自动化仪表使用维护常识之——气动放大器的基本元件

一、气动放大器的作用和基本元件
    气动放大器的主要用途：（1）把微小位移转换为压力的变化，（2）压力放大，（3）功率放大。
    气动放大器一般由节流元件、喷咀挡板、弹性元件（如橡胶膜片、金属膜片等）以及气动管路、气室等组成。
二、节流元件
    使流体流通面积局部收缩的元件称节流元件。如图3-1所示，恒节流孔就是其中中的一种。


    节流元件在气动管路中起着产生压力降和改变气体流量的作用，这与电路中电阻的作用相似，所以在气路中通常亦称为气阻。
    若气体在流量稳定的层流状态时，气阻（r）、压力降（△P）、和流量（Q）三者之间有类似于电学中欧姆定律 的关系，即：

    ζ-恒节流孔的阻系数（和孔内光洁度及几何尺寸、形状、规则程度有关）。
    显然，节流孔流通面积愈小，长度愈大，对气体的阻力就愈大。
三、节流元件的几种型式
    1、按气流在它内部流过时的流动状态分
    A、层流型节流元件
    当流休流过时，流速进行层次分明的稳定而有秩序的流动。这和人们排着整齐的队伍通过桥梁一样。由于层流状态的流速稳定，流量均匀，所以多用做改变流体流量用。如：积分针阀、图3-1所示恒节流孔和图3-2所示的缝隙式节流孔均为层流型节流元件。

    B、紊流型节流元件
    当流体流过时，流速进行毫无层次的紊乱而无秩序的流动。这和人们无秩序地挤出会场门口一样。由于紊流状态的流速不稳定，不能准确地改变流体流量，但这种流动状态阻力降比较大，所以多用做产生压力降。如比例针阀（见图3-3）。
    2、按节流形式分
    1 恒节流孔：它的气阻是恒定的、不可调的。如毛细管、薄壁孔。
    2 变节流孔：它的气阻是可变的。如比例阀、积分阀、球型阀、喷咀挡板等。3-4气容

    凡是能够贮存或放出气体的一切空间都为气体容室，简称气容，如图3-4。气容为贮能元件，和电路中电容的作用相类似。可用下式表示；

    式中 Q-流入或流出气容的气体流量，
    C-表示气容，
    △P=（P₁-P）-压力降。
    气容以很多种形式和导气管相连，其中常见的几种如图3-5所示：

五、节流盲室和它的特性
    在层流型节流元件后面串联一个气容组成的环节称节流盲室。如图3-6。

    节流盲室为阻容环节，其特性方程为：

    式中 P₂-气容内压力；
    P₁-针阀前压力；
    t₁-时间；
    τ-时间常数（T=RC，R为气阻，C为气容）。
    从特性方程可以看出，节流盲室的特性为：
    1 气室内压力P₂是随时间t而增加的，当针阀前压力P₁，阶跃变化时，P₂按指函数曲线规律变化，如图3-7所示，P₂开始时增加很快，到后来增大的速度逐渐减慢，经过很长时间后P₂才等于P₁。
    2 P₂的变化速度，取决于时间常数τ值的大小（τ=RC），所以改变气阻P（即改变针阀流通面积）就可以改变P₂的变化速度。
    3 如令t=τ，则上式即可变成
    P₂=P₁（1-e^-1）=0.632P₁
    即节流盲室的时间常数在数值上等于P₂变化至P₁的63.2%所需的时间。

    在气动单元组合仪表中，常利用节流盲室的这种特性，在调节单元中整定积分时间和微分时间。
六、节流通室和它的特性
    由一个通室（流通气室）和两个节流元件按图3-8串接而成的环节称节流通室。

    气流经针阀1进入通室2，再由恒节流孔3流出，（反方向流亦可）。当P₃=0（接通大气）时，通室中的压力P₂根据P₁，成比例的降低，如下式所表达：P₂=KP₁

    如=常数，则K也等于常，这时K值不随节流元件前后压力来变化，而仅仅随 的比值变化，由于恒节流孔的流通面积F₂一定，所以只要改变针阀的流通面积（针阀开度），就可以改变K值，即达到改变P₂，P₁，之间比例关系的目的。
    试验证明，如果选择合理的参数及结构，用紊流型恒节流孔和紊流型针阀组成的节流通室，它的静特性是能够符合上述关系的。
    在气动单元组合仪表中调节单元的比例范围整定和配比器输入参数的分压，都是用节流通室来实现的。
七、啧咀挡板机构的工作原理
    喷咀挡板机构是气动仪表中最基本的控制元件。它能把微小的位移（几∼几十微米）变成较大的压力变化，是一个灵敏度非常高的放大环节，广泛地应用在气动仪表中。
    如图3-9所示喷咀挡板机构由恒节流孔1，通室2，喷咀3和挡板4组成，实际上属于节流通室的一种形式。

