3.4 Пневмоиндуктивные приборы

Пневматические приборы некоторое время очень широко применялись при линейных измерениях и контроле в машиностроении. Это произошло потому, что пневматический способизмерения был хорошо разработан теоретически и экспериментально. Многие фирмы выпускали серийно прибору высокого и низкого давления, системы для очистки воздуха, измерительную оснастку. В цехах и лабораториях применяли пневматические ручные приборы,  контрольные автоматы и приборы активного контроля. Но позднее постепенно были полностью  вытеснены индуктивными приборами в силу их несомненных преимуществ перед пневматическими.

Однако, как это часто бывает в технике,  оказалось, что в некоторых случаях пневматические приборы трудно заменить индуктивными.  Так при контроле диаметров небольших (менее 20 мм) точных отверстий при активном контроле в процессе хонингования и др. Тогда начали выпускать пневмоиндуктивные приборы, удачно использовав достоинство обоих способов.

    Пневматические приборы имеют много достоинств — высокая долемикронная точность измерения, возможность суммирования сигналов, возможность  осуществлять дистанционные измерения;  пневматическая измерительная оснастка проста по конструкции и не требует герметизации. Приборы легко поддаются автоматизации и просты в эксплуатации. Пневматический метод позволяет осуществлять точные бесконтактные измерения.

Основной недостаток пневматических приборов — небольшой диапазон измерения – не более 0,5 мм и их инерционность. Кроме того, пневматические приборы требуют тщательной очистки сжатого воздуха, используемого для питания приборов, от влаги и механических частиц.

В пневматических приборах для линейных измерений использована зависимость между площадью проходного сечения канала истечений и массовым расходом Q сжатого воздуха через него.          Рис. 3.4.1   Схема пневматического прибора

а, б – соответственно с обычным и эжекторным соплами    и  характеристики   h = f(S)  – кривые 1, 2 — соответственно с обычными и эжекторными соплами

Площадь f2 образуется между торцом измерительного сопла 3 (рис. 3.4.1) с внутренним диаметром d2 и заслонкой. Площадь зависит от зазора S, связанного с изменением размера контролируемой детали, и описывается формулой

f2 = π d2 S.       

В  приборах для линейных измерений и приборах активного контроля расход воздуха Q = φ(h,f2) определяют косвенным путем с помощью отсчетных устройств 2 манометрического типа, измеряющих давление h в    измерительной камере 5. Для этого перед измерительным соплом 3 устанавливают дроссель 1 с площадью канала f1, называемый входным соплом. Сжатый воздух под постоянным рабочим давлением Н подается к входному соплу 1 и вытекает через кольцевой зазор площадью f2 между торцом сопла 3 и заслонкой 4. В зависимости от величины зазора S, связанного с размером детали, в измерительной камере 5 устанавливается определенное измерительное давление h, которой приближенно описывается соотношением

  h  = H/1  +  (µ2f2/ µ1 f1)2

где  µ1 и µ2 — коэффициенты расхода через входное и измерительное сопла.

На рис. 3.4.1 показана эависимость h = f(S), называемая характеристикой пневматической измерительной системы. Ее крутизна характеризует чувствительность пневматической системы:                 

            KS =  dh/dS

     Параметрами пневматической системы являются диаметр отверстии входного сопла d1 (рис. 3.4.1); диаметр отверстия измерительного сопла d2 рабочее давление H; диапазон измерительных зазоров S.

Как уже было сказано в настоящее время пневматические приборы применяют редко, главным образом в виде калибров-пробок малого диаметра, потому что индуктивные пробки малого диаметра сложны в изготовлении.

В  приборах c пневматическими пробками  (рис. 3.4.2) обычно применяют

пневмопробкаРис. 3.4.2   Ручная пневматическая пробка

измерительное сопло диаметром d2= 1,0-2,0 мм и входные сопла диаметром  d1 = 0,8-1,2 мм при рабочем давлении 0,08–0,2 МПа.

Характеристики пневматических систем для указанных выше параметров и измерительного сопла d2 = 2,0 мм приведены в табл. 3.4.1.

Таблица 3.4.1

Диаметр отверстия входного сопла, мм Рабочее давление,МПа Линейный участок характеристики, мм Измерительный зазор в середине линейногоучастка, мм Чувстви-тель-ность,МПа/мм
0.8     0,10,150,2       0,020,040,04         0,110,110,085    0,620,821,02
1,0     0,10,150,2       0,040,050,08         0,120,1150,14    0,380,440,60
1,2     0,10,150,2       0,040,060,09         0,160,180,185    0,2360,340,42

Иногда, например, при контроле отверстий небольшого диаметра пневматическими пробками, применяют входные и измерительные сопла меньшего диаметра, например, 0,5 мм.

