Схемы работы емкостных измерительных устройств.

Принцип контроля размеров методом емкости заключается в том, что изменение размера вызывает изменение емкости конденсатора, включенного в преобразующую схему. Измеряя тем или иным способом эту емкость, можно судить о размере изделия.

В качестве обкладки конденсатора, емкость которого зависит от размера изделия, можно использовать само изделие, укрепив на небольшом расстоянии от него вторую изолированную пластину. Однако более эффективным является использование отдельного емкостного датчика (измерительной головки), измерительный шток которого соприкасается с контролируемым изделием.

Схема простейшего емкостного датчика показана на рис. 83,а. Измерительный шток 1, опирающийся на контролируемое изделие 2, перемещает пластину конденсатора 3, укрепленную на гибкой пружине 4. Подвижная пластина 3 и неподвижная пластина 5 образуют обкладки конденсатора, емкость которого зависит от размеров изделия.

Часто емкостный датчик выполняют по дифференциальной схеме 83,б с подвижной пластиной 1 и неподвижными пластинами 2 и 3. В этом случае перемещение пластины 1 одновременно изменяет емкость двух конденсаторов, образованных пластинами 1–2 и 1–3.

Для получения большей чувствительности схемы и меньшего влияния помех следует увеличивать емкость измерительного конденсатора, что может быть достигнуто применением многопластинчатого конденсатора.

Схема многопластинчатого емкостного датчика, предложенного ВЭИ и сконструированного заводом «Калибр», показана на рис. 83,в. Измерительный шток 1, опирающийся на изделие 2, поддерживаемый гибкими мембранами 3, несет систему подвижных пластин 4. Пластины 4 располагаются между двумя системами неподвижных пластин 5 и 6 и образуют два конденсатора 4–5 и 4–6, емкость которых определяется размером изделия. При 7 подвижных, 14 неподвижных пластинах и расстоянии между ними 0,5 mm каждый из конденсаторов 4–5 и 4–6 имеет емкость 600 μμF.

Рис. 83. Схемы емкостных датчиков: а – простого; б – дифференциального; в – многопластинчатого дифференциального.

Задача контроля размеров с помощью емкостного измерителя сводится к задаче точного измерения емкости, или, чти почти одно и то же, к измерению малых отклонений емкости от заданной величины.

В 1920 г. было опубликовано описание емкостного ультрамикрометра Уиддингтона. Идея его устройства, основанного на интерференционном принципе, иллюстрируется рис. 83. Два генератора g1 и g2 генерируют колебания частотой 1MHz. Частота генератора g1 задана контуром L1C1. В контур генератора g2 включена измеряемая емкость С_х. Если частоты генераторов равны, то частота биений равна нулю, и громкоговоритель Т, включенный после усилителя У, «молчит». Если хоть немного расстроить контуры генераторов, то возникают биения, частота которых равна разности частот генераторов gl и g2. Измеряя частоту биений или, поддерживая неизменную высоту звука громкоговорителя изменением емкости компарирующего конденсатора С2, можно определить емкость конденсатора С_х, т. е. измерить перемещение ∆x его подвижной пластины.

С помощью такой схемы Уиддингтону удалось обнаружить перемещения порядка 10^{-7 mm}, но, конечно, надежная индикация таких величин невозможна.

Сложность установки Уиддингтона побудила Даулинга применить в установке для измерения малых перемещений резонансный метод. Это обычный генератор по схеме «трех-точки Хартлея». Начальное значение анодного тока, протекающего через гальванометр G, снабженный шунтом S, компенсируется добавочной батареей Е. Последняя создает противоток, протекающий через сопротивление R и гальванометр с шунтом.

При изменении емкости С меняется амплитуда переменной слагающей анодного тока, возникающей вследствие генерации. Если рабочая точка находится на сгибе вольтамперной характеристики, то меняется и постоянная слагающая, и, следовательно, гальванометр G дает отклонение. Наивыгоднейшие условия подбираются путем взаимного перемещения катушек L1 и L2. При конденсаторе, состоящем из двух пластин радиуса 5 cm и расстоянии между ними x=0,25 mm, можно получить чувствительность 8 микроампер/микрон.

Ультрамикрометр Даулинга прост, но недостаточно стабилен. Характеристика его заметно меняется при изменениях питающего напряжения и температуры окружающего воздуха.

Схемы, более стабильно работающие, были даны Гунном. В результате анодного детектирования возрастает и постоянная слагающая анодного тока. Чувствительность схемы на наиболее благоприятном участке доходит до 1μА при .

Резонансный метод применялся и в отечественных устройствах. Например, ВНИИМ разработал установку для проверки концевых мер. Если контур L1, C1 настроен на частоту f₁, а частота контура в сеточной цепи меняется от f₂'<f₁, до f₂''> f₁, то ток (как постоянная, так и переменная составляющие) в анодной цепи лампы меняется по резонансной кривой. G1 – грубый гальванометр, служащий для введения системы в нужный режим, G2 – чувствительный гальванометр, служащий для отсчета, В – компенсационная батарея. Чувствительность схемы составляет около 180 μА на .

Схема, пригодная для неавтоматических измерений размеров. При изменении емкости конденсатора С в контуре меняется ток (переменный). Изменение тока замеряется прибором А. Схема может обнаружить изменение размера около 0,25 μ.

Стремление увеличить стабильность схемы привело к разработке дальнейших модификаций резонансного метода – метода скачка тока и дифференциальных схем.

Метод скачка тока использует явление внезапного срыва генерации в генераторе, стабилизированном кварцем, при расстройке анодного контура с контуром кварца, находящимся в сеточной цепи.

