![]()
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
гдеRa- сопротивление прибора; Rp - регулировочный резистор. 6 страницаТаким образом, G = j(p, f), где р - давление воздуха, под которым он истекает через проходное сечение канала площадью f Измеряя расход G при постоянном давлении р, мы можем судить о размере контролируемой детали. Пневматический прибор в общем виде может быть представлен структурной схемой на рис. 3.11. В этой схеме первичный пневматический преобразователь (П) - это устройство, которое воспринимает линейные перемещения детали 1 и преобразовывает их в соответствующие изменения расхода воздуха. Измерительная пневматическая схема (ИС) предназначена для преобразования сигнала первичного преобразователя в удобный для измерения расхода другой газовый параметр - давление. Указательное устройство (Ук) служит для воспроизведения измеряемой величины в принятых единицах измерения. Командное устройство (К) предназначено для подачи сигналов команд для управления технологическим процессом. Стабилизатор давления (С), фильтр очистки воздуха (Ф), источник сжатого воздуха (ИВ) обеспечивают бесперебойное функционирование схемы. Пневматические приборы обладают высокой точностью, позволяют производить дистанционные измерения, 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. Однако для работы пневматических приборов необходима воздушная сеть с определённым давлением воздуха, подготовка которого требует особого внимания в процессе эксплуатации прибора. Пневматические приборы обладают значительной инерционностью, снижающей их производительность. Последний недостаток иногда является положительным качеством прибора, так как создаёт нечувствительность его к вибрациям. При бесконтактном измерении детали пневматический преобразователь, показанный на рис. 3.12, а, представляет собой измерительное сопло 2, в качестве заслонки которого служит контролируемая деталь. Расход воздуха f2 в данном случае будет определяться площадью кольцевого зазора, образованного торцом измерительного сопла с диаметром проходного сечения d2 и поверхностью контролируемой детали: f2 = Pd 2 Z. Практически измерение возможно при условии nd 2 nd2 Z < Ч т.е. Z < 0,25d2. 2 4 2 В противном случае изменение площади канала истечения не будет зависеть от изменения Z. Преобразователи с плоской заслонкой могут быть выполнены и для контактных измерений (рис. 3.12, б, в, г). Из-за простоты изготовления эти преобразователи очень широко применяются в пневматических приборах.
3.4. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ Измерительными средствами с электрическим преобразованием для измерения линейных размеров называются измерительные средства, в которых преобразование измерительной информации, т.е. информации, содержащей сведения об измеряемом размере, осуществляется через преобразование в параметры электрического тока. Обычно в электрических измерительных цепях выделяется первичный измерительный преобразователь, т.е. преобразователь, находящийся первым в измерительной (электрической) цепи, который воспринимает изменение размера и вырабатывает сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя. Первичный преобразователь наиболее часто выделяют в отдельный конструктивный узел, который больше известен под названием датчик. Помимо первичного преобразователя - датчика, электрическая цепь приборов имеет ещё несколько видов преобразователей. Обычно все преобразователи, кроме датчика, конструктивно оформляются в отдельный узел, который часто называют электронным блоком. Достоинства приборов с электрическим принципом действия: 1. Аналоговый (непрерывный) характер выдаваемой измерительной информации. 2. Измерительная информация может быть использована для считывания по шкале или цифровой индикации, или регистрироваться записывающими («печатными») устройствами, или подвергаться математической обработке с помощью микропроцессорной техники или персонального компьютера. 4. Дистанционность измерения без ограничения расстояния. 5. Возможность разработки датчиков малых габаритов. 6. Универсальный источник питания - электрический ток. 7. Возможность иметь в одном приборе несколько цен делений и диапазонов показаний. 