Пневматический контроль зазора

Рабочая среда пневматических систем - воздух - отличается от обычного атмосферного воздуха величиной давления. Именно давление позволяет приводить в движение исполнительные механизмы, развивая необходимые усилия.

Вместе с тем, выполняя "силовые" функции, давление весьма чутко реагирует на изменение условий, например, при истечении сжатого воздуха через отверстие в атмосферу. Это открывает возможность для использования давления в системах управления и измерения.

В качестве примера можно привести механо-пневматический преобразователь "сопло-заслонка", который нашел широкое применение в ряде устройств пневмоавтоматики - прецизионных регуляторах давления, электропневматических преобразователях, позиционерах и др.

Рис.1

Преобразователь представляет собой емкость (рис. 1), через которую перманентно протекает воздух, причем сопротивление входного отверстия постоянно (дроссель фиксированного сечения), а сопротивление выходного отверстия регулируется.

Рис.2

Это осуществляется изменением величины зазора между заслонкой и срезом сопла. Таким образом, давление в емкости зависит от зазора между соплом и заслонкой (рис. 2). Небольшое перемещение заслонки приводит к изменению давления в емкости, которое в свою очередь может воздействовать на органы управления, например, мембрану регулятора давления или золотника позиционера. На рис. 3 показаны широко распространенные пневматические устройства, содержащие преобразователь "сопло-заслонка".

Рис.3

На этом же принципе основано действие бесконтактных датчиков противодавления, предназначенных для контроля величины зазора между поверхностями. Схема одного из таких датчиков (SMC, серия ISA2) показана на рис. 4.

Рис.4

Воздух, поступающий в датчик, разделяется на два потока, проходящих через фиксированные дроссели S1 и S2. Истекая в атмосферу, эти потоки проходят через пневмосопротивления S3 и S4. Сопротивление S3 - это дроссель регулируемого сечения, а сопротивление S4 формируется соплом, выполненным в одной поверхности, и заслонкой, роль которой выполняет вторая поверхность. Участки каналов между сопротивлениями S1 и S3, S2 и S4 - это и есть емкости, в которых формируется давление. Разность давлений в этих емкостях измеряется с помощью дифференциального датчика. Контроль зазора требует предварительной настройки датчика. Для этого поверхности устанавливаются в штатном положении, когда зазор имеет требуемую величину, что контролируется каким-либо иным методом, например, с помощью щупа. На участке S2–S4 формируется давление, соответствующее величине зазора. Регулировкой дросселя S3 устанавливается такое же давление на участке S1-S3, при этом дифференциальный датчик показывает нулевой перепад. Теперь отклонение зазора от требуемого значения приведет к разбалансировке давлений, что будет видно по показаниям дифференциального датчика. На рис. 5 показан датчик серии ISA2. Балансировка датчика, т. е. регулирование сопротивления S3, выполняется с помощью рукоятки. Информация о величине зазора выводится по двум каналам: через дискретный выход 24 В и визуально с помощью трех световых индикаторов.

Рис.5

Дискретный выход включается при условии, что величина зазора меньше либо равна требуемому значению. Датчики серии ISA2 позволяют контролировать зазоры в пределах от 0,01 до 0,5 мм с погрешностью ±0,01 мм.

Давление воздуха, необходимое для работы датчика, лежит в диапазоне от 0,5 до 2 бар, при этом расход воздуха через датчик составляет в зависимости от давления и размера сопла от 5 до 22 норм.л/мин.

Некоторые примеры применения пневматических датчиков зазора показаны на рис. 6. Преимуществом такого датчика является возможность его дистанционного использования, когда точка контроля находится в зоне воздействия электромагнитных полей, высоких температур, вибраций, загрязнений и т. п., а сам датчик - в защищенном месте.

Рис.6

Кроме того, пневматический контроль зазора исключает необходимость присутствия электрооборудования в зоне контроля, что является существенным преимуществом во взрывоопасных условиях.

Вместе с тем увеличение длины пневмолинии между датчиком и точкой контроля приводит к увеличению времени отклика датчика на изменение зазора (рис. 7). Это обусловлено увеличением объема емкости между двумя сопротивлениями в преобразователе "сопло-заслонка", роль которой играет трубопровод, соединяющий датчик с соплом в точке контроля.

