ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Пневматические датчики физических величин

Линейную скорость объекта можно измерить с помощью датчика скорости, схематически изображенного на рис. 7.1.

Датчик скорости

Рис. 7.1. Датчик скорости:

1 - поршень; 2 - дроссель, 3 - пружина

При перемещении х поршня внутри рабочего цилиндра на поршне создаются перепады давления жидкости:

где к, - коэффициент пропорциональности. Дроссель является перепускным и обеспечивает настройку пропорциональности перепада давления производной по перемещению поршня. Возникающее усилие воспринимается пружинами. Считая характеристики пружин линейными, можно записать:

где/~ площадь поршня, с - жесткость пружины, у - перемещение выходного звена, связанного с цилиндром. На основании приведенных уравнений имеем:

где к2 - коэффициент пропорциональности. Таким образом, перемещение выходного звена пропорционально скорости входного перемещения. Далее выходная механическая величина может быть преобразована в электрический сигнал.

Для измерения угловых скоростей вращательного движения применяют пневмомеханические тахометры. Их принцип действия поясняется схемой, приведенной на рис. 7.2.

Пневмомеханический тахометр

Рис. 7.2. Пневмомеханический тахометр:

1 - направляющие элементы: 2 - сопло, 3 - пружина: ро - давление питания: pQmv - атмосферное давление

Измеряемая угловая скорость co(t) передается на направляющие элементы с подвижной заслонкой. С увеличением угловой скорости заслонка под действием центробежных сил увеличивает зазор с соплом пневматического преобразователя, преодолевая усилие пружины подвижной муфты. В результате выходное давление p(i) изменяется пропорционально измеряемой угловой скорости.

Перемещение подвижной муфты в целях повышения точности измерения угловой скорости в различных системах регулирования обычно подается на преобразователь перемещения, часто выполняющий также функции усилителя. В гидравлических и пневматических системах таким преобразователем-усилителем обычно является золотник, струйная трубка или элемент сопло-заслонка. В электрических системах регулирования, как правило, используются только электрические тахометры.

В качестве пневматических тахометров могут быть использованы импеллеры. Схема импеллера дана на рис. 7.3.

Импеллер

Рис. 7.3. Импеллер:

1 - вал; 2 - ротор

Входная угловая скорость передается валом на ротор. Выходным сигналом импеллера является давление газа, создаваемое лопастями ротора. Оно равно:

где р - плотность рабочего газа, г0 - внутренний радиус импеллера, г/ - внешний радиус импеллера. Отсюда следует, что выходное давление зависит от плотности рабочего газа. Поэтому для повышения точности измерения угловой скорости этим способом необходимо предусматривать температурную компенсацию.

На основе матрицы элементов сопло-заслонка можно создать датчик определения стороны поверхности сложной детали, которая должна быть снята с конвейера или из навала манипулятором по траектории, зависящей от ее положения. Такой датчик формы имеет заслонки, соединенные с щупами, которые контактируют с поверхностью детали в режиме измерения. Каждый элемент сопло-заслонка генерирует соответствующий сигнал от своего участка детали. Эти сигналы на выходе суммируются, и по результирующему сигналу идентифицируется положение детали.

Пневматический датчик угла наклона объекта строится на базе рота- метрического элемента. Ротаметрический элемент представляет собой пневмоканал с воздушным поплавком, находящимся в потоке воздуха. Чем больше угол наклона пневмоканала, соединенного с объектом, тем на большее расстояние отточки отсчета перемещается поплавок под действием питающей струи.

Гравитационный манометр - это простейшее устройство для измерения статического давления. U-образный 1равитационный манометр (рис. 7.4) состоит из стеклянной трубки, наполненной водой, ртутью или другой рабочей жидкостью.

U-образный манометр

Рис. 7.4. U-образный манометр

Различие в уровнях h между двумя коленями пропорционально разнице давлений (Pj - PJ. Оно может определяться по вертикальной шкале или путем преобразования уровня в электрический сигнал. Если одно из давлений, например Р2> является атмосферным, то давление датчика, приложенное к левому колену, может быть найдено как

где р - плотность рабочей жидкости, g - ускорение свободного падения.

Рабочая жидкость манометра должна быть антикоррозионной, иметь низкую вязкость для повышения динамических свойств, незначительное поверхностное натяжение. Диаметр манометра должен исключать наличие капиллярных эффектов.

В эластичных преобразователях давление передается через упругий элемент, который может иметь форму диафрагмы, сильфона или трубки Бурдона.

Трубка Бурдона представляет собой изогнутую металлическую трубку, имеющую эллиптическое сечение и закрытую с одного кошта. При подаче давления в полость трубки она выпрямляется, при этом угловое отклонение свободного конца пропорционально измеряемому давлению.

Главными преимуществами данного преобразователя являются высокая чувствительность и хорошая повторяемость.

На практике используются различные конфигурации этого преобразователя, в частности полукруглые, винтовые и спиральные. Полукруглая конструкция (рис. 7.5) имеет диапазон угла перемещения от 180 до 270 градусов.

Трубка Бурдона

Рис. 7.5. Трубка Бурдона

Угловое отклонение обычно измеряется по механическому указателю или потенциометром.

