Средства измерений и контроля с электрическим и электромеханическим преобразованием

Электрические и электромеханические измерительные приборы характеризуются наличием единого источника энергии — электрического тока. Широкое распространение в измерительной технике нашли электрические преобразователи, индуктивные, емкостные, электронные и фотоэлектрические приборы. Они отличаются высокой точностью, позволяют вести дистанционные измерения, имеют сравнительно небольшие габаритные размеры, обладают незначительной инерционностью.

Электрические преобразователи являются одной из составных частей электрических и электромеханических измерительных приборов, классификация и конструкция которых будут рассмотрена далее.

Индуктивные приборы.

В индуктивных приборах (рис. 2.38) используется свойство катушки изменять свое реактивное сопротивление при изменении некоторых ее параметров, определяющих величину индуктивности L. Для получения возможно большей индуктивности катушку, как правило, выполняют с магнитопроводом из ферромагнитного материала. Один из элементов магнитопровода 2 — якорь 3 выполняют подвижным, а его положение относительно неподвижной части магнитопровода 2 будет определять величину изменения магнитного сопротивления цепи, а следовательно, и индуктивной катушки 1. Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет к соответствующему изменению ее полного сопротивления R. Таким образом, если связать перемещение якоря с измеряемой величиной 8 при постоянной скорости перемещения, возникает функциональная зависимость между 8 и электрическим параметром L. Устройство, которое преобразует линейные перемещения в электрический параметр с помощью описанной выше катушки, называется индуктивным преобразователем.

Индуктивные измерительные приборы могут быть бесконтактными и контактными. В бесконтактном индуктивном приборе контролируемая деталь (только из ферромагнитных материалов) непосредственно включена в магнитную цепь, образуя участок магнитопровода. Схема контактного безрычажного дифференциального индуктивного прибора с малым ходом, например модель БВ-3099, или 226, показана на рис. 2.39.

Рис. 2.38. Принципиальная схема индуктивных преобразователей:

1 — индуктивная катушка; 2 — магнитопровод; 3 — якорь; 4 — пружина; 5— объект измерения

Отклонение размеров контролируемой детали 9 вызывает перемещение измерительного стержня 8, на котором закреплен якорь 6, находящийся в воздушном зазоре между магнитопроводами индуктивных катушек 1 и 7. В зависимости от положения якоря меняется воздушный зазор у магнитопроводов, в результате чего индуктивное сопротивление одной катушки возрастает, а другой — уменьшается. При этом нарушается равновесие моста, образованного индуктивными катушками 1 и 7 и сопротивлениями 2 и 4, который питается от стабилизированного генератора звуковой частоты 3. В результате в диагонали моста возникает ток, направление которого определяется отклонением в ту или иную сторону измерительного стержня от среднего положения. Отсчетный прибор 5, включенный в диагональ моста через фазочувствительный выпрямитель, показывает величину этого отклонения.

Индуктивные приборы выпускают как со стрелочными показывающими приборами, которые имеют пять регулируемых пределов измерения ±(1; 3; 10; 30; 100) мкм с разной ценой деления (0,02; 0,05; 0,2; 2 мкм соответственно), так и с цифровыми устройствами, имеющими три регулируемых предела измерения ±(10; 100 и 1000) мкм с разной ценой деления (0,005; 0,05 и 0,5 мкм соответственно).

Емкостные измерительные системы.

В емкостных измерительных системах используется принцип преобразования линейных перемещений в изменение электрической емкости конденсатора. По изменению емкости судят об изменении размера. Емкостные измерительные приборы могут быть бесконтактными и контактными. В бесконтактном приборе контролируемая деталь непосредственно включается в электрическую цепь в качестве одной из пластин конденсатора. Схема прибора, в котором применен дифференциальный емкостный преобразователь с двумя неподвижными пластинами, включенными в мостовую схему, показана на рис. 2.40. Изменение положения измерительного стержня 10, на конце которого закреплена подвижная пластина 13, при измерении объекта измерения 8, установленного на измерительном столе 9, влечет за собой изменение емкости двух конденсаторов, образованных пластинами 7, 13 и 1, 13. Эти конденсаторы и регулировочный конденсатор 2 включены в мостовую схему, которая питается от высокочастотного генератора 3. Выходное напряжение преобразователя через усилитель 4 подается на показывающий прибор 5 и исполнительное реле 6.

Емкостные измерительные приборы обладают малой инерционностью (менее 0,04 с), высокой чувствительностью, весьма малым измерительным усилием, так как силы электростатического притяжения между пластинами очень малы. Однако эти приборы предъявляют повышенные требования к стабильности электронной схемы включения.

Механотронные измерительные приборы.

Состоят из электронного преобразователя, представляющего собой электронную лампу с механическим управлением электронными и ионными токами, измерительной схемы, усилителя, показывающего устройства и источника питания. Эти приборы предназначены не только для измерения перемещений, воздействующих перпендикулярно оси выходного штыря лампы, но и усилий F.

Рис. 2.39. Схема индуктивного прибора:

1 и 7 — индуктивные катушки; 2 и 4 сопротивления; 3 — генератор; 5 — отсчетный прибор; 6 — якорь; 8 — измерительный стержень; 9 — контролируемая деталь

Рис. 2.40. Схема емкостного прибора:

1 и 7 — неподвижные пластины; 2 — конденсатор; 3 — генератор; 4 — усилитель; 5 — показывающий прибор; 6 — реле; 8 — объект измерения; 9 — измерительный стол; 10 — измерительный стержень; 11 — пружина; 12 — направляющие; 13 — подвижная пластина

Механотроны изготавливают на основе диодов, триодов и тетродов с подвижными анодами, катодами или сетками. Наибольшее распространение получили преобразователи, выполненные в виде сдвоенного диода. Механотрон (рис. 2.41) содержит вакуумный корпус-баллон 1, аноды 2 и 5, которые закреплены в изоляторе 3, и накаленный катод 6. Ввод перемещения внутрь колбы осуществляется через мембраны или гофрированные трубки 4.

В зависимости от взаимного расположения электродов изменяются характеристики преобразователя по току и напряжению, что фиксируется прибором или используется для подачи сигналов управления.

Фотоэлектрические измерительные приборы. В фотоэлектрических измерительных приборах с помощью оптической системы, построенной на диафрагмировании или отражении светового потока и фотоэлемента, энергия света преобразуется в электрический сигнал, который, усиливаясь, поступает либо на показывающий прибор, либо в устройство для подачи команд.

Фотоэлектрические измерительные системы для непрерывного измерения размера контролируемых деталей по изменению величины светового потока, падающего на катод фотоэлемента, применяются редко.

Причиной этого является нестабильность характеристик фотоэлементов во времени.

Фотоэлектрические преобразователи, которые являются базовым элементом рассматриваемых систем, широко применяются в дискретных измерительных системах с отражением светового потока, например в автоматах ЛИЗ для контроля и сортировки деталей подшипников качения, в счетных схемах, оптических системах для измерения перемещений и др.

Рис. 2.41. Схема механотрона:

1 — корпус-баллон; 3 и 5 — аноды; 3 — изолятор; 4 — гофрированная трубка; 6 — катод