Широкодиапазонные пневматические измерительные схемы с эжекторными соплами

Среди различных методов автоматического контроля линейных размеров в процессе обработки особый интерес представляет пневматический бесконтактный метод.

Рассмотренные выше обычные пневматические схемы из-за малых диапазонов измерений не нашли широкого применения в бесконтактных приборах для автоматического контроля деталей в процессе их обработки.

Увеличение диапазона измерений пневматических приборов достигается с помощью схем, в которых применены эжекторные сопла.

Пневматическая измерительная схема с эжекторным измерительным соплом представлена на рис.119, а. Воздух под постоянным избыточным давлением истекает из входного сопла 5 непосредственно в измерительное сопло 4 и далее через кольцевой зазор в атмосферу.

Рис. 119. Широкодиапазонные измерительные схемы с эжекторным соплом

Давление р в измерительной камере 2 отсчитывают по прибору 1, оно служит мерой изменения размера контролируемой детали 3. Зависимость p(Z) является характеристикой пневматической схемы с эжекторным соплом.

Особенность схемы с эжекторным соплом заключается в том, что прямолинейный участок характеристики p(Z) значительно больше, чем у обычной пневматической измерительной системы при той же чувствительности.

Отрезок ab определяет диапазон измерения обычной пневматической схемы, отрезок ас – эжекторной схемы при той же чувствительности. При большом измерительном зазоре кривизна характеристики резко увеличивается. В схеме с эжекторным соплом при больших зазорах увеличивается количество воздуха, эжектируемого из измерительной камеры. Это приводит к тому, что измерительное давление р падает более резко и может достигать даже отрицательных значений.

Для регулирования чувствительности схемы и диапазона измерения пользуются теми же приемами, которые указаны для обычной пневматической схемы.

Так, при увеличении диаметра входного сопла (у измерительного сопла диаметр обычно равен 2 мм) диапазон измерения также увеличивается, но при этом чувствительность K_z уменьшается. Увеличением рабочего давления можно увеличить чувствительность схемы. В табл. 13 приведены экспериментальные характеристики пневматических схем с эжекторными соплами.

Таблица 13

Характеристики пневматических схем с эжекторными соплами

d1, мм	Р, МПа	Zmax, мм	Zmin, мм	KZ,
1,30	0,10 0,15 0,20	0,450	0,160	0,30 0,40 0,60
1,40	0,10 0,15 0,20	0,480	0,165	0,25 0,40 0,50
1,50	0,10 0,15 0,20	0,550	0,170	0,22 0,32 0,42
1,75	0,10 0,15 0,20	0,600	0,190	0,2 0,3 0,4

________

Z_max и Z_min – зазоры, соответствующие началу и концу прямолинейного участка характеристики p(Z).

Пневматическую измерительную схему с эжекторными соплами рассчитывают на основе уравнения сохранения количества движения между сечениями I – I и II – II (рис. 120, а):

Рис. 120. Основные параметры эжекторного преобразователя

,

(184)

где G₁w₁ – массовый расход и скорость потока воздуха, истекающего из входного сопла диаметром d₁;

w₂ – скорость потока воздуха, истекающего из измерительного сопла диаметром d₂; f₂ – площадь истечения из измерительного сопла;

G₂ – массовый расход эжектируемого воздуха;

P_a – атмосферное давление;

P_и = p + P_а – абсолютное измерительное давление;

∆R – дополнительная сила давления на входную кромку измерительного сопла;

F – сила трения между сечениями I – I и II – II (ввиду ее малости в дальнейших расчетах принимается равной нулю).

Левая часть уравнения (184) определяет изменение количества движения между рассматриваемыми сечениями, а правая часть характеризует импульс гидродинамических сил.

С целью упрощения расчета принимается ∆R = 0. Кроме того, при глухой измерительной камере для установившегося режима G₂ = 0.

Тогда после некоторых преобразований уравнения (184) получим следующее выражение для статической характеристики пневматической схемы с эжектором:

,

(185)

где ; ρ₁ ρ₂ – плотность воздуха, истекающего из входного и из измерительного сопел соответственно.

При контроле линейных размеров

.

Ввиду большой сложности аналитического определения и с целью упрощения расчета ε определена по экспериментальным графикам зависимости p(Z).

Из анализа расчетных зависимостей и экспериментальных данных установлено, что ε зависит не от абсолютных геометрических размеров сопел, а от отношения сечений сопел и рабочего давления. Рекомендуется рабочее давление устанавливать 1 ∙ 10⁵ – 2 ∙ 10⁵ Па.

Эмпирическая формула зависимости при рабочем избыточном давлении 2 ∙ 10⁵ Па

;

(186)

при рабочем избыточном давлении 1,5∙ 10⁵ Па

;

(187)

при рабочем избыточном давлении 1∙ 10⁵ Па

.

(188)

Чувствительность пневматической схемы с эжекторным соплом

.

(189)

При проектировании приборов с эжекторными соплами необходимо учитывать, что форма торца измерительного сопла существенно влияет на характер зависимости p(Z). Так, при исполнении измерительного сопла с большим плоским пояском (1 мм) на рабочем участке кривой p(Z) возникает резкий скачок давления – точка А (рис. 120, б). Появление этого скачка на кривой p(Z) объясняется резкой перестройкой течения в зазоре (рис. 121).

Рис. 121. Перестройка течения веерообразной струи в измерительном зазоре, порождающая скачок на характеристике р(Z)

Веерообразная струя при определенном зазоре отрывается от поверхности торца сопла. В результате этого суживается ее сечение, расход скачком уменьшается, что вызывает увеличение измерительного давления. На рис.121 показана картина потока до (рис. 121, а) и после (рис. 121, б) перестройки течения. Следует иметь в виду, что перестройка течения при увеличении и при уменьшении зазора происходит при различных его значениях. Этот гистерезис в перестройке течения обусловлен вязкостью воздуха.

Появление скачков давления имеет место и в обычных схемах с измерительным соплом с большим плоским пояском. Однако эти скачки зачастую возникают при зазорах, которые больше рабочих зазоров, соответствующих прямолинейному участку характеристики p(Z). Экспериментальные исследования измерительных сопел, плоский торец которых от эксперимента к эксперименту уменьшали, показали, что при ширине плоского пояска скачок давления на кривой p(Z) не наблюдается. Поэтому торец сопла следует выполнять с пояском не более 0,5 мм.

Очевидно, что длина проходного сечения измерительного сопла l (рис. 120, в), создающего дополнительное сопротивление истечению воздушного потока, а также являющегося звеном выравнивания поля скоростей и давлений потока, может влиять на характер кривой p(Z).

На основании экспериментальных зависимостей определено, что оптимальное значение l, при котором обеспечивается максимальный прямолинейный участок характеристики, зависит от отношения площадей проходных сечений измерительного и входного сопел и для используемых рабочих давлений Р= (1 – 2) ∙ 10⁵ Па практически не зависит от него. Это оптимальное значение подсчитывают по эмпирической формуле

.

(190)

Расстояние l₁ между входным и измерительным соплами существенно влияет на зависимость p(Z), так как струя воздуха, истекающая из входного сопла, по мере удаления от него расширяется и в зависимости от l₁ подходит к измерительному соплу с большей или меньшей площадью поперечного сечения. Если расстояние l₁ достаточно велико, то сечение вытекающей из входного сопла свободной струи у входа в измерительное сопло может быть больше его проходного сечения. В результате входная кромка измерительного сопла будет оказывать дополнительное сопротивление струе.

Расстояние l₁ между входным и измерительным соплами определяют из следующего условия: конечное сечение свободной струи, вытекающей из входного сопла, должно быть равно или меньше (у входа в измерительное сопло) площади проходного сечения измерительного сопла. Это условие выполняется при

.

(191)