Измерительные преобразователи

4.11.2. Измерительные преобразователи

Действие автоматизированных приспособлений, контрольных автоматов и средств активного контроля основано на использовании различного рода измерительных преобразователей. Измерительный преобразователь как составной элемент входит в датчик, который является самостоятельным устройством, и кроме преобразователя содержит измерительный шток, рычаг с наконечником, передающий механизм, элементы настройки и др. Остальные элементы электрической цепи измерительной (контрольной) системы конструктивно оформляют в виде отдельного устройства (электронного блока, или электронного реле). Наибольшее распространение получили измерительные (контрольные) средства с электроконтактными, пневмоэлектроконтактными, индуктивными, емкостными, фотоэлектрическими, радиоизотопными, механотронными, реостатными, фазовыми, струнными, вибрационно-частотными и электронными преобразователями.

Основные требования к измерительным преобразователям:

1. Объективность и достоверность измерительной информации о состоянии контролируемого объекта.

2. Измерительная информация о состоянии контролируемой физической величины должна выдаваться без каких-либо промежуточных преобразований непосредственно в ЭВМ, статанализатор, цифропечатающие машины и другие подобные устройства.

3. Измерительная система должна обеспечивать возможность быстрой перестройки при смене технологических процессов и быть унифицированной при измерении различных физических параметров при незначительных изменениях отдельных блоков этой системы.

4. Измерительная система должна иметь метрологические характеристики, обеспечивающие требуемую точность и надежность контроля и высокую производительность.

5. Измерительная система должна обладать возможностью дистанционного измерения, быть простой и надежной при настройке и проверке в условиях эксплуатации.

Приборы с электроконтактными преобразователями [50]. В электроконтактных преобразователях определенное изменение контролируемой величины приводит к замыканию (размыканию) электрических контактов цепей, управляющих исполнительными элементами системы.

Различают преобразователи предельные - для контроля предельных размеров деталей и амплитудные - для контроля амплитуды изменяющегося линейного параметра (отклонения формы, погрешности положения и т. п.). В предельном электроконтактном преобразователе (рис.4.58, а и б) изменение контролируемой величины передается через измерительный шток 1 к подвижным контактам 2 и 6, расположенным на рычаге 4. Регулируемые контакты 3 и 5, один из которых работает на размыкание, другой - на замыкание, настраивают с помощью микрометрических пар со шкальными устройствами. В амплитудном преобразователе (рис. 4.58, в) измерительный стержень 1 жестко скреплен с фрикционной пластиной 2, которая поджимается пластинчатой пружиной к подшипнику 3. Подшипник несет на себе рычаг 4 с контактами 5 и 9. Механический контакт 8 является нерегулируемым и служит упором, который при ходе стержня вниз и проскальзывании фрикционной пары 2 - 3 обеспечивает установку нуля отсчета

контролируемой амплитуды. При ходе стержня 1 вверх и недопустимо большой амплитуде электрические контакты 5 и 6 замыкаются. Рычаг 10 с винтом 7 служит для арретирования измерительного стержня. При необходимости отсчета размера может быть установлена индикаторная головка 11.

Недостатками приборов с электроконтактными преобразователями являются низкая надежность контактных пар, невысокая чувствительность, малое число команд, малые пределы измерений, релейный (пороговый) выходной сигнал.

Приборы с пневмоэлектроконтактными преобразователями [50]. В пневматических приборах используют зависимость либо между площадью S продольного канала воздухопровода и расходом сжатого воздуха при постоянном давлении р (ротаметры), или между давлением р и расходом Q воздуха (манометры). При бесконтактном методе измерения в качестве заслонки измерительного сопла 1 используют контролируемое изделие D (рис. 4.59, а). Изменение высоты изделия приводит к изменению зазора D и, следовательно, контролируемого расхода воздуха, протекающего через измерительное сопло диаметром d2. При контактных методах (рис. 4.59, б—д) с измерительным наконечником 3 механически связана заслонка 2, которая также может иметь конусную, параболическую или сферическую форму.

Для увеличения диапазона измерения применяют эжекторные сопла (рис. 4.59, е), в которых воздух под постоянным давлением р поступает в измерительное сопло диаметром d2 через входное сопло диаметром d1. При этом в полости A возникает разряжение.

