REGULACIJSKIH POTNIH VENTILOV · UPORABLJENI SIMBOLI ... Ventili z batom omogočajo izravnavo...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Rok PAHIČ

METODE DOLOČANJA KARAKTERISTIK HIDRAVLIČNIH

REGULACIJSKIH POTNIH VENTILOV

Magistrsko delo

študijskega programa 2. stopnje

Strojništvo

Maribor, avgust 2016

METODE DOLOČANJA KARAKTERISTIK HIDRAVLIČNIH

REGULACIJSKIH POTNIH VENTILOV

Magistrsko delo

Študent: Rok PAHIČ

Študijski program 2. stopnje: Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: izr. prof. dr. Darko LOVREC

Somentor: doc. dr. Vito TIČ

Maribor, avgust 2016

Vložen original sklepa o potrjeni temi magistrskega dela

I Z J A V A Podpisani ______________________________, izjavljam, da:

je magistrsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

da je predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli

izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

da so rezultati korektno navedeni,

da nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

da soglašam z javno dostopnostjo magistrskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor,_____________________ Podpis: ________________________

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Darku Lovrecu in

somentorju doc. dr. Vitu Tiču za pomoč in vodenje pri

opravljanju magistrskega dela.

Posebna zahvala velja tudi staršem, ki so mi omogočili

študij.

METODE DOLOČANJA KARAKTERISTIK HIDRAVLIČNIH REGULACIJSKIH POTNIH VENTILOV

Ključne besede: Hidravlični regulacijski ventili, dinamične karakteristike, meritev

karakteristik hidravličnih ventilov

UDK: 621.646.2(043.2).

POVZETEK

V zaključnem delu je zasnovana in izdelana merilna naprava za preizkušanje dinamičnih

karakteristik hidravličnih regulacijskih potnih ventilov v skladu s standardom ISO 10770-

1:1998. Za ustrezno regulacijo hidravličnega sistema je potrebno poznati dinamične

karakteristike hidravličnih ventilov, ki se spreminjajo z obratovalnimi pogoji. Vpliv obratovalnih

pogojev je mogoče ovrednotiti z ustrezno merilno napravo dinamičnih karakteristik, ki mora

zagotavljati primerljivost meritev med sabo in z meritvami na drugih merilnih napravah, ki

upoštevajo standardni postopek. V zaključnem delu so predstavljene karakteristike hidravličnih

ventilov in standardni postopki meritev dinamičnih karakteristik hidravličnih ventilov. Opisana

je zasnova merilne naprave za merjenje dinamičnih karakteristik, njena fizična izvedba,

uporabljeni senzorji, ter zasnovan program Windows aplikacije in realno časovni program na

programabilnem logičnem krmilniku. Nazadnje so predstavljeni rezultati praktičnega

preizkusa merilne proge s testiranjem hidravličnega ventila in vpliv velikosti uporabljenega

hidravličnega akumulatorja na rezultate.

METHODS FOR DETERMINING THE PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF

HYDRAULIC DIRECTIONAL CONTROL VALVES

Key words: Hydraulic control valves, dynamic characteristics, measurement of

characteristics of hydraulic valves

UDK: 621.646.2(043.2).

ABSTRACT

In the thesis the measurement track for testing dynamic characteristics of hydraulic valves is

designed and constructed in accordance with ISO 10770-1: 1998.

For the regulation of the hydraulic system it is necessary to be familiar with the dynamic

characteristics of the hydraulic valves, which vary according to operating conditions. It is

possible to evaluate the effect of operating conditions by an appropriate measuring track for

dynamic characteristics, which should ensure the comparability of measurements among

themselves and with measurements of other measuring tracks as well, taking into account the

standard procedure. The thesis presents the characteristics of hydraulic valves and standard

procedures for the measurement of the dynamic characteristics of the hydraulic valves. There

are descriptions of the measuring track for measuring the dynamic characteristics, its physical

implementation, used sensors, and designed Windows applications and real-time program on

the programmable logic controller. The thesis ends with the results of the practical test of the

measuring track with the testing of the hydraulic valve and the effect of the used accumulator

size on the hydraulic results.

KAZALO

1 UVOD ........................................................................................................................ 1

2 HIDRAVLIČNI VENTILI IN NJIHOVA DELITEV ................................................................. 2

2.1 Potni ventili ................................................................................................................................ 3

2.2 Zvezno delujoči ventili ................................................................................................................ 6

3 KARAKTERISTIKE VENTILOV ........................................................................................ 9

3.1 Karakteristike zvezno delujočih potni ventilov ........................................................................ 11

4 METODE TESTIRANJA ZVEZNO DELUJOČIH POTNIH VENTILOV S ŠTIRIMI PRIKLJUČKI

ISO 10770-1:1998 ............................................................................................................ 14

4.1 Dinamični testi ......................................................................................................................... 16

5 ZASNOVA MERILNEGA SISTEMA IN UPORABLJENE KOMPONENTE PRI MERITVI

DINAMIČNIH KARAKTERISTIK........................................................................................... 20

5.1 WPF in Windows aplikacija merjenja karakteristik ventila ...................................................... 20

5.2 Sistem vodenja testne naprave in zajemanja podatkov .......................................................... 22

5.3 Zagotavljanje hidravlične moči na merilni progi ...................................................................... 27

5.4 Senzorji ..................................................................................................................................... 29

5.5 Hidravlični valj za merjenje pretoka pri dinamični karakteristiki ............................................. 35

6 MERILNA PROGA DINAMIČNIH KARAKTERISTIK ........................................................ 36

6.1 Mehanska zasnova ................................................................................................................... 36

6.2 Merjenje pretoka ..................................................................................................................... 38

6.3 Realno časovni del programske kode merilne naprave ........................................................... 39

6.4 Krmiljenje ventila ..................................................................................................................... 45

6.5 Windows program za uporabniški vmesnik merjenja karakteristik ventila ............................. 46

6.6 Regulacija povprečnega položaja bata ..................................................................................... 49

7 REZULTATI MERITEV................................................................................................. 52

7.1 Testirana ventila ....................................................................................................................... 52

7.2 Postopek meritve na merilni napravi ....................................................................................... 53

7.3 Vpliv hidravličnega akumulatorja na rezultate ........................................................................ 56

7.4 Padec tlaka na merilnem valju ................................................................................................. 59

7.5 Meritev pretočne karakteristike .............................................................................................. 60

7.6 Frekvenčna karakteristika ........................................................................................................ 62

7.7 Stopničasti odziv ...................................................................................................................... 66

8 DISKUSIJA ................................................................................................................ 69

9 SKLEP ....................................................................................................................... 72

10 LITERATURA ............................................................................................................. 73

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Vrste sedežnih ventilov [7] ....................................................................................... 3

Slika 2.2: Vrtljivi potni ventil [2] ............................................................................................... 3

Slika 2.3: 4/3 potni ventil [4] ...................................................................................................... 4

Slika 2.4: Vrste prekritij pri ventilih z drsnikom [4] ................................................................. 5

Slika 2.5: Proporcionalni ventil z merilnikom pomika [2] ......................................................... 7

Slika 2.6: Dvostopenjski servoventil :[2] ................................................................................... 8

Slika 3.1: p-Q karakteristika [6] ............................................................................................ 10

Slika 3.2: Pretočna karakteristika proporcionalnega ventila [10]............................................. 11

Slika 3.3: Primer frekvenčne karakteristika proporcionalnega potnega ventila [11] ............... 13

Slika 4.1: Bodejev diagram pri različnih amplitudah vhodnega signala [1] ............................ 17

Slika 4.2: Meritev stopničastega odziva [1] ............................................................................. 18

Slika 5.1: Osnovni meni merjenja karakteristik potnih ventilov .............................................. 21

Slika 5.2: Meni ročnega vodenja ventila .................................................................................. 22

Slika 5.3: Meni nastavljanja podatkov testiranega ventila ....................................................... 22

Slika 5.4: Opravila PLK programa in predpisana jedra............................................................ 24

Slika 5.5: Vmesnik EK1100 z vhodno/izhodnimi moduli ........................................................ 26

Slika 5.6: Wago Jumplex 857 bipolarni izolacijski ojačevalnik [12] ....................................... 26

Slika 5.7: Priključno mesto merilne proge ............................................................................... 27

Slika 5.8: Hidravlični agregat ................................................................................................... 28

Slika 5.9: Nivojsko-temperaturni senzor ENS 3000 ................................................................ 29

Slika 5.10: Uporabljena tlačna senzorja Rexroth HM 12 10/315 (spodaj) in Rexroth HM 15

10/315 (zgoraj) ......................................................................................................................... 30

Slika 5.11: ACT LVDT senzorji [9] ......................................................................................... 31

Slika 5.12 AD598 funkcijski diagram [15] .............................................................................. 32

Slika 5.13: Vezalna shema čipa AD598 [15] ........................................................................... 33

Slika 5.14: Izdelano vezje ojačevalnika v ohišju ...................................................................... 34

Slika 5.15: Merilni valj v prerezu [3] ....................................................................................... 35

Slika 6.2: Hidravlična shema .................................................................................................... 36

Slika 6.1: Fizična izvedba merilne proge dinamičnih karakteristik ......................................... 37

Slika 6.3: Bode-jev diagram funkcijskega bloka odvajanja z ustrezno izbranimi koeficienti za

frekvenci 1 Hz in 10 Hz ............................................................................................................ 42

Slika 6.4: Vpliv koeficienta dušenja na stopničasti odziv (moder-nedušen, rdeč: Ts=10 ms,

rumen: Ts=100 ms) ................................................................................................................... 44

Slika 6.5: Okno merjenja frekvenčne karakteristike ................................................................ 48

Slika 6.6: Okno merjenja stopničastega odziva ........................................................................ 49

Slika 6.7: Meritev periode nihanja za Ziegler-Nichols metodo................................................ 50

Slika 6.8: Regulacija povprečnega položaja bata pri spremembi frekvence iz 1 Hz na 2 Hz in

75 % amplitudi ......................................................................................................................... 51

Slika 7.1: 4/3 potni proporcionalni ventil KVP-4/3-5-KO-6-1-10 [13] ................................... 52

Slika 7.2: 4WRPH6 v prerezu [14] ........................................................................................... 53

Slika 7.3: Shranjena slika grafa faznega zamika ...................................................................... 55

Slika 7.4: Nihanje napajalnega tlaka in tlačne razlika na ventilu ob uporabi različnih

hidravličnih akumulatorjev ....................................................................................................... 57

Slika 7.5: Vpliv uporabljenega hidravličnega akumulatorja na amplitudno ojačenje .............. 58

Slika 7.6: Vpliv uporabljenega hidravličnega akumulatorja na fazni zamik ............................ 59

Slika 7.7: Nihanje padca tlaka na merilnem valju .................................................................... 60

Slika 7.8: Statična karakteristika regulacijskega proporcionalnega ventila ............................. 61

Slika 7.9: Izmerjena statična karakteristika navadnega proporcionalnega ventila brez

eliminacije ničelnega področja ................................................................................................. 61

Slika 7.10: Izmerjena statična karakteristika navadnega proporcionalnega ventila z eliminacijo

ničelnega področja .................................................................................................................... 62

Slika 7.11: Amplitudno ojačenje za regulacijski ventil ............................................................ 63

Slika 7.12: Fazni zamik regulacijskega ventila ........................................................................ 63

Slika 7.13: Zeleni krmilni signal in rdeči signal pretoka skozi proporcionalni ventil pri

eliminaciji ničelnega področja na 230 mA ............................................................................... 64

Slika 7.14: Amplitudna karakteristika regulacijskega in proporcionalnega tokovno vodenega

ventila ....................................................................................................................................... 65

Slika 7.15: Fazna karakteristika regulacijskega in proporcionalnega tokovno vodenega ventila

.................................................................................................................................................. 66

Slika 7.16: Stopničasti odziv navadnega proporcionalnega ventila najprej z dušenjem 100 ms

.................................................................................................................................................. 67

Slika 7.17: Meritev stopničastega odziva regulacijskega ventila ............................................. 68

KAZALO PREGLEDNIC

Tabela 1: Zahtevani pogoji testiranja [1] ................................................................................. 15

Tabela 2: Razredi meritev glede na dovoljeno sistematsko napako [1] .................................. 15

Tabela 3: Priporočene vrednosti vhodnega signala med testiranjem [1] .................................. 17

Tabela 4: Priporočene vrednosti vhodnega signala med testiranjem [1] .................................. 19

UPORABLJENI SIMBOLI

𝑓𝑣𝑧𝑏𝑢𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎 - frekvenca vzbujanja primarne tuljave

𝑉𝑣𝑧𝑏𝑢𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎 - napetost vzbujanja primarne tuljave

𝑉𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑛𝑎 - napetost na sekundarni tuljavi

𝑉𝑇𝑅 - prestava transformatorja v skrajni merilni legi

𝐶1, 𝐶2, 𝐶3, 𝐶4 - kapacitivnosti kondenzatorjev

𝑓𝑝𝑎𝑠𝑜𝑣𝑛𝑒 š𝑖𝑟𝑖𝑛𝑒 - frekvenca pasovne širine

𝑆 - občutljivost senzorja

𝑉𝐴 - napetost na navitju A

𝑉𝐵 - napetost na navitju B

𝑑𝑚𝑎𝑥 - maksimalen pomik jedra

𝑅2, 𝑅5, 𝑅6 - električni upori

V̇ - volumski pretok

�̇�𝑚𝑎𝑥 - maksimalen volumski pretok

t - čas

𝜔 - kotna hitrost

A - presek valja

x - pomik bata

�̇� - hitrost pomika bata

𝑉 - volumen hidravlične tekočine v valju

𝑑 - premer valja

𝑓 - frekvenca

∆𝑥 - hod bata

𝑇𝑆 - koeficient odvajanja

𝑇𝐷 - koeficient dušenja

𝐺(𝑠) - prenosna funkcija diferenciatorja

UPORABLJENE KRATICE

ISO International Organisation for Standardization

LVDT Linear variable differential transformer

PLK Programabilni logični krmilnik

WPF Windows Presentation Foundation

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo

1 UVOD

Hidravlični regulacijski potni ventili so hidravlični elementi za regulacijo smeri toka in pretoka

v hidravličnem sistemu. S svojimi lastnostmi in karakteristikami močno vplivajo na obnašanje

celotnega hidravličnega sistema. Na karakteristike delovanja ventila najbolj vpliva njihova

konstrukcija, vendar pa so karakteristike odvisne tudi od uporabljene hidravlične tekočine, ki z

različnimi lastnostmi viskoznosti, stisljivosti in gostote spremenijo karakteristike ventila.

V Laboratoriju za oljno hidravliko Fakultete za Strojništvo Univerze v Mariboru preizkušajo

tudi različne hidravlične tekočine, ki različno vplivajo na dinamične in tribološke karakteristike

hidravličnih ventilov. S testno napravo za merjenje dinamičnih karakteristik potnih

regulacijskih ventilov je na osnovi standardiziranih postopkov možno pridobiti informacije o

dinamičnih lastnostih posameznega ventila določenega proizvajalca v kombinaciji z določeno

hidravlično tekočino. Ob kasnejši ponovitveni meritvi istega ventila pa lahko sklepamo o

njegovi iztrošenosti in poslabšanju karakteristik.

Namen magistrskega dela je preučiti metode testiranj, zasnovati merilno mesto in izvesti

postopek za določanje karakteristik hidravličnih regulacijskih potnih ventilov.

Magistrsko delo obsega prestavitev različnih vrst hidravličnih ventilov ter karakteristik

diskretno in zvezno delujočih ventilov. Predstavljene so metode in testi karakteristik ventilov

in standardi s tega področja. V nadaljevanju je predstavljena zasnova mehanskega dela

preizkuševališča ter ustrezna oprema za zajem in obdelavo merilnih podatkov. Opisan je način

delovanja programske opreme merilne proge in postopek testiranja. Metoda testiranja je na

koncu predstavljena še s praktičnim primerom izvedbe preizkusa.

2 HIDRAVLIČNI VENTILI IN NJIHOVA DELITEV

Ventil je element hidravličnega sistema, ki krmili oziroma regulira tok, tlak in pretok

hidravlične tekočine. Pri toku krmili smer ter začetek oziroma konec toka. Konstrukcijsko je

ventil v osnovi sestavljen iz ohišja s priključki in kanali ter gibljivega elementa v ohišju.

Hidravlične ventile lahko delimo glede na število delovnih priključkov, število krmilnih stanj,

način delovanja, konstrukcijo ventila, glede na način proženja, in na nalogo, ki jo opravljajo.

Število delovnih priključkov pove koliko hidravličnih vodov je priključenih na ventil, oziroma

koliko »poten« je. Ti delovni priključki so v posameznem krmilnem stanju ventila povezani

med seboj na različne načine. S tem je določeno število različnih krmilnih stanj. Obstajata dva

načina delovanja ventilov: ventil se lahko zaseda samo diskretna krmilna stanja ali pa se med

njimi pomika zvezno in zaseda tudi vmesna stanja. Po konstrukciji se delijo ventili na sedežne

in ventile z batnim drsnikom. Ventili z batom omogočajo izravnavo statičnih tlačnih sil, tako

na drsnik delujejo samo sile zaradi pretoka. Imajo pa slabosti kot so puščanje, erozija krmilnih

robov in občutljivost na nečistoče. Sedežni ventili obstajajo v treh izvedbah (Slika 2.1) in sicer

kot konični, kroglični in diskasti. Prednost konstrukcijske izvedbe sedežnih ventilov je ta, da

hermetično tesnijo in tako ne dopuščajo puščanja in so neobčutljivi na umazanijo. Njihova

slabost pa so neizravnane statične sile, ki se izravnavajo pri batni konstrukcijski izvedbi.

