UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Rok PAHIČ METODE DOLOČANJA KARAKTERISTIK HIDRAVLIČNIH REGULACIJSKIH POTNIH VENTILOV Magistrsko delo študi

Transkripcija

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO Rok PAHIČ METODE DOLOČANJA KARAKTERISTIK HIDRAVLIČNIH REGULACIJSKIH POTNIH VENTILOV študijskega programa 2. stopnje Strojništvo Maribor, avgust 2016

2 METODE DOLOČANJA KARAKTERISTIK HIDRAVLIČNIH REGULACIJSKIH POTNIH VENTILOV Študent: Študijski program 2. stopnje: Smer: Rok PAHIČ Strojništvo Konstrukterstvo Mentor: Somentor: izr. prof. dr. Darko LOVREC doc. dr. Vito TIČ Maribor, avgust 2016

3 Vložen original sklepa o potrjeni temi magistrskeg I

4 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: II

5 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. III

6 METODE DOLOČANJA KARAKTERISTIK HIDRAVLIČNIH REGULACIJSKIH POTNIH VENTILOV Ključne besede: Hidravlični regulacijski ventili, dinamične karakteristike, meritev karakteristik hidravličnih ventilov UDK: (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 :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. IV

7 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: (043.2). ABSTRACT In the thesis the measurement track for testing dynamic characteristics of hydraulic valves is designed and constructed in accordance with ISO : 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. V

8 KAZALO 1 UVOD HIDRAVLIČNI VENTILI IN NJIHOVA DELITEV Potni ventili Zvezno delujoči ventili KARAKTERISTIKE VENTILOV Karakteristike zvezno delujočih potni ventilov METODE TESTIRANJA ZVEZNO DELUJOČIH POTNIH VENTILOV S ŠTIRIMI PRIKLJUČKI ISO : Dinamični testi ZASNOVA MERILNEGA SISTEMA IN UPORABLJENE KOMPONENTE PRI MERITVI DINAMIČNIH KARAKTERISTIK WPF in Windows aplikacija merjenja karakteristik ventila Sistem vodenja testne naprave in zajemanja podatkov Zagotavljanje hidravlične moči na merilni progi Senzorji Hidravlični valj za merjenje pretoka pri dinamični karakteristiki MERILNA PROGA DINAMIČNIH KARAKTERISTIK Mehanska zasnova Merjenje pretoka Realno časovni del programske kode merilne naprave Krmiljenje ventila Windows program za uporabniški vmesnik merjenja karakteristik ventila Regulacija povprečnega položaja bata REZULTATI MERITEV VI

9 7.1 Testirana ventila Postopek meritve na merilni napravi Vpliv hidravličnega akumulatorja na rezultate Padec tlaka na merilnem valju Meritev pretočne karakteristike Frekvenčna karakteristika Stopničasti odziv DISKUSIJA SKLEP LITERATURA VII

10 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] Slika 3.2: Pretočna karakteristika proporcionalnega ventila [10] Slika 3.3: Primer frekvenčne karakteristika proporcionalnega potnega ventila [11] Slika 4.1: Bodejev diagram pri različnih amplitudah vhodnega signala [1] Slika 4.2: Meritev stopničastega odziva [1] Slika 5.1: Osnovni meni merjenja karakteristik potnih ventilov Slika 5.2: Meni ročnega vodenja ventila Slika 5.3: Meni nastavljanja podatkov testiranega ventila Slika 5.4: Opravila PLK programa in predpisana jedra Slika 5.5: Vmesnik EK1100 z vhodno/izhodnimi moduli Slika 5.6: Wago Jumplex 857 bipolarni izolacijski ojačevalnik [12] Slika 5.7: Priključno mesto merilne proge Slika 5.8: Hidravlični agregat Slika 5.9: Nivojsko-temperaturni senzor ENS Slika 5.10: Uporabljena tlačna senzorja Rexroth HM 12 10/315 (spodaj) in Rexroth HM 15 10/315 (zgoraj) Slika 5.11: ACT LVDT senzorji [9] Slika 5.12 AD598 funkcijski diagram [15] Slika 5.13: Vezalna shema čipa AD598 [15] Slika 5.14: Izdelano vezje ojačevalnika v ohišju Slika 5.15: Merilni valj v prerezu [3] Slika 6.2: Hidravlična shema Slika 6.1: Fizična izvedba merilne proge dinamičnih karakteristik Slika 6.3: Bode-jev diagram funkcijskega bloka odvajanja z ustrezno izbranimi koeficienti za frekvenci 1 Hz in 10 Hz VIII