Принципиальная схема браковки изделий по овальности и огранке

Задача браковки по овальности и огранке сводится к определению максимальной разности показаний при нескольких измерениях. Принцип ее показан на рис. 84. Представим себе ряд пластин, по которым перемещается бесконечно узкая щетка, вращающаяся синхронно с другой щеткой. Так как окружность коммутатора является как бы шкалой аппарата, характеризуя размер изделия, то каждая из пластин занимает участок, соответствующий некоторой разнице в размере изделия.

Рис. 84. Принципиальная схема браковки по овальности.

Пусть мы хотим отбраковывать изделия с наибольшей разностью диаметров в 2,5 μ. Тогда ширину пластины сделаем соответствующей разности размеров в 2,5 μ. Все нечетные пластины соединим вместе и к ним присоединим конденсатор С2, ко всем четным пластинам присоединим конденсатор С1. Оба конденсатора присоединим к положительному полюсу источника питания, а щетку 1 присоединим к аноду лампы 2, запертой отрицательным смещением, поданным на ее сетку. При этом конденсаторы С1 и С2 останутся незаряженными.

В момент баланса измерительного моста и срабатываний триггера от его анода через разделительный конденсатор С₀ на сетку лампы 2 будет подан кратковременный положительный импульс, отпирающий лампу.

Тот конденсатор, на пластине которого в этот момент находится щетка 1, зарядится. В это время контролируемый ролик, находящийся под штоком емкостного датчика, медленно поворачивается. Если его форма цилиндрическая и диаметры во всех сечениях одинаковы, то баланс моста при каждом повороте компарирующего конденсатора 5 будет наступать при неизменном его положении, т. е. при неизменном положении щетки 1 (рис. 84,а).

Следовательно, при каждом обороте компарирующего конденсатора будет заряжаться один и тот же конденсатор – С1 или С2.

Если размер ролика вследствие овальности или огранки в различных сечениях неодинаков, то баланс измерительного моста и срабатывание триггера будут происходить при различных положениях щетки 1 и при рассеивании размеров ролика большем, чем ширина пластины (в данном случае 2,5 μ.), обязательно окажутся заряженными оба конденсатора С1 и С2, что и будет служить признаком недопустимого рассеивания размеров.

Однако оба конденсатора могут оказаться заряженными и при рассеивании размеров изделия меньше 2,5 μ. в том случае, если в момент баланса моста щетка 1 находилась вблизи края пластины. Для того чтобы избежать этой погрешности, коммутатор нужно снабдить несколькими рядами пластин, сдвинутых один относительно другого.

На рис. 84,б показана схема браковочного коммутатора с четырьмя рядами пластин, сдвинутых один относительно другого на ¼ширины пластины.

Четные и нечетные пластины каждого ряда присоединены к своему конденсатору и таким образом всего необходимо восемь конденсаторов. Каждая щетка присоединена к одной из четырех ламп, на сетки которых одновременно, в момент баланса измерительного моста, подается импульс положительного смещения, отпирающего лампы.

Можно показать, что все восемь конденсаторов могут зарядиться лишь в том случае, если рассеивание размеров изделия не меньше 1,9 μ (при ширине пластины 2,5 μ.), а что в большинстве случаев все восемь конденсаторов зарядятся при рассеивании не меньше 2,2 μ, но и не больше 2,5 μ. Таким образом максимальная ошибка браковки не выходит за ±0,3 μ, т. е. за 13% от диапазона браковки. Увеличивая число рядов пластин, можно было бы повысить точность браковки, но вряд ли это целесообразно.

Чтобы установить факт зарядки всех восьми конденсаторов, параллельно каждому из них присоединяется телефонное реле. Конденсатор, разряжаясь на реле, заставляет его сработать и самоблокироваться. Дополнительные контакты каждого из восьми реле образуют последовательную цепь, при замыкании которой включается исполнительный орган, отбраковывающий дефектный ролик.

Коммутатор рис. 84,б можно упростить, сократив в 2 раза число электронных ламп. Это можно сделать с помощью схемы рис. 84,в, обладающей теми же свойствами, как и схема 84,б, и имеющей то дополнительное преимущество, что щетки 1 лишь замыкают пластины между собой и не требуют подвода к ним тока.

Изменение диапазона браковки, т. е. браковку изделия с разницей диаметров, например, 5 или 10 μ вместо 2,5 μ, можно осуществить несколькими способами. Наиболее простой из них заключается в изменении емкости компарирующего конденсатора путем подключения к нему дополнительных секций так же, как и при изменении диапазона сортировки.

Другим способом изменения диапазона браковки является переключение пластин коммутатора с изменением их эффективной ширины. Для того, чтобы упростить схему переключения пластин, можно уменьшить их количество, одновременно увеличив число щеток. На рис. 85,а показаны четыре пластины в каждом ряду, заменяющие восемь пластин (рис. 84,в). Каждая пластина состоит из четырех элементарных пластин, соединенных параллельно. Количество щеток, увеличено в 2 раза.

Для того чтобы изменить диапазон сортировки, например, увеличить его в 2 раза, элементарные пластины нужно пересоединить, увеличив в 2 раза эффективную

Рис. 85. Принцип изменения диапазона браковки по овальности.

ширину пластин и одновременно обеспечив сдвиг между пластинами соседних рядов, равный ¼ ширины пластины. Подобное переключение, осуществляемое с помощью контроллера, показано на рис. 85,б. Схему переключения можно упростить, если отказаться от сдвига пластин соседних рядов точно на ¼ ширины пластины за счет небольшого увеличения погрешности браковки.