Proženje v ventilu skrbi za premik gibljivega dela ventila v želeno krmilno stanje in jo je

mogoče izvesti z različnimi principi. Ventil je mogoče aktivirati ročno, mehansko, tlačno

hidravlično ali pnevmatsko, posredno elektro hidravlično, z uporabo povratne vzmeti in

električno. Ventile delimo glede na nalogo, ki jo opravljajo, torej na potne, tlačne, tokovne in

zaporne ventile.

Slika 2.1: Vrste sedežnih ventilov [7]

2.1 Potni ventili

Potni ventili spreminjajo pot pretoka hidravlične tekočine. Obstajajo potni ventili z različnim

številom delovnih priključkov in različnim številom krmilnih stanj. Oba parametra podaja

oznaka potnega ventila. Prvo število oznake pove število delovnih priključkov, drugo pa število

krmilnih stanj. Pri simbolu potnega ventila so oznake še za različne načine proženja in način

delovanja. Vgradnja je možna na tri načine. Kot cevna vgradnja direktno na hidravlične vode,

vgradnja na standardizirane priključne plošče in vgradnja v bloke. Pri priključnih ploščah sta

standardizirani dve velikostni skupini, manjše priključne plošče za direktno vodene krmiljene

ventile in skupina večjih velikosti standardiziranih plošč za posredno krmiljene ventile. Potni

ventili obstajajo v treh konstrukcijskih izvedbah, zraven sedežne in batno drsniške izvedbe

delujejo tudi z vrtljivim drsnikom (Slika 2.2). Pri izvedbi z vrtljivim drsnikom so priključni

kanali v ohišju in povezovalni znotraj vrtljivega drsnika. Ob vrtenju posamezni povezovalni

kanali v drsniku povezujejo priključne kanale na ohišju.

Slika 2.2: Vrtljivi potni ventil [2]

Najpogostejša je izvedba potnih ventilov z vodoravnim batnim drsnikom. Ti potni ventili imajo

v večini primerov dve ali tri krmilna stanja. Pri dveh krmilnih stanjih se lahko za prehod med

njima v obe strani uporabi proženje, obstaja pa možnost uporabe vzmeti, kjer aktuator zagotovi

zunanjo silo za krčenje vzmeti in prehod v drugo krmilno stanje, ob prekinitvi delovanja sile pa

vzmet povrne ventil v prvo krmilno stanje. Podobno je pri ventilu s tremi krmilnimi stanji, kjer

sta na vsaki strani centrirni vzmeti (Slika 2.3), ki držita drsnik v tako imenovanem mirovnem

položaju. Za prehod v levo ali desno krmilno stanje pa je potreben zunanji aktuator, ki premaga

silo centrirne vzmeti.

Slika 2.3: 4/3 potni ventil [4]

Na lastnosti potnih ventilov z batnim drsnikom vpliva nekaj pomembnih konstrukcijskih

značilnosti. Ventil notranje tesni z režo med drsnikom in ohišjem. Učinkovitost tesnjenja je

odvisna od geometrije rež, razlike tlakov med komorami in viskoznosti tekočine. Pri geometriji

so pomembni ohlapnost in ekscentričnost med drsnikom in ohišjem, ter dolžina prekritja.

Prekritje (Slika 2.4) je dolžina tesnilne reže med komorami ventila. Pri ohlapnosti se išče

kompromis med stroški izdelave, tesnostjo, ter občutljivostjo na nečistoče. Pri dolžini prekritja

večje prekritje sicer poveča tesnost, nezaželeno pa podaljša velikost enote in poti preklapljanja.

Prekritje pri mirovanju opravlja nalogo tesnjenja med komorami in zmanjšuje tok puščanja

linearno z večanjem dolžine prekritja. Izvedba prekritja pomembno vpliva tudi na preklop med

krmilnima položajema. Pri pozitivnem prekritju se zapre priključek še preden se odpre nov, kar

prepreči padec tlaka na porabniku, vendar pa v hidravličnem sistemu povzroči tlačno konico.

Za preprečevanje konic se lahko uporabi posnetje robov ali dušilne zareze na robovih drsnikov

za mehkejši preklop. Negativno prekritje za kratek čas med preklopom poveže vse priključke,

kar prepreči tlačne konice in pomeni mehak preklop, vendar povzroči padec tlaka na porabniku

in posedanje bremena. Ničelno prekritje omogoča hiter odziv ventila, vendar pa mora biti drsnik

natančno pozicioniran med delovanjem. Tako se to prekritje v glavnem uporablja pri zvezno

delujočih ventilih z regulacijo, kot so regulacijski proporcionalni ventili in servoventili. Na

drsniku se, zraven aksialnih sil, pojavijo tudi nesimetrične radialne tlačne sile, ki lahko

povzročijo zatikanje drsnika. Zmanjšuje se jih s simetrično namestitvijo komor ventila in utori

na obodu drsnika.

Slika 2.4: Vrste prekritij pri ventilih z drsnikom [4]

Pozitivno prekritje Negativno prekritje Ničelno prekritje

2.2 Zvezno delujoči ventili

Navadni, npr. potni ventili omogočajo le preklop v oba skrajna oz. končna krmilna položaja,

(diskretna položaja) preklop med njima pa je sunkovit – zato jih imenujemo tudi diskretni oz.

preklopni potni ventili. To sunkovito preklapljanje med krmilnimi položaji pri teh navadnih

ventilih povzroča sunkovite spremembe toka tekočine in tlaka, kar se prenese na delovanje

hidravličnih aktuatorjev. Za nastavljanje hitrosti v eni ali drugi smeri giba bata, je pri navadnih

ventilih potrebno imeti dograjene različne tokovne ventile (npr. najpreprostejše dušilke) v

kombinaciji s preklopnimi potnimi ventili, katere preklaplja program. To ima za posledico večjo

število elementov, obširnejše krmilje in ne tudi odpravi sunkov preklopov med tokovnimi

ventili.

Zvezno delujoči ventili omogočajo nastavljanje vsakega krmilnega položaja, in s tem zvezno

krmiljenje pretoka ali tlaka. Izhodna veličina ventila se spreminja proporcionalno z vhodnim

signalom za krmiljenje ventila. Vhodni signali so lahko pnevmatični, hidravlični ali električni.

Slednji so zaradi primernosti krmiljenja tudi najbolj pogosti. Kot pretvorba med električnim

signalom in premikom ventila se uporabljajo različni elektromehanski pretvorniki kot so

potopna tuljava, momenti motor, linearni motor in proporcionalni magnet.

Proporcionalni ventili zagotavljajo proporcionalno razmerje med izhodno veličino ventila in

vhodnim signalom. Premikanje drsnika v ventilih se najpogosteje dosega s proporcionalnimi

magneti, ki e jih krmilimo s tokovnim električnim signalom. Regulacijski proporcionalni ventili

imajo dograjen merilnik položaja drsnika, tako lahko preko povratne zanke regulirajo želeno

vrednost. Proporcionalni magneti se delijo na dve vrsti, na magnete z reguliranim gibom in

magnete z regulirano silo. Kot že ime pove, pri magnetih z reguliranim gibom regulacija

zagotavlja nastavljen pomik kotve ne glede na silo. Pri regulirani sili pa nastavljeno silo ne

glede na pomik kotve.

Glede na nalogo, ki jo opravljajo: vpliv na hidravlično veličino, delimo proporcionalne ventile

na proporcionalne tlačne, tokovne in potne ventili. Proporcionalni tlačni ventili omogočajo

zvezno nastavljanje tlaka in so izvedeni v prekrmiljeni izvedbi. Proporcionalni potni ventili,

zraven krmiljenja poti, zaradi zveznosti spremenjenja omogočajo še krmiljenje pretoka. Ker je

pri njihovi uporabi, pri mirovanju večkrat zahtevano držanje bremena, so izdelani z majhnim

pozitivnim prekritjem, ki nekoliko pokvari proporcionalnost pri prehodu iz mirovne lege,

vendar pa kompenzira morebitne minimalne napake v položaju drsnika. Pri reguliranih

proporcionalnih potnih ventilih (Slika 2.5) se uporablja regulacija po pomiku, kar zaradi

natančnega položaja drsnika v mirovni legi, pri držanju bremena, omogoča izvedbo z ničelnim

prekritjem. Proporcionalni regulacijski potni ventil je lahko enostopenjski ali dvostopenjski. Za

meritev položaja drsnika pri regulaciji pa se uporabljajo diferencialni transformatorji (LVDT)

ali induktivni merilniki s pritrjeno kotvo na drsnik.

Slika 2.5: Proporcionalni ventil z merilnikom pomika [2]

Servoventili so zvezno delujoči potni ventili, ki krmilijo zelo velike hidravlične moči s šibkim

električnim signalom. Uporabljajo se v reguliranih servohidravličnih sistemih. Sestavljeni so iz

električnega pretvornika in hidravličnega dela. Električni pretvornik je lahko momentni motor

z odbojno ploščo ali s premično šobo, enosmerni motor, ter tudi proporcionalni magnet.

Električni pretvornik krmili hidravlični del ventila neposredno ali posredno (Slika 2.6). Pri

posrednem krmiljenju je z vgrajenim javljalnikom položaja ventila mogoča njegova natančna

regulacija.

Slika 2.6: Dvostopenjski servoventil :[2]

3 KARAKTERISTIKE VENTILOV

Za pravilno izbiro ventila je potrebno čim bolje poznati njegove lastnosti. Namen njegove

uporabe, konstrukcijska izvedba, število priključkov, način montaže in material izdelave s

površinsko zaščito že definira področja uporabe ventila. Vendar je za optimalno izbiro potrebno

poznati specifične karakteristike. Karakteristike ventilov so lahko v dveh oblikah. Kot številčna

vrednost podajajo mejne vrednosti in razvrščajo ventile v velikostne razrede, v obliki grafa pa

podajajo odvisnost med dvema veličinama na ventilu ob konstantnih pogojih.

Primernost hidravlične tekočine je definirana s skrajnimi in delovnimi mejami njene

viskoznosti. Prav tako je podana zahtevana čistoča hidravlične tekočine. Skrajni temperaturni

meji delovanja ventila se lahko zožita prav zaradi uporabljene hidravlične tekočine, saj lahko

pri določenih temperaturah znotraj podanih temperaturnih mej ventila, hidravlična tekočina

dosega viskoznosti izven definiranega področja. Nominalni tlak ventila pomeni maksimalen

statični tlak pri obratovanju za katerega je bil ventil konstruiran. Maksimalni pretok pa podaja

zgornjo mejo pretoka skozi ventil. Maksimalen pretok se lahko z večanjem tlačnega padca na

ventilu zmanjšuje. Velike tlačne in pretočne sile lahko upočasnijo ali celo popolnoma

onemogočijo gibanje drsnika. Brezhibno krmiljenje je zagotovljeno znotraj območja pretoka in

padcev tlaka, ki ga omejuje meja omejevanja moči. Graf puščanja prikaže pretok puščanja v

odvisnosti od tlačne razlike na ventilu in vrednoti kvaliteto tesnjenja ventila. Lahko se nanaša

na celoten ventil ali posamezen krmilni rob.

Karakteristična krivulja padca tlaka v odvisnosti od pretoka, prikazuje tlačne izgube na ventilu

pri posameznih pretokih. Karakteristika se lahko nanaša na posamezen krmilni rob, kjer se meri

tlačna razlika med dvema povezanima priključkoma, ali se pa nanaša na celoten ventil, v tem

primeru se meri tlačni padec med tlakom na tlačnem in povratnem vodu. Primer takšne p-Q

karakteristike, ki podaja padce tlaka v odvisnosti od velikosti pretoka in pretočne smeri v

ventilu, prikazuje slika 3.1

Slika 3.1: p-Q karakteristika [6]

Za zagotavljanje zamenljivosti ventilov različnih proizvajalcev so pozicije in velikosti

priključnih kanalov na priključnih ploščah za ventile standardizirane. Glede na standardizirano

montažno velikost obstaja 7 razredov oz. nazivnih veličin NG (nem.: Nenn Groesse). Razredi

NG4, NG6, NG8 in NG10 so namenjeni neposredno proženim ventilom, NG16, NG25 in NG32

pa posredno proženim ventil. Ker z naraščajočim razredom raste velikost priključnih kanalov

in prostor med njimi, omogočajo potem takem višje nazivne velikosti ventilov večje

zmogljivostnimi. Tako je posreden indikator zmogljivosti ventila in njegovih karakteristik tudi

velikostni razred montaže.

Za elektromehansko pretvorbo iz električnega signala v premik drsnika morata biti usklajena

generator signala in tuljave. Zato je potrebno poznati tuljavno upornost in induktivnost, ter za

pravilno delovanje ventila tudi njeno polarnost, ki določa smer priklopa tuljave.

Pri ventilih z diskretnimi stanji je dinamika njihovega delovanja ovrednotena predvsem s časom

preklopa iz enega stanja v drugega. Pri zvezno delujočih ventilih pa so dinamične karakteristike

kompleksnejše – te bodo opisane v naslednjem poglavju.

3.1 Karakteristike zvezno delujočih potni ventilov

Zvezno delujoči ventili izhajajo iz navadnih diskretnih ventilov. Tako imajo zraven osnovnih

karakteristik še karakteristike, ki se nanašajo na njihovo zvezno delovanje. Nekatere osnovne

karakteristike se jim spreminjajo v odvisnosti od položaja drsnika v ventilu. Ena od

najpomembnejših karakteristik zvezno delujočega ventila je pretočna oz. tokovna

karakteristika, ki podaja pretok skozi ventil v odvisnosti od relativne odprtosti ventila, oziroma

kontrolnega električnega toka. Pretočna karakteristika se nanaša na statične razmere,

konstanten padec tlaka na ventilu in določeno viskoznost hidravlične tekočine.

Slika 3.2: Pretočna karakteristika proporcionalnega ventila [10]73

Idealna pretočna karakteristika je (zaželena) popolnoma proporcionalna odvisnost pretoka

tekočine skozi ventil od krmilnega električnega toka. Vendar pa v realnosti prihaja do nekaterih

odstopanj. Odzivni prag ali resolucija signala je minimalno potrebna sprememba krmilnega

toka, da se spremeni pretok skozi ventil. Ko želimo obrniti smer gibanja drsnika v ventilu, se

kljub spremembi vhodnega signala, pretok do določene meje spremembe vhodnega signala ne

spremeni. To povratno območje je razlika v vrednosti vhodnega signala, ki še ne spremeni

pretoka pri spremembi smeri. Iz tega je razvidno, da se drsnik giblje v vsaki smeri po svoji

karakteristiki. Največja razlika med signaloma, ki sta v različnih smereh gibanja zagotavljala

enak položaj drsnika se imenuje histereza. Regulacija položaja drsnika občutno zmanjša

histerezo, je pa ne odpravi popolnoma.

Linearnost karakteristike podaja, kako dobro se realna karakteristika približa idealni,

proporcionalni. Mrtva cona ventila se pojavi v okolici nevtralne lege, kljub krmilnemu signalu,

ki premakne drsnik iz mirovne lege, ventil pa zaradi svojega prekritja še ne prepušča tekočine.

Velikost mrtve cone je neposredno odvisna od velikosti prekritja. Lahko se tudi pojavi

nesimetričnost med karakteristikami pri odmiku iz mirovnega položaja v eno ali drugo skrajno

Koeficient pretoka je odvod odvisnosti pretoka od vhodnega signala. Podaja razmerje med

spremembo vhodnega signala in spremembo izhodnega pretoka. Pri proporcionalnih ventilih je

koeficient pretoka po večini delovnega območja konstanten, odstopanja se pojavijo okoli

središčne lege zaradi prekritij ventila in v skrajnih legah.

Koeficientu pretoka je podoben tudi tlačni koeficient, le da se nanaša na tlačno karakteristiko –

spreminjanje tlaka v odvisnosti od signala. Tlačno karakteristiko izmerimo z zaprtimi

delovnimi priključki na katerih se meri tlak. Razlika tlakov med priključkoma, v odvisnosti od

signala, je rezultat meritve. Največja razlika tlakov je vrednost padca tlaka med povratnim in

napajalnim vodom. Ta vrednost se doseže že pri majhnih odmikih drsnika iz mirovne lege, ko

drsnik med sabo loči posamezne komore ventila in je en deloven priključek odprt napajalnemu

tlaku, drugi delovni priključek pa preko povratnega priključka povezan na povratni tlak. Na

tlačno karakteristiko v odvisnosti od pomika močno vpliva prekritje, ki določa pri kakšen

signalu so komore zadosti priprte, da se med njimi ustvari tlačna razlika. Tlačna karakteristika

nastane samo pri negativnih ali ničelnih prekritjih. Tlačni koeficient, ki pove spremembo tlaka

v odvisnosti od signala, je v okolici mirovnega področja konstanten, pri določeni vrednosti

signala, ko doseže tlačna razlika maksimalno pa postane nič.