8. Возможность использования отдельно функциональных блоков, узлов и деталей, применяемых в общей электротехнике и радиотехнике. Недостатки приборов с электрическим принципом действия: 1. Сложные схемы и конструкции по сравнению с механическими и пневматическими приборами, требующие для обслуживания специалистов узкого профиля. 2. Высокая относительная стоимость приборов. 1. Для некоторых видов приборов необходима высокая стабилизация питания. Необходимость для большинства приборов питания от сети ограничивает область их применения. 2. Недостаточно высокая надёжность. Наибольшее распространение имеют средства измерений перемещений с электроконтактными, ёмкостными, индуктивными и реостатными датчиками. Первый тип датчиков применяется только в средствах автоматизации технологических процессов и в настоящем пособии не рассматривается. Приборы с ёмкостным датчиком. Под прибором с ёмкостным датчиком понимается измерительное средство с электрическим преобразованием, в котором линейные (или угловые) перемещения преобразуются в изменения электрической ёмкости электрической цепи. Электрическая ёмкость - это электрическая характеристика проводника или системы проводников. Электрической ёмкостью одного проводника называется физическая величина С, равная отношению электрического заряда q, который сообщается проводнику, к его электрическому потенциалу j: С = q/j. Взаимная электрическая ёмкость двух проводников (в частности конденсаторов) зависит от их формы, размеров, взаимного расположения и от диэлектрической проницаемости среды. Датчик в этих приборах в принципе является электрическим конденсатором. Электронный блок представляет собой устройство, предназначенное для измерения электрической ёмкости. Схемы этих блоков аналогичны и для ёмкостных, и для индуктивных датчиков и рассмотрены ниже. Виды ёмкостных датчиков. Ёмкостным датчиком называется устройство для преобразования механических перемещений в электрический сигнал и представляющее собой плоскопараллельный или цилиндрический электрический конденсатор, у которого при изменении линейного или углового размера меняется зазор между пластинами или площадь их взаимного перекрытия. Ёмкостные датчики разделяются на недифференциальные и дифференциальные. Недифференциальным ёмкостным датчиком (рис. 3.13, а, б) называется датчик, состоящий из одного конденсатора, включающего подвижную и неподвижную обкладки, разделённые воздушным зазором, причём подвижная обкладка связана с измерительным наконечником, воспринимающим изменение размера. У недифференциального датчика, работающего по изменению зазора между параллельными обкладками (рис. 3.13, а), изменение ёмкости С [пФ] связано следующей зависимостью с изменением расстояния между обкладками l, т.е. изменением измеряемого размера: С = eS/ l где e - диэлектрическая проницаемость; S - полезная площадь обкладок. Недифференциальный датчик, работающий по изменению площади перекрытия (рис. 3.13, б), чаще всего представляет собою два коаксиальных цилиндра с зазором, значительно меньшим, чем диаметры. У этих датчиков изменение ёмкости С связано следующей зависимостью с изменением длины перекрытия l, т. е. с изменением измеряемого размера: С = 27,8 10-3 eL/(D-d), где D и d - диаметры наружной и внутренней обкладок, мм.
Наибольшее применение имеют дифференциальные датчики, хотя они и более сложные. Эти датчики обладают более высокой чувствительностью, имеют более линейную характеристику (изменение показания прибора от изменения размера выражается прямой линией), погрешность их в меньшей мере зависит от внешней среды. Дифференциальным ёмкостным датчиком называется датчик, содержащий два или более (чётное число) конденсаторов, ёмкости которых изменяются с разным знаком, причём подвижная обкладка связана с измерительным наконечником, воспринимающим изменение размера (рис. 3.13, в, г, д). Дифференциальные ёмкостные датчики, работающие по принципу изменения зазора (рис. 3.13, в), имеют рабочие конденсаторы, состоящие как минимум из двух плоских неподвижных пластин круглой или прямоугольной формы и как минимум одной подвижной пластины, расположенной между ними (т. е. как бы два конденсатора). Датчики, работающие по принципу изменения полезной площади, также имеют две неподвижные и одну подвижную обкладки цилиндрической формы. Для повышения полезной ёмкости датчиков их чаще всего делают состоящими из нескольких пластин с сохранением принципа действия по зазору (рис. 3.13, г) или из нескольких цилиндров (рис. 3.13, д) при работе по перекрытию площадей. В рассмотренных дифференциальных датчиках значение измеряемого размера зависит от результирующего воздействия, связанного с увеличением электрической ёмкости на одном конденсаторе при одновременном уменьшении на другом. При дифференциальных схемах измерения многие влияющие факторы (например, питание сети) одновременно воздействуют на оба конденсатора и поэтому практически не оказывают влияния на соотношение их параметров, т.