Практически измерение возможно при условии, если

        π d2S ≤  π d22/4

и рабочий зазор пневматического преобразователя

  Smax  ≤ 0,25d2  .                                                                              

Кроме пневматических измерительных систем с обычными  соплами применяются устройства  с эжекторными соплами (рис. 3.4.1. б) с увеличенным рабочим зазором S до 0,6–0,9 мм. В эжектоных соплах расширение пределов измерения достигается сближением входного и измерительного сопел или таким их расположением, когда существенно уменьшаются потери при входе воздушного потока в измерительное сопло и увеличивается скорость этого потока.      В результате протяженность измерительной характеристики h = φ(S)  увеличивается и заходит в область разрежения (рис. 3.4.1, кривая 2). Эжекторные сопла применяют преимущественно при бесконтактных измерениях, когда заслонкой сопла служит обрабатываемая поверхность, например, при хонинговании, и желательно, чтобы между деталью и измерительной оснасткой  был большой зазор. В табл. 3.4.2 приведены характеристики эжекторных пневматических систем при диаметре измерительного сопла d2 = 2,0 мм.

Таблица 3.4.2

Диаметр отверстия входного сопла, мм Рабочее давление,МПа Линейный участок характеристики, мм Измерительный зазор в середине линейногоучастка, мм Чувстви-тель-ность,МПа/мм
0.8     0,10,150,2       0,070,070,08         0,1350,1450,160    0,510,831,07
1,0     0,10,150,2       0,140,100,08         0,190,270,28    0,360,510,70
1,2     0,10,150,2       0,200,160,12         0,380,380,28    0,260,460,52

Характеристики пневматических измерительных систем существенно улучшаются применением  пневмоиндуктивных преобразователей  и микропроцессорных блоков. Возможности измерительных средств, достроенных таким образом,  очень широки.  Можно в несколько раз повысить  чувствительность прибора, довести быстродействие (постоянную времени) до нескольких долей секунды, улучшить линейность  выходной характеристик прибора, легко выполнять любые  логические и статистические операции, применять в качестве отсчетных  устройств цифровые индикаторы.

Пневмоиндуктивный прибор состоит из следующих функциональных узлов:

— пневматической измерительной оснастки, например,  пробки, снабженной одной или несколькими парами измерительных сопел, в зависимости от числа контролируемых диаметров;

— узла подготовки воздуха (фильтр, стабилизатор давления и т.п.)  служащего для питания пневматической измерительной системы очищенным сжатым воздухом под постоянным рабочим давлением;

— пневмоиндуктивного блока, снабженного дифференциальным индуктивным преобразователем, служащим для преобразования изменений измерительного давления в электрический сигнал;

— микропроцессорного блока.

     Технические характеристики пневмоиндуктивного прибора

Диаметр измерительных сопел, мм                                             1,0 – 2,0

Рабочий участок характеристики, мкм                                         30 – 100

Нелинейность характеристики, мкм                                               1,0

Повторяемость, мкм                                                                        0,5

Дискретность  цифровой  индикации ,  мкм                                     0,1

Наибольшее расстояние от сопел до преобразователя, м                 1,5

Время измерения, с                                                                        1,0

Применяют несколько конструкций пневмоиндуктивных преобразователей. Например, малогабаритный  пневмоиндуктивный преобразователь мод. ДМИ (рис. 3.4.3)  имеет две небольшие воздушныеРис. 3.4.3  Пневмоиндуктивный преобразователь мод. ДМИ

камеры,  разделенные тонкой стальной упругой мембраной 3.   Таким образом, образуются две изолированные камеры, в каждую из которых через входные сопла 1 и 2  подается  воздух под постоянным рабочим давлением Н = const. Из одной камеры  воздух под измерительным давлением h = f(S) через штуцер 5  подается к соплам измерительной оснастки и вытекает в зазор между  соплами  и поверхностью контролируемой детали. Из другой камеры  воздух вытекает в атмосферу через дроссель  постоянного сечения 6, создавая в камере   постоянное противодавление. С двух сторон  мембраны расположены катушки 4 индуктивного дифференциального преобразователя, включенные в полумостовую схему.

Выпускают и другие конструкции пневмоиндуктивных преобразователей.

Наличие в приборе микропроцессорного блока позволяет выпрямить собственно характеристику пневматической измерительной системы, увеличить длину ее рабочего участка, обеспечить цифровой отсчет показаний и т.п.

Также можно повысить быстродействия пневматической системы, расположив пневмоиндуктивный датчик вблизи измерительной оснастки и существенно уменьшив объем измерительной камеры прибора.

Однако следует иметь в виду, что несмотря на все достоинства пневмоиндуктивных приборов их чувствительность и точность не повысится, будет соответствовать чувствительности и точности первичной пневматической измерительной системы.

Пневмоиндуктивные приборы часто применяют на автоматических линиях для  контроля диаметров отверстий после расточки, на внутришлифовальных станках для контроля отверстий малого диаметра в процессе обработки, для контроля диаметров отверстий в процессе хонингования и др.

Пневмоиндуктивные приборы выпускают  отечественные и зарубежные фирмы ОАО «НИИизмерения» (Москва), ОАО «РОБОКОН» (Москва), «Marposs» (Италия). Carl Mahr (Германия) и др.

            

Высоцкий А.В., Курочкин А.П., Линд А.Б., Цидулко Ф.В.  Пневматические измерения линейных размеров. М, Машгиз, 1963,  268 с.