Pri zvezno delujočih ventilih so zraven statičnih karakteristik pomembne tudi dinamične

karakteristike. Ker ni samo pomembno, da izhodni pretok natančno sledi vhodnemu signalu,

temveč tudi, da se mu prilagaja dovolj hitro. V dinamičnih karakteristikah je zajet vpliv časa,

kar pomeni, da razmere na ventilu niso odvisne samo od sprememb vhodnega signala, temveč

tudi od hitrosti te spremembe. Hitrost sledenja spremembi se lahko predstavi z dvema

značilnima in med sabo povezanima dinamičnima karakteristikama.

Prva pomembna karakteristika je stopničasti oz. skočni odziv (oz. stopnični, oz. skočni), graf v

iz katerega je razvidna stopničasta sprememba vhodnega signala in časovni odziv izhodnega

signala. V grafu je mogoče izmeriti odzivni čas, ki pove v kakšnem času se pretok odzove na

skočno spremembo vhodnega signala. Večja kot je sprememba vhodnega signala, daljši je

odzivni čas. Stopniščna odziva pozitivne stopničaste spremembe (povečanje signala) in

negativne spremembe (zmanjšanje signala), se lahko med seboj razlikujeta.

Druga pomembna karakteristika je frekvenčna karakteristika. Ta je predstavljena v

frekvenčnem prostoru, kjer na abscisi ni podan čas temveč frekvenca spreminjanja vhodnega

signala. Frekvenčno karakteristiko se določi s sinusnim spreminjanjem vhodnega signala. Za

posamezno frekvenco sinusnega spreminjanja vhodnega signala se izmeri fazni zamik z ozirom

na sinusni odziv izhoda ventila. Prav tako ugotovi razmerje med amplitudama obeh sinusov.

Rezultate prikažemo v frekvenčnem grafu – frekvenčni karakteristiki, najpogosteje v obliki

Bode-jevega diagrama. Z večanju frekvence vhodnega signala izhod ne more slediti neomejeno,

temveč začne zaostajati za vhodom, kar poveča fazni zamik in zmanjša amplitudo. Za

primerjavo med karakteristikami ventilov je definirana kritična frekvenca, ki se v bistvu nanaša

na dve točki v diagramu. Prva točka kritične frekvence se nanaša na amplitudno karakteristiko

v Bode-jevem diagramu, in sicer na padec amplitudnega odziva za 70.7 % oziroma - 3 dB.

Druga točka kritične frekvence pa se nanaša na fazno karakteristiko v Bode-jevem diagramu,

na zaostajanje izhodnega signala za vhodnim za 90°. Potrebno je omeniti, da je frekvenčna

karakteristika ventila odvisna od izbire amplitude vhodnega signala. Primer frekvenčne

karakteristike v obliki Bode-jevega diagrama, kot jo običajno podajajo proizvajalci, prikazuje

slika 3.3.

Slika 3.3: Primer frekvenčne karakteristika proporcionalnega potnega ventila [11]

4 METODE TESTIRANJA ZVEZNO DELUJOČIH POTNIH

VENTILOV S ŠTIRIMI PRIKLJUČKI ISO 10770-1:1998

Za primerjanje karakteristik hidravlične opreme med proizvajalci in vrednotenje spreminjanja

karakteristik skozi življenjsko dobo ventila, morajo biti karakteristike med sabo primerljive.

Primerljivost karakteristik se zagotavlja s standardiziranimi testi in standardiziranim prikazom

rezultatov.

Pri mednarodni organizaciji za standardizacijo – ISO, ureja področje hidravličnih močnostnih

sistemov tehnični komite 131 (ISO/TC 131). Pod njihovo okrilje spada standardizacija na

področju hidravličnih sistemov in komponent, terminologije, konstrukcije, standardnih mer,

varnostnih predpisov, ter metod testiranja in inšpekcije. Znotraj tehničnega komiteja je več

sekretariatov, med katerimi se osmi (SC 8) ukvarja s testiranjem produktov. Testiranje

produktov je definirano z več standardi. Na električno modulirane hidravlične krmilne ventile

se nanaša standard ISO 10770, ki je sestavljen iz treh delov. Prvi del se nanaša na testiranje

potnih ventilov s štirimi priključki, drugi del na testiranje ventilov s tremi priključki in tretji del

na ventile za kontrolo tlaka.

Standard razdeli preizkuse v tri poglavja, na električne teste, teste zmogljivosti, ki se delijo na

dinamične in statične, ter test s tlačnimi impulzi. Pri vseh preizkusih je potrebno upoštevati

vodila standarda. Ventili z dajalnikom položaja drsnika morajo biti pred testi centrirani na

ničelno pozicijo. Med testiranjem se naj signal, pri spreminjanju, premika naprej samo v eno

smer in nato samo v drugo, da na rezultate ne vpliva histereza ventila. Pri statičnih testih je

potrebno ustrezno izključiti dinamične vplive. Za primerljivost rezultatov morajo vsi testi

potekati pri enakih pogojih. Standard podaja vrednosti testnih pogojev in območja v katerih

lahko odstopajo (Tabela 1). Glede na natančnost merjenja veličine v procentih, razdeli standard

meritve v tri razrede (Tabela 2).

Tabela 1: Zahtevani pogoji testiranja [1]

Temperatura okolice (20 ±5) °C

Filtracija V skladu z ISO 4406

Hidravlična tekočina Komercialna mineralna hidravlična olja (ISO

6743-4) ali druge hidravlične tekočine primerne

ventilu.

Temperatura

hidravlične tekočine

(40 ±6) °C na pritoku v ventil

Viskoznostni razred VG 32 (ISO 3448)

Tlak V skladu s trenutnim testom ± 2,5 %

Povratni tlak V skladu s priporočili proizvajalc.

V primeru uporabe drugih hidravličnih tekočin je te potrebno navesti

zraven rezultatov in tudi podati njihov razred viskoznosti.

Tabela 2: Razredi meritev glede na dovoljeno sistematsko napako [1]

Merjena veličina Razred meritve

Vhodni signal, električni tok ± 0,5 ± 1,5 ± 2,5

Pretok ± 0,5 ± 1,5 ± 2,5

Tlak ± 0,5 ± 1,5 ± 2,5

Temperatura ± 0,5 ± 1,0 ± 2,0

4.1 Dinamični testi

Pri dinamičnih testih je potrebno zagotavljati konstanten tlak na tlačnem vodu, manjšo izmed

vrednosti nazivnega tlaka ali 100 bar. Izhodni signal je mogoče pridobiti z različnimi metodami.

Pri prvi metodi se uporabi aktuator z majhnim trenjem in vztrajnostjo na katerega je pritrjen

merilnik hitrosti. Padec tlaka na aktuatorju mora biti manjši od 3 bar in njegova lastna frekvenca

mora biti vsaj trikrat večja od najvišje testne. Pri drugi metodi, se lahko za izhodni signal, pri

regulacijskih ventilih, uporabi že vgrajen dajalnik položaja ali se kot tretja možnost prigradi

dajalnik položaja drsnika ventilom, ki ga nimajo. Vse tri metode ne dajejo enakih rezultatov,

zato je potrebno pri rezultatih obvezno navesti mesto merjenja izhodnega signala.

Frekvenčna karakteristika

Vhodni signal je sinusna funkcija z ali brez enosmerne komponente. Izvesti je potrebno več

testov z različnimi frekvencami in amplitudami vhodnega signala. Med testom merimo

amplitudno ojačenje in kot faznega zaostanka za posamezno frekvenco, kar omogoča

konstrukcijo Bode-jevega diagrama (Slika 4.1). Najmanjša testna frekvenca je manjša vrednost

med 5 Hz in 5 % frekvence, ki povzroči fazne zaostanke 90°. Področje izbire frekvenc mora v

amplitudni karakteristiki pokriti območje 15 dB in frekvence faznega zaostanka 45°, 90° in

višje.

Glede na prekritje je potrebno izbrati ustrezno obliko vhodnega signala. V osnovi je vhodni

signal čisti sinusni signal, ki premika drsnik okoli ničle tako, da je povprečni pretok skozi ventil

enak nič. To omogoča tudi uporabo aktuatorja za meritev izhodnega signala. Amplituda

vhodnega signala mora biti izbrana tako, da izhodni signal dosega vsaj 5 % maksimalnega

pretoka. Za ventile s pozitivnim prekritjem in izločanjem (oz. eliminacijo) ničelne cone, se

izvede poskus z vklopljeno in izklopljeno eliminacijo. Pri ventilih s pozitivnim prekritjem in

brez možnosti eliminacije ničelne cone, je potrebno prilagoditi vhodni signal z enosmerno

komponento tako, da je pretok zmeraj v eni smeri. Enosmerni pretok s sinusnim nihanjem

onemogoči uporabo aktuatorja, zato je potrebno uporabiti pretočni senzor ustrezne frekvenčne

širine. Amplituda sinusne funkcije, prištete enosmerni komponenti, mora povzročiti, pri

frekvenci malo nad 0 Hz spremembo v izhodnem signalu med 5 % in 15 % maksimalnega

izhodnega signala ob tem tlaku. Test je v primeru enosmerne komponente pretoka potrebno

opraviti za obe smeri pretoka.

Slika 4.1: Bodejev diagram pri različnih amplitudah vhodnega signala [1]

Tabela 3: Priporočene vrednosti vhodnega signala med testiranjem [1]

Prekritje ventilnega drsnika Enosmerna komponenta

vhodnega signala v (%)

Sinusna komponenta

vhodnega signala v (%)

Drsnik z negativnim ali

ničelnim prekritjem

Drsnik s pozitivnim prekritjem

Stopničasti odziv

Test stopničastega odziva (Slika 4.2) se izvede kot spreminjanje krmilnega signala: iz ničelnega

v pozitivnega ali negativnega, iz negativnega ali pozitivnega v ničelnega, in s preskoki med

različnimi vrednostnimi po celotnem območju. V drugem delu je potrebno, za ventile z

kompenzacijo tlaka na bremenu testirati še stopničasti odziv ventila na spremembo tlaka na

bremenu.

Slika 4.2: Meritev stopničastega odziva [1]

Tabela 4: Priporočene vrednosti vhodnega signala med testiranjem [1]

Začetna vrednost krmilnega signala (%) Končna vrednost krmilnega signala (%)

5 ZASNOVA MERILNEGA SISTEMA IN UPORABLJENE

KOMPONENTE PRI MERITVI DINAMIČNIH KARAKTERISTIK

Kot priporoča standard ISO 10770-1:1998, ter zaradi lažje praktične izvedbe, je testno napravo

najbolje zasnovati z ločenima fizičnima deloma. To pomeni, da je potrebno za posamezen sklop

dinamičnih ali statičnih testov, fizično prestaviti ventil iz statične merilne naprave na

dinamično, oziroma obratno. V zaključnem delu je bil zasnovan samo del merilne naprave, ki

se nanaša na dinamične teste. Krmiljenje in zajem podatkov obeh prog je lahko izvedeno z enim

krmilnikom in enotnim program z različnimi moduli delovanja, saj oba sklopa testov

potrebujeta določene enake funkcije, program pa je tako tudi pripravljen na morebitno

povezavo fizičnega dela merilnih prog za preizkušanje obeh sklopov testov v enem priklopu

ventila. Programski del je razdeljen na realno časovni del, ki ga upravlja programsko logični

krmilnik in na Windows aplikacijo. Realno časovni del na PLK-ju opravlja vse časovno kritične

naloge kot so meritve fizikalnih veličin in vodenje ventila. Windows aplikacija določa PLK-ju

režim delovanja in od njega sprejema podatke, ter jih prikazuje.

5.1 WPF in Windows aplikacija merjenja karakteristik ventila

Windows aplikacija je izdelana v obliki WPF forme, ker omogoča vključitev knjižnice za

grafičen prikaz signalov neposredno iz PLK-ja TwinCAT Scope View. WPF forma se uporablja

za izdelavo grafičnih uporabniških vmesnikov za Windows operacijski sistem. Grafični

vmesnik pri merilni napravi služi za nastavljanje parametrov meritve z strani uporabnika,

spremljanju meritve in prikazu rezultatov. Pri ustvarjanju WPF uporabniškega vmesnika se v

grafičnem oblikovalniku v osnovno obliko okna s pomočjo programskih knjižnic vstavijo

osnovne oblike, kot so kontrolni gumbi, drsniki, okenca za izpis, grafi itd.. Nato se v

programskem delu napiše kodo, ki se izvaja ob posameznem dogodku povezanim s prej

vstavljenim elementom. Dogodki so lahko pritisk gumba, vpis števila, zapiranje okna, interval

časovnika in podobno. Znotraj programa se lahko izdela več oken, ki se jih programsko poveže

med sabo. Program lahko komunicira tudi z drugimi programi na računalniku, oziroma

uporablja vse komunikacije na voljo računalniku.

Ob zagonu zasnovane Windows aplikacije za meritev karakteristik ventila se odpre osnovni

meni (Slika 5.1), ki omogoča izbiro izvedbe različnih preizkusov ventila, izbiro nastavitev

ventila ali njegovo direktno vodenje. Pri zagonu programa, ta preveri pri PLK-ju katera fizična

testna proga je pripravljena za uporabo in tako omogoči izvedbo samo tistih testov, ki se lahko

izvajajo na izbrani progi. Če je ventil pritrjen na dinamično testno progo lahko uporabnik izbira

samo med dinamičnimi testi, enako velja tudi za še neizdelan statični del testiranja. Program

prav tako onemogoča zagon testov dokler uporabnik ne vnese nastavitev posameznega ventila.

Pri dinamičnih testih je mogoče izbirati med meritvijo frekvenčne karakteristike in

stopničastega odziva, pri statičnih testih pa je pripravljeno okno za kasnejše dodajanje statičnih

testov.

Slika 5.1: Osnovni meni merjenja karakteristik potnih ventilov

Za direktno vodenje ventila je potrebno izbrati gumb »ročno vodenje«, kar odpre novo okno

(Slika 5.2) in pošlje PLK delu ukaz za prehod v stanje ročnega vodenja Krmiljenje položaja

ventila se izvaja preko drsnika, ki omogoča izbiro vrednosti med -100 % in 100 %, dodatno

okno pa izpisuje vrednost signala krmiljenja ventila.

Slika 5.2: Meni ročnega vodenja ventila

Pri nastavljanju lastnosti ventila (Slika 5.3) je mogoče izbirati med tokovnim ali napetostnim

vodenjem ventila. Pri tokovnem vodenju ventila PLK uporablja lasten močnostni tokovni PWM

modul s katerim napaja tuljavi na ventilu. Pri tokovnem signalu je potrebno nastaviti njegovo

maksimalno vrednost, obstaja pa tudi možnost nastavitve eliminacije ničelnega področja ventila

z nastavljeno minimalno vrednostjo tokovnega signala. Napetostni signal se uporablja pri

ventilih z lastno krmilno kartico. Izhodni napetostni signal se v kartici spreminja v močnostni

tokovni signal ventilu.

Slika 5.3: Meni nastavljanja podatkov testiranega ventila

5.2 Sistem vodenja testne naprave in zajemanja podatkov

Za upravljanje testne naprave za merjene dinamičnih karakteristik zvezno delujočih ventilov in

za zajemanje podatkov, je bil uporabljen krmilnik proizvajalca Beckhoff. Podjetje Beckhoff

ponuja svoje PLK-je, ki so v osnovni samostojni industrijski računalniki. Prav tako omogoča

konfiguracijo poljubnega osebnega računalnika v način delovanja PLK-ja. Ta možnost je bila

uporabljena pri zasnovi merilnega sistema. Realno časovni program, ki ga izvaja PLK se

programira znotraj Beckhoff TwinCat 3 programa, ki deluje kot dodatek programskemu okolju

Visual Studio. Znotraj TwinCat 3 programa je zraven programiranja PLK-ja v različnih

programskih jezikih mogoče konfigurirati celoten sistem PLK-ja. Komponenta TwinCat 3, ki

omogoča izvajanje realno časovnih programov se imenuje XAR. Ustvarjene programe je

mogoče razdeliti med opravila in posamezna opravila predpisati določenemu procesorju, ter

določiti časovni interval v katerem bo procesor opravil opravilo. Pri konfiguraciji osebnega

računalnika za uporabo kot PLK, se procesorskim jedrom računalnika določi, če so namenjena

PLK-ju ali operacijskemu sistemu. Jedrom, rezerviranim za PLK, je potrebno določiti še

najmanjši takt klicanja opravil. Opravilo se predpiše izvajanju na določenem jedru in se mu

določi periodo izvajanja z izbiro števila taktov jedra, ki sprožijo njegovo izvajanje. Za delovanje

programa merilne proge in njeno testiranje se uporablja zraven dveh sistemskih še pet kreiranih

opravil, ki tečejo na dveh jedrih (Slika 5.4). Na počasnejšem jedru deluje opravilo osnovnega

programa, ki preverja v katerem modulu delovanja se nahaja program in krmili ostala opravila.

Prav tako je na počasnejšem jedru opravilo meritve povprečnega položaja batnice, ki zagotavlja

podatke za regulacijo povprečnega položaja batnice.

Slika 5.4: Opravila PLK programa in predpisana jedra

Osnovni PLK program je samostojno opravilo, ki sprejema ukaze o želenem načinu delovanja

iz Windows aplikacije. Za vsako skupino testov in posamezen test ima svoj blok, v katerem

blokira oziroma krmili ostala opravila, ki jih določen test potrebuje, ter interpretira podatke iz

senzorjev v skladu s trenutnim testom. Opravilo vodenja ventila je sposobno generirati sinusni

krmilni signal za dinamične teste ali pa voditi ventil po poljubnem signalu, ki ga generira

uporabnik. Podrobneje je to opravilo opisano v poglavju dinamičnih testov, prav tako z ostalimi

tremi opravili, meritve hitrosti, računanja povprečne vrednosti in modeliranju ventila, ki so

namenjena uporabi pri dinamičnih testih.

