление температурными режимами в гидравлических и пневматических системах.

Такое конструктивное решение обеспечивает надежное и повторяемое срабатывание датчика при изменениях температуры, а также возможность интеграции с системами автоматического управления и сигнализации.

Рис. ZSK.36.5. Датчик температуры мод. РТП-1

Для измерения расхода рабочей среды применяются расходомеры, принцип работы которых может базироваться на разных физических эффектах.

Ротаметры

Представленый на рис. ZSK.36.6, а ротаметр представляет собой простой и нагляднй прибор для измерения расхода рабочей среды. Его конструкция включает прозрачную коническую трубку 1, обычно изготавливаемую из стекла, внутри которой свободно перемещается поплавок 2. При прохождении потока среды снизу вверх поплавок поднимается на определённую высоту, пока силы давления и подъёма не уравновесят его вес. Положение поплавка считывается по нанесённой на трубку шкале 3, что позволяет напрямую определять величину расхода.

Принцип действия ротаметра основан на равновесии сил: вес поплавка стремится опустить его вниз, в то время как поток рабочей среды создаёт подъёмное усилие, направленное вверх. Чем больше расход, тем выше поднимается поплавок. Таким образом, положение поплавка является индикатором текущего расхода.

К преимуществам ротаметров относятся простота конструкции, отсутствие необходимости в источнике питания, высокая наглядность показаний и возможность быстрого визуального контроля процесса. Однако имеются и определённые ограничения:

• приборы требуют аккуратного обращения из-за хрупкости стеклянной трубки;
• их можно устанавливать только строго в вертикальном положении, чтобы обеспечить корректное перемещение поплавка;
• диапазон измерений ограничен и напрямую зависит от размеров конической трубки и формы поплавка.

Благодаря простоте эксплуатации ротаметры широко применяются для контроля расхода жидкостей и газов в лабораторных установках, системах водо- и газоснабжения, а также в различных технологических процессах, где необходима наглядная и достаточно точная индикация расхода.

Расходомеры турбинного типа

Относятся к более совершенным приборам измерения расхода и применяются значительно шире, чем простые ротаметры. Принцип их работы основан на том, что скорость вращения турбинки 2 прямо пропорциональна скорости движения потока рабочей среды. Чем выше расход жидкости или газа, тем быстрее вращается турбинка. Схема расходомера представлена (рис. ZSK.36.6, б)

Вращательное движение турбинки через систему шестерён 3 передаётся на тахогенератор 4. Последний преобразует механическое вращение в электрический сигнал, величина которого находится в линейной зависимости от расхода. Такой способ преобразования даёт возможность не только выполнять визуальный контроль параметров, но и подключать расходомер к системам автоматического управления и регулирования технологических процессов.

Одним из ключевых достоинств турбинных расходомеров является возможность их установки непосредственно в трубопровод 1, по которому движется рабочая жидкость. Это исключает необходимость создания отдельных измерительных контуров, сокращает монтажные затраты и повышает надёжность работы оборудования.

Благодаря высокой точности и универсальности турбинные расходомеры широко используются в промышленности: от систем подачи топлива и смазочных материалов до гидравлических установок, а также в энергетике, химической и пищевой промышленности. Их применение особенно целесообразно там, где требуется непрерывное измерение расхода с последующей передачей данных в систему автоматического регулирования.

Рис. ZSK.36.6. Расходомеры: а — ротаметр; б — турбинного типа

Реле времени

Для управления направлением движения рабочей среды, а также для организации задержки при пуске или остановке двигателя после прихода управляющего сигнала применяются специальные устройства — реле времени, которые в гидро- и пневмоприводах часто называют клапанами выдержки времени. По принципу действия они подразделяются на два основных вида: объёмные и дроссельные (рис. ZSK.36.7).

Рассмотрим подробнее работу объёмного клапана. В исходном состоянии, когда распределитель 3/2 зафиксирован в верхнем положении (рис. ZSK.36.7, а), рабочая среда через обратный клапан поступает в штоковую полость цилиндра 1. Под её действием поршень 2 перемещается вверх до упора, максимально сжимая пружину 3. В этом состоянии клапан находится в режиме готовности.

После подачи управляющего сигнала на электромагнит распределителя он переключается в нижнее положение, и штоковая полость соединяется со сливной линией (или с атмосферой — в случае пневмосистем). Пружина, разжимаясь, начинает выталкивать рабочую среду из цилиндра, а поршень движется вниз. Электрические контакты 5 замыкаются только по завершении полного хода поршня, что обеспечивает требуемую задержку срабатывания. Длительность этой задержки зависит от длины хода поршня и может регулироваться с помощью винта 4.

