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        液壓控制設備和應用系統

        2020-11-30 15:25:37

        機械設備中的閉環控制系統對提高生產率和減少壽命周期費用至關重要。在需要精 確地施加壓力的液壓應用中,自動壓力監控是必不可少的。溢流閥可以保證系統壓力不會超過額定值,以防止危險情況的發生。但溢流閥不能控制壓力或力,而且它只限于活塞一側的溢流。使用壓力傳感器,就可以實現壓力或力的精 確控制。

         壓力傳感器在一些常見的設備如壓力機,注模機中,已經成功地應用多年了,而在其他新領域里也在不斷被開發應用。比方說,隨著對非破壞性試驗(NDT)中使用壓力傳感器的認知和理解,材料和生產測試系統已經發生了很大的變化和增長。

         應用基礎

        壓力傳感器一般是成對應用在壓力控制設備中,也就

        用兩個傳感器分別監測活塞兩側的壓力(見圖2-6-1)

        這時我們可以通過下面公式計算出作用力:

        Force=Ppe xApe-Poe xAoe

        其中,Ppe是活塞無桿腔的壓力;

        Ape是活塞無桿腔的受壓面積;

        Poe是活塞有桿腔的壓力;

        Aoe是活塞有桿腔的受壓面積;

        這個計算結果是忽略密封摩擦影響后的凈壓力值。

        反饋

        壓力傳感器中常見的的兩種反饋方式是電壓反饋和電流反饋。電壓反饋值的范圍般為0-5V或者0-10V,而電流反饋值的范圍一般為4-20mA當然也存在一些其他的電壓和電流范圍。電壓反饋壓力傳感器常用于實驗環境,因為該環境下沒有較強的電噪聲干擾并且不用接入較長的電纜。在工業環境下,使用輸出為4-20mA的電流型傳感器更為合適。因為電流反饋壓力傳感器比電壓反饋壓力傳感器的抗電噪聲干擾能力強。電流反饋壓力傳感器的另一大優勢是可以進行診斷。這就提供了一個判斷傳感器是否正常工作的指標。如果電壓反饋傳感器測得值是0V,它可能是一個真實的測量值,當然也可能是發生了斷路或者傳感器的電源沒有接通。相對而言,4-20mA的電流反饋傳感器通常被標定為4mA的電流輸出表示壓力為零,而20mA則表示最 高壓力(根據選擇的傳感器可以是比如3,000 或5,000psi即206.84或344.74bar).如果控制器從某一壓力傳感器接收到0mA的模擬號信號,就可以斷定有斷路發生或者傳感器的電源沒有接通。將模擬量壓力傳感器連接到運動控制器時,需要進行模擬量到數字量的A-D轉換。為了使連接通訊盡可能簡單,應當選用自帶A-D轉換模塊的液壓運動控制器,這樣傳感器的輸出信號可以直接連接到控制器的模擬量輸入端口。

        響應時間

        壓力傳感器無法對真實的模擬量做到瞬間響應,因為所測得的響應值總是落后于壓力或力的實際值。當測得壓力或力的數值比它們的實際值時間上滯后太多,控制器將得不到精 確的數據來進行系統控制。通常,測量壓力或力傳感器的響應的方法有三種。第1種是響應時間,它測量值從5%到95%的變化所需要的時間。這個響應時間應該短于控制器的掃描時間。測量響應的第2種方法是時間常數,它測量的是真值從0%到63%的變化所用的時間。三個時間常數的總和大約等同于真值的從5%到95%的變化時間,因此時間常數應該比控制器掃描時間的三分之一更短。測量響應的第三種方法是頻率響應。傳感器的頻率響應應該等于或高于控制器的掃描頻率。舉例如下,如果該控制器的掃描時間為1ms,壓力傳感器的響應時間應該小于1ms。如果傳感器的響應被指定為一個時間常數,則時間常數應該小于1ms的三分之一(如<0.333ms)。最 后,如果傳感器的響應被指定為頻率響應,那么頻率響應應該是一千赫茲或者更高。不同的傳感器響應時間標定,往往給比較傳感器的性能帶來挑戰。有些傳感器的響應時間是以時間常數定義的(一個時間常數約為達到滿額63%所需要的時間),此時應理解為通過使用傳感器連續測量3-5個時間常數,傳感器測得的壓力值與實際值之差應該在5%之內。如果響應時間是從滿額的5%上升到95%所用的時間定義的,那么這兩種傳感器大致相同。無論選用其中哪一種,如果使用ms級的控制器,應保證1ms之后響應誤差必須在5%以內。