Za dostop do vhodno/izhodnih modulov je uporabljen EK1100 EtherCAT vmesnik. Vmesnik

je povezan s PLK na jedrih osebnega računalnika preko komunikacije Ethernet 100BASE-TX

in posreduje sporočila preko E-bus signala EtherCAT vhodno/izhodnim terminalom (Slika 5.5).

Modul EL3014 je analogni štiri kanalni diferencialni tokovni vhodni modul. Podatke zajema v

območju od 0 do 20 mA in z digitalno resolucijo 12 bit. Na merilni progi zajema podatke iz

obeh tlačnih senzorjev in morebitnega temperaturnega senzorja. Modul EL3104 je analogni štiri

kanalni diferencialni napetostni vhodni modul. Merilno območje ima od -10 do 10 V, ter

digitalno resolucijo 16 bit. Zajema napetostni signal, ki mu ga posreduje elektronski sklop

senzorja pomika. Modul EL4008 je osem kanalni analogni napetostni izhod. Deluje v območju

med 0 in 10 V z digitalno resolucijo 12 bitov. Modul se uporablja v primeru testiranja ventila z

lastno ojačevalno kartico, kjer modul pošilja kartici krmilni napetostni signal. Modul KL2545

je dvo kanalni tokovni močnostni izhodni modul s pulzno širinsko modulacijo. Deluje v

območju ±3,5 A z digitalno resolucijo 16 bit. Pri uporabi modula je potrebno dostopati tudi do

njegovih kontrolnih registrov, saj sta v osnovi močnostna izhoda onemogočena in jih je

potrebno pred uporabo programsko omogočiti. Pri meritvi se modul uporablja za napajanje

tuljav, ki premikajo drsnik v ventilu. Ker modul KL2545 deluje preko standardne K-bus

komunikacije in ostali uporabljeni moduli preko E-bus signala EtherCAT, je potrebno za

delovanje KL2545 modula uporabiti vmesnik BK1250, ki povezuje med seboj K-bus in E-bus

terminale.

Regulacijska kartica testiranega hidravličnega proporcionalnega ventila sprejema analogni

bipolarni signal med -10 V in 10 V. Izhodna PLK kartica EL4008 pa oddaja analogni napetostni

signal od 0 do 10 V, zato je potrebno signal prilagoditi. Za prilagajanje signala se uporablja

Wago Jumplex 857 bipolarni izolacijski ojačevalnik z možnostjo različnih konfiguracij (Slika

5.6). Ojačevalnik ima možnost izbire med 12 različnimi vhodnimi tokovnimi ali napetostnimi

signali v območjih med ±10 V in ±20 mA prav tako ima enako število možnosti in območja na

izhodu iz ojačevalnika. Pri konfiguraciji obstaja tudi možnost med izbiro dveh področij

frekvenc delovanja in sicer frekvence manjše od 100 Hz in frekvence večje od 5 kHz.

Slika 5.5: Vmesnik EK1100 z vhodno/izhodnimi moduli

Slika 5.6: Wago Jumplex 857 bipolarni izolacijski ojačevalnik [12]

5.3 Zagotavljanje hidravlične moči na merilni progi

Hidravlična moč za merilno progo se zagotavlja preko hidravličnega agregata in cevnega

omrežja v laboratoriju. Mesto priključitve je regulirna veja z regulatorjem tlaka Rexroth DR 6

DP3 53/150YM (Slika 5.7) z zmogljivostjo do 315 bar in 60 l/min pretoka. Regulator tlaka je

nastavljen na 100 bar, na isto vejo pa je priključena še vzporedna obtočna veja z dušilko, ki

omogoča minimalni pretok hidravlične tekočine za hlajenje črpalke in nastavljanje regulatorja.

Slika 5.7: Priključno mesto merilne proge

Hidravlično moč zagotavlja 15 kW hidravlični agregat (Slika 5.8) z aksialno batno regulacijsko

črpalko v izvedbi z nastavljivo ploščo in pogonskim trifaznim asinhronskim motorjem, ki je

voden preko frekvenčnega pretvornika. Celoten hidravlični agregat je reguliran z

mikrokrmilniškim sistemom NI cRio in omogoča regulacijo tlaka in pretoka, s hkratnim

reguliranjem vrtljajev motorja in nagiba plošče črpalke. Hidravlični agregat vsebuje tudi

hladilno-filtrirni sistem za ohranjanje ustrezne čistoče in temperature olja (temperatura

hidravlične tekočine je za teste tudi predpisana in mora biti ohranjana na konstantnem nivoju).

Do določene temperature se hidravlična tekočina hladi preko rezervoarja. Pri povišani

temperaturi se vklopi obtočna črpalka, ki poganja olje skozi zračni toplotni izmenjevalnik, ki

pri določeni temperaturni meji vklopi še ventilator za prisilno hlajenje. Agregat ima vgrajen 10

µm filter na povratnem vodu in 3 µm filter na obtočnem vodu. Na izhodu iz agregata je mogoče

meriti temperature hidravlične tekočine, njen pretok in tlak. Samemu rezervoarju hidravličnega

agregata pa je vgrajena še enota za diagnostiko čistoče olja.

Slika 5.8: Hidravlični agregat

Uporabljena hidravlična tekočina v hidravličnem sistemu je OLMA Hydrolubric VG 46.

Hidravlična tekočina za najvišje zahteve z dobro hidrolitično in termično stabilnost, zaščito

pred obrabo in korozijo, ter dobrimi nizkotemperaturnimi lastnostmi. Oznaka VG 46 pomeni,

da ima hidravlična tekočina kinematično viskoznost 46 mm2/s pri 40 °C.

5.4 Senzorji

Senzor temperature

Za potrebe preizkusa testne proge temperatura hidravlične tekočine ni bila izmerjena direktno

na testni progi, temveč na sesalni cevi v hidravličnem akumulatorju. Elektronski merilnik nivoja

tekočina Hydac ENS 3000 (Slika 5.9) ima vgrajen polprevodniški temperaturni senzor z

delovnim območjem od -25 °C do 100 °C. Vrednost temperature zajema kontrolni sistem

agregata in jo izpisuje na uporabniški vmesnik, kjer lahko uporabnik spremlja, če so

temperaturne vrednosti znotraj meje določene v standardu.

Slika 5.9: Nivojsko-temperaturni senzor ENS 3000

Senzor tlaka

Za merjenje tlaka na merilni progi sta uporabljena tlačna senzorja Rexroth HM 12 10/315 in

Rexroth HM 15 10/315 (Slika 5.10). Oba delujeta do 315 bar in imata izhodni tokovni signal

med 4 mA in 20 mA. Električna priključitev je pri obeh senzorjih enaka, razlika je edino pri

električnem priključku na senzor. Kakovostnejši je senzor z oznako HM 15 z manjšo

temperaturno občutljivostjo na natančnost. Uporabljena senzorja tlaka delujeta po principu

merjenja deformacije membrane z merilnimi lističi, vezanimi v merilni mostiček. Ta princip

merjenja omogoča meritev absolutnega tlaka. Nanos merilnih lističev na membrano pa je

izveden s tehnologijo tankih filmov.

Slika 5.10: Uporabljena tlačna senzorja Rexroth HM 12 10/315 (spodaj) in Rexroth HM 15 10/315 (zgoraj)

LVDT senzor pomika z elektronskim ojačevalnikom

LVDT (Linear variable differential transformer) senzor pomika je sestavljen iz treh tuljav.

Osrednja tuljava je primarna in je vzbujana s sinusno napetostjo. Na obeh straneh pa sta

nameščeni kolinearni sekundarni tuljavi. Prenos magnetnega polja s primarne tuljave na

sekundarno je odvisen od položaja premičnega magnetnega jedra v njihovi sredici, kar povzroča

različno inducirano napetost v sekundarnih tuljavah glede na položaj magneta. Sekundarni

tuljavi sta medsebojno nasprotno povezani tako, da se pri osrednjem položaju drsnika

inducirana napetost na obeh tuljavah izniči. Pri premiku jedra se v eni sekundarni tuljavi poveča

inducirana napetost, v drugi pa zmanjša. Vsota obeh induciranih sinusnih napetosti ima torej

amplitudo, ki je neposredno povezana s položajem magnetnega jedra. V katero smer je

pomaknjeno jedro, je mogoče ugotoviti iz faznega zamika izhodnega signala, v primerjavi z

vhodnim vzbujevalnim signalom. Prednost LVDT senzorja je brez kontaktno merjenje, kar

omogoča dolgo življenjsko dobo. Natančnost samega senzorja je načeloma neomejena.

Praktično je omejena z natančnostjo elektronskega sklopa, ki meri amplitudo izhodnega signala.

Izbrani senzor ACT3000C proizvajalca RDP (Slika 5.11) ima pomični magnet voden z vodili

in delovno območje 140 mm. Njegova nominalna občutljivost je 1,5 V/V.

Slika 5.11: ACT LVDT senzorji [9]

LVDT senzor podaja informacijo o položaju preko amplitude in faznega kota izhodnega

sinusnega signala. Zaradi velikih frekvenc izhodnega sinusnega signala je nemogoče

informacijo pridobiti z direktnim vzorčenjem senzorskega izhodnega signala z analognim

vhodom PLK-aja. Tako je potreben elektronski vmesnik, ki iz amplitude in faznega kota izhoda

senzorja pretvarja v analogen napetostni signal. Tega je mogoče prebrati s PLK analognim

vhodom. Za pretvorbo LVDT izhodnega signala so na voljo namenski čipi, kot npr. v našem

primeru uporabljeni čip AD598.

AD598 čip je LVDT pretvornik signala. Pretvarja prejet položaj LVDT senzorja v obliki

amplitude in faznega kota sinusnega signala v enosmerno unipolarno ali bipolarno napetost.

Vse funkcije elektronskega vezja za pretvorbo so zajete v čipu (Slika 5.12), z izjemo nekaj

zunanjih pasivnih elementov, ki določajo frekvenco in ojačenje. Za vzbujanje primarnega

navitja LVDT senzorja vsebuje čip lasten sinusni oscilator z ojačevalnikom, ki je sposoben

delovati v območju frekvenc med 20 Hz in 20 kHz, ter amplitud z efektivnimi vrednostnimi

napetosti med 2 V in 24 V. Običajna pretvorba izhodnega signala LVDT senzorja deluje na

principu sinhronega zaznavanja amplitudne razlike in zaznavanja smeri gibanja glede na fazno

referenco vzbujevalnega signala. Ta tehnika prinaša težave z generiranjem konstantne

amplitude in frekvence vzbujanja, ter kompenziranjem faznega zamika v LVDT senzorju in

spreminjanja faznega zamika zaradi temperature in frekvence. Pretvorba izhodnega signala

LVDT senzorja deluje na principu razmerja med razliko in vsoto signalov posameznih

sekundarnih navitij, kar eliminira vse težave z običajno tehniko, vendar pa ta tehnika zahteva

izvedbo LVDT senzorja s tretjo žico priključeno na spoj obeh sekundarnih tuljav. Čip se lahko

priključi na enojno ali dvojno enosmerno napajanje. Z izbiro zunanjih komponent (Slika 5.13)

se vezju določi vzbujevalna frekvenca in amplituda, ter pasovna širina vezja in ojačenje.

Mogoče je nastaviti tudi premik ničelne točke izhodnega signala ojačevalnika, filtracijo in

integracijo signala.

Slika 5.12 AD598 funkcijski diagram [15]

Vrednost vzbujevalne frekvence LVDT senzorja mora vsaj desetkratno presegati vrednost

želene pasovne širine električnega vezja. Pri proporcionalnih ventilih je območje meritve

približno do 80 Hz, kar pomeni najmanjšo frekvenco vzbujanja vsaj 800 Hz. Izbran LVDT

senzor deluje optimalno pri 5 kHz. Visoke frekvence vzbujanja pomenijo za elektronski sklop

sicer večje pasovne širine, vendar manj gladke krivulje. Po opravljenih meritvah na izbranem

LVDT senzorju se je pokazalo tudi, da večje frekvence pomenijo večjo ojačenje med primarnim

in sekundarnim navitjem. Ker je najmanjšo vzbujevalno efektivno vrednost napetosti mogoče

nastaviti okoli enega volta, je v skrajni legi pri 5 kHz efektivna vrednost napetosti na

sekundarnem navitju približno 3,5 V, kar je na meji optimalnega območja merjenja čipa, ki

znaša do 3,5 V. Tako je kompromisno izbrana vrednost vzbujanja primarnega navitja 2,5 kHz.

Vzbujevalno frekvenco čipu določa kondenzator C1 z izračunano vrednostjo 14 nF (enačba 5.1)

in izbrano standardno vrednostjo 15 nF. Za določitev vseh pasivnih elementov v elektorskem

vezju je potrebno izmeriti efektivne vrednosti napetosti na LVDT senzorju. Pri frekvenci 2,5

kHz in v središčnem položaju, ko razlika vzbujevalnih napetosti znaša nič, je njuna vsota

efektivnih vrednosti 2,6 V. V skrajni legi merilnega območja je razmerje (VTR) med

vzbujevalno in razliko sekundarnih napetosti 0,435 V. Izbrana maksimalna sekundarna

efektivna napetost znaša 3 V, kar pomeni, da je zaželena vzbujevalna efektivna napetost 1,3 V

(enačba 5.2). Vzbujevalno efektivno napetost določa upor R1, ki se ga razbere iz grafa v

podatkovnem listu čipa in znaša 220 kΩ.

Slika 5.13: Vezalna shema čipa AD598 [15]

Vrednosti kondenzatorjev C2, C3 in C4 določajo želeno pasovno širino. Dosegljiva pasovna

širina z vzbujevalno frekvenco 2,5 kHz je 250 Hz. Za to vrednost je izbrana standardna vrednost

kapacitivnosti 330 nF (enačba 5.3) enaka za vse tri kondenzatorje. Z uporom R2 (enačba 5.5)

se določa razmerje med spremembo giba senzorja in spremembo napetosti na analognem izhodu

iz ojačevalnika. Z izbiro uporov R3 in R4 je mogoče zamakniti ničlo analognega izhoda glede

na osrednji gib senzorja, če pa zamik ni potreben ostanejo povezave obeh uporov odprte. Pri

enostranskem napajanju je potrebno dodati še elemente C5, R5 (enačba 5.7) in R6 (enačba 5.8),

po katerih teče obremenitveni tok iz bremena analognega vhodnega modula. Vsi elementi

elektronskega vezja so bili spojeni na spajkalni plošči (Slika 5.14), čip pa je povezan v vezje

preko podnožja. Dodatna elementa glede na vezalno shemo sta še stikalo napajanja in

indikatorska lučka delovanja. Celotno vezje je zaščiteno z ohišjem in pritrjeno na montažno

letev.

𝐶1 =35 [μF∙Hz]

𝑓𝑣𝑧𝑏𝑢𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎=

35 [μF∙Hz]

2500 [Hz]= 14 [nF] ≈ 15 [nF] (5.1)

𝑉𝑣𝑧𝑏𝑢𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎 = 𝑉𝑠𝑒𝑘𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑛𝑎 ∙ 𝑉𝑇𝑅 = 3 ∙ 0,435 = 1,3 [V] (5.2)

𝐶2 = 𝐶3 = 𝐶4 =10−4 [F∙Hz]

𝑓𝑝𝑎𝑠𝑜𝑣𝑛𝑒 š𝑖𝑟𝑖𝑛𝑒=

10−4 [F∙Hz]

250 [Hz]= 400 [nF] ≈ 330 [nF] (5.3)

𝑆 =(𝑉𝐴−𝑉𝐵)

𝑉𝑣𝑧𝑏𝑢𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎∙𝑑𝑚𝑎𝑥=

2,42 [V]

1,8 𝑉∙70 [mm]= 0,0192 [mm−1] (5.4)

𝑅2 =𝑉𝑖𝑧ℎ𝑜𝑑𝑛𝑎∙(𝑉𝐴+𝑉𝐵)

𝑆∙𝑉𝑣𝑧𝑏𝑢𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎∙500 [μA]∙𝑑=

20 [V]∙(0,8+0,8) [V]

0,0192 [mm−1]∙1,8 [V]∙500 [μA]∙120 [mm]= 15 [kΩ] (5.5)

𝑅5 ≥2+10 [kΩ]∙(

1,2 [V]

𝑅4+5 [kΩ] +

𝑉𝑖𝑧ℎ𝑜𝑑𝑛𝑎4∙𝑅2

+250 [μA])

100 [μA][Ω] (5.6)

𝑅5 ≥2+10 [kΩ]∙(

1,2 [V]

∞+5 [kΩ] +

20 [V]

4∙15 [kΩ] +250 [μA])

100 [μA][Ω] = 58 [kΩ] ≈ 82 [kΩ] (5.7)

𝑅6 ≤𝑉𝑛𝑎𝑝𝑎𝑗𝑎𝑛𝑗𝑎

100 [μA]− 𝑅5 =

24 [V]

100 [μA]− 82 [kΩ] = 158 [kΩ] ≈ 150 [kΩ] (5.8)

Slika 5.14: Izdelano vezje ojačevalnika v ohišju

5.5 Hidravlični valj za merjenje pretoka pri dinamični karakteristiki

Za merjenje dinamičnih karakteristik se prednostno uporablja hidravlični merilni valj z

razlogom, ker turbinski merilniki merijo šele nad okoli 10 % svojega nazivnega pretoka,

zobniški merilniki pri nizkih pretokih povzročajo prevelik pretočni upor. Merilni valj podaja

pretok skozi ventil posredno preko hitrosti gibanja batnice. Osnovne usmeritve konstruiranja

valja se skladajo s priporočili standarda: batnica ima majhne vztrajnostne mase, valj ima majhno

notranje trenje in visoko lastno frekvenco 2266 Hz. Vse naštete lastnosti valja so pomembne za

čim manjšo vplivanje dinamike valja na merjenje dinamike ventila. Merilni valj je sestavljen iz

valja z dvema stranskima ploščama (Slika 5.15), v katerih so napajalni kanali valja. Znotraj

valja je bat z dvostransko batnico. Vse skupaj je pritrjeno na podlogo z dvema pritrdiščema

senzorjev pomikov oziroma hitrosti. Nad valjem je nameščena napajalna plošča, ki povezuje

napajalne kanale valja s kanali na vmesni plošči in omogoča zunanji priklop cevovoda na

delovne priključke. Povezuje tudi napajalni tlak in povratni vod z vmesno ploščo. Pri vseh štirih

zunanjih priključkih vmesne plošče je na vsakem dodaten priključek za merjenje tlaka.

