2.4. Пневматические датчики

В этих пневматических датчиках широко распространенных на практике, используют изменение расхода воздуха, контролируемого по давлению. Различают контактный и бесконтактный пневматический контроль (рис.18). При бесконтактном измерении детали пневматический пре­образователь, показанный на рис. 18, а, представляет собой из­мерительное сопло 2, в качестве заслонки которого служит кон­тролируемая деталь 1.

Рис. 18. Принципиальные схемы пневматических пре­образователей:

а, б — с плоской заслонкой; в — с конической заслонкой; г — заслонка — параболоид вращения

Преобразователи с плоской заслонкой могут быть выполнены и для контактных измерений (рис. 18, б).

Из-за простоты изготовления эти преобразователи очень ши­роко применяются в пневматических приборах.

С целью увеличения предела измерения используют преобразователи с заслонкой в виде конуса (рис. 18, в), параболоида (рис. 18, г), шара и др.

Проходное сечение площадью f₂ у преобразователей с кони­ческой и шаровой заслонкой нелинейно зависит от перемещения. Они носят некоторую нелинейность в общую характеристику прибора. Поэтому применение таких датчиков ограничено. Для построения широкопредельных пневматических приборов с рав­номерной (линейной) шкалой используют преобразователи с заслонкой в виде параболоида вращения.

Расход воздуха в пневматических приборах в основном из­меряют с помощью манометров и ротаметров, в зависимости от чего все пневматические измерительные схемы делятся на две основные группы:

1. Манометрические — реагирующие на изменение давления.

Рис. 20. Пневматический прибор манометрического типа:

а — принципиальная схема; б — характеристика пневматической измерительной схемы

2. Ротаметрические — реагирующие на изменение скорости воздушного потока.

В приборах для автоматического контроля размеров в маши­ностроении более широко применяют пневматические схемы ма­нометрического типа.

На рис. 20, а представлена простейшая схема прибора мано­метрического типа.

Для косвенного определения расхода воздуха через пневма­тический преобразователь с площадью проходного сечения f₂ путем измерения давления устанавливают дополнительный по­стоянный дроссель 1 с площадью канала , который в пневма­тических приборах называют входным соплом.

Сжатый воздух под постоянным рабочим давлением Н через входное сопло 1 истекает в измерительную камеру 3 и далее через кольцевой зазор, образованный торцом измерительного соп­ла 2 и поверхностью контролируемой детали 4, истекает в атмо­сферу. В зависимости от величины зазора Z в камере 3 устанав­ливается определенное измерительное давление h которое при постоянных рабочем давлении H и площади входного сопла является мерой расхода воздуха через преобразователь, следо­вательно, и мерой контролируемой линейной величины Z.

В качестве измерителя давления h используются жидкостные или пружинные манометры 5, шкала которых программирована в линейных величинах. Такие манометры снабжены устройства­ми для выдачи сигналов-команд.

Строгое определение зависимости h = f(Z) представляет большую сложность, поэтому для целей практического анализа пневматических измерительных схем эта зависимость опреде­ляется приближенно.

Графически эта зависимость представлена на рис. 20, б.

Эту кривую обычно называют характеристикой пневматиче­ской измерительной схемы.

Как правило, для работы пневматических приборов исполь­зуют прямолинейный участок характеристики, ограниченный точ­ками 1—2, на котором передаточное отношение максимально и практически постоянное.

Отрезок ∆Z = Z_max — Z_min определяет предел измерения пнев­матической измерительной схемы.

Широкое распространение получили приборы, построенные по дифференциальной схеме. В этих приборах используются дифференциальные манометры, где в качестве упругого чувствительного элемента применяются мембраны, мембранные коробки. По дифференциальной схеме построен прибор с вялой мембраной (рис. 21). Чувствительным элементом прибора является резиновая или резино-тканевая мембрана 1, закрепленная в корпусе 2. На мембране закреплен металлический диск 3, несущий контакт 4, напротив которого расположен неподвижный контакт, запрессо­ванный в торец винта 5. Корпус прибора выполнен из органиче­ского стекла, что обеспечивает возможность наблюдения за мембраной и контактами, а также создает надежную изоляцию электрических выводов. Узел противодавления представляет со­бой вентиль с конической иглой 6, обеспечивающий тонкую ре­гулировку давления. Обе ветви пневматической схемы начина­ются входными соплами 7. Благодаря применению вялой мембраны и малому ходу ее (0,1—0,3 мм) размыкание и замыкание контактов прибора происходит практи­чески при нулевом перепаде давления (несколько десятков мм вод. ст.), ве­личина которого в основ­ном определяется необхо­димым контактным уси­лием.

Рис. 21. Принципиальная схема дифференциального пневматического датчика с вялой мембраной

Мембранные приборы обладают высокими мет­рологическими показате­лями. Их погрешность не превышает долей микро­метра.

На рис. 22 приведена принципиальная схема дифференциального при­бора, чувствительным элементом которого яв­ляется мембранная коробка 1. Мембранная ко­робка с помощью метал­лической ленты 3 связана с рычагом 5, подвешен­ным на крестообразном пружинном шарнире 4, Перемещение рычага че­рез ленточную передачу 6 сообщается стрелке 7.

