Средства измерений и контроля с пневматическим преобразованием

Пневматические измерительные приборы нашли широкое применение для контроля линейных размеров. Они обладают высокой точностью, позволяют производить дистанционные измерения в относительно труднодоступных местах, имеют низкую чувствительность к вибрациям. Пневматические бесконтактные измерения дают возможность контролировать легкодеформируемые детали, детали с малыми величинами микронеровностей, которые могут быть повреждены механическим контактом, а также исключают износ измерительных поверхностей контрольных устройств, что повышает точность и надежность контроля. Пневматические приборы сравнительно легко поддаются автоматизации, просты в эксплуатации, требуют менее квалифицированного обслуживания. Однако эти приборы обладают значительной инерционностью, снижающей их производительность.

Пневматические измерительные приборы подразделяются на два типа:

1) приборы, в которых измеряется давление воздуха, — манометрические («Солекс»);

2) приборы, регистрирующие скорость истечения воздуха или его расход, — расходомерные («Ротаметр»).

Приборы манометрического типа нашли более широкое распространение в устройствах активного контроля.

Вне зависимости от типа пневматический измерительный прибор состоит из измерительной головки, включающей в себя показывающий прибор, чувствительного элемента (сопла) и источника сжатого воздуха. Источник сжатого воздуха, в свою очередь, содержит: компрессор; отстойники, в которых воздух очищается от влаги; фильтры, в которых воздух очищается от механических включений; редуктор, понижающий давление до нужной величины; стабилизатор давления, поддерживающий давление строго постоянным.

В зависимости от величины рабочего давления различают пневматические приборы низкого (например, 10 кПа) и высокого (например, 150 кПа) давления. И те и другие работают от сети давлением 0,2...0,6 МПа. Приборы низкого давления расходуют на измерение одного параметра до 10 л/мин воздуха, приборы высокого давления — до 20 л/мин.

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

Приборы давления.

Манометрические приборы выпускают одномерными и многомерными в двух вариантах: цеховой прибор с длиной манометрической трубки 500 мм и лабораторный прибор с длиной манометрической трубки 1 230 мм. Передаточное отношение в этих приборах достигает 20 000.

Рис. 2.34. Конструкция прибора давления с водяным манометром ДПНД-500 [манометрический]:

1 — баллон; 2 — трубка; 3 — трубопровод: 4 — дроссельное устройство; 5 — входное сопло; 6 — камера; 7 — трубка; 8 — шкала; 9 — указатель допуска; 10 — измеряемая деталь; 11 — выходное сопло

Конструкция прибора давления на примере прибора низкого давления с водяным манометром ДПНД-500 показана на рис. 2.34. Он представляет собой цилиндрический баллон 1, сообщающийся с атмосферой и наполненный водой, в которую погружена трубка 2, к верхней части которой через трубопровод 3 и дроссельное устройство 4 подается компрессором воздух под давлением р. В трубке 2 автоматически поддерживается практически постоянное давление, определяемое высотой Н столба в баллоне 1. С трубкой 2 соединена камера 6, имеющая входное 5 и выходное 11 сопла. Последнее установлено с зазором над поверхностью измеряемой детали 10. Для измерения переменного давления рк в камере 6 прибор снабжен водяным манометром в виде стеклянной трубки 7 со шкалой 8. Давление рк определяется разностью уровней столбов воды в баллоне 1 и стеклянной трубке 7, которая соединена одним концом с камерой 6, а другим — с баллоном 1. Из трубки 2 воздух под постоянным давлением проходит через входное сопло 5 в камеру 6 и выходит через выходное (измерительное) сопло 11. От величины зазора S зависят давление рк и, следовательно, разность уровней Л, отсчитываемая по шкале 8. Так, при уменьшении размера детали 10 зазор S возрастает и уровень воды в стеклянной трубке 7 повышается. На шкале 8 устанавливают указатели допуска 9, между которыми должен находиться уровень воды в стеклянной трубке 7 при контроле годных деталей.

Приборы расхода.

Поплавковые приборы выполняют одномерными и многомерными, обслуживающими до 15 измерительных позиций. Конструкция расходомера типа «Ротаметр» показана на рис. 2.35. Он имеет коническую стеклянную трубку 3 с широким концом кверху. По ней снизу под рабочим давлением 100...200 кПа проходит воздух, поднимающий поплавок 4. Верхняя плоскость поплавка является указателем для отсчета по шкале 5 (градуирована в микрометрах), помещенной рядом с трубкой. Высота подъема поплавка зависит от скорости прохождения воздуха, которая тем больше, чем больше зазор между торцом измерительного сопла 6 и поверхностью объекта измерения 7. Под действием скоростного напора воздуха поплавок поднимается в трубке до тех пор, пока не уравняются расходы воздуха через кольцевой зазор между поплавком и стенками стеклянной трубки 3 и через зазор 5 между измерительным соплом и контролируемой деталью. В этом случае поплавок зависает в трубке. Таким образом, каждому значению зазора S соответствует определенное по высоте положение поплавка в трубке.

Точность рассмотренных выше приборов во многом зависит от постоянства рабочего давления воздуха. Любые (даже незначительные) случайные колебания давления непосредственно влияют на результаты измерения.