Priključna plošča prilagodi kanale vmesne plošče priključitvi ventila velikostnega razreda NG

6. Celoten merilni valj omogoča meritve do 30 l/min in 150 bar.

Slika 5.15: Merilni valj v prerezu [3]

6 MERILNA PROGA DINAMIČNIH KARAKTERISTIK

6.1 Mehanska zasnova

Na napajalni plošči merilnega valja so nameščeni merilni priključki, ki omogočajo priključitev

senzorjev na vse štiri priključke povezane z ventilom (glej shemo na Slika 6.1).

Slika 6.1: Hidravlična shema

Povratni vod je preko fleksibilne povezave povezan na hidravlično cevno omrežje. Napajalni

vod iz regulirane veje hidravličnega omrežja je s fleksibilno povezavo, povezan na tri potni

kroglični ventil. Na prvi priključek je povezana obravnavana dinamična testna proga, drugi

priključek pa je zaprt s čepom in je namenjen kasnejši povezavi s statično progo. Med napajalni

priključek priključne plošče in ventilom je preko T-kosa pritrjen hidravlični akumulator, ki

skrbi za kompenzacijo nihanja tlaka (Slika 6.2).

Slika 6.2: Fizična izvedba merilne proge dinamičnih karakteristik

6.2 Merjenje pretoka

Ko olje priteka in odteka iz valja spreminja količino olja v valju in premika batnico. Pretok

hidravlične tekočine je tako neposredno odvisen od spremembe volumna olja v valju oziroma

natančneje od časovnega odvoda volumna olja v valju. Volumen olja v valju odgovarja

produktu prečnega preseka in pomika batnice. Ker je presek konstanten, se spreminja samo

pomik batnice, kar pomeni da je pretok tekočine v oziroma izven valja odvisen od prečnega

preseka in hitrosti gibanja batnice

V̇ =d(A∙x)

dt= A ∙

dt= A ∙ �̇� (6.1)

Ker je valj končne dolžine, lahko sprejme samo določen volumen olja preden se pomakne v

skrajni položaj. V primeru cikličnega pritekanja in odtekanja hidravlične tekočine iz valja se

lahko bat neovirano giblje ko zadosti dva pogoja. Polnjenje obeh strani valja mora biti

simetrično, kar pomeni da volumski tok, ki priteče v valj v prvi polovici periode, odteče iz njega

v drugi polovici periode in začne bat naslednji cikel na istem mestu kot prejšnjega. Zaradi

odstopanj je z realnimi komponentami to težko dosegljivo, zato je potrebna regulacija. Pri

drugem pogoju pa mora imeti valj zadosten volumen, da sprejme vso tekočino, ki preteče vanj

v polovici periode, ko se komora polni. Glede na konstrukcijske karakteristike in obliko signala

periodičnega polnjenja je mogoče izračunati kakšne frekvence in amplitude cikličnega polnjena

omogoča valj pri neoviranem gibanju batnice. Pri matematični izpeljavi je predpostavljena

idealna proporcionalna karakteristika ventila, posledično idealno sinusno spreminjanje pretoka

hidravličnega ventila, kar velja za amplitudno ojačenje pretoka glede na krmilni signal 1. Pretok

torej sledi sinusnemu nihanju krmilnega signala z maksimalno amplitudo. Integral volumskega

pretoka po času je neto volumen hidravlične tekočine ob trenutnem času v valju, kar ima za

posledico določen premik batnice. Maksimalna amplituda gibanja batnice se pojavi, ko je njen

odvod nič, torej ko je hitrost batnice enaka nič. To se zgodi dvakrat v periodi, ko je batnica v

obeh skrajnih legah in se ponovi na vsako polovico periode. Največja razlika med skrajnima

legama je konstrukcijsko omejena s hodom bata, prav tako je konstrukcijski podatek njegov

presek. Iz končne enačbe je razvidno, da se z večanjem amplitude pretoka viša minimalna

mogoča frekvenca testiranja.

�̇� = �̇�𝑚𝑎𝑥 ∙ sin(𝜔 ∙ 𝑡) (6.2)

�̇� = 𝐴 ∙𝑑𝑥

𝑑𝑡 (6.3)

∫ 𝑑𝑥𝑥2

𝑥1= ∫

�̇�

𝐴∙ 𝑑𝑡

0= ∫

�̇�𝑚𝑎𝑥∙sin(𝜔∙𝑡)

𝐴∙ 𝑑𝑡

0 (6.4)

𝑥2−𝑥1 =�̇�𝑚𝑎𝑥

𝜔∙𝐴∙ (− cos(𝜔 ∙ 𝑡2) + cos(0)) =

�̇�𝑚𝑎𝑥

𝜔∙𝐴∙ (− cos(𝜔 ∙ 𝑡2) + 1) (6.5)

�̇� =�̇�

�̇�𝑚𝑎𝑥∙sin(𝜔∙𝑡)

𝐴= 0 (6.6)

𝜔 ∙ 𝑡 = 𝑘 ∙ 𝜋 (6.7)

𝑡2 = 0 (6.8)

𝑥2−𝑥1 =�̇�𝑚𝑎𝑥

𝜔∙𝐴∙ (− cos(𝜔 ∙ 𝑡2) + 1) (6.9)

∆𝑥 =2∙�̇�𝑚𝑎𝑥

𝜔∙𝐴 (6.10)

∆𝑥∙𝑑2∙𝜋∙2∙𝜋∙𝑓

2∙4= �̇�𝑚𝑎𝑥 (6.11)

29,6 [l

min] ∙ 𝑓 = �̇�𝑚𝑎𝑥 (6.12)

6.3 Realno časovni del programske kode merilne naprave

Programska koda na PLK-ju, ki deluje v realne času je sestavljena iz več opravil. Glavno

opravilo deluje neprestano in nadzira modul delovanja, ter ostala opravila. Medtem ko se

opravila, merjenje hitrosti, vodenje ventila in računanje povprečne vrednosti, uporabljajo samo

med testiranjem ventila

V osnovnem programu glavnega opravila se v začetni fazi, inicializaciji, najprej vklopi

interpretacija krmilnih in opravilnih časov funkcijskih blokov preko taktov ure. Krmilni in

opravilni časi funkcijskih blokov so časovnega formata, ki ima najmanjšo ločljivost 1 ms.

Krajše čase je mogoče dosegati z vklopom interpretacije časovne vrednosti vpisane v strukturo

funkcijskega bloka, ne več kot časovno vrednost, ampak kot število pulzov baznega izbranega

baznega časa. Kar pomeni da vrednost 10 ms ne pomeni več časovne vrednosti, ampak 10

pulzov ob baznem času 0,1 ms kar je časovni interval 1 ms. Po inicializaciji preide osnovni

program v stanje osnovnega menija, v katerega se vrača vsakič, ko je v osnovnem meniju tudi

program Windows aplikacije. V stanju osnovnega menija program zmeraj resetira vse alarme

in izklopi merjenje hitrosti, ter vodenja ventila. Ko uporabnik odpre okno posameznega testa,

preide tudi osnovni PLK program v ustrezno pripadajočo stanje. Pri dinamičnih testih se

omogoči meritev hitrosti in vodenje ventila, znotraj posameznega stanja dinamičnih testov, v

osnovnem programu pa se meri tudi odstopanje temperature iz dovoljenega območja, ter sproži,

če temperatura preseže dovoljene meje.

Opravilo meritve hitrosti izvaja več nalog. Iz podatkov za položaj bata izračuna hitrost gibanja

bata in posledično pretok skozi ventil. Meri tudi fazni zamik in amplitudno ojačenja za določeno

frekvenco vzbujanja, ter nihanje napajalnega tlaka. Ob prvem zagonu opravila program

inicializira spremenljivke ter čaka, da osnovi program vklopi merjenje hitrosti bata in začne

testiranje. V prvem koraku testiranja si program najprej ustrezno nastavi koeficiente

funkcijskega bloka odvajanja glede na meritev dinamične karakteristike. Pri merjenju

frekvenčne karakteristike si program nastavi koeficiente funkcijskega bloka odvajanja glede na

frekvenco krmilnega signala, pri spremljanju skočnega odziva pa uporablja vrednosti

predvidene za ta preizkus. Pred izračunom trenutne hitrosti si program shrani vrednost hitrosti

iz prejšnjega cikla, ker jo potrebuje za izračun faznega zamika. Hitrost se izračuna z odvajanjem

pomika. Za odvajanje ima programska knjižnica že na voljo funkcijski blok s sestavljeno

prenosno funkcijo odvajanja (diferenciranja) in dušenja (enačba 6.13). Amplitudno ojačenje ne

dušenega diferenciatorja čistega sinusnega signala je v bistvu množenje amplitude signala s

kotno hitrostjo, kar matematično nastane zaradi posrednega odvajanja sinusne funkcije po času,

fazni zamik 90 ° pa sprememba sinusne funkcije v kosinusno po odvajanju. Diferenciator ima

frekvenčno karakteristiko z rastočim amplitudnim ojačenjem proti višjim frekvencam. Kar

pomeni, da sam diferenciator pri odvajanju realnega signala močno ojači šum in ustvari skoraj

neuporaben signal za nadaljnjo obdelavo. Za filtracijo šuma je blok v programu sestavljen še iz

dušilnega dela prenosne funkcije, ki duši šum, vendar pa povzroči, da funkcijski blok nima več

konstantnega faznega zamika skozi vso frekvenčno področje in da pride do dodatnega

amplitudnega slabljenja tako da amplitudno ojačenje več ne predstavlja pravilne matematične

vrednosti amplitude odvoda. Koeficient dušenja predstavlja približno periodo frekvence pri

kateri pride do preloma amplitudnega ojačenja v Bode-jevem diagramu. Če je koeficient

dušenja linearno odvisen od frekvence merjenja, bo odstopanje amplitudnega ojačenja glede na

čisti odvod s konstantnim koeficientom ne glede na izbrano merjeno frekvenco. Prav tako bo

konstantna tudi napaka faznega zamika. Konstanta odstopanja za vse izbrane frekvence

omogočajo programsko kompenzacijo rezultatov. Tako je mogoče dušiti motnje signala in

hkrati pridobivati rezultate čistega diferenciatorja. Omeniti je še potrebno, da je uporabljena

metoda omejena na čiste sinusne signale. Za koeficient odvajanja Ts je torej potrebno izbrati

vrednost 1, da se upošteva ojačenje, nastalo zaradi posrednega odvajanja. Osnovo za izbiro

koeficienta dušenja Td pa predstavlja v tej aplikaciji ustrezno dušenje šuma signala pomika pri

odvajanju. Na osnovi poskusa pri frekvenci 30 Hz, je ustrezno dušenje šuma predstavljala

vrednost koeficienta dušenja 10 ms, iz te točke je izračunana povezava med frekvenco in

faktorjem dušenja. Kot je razvidno iz Bode-jevega diagrama (Slika 6.3) ustreznih prenosnih

funkcij frekvenc 1 Hz in 10 Hz, je fazni zamik pri posamezni frekvenci in njeni pripadajočo

prenosni funkciji konstanten in znaša 27,9 °, kar je mogoče programsko kompenzirati s

prištetjem 62,1 ° za fazni zamik čistega diferenciatorja 90°. Iz primerjave ojačenja čistega in

dušenega diferenciatorja je mogoče izračunati tudi enako konstanto amplitudno dušenje enako

za vse frekvence in njihove ustrezne pripadajoče prenosne funkcije dušenega diferenciatorja.

Slabljenje znaša 0,4686, kar pomeni, da je mogoče kompenzirati amplitudno dušenje z

množenjem izračunane hitrosti s faktorjem 2,134.

𝐺(𝑠) =𝑇𝑆∙𝑠

1+𝑇𝐷∙𝑠 (6.13)

𝐺(𝑠) =1∙𝑠

1+1885 [ms]

2∙𝜋∙𝑓∙𝑠

(6.14)

Slika 6.3: Bode-jev diagram funkcijskega bloka odvajanja z ustrezno izbranimi koeficienti

za frekvenci 1 Hz in 10 Hz

Fazni zamik pretoka za krmilnim signalom se meri z zaznavanjem prehoda obeh signalov preko

središčne lege iz negativnega dela v pozitivni del. Za oba signala ima program na voljo

vrednosti iz prejšnjega cikla in sedanji vrednosti. Ko program zazna, da je vrednost prejšnjega

cikla manjša od nič in vrednost v sedanjem ciklu večja od nič, si shrani sistemski čas prehoda.

Prvo zajame sistemski čas prehoda krmilnega signala in nato še sistemski čas prehoda signala

pretoka. Iz razlike obeh časov in periode krmilnega signala, ki jo izračuna iz frekvence

krmilnega signala, program izračuna kot faznega zamika. Pri izračunu faznega zamika je

kompenziran tudi fazni zamik, ki ga povzroča odvajanje z dušenjem. Krmilni signal je

sestavljen iz sinusne komponente in enosmerne komponente, ki jo izračunava regulacija. Za

meritev faznega zamika je potrebno upoštevati samo sinusno vrednost. Tako se pri meritvi

prehoda krmilnega signala v bistvu spremlja vrednost razlike med krmilni signalom in

vrednostjo zamika krmilnega signala, ki ga izračuna regulacija, kar zagotavlja meritev prehoda

ničelne vrednosti sinusne komponente krmilnega signala.

Amplitudno ojačenje se izračuna iz razmerja med referenčno amplitudo in trenutno amplitudo

signala. Amplituda signala se meri s primerjavo trenutne absolutne vrednosti signala z

maksimalno izmerjeno. Če je trenutna vrednost večja od maksimalne, se vpiše v maksimalno

vrednost trenutna vrednost. Za razliko od faznega zamika, se amplitudno ojačenje ne meri

neprestano Osnovni program za vsako frekvenco posebej zahteva izmeritev maksimalne

amplitude, ker je potrebno za pravilne rezultate pri merjenju, za vsako frekvenco resetirati

maksimalno vrednost. Ko se meritev amplitude opravlja prvič, se ta amplituda shrani kot

referenčna vrednost amplitude za meritev amplitudnega ojačenja. Ko osnovni program, po

določenem času, ki mora biti daljši od periode krmilnega signala, prekine merjenje amplitude

se izračuna amplitudno ojačenje iz razmerja maksimalne vrednosti amplitude in referenčne

vrednosti, ter pobriše maksimalna vrednost.

V vsaki zanki programa program preveri tudi vrednost tlaka napajanja in njegovo odstopanje

od dovoljenih mej predpisanih v standardu za merjenje karakteristike. Če vrednost presega

dovoljene meje sproži alarm, ki osnovnemu programu javi, da je preizkus neveljaven. Vse

dokler ima program ukaz za potek testiranja, ponavlja korake od izračuna koeficientov

funkcijskega bloka odvajanja, v nasprotnem primeru pa se ustavi in čaka na ponoven ukaz za

testiranje.

Pri meritvi stopničastega odziva je koeficient odvajanja Ts enak 1, pri koeficientu dušenja pa

potrebno, na osnovi preizkusa za čist signal pretoka, uporabiti velik koeficient dušenja Td 100

ms. Dušenje oziroma filtriranje signala pomeni podaljšan čas odziva, ki ga povzroči prenosna

funkcija dušilnega člena (Slika 6.4). Pri kasnejših meritvah z različnimi koeficienti dušenja se

je pokazalo, da je pri meritvah s koeficientom dušenja 100 ms, odzivni čas, ki nastane kot

posledica dušenja skoraj desetkrat večji, kot je odzivni čas ventila. Čas dušenja 10 ms omogoča

še relativno jasno vidno stopnico, vendar pa ne prikaže jasne statične vrednosti pretoka. Pri

dušilnih časih pod 10 ms se pojavi nihanje že pri prehodnem pojavu.

