СХЕМЫ РАБОТЫ СТАНКА СОВМЕСТНО С ПРИБОРОМ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ 1 страница

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Пневматические приборы обладают высокой точностью, позволяют производить дистанционные измерения, измерения в относительно труднодоступных местах и создавать наиболее простые конструкции измерительных устройств для контроля практически любых линейных параметров деталей.

Пневматические приборы и преобразователи можно легко комбинировать, образуя измерительные системы для контроля суммы или разности размеров. Пневматические бесконтактные измерения дают- возможность контролировать легкодеформируемые детали, детали с высокой чистотой поверхности, которые могут быть повреждены механическим контактом, а также исключают износ измерительных поверхностей контрольных устройств, что повышает точность и надежность, контроля. ⁴

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

Пневматические приборы обладают значительной инерционностью,, снижающей их производительность. Однако при построении сред ста активного контроля нечувствительность к вибрациям является положительным качеством прибора.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В пневматических приборах использована зависимость между площадью проходного сечения канала истечения и расходом воздуха через, него. Площадь канала истечения изменяется за счет измеряемого линейного перемещения.

Структурная схема пневматического прибора (рис. 29) состоит из первичного преобразователя 1, воспринимающего линейные перемещения и преобразующего их в измерительную информацию; измерительной схемы 2, преобразующей сигнал первичного преобразователя в удобную для дальнейших Преобразований форму; показывающего прибора 3\ командного устройства 4 преобразования аналогового сигнала измерительной информации при определенных условиях в дискретный сигнал-команду; блока питания 5.

ПЕРВИЧНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ И РАСЧЕТ

Способ преобразования расхода воздуха через чувствительный элемент преобразователя в давление является основным классификационным признаком пневматических преобразователей. Исходя из этих позиций, существующие первичные преобразователи можно разделить на следующие классы: дроссельные, дроссельно-эжекторные, струйные, пневмочастотные и др.

Дроссельные преобразователи. К этому классу относятся преобразователи с чувствительным элементом в виде дросселирующего канала, минимальная проходная площадь которого прямо или косвенно зависит от контролируемой линейной величины, а преобразование расхода воздуха через этот элемент в давление осуществляется с помощью дросселя (входного сопла).

В зависимости от величины расхода воздуха G через дросселирующий канал с проходной площадью при постоянном давлении питания р_н в измерительной камере устанавливается определенное абсолютное измерительное давление

Ph = f (F„).

По пиду геометрической формы канала дроссельные преобразователи можно разделить на две группы: 1-я группа — преобразователи без изменения направления движения газового потока через канал; 2-я группа — с изменением направления движения газового потока через канал.

Преобразователи 1-й группы образуются при контроле малых отверстий (рис. 30, а), проволоки (рис. 30, в), кольцевых щелей, образованных в сопряжении втулка—вал, щелей в виде «цилиндрическое отверстие — шар» (рис. 30, б) и других по форме каналов.

Преобразователи 2-й группы образуются при бесконтактном контроле цилиндрических деталей (рис. 30, г), деталей с плоскими поверхностями (рис. 30, д), а также при построении контактных преобразователей, имеющих коническую или шаровую заслонки (рис. 30, е, Ж). т. е. к этой группе относятся преобразователи с дросселирующим элементом типа сопло—заслонка.

Рис. 29. Структурная схема пневматического прибора

Изменение направления движения потока в дросселирующем канале (канал типа сопло—заслонка) по сравнению с каналами, где

Рис. 30. Принципиальная схема дроссельных преобразователей

такой эффект отсутствует, существенно меняет и физическую картину дросселирования потока. Поэтому основы их расчета и выбора параметров для этих групп преобразователей различны.

К конструктивным параметрам относятся диаметр входного сопла, диаметр измерительного сопла, диаметр шара (рис. 30, б, ж), конструктивные элементы заслонок, вставок (рис. 30, в, е).

Для рассмотрения метрологических характеристик пневматических преобразователей на рис. 31 представлен график зависимости избыточного измерительного давления h от проходной площади канала Р_л, которую в дальнейшем будем называть статической характеристикой преобразователя. При работе пневматических приборов используют прямолинейный участок характеристики, степень нелинейности которого не должна превышать заданную величину. Этот участок на графике ограничен точками щщ и F_д щах-

К метрологическим характеристикам преобразователя относят следующие величины.

— F

д max

1. Диапазон измерения Dp =

= F

д mln-

Рис. 31. Статическая характеристика дрос- ^льн°го преобразователя:

" flmii, r_iv

избыточное измерительное давление; д — проходная площадь измеряемого канала

^ E. И. Педь и др.