Более совершенной схемой измерения в этом плане является дифференциальная (рис. 2.36, а), состоящая из двух ветвей, каждая из которых соответствует обычной схеме. В одной ветви, состоящей из входного сопла и пневматического элемента сопла- заслонки 1, который измеряет объект измерения 2, расход определяется измерительным давлением р{. Другая ветвь, образованная входным соплом и соплом 3 с предварительно установленным зазором Sconst, имеет постоянный расход, определяемый давлением р2 = const.

Рис. 2.35. Конструкция расходомера типа «Ротаметр» (поплавковый):

1 — дроссель; S — фильтр; 3 — стеклянная трубка; 4 — поплавок; 5 — шкала; 6 — измерительное сопло; 7 — объект измерения

Рис. 2.36. Дифференциальный пневматический прибор:

а — измерительная схема: 1 — сопло-заслонка; 2 — объект измерения; 3 — сопло; 4 — показывающий прибор; б — схема дифференциального сильфонного прибора: 7 — механизм; 2 — стяжка; 3 и 8 — входные сопла; 4, 7 и 11 — плоские пружины; 5 — узел противодавления; 6 — измерительное сопло; 9 — винты; 10 — упоры

Эта ветвь обычно называется ветвью противодавления.

Дифференциальная схема, для которой характерно сравнение двух давлений р, и р2, менее чувствительна к колебаниям рабочего давления. В качестве измерителя давлений применяются сильфонные, мембранные дифференциальные манометры, реагирующие на разность давлений Δр = р1 - р2 в двух ветвях системы.

На рис. 2.36, б представлена схема дифференциального сильфонного прибора. Сжатый воздух из пневмосети, пройдя через блок фильтра и стабилизатора, под постоянным давлением истекает через входные сопла 3 и 8 в полости сильфонов (металлические гофрированные пружины). Из левого сильфона воздух через кольцевой зазор S, образованный торцом измерительного сопла 6 и поверхностью контролируемой детали, истекает в атмосферу. В этом сильфоне создается измерительное давление рь величина которого зависит от размера контролируемой детали. Из правого сильфона воздух истекает в атмосферу через узел противодавления 5, а в полости сильфона создается постоянное давление р2. Свободные концы сильфонов жестко связаны стяжкой 2, подвешенной на плоских пружинах 4 и 7. Положение подвижной системы прибора определяется разностью измерительного давления P1 и некоторого постоянного противодавления р2.

Перемещение подвижной системы измеряется с помощью механизма 1, который включает стрелку со шкалой и рычажно-зубчатую передачу от сильфонов к стрелке. На подвижной системе прибора с помощью плоских пружин 11 могут быть закреплены подвижные электрические контакты. Для предварительного натяжения пружин в целях обеспечения необходимого усилия замыкания контактов служат упоры 10. Винты 9 с неподвижными контактами служат для настройки срабатывания электрических контактов при заданном размере контролируемой детали. В существующих приборах число пар контактов достигает шести.

По рассмотренной схеме выпускают несколько моделей сильфонных дифференциальных приборов, основные технические характеристики которых приведены в табл. 2.13.

Для увеличения чувствительности и точности пневматических измерительных приборов, более широкого изменения передаточного отношения системы, уменьшения времени срабатывания (инерционности) прибора были разработаны устройства, включающие в себя дифференциальную самобалансирующуюся пневматическую систему нулевого перепада. Измерительная схема компенсационного пневматического прибора показана на рис. 2.37, а.

Зазор S зависит от величины контролируемой детали 1, он определяет измерительное давление рг. Величина р2 определяется кольцевым зазором между соплом 4 и конической иглой 3. Конструкция показывающего прибора 2 выполнена так, что при наличии разности давлений р, и р2 чувствительный элемент (мембрана) перемещает коническую иглу и тем самым изменяет давление р2 до наступления равенства р, = р2. Положение конической иглы относительно сопла является мерой изменения размера контролируемой детали.

Компенсационные приборы (рис. 2.37, б) построены на принципе самобалансирующегося пневматического моста. Сжатый воздух под постоянным давлением истекает через входные сопла 4 и 5, измерительную 6 и компенсационную 3 камеры. Из измерительной камеры 6 воздух истекает в атмосферу через зазор 5 между торцом сопла 8 и поверхностью контролируемой детали 7, а из компенсационной камеры 3 — через кольцевую щель между поверхностями конической иглы 10 и сопла 2. Мембрана (из прорезиненной ткани) 9 находится в покое только в том случае, если давление в камерах 3 и 6 одинаково. При изменении зазора измерительное давление также меняется и равновесие мембраны нарушается.

Рис. 2.37. Компенсационный пневматический прибор:

а — измерительная схема: 1 — контролируемая деталь; 2 — показывающий прибор; 3 — коническая игла; 4 — сопло; б — принципиальная схема: 1 — показывающий прибор; 2 и 8 — сопла; 3 — компенсационная камера; 4 и 5 — входные сопла; 6 — измерительная камера; 7 — контролируемая деталь; 9 — мембрана; 10— коническая игла

Перемещаясь, она изменяет положение конической иглы 10 относительно сопла 2 таким образом, что давление в компенсационной камере вновь становится равным измерительному.

Перемещение конической иглы 10 отсчитывается по шкале показывающего прибора 1. Получение команд в компенсационных приборах может осуществляться и с помощью электроконтактных преобразователей.

Основные технические характеристики некоторых компенсационных приборов см. в табл. 2.13.