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 через дросселирующий канал с проходной площадью при постоянном давлении питания в измерительной камере устанавливается определенное абсолютное измерительное давление

По виду 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, проволоки, кольцевых щелей, образованных в сопряжении втулка—вал, щелей в виде «цилиндрическое отверстие — шар» и других по форме каналов.

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

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

Для рассмотрения метрологических характеристик пневматических преобразователей представлен график зависимости избыточного измерительного давления h от проходной площади канала Р, которую в дальнейшем будем называть статической характеристикой преобразователя. При работе пневматических приборов используют прямолинейный участок характеристики, степень нелинейности которого не должна превышать заданную величину.

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, 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. Выбор конструктивных параметров этих преобразователей по заданным метрологическим характеристикам осуществляется по экспериментальным данным.

Выбор пара ветров 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, иногда, например при бесконтактных измерениях малых размеров применяют измерительные щелевые сочла с проходным прямоугольным сечением 0,5X3 мм.

Приведенные экспериментальные данные справедливы, если измерительные и входные сопла выполнены согласно чертежам, 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 соплам н. При контроле деталей несколькими измерительными соплами возможно различное, в известных пределах, распределение суммарного измерительного зазора. Так, при контроле отверстия пневматической пробкой с двумя соплами различные положения пробки могут привести к различным величинам зазоров, 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.

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 характеристики, то суммарный расход воздуха должен измениться.

Рассмотрим это на примере двух измерительных сопл, каждое из которых первоначально имело измерительный зазор, определяемый точкой, при этом суммарный расход воздуха равен удвоенной ординате точки. 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. Таким образом, расход воздуха уменьшится на величину что приведет к изменению измерительного давления.

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

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.

Размер должен быть таким же, как и в остальной части воздухопровода, а именно 4 мм для всех приборов, кроме приборов высокого давления с диаметром отверстия входного сопла, где рекомендуется 3 мм. При длине канала не более 50—100 мм допускается по конструктивным соображениям уменьшение, но не менее 2 мм. Назначение d более указанных величин (4 и 3 мм) приводит к ухудшению динамических свойств преобразователя вследствие возрастания объема измерительной камеры.

Диаметр плоской заслонки, устанавливаемой перед рабочим торцом измерительного сопла, должен быть больше наружного диаметра D на 1—1,5 мм. Изготовление и монтаж измерительной оснастки должны обеспечить непараллельность торцов сопла и заслонки не более 0.05Z в пределах D, где Z — наименьший измерительный зазор перед соплом. Требования к диаметру воздухопровода такие же, как для цилиндрических сопл.

Для пневматических измерительных устройств, предназначенных для измерения линейных и угловых размеров, изготовляются два типа входных сопл. В сочетании с нормализованными диаметрами отверстий измерительных сопл (1; 1,5 и 2 мм) ряд диаметров входных сопл обеспечивает достаточно широкий диапазон характеристик пневматических систем, перекрывающих друг друга по пределам измерения. Эти сопла обеспечивают нормальную работу при давлении воздуха перед соплом не более 2 кгс/см2.

Входные сопла типа предназначены для установки в распределителях пневматических отсчетных и командных устройств. При ввинчивании сопла в распределитель под его головку устанавливается уплотнительная прокладка. В головке сопла предусмотрена левая резьба, предназначенная для извлечения сопла из канала распределителя. В некоторых случаях целесообразна установка входных сопл в гибкие соединительные шланги.

Дроссельно-эжекторные 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 газа через этот элемент в давление осуществляется с помощью струйного аппарата—эжектора.

Эти преобразователи имеют существенно больший диапазон измерения, более высокую производительность, имеют меньшую погрешность, вызванную колебанием давления питания.

Принципиально дроссельно-эжекторпые преобразователи можно разделить на две группы:

1) преобразователи, дросселирующий измерительный элемент которых, воспринимающий линейные перемещения, является неотъемлемой частью эжектора; такие преобразователи будем называть дросселно-эжекториыми.

2)                   преобразователи, дросселирующий элемент которых является самостоятельным узлом и лишь с помощью трубопровода связан с эжектором; эти преобразователи будем называть дроссельно-эжекторными с выносным соплом.

Сжатый воздух под постоянным давлением питания истекает из входного сопла непосредственно в сопло дросселирующего элемента. Данная пара сопл и образует струйный аппарат—эжектор.

В зависимости от зазора, т. е. от величины расхода воздуха через дросселирующий элемент, в измерительной камере устанавливается определенное измерительное давление h, которое используется как носитель измерительной информации линейного размера детали и измеряется манометром , проградуированным в единицах длины.

Дроссельно-эжекторные преобразователи позволяют более гибко решать различные метрологические задачи. Приведены примеры построения типовых измерительных устройств с помощью данных преобразователей. Толщину детали измеряют контактным или бесконтактным способом от неподвижной базы преобразователями с заслонками. Схема измерения диаметра D преобразователем с двумя выносными соплами исключает в определенных пределах из результатов измерения случайные перемещения детали по линии измерения.

Схема косвенного измерения диаметра D прутка, проволоки или площади проходного сечения отверстия. При автоматизации контроля диаметра проволоки в процессе ее волочения важным является обеспечение относительно большой кольцевой щели между проволокой и внутренней поверхностью сопл с одновременно высокой чувствительностью преобразователя. Это условие наиболее полно удовлетворяется с помощью дроссельно-эжекторных преобразователей с выносным соплом.

Схема измерительного средства для автоматической комплексной сборки или комплексной обработки с использованием дроссельно-эжекторного преобразователя с выносными соплами показана.

Автоматическое исключение из результатов контроля толщины детали случайных перемещений базовой поверхности осуществляется двумя преобразователями, измерительные камеры которых включены в противоположные ветви дифференциального манометра.

Проходное сечение измерительного сопла длиной I, как дополнительное сопротивление истечению воздушного потока, а главное, как звено выравнивания поля скоростей и давлений потока, может оказать влияние на характер кривой h = f (Z). Оптимальная длина проходного сечения измерительного сопла, при которой обеспечивается максимально прямолинейный участок характеристики, может быть принята.