СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ (ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ) И ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ (ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F15C1/04 

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано в электрогидравлических и электропневматических системах управления.

Известны способы преобразования электрического сигнала в гидравлический (пневматический) сигнал и электрогидравлические (электропневматические) преобразователи, их реализующие, когда электрический сигнал в начале преобразуется в механическое перемещение, например, заслонки, золотника, иглы и т. п. с помощью электромеханического преобразователя того или иного типа и далее механическое перемещение преобразуется в гидравлический (пневматический) сигнал [1] Недостатком таких сигналов преобразования электрического сигнала в гидравлический (пневматический) и электрогидравлических (электропневматических) преобразователей для их осуществления являются низкие показатели надежности, быстродействия и точности вследствие использования в процессе преобразования рода энергии сигналов, перемещающихся с трением друг относительно друга, подвижных, инерционных, с существенными нелинейностями механических и электромеханических элементов.

Наиболее близким к заявляемому решению (прототипом) является способ непосредственного преобразования электрического сигнала в гидравлический (пневматический), заключающийся в формировании в рабочей жидкости (в том числе и в газе) сильного электрического поля, формировании потока униполярных ионов в электрическом поле и изменении величины напряженности электрического поля, а также электрогидравлический (электропневматический) преобразователь, его реализующий, содержащий заполненный рабочей жидкостью (диэлектрической газовой или жидкостной средой) диэлектрический корпус с размещенными в нем электродами типа игла-труба и источник высокого напряжения [2]
Несмотря на известные достоинства данного прототипа (способ и устройства, его реализующего), в котором исключаются из процесса преобразования рода энергии сигналов (электрических в гидравлические или пневматические) все потенциально ненадежные и инерционные, перемещаемые с трением друг относительно друга подвижные механические и электромеханические элементы, его недостатком является относительно низкий коэффициент передачи при преобразовании сигналов, а также относительно малые выходная мощность гидравлического (пневматического) сигнала и рабочий диапазон изменения входного электрического сигнала (напряжения). Это объясняется тем, что в прототипе [2] при реализации известного способа на его характеристики оказывает существенное влияние возникающий в рабочей жидкости объемный электрический заряд, а также поверхностный электрический заряд, оседающий на диэлектрических стенках корпуса электрогидравлического (электропневматического) преобразователя, реализующего известный способ. При движении в рабочей жидкости униполярных ионов в электрическом поле затрачивается дополнительная энергия на преодоление ионами электрического поля, создаваемого объемными пространственными зарядами, которая необратимо теряется, что ухудшает энергетические показатели электрогидравлических (электропневматических) преобразователей, реализующих известный способ. Объемный заряд искажает электрическое поле между электродами. В свою очередь, униполярные ионы, образующиеся в сильном электрическом поле, при прохождении через нейтральную жидкость осаждаются на диэлектрических стенках корпуса и также увеличивают неравномерность электрического поля. Все это способствует возможности искрового пробоя межэлектродного промежутка при больших разностях потенциалов на электродах, а следовательно, ограничивает в известном способе рабочий диапазон входных электрических сигналов и тем самым делает невозможным получение больших мощностей выходного гидравлического (пневматического) сигнала. Уменьшение коэффициента передачи и ограничение получаемой мощности выходного сигнала в известном способе и электрогидравлическом (электропневматическом) преобразователе, его реализующем, вызвано тем, что в прототипе используются электроды с малой эмиссионной способностью электронов. Последнее также уменьшает и рабочий диапазон изменения входного электрического сигнала.

Целью настоящего изобретения является увеличение коэффициента передачи при реализации способа преобразования электрического сигнала в гидравлический (пневматический), расширение рабочего диапазона изменения входного электрического сигнала и увеличение мощности выходного гидравлического (пневматического) сигнала.

Данная цель достигается за счет того, что:
в предлагаемом способе периодически во времени создают в рабочей диэлектрической жидкости резко неоднородное электрическое поле одного знака, а униполярный поток создают от поверхностей с работой выхода электронов, не превышающей 2,5 эВ:
в предлагаемом устройстве поверхность игольчатого электрода выполнена из проводящего материала с работой выхода электронов, не превышающей 2,5 эВ, острие которого размещено на срезе конической части трубчатого электрода с отношением толщины его металлических стенок к длине образующей поверхности конуса, на порядок превышающем отношение радиуса закругления конца игольчатого электрода к диаметру отверстия в трубчатом электроде, а электроды соединены с источником периодического во времени высокого напряжения одного знака.