    气源经恒节流孔进入背压室再从喷咀排出，喷咀挡板构成一变节流孔。挡板靠近喷咀时，变节流孔气阻增大，使喷咀背压室压力P₁增大反之，压力减小。这样挡板喷咀间的微小位移就变成了背压室的压力变化。
    恒节流孔和喷咀直径必须适当配合，一般恒节流孔直径远小于喷咀直径，恒节流孔直径约为0.15-0.20mm，长度4-εmm，喷咀直径0.8-0.2mm。
八、喷咀挡板型放大机构的线性工作范围
    随着挡板与喷咀间距h的减小，背压室压力P₁增加，其变化规律如图3-10。当h>h_O时，挡板喷咀距离较远，间距的变化对喷咀挡板变节流孔的气阻大小影响不显著。因此P₁变化不大，上升较慢，当时h<ho，挡板喷咀距离很近，背压室压力趋于气源压力P_O。，当h_;<h<h_o时，即在特性曲线的a、b段，P₁随h的变化比较线性，这一段就作为喷咀挡板型放大器的工作段，也是它的线性工作范围。

    一般对应线性工作范围的喷咀挡板间移动距离只有百分之几毫米。
九、恒节流孔两端保持恒压降对喷咀挡板特性的改善

    如图3-11所示，曲线（1）为改善前的特性曲线；曲线（2）为恒节流孔两端维持恒压降的喷咀挡板特性曲线。可以看出，改善后的特性：
    1.特性曲线（2）的斜率增大了，即灵敏度增大了。
    2.各点斜率的差别减小了，即工作范围内线性好了。
    3.特性受供气压力波动的影响小了，因为恒节流孔两端压差恒定，保证了供气流量恒定。
    恒节流孔两端保持压差恒定，为什么能改善工作范围特性曲线的斜率和线性呢?
    这是因为喷咀背压室内压力P₁的大小和气体流入量、流出量的大小有关，即P₁，随喷咀流出量减小而增大随恒节流孔流入量的减小而减小。下面分别说明两种情况：
    1.改善前
    喷咀外面通大气，P₂=0。供气压力恒定，P₀常数。这样挡板靠近喷咀时，流出量减少使P₁增加，同时也使恒节流孔两端压差（P₀-P₁），减少，即流入量减少。因而就使P₁随挡板位移的变化减慢，曲线斜率就变小了。由于流入量不恒定，喷咀背压室内压力P₁和流出量（或挡板喷咀间的位移）就不能成比例关系，所以曲线的线性就不好了。
    2.恒节流孔两端保持恒压降：
    喷咀外面仍通大气，P₂=0，当h<h₀时，供气压力p₀不等于恒定的气源压力（1.4KP/Cm²），而是随着喷咀背压的P1增加而增加，始终保持恒节流孔两端恒压降，也就是保持供气流量恒定。
    这样，当挡板靠近喷咀，流出量减少时，流入量不减少而是仍然维持恒定，使随挡板位移的变化加快，曲线斜率变大，由于流入量始终恒定，P₁主要与流出量有关，所以线性也得到改善。
    为什么不能达到完全线性呢？这是因为P₁增加的同时，喷咀两端压差P₁-P₂也在增大，流出量也相应大了些，从而流入量和流出量便达到一个新的平衡，也就使P₁稳定下来了。这样挡板喷咀的间隙和流出量的关系也就不是简单的比例关系了。
    当喷咀挡板间隙h<h₀时，P₁很大，供气压力P_O。也增加到等于气源压力（1.4KP/Cm²），达到极限时，P_O就不能再随P₁增大了，恒节流孔两端的恒压差也就不能维持，所以h<h₀。的这段特性曲线和改善前的特性曲线（1）相同。
十、喷咀两端保持恒压降，对喷咀挡板特性的改善
    如图3一12所示，曲线（1）为改善前的曲线，曲线（2）为喷咀两端维持恒压降的喷咀挡板特性曲线。可以看出改善后的特性曲线从坐标原点向右移了，加长了初始段（即h₂>h₁），使喷咀和挡板的间隙不必很小，喷咀背压就能达到最大。这样便降低了喷咀挡板的密封要求，从而简化了加工装配工艺。