Установка стрелки в нулевое положение производится путем изменения натяжения пружины 10. Для уменьшения колебаний стрелки используется дроссель 9 и магнитный демпфер 8. Кор­пус мембранной коробки герметизирован резиновой трубкой 2.

Приборы, построенные по этой схеме при цене деления 0,0002 мм и пределе измерения ±0,035 мм, имеют погрешность, не превышающую 0,0002 мм.

Если шкалу прибора, регистрирующего расход воздуха, проградуировать в единицах длины, то получим пневматический прибор для визуальной регистрации размеров, если подсоединить к нему электроконтактный или фотоэлектрический ПЭ, получим пневмоэлектроконтактный (пневмофотоэлектрический) датчик, с помощью которого можно осуществлять автоматический контроль и сортировку.

Рис. 22. Принципиальная схема дифференциального пневматического датчика с чувствительным элементом в виде мембранной коробки

Широкое распространение получили пневмоэлектроконтактные сильфонные дифференциальные датчики, отличительной особенностью которых является наличие сильфонов 5 и 13 (рис. 23, а), прикрепленных к неподвижной колодке 11 и подвижной раме 12. Сильфон представляет собой замкнутый сосуд цилиндрической формы с гофрированной стенкой, при изменении давления внутри него он растягивается или сжимается, причем диаметр сильфона практически не меняется. В оба сильфона по центральному каналу Т подается сжатый воздух через фильтр 1 и стабилизатор давления 2 (давление воздуха контролируется манометром 3). Из сильфонов воздух поступает в трубопроводы Т1, Т2 и далее к измерительной оснастке 4 и 14. Ею в этом случае служит пневматический калибр-пробка, который вводится в контролируемое отверстие детали Д. В зависимости от зазора между калибром и поверхностью отверстия будет изменяться давление воздуха в трубопроводе Т1 и левом сильфоне. Правый сильфон соединен трубопроводом с пробкой 14, введенной в отверстие эталона Э. Если отверстия в детали и эталоне одинаковы, то давления в сильфонах будут одинаковыми, сильфоны и рама 12 займут среднее положение и деталь будет направлена в отсек годных деталей.

Если размер отверстия меньше заданного, рама сдвинется влево, подвижный контакт К2, установленный на плоской пружине, упрется в неподвижный (регулируемый) контакт K1. Замкнется цепь сортировочного устройства, направляющего деталь в отсек "брак -". Если диаметр отверстия больше эталонного, давление в левом сильфоне станет меньше, чем в правом, рама сдвинется вправо и замкнутся контакты КЗ и К4. В результате будет подан соответствующий сигнал сортировочному устройству, и деталь попадет в отсек "брак +". Из рассмотренной схемы видно, что сильфонный дифференциальный пневматический датчик реагирует на разность давлений в цепях измерения. Поэтому чувствительность таких датчиков выше, чем у простых датчиков, и они менее чувствительны к колебаниям давления воздуха, поступающего от стабилизатора давления.

Рис. 23. Схемы пневмоэлектроконтактных сильфонных датчиков типа П (а) и БВ-6029(б)

В приведенной схеме размер детали сравнивается с размером эталона, поэтому она получила название "измерение методом сравнения". Эталон можно заменить дросселями 6 и 7, если отрегулировать их так, чтобы в левом трубопроводе установилось такое же давление, как и при измерении эталона. Таким способом получают схему "измерения с противодавлением". Пневмоэлектроконтактные сильфонные датчики оснащают показывающим прибором, позволяющим наблюдать отклонения размера детали от заданного и облегчающим настройку регулируемых контактов. Рама датчика связана со стрелкой 16 прибора капроновой нитью 17, обернутой вокруг ступицы стрелки и натягиваемой пружиной 15. При перемещении рамы нить заставляет стрелку поворачиваться, указывая на шкале величину и знак отклонения размера детали от заданного.

Промышленность выпускает двух-, четырех- и шестиконтактные сильфонные датчики. В датчике БВ-6029 (рис. 22, б) число контактов доведено до 50. Это достигнуто за счет замены капроновой нити жестким рычажным механизмом и расположения контактов по пути перемещения стрелки. Для повышения точности контроля разработаны самобалансирующиеся приборы "нулевого перепада".

Недостатками пневматического метода измерений являются:

1. малая величина измерительного зазора до 0,2 мм;

2. малый диапазон измерения (0,05+0,1) мм;

3. необходимость вторичного пневматического или электрического преобразователя для контроля;

4. необходимость коммутационных устройств в контрольном роторе;

5. необходимость для работы датчика воздушной сети с определенным давлением воздуха, подготовка которого требует особого внимания в процессе эксплуатации;

6. значительная инерционность (0,5+0,2 сек), влияющая на точность и производительность контроля.

Однако последний недостаток иногда является положитель­ным качеством датчика, так как создает нечувствительность его к вибрациям.

К достоинствам датчиков этого типа относятся:

1) высокая точность;

2) возможность производить дистанционные измерения;

3) малогабаритная пневматическая измерительная оснастка позволяет производить измерения в относительно труднодоступных местах и создавать наиболее простые конструкции многомерных устройств для кон­троля практически любых линейных параметров деталей.