2. Площадь измерительного дросселирующего канала, соответ-

F -t- F

ствующая середине линейного участка, F_R_ср = Д ¹¹¹¹¹¹ Т Д ^шах .

2. Чувствительность преобразователя kp^ = ( ^ \ ха-

Д / "д-Гд ср

рактеризует величину изменения измерительного давления при измене» иии площади (зазора) измерительного канала на единицу площади (дли» ны). Чувствительность максимальна в середине линейного участка, и это значение принимают в расчетах.

Д р„

4. Нелинейность характеристики Ьр = ■ ■■ 100%, где Дf —

Д Up д

расхождение между кривой h = / (F_K) и прямой, ее линеаризующей. Линеаризующая прямая проходит через середину линейного участка с угловым коэффициентом, равным максимальной чувствительности.

Расчет дроссельных преобразователей 1-й группы. Ниже приведена методика расчета преобразователей, принципиальные схемы которых представлены на рис. 30, а и б.

Уравнение статической характеристики преобразователя h (Fд) получается из равенства расходов воздуха G₁ = G₂ через входное сопло F! и измерительный канал F_a. При измерении цилиндрического отверстия измерительным каналом будет площадь цилиндрического отверстия или площадь щели между стенками данного отверстия и шариком (см. рис. 30, б). Для определения массового расхода воздуха используются известные из газовой динамики формулы

Gi = f 1И1 У-jfjr V(H-h)p_h для рн > 0,5р_н\

(2.1)

Si = FiV-i ]/-|fr ~ для p_h < 0,5p„;

G_a = ^дЦд ^для ^ Sa 0,5p_ft;

(2.2)

V-

2g Ph RT 2

^G2 = ^дНд

для Pa < 0,5р_л,

где p_a — атмосферное давление; рн = H -f Р_а — абсолютное давленМ питания (Н — избыточное давление питания); рл = h + Р_а — лютное измерительное давление; ц_д — соответственно коэффк циеиты истечения входного сопла и измерительного канала; R — rasf! вая постоянная; Т— абсолютная температура воздуха. >

Для преобразователей 1-й группы можно принять = I

В этом случае точность расчета будет вполне удовлетворительной дЛ практических целей, погрешность расчета составит не более 10% Решить задачу расчета параметров преобразователей с помощью прЯ веденных уравнений (2.1), (2.2) по заданным метрологическим хара* теристикам достаточно сложно, поэтому ее решают графически с Ш мощью безразмерных характеристик. *

Введение безразмерных характеристик позволило получить универсальную методику расчета различных преобразователей 1-й группы. В качестве безразмерных метрологических характеристик приняты следующие величины (в скобках приведены формулы перехода от безразмерных к размерным характеристикам): безразмерное измерительное давление

h=lH-, (2.3)

безразмерная площадь измерительного канала

безразмерное рабочее давление

—■вЪ;-- м

безразмерный диапазон измерения

Ар = Фшах — фтш; D_P_/l = D₉F _х; (2.6)

безразмерная площадь измерительного канала, соответствующая середине линейного участка

_ Фшах + Фт1п . г _ г . ,_{0 7}ч

фср —------- 2------- ^; °р Фср'i> (■«■')

безразмерная чувствительность

безразмерная нелинейность характеристики

= Ю0%; б_Рд = б_ф> (2.9)

где Дф _ расхождение между кривой g = / (ф) и прямой, ее линеаризующей.

Связь между конструктивными параметрами и метрологическими характеристиками, полученная в результате расчета по уравнениям (2.1), (2.2), представлена в виде статических безразмерных характеристик на рис. 32. С помощью этих характеристик найдены зависимо- сти ф = f (е_а) (_рис. 33); k_v = / (в_а) (рис. 34) и 6_Ф = / (£)_ф) (рис. 35).

Основная цель расчета по графикам заключается в нахождении конструктивных параметров, которые обеспечивают работу преобразователя в заданном диапазоне измерения на линейном участке характеристики, а нелинейность на этом участке не должна превышать заданной величины.

Н '

Рис. 32. График безразмерных статиче- Рис. 33. Изменение ф_с„ в зависших характеристик дроссельных преобразо- --------------------------------- вателей 1-й группы

Ч_а




\
\
\	\
	\
		\
		" "V

1.05

0.90

0.75

№

а* as as

а?

симости от величины е„

О ог ол Ofi ОД

Рис. 34. Изменение А_ф в зависимости от величины е.