Slika 6.4: Vpliv koeficienta dušenja na stopničasti odziv (moder-nedušen, rdeč: Ts=10 ms, rumen: Ts=100 ms)

Opravilo računanje povprečne vrednosti meri povprečen položaj gibanja bata. Bat se zaradi

nepopolne simetrije ventila in merilnega valja, ter spreminjanja frekvence nihanja začne

odmikati od središča valja, ter onemogoči nadaljnjo merjenje, če se odmakne do položaja v

katerem se začne zaletavati v pokrov valja. Merjenje poteka s premikajočim povprečjem, ki

izračunava povprečno vrednost nazadnje izmerjenih vrednosti določenega števila meritev. V

programu se meri povprečje ene periode trenutne frekvence krmilnega signala, kar predstavlja

vrednost okrog katere niha sinusni signal. Pridobljena vrednost središča gibanja se v opravilu

vodenja ventila primerja z želeno vrednostjo sredine valja in na osnovi razlike se regulira

povprečen položaj bata.

V začetni fazi snovanju programa fizični del merilne proge še ni bil na voljo. Pri testiranju

programa za merjenje in prikazovanje rezultatov je bilo tako uporabljeno posebno opravilo, ki

je sprejemalo krmilni signal in s predpisano prenosno funkcijo generiralo izhodni signal, ki ga

je program interpretiral kot izmerjene vrednosti. Opravilo je namenjeno samo testiranju

programa in je med pravim merjenjem onemogočeno.

6.4 Krmiljenje ventila

Krmiljenje ventila se opravlja z namenskim opravilom. Program opravila omogoča generiranje

krmilnega sinusnega signala z želeno frekvenco in periodo, omogoča vodenje z direktnim

ročnim signalom, regulira odmik krmilnega signala za odpravo lezenja bata pri sinusnem

signalu in prevaja krmilni signal v vrednosti izhodnega modula. V osnovnem programu opravila

se najprej inicializirata uporabljena funkcijska blok diagrama generatorja signala in PID

regulatorja. Izbran je sinusni signal na signalnem generatorju, perioda izvajanja blok

diagramov, meje izhodne spremenljivke blokov in ustrezni parametri PID regulatorja V

naslednjem koraku program čaka, da glavni program omogoči vodenje ventila. V ta korak se

tudi vrača, ko testiranje ne poteka, zato v tem koraku onemogoči izhode tokovnega PWM

modula v njegovem kontrolnem registru. Ko se testiranje prične, program preveri, če se

uporablja ventil z direktnim močnostnim tokovnim vodenjem preko PWM modula. V primeru

njegove uporabe omogoči tokovna izhoda na modulu, ki sta v po zagonu modula zmeraj

onemogočena.

V naslednjem koraku se program veji na uporabo sinusnega generatorja ali ročno vodenje

ventila. Pri uporabi sinusnega generatorja se mu najprej določi perioda in amplituda signala.

Aktivirati je potrebno stanje uporabe generatorskega in regulacijskega bloka, ki se tako kot vsi

funkcijski bloki v osnovi nahajata v kontrolnem stanju. Regulator primerja želeno vrednost

povprečnega položaja batnice z izmerjeno in iz njune razlike, ter regulacijskih členov generira

zamik krmilne signala, ki vodi batnico proti srednji izhodiščni legi v valju. V primeru ročnega

vodenja ventila se funkcijski blok generatorja signala preklopi v stanje ročnega vodenja, kjer

signal na vhodu neposredno prenaša na izhod. Na vrednost 0 se postavi tudi zamik krmilnega

signala regulacije, ki je morebiti ostal od uporabe sinusnega generatorja. Pred sinusnim

generatorjem se veji združita in v odvisnosti od poteka diagrama deluje generator kot generator

signala ali pa ga samo prepušča ročni signal.

Pri uporabi regulacije se zamik krmilnega signala prišteva za sinusnim generatorjem. Čeprav

omogoča generator direktno nastavljanje zamika signala v svojem funkcijskem bloku, se ob

spremembi zamika generator vsakič resetira, kar onemogoči uporabo generatorja signala pri

hitrih spremembah zamika regulacije.

Po prištetem regulacijskem zamiku sinusnega signala, se v programu omeji krmilni signal

znotraj meje med 100 in -100 %, kar so skrajne meje odprtja ventila. Glede na izbran signal

vodenja ventila, program v naslednjem koraku prevaja krmilni signal v ustrezno vrednost

analognega napetostnega izhoda, če je bilo izbrano vodenje ventila z napetostjo. V kolikor je

testiran ventil, ki se vodi z direktnim močnostnim tokovnim signalom preko PWM modula,

prevede program krmilni signal v odvisnosti od njegovega predznaka v ustrezno vrednost toka

na prvo oziroma drugo tuljavo. Med uporabo ene tuljave, nastavi tok na drugi tuljavi na nič.

6.5 Windows program za uporabniški vmesnik merjenja karakteristik

ventila

Pri izbiri meritve frekvenčne karakteristike ventila, se v osnovnem meniju odpre novo

programsko okno (Slika 6.5). Pri odpiranju programskega okna javi program uporabniškega

vmesnika, programu na PLK-ju naj preide v ustrezen modul merjenja. V novem oknu sta na

začetku na voljo samo dve skupini ukazov. Prvi ukaz služi za nastavitev amplitude in frekvence

sinusnega nihanja, in pošlje vpisano vrednost na PLK, da le-ta nastavi ustrezno amplitudo in

frekvenco v sinusnem generatorju. Drugi ukaz oz. skupina ukazov so ostali osnovni ukazi.

Osnovni ukaz »start« onemogoči spreminjanje amplitude in zažene sinusni generator. Njegov

nasprotni ukaz je ukaz »stop«, ki znova omogoči spreminjanje amplitude in ugasne sinusni

generator. Ukaz za »zapiranje« zapre programsko okno merjenja frekvenčne karakteristike in

zopet odpre programsko okno osnovnega menija.

Ročno nastavljanje posamezne frekvence, se izvaja pri konstantni amplitudi nihanja krmilnega

signala, ki jo določimo pred zagonom meritve. V okence se vpiše frekvenca pri kateri je

potrebno izvesti meritev in s pritiskom ukaza »reference« pošlje vrednost prve frekvence

testiranja in ukaz za nastavitev referenčne vrednosti amplitudnega ojačenja PLK-ju. V

sporočilnem okencu se izpiše določanje reference in grafični prikazovalnik napredka prikazuje

časoven potek določanja reference.

Po nastavljeni referenci amplitudnega ojačenja se s tipko z napisom »izmeri« pošlje ukaz PLK-

ju za meritev faznega zamika in relativnega amplitudnega ojačenje. Po pretečenem merilnem

času izmerjene vrednosti prebere iz PLK-ja in jih izriše v grafih. Pri vseh dinamičnih meritvah

je za merjenje posamezne točke potreben določen čas. Merilni čas je sestavljen iz čakanja po

spremembi frekvence krmilnega signala, da se dinamične razmere ustalijo in iz časa merjenja

veličin, potrebnega za zajem amplitude signala pretoka.

Pri avtomatskem in posameznem merjenju, je merilni čas prikazan z grafičnim

prikazovalnikom napredka. Avtomatsko merjenje obeh karakteristik se izvaja z enakim

postopkom kot meritev posamezne frekvence, le da program sam nastavlja frekvence merjenja.

Pridobljeni podatki se za vsako izmerjeno frekvenco izpisujejo v prikazna okenca in se hkrati

izrisujejo na graf. Med avtomatskim merjenjem je onemogočena uporaba meritve posamezne

frekvence. Izmerjene vrednosti so predstavljene v Bode-jevem diagramu z ločenima grafoma

za fazno in amplitudno karakteristiko. Na logaritemski abcisi so vrednosti frekvence, na ordinati

pa pri fazni karakteristiki fazni zamik v kotnih stopinjah, pri amplitudni karakteristiki pa

amplitudno ojačenje v logaritemski skali dB. Podatke iz Bode-jevega diagrama je za nadaljnjo

obdelavo mogoče izvoziti tudi v .xsx formatu v uporabniškem oknu ali direktno shraniti sliko

izrisanega grafa.

Modul TwinCAT Scope View tudi omogoča povezavo na dodaten programski del PLK-ja

Scope. Omogoča spremljanje časovnega poteka izbranih signalov v realnem času znotraj okna

programa. Graf prikazuje časovni potek krmilnega signala, izmerjenega pretoka skozi ventil in

povprečen položaj bata, ki služi za prikaz stabilnosti nihanja. Med merjenjem se z ukazom

»naloži«, pokliče graf in funkcije urejanja grafa TwinCAT Scope View. S pritiskom na »start«

začne prikazovati signale in s pritiskom na »stop« se prikazovanje ustavi. Ukaz »shrani«

omogoča izvoz grafa. V oknu Scope View lahko uporabnik spremlja potek krmilnega signala

in izmerjen signal pretok, spremlja pa lahko tudi povprečen položaj batnice iz katerega je

mogoče sklepati o pravilnem delovanju regulacije. Program v določenih časovnih intervalih

preverja pri PLK programu, če je ta zaznal odstopanja vrednosti napajalnega tlaka in

temperature hidravlične tekočine izven dovoljene s strani standarda. V kolikor je bilo

odstopanje zaznano, se v levem zgornjem kotu programskega okna prižge rdeča lučka namesto

zelene in izpiše katera vrednost je presegla dovoljene meje. Meritev je v tem primeru

neveljavna.

Slika 6.5: Okno merjenja frekvenčne karakteristike

Za merjenje stopničastega oz. skočnega odziva je potrebno odpreti novo okno (Slika 6.6). V

ukazni vrstici so na voljo trije osnovni ukazi. Ukaz »start« omogoči merjenje hitrosti in vodenje

ventila, ter omogoča uporabniku dostop do ukazov za meritev stopničastega odziva. Ukaz

»stop« ustavi vsa opravila meritve in vodenje ventila, ukaz »zapri« pa zapre okno merjenja

stopničastega odziva. Stopničasti odziv se spremlja preko grafa TwinCAT Scope View, ki ga

je potrebno pred uporabo aktivirati in pognati. V grafu je mogoče spremljati skok krmilnega

signala in odziv pretoka skozi ventil. Ko se v grafu prikazujejo signali, uporabnik izbere želeno

vrednost stopnice vhodnega signala (višina stopnice oz. skoka) in s pritiskom »proži« ukaže

spremembo krmilnega signala. S pritiskom na »nevtralna lega drsnika«, se po opravljeni meritvi

krmilni signal povrne na vrednost nič in posledično drsnik ventila v nevtralno lego.

Slika 6.6: Okno merjenja stopničastega odziva

6.6 Regulacija povprečnega položaja bata

Zaradi nesimetričnosti sistema oz. komponent, ki sestavljajo testno napravo in menjave

frekvence pri meritvi, priteče v valj v eni polovici periode večja količina hidravlične tekočine,

kar ima za posledico odmikanje bata v eno stran valja. Čeprav je pri zajemu podatkov odmik

mogoče kompenzirati, pride bat po določenem času do pokrova valja, ki onemogoča nadaljnjo

sinusno gibanje. Zato je potrebno vzdrževati nihanje batnice okoli središčne lege bata v valju.

Ker je sinusni pomik batnice posledica pretoka, ki ga je potrebno izmeriti, je neposredna

regulacija pomika onemogočena. Središčno sinusno gibanja bata se tako lahko regulira

posredno, preko meritve povprečne vrednosti pomika batnice in zamikom krmilnega signala.

Regulacijski parametri nastavljeni za hiter odziv pri nizkih amplitudah povzročijo nestabilnost

sistema pri velikih amplitudah. Regulacijski parametri nastavljeni pri visoki amplitudi pa pri

nizkih amplitudah pa povzročajo počasen odziv. Pri enaki amplitudi krmilnega signala, se pri

enakih parametrih regulacije odziv pri višjih frekvencah skrajša, delno tudi zaradi amplitudnega

slabljenja in posledično manjše amplitude pretoka. Tako so za regulacijo najbolj kritične visoke

amplitude in nizke frekvence, saj se pretoči v posameznem ciklu največja količina hidravlične

tekočine in se vrednost povprečnega gibanja zaradi dolgih period računa čez manjšo število

ciklov. Za meritev regulacijskega ventila so bili izbrani parametri regulacije pri 75 % amplitudi

in frekvenci 1 Hz. Prvi parametri regulacije so bili izbrani po Ziegler-Nichols metodi, vendar

sistem ni bil stabilen. Po Ziegler-Nichols metodi se proporcionalni člen regulatorja povečuje

do meje, ko začne sistem oscilirati. Izmeri se perioda oscilacije (Slika 6.7) in zapiše kritična

vrednost proporcionalnega člena. S podanima enačbama (6.15) in (6.16) se izračunata še

proporcionalni in integralni člen regulacije PI regulatorja iz prej dobljenih vrednosti.

𝑃 = 0,5 ∙ 𝐾𝑐 = 0,5 ∙ 1,5 = 0,75 (6.15)

𝑇𝐼 =𝐾𝑐

1,2= 5,25 [s] (6.16)

Slika 6.7: Meritev periode nihanja za Ziegler-Nichols metodo

Končni parametri regulacije za PID regulator so bili izbrani na praktični način, inženirsko.

Vrednost proporcionalnega člena se je najprej znižala pod mejo kritične vrednosti, nato se je

večal delež integralnega člena, skoraj do meje stabilnosti. V tej točki je bilo potrebno še manjše

znižanje vrednosti proporcionalnega člena, ter povečevanja diferencialnega člena za želeno

hitrost odziva. Končne uporabljene vrednosti regulacijskih parametrov za dovolj hitro iznihanje

in stabilno delovanje (Slika 6.8) so znašale 1,3 za proporcionalni člen, za periodo integratorja

50 s in periodo diferenciatorja 0,4 s.

Slika 6.8: Regulacija povprečnega položaja bata pri spremembi frekvence iz 1 Hz na 2 Hz in 75 % amplitudi

7 REZULTATI MERITEV

7.1 Testirana ventila

Pri testiranju merilne proge sta bila uporabljena dva različna zvezno delujoča hidravlična potna

ventila. Proporcionalni ventil tip KVP-4/3-5-KO-6-1-10, proizvajalca Poclain hydraulics d.o.o.,

bre prigrajenega senzorja za merjenje in regulacijo pomika drsnika ventila, je bil krmiljen

neposredno z električnim tokom iz PWM modula. Regulacijski proporcionalni ventil tip

4WRPH6, proizvajalca Bosch Rextoth, z regulacijo pomika, pa je bil krmiljen preko

pripadajoče regulacijsko ojačevalne kartice, ki je sprejemala analogni krmilni signal iz PLK

izhoda.

KVP-4/3-5-KO-6-1-10

4/3 potni proporcionalni ventil KVP-4/3-5-KO-6-1-10 (Slika 7.1) proizvajalca Poclain

hydraulics d.o.o. ima imenski pretok 10 l/min in tlak obratovanja do 350 bar. Najvišji električni

tok skozi tuljavo pri 24 V električni napetosti znašajo 1 A, kar pomeni tudi maksimalno odprt

drsnik. Ventil ima močno pozitivno prekritje, ker nima regulacije položaja drsnika in je tako

zagotovljeno zaprtje ventila pri nevtralnem krmilnem signalu. Ventil spada v skupino

preprostih zvezno delujočih ventilov, zato ima pričakovano slabše dinamične lastnosti.

Slika 7.1: 4/3 potni proporcionalni ventil KVP-4/3-5-KO-6-1-10 [13]

Bosch 4WRPH6 C3B12L –2X/G24Z4 /M

Bosch 4WRPH6 (Slika 7.2) je neposredno krmiljen regulacijski proporcionalni ventil z

merjenjem položaja drsnika. Spada v velikostni razred NG6. Položaj drsnika je merjen z

vgrajenim LVDT senzorjem in ojačevalnikom. Nazivni pretok znaša 12 l/min pri tlačni razliki

70 bar, nazivni tlak pa 315 bar. Drsnik je enostransko prožen (proporcionalni magnet samo na

eni strani ventila). Ventil ima linearno pretočno karakteristiko. Je štiri položajni ventil, v

mirovnem položaju ima ničelno prekritje, četrti položaj pa je t.i. varni oz. varnostni položaj (fail

safe) za primere v sili. Pri preklopu v varnostni položaj se zapre tlačni priklop in poveže oba

delovna priključka s povratnim vodom (tlačna razbremenitev aktuatorja). Pripadajoča krmilna

kartica HLP46 regulira položaj drsnika. Podatek o trenutnem položaju sprejema od LVDT

senzorja, želeno vrednost pa preko zunanjega analognega signala. Za aktiviranje varnostnega

položaja ima krmilna kartica posebni digitalni vhod. Kritična frekvenca regulacije položaja

drsnika pri 100 % je za fazni zamik približno pri 30 Hz.

Slika 7.2: 4WRPH6 v prerezu [14]

7.2 Postopek meritve na merilni napravi

Pred meritvijo je potrebno poznati okvirne lastnosti in delovanje testiranega ventila. Po ustrezni

fizični namestitvi ventila na napravo je potrebno ventil v skladu z načinom vodenja ustrezno

povezati z izhodnimi moduli. Pri neposrednem tokovnem vodenju se namestijo priključki za

tuljave, ki so na voljo na merilni napravi. Pri uporabi regulacijske ali ojačevalne kartice, pa se

vhodni signal poveže na signalni pretvornik, ki mu je potrebno ustrezno nastaviti izhodni signal

v skladu s kartico. Pri zagonu električne opreme merilne naprave je potrebno paziti na fizično

vključenost elektronskega vezja senzorja pomika, ki se ga vklaplja s klecnim stikalom, njegovo

delovanje pa indicira rdeča lučka na ohišju.