Для автоматизации процесса измерения выпускают отсчетно-командные устройства (рис. 4.60) с сильфонными преобразователями, в которых сжатый воздух под давлением 0,32 - 0,6 МПа после фильтра-стабилизатора 1 через входные сопла 19, 20 и 18 поступает в сильфоны 3 и

17. Сильфон 17 соединен с соплом 21 измерительного узла, а сильфон 3 - с настроечным соплом 2 противодавления. Сильфоны связаны между собой планкой 15, подвешенной на плоских пружинах 4 и 16. Планка 15 через рычажно-зубчатую передачу связана с отсчетным устройством 9 и электрическими контактами 5 и 6, 14 и 13. Контакты, подвешенные на пружинах 12, настраивают с помощью кулачков 11. По их положению и положению указателей 7 и 10 определяют интервал настройки. При измерении размера детали давление в сильфоне 17 изменяется, планка 15 смещается в сторону, замыкая контакты 5 и 6. Контакты 8 служат для исключения срабатывания при снятии сопла 21.

Пневматические приборы надежны, имеют измерительные сопла малых размеров, которые могут быть расположены в труднодоступных местах и легко позволяют получать сумму и разность сигналов.. Недостатки пневматических приборов - инерционность, небольшой диапазон показаний, необходимость сложной очистки и подготовки воздуха.

Струнные преобразователи [16]. В связи с развитием цифровой вычислительной техники, созданием электронных цифровых управляющих машин наиболее удобной формой представления информации от преобразователя является кодо-импульсная, а также частотно-импульсная модуляция. К таким преобразователям относится струнный.

В струнных преобразователях измеряемая величина преобразуется в изменение частоты собственных поперечных колебаний тонкой натянутой струны  ,

где F0 – сила натяжения струны; r - плотность материала струны; S – площадь поперечного сечения струны; mс – масса струны; l – длина струны.

Струна, помещенная в поле постоянных магнитов, и электронный усилитель с положительной обратной связью образуют автогенератор, в котором поддерживаются незатухающие колебания струны на частоте, почти равной частоте ее собственных колебаний. Воздействуя на натяжение, деформацию или массу mc струны, можно построить унифицированную систему преобразователей, позволяющих измерять различные физические величины: линейное и угловое перемещение, температуру, давление, силу, электрический ток и напряжение и др.

Разработано несколько унифицированных конструкций преобразователей, на базе которых создана унифицированная информационно-измерительная

система метрологического обеспечения (УИИС МО) технологических процессов (рис. 4.61), с помощью которой можно измерять различные физические величины. На схеме - информационно-измери-тельные преобразователи (ИИП): L - линейных перемещений в частоту; t - температуры; р – давления; ЭП – электронный преобразователь.

Рис. 4.61. Схема УИИМ МО технологического процесса

На практике применяют струнные преобразователи двух типов: однострунные усилия (рис. 4.62, а), перемещения (рис. 4.62,6), температуры (рис. 4.62, в) и дифференциальные (рис. 4.63), предназначенные для измерения линейных перемещений, силы или веса, давления, температуры окружающей среды и поверхностей объектов малой площади. Кроме того, эти преобразователи могут применяться для измерения: толщины напыленного слоя, угловых размеров и перемещений, постоянного и переменного тока, напряжения.

Основные недостатки однострунных преобразователей - нелинейность характеристики и смещение начального уровня - могут быть существенно уменьшены, если использовать дифференциальную схему. При этом измеряемый параметр воздействует на две идентичные струны, увеличивая частоту одной из них и уменьшая частоту другой.

Применительно к измерению перемещений, деформаций и размеров следует отметить ряд несомненных преимуществ цифровой информационно-измерительной системы со струнными преобразователями по сравнению с существующими устройствами аналогичного назначения:

возможность преобразования сигнала в цифровую и аналоговую форму;

информация об измеряемой величине выдается в форме кода, что позволяет стыковать рассматриваемые устройства с ЭВМ и статанализаторами и на этой базе осуществлять автоматизацию управления технологическими процессами;

высокое быстродействие системы и возможность поверки метрологических характеристик устройства с использованием образцового электрон цифровая индикация результатов измерения в натуральных единицах повышает производительность контрольных операций, объективность контроля и дает возможность с помощью цифропечатающих устройств документально регистрировать результаты измерения;

но-счетного частотомера, являющегося в настоящее время широко распространенным и доступным прибором;

полученная в форме кода информация об измеряемой физической величине без искажений может передаваться на значительные расстояния.

