CC BY
7
УДК 681.2.08 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-4-11-15
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШИРОКОПРЕДЕЛЬНОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИБОРА РОТАМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
А.П. Васютенко, Д.В. Заморёнова
Представлена схема пневматического измерительного прибора ротаметриче-ского типа с широкопредельным щелевым соплом для контроля геометрических параметров деталей в машино- и приборостроении. Рассмотрены структурная схема передачи сигнала измерительной информации, выражения для определения общего передаточного отношения и зависимость перемещения поплавка ротаметра от площади проходного сечения измерительного сопла. Представлены результаты моделирования статической характеристики, определены чувствительность и диапазон измерения прибора.
Ключевые слова: измерение, пневматический прибор, измерительное сопло, ротаметр, заслонка, чувствительность, диапазон измерения, моделирование.
При решении задач по созданию средств для линейных измерений широкое применение нашли пневматические приборы реализующие пневматический принцип измерения, который обладает рядом достоинств: высокая точность измерений, надежность, малые габаритные размеры измерительной оснастки и возможность обеспечения организации многопараметрического контроля, простота обслуживания, пожаровзры-вобезопасность, невысокая стоимость [1 - 3].
В статье [4] рассмотрена схема пневматического измерительного сопла щелевого типа с угловым расположением сопла и заслонки, которая обеспечивает широкий диапазон измерения в пределах 0.. .5 мм и возможность регулирования чувствительности. В качестве вторичных преобразователей в пневматических средствах измерения используется сильфонные, мембранные или ротаметрические датчики, реагирующие на изменение скорости воздушного потока [5, 6]. В сочетании с индуктивными, ультразвуковыми или оптическими преобразователями отдельные модели расходомеров обеспечивают получение выходного аналогового электрического сигнала и обработку его на современной элементной базе. Погрешность ротаметров составляет ±1,5.2,5 %, рабочее давление 0,16.0,64 МПа, диапазон расходов воздуха 1,6.16 м3/ч.
На рис. 1 представлена схема измерительного прибора с соплом щелевого типа и оптикоротаметрическим вторичным преобразователем.
Принцип действия состоит в следующем: с поверхностью контролируемой детали 5 контактирует измерительный шток преобразователя 6, на котором установлена заслонка 7, взаимодействующая с измерительным соплом щелевого типа 1, которое посредством штуцера 8 и пневмошланга соединено с ротаметром 2. Перемещение заслонки 7 вызывает изменение площади Г проходного сечения измерительного сопла, следовательно, изменение расхода воздуха О в измерительной ветви. Для измерения расхода воздуха О служит ротаметр 2, состоящий из стеклянной трубки 9, поплавка 10, шкалы 11, регулировочного вентиля 13 расхода воздуха через ротаметр, регулировочного вентиля 12 настройки ротаметра.
Величина перемещения поплавка ротаметра измеряется с помощью оптического преобразователя 3, закрепленного на стойке 14, сигнал с которого подается на электронный блок 4 с отсчетным устройством. Подача воздуха осуществляется от блока подготовки воздуха 15, включающего фильтр, регулятор-стабилизатор давления воздуха и манометр.
Особенностью конструкции первичного пневматического преобразователя щелевого типа является возможность поворота сопла 1 относительно заслонки 7 на угол а с целью регулирования чувствительности, т.е. зависимости изменения площади проходного сечения сопла FoTкр от перемещения заслонки ХТ при различных углах а.
Общая структурная схема передачи сигнала измерительной информации показана на рис.2.
Рис. 1. Схема измерительного прибора
М = ДХч
ДG
Д/
Д1
Рис. 2. Структурная схема передачи сигнала измерительной информации
На вход чувствительного элемента первичного преобразователя поступает изменение размера контролируемой детали Д<, что соответствует перемещению заслонки ДХТ. Первичный преобразователь - измерительное сопло 1 (см. рис. 1) преобразует изменение размера Д< в изменение расхода воздуха ДG, ротаметр 2 преобразует изменение расхода воздуха в перемещение поплавка Д/, а оптический преобразователь 3 формирует на выходе аналоговый электрический сигнал Д1, пропорциональный величине перемещения поплавка 10.
Общее передаточное отношение измерительного устройства определиться из выражения
, „ „ ДG А/ Д1 Д1
ЪК>
КТ = К ъ
• К = -оп
^Р "" Д< ДG Д/ Д< где Къ - передаточное отношение пневматического преобразователя, кг/с*мм; Кр -
передаточное отношение ротаметра, с*мм/кг; Коп - передаточное отношение оптического преобразователя мА/мм.
Статическая характеристика пневматического измерительного прибора рота-метрического типа, описывающая зависимость перемещения поплавка от площади проходного сечения измерительного сопла, имеет вид:
/=1
к
/и<п
+ <<п <<0
(1)
л/Р V Кп
где / - перемещение поплавка; /и - площадь проходного сечения измерительного сопла; <п - диаметр поплавка; Н - рабочее давление воздуха; Ра - атмосферное давление; <0 - минимальный диаметр трубки ротаметра; Ип - вес поплавка; к - конусность трубки ротаметра.
В статье [4] показано, что зависимость площади проходного сечения измерительного сопла щелевого типа с угловым расположением сопла и заслонки имеет три характерных участка. Для измерения используется второй прямолинейный участок (Хр < Хт <Хгр2) характеристики сопла F2o=fXT), который описывается выражением
Ъ2 b
Fio = ab +—tga - XT-, (2)
2 cosa
где а - длина щели измерительного сопла; Ь - ширина щели; а - угол поворота щели относительно заслонки; ХТ - перемещение заслонки.