е. на значение измеряемого размера. Ёмкостные приборы иногда применяют в качестве бесконтактных средств измерения, когда одной обкладкой конденсатора является поверхность измеряемой детали, например, при измерении вибрации или радиального биения вращающейся детали, когда подвижной обкладкой является цилиндрическая поверхность детали, вибрацию или биение которой измеряют. Достоинства приборов с ёмкостным датчиком: 1. Высокая линейность выходной характеристики (отклонение от линейности можно обеспечить в пределах 0,0001 ... 0,00001% ). 2. Высокая чувствительность, т.е. может быть получена малая цена деления. 3. Возможность обеспечить большой диапазон показаний. 4. Возможность обеспечения малых измерительных усилий и даже бесконтактных измерений. Недостатки приборов с ёмкостным датчиком: 1. Большое выходное электрическое сопротивление, что усложняет схему электронного блока и его конструкцию. 2. Большая чувствительность к внешним условиям и элементам электрической цепи (колебание температуры изменяет полезную площадь конденсаторов и расстояние между ними, внешние присоединительные кабели воздействуют как дополнительная ёмкость, влажность изменяет диэлектрическую проницаемость и т.д.). 3. Необходимость снимать сигнал с подвижного элемента (с подвижной обкладки). Указанные недостатки привели к тому, что ёмкостные приборы, несмотря на то что они появились давно, используются редко в качестве универсальных средств измерения линейных размеров. Приборы с индуктивным датчиком. Под приборами с индуктивным датчиком понимают измерительные средства с электрическим преобразованием, в которых линейные или угловые перемещения преобразуются в изменения индуктивности электрической цепи. Электрическая схема этого вида приборов состоит из датчика, в котором механические перемещения вызывают изменение индуктивности, и параметров элементов цепи, представляющих собою электрическую цепь измерения индуктивности. Виды индуктивных датчиков. Индуктивным датчиком называют устройство для преобразования механических перемещений в электрический сигнал, а именно изменение индуктивности катушки с магнитопроводом и подвижным ферромагнитным сердечником (якорем), положение которого относительно магнитопровода зависит от геометрического размера объекта контроля. Индуктивность (от латинского слова induction - наведение, побуждение) - это физическая величина, характеризующая магнитные свойства электрической цепи. Ток, текущий в проводящем контуре, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, причём магнитный поток Ф, пронизывающий контур, прямо пропорционален силе тока I, т.е. Ф = LI. Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью, или коэффициентом самоиндукции контура. Индуктивность зависит от размеров и формы контура, от магнитной проницаемости проводников, образующих цепь, и окружающей среды. Схема индуктивного датчика состоит из катушки индуктивности, т. е. проводника, свёрнутого в спираль, магнитопровода, состоящего из сердечника (постоянной части) и якоря, который при измерении размера смещается относительно катушки и этим самым изменяет магнитную проницаемость (сопротивление) сердечника, а, следовательно, изменяет индуктивность катушки. В принципе, как и в ёмкостных датчиках, изменение индуктивности происходит либо в результате изменения зазора между подвижной частью магнитопровода (якоря) и сердечником, либо в результате изменения площади. Индуктивные датчики так же, как и ёмкостные, могут быть либо недифференциальными, либо дифференциальными. Изменение индуктивности происходит от изменения параметров зазора по следующей зависимости:
где w - число витков катушки; l0i, S0i - длина и площадь i-го воздушного участка магнитной цепи; lj, Sj - длина и площадь j-го ферромагнитного участка магнитной цепи; m0, mj - магнитная проницаемость соответственно воздуха и материала j-го участка магнитной цепи; N - число воздушных участков магнитной цепи; к - число ферромагнитных участков магнитной цепи. Если якорь индуктивного датчика механически связать с объектом контроля, то изменение размера объекта или перемещение его в пространстве приведёт к изменению длины или площади немагнитных участков цепи магнитного потока, а значит, и к изменению индуктивности катушки. Датчики подобного типа применяются для контроля размеров деталей, а также для измерения толщины покрытия из немагнитных материалов, при условии, что под ним находится ферромагнитное вещество. На этом принципе построена работа прибора типа ИЗС (см. рис. 3.14), который применяется для неразрушающего контроля расстояния от поверхности бетонных плит до расположенной в них металлической арматуры. Роль якоря выполняет стержень 3 арматуры и в зависимости от глубины его залегания изменяется толщина немагнитного слоя бетона l0, а, следовательно, индуктивность катушки датчика 1. Таким образом, показания вторичного прибора (ВП), подключённого к преобразователю 4, зависят от толщины слоя l0 бетона до арматуры. Для повышения чувствительности индуктивных преобразователей применяют дифференциальные индуктивные датчики. На рисунке 3.15 показана схема дифференциального индуктивного датчика, работающего по принципу измерения длины немагнитного зазора. Здесь перемещение якоря 1 приводит к увеличению индуктивности одной катушки (например L1) и уменьшению индуктивности другой катушки (L2). Эти катушки включены в мост переменного тока, поэтому напряжение разбаланса моста зависит от положения якоря.
Широкое применение получили соленоидные контактные преобразователи. В этих датчиках положение измерительного стержня, зависящее от контролируемого параметра, определяет взаимное положение якоря и катушек датчика, а значит, их индуктивность. Контактные индуктивные датчики могут быть простыми или дифференциальными. Верхний торец измерительного стержня 1 воздействует на якорь 2, подвешенный на плоской пружине 3. Изменение положения якоря, определяемое размером контролируемой детали 6, вызовет изменение воздушного зазора между якорем 2 и катушкой 5 простого датчика или перераспределение воздушного зазора между катушками 5 и 7 и якорем 2 дифференциального датчика (рис. 3.16, б). При уменьшении зазора между якорем и катушкой 5 зазор между якорем и катушкой 7 увеличивается. Изменяется одновременно индуктивность обеих катушек, поэтому чувствительность дифференциального датчика вдвое выше, чем простого. Измерительное усилие создаётся пружиной 4. Металлические части 8 и 9 корпуса выполняют также функцию экранирования катушек индуктивности от внешних магнитных полей.
Сила магнитного притяжения в простом датчике может быть значительной и измерительному стержню, перемещающему якорь, приходится её преодолевать, что вызывает необходимость увеличения измерительного усилия и является одним из недостатков простого индуктивного датчика. В дифференциальном датчике силы магнитных притяжений в воздушных промежутках уравновешиваются, и измерительный стержень должен преодолевать лишь силу тяжести подвижной системы датчика и усилие в пружинном шарнире. Схема включения индуктивного датчика перемещений осуществляет его согласование с электрическим вторичным измерительным преобразователем и преобразует изменение полного сопротивления датчика в изменение электрического тока или напряжения. Электрические вторичные измерительные преобразователи индуктивных измерительных устройств являются общими для самых разнообразных электрических устройств, предназначенных для измерения различных неэлектрических величин. Такие преобразователи достаточно подробно рассмотрены в литературе. Поэтому ниже мы ограничимся рассмотрением только схем включения индуктивных датчиков перемещений, нашедших применение в современных индуктивных измерительных устройствах. В любую схему включения индуктивный датчик размера может входить либо непосредственно, либо в составе резонансного контура, параллельного или последовательного. Применение включения датчика в резонансный контур позволяет в ряде случаев повысить чувствительность измерения и улучшить линейность характеристики датчика. С этой