1.5 Bp

Пример расчета преобразователя 1-й группы. Рассчитать преобразователь для контроля цилиндрического отверстия 0 1₊₀ jJ нелинейность характеристики не должна превышать 1%; использован прибор с давлением питания Я = 0,1ч-0,15 МПа.

Определим безразмерное рабочее давление.

За номинальное избыточное давление питання принимаем 0,1 МПа, тогда согласно (2.5) получаем r_a= ~■ _р ^ =0,5 (Р_а = 0,1МПа —

атмосферное давление).

По графику на рис. 33, зная в_а, находим безразмерную площадь измерительного канала <р_Ср, соответствующую середине линейного участка характеристики. Для е_а — 0,5 соответствует q>_Cp = 0,885.

Используя формулу перехода (2.7), найдем диаметр входного сопла F itd2 F 4- F

преобразователя F, = — —jp, где F _ _A™SZ_iS!!L_ .

Ф_Ср ч " ^

Я* I 1²/4я-1*/4

--------- '■---- j------------- ^{----- 0,87 мм}- Диаметр входного сопла d_t = у 4F_{д С}р/я<Р_Ср =

= )/4-0,87/л-0,8й5 я; 1,1 мм.

По графику на рис. 34 с учетом того, что е_а = 0,5, определяем безразмерную чувствительиоть преобразователя k= 0,56.

По формуле перехода (2.8) определяем размерную чувствительность

= "ь =-£^ 0,56 = 0,059 ^1. ■ •^д F, Ф 0,9о мм²

По графику на рис. 35 находим нелинейность характеристики преобразователя в заданном безразмерном диапазоне измерения, определяемом по формуле перехода (2.6),

я-1,1² я* I^s

Д_р Р в ;---------- ---

л = д _ Д шах ^гд ш1п 4_______ 4__

<Р F_t Fi 0,95 ' '

Нелинейность характеристики при D 0,17 и е_а = 0,5 существенно меньше 1%.

Для повышения чувствительности преобразователя необходимо уменьшить постоянную составляющую площади измерительного канала преобразователя. Это можно осуществить путем ввода в контролируемое отверстие шара или цилиндрической пробки с диаметром, несколько меньшим номинального диаметра контролируемого отверстия. Тонкую регулировку чувствительности обычно осуществляют изменением рабочего давления.

Расчет преобразователей для контроля проволоки, построенных по схеме на рис. 30, в, проводят аналогично. Здесь необходимо иметь в виду, что средняя площадь измерительного канала (площадь кольца, образованного контролируемой проволокой и цилиндрическим отверстием) равна сумме площадей двух каналов, поскольку используется два выходных отверстия.

Расчет дроссельных преобразователей 2-й ^гРуппы. К этой группе относятся преобразователи с измерительным Дросселирующим каналом в виде элемента сопло-заслонка (рис. 30, г—ж). Выбор конструктивных параметров этих преобразователей по заданным метрологическим характеристикам осуществляется по экспериментальным данным, приведенным в табл. 8—11.

Выбор пара Петров начинают с выбора диаметра отверстия измерительного сопла. На основе эксплуатационных, технологических. Метрологических и экономических соображений рекомендуется выполнять измерительные сопла диаметром 1,0; 1,5; 2,0 мм (табл. 8—10). иногда, например при бесконтактных измерениях малых размеров,

В. Характеристики дроссельных преобразователей с мементом цилиндрическое сопло—плоская заслонка (измерительное сопло d_t =» 1 мм)

Диаметр отверстия входного сопла, ии		При нелинейноетв 1%	При нелинейности 3%
Н, МПа	А	^Zcp	А	*ср	МПа/мкм
		мкм
0,3	0,05 0,10 0,15 0,20	12 10 20 16	30 32	18 28 28	25 24 29 29	1,67 2,48 3,34 3,94
0,8	0,05 0,10 0,15 0,20	16 18 30 30	40 57 75 75	22 50 50 60	55 75 75	0,50 0,93 1,17 1,44
0,6	0,05 0,10 0,15 0,20	40 24 36 36	80 82 96 108	80 66 60 70	70 82 100 110	0,30 0,55 0,77 0,98
0,7	0.05 0,10 0,15 0,20	30 50 30	98 125 145 135	66 70 90 90	97 115 125 140	0,221 0,323 0,46 0,64
0,8	0,05 0,10 0,15 0,20	50 30 60 50	105 140 140 150	82 70 110 90	109 135 145 155	0,14 0,250 0,33 0,42
1,0	0,05 0,10 0,15 0,20	50 60 50 60	115 150 185 160	100 94 120 130	130 143 160 175	0,06 0,12 0,170 0,20