Pred meritvijo je potreben zagon hidravličnega agregata in nastavitev ustreznih parametrov v

hidravlični napeljavi. Po zagonu črpalke je potrebno nastaviti vrtljaje na okoli 1450 vrtljajev na

minuto, nastavljen reguliran tlak na črpalki mora biti višji od nastavljenega tlaka regulatorja

100 bar pred merilno progo, priporočljivo je nastaviti tlak črpalke približno 125 bar. Pri

nastavljanju črpalke je potrebno, pri vrednostih regulacije, omogočiti tudi maksimalen pretok

črpalke, večji kot je maksimalen pretok potreben med testiranjem. Na vzporedni obtočni veji

za regulatorjem tlaka je potrebno omogočiti minimalen pretok potreben za hlajenje črpalke in

nastavljanje regulatorja. Regulator je potrebno nastaviti na 100 bar, pri čem je v pomoč merilnik

tlaka nameščen zraven regulatorje. Ročica krogličnega ventila na merilni napravi mora biti v

vodoravnem položaju, da je odprt pretok v napravo.

Pri zagonu programa mora uporabnik najprej izbrati med izhodnim signalom ventila in v

primeru tokovnega vodenja ventila vnesti ustrezne vrednosti maksimalnega toka in morebitne

eliminacije ničelnega območja za posamezen ventil. V povratku v osnovni meni se izbere željen

test. Pred testiranjem je v skladu s standardom potrebno opraviti nekaj preklopov ventila, tako

se v načinu ročnega vodenja ventila nekajkrat preklopi med skrajnimi legami.

Frekvenčna karakteristika

Pri izbiri meritev frekvenčne karakteristike se odpre novo okno. Vpisati je potrebno želeno

amplitudo in začetno frekvenco, ter pritisniti »start« za pričetek gibanje ventila in merjenje.

Začetna frekvenca je omejena na minimalno vrednost 0,5 Hz zaradi načina delovanja programa.

Ker je regulacija prilagojena reguliranju položaja med menjavo frekvenc, pri prvem zagonu pa

je po navadi položaj bata v skrajni legi, je potrebno na Scopu pred začetkom zajemanja

podatkov preveriti, da je bat dosegel središčni položaj.

Frekvence lahko testiramo tudi ročno. Najprej se pri frekvenci, ki naj predstavlja izhodišče

amplitudnega ojačenja pritisne »nastavi referenco«, kar sproži postopek zajema meritve

amplitude, relativno na katero se bo računalo amplitudno ojačenje . V naslednjem koraku se

pritisne gumb »izmeri« in izriše se prva točka v grafu. Za naslednjo frekvenco se vpiše v okence

njena vrednost in pritisne »nastavi frekvenco«, tako da sistem menja frekvenco vzbujanja. Pri

spremembi frekvence se v Scopu spremlja iznihanje središčnega položaja, na kar se pritisne

»izmeri« za zajem podatkov druge točke grafa. Za vsako naslednjo izmerjeno frekvenco je

potrebno ponoviti nastavitev frekvence in meritev.

Pri avtomatskem merjenju je potrebno vnesti želeno maksimalno frekvenco, in zagnati

avtomatsko testiranje s pritiskom tipke »avto«. Zgornja meja maksimalne frekvence, ki

omogoča še dobro meritev je odvisna predvsem od izbranega ventila. Avtomatsko testiranje je

mogoče prekiniti s tipko »stop« in nadaljevati testiranje ročno, brez vnovičnega nastavljanja

reference. Za izbris nastavljene reference posamezne meritve je potrebno zapreti okno meritve

frekvenčne karakteristike in ga odpreti na novo za novo meritev. Po končani meritvi se podatki

shranijo bodisi v obliki slik izrisanih grafov (Slika 7.3) ali kot podatki Excel formata.

Slika 7.3: Shranjena slika grafa faznega zamika

Stopničasti odziv

Po odprtju okna za meritev stopničastega odziva je najprej potrebno aktivirati vodenje ventila

in meritev pomika bata s pritiskom na tipko »start«. V okence uporabnik vpiše želeno vrednost

signala med -100 % in 100 % na katero se naj izvrši skočna sprememba. Pred meritvijo je

potrebno aktivirati graf Scope s pritiskom »load« in začeti prikazovanje s pritiskom »start« v

ukazni vrstici grafa. Za skočno spremembo je potrebno pritisniti tipko »proži«, s tipko povrni

v nevtralno stanje pa se krmilni signal skočno spremeni v ničelno vrednost. Po izvedeni skočni

spremembi se s pritiskom »stop«, v ukazni vrstici grafa ustavi nadaljnjo izrisovanje vrednosti.

Na dobljenem grafu je, s pomočjo orodij v oknu grafa potrebno ustrezno povečati in locirati

prikaz odziva pretoka, da omogoča čim lažjo branje z grafa. S postavitvijo kurzorja na črto

signala pretoka se za posamezno točko prikažejo vrednosti pretoka in časa. V prem koraku je

potrebno izmeriti maksimum pretoka, ter izračunati 90 % maksimalne vrednosti. Na to se v

drugem koraku poišče vrednost točko z 90 % vrednostjo pretoka in odčita čas točke. Od

odčitanega časa se odšteje čas točke pri kateri se je spremenil krmilni signal. Časovna razlika

predstavlja odzivni čas ventila za posamezno skočno spremembo.

7.3 Vpliv hidravličnega akumulatorja na rezultate

Za minimiziranje vplivov hidravličnega napajanja (nihanje napajalnega tlaka, pulzacija,

induktivnost tekočine, ..) na izvedbo meritve je predvidena tudi uporaba hidravličnega

akumulatorja, V standardu 10770-1:1998 ni neposrednega priporočila glede velikosti

hidravličnega akumulatorja, postavljena je samo zahteva, da je nihanje napajalnega tlaka

znotraj ± 2,5 %. Zaradi velikih nihanj pretokov pri velikih amplitudah krmilnega signala, je

največje nihanja tlaka pričakovati ravno tam. Testiranje nihanja tlaka je bilo opravljeno z

regulacijskim ventilom pri amplitudi 75 % in frekvenci 1 Hz. Hidravlični akumulatorji so bili

napolnjeni po priporočilih za blaženje sunkov na 80 % napajalnega tlaka. Brez uporabe

hidravličnega akumulatorja, so tlaki močno nihali izven dopustnih mej (Slika 7.4). Za testiran

ventil je nihanje znotraj dopustnih mej zagotavljal že 0,75 litrski hidravlični akumulator. Zaradi

rezerve in morebitnih testiranj večjih ventilov pa je bil na koncu nameščen 2 litrski hidravlični

rezervoar, ki je za izbran ventil blažil nihanje tlaka znotraj 1 bar.

Slika 7.4: Nihanje napajalnega tlaka in tlačne razlika na ventilu ob uporabi različnih hidravličnih akumulatorjev

Pri primerjavi izmerjenih frekvenčnih karakteristik ni opazne večje razlike pri različnih

hidravličnih akumulatorjih oziroma je razlika manjša kot je natančnost merjenja merilne

naprave. Pri podrobnejši analizi dogajanja pri nizkih frekvencah je mogoče opaziti le, da ima

amplitudna karakteristika brez uporabe hidravličnega akumulatorja edina prenihaj v pozitivno

ojačenje pri frekvenci 2 Hz (Slika 7.5) in ima največji fazni zamik pri nizkih (Slika 7.6)

frekvencah.

Slika 7.5: Vpliv uporabljenega hidravličnega akumulatorja na amplitudno ojačenje

1 10 100

Frekvenca (Hz)

Brez uporabe hidravličnega akumulatorja

Hidravlični akumulator 0,75 L

Hidravlični akumulator 2 L

Slika 7.6: Vpliv uporabljenega hidravličnega akumulatorja na fazni zamik

7.4 Padec tlaka na merilnem valju

Standard 10770-1:1998 zahteva čim manjši vpliv merilnega valja na meritev karakteristike

ventila, kar pomeni, da mora biti merilni valj čim manjše hidravlično breme. Tako je v

standardu zahtevano, da je padec tlaka na merilnem valju manjši od 3 bar. Iz izmerjenega poteka

padca tlaka na delovnih priključki povezovalne plošče (Slika 7.7) je razvidno, da je nihanje

tlaka med meritvijo manjše od 2 bar pri amplitudi pretoka 10 l/min in frekvenci 1 Hz. Iz grafa

je razvidna tudi manjša napaka pri kalibraciji izhodiščne točke senzorja, saj mora biti tlačna

razlika polovico cikla pozitivna in polovico cikla negativna, da se bat premika levo in desno.

Vendar pa je razlika med tlaki neodvisna od izhodiščnih točk.

1 10 100

Frekvenca (Hz)

Hidravlični akumulator 2 L

Brez uporabe hidravličnega akumulatorja

Hidravlični akumulator 0,75 L

Slika 7.7: Nihanje padca tlaka na merilnem valju

7.5 Meritev pretočne karakteristike

Na testni napravi je mogoče izmeriti tudi statično krmilno-pretočno karakteristiko. Krmilni

signal se kot v meritvi frekvenčne karakteristike spreminja sinusno, hkrati pa se meri pretok

skozi ventil. Na graf se izrisuje na abscisno os vrednost krmilnega signala na ordinatno os pa

pripadajoča vrednost pretoka za določen krmilni signal v tistem trenutku Meritev omejuje

dovolj nizka frekvenca, da so eliminirani dinamični vplivi in maksimalen pretok, ki še ga

dopušča izbrane konstrukcija merilnega valja za frekvenco. Iz izrisanega grafa je mogoče

razbrati linearnost karakteristike ventila, histerezo pretoka in zamik ničelne točke ventila, torej

simetričnost ventila.

Pri regulacijskem proporcionalnem ventilu je vidna linearna karakteristika z majhnim

odstopanjem ničelne točke ventila in histerezo (Slika 7.8). Pri proporcionalnem ventilu je dobro

vidna nelinearnost ventilove karakteristike (Slika 7.9) in izboljšanje linearnosti ob premiku

najmanjšega močnostnega signala na 230 mA (Slika 7.10). Ker je navadni proporcionalni ventil

počasnejši od regulacijskega proporcionalnega ventila, minimalna frekvenca, ki jo dopušča

regulacija merilne proge še ne odpravi v dovolj veliki meri dinamičnih vplivov. Razbrati je

mogoče simetričnost karakteristike, sam potek pretoka v odvisnosti od krmilnega signala pa ne

velja za čiste statične razmere, kar lahko sklepamo iz že veliko faznih zamikov med signali pri

majhnih frekvencah pri meritvi frekvenčne karakteristike.

Slika 7.8: Statična karakteristika regulacijskega proporcionalnega ventila

Slika 7.9: Izmerjena statična karakteristika navadnega proporcionalnega ventila brez eliminacije ničelnega

področja

Slika 7.10: Izmerjena statična karakteristika navadnega proporcionalnega ventila z eliminacijo ničelnega

področja

7.6 Frekvenčna karakteristika

Frekvenčna karakteristika je bila izmerjena za oba proporcionalna ventila. Pri meritvi

regulacijskega ventila je, v skladu s standardom, bilo izmerjenih vseh pet definiranih amplitud

krmilnega signala (Slika 7.11). Pri nižjih amplitudah, predvsem pri višjih frekvencah je

merjenje amplitud in faznega kota zaradi majhnih amplitud pomikov težavna, kar povzroča

nihanje vrednosti v izmerjeni karakteristiki. Pri izmerjeni amplitudni karakteristiki

regulacijskega ventila je dobro vidno višje slabljenje pri visokih amplitudah in frekvencah.

Vendar pa ima nad določeno mejo amplitude krmilnega signala minimalen vpliv, kar je

razvidno iz bližine med karakteristikama 50 % in 75 % amplitude krmilnega signala. Na grafu

je viden tudi značilen prenihaj v pozitivno amplitudno ojačenja pri 10 Hz in 5 % krmilni

amplitudi Pri faznem zamiku vpliv amplitude krmilnega signala ni opazen (Slika 7.12), oziroma

je manjši kot je nihanje izmerjenih vrednosti. Pri treh zaporednih meritvah se je pokazala dobra

ponovljivost pri amplitudni karakteristiki, majhna odstopanja so edino pri višjih frekvencah

fazne karakteristike, kjer prihaja do nekolikega nihanja karakteristike.

Slika 7.11: Amplitudno ojačenje za regulacijski ventil

Slika 7.12: Fazni zamik regulacijskega ventila

1 10 100

Frekvenca (Hz)75% 5% 10% 25% 50%

1 10 100

Frekvenca (Hz)

75% 50% 5% 10% 25%

Pri testiranju proporcionalnega tokovno vodenega ventila se pojavijo težave zaradi njegovega

pozitivnega prekritja in nelinearne karakteristike. Vpliv pozitivnega prekritja se lahko odpravi

z eliminacijo ničelnega področja, tako da pri prehodu krmilnega signala skozi ničlo tok v tuljavi

ne preide linearno, temveč se skočno spremeni iz določene vrednosti toka, ki zagotavlja še odprt

ventil, v nasprotno vrednost toka, ki odpre ventil v drugo stran. Pri izbranem ventilu je bila

minimalna vrednost toka ±230 mA in maksimalna ±1 A. Tako tok pri spreminjanju krmilnega

signala ni nihal od -1 A do 1 A, temveč od -1A do -230 mA, nakar se je skočno spremenil v

230 mA pri prehodu krmilnega signala ničle in sledil signalu do vrednosti 1 A. Negativna

vrednost toka v tem primeru pomeni, da je tok tekel skozi drugo tuljavo kot v primeru pozivne

vrednosti toka. Kljub eliminaciji ničelnega področja pa je vedno mogoče opaziti nelinearno

karakteristiko ventila v signalu pretoka (Slika 7.13).

Slika 7.13: Zeleni krmilni signal in rdeči signal pretoka skozi proporcionalni ventil pri eliminaciji ničelnega

področja na 230 mA

Pri meritvi frekvenčne karakteristike proporcionalnega ventila z eliminacijo pozitivnega

prekritja so se pojavile težave pri vrednostih manjših amplitud krmilnega signala 10 % in

manjših, zato tudi niso prikazana na grafu. Z večjo vrednostjo eliminacije, bi bilo mogoče

prirediti ventil tako, da bi minimalne vrednosti pretokov pri malih amplitudah še omogočale

meritev karakteristike. Razlike med poteki amplitudnega ojačenja za različne amplitude

krmilnega signala, so pri navadnem proporcionalnem ventilu občutno večje in opaznejše kot

pri regulacijskem ventilu. Prihaja tudi do večjega prenihaja nizkih amplitud in razlike med

kritičnimi frekvencami posameznih amplitud so občutno večje. Zanimiva je primerjava med

amplitudno karakteristiko pri uporabljeni eliminaciji in krmilnem signalu 75 %, ter amplitudno

karakteristiko pri neuporabljeni eliminaciji in amplitudi krmilnega signala 80 % , kar zagotavlja

v obeh primerih enako amplitudo pretoka skozi ventil. Amplitudna karakteristika, je z uporabo

eliminacije, zaradi hitrejšega odpiranja ventila predvsem pri višjih frekvencah boljša (Slika

7.14).

Slika 7.14: Amplitudna karakteristika regulacijskega in proporcionalnega tokovno vodenega ventila

Pri poteku fazne karakteristike proporcionalnega tokovno vodenega ventila je mogoče pri

srednjih frekvencah opaziti hitrejše padanje faznih karakteristik z višjo amplitudo krmilnega

signala oziroma brez eliminacije prekritja (Slika 7.15). Pri nizkih frekvencah je pričakovana

razlika med poteki faznih karakteristik neopazna. Pri višjih frekvencah pa nastopajo zopet

težave z nihanjem poteka karakteristike. Nihanje fazne karakteristike sicer onemogoča

1 10 100

Frekvenca (Hz)75% 5%

10% 25%

50% 75% (tokovno voden)

50% (tokovno voden) 25% (tokovno voden)

80% (brez eliminacije ničelnega področja)

primerjavo fazne karakteristike istega ventila pri različnih amplitudah, omogoča pa dobro

primerjavo med različnimi ventili. Kot je razvidno iz potekov faznih karakteristik

regulacijskega in navadnega proporcionalnega ventila, pada karakteristika navadnega

proporcionalnega ventila hitreje in ima že pri 1 Hz večji fazni zamik.

Slika 7.15: Fazna karakteristika regulacijskega in proporcionalnega tokovno vodenega ventila

7.7 Stopničasti odziv

Pri meritvi stopničastega odziva se je pokazal vpliv dušenja diferencialnega člena na stopniščni

odziv (Slika 7.16). Pri koeficientu dušenja 100 ms so vrednosti pretokov jasne z neopaznim

šumom, vendar pa je odzivni čas skoraj v celoti posledica dušenja in ne odziva venila.

Simulacija izvedena s programom Matlab-Simulink predvideva, pri takšnem dušilnem členu,

odzivni čas približno 230 ms v primeru idealne skočne spremembe hitrosti. Izmerjena vrednost

na ventilu je bila 260 ms, kar bi botrovalo sklepu, da je odzivni čas približno okoli 30 ms.