11 Slika 6.4: Vpliv koeficienta dušenja na stopničasti odziv (moder-nedušen, rdeč: Ts=10 ms, rumen: Ts=100 ms) Slika 6.5: Okno merjenja frekvenčne karakteristike Slika 6.6: Okno merjenja stopničastega odziva Slika 6.7: Meritev periode nihanja za Ziegler-Nichols metodo Slika 6.8: Regulacija povprečnega položaja bata pri spremembi frekvence iz 1 Hz na 2 Hz in 75 % amplitudi Slika 7.1: 4/3 potni proporcionalni ventil KVP-4/3-5-KO [13] Slika 7.2: 4WRPH6 v prerezu [14] Slika 7.3: Shranjena slika grafa faznega zamika Slika 7.4: Nihanje napajalnega tlaka in tlačne razlika na ventilu ob uporabi različnih hidravličnih akumulatorjev Slika 7.5: Vpliv uporabljenega hidravličnega akumulatorja na amplitudno ojačenje Slika 7.6: Vpliv uporabljenega hidravličnega akumulatorja na fazni zamik Slika 7.7: Nihanje padca tlaka na merilnem valju 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 Slika 7.11: Amplitudno ojačenje za regulacijski ventil Slika 7.12: Fazni zamik regulacijskega ventila Slika 7.13: Zeleni krmilni signal in rdeči signal pretoka skozi proporcionalni ventil pri eliminaciji ničelnega področja na 230 ma Slika 7.14: Amplitudna karakteristika regulacijskega in proporcionalnega tokovno vodenega ventila Slika 7.15: Fazna karakteristika regulacijskega in proporcionalnega tokovno vodenega ventila Slika 7.16: Stopničasti odziv navadnega proporcionalnega ventila najprej z dušenjem 100 ms Slika 7.17: Meritev stopničastega odziva regulacijskega ventila IX

12 KAZALO PREGLEDNIC Tabela 1: Zahtevani pogoji testiranja [1] Tabela 2: Razredi meritev glede na dovoljeno sistematsko napako [1] Tabela 3: Priporočene vrednosti vhodnega signala med testiranjem [1] Tabela 4: Priporočene vrednosti vhodnega signala med testiranjem [1] X

13 UPORABLJENI SIMBOLI f vzbujanja - frekvenca vzbujanja primarne tuljave V vzbujanja - napetost vzbujanja primarne tuljave V sekundarna - napetost na sekundarni tuljavi VTR - prestava transformatorja v skrajni merilni legi C 1, C 2, C 3, C 4 - kapacitivnosti kondenzatorjev f pasovne širine - frekvenca pasovne širine S - občutljivost senzorja V A - napetost na navitju A V B - napetost na navitju B d max - maksimalen pomik jedra R 2, R 5, R 6 - električni upori V - volumski pretok V max - maksimalen volumski pretok t - čas ω - kotna hitrost A - presek valja x - pomik bata x - hitrost pomika bata V - volumen hidravlične tekočine v valju d - premer valja f - frekvenca x - hod bata T S - koeficient odvajanja T D - koeficient dušenja G(s) - prenosna funkcija diferenciatorja XI

14 UPORABLJENE KRATICE ISO LVDT PLK WPF International Organisation for Standardization Linear variable differential transformer Programabilni logični krmilnik Windows Presentation Foundation XII

15 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. 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. 1

16 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. 2

17 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] 3

18 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] 4

19 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. Pozitivno prekritje Negativno prekritje Ničelno prekritje Slika 2.4: Vrste prekritij pri ventilih z drsnikom [4] 5

20 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 6

21 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. 7

22 Slika 2.6: Dvostopenjski servoventil :[2] 8

23 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 9

24 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. 10

25 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. 11

26 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 lego. 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 12

27 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] 13

28 4 METODE TESTIRANJA ZVEZNO DELUJOČIH POTNIH VENTILOV S ŠTIRIMI PRIKLJUČKI ISO :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). 14