Обозначения: Я — давление питания; А — прямолинейный уче- сток характеристики; Z_Cp—измерительный зазор в середине прямолинейно"» участка; ^ъ_г — чувствительность преобразователя.

t>. Характеристики дроссельных преобразователей с элементом цилиндрическое сопло—плоская заслонка

(измерительное сопло d, — 1,5 мм)

Диаметр отверстия входного сопла, мм		При нелинейности 1%	При нелинейности 3%
Н, МПа	А	^ZCD	А		V¹⁰"' МПа/мкм
		мкм
0,5	0,05 0,10 0,15 0,20	22 22 20 24	33 39 45 52	30 32 45 30	35 40 22 49	0,71 1,21 1,67 2,10
0,6	0,05 0,10 0,15 0,20	30 30 28 28	45 75 84 64	36 42 36 34	76 88 61	0,46 0,77 1,02 1.42
0,7	0,05 0,10 0,15 0,20	50 32 44	75 92 102 100	62 50 56 60	71 90 106 100	0.30 0,54 0,85 0,97
0,8	0,05 0,10 0,15 0,20	30 30 40 40	91 105 125 120	46 50 60 80	93 105 130 125	0,24 0,41 0,56 0,70
1.0	0,05 0,10 0,15 0,20	30 60 60 60	105 140 145 160	30 82 84 100	105 141 158 167	0,13 0,22 0,32 0,41
1.2	0,05 0,10 0,15 0,20	100 90 130 100	130 175 200 200	124 126 170 150	138 177 205 210	0,065 0,139 0,198 0,258

1.5	0,05 0,10 0,15 0,20 *	120 146 170 150	260 247 265 285	240 220 230 210	230 250 265 255	0,038 0,073 0,104 0,131

Примечание. Обозначения см. в табл. 8:

10. Характеристики дроссельных преобразователей с элементом цилиндрическое сопло—плоская заслонка

(измерительное сопло d_t — 2 мм)

		При нелинейности 1%	При нелинейности 3%
Диаметр
отверстия входного сопла, мм	Н, Ю'Па	А	^Zcp	А	^Zcp	V¹⁰*' МПа /мкм
		мкм
0,5	0,5 1.0 1,5 2,0	12 16 20 28	30 32 35 38	22 24 32 40		10.7 18.8 24.6 30,0
0,6	0,5 1.0 1,5 2,0	18 24 28	35 40 49 62	32 36 36 46	39 42 48 51	7.2 12,5 16,7 19,7
0,7	0,5 1,0 1,5 2,0	30 30 24 32	50 50 62 70	40 36 30 50	50 48 60 70	4.8 8,0 11,2 14,2
0,8	0,5 1,0 1,5 2,0	30 22 42 40	60 99 109 85	46 60 66 66	63 105 112	3,4 6,2 8,2 10,2
1,0	0,5 1,0 1,5 2,0	40 44 50 84	120 118 115 142	60 60 68 105	115 120 116 143	1,92 3,8 4,4 6,0
1,2	0,5 1,0 1,5 2,0	40 44 60 90	135 162 180 185	66 100 110 130	170 185	1,27 2,36 3,4 4,2
1,5	0,5 1,0 1,5 2,0	50 80 60	145 210 190 237	116 140 140 140	152 190 210 230	0,70 1,33 1,96 2,51
1,8	0,5 1,0 1,5 2,0	110 170 190 110	176 235 255 240	160 220 250 200	180 230 265 280	0,32 0,75 1,18 1.43

Примечание. Обозначения см. в табл. 8.

II. Характеристики дроссельных преобразователей с щелевым измерительным соплом 0,5X3 мм и плоской заслонкой

Диаметр входного сопла, мм	а С S t	При нелинейности 1%	При нелинейности 3%	fc_z-10\ МПа/мкм	Диаметр входного сопла, мм	Я, МПа	При нелинейности 1%	При нелинейности 3%	3 о я *? С •tt <
А	^Zcp	А	^Zcp	А		А	²СР
мкм	мкм
0,5	0,10 0,15 0,20	25 24 30	37 35 35	35 31 45	37 39 37	1.76 2,46 3,07	0,8	0,10 0,15 0,20	38 40	75 72 82	60 80 95	80 3 20 85	0,68 0,88 1,07
0,6	0,10 0,15 0,20	32 35 47	48 51	45 45 60	60 42 55	1,22 1.72 2,06	1.0	0,10 0,15 0,20	38 40	75 72 82	90 110 160	105 125 120	0,37 0,50 0,58
	0,10					0,84		0,10					0,22
0,7	0,15					1,22	1,2	0,15					0.32
	0,20					1,48		0,20					0,36

Примечание. Обозначения см. в табл. 8.