точки зрения все схемы включения индуктивных датчиков можно разделить на безрезонансные, в которых индуктивный датчик включен в схему непосредственно, и резонансные, в которых индуктивный датчик входит в схему в составе колебательного контура. Независимо от предыдущего деления применяют следующие типы схем включения индуктивных датчиков: - последовательную (схема генератора тока); - схему делителя напряжения; - мостовую; - частотную; - трансформаторную. Схема включения датчика с трансформатором (рис. 3.17, а). В этой схеме катушки датчика с индуктивностями L1 и L2 образуют мостовую схему вместе с первичными обмотками трансформатора Tp1. Эти обмотки трансформатора имеют w1 = w2. В исходном положении, т.е. в среднем положении якоря L1 = L2, поэтому токи, протекающие по первичным обмоткам трансформатора, равны и магнитные поля обмоток w1 и w2 взаимно компенсируются, а поэтому напряжение на выходе Тр1 равно нулю. При перемещении якоря изменяются индуктивности L1 и L2, и тогда ток в одном плече уменьшится, а в другом увеличится. По трансформатору пойдет ток I, который вызовет отклонение стрелки на вторичном приборе ВП, пропорциональное перемещению измерительного стержня датчика. Дополнительный трансформатор Tp2 установлен в качестве усилителя тока от датчика, и он питается обычно от сети с частотой 50 Гц или от генератора с большей частотой. Эту схему целесообразно использовать при датчиках с большим сопротивлением. Погрешность таких схем составляет 2 ... 3% от измеряемой величины. Схема включения датчика с реостатом. Один из простейших вариантов этой схемы приведен на рис. 3.17, б. Индуктивности L1 и L2 дифференциального датчика образуют вместе с потенциометром R мостовую схему, в диагонали которой расположен прибор ВП или регистрирующее устройство. При среднем положении якоря датчика L1 = L2, при среднем положении движка потенциометра мост находится в сбалансированном состоянии и выходное напряжение равно нулю. При изменении положения якоря изменяется индуктивность его катушек и в диагонали моста появляется ток.
![]() ![]() В принципе возможны два режима работы прибора с мостовой схемой. В уравновешенном режиме добиваются условия нулевого напряжения в диагонали моста, т.е. на выходе. Это достигается тем, что при появлении тока в диагонали моста движок потенциометра R смещается до момента достижения баланса и производится отсчёт величины перемещения движка, которая пропорциональна величине смещения якоря датчика. По такой схеме, в частности, работают некото- рые самописцы с индуктивным датчиком, у которых перо связано с движком потенциометра, а ток в диагонали моста подаётся на реверсивный двигатель, перемещающий перо через движок потенциометра. В неуравновешенном режиме работы при изменении индуктивности катушек L1 и L2 от перемещения якоря в диагонали моста появляется ток, и напряжение этого тока измеряется пропорционально перемещению якоря, т.е. изменению размера. Погрешность этих схем измерения составляет 1 ... 3% от измеряемой величины. Дифференциальные схемы. Эти схемы также являются мостовыми схемами (рис. 3.17, в), у которых вторичные обмотки трансформатора Тр1 являются плечами моста вместе с индуктивностями катушек L1 и L2 датчика. Через эти вторичные обмотки трансформатора осуществляется питание датчика. При перемещении якоря датчика и изменении индуктивности L1 и L2 снимается выходное напряжение со средних точек вторичных обмоток трансформатора и датчика. Частотная схема включения. Для преобразования индуктивности датчика в частоту переменного тока применяют генераторные схемы (рис. 3.18). Основой генераторной схемы является колебательный контур, составленный индуктивностью датчика La и постоянной ёмкостью С. Контур включен в схему электронного генератора Г, который генерирует переменное напряжение с частотой, равной собственной частоте колебательного контура. При изменении индуктивности датчика изменяется частота на выходе генератора, измеряемая частотомером. Частота генератора зависит в основном от индуктивности датчика и не зависит от его сопротивления потерь (это верно только в первом приближении). Поскольку сопротивление потерь датчика обычно в большой степени зависит от различных внешних факторов, то избавление от его влияния на результаты измерения повышает точность измерений.
