Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические измерения и приборы. Часть I. Учебное пособие
.pdf
31
трубка Бурдона, мембрана, сильфон – преобразуют давление в
Измерительное
сопло
Входное сопло
P2 = f (S)
S
Заслонка
P1 = const
перемещение;
ротаметр (воздушный поплавок в узкой конической стеклянной
трубке) – преобразует расход в положение поплавка;
расходомер – преобразует расход жидкости в частоту вращения;
эффект температурного удлинения – с изменением температуры
происходит изменение длины.
2.2.2. Преобразователи с пневматическим
или гидравлическим выходным сигналом
В пневматических преобразователях манометрического типа
для измерения линейных размеров изменение давления регистрируется
по шкале манометра, проградуированной в единицах длины. Изменение зазора S (размера детали) между измерительным соплом и заслонкой вызывает изменение давления P2 в камере между входным и измерительным соплами (рис. 2.4). Воздух к входному соплу поступает от
фильтра-стабилизатора под постоянным давлением Р1.
ределяется экспериментально для разных диаметров входного и выходного сопел и давлений. Для работы измерительных систем используют прямолинейный участок характеристики, на котором
передаточное отношение (чувствительность) максимальное и практически постоянное. Подбором диаметров сопел и входного давления
можно менять чувствительность и диапазон измерения.
Рис. 2.4. Преобразование перемещения в давление
с сопротивлением типа «сопло–заслонка»
Зависимость давления от зазора носит нелинейный характер и оп-
32
Более совершенной является дифференциальная схема (рис. 2.5),
состоящая из двух ветвей, каждая из которых соответствует обычной
схеме (см. рис. 2.4).
Рис. 2.5. Дифференциальная схема измерения
В одной ветви, состоящей из входного и измерительного сопел,
давление РА1 устанавливается в соответствии с положением объекта
измерения 1. В другой ветви давление РА2 постоянно, так как зазор между соплом и заслонкой не меняется. Эта ветвь обычно называется
ветвью противодавления.
Дифференциальная схема менее чувствительна к колебаниям рабочего давления, так как она регистрирует разность двух давлений – РА1
и РА2. В качестве измерителя 2 этой разности применяют сильфонные,
мембранные, реже – жидкостные манометры.
Дифференциальная схема может быть применена также для измерения разности размеров двух деталей (образцовой и обрабатываемой)
или разности двух размеров одной детали (овальность, конусность). В
этом случае ветвь противодавления заменяется второй измерительной
ветвью.
На рис. 2.6 приведена схема пневмоэлектроконтактного дифференциального сильфонного измерительного преобразователя.
33
Рис. 2.6. Дифференциальный сильфонный измерительный
преобразователь
Сжатый воздух из пневмосети, пройдя через блок фильтра и стабилизатора, под постоянным давлением подводится к входным соплам 1
и 1 и через них поступает в полости сильфонов. Из левого сильфона
воздух через кольцевой зазор S1, образованный торцом измерительного
сопла 2 и поверхностью объекта контроля, истекает в атмосферу. В
этом сильфоне создается измерительное давление РА1, величина которого зависит от размера объекта контроля.
Из правого сильфона воздух истекает в атмосферу через узел противодавления 9, а в полости сильфона создается постоянное давление
Р
, настраиваемое винтом. Этим винтом выравнивается давление в
А2
измерительной ветви и ветви противодавления, и таким образом осуществляется настройка преобразователя на ноль по отсчетному устройству.
Свободные концы сильфонов жестко связаны стяжкой 3, которая
подвешена на плоских пружинах 8. Положение подвижной системы
определяется разностью давлений РА1 и РА2. Перемещение стяжки пе-
редается на стрелочное отсчетное устройство 4.
На стяжке с помощью плоских пружин закреплены подвижные
электрические контакты. Для предварительного натяжения пружин с
34
целью обеспечения необходимого усилия замыкания контактов служат
упоры 6. С помощью винтов 7 осуществляется настройка срабатывания электрических контактов при заданном размере контролируемого
объекта. При правильном выборе параметров схемы и упругих элементов погрешность дифференциальных сильфонных преобразователей не
превышает десятых долей микрометра.
Пневматические бесконтактные датчики положения предназначены для бесконтактного контроля пространственного положения
исполнительных органов технологического оборудования и объектов
производства, а также определения отклонений размерных параметров
последних от заданных.