применяют измерительные щелевые сопла с проходным прямоугольным сечением 0,5X3 мм (табл. 11).

Приведенные в табл. 8—10 экспериментальные данные справедливы, если измерительные и входные сопла выполнены согласно чертежам на рис. 39—40, а подводящие каналы имеют площадь проходного сечения, соответствующую приведенным ниже рекомендациям.

Основной задачей, решаемой при выборе параметров преобразователя, является построение такого преобразователя, у которого характеристика будет иметь участок, близкий к линейному. Нелинейность этого участка не должна превышать заданной величины в диапазоне, большем заданного диапазона измерения.

Особенности выбора параметров дроссельных преобразователей с несколькими измерительными соплами. При контроле деталей несколькими измерительными соплами возможно различное, в известных пределах, распределение суммарного измерительного зазора. Так, при контроле отверстия пневматической пробкой с двумя соплами (рис. 36, а) различные положения пробки могут привести к различным величинам зазоров Z_x и Z₂, хотя суммарный зазор будет оставаться одним и тем же. При неправильно выбранных параметрах схемы такое перераспределение суммарного зазора приведет к различным показаниям прибора. Эта погрешность вызвана кривизной расходной характеристики измерительного канала, образованного цилиндрическим измерительным соплом и плоской заслонкой. Эта характеристика представляет собой зависимость расхода воздуха Q от измерительного зазора при постоянном давлении питания.

Рис. 36. Контроль отверстия пневматической пробкой с двумя соплами: а — схема измерительного устройства; б — расходная характеристика измерительного канала (цилиндрическое сопло — плоская заслоика)

На рис. 36, б приведена расходная характеристика измерительного канала, где точки Л и В ограничивают прямолинейный участок.

Очевидно, что при перераспределении измерительного зазора суммарный расход воздуха не изменится только в том случае, если измерительные зазоры перед каждым измерительным соплом лежат в пределах прямолинейного участка расходной характеристики. Если же хотя бы один из измерительных зазоров соответствует искривленному участку характеристки, то суммарный расход воздуха должен измениться.

Рассмотрим это иа примере двух измерительных сопл, каждое из которых первоначально имело измерительный зазор, определяемый точкой С, при этом суммарный расход воздуха равен удвоенной ординате точки С. Если затем измерительный зазор перед одним измерительным соплом увеличить на AZ, а перед другим уменьшить на AZ, то суммарный расход воздуха будет равен сумме ординат точек D и Е или удвоенной ординате точки С_х. Таким образом, расход воздуха уменьшится на величину 2CC_V что приведет к изменению измерительного давления. На рис. 37—38 приведены расходные характеристики рассматриваемых измерительных сопл, где штриховыми линиями ограничены прямолинейные участки.

Если работать в пределах прямолинейных участков характеристик h — f (1), то для d₂ = 2 мм и I мм С d_t < 1,5 мм (d₂, dj — диаметры измерительного и входного сопл) погрешность от перераспределения зазоров практически отсутствует.

Конструкции измерительных и входных сопл дроссельных преобразователей. Конструкция рабочей части цилиндрического измерительного сопла показана на рис. 39 вверху, а размеры его приведены в табл. 12.

В экспериментальных характеристиках пневматических дроссельных и дроссельно-эжекторных преобразователей, особенно при питании их высоким давлением, наблюдается разрыв характеристик, на появление которого наибольшее влияние оказывает наружный диаметр D измерительного сопла. Для ликвидации разрыва характеристики установлены два ряда наружных диаметров сопл. Первый ряд — для приборов высокого давления с одним измерительным соплом; второй ряд —

⁰ 40 80 120 160 200 2W Z,mn 6)

Рис. 37. Расходные характеристики измерительного канала в виде цилиндрического сопла — плоской заслонки: о — di — l.O мм; D - ■= 2,0 мм; 6 — = 1,5 мм; D = 3,0 мм; в — di = ^ 2.0 мм; D = 4,0 мм

для остальной пневматической оснастки (например, для калибров- пробок с двумя измерительными соплами).

tfO SO 120 ISO Z,mw a)

Измерительные сопла изготовляют из стали марки 95X18 по ГОСТ 5632—72**. При изготовлении сопл должно выполняться следующее требование: размер d₂ должен обеспечиваться на всей длине L, включая и торец сопла, где недопустимы видимые глазом фаски и закругления.