Генераторная схема может применяться для включения как недифференциальных датчиков (рис. 3.18, а), так и дифференциальных (рис. 3.18, б). В последнем случае имеются два колебательных контура, составленных каждой обмоткой датчика и конденсаторами С1 и С2, и два генератора Г1 и Г2. Частоты с обоих генераторов f1 и f2 поступают на смеситель, который выделяет разностную частоту. Эта разностная частота, в свою очередь, измеряется частотомером. Подбором ёмкостей С1 и С2 генераторы настраиваются так, чтобы в одном из крайних положений измерительного стержня датчика выполнялось условие f1 = f2 и Af = 0. Тогда показания частотомера будут пропорциональны величине смещения измерительного стержня из крайнего положения. Номенклатура приборов с индуктивным датчиком и основные технические характеристики. В приборах с индуктивным датчиком в отличие от приборов с механическим преобразованием имеется возможность иметь в одном приборе несколько значений цен делений и соответственно несколько диапазонов показаний. Обыкновенно стремятся создать гамму приборов с индуктивным датчиком с учётом удовлетворения потребностей в средствах измерения при различных случаях использования. Для индуктивных систем эти цены делений бывают от 0,00001 до 0,05 мм (0,00001; 0,0001; 0,0002; 0,0005; 0,001; 0,002; 0,005; 0,010; 0,050 мм). Реостатные преобразователи перемещений. Реостатный преобразователь - это прецизионный реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой величины. Входной величиной преобразователя является угловое или линейное перемещение движка, выходной - изменение его сопротивления. Устройство преобразователя показано на рис. 3.19. Он состоит из каркаса 1, на который намотан провод 2, изготовленный из материала с
высоким удельным сопротивлением, и токосъёмного движка 3, укреплённого на оси 4. Движок касается провода 2. Для обеспечения электрического контакта в месте касания обмотка зачищается от изоляции. В показанной конструкции контакт с подвижным движком осуществляется с помощью неподвижного токосъёмного кольца 5. Обмотка делается обычно из провода, изготовленного из манганина, константана, фехраля. Для повышения точности и надёжности она выполняется из платино-иридиевого сплава. Для обеспечения хорошего контакта движок должен прижиматься к обмотке силой 10-3 ... 10-4 Н. Сила создаётся благодаря упругости движка. При измерении переменных величин, при переходе с одного витка на другой движок подскакивает, возникает пульсирующая сила, которая может нарушить контакт. По этой причине, если преобразователь служит для измерения переменных величин или работает при вибрации, сила прижатия должна быть увеличена. Большая сила нежелательна, поскольку при её увеличении возрастает сила трения, препятствующая перемещению движка и увеличивающая износ обмотки и контактирующей поверхности движка. В измерительной технике требуются реостатные преобразователи, как с линейной, так и с нелинейной функцией преобразования. Одним из способов построения преобразователей с нелинейной функцией преобразования является использование каркаса с переменной высотой. 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ОБЪЕКТОВ При измерении отклонений формы применяют дискретные измерения, поэтому при любом методе необходимо определение числа и расположения точек и линий измерения в зависимости от контура плоскости и размеров нормируемого участка. Для прямоугольного контура число точек п1 измерения в продольном направлении (большая длина) в зависимости от длины L1 нормируемого участка определяют по табл. 4.1. Число точек на линии измерения в поперечном направлении n2 =(L2(n1-1)+1)/L1
где L2 - ширина нормируемого участка Следовательно, общее наименьшее число точек измерения п = п1п2. Точки для измерения на непрямоугольных контурах определяют вписыванием рассматриваемого контура в прямоугольник.
При непрерывном измерении по линиям измерения число дискретных значений ординат определяют так, чтобы исключить влияние шероховатости поверхности, а именно, шаг дискретности выбирают равным или несколько меньшим 20% предельной длины волны шероховатости. Если шаг дискретности определён по другим критериям, то предельную длину волны шероховатости выбирают в 5 раз большей шага дискретности.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|