Пневматические датчики

Комплектующие, радиокомпоненты / Гидравлика, пневматика / Прочее - гидравлика, пневматика
Administrator
5 166
2-07-2017, 21:11
0

Пневматические датчики ввиду простоты их устройства получают широкое распространение при контроле точных деталей в массовом и серийном производстве, особенно при измерении в процессе обработки и при автоматизации контроля. Работа пневматических датчиков основана на изменении расхода или давления воздуха в зависимости от площади выходного отверстия, дающего выход воздуху в атмосферу.

По способу определения расхода воздуха пневматические приборы делятся на две группы:

приборы с переменным перепадом давления;
приборы с постоянным перепадом давления.

Приборы с переменным перепадом давления, в свою очередь, делятся на приборы низкого давления (500 — 1200 кгс/м²) и приборы высокого давления (1 — 2,5 кгс/см² и более).

Принципиальная схема, пневматического датчика с переменным перепадом низкого давления (типа «Солекс») показана на рис. 17.

Рис. 17. Схема пневматического датчика «Солекс»

Сжатый воздух из сети поступает через редукционный клапан 1 и жиклер 2 в камеру 3, а выходит в атмосферу по шлангу 7 через отверстия пробки 6 и зазор между пробкой 6 и стенками измеряемого отверстия детали 5. Трубка 8погружена в наполненный водой сосуд 9, служащий для поддержания постоянства давлении воздуха перед жиклером 2. Трубка 4, соединяющая камеру 3 с сосудом 9, является водяным манометром. Давление воздуха, поступающего в камеру 3, зависит от глубины погружения Н трубки 8. При повышении давления в сети избыток воздуха будет выделяться из воды в виде пузырьков, выходящих из нижнего конца трубки 8, и давление воздуха, подводимого в камеру 3, будет сохраняться неизменным. Разность уровней h в сосуде 9 и трубке 4 водяного манометра зависит от зазора между измерительной пробкой 6 и отверстием детали 5. Манометрическая трубка 4 градуируется в микронах.

Конструкция пневматических датчиков низкого давления с водяным манометром проста, в этом их основное преимущество перед датчиками высокого давления. По метрологическим характеристикам эти датчики уступают датчикам высокого давления:

шкала их неравномерна;
поверхность контролируемых деталей должна быть тщательно подготовлена для измерения, так как наличие пленки масла или эмульсии искажает результаты измерения;
повышена инерционность, следовательно, понижена производительность.

Датчики такого типа применяют для одновременного измерении одного, двух и более размеров.

Схема пневматического датчика «Ротаметр» с постоянным перепадом давления показана на рис. 18.

Рис. 18. Схема пневматического датчика «Ротаметре»

Сжатый воздух поступает в фильтр и стабилизатор давления 3, обеспечивающий постоянное давление 0,5 - 1 кгс/см², откуда направляется снизу в конусную вертикальную стеклянную трубку 1. Конусность трубки 1 : 400 или 1 : 1000. Внутри этой трубки находится свободно перемещающийся легкий поплавок 2, поддерживаемый во взвешенном состоянии напором воздушного потока. Верхний конец трубки 1 соединяется резиновым шлангом 4 с пробкой 6 (для измерения отверстия в детали 7). Воздух проходит в зазор между стенками отверстия детали 7 и пробкой 6. Чем больше зазор 6, тем большее количество воздуха будет выходить и, следовательно, тем выше поднимается поплавок 2. Отсчет производится по верхнему краю поплавка 2 на шкале 5, закрепленной рядом с трубкой 1 или нанесенной на самой трубке. Точность измерения таких приборов — около 1 мкм. Поплавки в этих датчиках изготовляют из дюралюминия разной массы при одинаковых наружных диаметрах. Чувствительность прибора определяется массой поплавка, конусностью отверстия стеклянной трубки, соотношением наименьшего диаметра отверстия трубки и наружного диаметра поплавка, а также давлением воздуха.

Датчики такого типа распространены в промышленности благодаря простоте и дешевизне конструкции. Давления воздуха (0,5 — 1 кгс/см²) достаточно для удаления пыли и влаги с контролируемой детали.

