5.4. Измерительные преобразователи

Дать описание схемы измерительного преобразователя, привести его статическую характеристику и основные теоретические зависимости, описывающие принцип работы.

В настоящее время существует большое разнообразие различных типов преобразователей для измерения линейных величин и перемещений. Выбор принципа действия первичного измерительного преобразователя зависит от величины подлежащего контролю размера, необходимой точности измерения, условий, при которых должно производиться измерение. В измерительных станциях автоматизированных измерительных устройств контроля геометрических параметров деталей широкое применение нашли следующие виды измерительных преобразователей: пневматические, индуктивные, электроконтактные.

5.4.1. Пневматические преобразователи

Пневматические преобразователи обладают высокой точностью, позволяют производить дистанционные измерения; малогабаритная пневматическая измерительная оснастка позволяет производить измерения в относительно труднодоступных местах и создавать наиболее простые конструкции измерительных устройств для контроля практически любых линейных параметров деталей [10].

Пневматические приборы и преобразователи можно легко комбинировать, образуя измерительные системы, контролирующие сумму или разность размеров. Пневматические бесконтактные измерения дают возможность контролировать легкодеформируемые детали, детали с малой шероховатостью поверхности, которые могут быть повреждены механическим контактом, а также исключают износ измерительных наконечников контрольных устройств, что повышает точность и надежность измерения.

Пневматические приборы сравнительно легко поддаются автоматизации, просты в эксплуатации, требуют менее квалифицированного обслуживания, чем другие приборы (индуктивные, емкостные, радиоизотопные и т.п.).

Пневматические преобразователи обладают значительной инерционностью, снижающей их производительность. Однако при построении средств активного контроля нечувствительность к вибрациям является положительным качеством средства измерения.

В пневматических преобразователях для линейных измерений использована зависимость между площадью f проходного сечения канала истечения и расходом G сжатого воздуха:

,

где Р – давление воздуха, под которым он истекает через проходное сечение канала;

f – площадь канала истечения.

Площадь канала истечения изменяется в зависимости от измеряемого линейного перемещения. Таким образом, измеряя расход G при постоянном давлении Р, можно судить о размере контролируемой детали.

Блок-схема пневматического прибора включает в себя (рисунок 5.10):

1 – первичный пневматический преобразователь (устройство, воспринимающее линейные перемещения детали и преобразовывающее их в соответствующие изменения расхода или давления воздуха);

2 – вторичный преобразователь, преобразующий сигнал первичного преобразователя в удобный для дальнейшего преобразования параметр;

3 – указательное устройство для воспроизведения значения измеряемой величины в принятых единицах измерения;

4 – командное устройство, предназначенное для формирования и подачи сигналов-команд в целях управления технологическим процессом;

5 – стабилизатор давления воздуха;

6 – фильтр очистки воздуха;

7 – источник сжатого воздуха.

Р исунок 5.10 – Блок-схема пневматического прибора

Пневматические приборы делятся на две основные группы:

1. манометрические – реагирующие на изменение давления;

2. ротаметрические – реагирующие на изменение скорости воздушного потока (расхода).

В приборах для автоматического контроля размеров более широко применяют пневматические схемы манометрического типа. На рисунке 5.11 представлена простейшая схема такого прибора.

Рисунок 5.11 – Простейшая измерительная схема пневматического прибора манометрического типа

Принцип его действия следующий. Сжатый воздух под постоянным рабочим давлением Н через входное сопло 1 поступает в измерительную камеру 3 и далее через кольцевой зазор, образованный торцом измерительного сопла 2 и поверхностью контролируемой детали 5, выходит в атмосферу. В зависимости от зазора Z в камере 3 устанавливается определенное измерительное давление h, которое при постоянных рабочем давлении H и площади входного сопла f₁ является мерой расхода воздуха через преобразователь, а следовательно, и мерой контролируемой линейной величины Z.

В качестве измерителя давления h используют манометры или сильфонные преобразователи 4, шкала которых градуирована в единицах линейных величин.