В конструкции данного клапана переменным параметром является объём Ж, тогда как сопротивление демпфера K и скорость перемещения поршня V остаются постоянными. Благодаря этому достигается устойчивая и надёжная настройка времени задержки.

Рис. ZSK.36.7. Клапаны выдержки времени: а — принцип действия клапана объемного типа; б — принцип действия клапана дроссельного типа; в, г — конструктивные схемы реле времени соответственно объемного типа разработки ЗИЛ и дроссельного типа разработки ЭНИМС

На рис. ZSK.36.7, в показан принцип работы объёмного клапана выдержки времени, используемого для автоматического реверсирования гидродвигателя.

Основой его действия является управление положением плунжера распределителя типа 5/2. Поток рабочей жидкости поступает через канал 4 на левый торец плунжера 2, вызывая его смещение вправо в крайнее положение. В этот момент изменяется схема распределения потоков, что вызывает переключение направления движения двигателя и одновременно запускает отсчёт временной задержки.

Одновременно часть рабочей жидкости через демпфирующее устройство 1 направляется в полость Б цилиндра, расположенную слева. Постепенно она наполняется, давление у правого торца плунжера возрастает, и из-за большей площади правой поверхности создаётся сила, превосходящая усилие на противоположной стороне. Когда равновесие нарушается, плунжер смещается обратно влево, и распределитель возвращает исходное направление потока.

Таким образом, длительность выдержки перед реверсом двигателя зависит от объёма полости Б. Регулировка этого объёма осуществляется перемещением поршня 3, для чего предусмотрен винт 4 с защитным колпачком 5. Такая конструкция позволяет точно задавать интервал задержки, что делает устройство удобным и надёжным элементом автоматизации циклических процессов в гидроприводах.

В клапанах дроссельного типа принцип действия иной: время выдержки формируется не за счёт изменения объёма рабочей камеры, а путём регулирования сопротивления дросселя К (рис. ZSK.36.7, б). При этом объём полости Ж остаётся постоянным, а скорость движения поршня напрямую зависит от степени открытия дроссельного канала. Чем выше сопротивление дросселя, тем медленнее накапливается давление над поршнем и тем больше задержка; при уменьшении сопротивления — задержка сокращается. Отсчёт времени в таком устройстве начинается с момента, когда распределитель 3/2 переключается в нижнюю позицию.

Конструктивная схема дроссельного реле времени (рис. ZSK.36.7, г) включает корпус с крышкой 1, подводящий канал П и выходной канал О. В исходном состоянии, когда выдержка не требуется, поступающий через канал П сжатый воздух не может попасть в канал О: затвор 2 удерживается пружиной 14 у втулки 3. При этом канал О связан с атмосферой через отверстия в толкателе 10 и канал А, что обеспечивает сброс давления.

После подачи командного сигнала по управляющему каналу У воздух поступает в полость б, затем по каналу Г в пространство д над мембраной 9. Под давлением мембрана прогибается вниз, перекрывая сообщение с атмосферой через канал 4. Одновременно часть воздуха через фильтр и игольчатый дроссель 7 заполняет полость В над поршнем 6. Давление в этой полости постепенно растёт, и как только сила давления становится больше суммы усилия под поршнем и силы возвратной пружины 13, поршень начинает плавно опускаться.

При его движении затвор 12 отходит от седла 11, соединяя полость б с атмосферой через канал А. Давление снизу резко падает, и поршень быстро перемещается вниз. Манжета 5 при этом садится на седло 11, перекрывая связь полости б с атмосферой. Толкатель, опускаясь, воздействует на затвор 2, сжимая пружину 14 и открывая проход воздуху из канала П в канал О. Таким образом, рабочая среда подаётся к потребителю с задержкой, величина которой определяется настройкой дросселя.

После снятия командного сигнала мембрана 9 возвращается в исходное положение и открывает сообщение полости В с атмосферой через канал А. Под действием пружины 13 поршень 6 поднимается вверх, занимая начальное положение. Затвор 2 также поднимается под действием пружины 14 и снова перекрывает подводящий канал П. При этом канал О соединяется с атмосферой, и реле возвращается в исходное состояние.

Таким образом, дроссельный клапан выдержки времени обеспечивает регулируемую задержку подачи воздуха в канал О после поступления управляющего сигнала. Настройка времени осуществляется изменением сопротивления игольчатого дросселя 7 при помощи винта 15: чем выше сопротивление, тем больше выдержка; при меньшем сопротивлении интервал сокращается.