Рис.7

Еще одна особенность, связанная с длинной пневмолинией, характерна для дифференциальной схемы измерения (см. рис. 4). Опорная (на рисунке - верхняя) пневмолиния находится в корпусе датчика, и давление в ней не зависит от длины рабочей (нижней) линии. Увеличение расстояния между датчиком и точкой контроля сопровождается повышением потерь давления в пневмолинии. Так, если датчик сбалансирован на давлении 1 бар, а затем давление подаваемого воздуха повышается, расход воздуха растет, в результате чего потери давления в пневмолинии увеличиваются. К величине противодавления, возникающего в точке контроля, добавляется величина потерь, и датчик выдает сигнал о достижении требуемого зазора, когда тот еще не достигнут. Таким образом, в дифференциальной измерительной схеме с длинной пневмолинией показания датчика зависят от давления (рис. 8), т. е. с ростом давления датчик имеет склонность занижать величину зазора по сравнению с ее реальным значением.

Рис.8

Датчик ISA2 нашел успешное применение в ряде задач промышленной автоматизации. Анализ опыта его эксплуатации позволил усовершенствовать как схему пневматического контроля зазора, так и конструкцию самого датчика. В результате компанией SMC создан датчик нового поколения - ISA3 (рис. 9).

Рис.9

В нем применена другая схема пневматического контроля (рис. 10). В отличие от дифференциальной схемы в ней всего одна пневмолиния с двумя сопротивлениями: S1 -  дроссель фиксированного сечения, S2 - сопло в точке контроля зазора.

Рис.10

Для определения зазора необходимо измерять абсолютное давление в двух точках, поэтому схема содержитдва датчика давления. При стационарном течении расходы воздуха через сопротивления S1 и S2 одинаковы. Расход через S1 при докритическом перепаде определяется сечением S1 и давлениями p1 и p2 : G=ƒ(S1,p1,p2)

Расход через S2 рассчитывается также по формуле для докритического перепада и определяется сечением S2, давлением p2 и атмосферным давлением pатм: G=ƒ(S2,p2,pатм)

Рис.11

Давления p1 и p 2 измеряются датчиками, дроссель S1 имеет известное фиксированное сечение, поэтому, приравнивая правые части двух уравнений, получаем уравнение с одним неизвестным S2. Найдя S2 и зная диаметр сопла, можно определить величину зазора между поверхностью и срезом сопла. Таким образом, схема с двумя датчиками давления позволяет не только сравнивать реальный зазор с установленным требуемым значением, но и получать информацию об абсолютной величине зазора, что невозможно в дифференциальной схеме.

Другие преимущества схемы с двумя датчиками:

• Снижение шума (в дифференциальной схеме постоянно слышен звук истечения струи воздуха из опорной ветви);
• Сокращение потребления воздуха (когда поверхность приближается к срезу сопла, т. е. зазор становится минимальным, истечение воздуха также становится минимальным в отличие от дифференциальной схемы, где воздух истекает через опорную ветвь даже при нулевом зазоре);
• Существенное снижение влияния давления на показания датчика, что хорошо видно из сравнения рис. 11 с рис. 8.

Важным конструктивным отличием датчика ISA3 является современный интерфейс. Датчик снабжен цветным дисплеем, содержащим два окна (рис. 12). Информация на дисплее наглядно показывает текущее состояние зазора (рис. 13). Его величина иллюстрируется квадратными клетками в нижней части шкалы: чем ближе зазор к нулю, тем больше клеток.

Рис.12

Белые горизонтальные черточки характеризуют требуемую величину зазора. Когда квадратные клетки оказываются на одной вертикали с черточками, в основном окне вместо красного OFF выводится зеленое ON, что сигнализирует о достижении требуемой величины зазора. Изменив настройки датчика, можно вывести в верхнее окно дисплея текущую величину зазора, а в нижнее - ее требуемое значение (рис. 13).

Рис.13

Настройка датчика ISA3 достаточно проста и осуществляется с помощью трех кнопок. Она может быть автоматической, когда зазор физически воспроизводится на объекте, датчик измеряет его и сохраняет в памяти как требуемое значение. Эта процедура похожа на настройку датчика ISA2. Другим способом настройки является ручной, когда величина зазора вводится в память с помощью кнопок.

Наряду с принципиальными изменениями датчик ISA3 имеет и другие выгодные отличия от своего предшественника:

• Возможность извлечения дросселя для прочистки;
• Существенно повышена устойчивость к маслу, содержащемуся в воздухе;
• Испытательное давление повышено до 0.6 МПа (в сравнении с 0.2 МПа у ISA2);
• Возможность защиты настроек посредством блокировки кнопок.

Датчик нового поколения ISA3 позволяет использовать преимущества пневматического контроля в самых современных системах промышленной автоматизации.

Фото и материалы предоставлены SMC