В качестве чувствительных элементов датчиков применяются различного типа сопла как в сочетании с усилителями пневматического
сигнала (давления), так и без них.
Условно сопла могут быть разделены на три группы (рис. 2.7): упор-
ные, используемые в сочетании с механическими жесткими упорами;
кольцевые, использующие отраженный воздушный поток («отражаю-
щий глаз»); пневмозатворы, основанные на пересечении воздушного
потока объектом производства или исполнительным элементом технологического оборудования («пневматический барьер»).
Упорные Кольцевые Пневмозатворы
Рис. 2.7. Типы пневматических сопел
35
Небольшие размеры и малое усилие срабатывания позволяют использовать пневматические датчики в труднодоступных местах. Повышенная загрязненность, различные температурные условия окружающей среды, источники шума, взрывоопасная обстановка и
предметы, излучающие и пропускающие свет, не оказывают воздействия на надежность работы таких датчиков.
Формирование информационных сигналов в пневматических датчиках различных конструктивных разновидностей показано на рис. 2.8.
К датчикам подводится сжатый воздух через вход Р. При перекрытии
сопла в упорных датчиках или появлении заслонки в кольцевых в выходном канале А повышается давление. В пневмозатворах, наоборот,
давление в выходном канале А при наличии заслонки исчезает.
Рис. 2.8. Формирование информационных сигналов в пневматических
датчиках
36
Еще одним примером преобразователя с пневматическим выход-
ТермоЭДС
в несколько мкВ
М
2
1
2
М
1
М
1
ным сигналом может служить гидростатическое (пьезометрическое)
измерение уровня жидкости, когда через нее по опущенной ко дну ем-
кости трубе непрерывно продувается газ. Давление газа является мерой уровня жидкости в емкости.
2.2.3. Преобразователи с электрическим
выходным сигналом
2.2.3.1. Активные преобразователи
Принцип действия активного преобразователя основан на каком-то
физическом явлении, обеспечивающем преобразование измеряемой
величины в электрическую энергию. Преобразователь является генератором, выдающим заряд, напряжение или ток.
Термоэлектрический эффект (эффект Зеебека) – термопара
Если два соединения (спая) из разнородных металлов или сплавов
М1 и М2 (рис. 2.9) находятся при разных температурах 1 и 2, то в соединяющей их цепи течет электрический ток:
U = K (1 – 2) = K ,
где K – коэффициент, зависящий только от материала обоих сплавов.
Используются следующие термопары: железо – константан (Cu,
Ni), медь – константан, нихром – никель, платинорадий – платина.
Спаи выполняют различными по форме – в виде зондов, фольги на
подложке.
При измерении абсолютной температуры нерабочий спай помещают
в среду с постоянной температурой, например, таящий лед (1 = 0˚С).
Такую температуру называют опорной.
Рис. 2.9. Схема термопары
37
Диапазон измерения: для «неблагородных» пар 200…700 С, для
благородных – 0…1500 С.
Погрешность измерения: (2…0.5)% от диапазона измерений. Постоянная времени для миниатюрных термопар 0,1 с, для армированных – несколько минут.
Преимущества: малая инерционность, широкий диапазон, незначительные погрешности.
Недостатки: необходимость применения высокочувствительных
приборов и усилителей; необходимость постоянной температуры в холодных спаях.
Пьезоэлектрические преобразователи
Под действием механического напряжения (сжатие, растяжение,
изгиб) на гранях некоторых кристаллов образуются электрические заряды – пьезоэлектрический эффект. Веществами с такими свойствами, называемыми пьезоэлектриками, являются кварц (двуокись кремния), турмалин, сигнетовая соль, сульфат лития, титанит бария и др.
Для измерений почти всегда применяют кварц, имеющий низкую
температурную чувствительность и большой модуль упругости. В
шестиугольной призме кристалла кварца три оси: X – электрическая,
Y – механическая, Z – оптическая (рис. 2.10, а). Сила по Z не возбуждает электрического заряда, по Y – ограничения по прочности. Используется продольный пьезоэффект – по оси Х.