Такая последовательность операций в предлагаемом способе и отличительных конструктивных признаков в предлагаемом электрогидравлическом (электропневматическом) преобразователе позволяет свести к минимуму влияние поверхностных и объемных электрических зарядов на электрогидродинамические процессы, происходящие в рабочей диэлектрической жидкости в межэлектродном промежутке при реализации способа, увеличив тем самым выходной гидравлический (пневматический) сигнал как по амплитуде, так и по мощности. Этому способствует в предлагаемом способе и реализующем его устройстве разделение во времени процесса создания потока униполярных ионов в рабочей жидкости и процесса нейтрализации объемного и поверхностного электрических зарядов в межэлектродном промежутке. Например, периодически во времени с периодом T создают в рабочей жидкости резко неоднородное электрическое поле со скважностью T/t_и, необходимой для рекомбинации униполярных ионов, образовавшихся в рабочей диэлектрической жидкости за время t_и.

Кроме того, в предлагаемом изобретении уменьшается величина начального напряжения, вызывающая в созданном резко неоднородном поле начало движения униполярных ионов, и увеличивается величина напряженности электрического поля, вызывающая искровой пробой межэлектродного промежутка.

Таким образом, увеличивается рабочий диапазон изменения входного электрического сигнала (напряжения на электродах), что обеспечивает увеличение выходной мощности.

Технических решений со входной совокупностью отличительных признаков, позволяющих получить указанный положительный эффект, при проведении патентных исследований обнаружено не было. Это позволяет заключить, что предлагаемый способ преобразования электрического сигнала в гидравлический (пневматический) и электрогидравлический (электропневматический) преобразователь для его осуществления отвечают критерию "существенные отличия".

На чертеже в качестве примера показан электрогидравлический (электропневматический) преобразователь, реализующий предлагаемый способ преобразования электрического сигнала в гидравлический (пневматический) сигнал. Он содержит электроды типа игла 1 трубка 2, размещенные в диэлектрическом корпусе 3, заполненном диэлектрической рабочей жидкостью 4, высоковольтный усилитель 5, выходные каналы 6. Острие игольчатого электрода размещено на срезе конической части 7 трубчатого электрода. К электродам 1, 2 подводится периодическое напряжение с периодом T одного знака относительно "земли" от высоковольтного усилителя 5. Величина напряжения U на выходе высоковольтного усилителя 5 меняется прямо пропорционально величине низковольтного входного напряжения U_вх, подаваемого, например, от управляющей микроЭВМ или от электронного управляющего устройства (на чертеже не показанного).

При подачи напряжения U на электроды 1 и 2 с конусом 7 между ними создается резко неоднородное электрическое поле и в рабочей диэлектрической жидкости 4 возникает поток униполярных ионов знака потенциала острия игольчатого электрода 1. При движении в электрическом поле к электроду 2 с конусом 7 ионы передают количество своего движения окружающей нейтральной рабочей жидкости и вызывают в ней давление P_вых (расход Q_вых), которые являются выходным гидравлическим (пневматическим) сигналом электрогидравлического (электропневматического) преобразователя, реализующего предлагаемый способ.

Попадая на поверхность трубчатого электрода 2, униполярные ионы рекомбинируют, поскольку знак их электрического заряда противоположен знаку потенциала электрода 2. Для уменьшения накопления поверхностного заряда на стенках диэлектрического корпуса 3, уменьшения выноса объемного электрического заряда к игле 1 за счет вихревых течений и, как следствие, уменьшения экранирующего влияния поля объемного заряда, а также для уменьшения гидравлического сопротивления трубчатый электрод со стороны иглы выполнен конусным, причем острие игольчатого электрода 1 размещено на срезе конической части 7 трубчатого электрода 2. Такое конструктивное выполнение электродной системы при реализации предлагаемого способа увеличивает напряженность электрического поля непосредственно у острия игольчатого электрода 1, увеличивает ток, создаваемый униполярными ионами, и, как следствие, увеличивает выходной гидравлический (пневматический) сигнал и его мощность. Одновременно при этом увеличивается площадь поверхности, на которой ионы рекомбинируют при прохождении через электрод 2, увеличивая эффективность рекомбинации.