На автозаводе им. Лихачева был сконструирован, изготовлен и испытанпневмоэлектрический датчик, работающий по принципу датчика «Ротаметр», но с измененной конструкцией стеклянной трубки (рис. 19).

Рис. 19. Схема пневмоэлектрического датчика ЗИЛ

Этот датчик имеет конусную трубку 2. В ней размещены два ограничителя 1 и 5 и шарик-поплавок 3. Из сети воздух через фильтр и стабилизатор поступает в трубку 8, затем разветвляется к конусной трубке 2 и к регулировочному винту 11. Далее обе части потока воздуха соединяются и поступают в сопло 6. При зазоре между соплом 6 и поверхностью измеряемой детали 7 меньше требуемого устанавливают регулировочный винт 11, предусматривая, что расход воздуха должен быть таким, при котором шарик-поплавок 3 находился бы на нижнем ограничителе 5. При увеличении зазора между соплом 6 и деталью 7 расход воздуха увеличивается, и поплавок поднимается до упора в верхний ограничитель 1. При наличии конусной стеклянной трубки 2 поплавок не имеет промежуточных положений между ограничителями 1 и 5, и крайние положения eгo соответствуют только двум значениям «Годен» и «Не годен». При перемещении в верхнее положение поплавок пересекает световой луч, идущий от электрической лампочки 10 через диафрагму 9 к фотоэлементу 4.

Автоматические контрольные устройства с пневматическими датчикамипреобразуют первичный измерительный импульс пневмоэлектрическим способом, для чего соответствующие приборы выполняют либо с ртутным контактом, либо с контактом, укрепленным в мембране, либо с сильфонами. В пневмоэлектрических устройствах с контактами применяют ртутные манометры с одним или несколькими контактами, включенными в цепь лампы, электромагнита или реле. Чувствительность ртутного манометра ниже чувствительности водяного манометра, поэтому погрешность контроля ртутно-контактными пневматическими устройствами обычно не менее 1 мкм.

На рис. 20 показана принципиальная схема пневмоэлектроконтактного ртутного датчика, состоящего из стеклянной V-образной трубки, заполненной ртутью.

Рис. 20. Схема пневмоэлектроконтактного ртутного датчика

В одном или обоих коленьях устанавливают один или несколько электрических контактов А. При повышении давления воздуха ртуть в левом колене поднимается, замыкает контакт А и дает команду исполнительному элементу контрольного устройства или станка. Часто оба колена разъединяют мембраной, препятствующей выбросу ртути при большой разности давлений воздуха в коленьях.

Пневмоэлектроконтактные датчики по принципу действия делят на простыеи дифференциальные. В простых датчиках перемещение жидкости или упругого элемента (пружины, сильфона) определяется измерительным давлением.

У этих датчиков недостаточная стабильность и точность работы из-за колебания рабочего давления, поэтому их вытесняют дифференциальные датчики, обладающие большей точностью и стабильностью. Показания дифференциального датчика соответствуют разности давлений в ветвях пневматической системы, работа которой мало зависит от погрешностей стабилизатора давления воздуха. Применяют дифференциальные пневмоэлектроконтактные датчики следующих типов: ртутные, мембранные,пружинные (сильфонные) и комбинированные.

Дифференциальными датчиками удобно измерять диаметры, овальность, конусность внутренних и наружных цилиндрических поверхностей.

На рис. 21 показана схема ртутно-контактного дифференциального датчикадля контроля овальности вала 1 путем измерения его диаметра и двух взаимно перпендикулярных направляющих четырьмя соплами 2.

Рис. 21. Схема ртутно-мембранного дифференциального датчика для контроля овальности вала

Два канала 5 и 8 в виде трубок ртутного манометра внизу соединены расширенной частью, в которой расположена мембрана 6. Контактные винты 3 и4 датчика вмонтированы в корпус над каналами 5 и 8 с резиновыми уплотнительными сальниками, препятствующими утечке воздуха. Контакты настраиваются так, чтобы при предельном отклонении диаметра вала столб ртути поднялся и замкнул один из них, включив сигнальные элементы датчика. Корпус 7 датчика изготовлен из органического стекла. На корпусе нанесены вдоль каналов 5 и 8 шкалы, позволяющие наблюдать за измерением овальности вала. Широкое распространение находят пневмоэлектроконтактные датчики с сильфонами — элементами с высокой чувствительностью.