Vendar pa je pri dušenju z 10 ms koeficientom izmerjena vrednost, pri enaki smeri pretoka in

enaki vrednosti pretoka 26 ms, medtem, ko simulacija predvideva 23 ms zamika zaradi dušenja

na idealni skočno spremembo hitrosti.

1 10 100

Frekvenca (Hz)75% 50%

5% 10%

25% 75 % (tokovno voden)

50% (tokovno voden) 25% (tokovno voden)

80% (brez eliminacije ničelnega področja)

Ker se odzivni čas zaradi dušenja manjša s počasnejšim odzivom skočne spremembe hitrosti,

je pravi odzivni čas, zaradi vpliva dušenja in merilnega sistema težko določiti, lahko pa

primerjamo med seboj dva ventila, saj na oba vpliva merilni sistem približno enako. Zanimivo

je, da ima stopniščni odziv navadnega proporcionalnega ventila krajši odzivni čas od

regulacijskega. Proporcionalni ventil ima odzivni čas pri dušenju s koeficientom 100 ms

odzivni čas 150 ms, med tem ko ima regulacijski ventil 230 ms (Slika 7.17). Daljši odzivni čas

regulacijskega ventila je verjetno posledica ravno regulacije pomika drsnika, saj regulacija

skrbi, da se drsnik pomakne na želeno lokacijo z ne prevelikim prenihajem položaja, kar

upočasni sam odziv ventila. Pri navadnem proporcionalnem ventilu vrednost toka v tuljavi

sunkovito naraste. Prenihaj položaja drsnika ventila pa ni opazen, ker njegovo posledico

prenihaj pretoka zaduši merilni sistem oziroma ni dovolj natančen, da bi ga izmeril. Sklic na

Slika 7.16: Stopničasti odziv navadnega proporcionalnega ventila najprej z dušenjem 100 ms

in nato z dušenjem 10 ms

Slika 7.17: Meritev stopničastega odziva regulacijskega ventila

8 DISKUSIJA

Vizualno spremljanje temperature hidravlične tekočine dodatno obremenjuje uporabnika. Tako

bi bilo potrebno namestiti na dinamično merilno napravo dodatni merilnik temperature in ga

povezati s PLK-jem, da bi lahko vrednost vzorčil in nadziral program. Del kode za nadzor

temperature že ima merilni sistem pripravljen, manjka mu samo še fizični senzor.

V hidravličnem agregatu je tekočina viskoznostnega razreda VG 46, med tem ko standard

zahteva VG 32. Drugi viskoznostni razred sicer ne vpliva na medsebojno primerljivost meritev

na tem preizkuševališču, vendar pa ne omogoča popolne primerjave z rezultati izvedenimi v

skladu s standardom.

Uporaba hidravličnega akumulatorja je zadostila zahtevam standarda po maksimalnih tlačnih

nihanjih, vendar pa je pri izmerjenih rezultatih frekvenčne karakteristike imela minimalen

vpliv. Preveriti bi bilo potrebno še vpliv na meritev stopničastega odziva. Najopaznejši vpliv je

imela uporaba hidravličnega akumulatorja na prenos hidravličnih sunkov z merilne naprave na

hidravlično omrežje v laboratoriju. Z večanjem uporabljenega akumulatorja so se manjšale

vibracije v hidravlični napeljavi, ter posledičnost manjšal hrup. Večina vibracije je ostala na

cevju povratnega voda, kar bi verjetno bilo rešljivo z uporabo hidravličnega akumulatorja na

povratni veji.

Pri meritvi frekvenčne karakteristike je potrebno, za optimalno in čim hitrejše testiranje

prilagoditi parametre regulacije središčnega položaja vsakemu ventilu posebej. Tako bi bilo

potrebno programu dodati možnost nastavljanja parametrov regulacije s strani uporabnika, ki

spremlja nihanje srednje vrednosti položaja preko Scope View. Oziroma v idealnem primeru

avtomatsko nastavljanje parametrov regulacije glede na preizkus obratovanja ventila pred

testiranjem. Optimalno bi bilo tudi spreminjati parametre regulacije tekom meritve in

spreminjanem frekvenc, za ta princip bi bilo potrebno raziskati vpliv frekvence in amplitude

nihanja na optimalne parametre. V trenutnem programu je prehod na novo točko meritve

frekvenčne karakteristike izveden s časovnim intervalom. Za časovni interval je predviden

maksimalen čas iznihanja spreminjanja središčne lege bata in dodaten rezervni čas. Najdaljši

časi iznihanja so pri nizkih frekvencah, kar pomeni, da se pri visokih frekvencah s konstantnim

časom čakanja nepotrebno podaljšuje meritev. Čas celotne meritve se lahko skrajša z

variabilnim časom čakanja na iznihanje ali prehodom na novo točko meritve ne več po

časovnem intervalu, temveč ko program zazna iznihanje.

Program testira zaporedno vedno višje frekvence delovanja. Kar pomeni, da se pretoki tekočine

skozi valj tekom meritve manjšajo in posledično se manjša tudi hlajenje, kar povzroča gretje

olja v valju. Zmanjšanje povišane temperature olja bi lahko dosegli s krajšim časom meritve,

kot predlagajo rešitve navedene zgoraj. Lahko pa se med vsako meritvijo naslednje točke

zažene sekvenca velikih gibov bata in posledično velikih pretokov tekočine, ki ohladijo valj in

zamenjajo olje v njem. Vendar pa ta način močno podaljša čas trajanja celotne meritve.

Pri meritvi frekvenčne karakteristike so dobri rezultati karakteristike amplitudnega ojačenja,

težave se pojavljajo le pri meritvi faznega zamika ob višjih frekvencah, kjer izkazuje izmerjena

fazna karakteristika določen raztros vrednosti. Trenutno merjenje kota faznega zamika poteka

po načelu zajema zadnje izmerjene vrednosti pri posamezni frekvenci. Potrebno bi bilo

preveriti, če bi računanje povprečnega kota faznega zamika iz izmerjenih vrednosti pri meritvi

posamezne frekvence zmanjšalo raztros vrednosti.

Meritve stopničastih odzivov pri spremembi krmilnega signala iz nič na določeno vrednost,

potekajo za uporabnika brez težav, saj uporabnik samo vpiše vrednost in pritisne na gumb.

Enako velja za meritev spremembe krmilnega signala z določene vrednosti na ničelno vrednost,

kjer uporabnik vpiše vrednost krmilnega signala pritisne na gumb, da jo nastavi, počaka na

statične razmere pretoka in s pritiskom nastavitve ničelnega položaja drsnika opravi skočni

odziv na ničelno vrednost krmilnega signala. Pri tej meritvi se lahko pojavijo težave pri

nekoliko večjih pretokih, kjer lahko uporabnik zamudi s pritiskom in bat že pride v skrajno

Težave za uporabnika pa predstavlja meritev odzivnega časa, sprememba med dvema

vrednostnima, kjer mora uporabnik vpisati najprej prvo vrednost, sprožiti pretok in nato vpisati

drugo vrednost ter ponovno sprožiti spremembo. Pri majhnih amplitudah pretokov je to mogoče

brez težav, pri velikih amplitudah pa za uporabnika nemogoče. Tako bi bilo potrebno, za zadnji

način meritve sprogramirati posebno programsko rutino, ki nastavi prvo želeno vrednost

krmilnega signala, preveri ustaljenost pretoka in sproži spremembo na drugi želeno vrednost.

Ta rutina bi rešila tudi težave pri velikih pretokih meritve skočne spremembe na ničelno

vrednost.

Pri meritvi stopničastega odziva bi bilo smiselno dodatno raziskati vpliv dušenja in merilnega

sistema na odzivni čas merjenega hidravličnega ventila. Čeprav trenutno poznavanje razmer in

vplivov na merilni napravi ne daje definitivnega kvantitativnega rezultata odzivnega časa

ventila, je vseeno mogoče dobro kvalitativno med seboj primerjati meritve istega ventila,

oziroma ventila na osnovi meritev opravljenih na tej progi.

Meritev statične karakteristike ventila krmilni signal-pretok, je bila opravljena znotraj

programskega okna za programiranje PLK programa, do katerega uporabnik nima dostopa v

primeru normalne uporabe merilnega sistema. Programski aplikaciji bi se lahko dodalo novo

okno, ki bi omogočalo to meritev znotraj Windows aplikacije, vendar bo ta meritvena možnost

ob kasnejši priključitvi statične merilne proge merilnemu sistemu postala nesmiselna.

Električni in programski del merilne proge je mogoče uporabiti za meritev dinamične

karakteristike celotnega hidravličnega sistema z valjem in zvezno delujočim potnim ventilom.

Potrebno je le prestaviti senzor pomika na valj v sistemu in priklopiti vodenje ventila na izhodne

module. Tako je mogoče spremljati vpliv uporabe različnih komponent, hidravličnih tekočin in

obratovalnih pogojev na dinamične karakteristike izbranega hidravličnega sistema.

9 SKLEP

Namen magistrskega dela je bil preučiti metode testiranj, zasnovati merilno napravo in izvesti

postopek za določanje karakteristik hidravličnih zvezno delujočih, regulacijskih potnih

ventilov. Glede na preučene metode testiranja dinamičnih karakteristik omogoča zasnovana

merilna naprava izvedbo vseh vrst preizkusov navedenih v standardu, seveda z omejitvami

glede na amplitude, frekvence in natančnost meritve. Fizični del merilne naprave zadosti

zahtevam standarda v vsem, razen v merjenju temperature na vstopu v ventil in v

viskoznostnem razredu uporabljene tekočine. Prvi zahtevi se z namestitvijo senzorja v trenutku

zadosti, glede druge, pa standard dopušča tudi možnost navajanja uporabljene tekočine zraven

rezultatov. Programski del meritve frekvenčne karakteristike deluje brez težav, razen z manjšim

raztrosom pri meritvi faznega zamika pri višji frekvencah. Prav tako deluje brez težav meritev

stopniščnega odziva. Potrebno bi bilo le še pri obeh meritvah nekoliko poenostaviti postopek

meritev za uporabnika in preučiti možnosti zagotavljanja čim večje natančnosti meritev.

Rezultati meritev potrjujejo, da je mogoče z zasnovano merilno napravo, izmeriti dinamične

karakteristike različnih ventilov in jih primerjati med seboj, kar je tudi bil glavni cilj tega dela

10 LITERATURA

[1] ISO 10770-1, "Hydraulic fluid power-Electrically modulated hydraulic control valves-

Part 1: test methods for four-port directional flow-control valves", ISO, 1998.

[2] Darko Lovrec: Fluidna tehnika - osnove hidravlike. Maribor: Univerza v Mariboru

Tehniška fakulteta, 1991.

[3] Vojko Kolar: Postopki preizkušanja elektrohidravličnih potnih ventilov. Maribor:

Univerza v Mariboru Tehniška fakulteta, 1991.

[4] D. Merkle, B.Schrader, M. Thomes: Hydraulics Basic Level. Festo Didactic KG,

[5] D. Scholz: Proportional hydraulics. Esslingen: Festo Didactic KG, 1996.

[6] Directional spool valve typa NSWP2 [svetovni splet]. Dostopna na WWW:

http://downloads.hawe.com/7/4/D7451N-en.pdf [7.8.2016]

[7] Hawe Fluilexicon [svetovni splet]. Dostopna na WWW: https://www.hawe.com/en-

si/fluid-lexicon/ [7.8.2016]

[8] EVS 3100 [svetovni splet]. Dostopna na WWW: http://www.hydac.com/de-

en/products/sensors/flow-rate-sensors/flow-rate-transmitters/evs-3100.html [7.8.2016]

[9] ACT LVDT Displacement Transducer [svetovni splet]. Dostopna na WWW:

http://www.rdpe.com/ex/act.htm [7.8.2016]

[10] Proportional directional spool valve type EDL [svetovni splet]. Dostopna na WWW:

http://downloads.hawe.com/8/0/D8086-en.pdf [7.8.2016]

[11] 4/2 and 4/3-Way Proportional Directional Control Valve Direct Operated [svetovni

splet]. Dostopna na WWW: https://dc-

us.resource.bosch.com/media/us/products_13/product_groups_1/industrial_hydraulics

_5/pdfs_4/ra29057.pdf [7.8.2016]

[12] JUMPFLEX® Signal Conditioners (857 Series) [svetovni splet]. Dostopna na WWW:

http://global.wago.com/en/products/product-catalog/interface-

electronics/transducers/jumpflex-transducers-857-series/index.jsp [7.8.2016]

[13] KVP-4-3-5KO-6 [svetovni splet]. Dostopna na WWW: http://www.poclain-

hydraulics.com/en/products/valves/directional-control-valves/kvp-4-3-5ko-6

[7.8.2016]

[14] 4/2 and 4/3-Way Proportional Directional Control Valve Direct Operated [svetovni

splet]. Dostopna na WWW: https://dc-

us.resource.bosch.com/media/us/products_13/product_groups_1/industrial_hydraulics

_5/pdfs_4/re29028.pdf [7.8.2016]

[15] LVDT Signal Conditioner AD598. Dostopna na WWW:

http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD598.pdf

[7.8.2016]

REGULACIJSKIH POTNIH VENTILOV · UPORABLJENI SIMBOLI ... Ventili z batom omogočajo izravnavo...

Documents

Certificiranje plastičnih tlačnih cijevnih sustava za

POSLOVNI NAČRT PODJETJA HIŠNI MOJSTER d.o.o. · Ugotovili smo namreč, da je pri malih popravilih težava ravno v prevelikih potnih stroških. Ta pristop pa bo omogočil učinkovito

GTZ-OKOJE-SPL-01 - Ministrstvo za notranje zadeve · Web viewGTZ-OKOLJE-NIVOJI-10 Za strego statičnih datotek (html, slike, …) je predviden odprtokodni strežnik Apache. GTZ-OKOLJE-NIVOJI-20

Stjepan Jurman bacc.ing.sec.dvd.hr/media/docs/Prirucnikzamladez.pdfOprema na svim natjecateljskim stazama mora biti istovrsna. Sprave i oprema za vježbu Obje spojnice tlačnih C cijevi

TRŽENJE POTNIH STORITEV - B&B · 2020. 5. 19. · Modul: Strokovni sodelavec za poštni promet TRŽENJE POTNIH STORITEV Mentorica: Barbara Galičič Drakslar, univ. dipl. ekon.

PRISTUP ZA PROJEKTIRANJE TLAČNIH SPREMNIKA - predavanje

Optimizacija ukrućenih tlačnih pojasnica u sandučastom ... · Proračun izbočivanja ne ovisi izravno o rasponu mosta, međutim, kako su u obzir uzeti i utjecaji zaostajanja posmika

VISOKO BLAZINJENJE · ter zagotavlja primerno nosilnost konstrukcije pri statičnih in dinamičnih obremenitvah. Izbor ustrezne konstrukcije narekujejo tudi oblika in dimenzije. Za

PowerPointova predstavitev - ZRSZ · Video predstavitev Kontaktnega centra na povezavi. Informativni seminar 1. Zavarovanje za primer brezposelnosti 2. Nadomestilo potnih in poštnih

Evidenčno knjiženje potnih nalogovhelp.icenter.si/images/opn-evidencno_knjizenje.pdfKo preko že zgoraj omenjenega postopka priprave za DK – evidenčno, pripravimo evidenčne vknjižbe

Studija za pružanje multimodalnih informacija u · pomoći (kao što je pomoć na licu mjesta); Vrste statičnih cestovnih podataka - Razina usluge 3 Podaci nisu dostupni/ne prikupljaju

Optimizacija ukrućenih tlačnih pojasnica u sandučastom ... · Na slici 1. stvarna ukrućenja se mogu grupirati u nekoliko karakterističnih tipova. Sva ta ukrućenja su zatvorenog

PRINCIPLES OF WATER HAMMER … · nerira oscilacije tlačnih višin različnih frekvenc in amplitud. Frekvenca in oblika tlačnih valov sta

GTZ-OKOJE-SPL-01 - Ministrstvo za delo, družino, … · Web viewGTZ-OKOLJE-NIVOJI-10 Za strego statičnih datotek (html, slike, …) je predviden odprtokodni strežnik Apache. GTZ-OKOLJE-NIVOJI-20

Detekcija sudara pomoću Unity3d - Tehnička … · Web viewScena se sastoji od 59 statičnih sudarača te 324,200 trokuta za iscrtavanje. U sceni je također 800 čestica koje se

Turčija, dežela z dvema dušama;Turčija, dežela z dvema dušama; evropsko Tracijo in azijsko Anatolijo avgust – september 2014 Po pripetijah, ki smo jih glede potnih listov zakvačkali

Elektronički korisnički priručnik za Philips LCD monitor · Neprekidan prikaz mirnih ili statičnih slika na zaslonu tijekom duljeg razdoblja može rezultirati "izgorenom" slikom,

POTNI NALOGI IN BLAGAJNA - Miring · 9 Vrste potnih nalogov določajo konto, na katerega se knjiži obveznost po nalogu, konto na katerega se knjiži morebitni predujem ter določajo

Trajnost digitalnih izdaj - Uporaba statičnih spletnih ......portal Zgodovina Slovenije – SIstory.2 Pri tem se bom omejil samo na statične spletne strani, ki jih generiramo iz

ELEMENTI napojnega sistema TA-NR NAPOJNI SISTEM … · Sistem TA-APT zmore kapacitete do 1100 kg/h v črpalnem načinu in do 4000 kg/h kot odvajalnik kondenzata, odvisno od tlačnih