Винтовая трубка Бурдона аналогична полукруглой трубке, за исключением того, что она изогнута в спираль, имеющую от 5 до 10 скручиваний. В случае спиральной трубки радиус искривления увеличивается с каждым поворотом. Перемещение выходного звена поворота зависит от числа скручиваний.

Угловое отклонение полукруглой трубки Бурдона может быть выражено зависимостью:

где a. - угол перемещения выходного звена трубки, Р - начальный угол, Р - давление, г - радиус трубки, s - толщина трубки, Е - модуль Юнга материала трубки, b - величина малой оси сечения трубки.

Трубка Бурдона обычно изготавливается из материалов, которые имеют незначительное изменение эластичности от температуры, например, сплавы меди, бронзы и никеля. Эти преобразователи более чувствительны к вибрациям, чем диафрагмы, а потому используются главным образом для статических измерений. Диапазон измеряемых давлений достигает 108 Ра.

Струнные преобразователи давления имеют конструкцию, показанную на рис. 7.6.

Струнный преобразователь давления

Рис. 7.6. Струнный преобразователь давления: 1 - диафрагма; 2 - пружина; 3 - струны

Четыре струны с некоторым начальным натяжением установлены между пружинами и диафрагмой, а также корпусом преобразователя. Четыре струны, выполненные из проводящего материала, подключаются в виде плеч моста в измерительную схему. При действии давления на диафрагму натяжение струн меняется соответственно величине давления, что фиксируется измерительной схемой.

Преимуществами этого типа преобразователей являются высокая чувствительность и хорошие динамические характеристики, а также стабильность.

Пленочные преобразователи широко используются для измерения поверхностных давлений без какой-либо предварительной подготовки поверхности. Типичная толщина этих преобразователей находится в диапазоне от 10 до 50 микронов. Преобразователь крепится к поверхности любым известным способом, при этом структура, на которой преобразователь устанавливается, может быть тонкой. Эти свойства особенно важны для аэродинамических измерений давления.

Преобразователь состоит из тонкой диэлектрической пленки, например полиамидной, имеющей постоянный модуль эластичности в широком температурном диапазоне с металлическими покрытиями с обеих сторон, которые служат в качестве электродов. Один из этих двух электродов контактирует с поверхностью, а к другому, который имеет свободу перемещения, прикладывается измеряемое давление, как показано на рис. 7.7.

Пленочный преобразователь давления

Рис. 7.7. Пленочный преобразователь давления.

I - электроды, 2 - диэлектрическая пленка; 3 - база; 4 - поверхность

Изменение емкости АС в результате изменения прикладываемого давления АР связано уравнением

где С0 - начальная величина емкости, Е - модуль Юнга диэлектрического материала. Выводы электродов подключаются к измерительной схеме. Чувствительность такого преобразователя может составлять 50 мВ/бар. Частотный диапазон достигает 100 кГц. Калибровка преобразователя выполняется после его установки на поверхности.

Некоторые типы материалов генерируют электростатическую энергию или напряжение, когда к ним прикладывается механическая нагрузка. Это свойство используется в пьезоэлектрических преобразователях давления.

Типичная конструкция пьезоэлектрического преобразователя показана на рис. 7.8.

Корпус преобразователя содержит диафрагму, которая связана с пьезоэлементом. Давление Р вырабатывает электрический сигнал выхода, который пропорционален разнице давлений между измеряемым давлением и внутренним давлением преобразователя, которое формируется через отверстия.

Наиболее часто применяемыми пьезоматериалами являются кварц и различные керамические материалы.

Пьезоэлектрический преобразователь

Рис. 7.8. Пьезоэлектрический преобразователь:

  • 1 - корпус; 2 - диафрагма; 3 - пьезоэлемент;
  • 4 - отверстия; 5 - клеммы выхода

Пьезоэлектрическая керамика имеет более высокую чувствительность измерений.

Пьезоэлектрические преобразователи давления используются для измерения быстро изменяющегося давления и для ударных давлений. Они обеспечивают равномерный выход на частотах от 1 Гц до 50 кГц. Они работают в широком температурном диапазоне без заметной погрешности. Кварцевые преобразователи имеют температурный диапазон от - 200 °С до + 300 °С. Керамические устройства ограничены рабочей температурой до + 100 °С.

Для давлений выше 100 МРа, используются преобразователи, основанные на изменении электрического сопротивления некоторых материалов, например манганинового проводника, при действии на них гидростатического давления. Схема гидростатического преобразователя давления дана на рис. 7.9.

Схема гидростатического преобразователя давления

Рис. 7.9. Схема гидростатического преобразователя давления:

/ - корпус; 2 - проводник; 3 - изоляторы

Обычно проводник помещается в корпус, заполненный рабочей жидкостью для передачи давления Р проводник. Изменение сопротивления проводника между точками А и В содержит информацию об измеряемом давлении. Выходная цепь отделена от проводника изоляторами.

Тепловой преобразователь позволяет измерять уровень вакуума. Его схема аналогична гидростатическому преобразователю давления, но вместо проводника в корпусе находится платиновая нить накаливания. Температура нити накаливания для заданной величины тока зависит от проводимости среды в корпусе, которая в свою очередь является функцией давления. Таким образом, с изменением вакуума в корпусе температура и, следовательно, сопротивление нити соответственно изменяются.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >