Глава 4 (Метрология стандартизация и сертификация), страница 10

,

где L и  - индуктивность и число витков катушки; l_i, S_i, и _i - зазор, площадь и магнитная проницаемость участка i магнитной цепи (в том числе ферромагнитных и воздушных участков).

К онструкции 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  - 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 , 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.

П риборы 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;  - 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  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  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; U_а — анодное напряжение (U_а = соnst); l_а.к - расстояние между анодом и катодом.

Т аким 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, чув-

ствительность 3 - 100 мкА/мкм, измерительное усилие 0,015 - 0,4 Н, анодное напряжение 5 - 15 В. Недостаток механотронов - невысокая долговечность (1000 - 4000 ч).

4.11.3. Измерительные роботы [7]

Автоматизация в крупносерийном производстве экономически выгодна на основе специализированных автоматических линий. Для мелко- и среднесерийного производства при частой сменяемости выпускаемых изделий более выгодно идти по пути создания безлюдной технологии и использования перепрограммируемых промышленных роботов. Но в этом случае часто требуется точное позиционирование, например, контролируемых деталей. Серийно выпускаемые роботы обеспечивают точность позиционирования 0,1 мм.

Точность позиционирования определяет, например, выполнение тех контрольных операций деталей, зазоры между калибром и деталью в которых соизмеримы с этой точностью. При меньших допусках в захватном устройстве монтируется специальная головка или в системе управления манипулятором используются корректирующие обратные связи с датчиком очувствления, установленным на захватном устройстве или позиционере, где закреплена основная деталь.

Главная функция измерительного робота (ИР) — захват и перемещение предмета (детали, измерительного средства) на требуемую позицию в соориентированном положении и в нужный момент времени. На основе использования ИР можно:

осуществлять метрологические процессы, которые по условиям производства невозможны с участием человека (токсичная, запыленная, загазованная, взрывоопасная среда, высокий уровень радиации рабочего пространства, сверхвысокие быстродействия, монотонные и тяжелые операции и т. п.);

достичь высокой производительности контроля в условиях быстрой сменяемости производства (гибкого автоматизированного производства), сокращения сроков обучения метрологическим приемам при выпуске новой продукции.

Робот может осуществлять:

качественную оценку состава рабочей среды;

установить присутствие определенных объектов, их счет, возможное расположение, дать качественную оценку, сортировку;

оценку значения параметров имеющихся или изготовляемых предметов (деталей);

определение правильности функционирования отдельных объектов или их частей.

Роботы первого поколения предназначены только для перемещения грузов различной массы.

Роботы второго поколения являются уже "очувствленными". Для "очувствления" они снабжены различными датчиками, выдающими информацию о состоянии рук, предметов и среды. После преобразования сигналы обрабатываются в ЭВМ и позволяют осуществить управление исполнительными устройствами с учетом фактических ситуаций. По сравнению с роботами первого поколения они обладают повышенной маневренностью, имеют большее число сложных программ и позволяют управлять оборудованием, автоматизировать контроль сборки и другие процессы в производстве с частым изменением условий.

Роботы третьего поколения (интегральные роботы) имеют искусственный интеллект, высокую степень восприятия и распознавания обстановки, способность выработки решений автоматического планирования и контроля операций. Эти роботы могут изменять свои действия (адаптироваться) под влиянием изменения окружающей среды или под воздействием команд от заданной программы. Они могут обрабатывать, собирать и испытывать отдельные виды изделий, управлять несколькими видами оборудования, контрольно-измерительными установками, следить за состоянием оборудования и ходом производства, осуществлять учет продукции на различных стадиях производства, выполнять некоторые конструкторские, исследовательские и лабораторные работы и т. п. Адаптивные роботы могут определять параметры объекта и окружающей среды, оценивать реальную картину, изменять последовательность действий.

Применение микропроцессорных систем контроля позволяет объединять приборы, выполняющие различные функции, в одну контрольно-измерительную систему. В результате совершенствования микропроцессоров и увеличения числа выполняемых ими функций стали появляться универсальные многофункциональные системы — мультиметры. Так, например, использование микропроцессоров в электрических мостовых контролирующих устройствах позволяет при контроле получить на выходе такого устройства одновременно данные о емкости, сопротивлении утечки, тангенсе угла потерь конденсатора и катушки индуктивности, активном и индуктивном сопротивлениях, а также добротности катушки индуктивности. Микропроцессор может управлять временем измерения, осуществлять выбор диапазона измерения, выполнять функции интерфейса. Кроме того, он может обеспечивать автоблокировку, самодиагностирование, статистический анализ, коррекцию ухода нуля, линеаризацию характеристик измерительных преобразователей.

4.12. Измерение температуры

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. К ним относят длину, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т. д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называют термометрическими.

4.12.1. Температурные шкалы и единицы тепловых величин

Установлено, что нет ни одного термометрического свойства, которое линейно изменяется с изменением температуры и не зависит от других факторов в широком интервале измерения температур.

Фарангейт (1715 г.), Реомюр (1776 г.), Цельсий (1742 г.) при построении шкал использовали две опорные, или реперные точки, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ, и наличие линейной связи между температурой и термометрическими свойствами жидкости.

Связь между шкалами Цельсия, Реомюра и Фарангейта можно представить соотношением t^oC = 1,25^oR = (5/9)(t^oF – 32).

Создание температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств вещества (абсолютной шкалы), принадлежит Кельвину (1848 г.). Термодинамическая (абсолютная) шкала основана на втором законе термодинамики. В соответствии с этим законом коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Корно, определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит от свойств вещества. Кельвиным для определения температуры было предложено использовать равенство Т_н/Т_х = Q_н/Q_х ,

где Т_н, Т_х – соответственно температура нагревателя и холодильника;

Q_н, Q_х – соответственно количество теплоты, полученное рабочим веществом от нагревателя и отданное холодильнику.

Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах Цельсия: t = Т – 273,15 К.

В настоящее время действует принятая на ХIII конференции по мерам и весам усовершенствованная шкала под названием "международная практическая температурная шкала 1968" (МПТШ – 68). Температуры МПТШ – 68 снабжаются индексами Т₆₈ или t₆₈.