Был разработан пневматический дифференциальный измерительный приборБВ-884 (рис. 22), состоящий из трех основных узлов:

блока фильтра сжатого воздуха со стабилизаторами 2,
распределителя воздуха 5 с сильфонами 10 и 19,
рычажно-зубчатого механизма со шкалой.

Рис. 22. Схема пневматического дифференциального датчика

Воздух из сети поступает во входной манометр 1. Затем в фильтры и стабилизаторы 2 и через выходной манометр 3 по трубке 4 — в распределитель воздуха 5. Затем воздух через два смежных жиклера 6 по трубкам 7 и 22попадает к выходным соплам. От жиклеров 6 воздух по трубкам 13 и 18 попадает в сильфоны 10 и 19. Эти сильфоны соединяются с корпусом распределителя с помощью резиновых уплотняющих колец, не пропускающих воздух. По концам планки 8 прикреплены четыре плоские пружины 9 и 21, соединенные с концами сильфонов. Чтобы сильфоны не могли перекашиваться при растяжении, они соединены тремя стержнями, проходящими в отверстиях распределителя воздуха 5. Перемещение сильфонов ограничивается винтами 11 и 20. К стержню12 прикреплен хомутик 14, соприкасающийся с шариком поводка 15 рычажно-зубчатого механизма. При измерении детали давление воздуха в сильфонах 10 и19 меняется, отчего один растягивается, другой укорачивается, что вызывает перемещения всех трех стержней. Стержень 12, перемещаясь с хомутиком 14через поводок 15 и зубчатый сектор 16, вращает шестеренку 17 с сидящей на ее оси стрелкой шкального прибора, показывающего величину отклонения контролируемого размера детали. Рабочий ход сильфонов 4 мм. Максимальное рабочее давление воздуха 2 кгс/см². Габариты прибора 230 Х 212 Х 200 мм.

Ha риc. 23 представлена схема компенсационного пневматического датчика, принцип действия которого основан на самобалансировании чувствительного элемента мембраны 6, разделяющей внутреннюю полость датчика на две камеры: верхнего 2 компенсационную и нижнего 9 — измерительную.

Рис. 23. Схема компенсационного пневматического датчика

В обе камеры сжатый воздух поступает через входные сопла 1 и 10 под одинаковым давлением. Из нижней камеры воздух выходит через сопло 7 в измерительный зазор δ между соплом и контролируемой деталью 8; из верхней камеры воздух выходит через кольцевой зазор между конической поверхностью компенсационной иглы 5 и гнездом 3 для нее. В зависимости от зазора δизменяется расход воздуха, выходящего через измерительное сопло 7, вследствие чего мембрана 6 и находящаяся в соприкосновении с ней игла 5перемещаются до тех пор, пока расход воздуха через кольцевой зазор гнезда 3не скомпенсирует соответствующий расход воздуха через измерительный зазорδ и не установится равенство давлений на мембрану 6 со стороны верхней и нижней камер. Величина перемещения иглы 5 пропорциональна измерительному зазору δ и может использоваться для получения командного сигнала, например, при помощи соединенного с микромером 4 электроконтактного датчика.

Увеличение пределов измерений пневматических датчиков достигается с применением эжекторных сопл (рис. 24).

Рис. 24. Схема эжекторного сопла

Воздух из входного сопла 1 попадает в измерительное сопло 2 и далее через зазор δ — в атмосферу. Давление в измерительной камере 4 отсчитывается по манометру 5 и по этому судят о размере контролируемой детали 3.

К основным преимуществом пневматических датчиков относятся:

взрыво- и пожаробезопасность;
возможность работы в условиях вибрации и радиации;
относительная простота конструкций;
надежность в работе, легкость и компактность конструкций;
отсутствие возвратных линий и безопасность утечки воздуха.