        傳感器的安裝位置

        系統中壓力傳感器的安裝位置,是系統能否滿意運作的關鍵因素。壓力傳感器應安裝在盡可能靠近液壓缸需要監測壓力的地方。

        1.流體在空間較大的液壓缸內比在狹小的歧管塊中產生較少的紊流。紊流會產生“噪音”而影響傳感器的測量,可能讀出低于實際值的壓力值。為了便于理解,可以想象一下在草坪上用水管噴灑肥料時用文丘里管系統從低于噴嘴的容器里吸取肥料。肥料被吸到噴嘴是因為水流過文丘里管產生的負壓。與此類似,安裝在高流速區的壓力傳感器檢測的壓力值會偏低。伯努利方程也驗證了這一點。當然如果只關注靜止時液體的壓力,這一點就無關緊要。

        2.監測點到壓力傳感器的距離會引起延遲。壓力波在流體中以聲速傳播大概4.5ft/ms.如果壓力傳感器到測量點的距離為45ft,那么在液壓系統壓力變化被檢測到時將會有10ms的延遲。我們沒有必要去采購一個具有0.2ms響應時間的傳感器.而把它安裝在離測量點較遠的地方。

        3.隨著距離的增加,高頻率的流體壓力變化將趨于減弱的趨勢,所以一些出現在距壓力傳感器較遠地方的壓力峰值有不被檢測到的可能。壓力傳感器通常安裝在節流孔內的測壓點和傳感器之間。對于易產生壓力峰值的系統,這樣做可以保護傳感器,但它會降低控制響應的保真度。最 好的辦法是找到產生壓力峰值的原因并解決它們,而不是設法繞過。

        壓力傳感器的保護

        壓力傳感器受到極大壓力峰值沖擊時有可能被損壞。選擇的壓力傳感器應當可以承受比設備預期的壓力峰值更大的沖擊,但是壓力峰值往往會超出預期值。保護傳感器的一個好方法是在閥與活塞之間加入一個小的蓄能器。但通常這并不是個好的設計,因為蓄能器會降低控制系統的響應速度,并且會影響對壓力和力的控制。然而,如果蓄能器的預充壓力超過系統壓力,在正常運動或者壓力控制的過程中,蓄能器將不會吸入液壓油,這樣就不會降低系統的性能。而當壓力峰值出現時,也會被蓄能器吸收。蓄能器井不需要太大,因為通常只有幾立方英的液壓油需要被吸收。有的系統中帶有內置裝置來吸收壓力震蕩,實際上也是用了小氣囊式蓄能器。需要注意的是即使系統運轉良好,也可能會出現壓力峰值。比如,鋸木廠里的刨床在刨木板時,會采用液壓缸控制壓輥來壓住木板(如圖2-6-2所示)。壓輥按順序壓過每塊木板,但是木板的厚度通常都不同。如果一塊木板的頂層比前塊高1/8inch,那么壓輥就會被抬高1/8inch。由于液壓閥不能瞬間對壓輥的變化做出響應,這將迅速引起壓力峰值。然而,一個筒徑2inch,能夠吸收0.4cubicinch液壓油的蓄能器就可解決這個問題。它所吸收的液壓油量非常少,但卻能保護壓力傳感器不被損壞。

        結論

        對于許多需要對壓力變化快速響應的液壓控制設備和應用系統,設計者只需對壓力傳感器進行合理的選擇、安裝和保護,就能顯著提高其可靠性和系統性能。


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