Проточные элементы пневматических систем

Измерительное сопло (рис 2.39.) - первичный преобразователь информации и постоянный элемент пневматического прибора. Выбор параметров пневматической системы, как правило, начинают с определения диаметра отверстия измерительного сопла. Наибольшее распространие получило измерительное сопло с диаметром отверстия 2,0 мм. Его рекомендуется использовать во всех случаях, кроме тех, когда малые размеры контролируемого изделия заставляет переходить на меньшие размеры из ряда: 1,5; 1,0; 0,7; 0,5 мм. Величина сопла, в основном, влияет на пределы измерения.

Исключение из этого правила выбора измерительного сопла делают при измерении малых диаметров прямым методом.

Желательно в данном случае применять щелевые сопла, имеющие размеры а = 0,1 – 0,2 мм; l = 2 – 4 мм.

    Рис. 2.39. Измерителные сопла: а) цилиндрические, б) щелевые   Рис. 2.40. Размеры рабочей части измерительного сопла  

Размеры рабочей части измерительного сопла представлены на рис.2.40.Требования к торцу сопла: 1) шероховатость поверх­ности Д= 0,16... 0,020; 2) эта же шероховатость у про­точной части сопла (для уменьшения сопротивления прохождения воздуха) <2₃ = 2d, угол а > 15° или же то­рец по типу Б I = (2 - 4)<2, диаметр <2_Х берется при d - 2 мм и di = 3 - 4 мм; размер d ₂ по размерам стандартных посадочных поверхностей 8; 12; 16; 20; 24; 28; 30 мм. Материал: нержавеющая сталь, бронза, латунь.

Другой вид измерительных сопл - клапанные голов­ки (конические и параболические) (рис. 2.41).

Рис. 2.41. Клапанная головка: 1 - измерительный шток; 2 - клапан; 3 - седло клапана; 4 - пружина; 5 – корпус

Преимущества:

При отсутствии контролируемой детали на изме­рительной позиции пневмосистема с клапанной голов­кой закрыта. В измерительной камере устанавливается давление питания P ₀, а в обычной пневмосистеме - ат­мосферное давление Р _а.

Пневмосистема с клапанной головкой экономич­нее и обладает большим быстродействием.

3. Клапанные головки позволяют получать более широкие пределы измерений, чем обычные системы сопло-заслонка. Расширение пределов измерения дости­гается изменением угла α конусности клапана от 10° до 150°. При этом углы α = 10° применяются редко, необходимо, чтобы угол α был больше угла трения, иначе будет происходить залипание клапана.

Порядок расчета пневматической измерительной системы

Основным исходным фактором при выборе пара­метров системы является диапазон измерения, который должен быть больше на 20-50 % поля допуска контро­лируемой детали и должен располагаться на прямоли­нейном участке характеристики пневматической изме­рительной системы. После определения диапазона изме­рения последовательность расчета следующая:

1. Выбирается вид измерителя давления (низкого давления или высокого).

2. Выбирается диаметр измерительного сопла (2 мм).

3. Затем выбирается рабочее давление, которое в си­стемах низкого давления обычно равно 500 мм вод. ст., а для приборов высокого давления выбирается из ряда: 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 кгс/см².

4. Рассчитывается диаметр входного сопла по фор­муле

,

а затем уточняется к ближайшему диаметру из ряда: 0,30; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 1,0; 1,20; 1,50; 1,80; 2,00 и 2,20 мм.

5. Определяется передаточное отношение i:

Эта формула используется для предвари­тельного определения параметров системы.

Далее параметры системы уточняются эксперимен­тально.

Пневматические измерительные системы простого и

дифференциального типов

Пневматические измерительные системы бывают простого и дифференциального типов. В основном ис­пользуются дифференциальные схемы измерений, по­скольку они менее чувствительны к колебаниям ра­бочего давления.

Рис. 2.42. Схема прибора  

Приборы типа «Солекс» (пневматические датчики с водяным стабилизатором давления) (рис. 2.42).

Воздух поступает в при­бор через входной дроссель 3 в камеру с трубой 2, поме­щенной в баллон 1, который наполнен водой и сообщается сверху с атмосферой. Труба 2 погружена в воду на глубину Н. Сжатый воздух вытесняет воду из трубы 2, избыток воздуха выходит через воду пузырьками в атмосферу.

