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      運動控制系統中,壓力傳感器用以提高精度和可靠性

      2023-9-7 08:23| 發布者: 液壓哥| 查看: 271| 評論: 0|來自: 液壓傳動與控制

      簡介:原文:Peter Nachtwey翻譯整理:騰益登設備閉環控制是提高生產率和降低生命周期成本的關鍵。在需要施加精確壓力的液壓應用中,必須自動監測液壓。液壓溢流閥可以通過確保液壓壓力不會升至標稱值以上來防止出現不安全 ...

      原文:Peter Nachtwey翻譯整理:騰益登

      設備閉環控制是提高生產率和降低生命周期成本的關鍵。在需要施加精確壓力的液壓應用中,必須自動監測液壓。液壓溢流閥可以通過確保液壓壓力不會升至標稱值以上來防止出現不安全情況。然而,他們可能使得壓力或力控制器性能變差。液壓溢流閥僅限制壓力或力,并且僅限制油缸的一側(有時也是兩側)。另一方面,使用壓力傳感器可以精確控制所施加的壓力或力。

      壓力機和注塑機等常見應用多年來已成功使用壓力傳感器,但許多新的應用領域也正在取得成果。例如,隨著人們對如何將壓力傳感器應用于無損檢測的認識和知識的不斷增長,材料和生產測試系統正在發生轉變。

      從基礎開始壓力傳感器通常成對應用于力控制應用。兩個獨立的傳感器用于監測活塞兩側的壓力(見圖 1)。這使得人們可以使用以下公式計算合力:

      合力 = PPE APE – POE AOE

      此處:

      PPE 是活塞側壓力

      APE 是活塞側有效面積

      POE 是桿側壓力

      AOE 是桿側有效面積

      該計算提供了除密封摩擦之外的真實合力。

      響應時間——壓力傳感器需要快速響應壓力變化。特別是壓力機等快速施力的應用,可能會產生極快的流體壓力變化。壓力傳感器通常對它們對壓力變化的響應速度有一個額定值,這些規格通常以上升時間或滿量程某一百分比變化的時間給出。好的控制器可以每隔一毫秒讀取一次壓力,因此如果壓力傳感器響應緩慢,則控制器的讀取速度無法充分利用。

      響應時間評定的差異有時使比較產品技術成為一項挑戰。以時間常數測量額定值的傳感器應該知道,經過三個時間常數后,傳感器將在階躍變化后達到與實際壓力的 5% 以內。如果將時間響應指定為響應從滿量程的 5% 到 95% 所需的時間,則大致相同。在這兩種情況下,如果使用 1 ms控制器,則 1 ms后響應應在約 5% 以內。

      反饋——壓力傳感器最常見的兩種反饋類型是電壓和電流。電壓反饋通常在 0-5 V 或 0-10 V 范圍內,而電流反饋通常在 4-20 mA 范圍內。通常還有其他可用的電壓和電流范圍。帶電壓反饋的壓力傳感器主要用于實驗室環境,電噪聲和導線長度不是影響因素。在工業環境中,首選壓力傳感器輸出是 4-20 mA 的可變電流。與產生可變電壓的傳感器相比,具有電流輸出的壓力傳感器信號不太可能受到電噪聲干擾。

      使用電流輸出傳感器的另一大優點是故障排除。有一種標準方法可以確定傳感器是否正常工作。如果電壓傳感器返回 0 V 值,則可能是真正的零,但也可能意味著電線已被切斷或傳感器沒有通電。相比之下,4-20 mA 傳感器配置為 4 mA 輸出代表零壓力,20 mA 輸出代表全額定壓力(可能為 3000 或 5000 psi,具體取決于所選傳感器)。如果控制器上的模擬輸入看到來自這些壓力傳感器之一的 0 mA 電流,則它知道電線已被切斷或電源已關閉。

      將運動控制器連接到模擬壓力傳感器需要模數信號轉換。為了使接口任務盡可能簡單,機器制造商應該尋找內置 A-D 轉換器的液壓運動控制器。使用這樣的控制器,傳感器的輸出可以直接連接到控制器的模擬輸入。

      圖1 可以使用安裝在活塞兩側的運動控制器和壓力傳感器來執行精確的壓力或力控制

      位置、位置、位置——壓力傳感器在系統中的安裝位置是實現良好運行的關鍵因素。最好將壓力傳感器安裝在盡可能靠近液壓缸上的目標點的位置,如圖 1 所示。原因如下:

      首先,與閥塊內部的狹窄油口相比,油液在液壓缸較大區域中的流動紊流值小很多。紊流會導致讀數“嘈雜”,并可能導致壓力讀數降低。伯努利方程可以闡明這一點。然而,如果您只對無流量時的壓力感興趣,則這可能不是太重要。

      其次,實際測量需求點和壓力傳感器之間的距離會導致延遲。壓力波在油中以聲速傳播——大約 4.5 英尺/毫秒。距實際測量點 45 英尺的壓力傳感器在觀察關鍵位置處的液壓變化之前將有 10 毫秒的延遲。購買響應時間為 200 微秒的壓力傳感器,只是將其安裝在遠離實際測量點的地方是沒有意義的。

      圖 2. 通過壓輥下方的不同厚度的板材可能會導致液壓峰值

      第三,隨著距離的增加,高頻流體壓力變化往往會減弱,因此距離壓力傳感器一定距離處發生的壓力峰值的嚴重程度可能無法被檢測到。壓力傳感器通常安裝在實際測量需求點和傳感器之間的油口上。這可以保護容易出現壓力峰值的系統中的傳感器,但會降低控制響應的保真度。最好是解決壓力峰值的原因,而不是解決它們。

      保護壓力傳感器當承受極端壓力峰值時,壓力傳感器可能會發生故障。因此,應選擇它們來處理大于應用中預期出現的壓力峰值。但壓力峰值有可能超出預期。保護傳感器的一個好方法是在控制閥和液壓缸活塞之間使用小型蓄能器。然而,這是一種糟糕的設計實踐,因為蓄能器會減慢控制系統的響應,從而干擾力控制。但將蓄能器預充壓力高于系統壓力,將防止其在正常運動或壓力控制期間吸油,因此不會發生性能下降。如果出現壓力峰值,它將被蓄能器吸收。蓄能器不需要很大。通常,只需要吸收幾立方英寸的油。

      即使系統運行完美,也可能會出現尖峰。例如,鋸木廠的刨床有一個壓輥,在刨削時使用液壓缸施加壓力將木板壓住,如圖 2 所示。壓輥通常會依次滾動每塊木板,但木板通常不會滾動。厚度全部相同。如果一塊板的頂面比前一塊板高 18 英寸,則卷筒將被向上推 18 英寸。這可能會導致壓力快速峰值,因為閥門無法立即響應卷筒的移動。然而,對于一個2英寸的液壓缸,小型蓄能器只需吸收0.4立方英寸的油。這是少量的油,但可以可靠地保護壓力傳感器免受損壞。

      結論通過正確選擇、安裝和保護壓力傳感器,設計人員可以極大地提高許多需要快速響應壓力變化的液壓控制應用的可靠性和性能。

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