Подставив выражение (2) в формулу (1) получим
,=I
k
Ъ Ъ
2
(ab - Xj-+ — tga)dn
_cosa 2_'
4P
+ dn do
N
n
(3)
После преобразования формулы (3) получим зависимость перемещения I поплавка ротаметра от перемещения заслонки Хт измерительного сопла
,=I k
2
(2ab cos a - 2XjЪ + b sin a)dn 2p cos a \
Hj+Pl+d2
-r Un
N
■do
n
(4)
Расчет статических характеристик пневматического прибора с соплом щелевого типа проводился по формуле (4) при следующих параметрах сопла и ротаметра: а = 5мм; Ь = 0,6мм; а =150, 300, 450, 600; к = 0,2; (п = 5,3 мм; (0 = 5,5 мм; Н= 0,2 МПа;
Ра = 0,1 МПа; Ип = 2 г.
Результаты расчёта стохастической характеристики I = /(Хт ) при различных углах поворота сопла показаны на рис. 3, 4. Полученные графики позволяют определить величину прямолинейных участков ДХТ и чувствительность К .
В таблице представлены координаты (Хтнач, Хткон) начала и конца прямолинейных участков, значения ДХТ прямолинейных участков характеристик и чувствительности К = ¡¡ХТ широкопредельного пневматического прибора ротаметрического типа с щелевым измерительным соплом. Анализ данных таблицы показывает, что регулирование угла поворота а щелевого сопла относительно заслонки позволяет задавать значения чувствительности и диапазона измерений в зависимости от допуска на контролируемый параметр детали и требуемой погрешности измерения.
20 1В 16 14 12 10 В 6 4 2 0
i Ji : 1
1 Л ik "2
/ /
/
Хт,мм
Рис. 3. Графики зависимости I = /(Хт ) при угловом расположении сопла и заслонки: 1 — а=30°; 2 — а=15° 13
20 1В 16 14 12
=
= 10 8 6 4 2 0
1 2 3
Хт,мм
Рис. 4. Графики зависимости I = /(Хт ) при угловом расположении сопла и заслонки :1 — а=60°; 2 — а=45°
Значения ДХТ и К
а, град Величина прямолинейного участка Чувствительность
ХТнач, мм Хткон, мм ДХТ ,мм К
15 1,3 4,8 3,5 3,26
30 1,2 4,3 3,1 3,63
45 1,1 3,5 2,4 4,5
60 0,9 2,5 1,6 6,42
Заключение. Пневматический прибор ротаметрического типа с щелевым измерительным соплом и угловым его расположением относительно заслонки обеспечивает диапазон измерения ДХТ = 1,6.. .3,5 мм при принятых значениях щели 0,6x5,0 мм.
Расширение диапазона измерения прибора позволяет контролировать несколько ступеней вала или геометрических параметров, отличающихся на 3...3,5 мм при одной настройке прибора. Учитывая, что при этом несколько снижается чувствительность, данный тип преобразователя может быть рекомендован для устройств контроля параметров деталей при токарной обработке или фрезеровании.
Исследуемые преобразователи могут использоваться в приборах, являющихся основой информационно-измерительных систем, применяемых при осуществлении процесса селективного комплектования и сборки сложных изделий машино- приборостроения.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №20-08-00825.
Список литературы
1. Ахмеджанов Р. А., Чередов А.И. Физические основы получения информации: учебное пособие. Электрон. текстовые данные. М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2013. 212 с.
2. Гольдштейн А.Е. Физические основы измерительных преобразований: учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 253 с.
3. Рабинович А.И. Пневматические устройства и системы в машиностроении: справочник. Киев: Техника, 1970. 396 с.
А 7 1
\
\ \ ч J ■1 1
N Ч N J 2
/ У / >
/ /
4. Васютенко А.П., Заморёнова Д.В. Широкопредельное пневматическое сопло для линейных измерений // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 12. С. 480-486.
5. Легаев В.П. Приборы автоматического контроля и управления в машиностроении: учебное пособие. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2009. 123 с.
6. Этингоф М.И. Автоматический размерный контроль на металлорежущих станках. М.: АПР, 2016. 336 с.
Васютенко Александр Павлович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,
Заморёнова Дарья Викторовна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет
SIMULATION OF STATIC CHARACTERISTICS OF A WIDE-LIMIT PNEUMATIC
DEVICE OF ROTAMETRIC TYPE
A P. Vasyutenko, D. V. Zamoryonova
Presents a diagram of a pneumatic measuring device of a rotametric type with a wide-range slotted nozzle for controlling the geometric parameters of parts in mechanical engineering. The block diagram of the signal transmission of measuring information, expressions for determining the total gear ratio and the dependence of the displacement of the float of the rotameter on the flow area of the measuring nozzle are considered. The results of modeling the static characteristics are presented, the sensitivity and measurement range of the device are determined.
Key words: measurement, pneumatic instrument, measuring nozzle, rotameter, damper, sensitivity, measuring range, modeling.
Vasyutenko Alexander Pavlovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,
Zamoryonova Darya Viktorovna, candidate of technical sciences, docent, za-mik@,ukr.net, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University