Поскольку в предлагаемом способе и устройстве, его реализующем, напряжение U на электродах 1 и 2 изменяется периодически, не меняя свой знак относительно "земли", то поток униполярных ионов также возникает периодически и таким образом осуществляется в паузах между его созданием дополнительная рекомбинация объемного заряда. Все это существенно уменьшает экранирующее влияние поля объемного электрического заряда на напряженность электрического поля в межэлектродном промежутке и электрогидродинамические процессы, увеличивая эффективность преобразования электрического сигнала в гидравлический (пневматический) сигнал.

Дальнейшее увеличение коэффициента передачи преобразователя, реализующего предлагаемый способ, по сравнению с прототипом, и расширение рабочего диапазона напряжений на электродах осуществляется тем, что поверхность игольчатого электрода 1 выполнена из проводящего материала с работой выхода электронов, не превышающей 2,5 эВ. Последнее по сравнению с прототипом увеличивает эмиссионную способность электрода 1 и, как следствие, увеличивает выходную мощность гидравлического (пневматического) сигнала, уменьшая при этом начальное напряжение на электродах, при котором в рабочей жидкости возникает униполярный поток ионов. Это подтвердили проведенные многочисленные эксперименты. Например, при использовании в качестве материала игольчатого электрода гексаборита лантана, для которого работа выхода электронов составляет 2,3 эВ, начальное напряжение возникновения униполярного потока ионов в рабочей жидкости уменьшилось на 20% по сравнению со случаем, когда в качестве материала иглы использовалась нержавеющая сталь, а коэффициент передачи увеличился при этом в 2 раза.

Увеличение коэффициента передачи и расширение диапазона изменения напряжения на электродах достигается также за счет того, что отношение толщины металлических стенок трубчатого электрода 2 к длине образующей поверхности его конической части 7 выбирается на порядок превышающим отношение радиуса закругления конца игольчатого электрода 1 к диаметру отверстия в трубчатом электроде 2. При таком конструктивном исполнении кинетическая энергия потока рабочей жидкости, вызванного движением униполярных ионов, наиболее эффективно преобразуется в выходное давление, что подтверждено экспериментальными исследованиями.

Таким образом, технико-экономические преимущества заявленного изобретения по сравнению с прототипом состоят в увеличении коэффициента передачи, увеличении мощности выходного гидравлического (пневматического) сигнала, а также в расширении рабочего диапазона изменения входного сигнала, что расширяет область использования изобретения.

Использование: в области электрогидропневмоавтоматики. Сущность изобретения: периодически во времени создают в рабочей диэлектрической жидкости резко неоднородное электрическое поле одного знака и организуют униполярный поток ионов от поверхности с работой выхода электронов, не превышающей 2,5 эВ, а в устройстве, реализующем способ, поверхность игольчатого электрода выполнена из проводящего материала с работой выхода электронов, не превышающей 2,5 эВ, острие которого размещено на срезе конической части трубчатого электрода с отношением толщины его металлических стенок к длине образующей поверхности конуса, на порядок превышающем отношение радиуса закругления конца игольчатого электрода к диаметру отверстия в трубчатом электроде, а электроды соединены с источником периодического во времени высокого напряжения одного знака. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ преобразования электрического сигнала в гидравлический (пневматический) путем формирования в рабочей жидкости электрического поля и потока униполярных ионов и изменения величины напряженности поля, отличающийся тем, что периодически во времени создают в рабочей диэлектрической жидкости резко неоднородное электрическое поле одного знака. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что униполярный поток ионов создают от поверхностей с работой выхода электронов, не превышающей 2,5 эВ. 3. Электрогидравлический (электропневматический) преобразователь для осуществления способа по пп.1 и 2, содержащий заполненный диэлектрической рабочей жидкостью диэлектрический корпус с размещенными в нем электродами типа игла-трубка и источник высокого напряжения, отличающийся тем, что поверхность игольчатого электрода выполнена из проводящего материала с работой выхода электронов, не превышающей 2,5 эВ, острие которого размещено на срезе конической части трубчатого электрода с отношением толщины его металлических стенок к длине образующей поверхности конуса на порядок, превышающим отношение радиуса закругления конца игольчатого электрода к диаметру отверстия в трубчатом электроде, а электроды соединены с источником периодического во времени высокого напряжения одного знака.