а б
Рис. 2.10. Кристалл кварца
38
Под действием силы Fx на гранях пластины, вырезанной из кри-
U
Кварц
F
F
Электрод
0 п
,
QQ
U
C C C
F
F
Рис. 2.12. Парал-
лельное соединение пьезоэлемен-
тов
сталла, (рис. 2.10, б) появляется электрический заряд Qx:
Qx = d Fx,
где d – пьезоэлектрическая постоянная (пьезомодуль), зависящая от
свойств материала.
Рис. 2.11. Пьезоэлектрический преобразователь
При температуре 500 С пьзоэффект исчезает, а при 537 С (точка
Кюри) происходит необратимое изменение структуры кварца.
При использовании пьезоэлектрических датчиков обычно измеряют не заряд, а напряжение на емкости (конденсаторе), образуемой металлическими слоями, покрывающими грани кварцевой пластины
(рис. 2.11):
где С0 – емкость кварца; Сп – емкость проводов и
подключенных устройств.
Емкость проводов и подключенных устройств
превышает емкость кварца и уменьшает полезный
эффект.
С целью получения заряда большей величины
применяют параллельное соединение нескольких
пластин (рис. 2.12).
Емкость подводящих проводов указывается
производителем и учитывается при тарировании.
Достоинства пьезоэлектрических преобразова-
телей: позволяют контролировать быстропротекающие процессы, большой диапазон измерений,
39
высокая чувствительность, погрешность ±(1…3) % от диапазона изме-
Фd
dt
Фd
UN
dt
Ферромагнитный
сердечник
U
V
U
Ф
ω
рения, широкий диапазон рабочих температур.
Недостатки: требуется высокое сопротивление изоляции, непригодность для статических измерений – заряд спадает с течением времени до 37 %, постоянная времени зависит от емкости.
Обратным пьезоэффектом можно воспользоваться для построения
измерительного преобразователя перемещений. При приложении электрического поля возникает деформация по оси Х. Так как величина деформаций очень мала (доли микрометра), пьезоэлементы применяются
для измерения очень малых перемещений (например, в нанотехнологиях) или для возбуждения ультразвуковых колебаний.
Электродинамические (индукционные) преобразователи основа-
ны на явлении электромагнитной индукции – при изменении магнитного потока, пронизывающего обмотку, в ней индуцируется напряжение, пропорциональное числу витков N и изменению магнитного
потока
:
.
При постоянной плотности потока и длине проводов обмотки напряжение пропорционально скорости их взаимного перемещения
(рис. 2.13). На основе этого эффекта построен генератор импульсов –
тахогенератор (первичный преобразователь частоты вращения), устройство и принцип действия которого рассматривается во второй части
учебного пособия.
U = f(V) U = f(ω)
а б
Рис. 2.13. Электродинамические преобразователи:
а – линейной скорости, б – угловой скорости
40
Фотоэлектрические эффекты, используемые в преобразовате-
ia
U
RR
H
IB
UR
S
S I B
U
Рис. 2.14. Эффект Холла
лях, различны по своим проявлениям, но объединены общей причиной
их возникновения – освобождением электрических зарядов в веществе
под действием светового (электромагнитного в общем смысле) излучения, длина волны которого меньше некоторого порогового значения,
являющегося характеристикой чувствительного материала.
Наибольшее применение получили полупроводниковые фотодиоды
(селеновый фотоэлемент). Электроны и дырки, освобожденные в окрестностях освещенного р–п-перехода в полупроводнике, перемещаясь
под действием электрического поля, вызывают появление напряжения
на границах полупроводника. При соединении фотоэлемента с внешним сопротивлением в цепи появляется фототок:
I =
,
где Ri – внутреннее сопротивление; Ra – внешнее сопротивление.
Спектральная характеристика селенового элемента близка к характеристике глаза.
Недостатки: инерционность, малая точность.
Эффект Холла. Полупроводниковую пластину, через которую
пропущен ток, помещают в магнитное поле, силовые линии которого
перпендикулярны к направлению тока. В результате в пластине образуется поперечное электрическое поле и на боковых поверхностях возникает разность потенциалов – ЭДС Холла (рис. 2.14):
,
где I – сила тока; В – магнитная индукция; S – толщина пластины; RH –
коэффицент Холла, зависящий от типа
проводимости и размеров пластины.
Эффект Холла используется для
измерения магнитного поля или линейных и угловых перемещений без
механического контакта. Постоянный
магнит связывают с объектом, и при
его смещении пропорционально изменяется выходное напряжение (ток при
этом постоянен).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]