Та­ким образом, давление воздуха в трубе 2 будет постоянным, равным Р _стаб = Н - высоте водяного столба. Далее воздух через входное сопло 4 попадает в измерительную камеру 5 и выходит из нее через измерительное сопло 7. Давление в измерительной камере 5 обусловлено ве­личиной зазора 8 между торцом измерительного сопла 7 и контролируемой деталью 8 и определяется по разнице h _u уровней воды в баллоне 1 и в стеклянной трубке 6, сообщающейся нижней частью с баллоном 1.

Наиболее распространены приборы с Н = 500 мм вод. ст., в котором передаточное отношение составляет от 600 до 10000.

  Рис. 2.43. Схема измерительной системы прибора  

Недостатки: 1) испарение воды; 2) влияние параллакса; 3) загрязнение трубки водяного манометра, затрудняющее считывание показаний.

Измерительная система с водяным манометром (рис. 2.43). Одна ветвь - нижняя - является измерительной, давление в ней меняется в зависимости от величины контроли­руемой детали, и следовательно, измерительного зазора δ_и. Вторая ветвь - верхняя - является ветвью противодавления, давление в ней постоянное, определяющееся величиной зазора противодавления.

Обе ветви соединены водяным манометром, в котором разность Ah высот столбов жидкости является мерой раз­ности давлений в измерительной ветви h _u и ветви про­тиводавления h _n, а значит и мерой колебания размеров контролируемой детали.

Если использовать дифференциальный датчик с дву­мя соплами, то можно контролировать биение шейки валов. Если измерительная ветвь одна, то характеристики всего датчика будут зависеть от параметров этой цепи. При необходимости использования перемещения столба жидкости для целей автоматического управле­ния можно применять фотоэлектрическое устройство (рис. 2.44). Луч света от лампочки 1 через диафрагму 2 падает на трубку 3 манометра и, проходя через нее, попадает на фоторезистор 4. Если трубка 3 заполнена жидкостью, она работает как ци­линдрическая линза, фокусирующая световой поток на фоторезистор (ход лучей показан сплошной линией).

Рис. 2.44. Схема фотоэлектрического устройства

В том случае, когда в трубке нет воды, ход лучей соот­ветствует пунктирной линии, световой поток рассеивается, и освещенность фоторезистора резко снижается. Пневмодатчик компенсационного действия (рис. 2.45). Внутренняя полость датчика разделяется на две ка­меры: А - измерительная камера, Б - камера противо­давления. В обе камеры сжатый воздух поступает через входные сопла 1 и 2 под одинаковым стабилизирован­ным давлением Р ₀. Из нижней камеры воздух выходит через измерительное сопло 3 в зазор δ между соплом и деталью. Из верхней камеры воздух выходит через кольцевой зазор между конической поверхностью ком­пенсационной иглы 4 и седлом 5. При изменении давле­ния Р _и в измерительной камере, вследствие изменения зазора δ, мембрана 6 под действием возникшего перепа­да давлений перемещается, изменяя положение конуса иглы 4 относительно седла 5, а следовательно, и проходное сечение сопла.

Рис. 2.45. Принципиальная схема датчика

Перемещение мембраны прекращается только после выравнивая давления P _u =P _k.

Величина перемещения компенсационной иглы про­порциональна измерительному зазору и может исполь­зоваться для получения командного сигнала, например при помощи соединенного с ней электроконтактного датчика.

Давление в измерительной и камере противодей­ствия датчика определяется выражениями

Площадь компенсационного кольца

где К = 2tga - конусность сопла.

Если пренебречь давлением компенсационной иглы на мембрану, можно принять Р _к =Р _и. Тогда

Так как величина передаточного отношения i опре­деляется только постоянными величинами, следователь­но i также постоянно, и характеристика является пря­молинейной на всем ее протяжении.

Измерительная система компенсационного действия для контроля разности диаметров беговых дорожек колец шарикоподшипников. Пневмоэлектрический дифференциальный датчик компенсационного типа, принципиальная схема которо­го показана на рис. 2.46, предназначен для многодиапа­зонной сортировки.

Датчик подобного типа установлен на автомате БВ-524, который входит в состав автоматической линии по производству шариковых подшипников на Первом государственном подшипниковом заводе. Этот автомат определяет разность диаметров беговых дорожек наруж­ных и внутренних колец шарикоподшипников и вызы­вает на сборку шарики одной из пятидесяти групп, со­ответствующих данной разности диаметров. Пара колец, имеющих разность диаметров беговых дорожек больше или меньше допустимой величины, сбрасывается в брак.