    为什么喷咀两端保持恒压降能使特性曲线右移呢
    因为喷咀排大气，P₂=0，当挡板靠近喷咀时，背压室压力P₁升高，由于喷咀两端压差P₁-P₂，一也同时增大，使喷咀泄漏量较大，给P₁的升高造成困难，欲使喷咀背压P₁接近气源压力P₀，就需使喷咀挡板的间隙小些。
    如果压力P₂能随着P₁的增加而增加，始终维持喷咀两端恒压降，当挡板靠近喷咀时，喷咀背压P₁升高，P₂也随之升高，喷咀两端差压不增喷咀泄漏量变化较小，这样，欲使喷咀背压P₁接近气源压力P₀。在喷咀挡板有较大的间隙时就可以达到。所以使曲线从坐标原点向右移了。
十一、喷咀、恒节流孔两端都保持恒压降，对喷咀挡板特性的改善
    同时实现喷咀两端和恒节流孔两端恒压降，使喷咀挡板特性可以综合上述优点。有比较才有鉴别，为了比较喷咀挡板静特性的改善效果，通过试验分别把上述几种情况作出喷咀挡饭特性曲线，如图3-13所示。试验用喷咀挡板机构：恒节流孔内径d₁=0.325mm，喷咀内径d₂=1.038mm。

    曲线（1）：普通喷咀挡板机构特性。
    曲线（2）：喷咀两端保持恒压降的特性曲线，恒压降为
   
    曲线（3）：喷咀、恒节流孔两端同时保持恒压降的特性曲线，恒压降为

    显然，其中曲线（3）的喷咀挡板特性线性最好、斜率最大，而且具有较长的初始间隙，降低了喷咀挡板的密封要求。
十二、膜片在气动仪表中的作用
    在气动仪表中膜片起着压力讯号的传递作用，也就是将压力讯号转换成为力的讯号，推动膜片产李位移。
    作用在膜片上的推力的大小，可以用下式表示
    P=P·F
    式中 P-垂直作用在膜片上的推力（公斤力）；
    P-信号的压力（公斤力/厘米²）；
    F-膜片的有效面积（厘米²）。
    这样，当膜片两边受力的有效面积相等时，若两边压力信号不相等，膜片两边受的力也就不相等，膜片便失去平衡发生位移。只有当膜片两边压力信号相等时，膜片受力才平衡，并维持在一定位置上。从而可以进行两个或两个以上的信号的比较运算。
    基于力平衡原理工作的气动仪表都是以膜片将信号转换成力进行传递和比较的。
十三、橡胶膜片的性能应满足如下要求
    （1）具有一定的机械强度，至少要能承受1.6Kg/Cm²的压力作用。
    （2）线性好，滞环小，滞环的宽度应不大于0.2毫米，要求线性好。
    （3）对温度的影响不敏感，要求膜片在-10-60℃的温度范围内能够正常工作。
    （4）膜片的方向性和厚度要均匀，表面光洁，不透气。
    （5）具有较好的耐油耐碱等性能。
十四、扭橡胶膜片的滞环特性
    膜片位移S和所受压力△P之间关系的特性曲线如图3-14所示：
    曲线（1）：为理想特性，△S和△P成单值对应的线性关系。
    曲线（2）：不仅线性关系不好，而且膜片的位移变化总是滞后于膜片所受压力的

    上升、下降的变化，使特性曲线上升、下降时不君合，形成个密封曲线，称滞环曲线，膜片的这种特性称为滞环特性。
    由于膜片具有滞环特性，所以使膜片位移S和所受压力△P之间就不成单值对应关系了，在膜片传递和比较信号时，就要产生变差。这个滞环的宽度愈大，产生的变差也愈大，这是我们所不希望的。所以在实际使用中要采取各种办法来克服膜片的滞环特性，减少滞环的宽度。一般滞环的宽度限制在0.1-0.2毫米左右。    
十五、橡胶膜片滞环特性的产生
    为了说明滞环的产生，先研究一下平面膜片受力的情形。如图3-15所示，是平面膜片受力的情形。如图3-15所示，是平面膜片上下受压，使膜片向上及向下移动时的受力情形。由于平面膜片发生位移S时，膜片和金属垫片边缘相交成一定角度，所以膜片受压后产生的推力P可用下式表示