Недостатки пневматических датчиков:

необходимость специального источника питания (компрессора);
высокие требования к очистке воздуха от пыли, влаги и масла;
значительная сжимаемость воздуха, в результате чего имеют место запаздывания в действии датчиков, особенно при значительных расстояниях (более 50 м);
низкое быстродействие.

На практике достаточно широко применяют пневматические мембранные устройства УСЭППА (универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики). По характеру выполняемых функций элементы УСЭППА разделяются на датчики, преобразователи, усилители, реле, органы управления и устройства сигнализации. Основной элемент — датчик универсального типа П1Р1 трехмембранный (рис. 25).

Рис. 25. Схема трехмембранного датчика усэппа типа П1Р1

Он состоит из трех плоских мембран 5, 6, 7, соединенных по оси жестким центром 9, и двух контактов в виде пар сопло — заслонка 3 — 4 и 11 — 8. Датчик состоит из четырех камер А, Б, В, Г, разделенных между собой эластичными мембранами 5, 6, 7. Мембраны 5 и 7, разделяющие камеры А и Б и камеры В иГ, имеют меньшую эффективную площадь, чем мембрана 6, разделяющая камеры Б и В. Для фиксирования датчика в исходном положении в одну из камерБ или В через штуцер 2 подается давление, называемое подпором, величину которого выбирают для камеры Б равной 1 кгс/см², а для В — 0,4 кгс/см². Корпус 10 датчика состоит из четырех частей, образующих четыре камеры. Управляющее давление Р_у поступающее в камеру в через штуцер 12, и давление питания Р_п поступающее в камеру Г через сопло 11, обычно равны 1,4 кгс/см². При отсутствии управляющего давления Р_у в камере В давление подпора в камере Б прижимает мембранный узел вверх, и сопло, связанное со штуцером 11, оказывается закрытым от магистрали питания, а камера А через штуцер 13 соединяется с атмосферой. При поступлении в камеру Вуправляющего давления суммарное усилие окажется направленным вниз, и мембранный узел перейдет в нижнее положение. Линия выхода 1 окажется сообщенной с магистралью питания Р_п и отсоединенной от атмосферы штуцером 13, так как сопло 3 будет закрыто заслонкой 4. Таким образом реализуется одновходная логическая функция «Повторение — ДА», т. е. при подаче Р_у выдается давление Р_вых. Если Р_у не подается, то Р_вых = 0. Когда давление подпора подается в камеру В, а Р_у в камеру Б, то реализуется логическая функция «Отрицание — НЕ» (табл. 6).

Для реализации двухвходной логической функции «Умножение — И» управляющее давление Р_у1 подается к штуцеру 12, Р_у2 — к штуцеру 11, а давление подпора — в камеру Б. Р_вых будет при одновременной подаче Р_у1 иР_у2. Если будет подано одно из двух управляющих давлений Р_у1 или Р_у2 то на выходе давления не будет, т. е. Р_вых = 0 (табл. 6).

Большое распространение в системах дискретной пневмоавтоматики получил шариковый элемент, реализующий логическую операцию ИЛИ. Этот элемент представляет собой два шариковых клапана (рис. 26, а).

Рис. 26. Схема шариковых пневматических элементов

В корпусе 2 шарик 1 может свободно перемещаться, перекрывая канал 3 или 4. Воздух в канале 3 управления шариком 1 перекрывает канал 4 и соединяется с выходным каналом 5. Широкое использование этого элемента во многих пневматических системах управления вместе с трехмембранными датчиками объясняется простотой конструкции и высокой надежностью.

Кроме рассмотренного шарикового элемента ИЛИ, применяют другие шариковые элементы, позволяющие реализовать другие логические функции. Одна из наиболее распространенных конструкций шарикового пневматического реле приведена на рис. 26, б. При подаче давления на вход 1 шарик плотно перекрывает сопло входа 4 и выхода 3, и входное давление поступает на выход2. При поступлении давления на вход 4 шарик мгновенно перебрасываются в противоположный конец, плотно прижимаясь к соплу входа 1 и выхода 2, и входное давление поступает на выход 3.

У приведенных шариковых элементов обычно небольшие размеры, диаметр шарика — до 0,2 мм.

"Справочник металиста" А.Чернавский

Обсудить на форуме