Рис. 2.46. Схема пневмоэлектрического датчика компенсационно­го типа,

используемого для контроля разности диаметров бего­вых дорожек

наружных и внутренних колец шарикоподшипников

Датчик работает следующим образом. Сжатый стабилизаторный воздух проходит через клапан 1 с элек­тромагнитным управлением и входные сопла 2 к мембранному датчику 3. Одна плоскость датчика связана измерительными устройствами 14, в которых установлено по четыре выдвижных сопла 15, контролируют, диаметр беговой дорожки наружных и внутренних колец в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Другая полость датчика, в которую входит узел регулировки противодавления, связана с компенсационными соплами 7, которые перекрываются линейками укрепленными под небольшим углом на каретке 8. Каретка имеет зубчатую рейку 10, которая закрепляется шестерней 11, вращающей рычаг 12 со щеткой, скользящей по коллектору 13. В верхней полости датчика устанавливается давление, являющееся функцией суммы четырех зазоров, то есть разности диаметров беговых дорожек колец. В нижней полости датчика при движении каретки с клином возникает переменное сопротивление, которое возрастает по мере уменьшения зазора и компенсационных сопл. В момент, когда давления в обеих полостях датчика будут равны, мембрана 4 займет среднее положение и контакт датчика замкнется, включив ток на коммутатор. Ток, пройдя через щетку и через замкнутую ею в данный момент пластину коллектор включит электромагнитное реле соответствующей группы. Реле выключает коллектор, включает сигнал светового табло, указывающий номер группы данной пары колец, и дает команду на вызов определенной группы шариков. Если контакты датчика будут замкнуты раньше, чем щетка коллектора дойдет до контакта первой группы, то такая пара колец будет направлена в брак, а световое табло даст сигнал «брак +». Если контакты датчика не будут замкнуты до конца измерения, то щетка в конце движения замкнет дополнительную пластину коллектора, которая даст сигнал «брак -». Настройка датчика производится по двум парам образцовых колец с максимальным и минимальным зазорами. По первой паре колец настройку ведут с помощь узла регулировки противодавления 5. При настройке по второй паре колец регулировку производят винтом 9, с помощью которого увеличивают или уменьшают угол между линейками.

Методы расширения пределов измерений пневмосистем

Очень часто на практике требуется получать пределы измерений больше, чем это можно сделать для системы «сопло-заслонка». Максимальный зазор δ, при котором теоретически возможны измерения для системы сопло-заслонка, определяется условием

при площади истечения кольцевого зазора практически не зависит от δ (реальный предел измерения до 100 мкм).

В настоящее время разработан ряд приемов, которые расширяют диапазон измерений и улучшают характери­стики пневматических измерительных систем, как то:

1) Использование специальных видов первичных преобразователей (сопло-клапан).

2) Использование специальных датчиков, позволяю­щих измерять в более широком диапазоне, например датчиков компенсационного действия.

3) Применение эжекторных сопл.

Значительное увеличение диапазона измерений до­стигается переходом от обычных к эжекторным соплам, в которых воздух под постоянным давлением Р₀ подает­ся во входное сопло 1 и из него поступает непосред­ственно в измерительное сопло 2 (данная пара сопл об­разует струйный аппарат-эжектор) и далее через кольце­вой зазор между торцом измерительного сопла и де­талью (рис. 2.47). При этом рабочий поток воздуха засасывает воздух из камеры 3, давление в которой измеряет манометр 4. За счет засоса воздуха из камеры 3 давление в ней может сильно упасть и даже стать отрицательным. Давление Р_и в измерительной камере 3 отсчитывается по прибору 4 и является мерой изменения размера контролируемой детали, но при этом прямолинейный участок, характеризующий зависимость δ от измерительного давления, окажется большим. Из графика (рис. 2.48) следует, что обычная характеристика пневматической измерительной системы (пунктирна кривая) имеет прямолинейный участок только между точками а и б, в то время как для эжекторной системы от верхней точки, а до пересечения с осью абсцисс весь участок прямолинеен и величина его в два-три раза больше.

Рис. 2.47. Схема пневматического преобразователя с эжекторным соплом	Рис. 2.48. Характеристика пневмосистемы с эжекторным соплом

По экспериментальным данным оптимальная длин проходного сечения измерительного сопла 1 (то ecли длина, обеспечивающая наибольшую величину прямолинейного участка характеристики) может быть определена по формуле

Участок l₁ должен быть равен .

Диапазон измерения (величина прямолинейного участка) определяется по формуле

,

или при заданном диапазоне измерения величина d_вх сопла выбирается по следующей формуле:

где δ_max - измерительный зазор, соответствующий верх­ней границе предела измерения.

Дата добавления: 2014-01-07