    式中 P-单位面积上膜片所受的压力
    F-膜片的总受压面积。

    P₁-膜片边缘拉力P₀的垂直分力，和膜片位移S有一定关系；
    P₂-膜片本身上下移动时产生的内摩擦力。它的作用永远和位移方向相反。如P增大，膜片向上移动时，它是负值，当P减小，膜片向下移动时，它就是正值。它的数值大小欢膜片材料、尺寸，压紧程度及位移大小有关。
    如果P₁=P₂=0，此P=P·F，时膜片位移和所受压力之问关系特性曲线即为图3-14曲线（1）所示，刀单值比创灼特性曲线。
    如P≠O，P₂≠O则其特性少线即如图3-14曲线（2）所示的滞环特性曲线。这是膜片的实际特性曲线。
    可见膜片的滞环特性主要是由膜片位移时的内摩擦力P₂和边缘拉力的垂直分力P₁产生的。
十六、提高橡胶膜片的线性和减小膜片的滞环的办法
    1.采用两边夹硬芯的波纹膜片，如图3-16。这样使膜片变形大大减少，从而减少了膜片的内摩擦力和边缘拉力的垂直分力。但是当膜片两边的压力差△P方向改变时，会使膜片倒向虚线位置，使膜片的受力面积F发生改变。

    2.采用夹硬芯的双膜片结构，如图3-17。这样就使膜片受力方向不发主改变，克服了单膜片的缺点，使压力传递、转换更准确。但是结构复杂了，多用于要求较高的比较环节。

    3.限制膜片的位移，这是一个行之有效办法，膜片的位移小了，就表示膜片的变形小了，这样使膜片的内摩擦力和边缘拉力的垂直分力都大大减少了。在力平衡气动仪表中，膜片位移可以限制在较小范围内，所以也是一个比较切实可行的办法。
十七、影晌橡胶膜片有效面积的因素
    影响膜片有效面积的因素很多，但大体上可以分为两种一是膜片本身的特性影响二是膜片的安装位置和工作环境等外界影响。
    1 膜片的有效面积和环室硬芯的直径尺寸有关。虽然为同一规格的零件，由于加工精度限制，直径尺寸仍有误差存在，这样同一膜片不用同一环室和硬芯组装，其有效面积也不相同。
    2 与膜片波纹方向安装的初始位置和受力方向有关。由图3-18可以看出硬芯同是向上移动，膜片的波纹方向向上安装的，膜片有效面积比原来减少反之，向下安装的，有效面积比原来增大。

    如改变膜片受力方向，硬芯向下移动时，则上述情况洽恰相反。
    这种情况是由于硬芯移动后，改变了膜片波纹高峰直径，从而使膜片有效面积也发生了改变。
    3 和装配时膜片的松紧程度有关膜片安装得越松，有效面积随位移的变化率就越小，膜片安装得越紧，则有效面积随位移的变化率就越大。
    4 膜片刚度对有效面积的影响膜片刚度愈小（即愈薄、愈软）、有效面积随位移的变化率就愈小反之，膜片刚度愈大即愈厚、愈硬有效面积随位移的变化率就愈大。
    膜片的刚度与夹层布的材料和橡胶的配方有关。
    5 压力变化对有效面积的影响同一膜片，在膜片两面压差较大时，有效面积随位移的变化率就较大，压差较小时，变化率较小。
    6 多次拉伸对有效面积的影响试验证明，膜片经过多次往返拉伸动作（如：15000周次，0.3-0.8Kg/Cm²的周期变压）达到一定老化程度之后，它受温度的影响就比较小，有效面积随位移的变化率也显著变小，这就是某些气动仪表经过一段时间运行之后，性能变得比较稳定的原因之一。但停下来一段时间以后再运转，性能又不好了，这是由于它的特性和以前又不完全吻合了，还需经过一定的稳定时间。
    7 环境温度对有效面积有影响环境温度在5-40℃之间，有效面积变化较大，50∼60℃之间，有效面积变化很小。但经过一段时间的温度处理后，有效面积可以稳定。

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