Статическая характеристика пневматического преобразователя типа «сопло-заслонка» (рисунок 5.12) описывается выражением:

, (5.2)

где – рабочее давление воздуха, МПа;

– измерительное давление воздуха, МПа;

– площадь входного сопла, мм²;

– диаметр входного сопла, мм;

– площадь кольцевого зазора измерительного сопла, мм²;

– зазор между измерительным соплом и деталью, мм;

– диаметр измерительного сопла, мм.

Зависимость является нелинейной, поэтому для измерения используется её участок ∆z, ограниченный зазорами z_min и z_max, в пределах которого нелинейность (отношение ) не превышает 1÷3%.

Рисунок 5.12 – Статистическая характеристика пневматического преобразователя типа «сопло-заслонка»

Анализ характеристик измерительных пневматических преобразователей линейных перемещений показывает, что в основном диапазон их измерения составляет 0,05-0,24 мм. Для расширения пределов измерения пневматических приборов используются эжекторные сопла круглого или прямоугольного сечения. Они позволяют расширить пределы измерения в 2-3 раза, что составляет 0,29-0,65 мм.

В качестве вторичного преобразователя в пневматических приборах широкое применение нашли сильфонные пневмоэлектроконтактные преобразователи мод. 236, 255, 249, 343.

Принципиальная схема такого преобразователя показана на рисунке 5.13 [16].

Пневматическая схема состоит из двух ветвей: измерительной (сопла 1 и 2) и противодавления (сопла 3 и 4).

Правый сильфон преобразователя подсоединен к измерительной ветви и находится под давлением ₁, зависящем от размера контролируемой детали (зазора Z между измерительным соплом 2 и деталью).

Рисунок 5.13 – Принципиальная схема сильфонного пневмоэлектроконтактного преобразователя

Левый сильфон находится под постоянным противодавлением ₂, определяемым зазором у сопла 4. Поскольку свободные концы сильфонов жестко связаны кареткой 10, которая подвешена на плоских пружинках 5, то положение подвижной системы преобразователя будет определяться разностью измерительного давления ₁ и постоянного противодавления ₂. Перемещения каретки с сильфонами преобразуется рычажно-зубчатым механизмом 9 в перемещении стрелки относительно неподвижной шкалы.

На подвижной каретке 10 с помощью плоских пружин 8 закреплены подвижные электрические контакты 11. Для предварительного натяжения пружин с целью обеспечения необходимого усилия замыкания контактов служат упоры 6. Винты 7 с контактами служат для настройки срабатывания электрических контактов при заданном размере контролируемой детали. В существующих приборах число контактов достигает шести.

Для измерения разности двух размеров вместо узла противодавления 4 устанавливают второе измерительное сопло.

Если сильфонный пневмоэлектроконтактный преобразователь проектируют также и для контроля отклонений от правильной геометрической формы и взаимного расположения поверхностей, то его снабжают плавающим контактом.

В таблице 5.5 указаны технические характеристики сильфонных преобразователей.

Таблица 5.5 – Технические характеристики сильфонных преобразователей, построенных по дифференциальной схеме

Модель	Число контактов	Число делений шкалы	Интервал делений шкалы, мм	Цена делений шкалы, мм	Смещение настройки после 25тыс. срабатываний	Погрешность срабатывания	Рабочий ход сильфонов, мм	Масса, кг	Габаритные размеры, мм
236	2\1*	±40	1		100Па	+10 мм вод. ст.	±2	1,920	128*90*100
235	6			0.0002				2,030
249	2			0.002				1,920
БВ-6017.4к	4	+90 -20	1,25	0,001	0,001 мм	0,001 мм	±1,8	4,2	150*135*120
БВ-6060-2 БВ-6060-1 БВ-6060-05	2-4	+100 -20		0,002 0,001 0,0005	**	**	±2	6	230*270*300

* Одна команда с плавающим контактом для амплитудных измерений.

** Погрешность на участке шкалы ± 10 делении от нулевого деления составляет 0,5 деления шкалы, на остальных участках -1,5 деления шкалы. Погрешность срабатывания электрических контактов 0,5 мкм.

Примечание. Рабочее давление всех приборов 0,10,2 МПа.