Приборы с индуктивными преобразователями [50]. В этих приборах изменение контролируемой величины преобразуется в изменение индуктивности электрической цепи в соответствии с формулой

 ,

где L и w - индуктивность и число витков катушки; li, Si, и mi - зазор, площадь и магнитная проницаемость участка i магнитной цепи (в том числе ферромагнитных и воздушных участков).

Конструкции индуктивных преобразователей основаны на зависимости индуктивности от зазора l между подвижной частью (якорем, связанным с измерительным наконечником) и сердечником (рис. 4.64, а, в) либо от площади S их перекрытия (рис. 4.64, б, г). Индуктивные преобразователи могут быть построены по простой (рис. 4.64, а, б) или дифференциальной (рис.4.64, в, г) схеме. Преобразователи с изменяющимся зазором используют для контроля малых перемещений (0,1 - 5000 мкм); преобразователи с изменяющейся площадью, имеющие большую линейность характеристики, используют для контроля перемещений 0,5 - 15 мм.

Преимуществами индуктивны датчиков являются - малые габариты, аналоговая форма выдаваемого сигнала, высокое передаточное отношение и широкие возможности по передаче, запоминанию и проведению различного рода математических преобразований и вычислений на ЭВМ. Однако эти приборы сложнее и дороже электроконтактных и пневматических.

Приборы с емкостными преобразователями [50]. В этих приборах изменение контролируемой величины преобразуется в изменение электрической емкости С электрической цепи обычно в соответствии с формулой ,

где e - диэлектрическая проницаемость, Ф/м; S - площадь перекрытия обкладок конденсатора, см2; l —расстояние между обкладкaми, мм.

Следовательно, возможно создание трех видов емкостных преобразователей: с изменяющимся параметром e, S или l.

На рис. 4.65 показаны схемы простых и дифференциальных преобразователей. Емкостные преобразователи обладают высокой линейностью выходной характеристики, высокой чувствительностью, малыми измерительными усилиями.

Их специальные конструкции позволяют обеспечить большой диапазон показаний. Однако емкостные преобразователи очень чувствительны к изменяющимся внешним условиям (колебаниям температуры, влажности и т. д.), что ограничивает область их применения.

Приборы с фотоэлектрическими преобразователями [50]. В этих приборах изменение контролируемой величины вызывает изменение cветотехнической характеристики, которое регистрируется фотоэлементами. Световой поток Ф, попадающий на фотоэлемент, определяют по формуле  ,

где I - сила света источника; S - площадь входного зрачка системы; r - расстояние от объектива системы до источника света; a - угол падения пучка света на светочувствительную поверхность.

В соответствии с приведенной формулой выпускают датчики четырех типов, основанные на изменении: площади S (рис. 4.66, а) входного зрачка (световой поток перекрывается либо заслонкой, связанной с деталью D, либо кромкой самой детали); расстояния r от источника света до оточувствительной поверхности (световой поток изменяется путем перемещения источника света или фотоприемника, вызванного изменением контролируемой величины); силы света I (рис. 4.66, б) источника (световой поток изменяется при изменении отражательной способности контролируемой поверхности); угла наклона a к светочувствительной поверхности.

Приборы, использующие электронные преобразователи (механо-троны). Радиоэлектронные преобразователи основаны на зависимости характеристик электронной лампы от геометрического расположения ее элементов (катодов, анодов, сеток и т. п.) Наибольшее распространение получили механотроны в виде двойных диодов с механическим управлением (рис. 4.67). Контролируемое изделие поворачивает на угол a стержень 1, закрепленный на эластичной мембране 2. На другом конце стержня имеются аноды 3, перемещающиеся при контроле относительно катода 4. Анодный ток определяют по формуле ,

где k — постоянный коэффициент; Uа — анодное напряжение (Uа = соnst); lа.к - расстояние между анодом и катодом.

Таким образом, механотрон выполняет функции преобразователя и первой электронной лампы усилителя. Эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, безынерционностью, малыми измерительным усилием и габаритами. Так, для механотронов типа 6МХ диапазон измерений составляет от ±0,1 до ±1 мм, чувствительность 3 - 100 мкА/мкм, измерительное усилие 0,015 - 0,4 Н, анодное напряжение 5 - 15 В. Недостаток механотронов - невысокая долговечность (1000 - 4000 ч).