29 Tabela 1: Zahtevani pogoji testiranja [1] Temperatura okolice (20 ±5) C Filtracija V skladu z ISO 4406 Hidravlična tekočina Temperatura hidravlične tekočine Komercialna mineralna hidravlična olja (ISO ) ali druge hidravlične tekočine primerne ventilu. (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 A B C 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 15

30 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. 16

31 Slika 4.1: Bodejev diagram pri različnih amplitudah vhodnega signala [1] Tabela 3: Priporočene vrednosti vhodnega signala med testiranjem [1] Prekritje ventilnega drsnika Drsnik z negativnim ali ničelnim prekritjem Drsnik s pozitivnim prekritjem Enosmerna komponenta vhodnega signala v (%) Sinusna komponenta vhodnega signala v (%) ± 5 ± 10 ± 25 ± 50 ± 75 ± 5 ± 10 ± 25 ± 5 ± 10 ± 25 17

32 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] 18

33 Tabela 4: Priporočene vrednosti vhodnega signala med testiranjem [1] Začetna vrednost krmilnega signala (%) Končna vrednost krmilnega signala (%)

34 5 ZASNOVA MERILNEGA SISTEMA IN UPORABLJENE KOMPONENTE PRI MERITVI DINAMIČNIH KARAKTERISTIK Kot priporoča standard ISO :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 20

35 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. 21

36 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 22

37 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. 23

38 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 24

39 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. 25

40 Slika 5.5: Vmesnik EK1100 z vhodno/izhodnimi moduli Slika 5.6: Wago Jumplex 857 bipolarni izolacijski ojačevalnik [12] 26

41 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). 27

42 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 mm 2 /s pri 40 C. 28

43 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 29

44 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. 30

45 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 31

46 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 32

47 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. 33

48 C 1 = 35 [μf Hz] 35 [μf Hz] = = 14 [nf] 15 [nf] (5.1) f vzbujanja 2500 [Hz] V vzbujanja = V sekundarna VTR = 3 0,435 = 1,3 [V] (5.2) C 2 = C 3 = C 4 = 10 4 [F Hz] = 10 4 [F Hz] = 400 [nf] 330 [nf] (5.3) f pasovne širine 250 [Hz] S = (V A V B ) V vzbujanja d max = 2,42 [V] = 0,0192 1,8 V 70 [mm] [mm 1 ] (5.4) R 2 = V izhodna (V A +V B ) S V vzbujanja 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) R [kω] ( 1,2 [V] R4+5 [kω] +V izhodna +250 [μa]) 4 R2 100 [μa] [Ω] (5.6) R [kω] ( 1,2 [V] 20 [V] [μa]) +5 [kω] 4 15 [kω] 100 [μa] [Ω] = 58 [kω] 82 [kω] (5.7) R 6 V napajanja 100 [μa] R 5 = 24 [V] 100 [μa] 82 [kω] = 158 [kω] 150 [kω] (5.8) Slika 5.14: Izdelano vezje ojačevalnika v ohišju 34

49 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] 35

50 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 36

51 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 37

52 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 V = d(a x) dt = A dx = A x (6.1) dt 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. 38

53 V = V max sin(ω t) (6.2) V = A dx dt (6.3) x 2 t dx = V 2 x dt t = 2 V max sin(ω t) dt 1 0 A 0 A (6.4) x 2 x 1 = V max ω A ( cos(ω t 2) + cos(0)) = V max ω A ( cos(ω t 2) + 1) (6.5) x = V = V max sin(ω t) = 0 (6.6) A A ω t = k π (6.7) t 2 = 0 (6.8) x 2 x 1 = V max ω A ( cos(ω t 2) + 1) (6.9) x = 2 V max ω A (6.10) x d 2 π 2 π f 2 4 = V max (6.11) 29,6 [ l min ] f = V 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. 39

54 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 40

55 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) = T S s 1+T D s (6.13) G(s) = 1 s 1885 [ms] 1+ 2 π f s (6.14) 41

56 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 42

57 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. 43

58 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. 44

59 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. 45

60 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 PLKju 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 46

61 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. 47

62 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. 48

63 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 49

64 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 K c = 0,5 1,5 = 0,75 (6.15) T I = K c = 6,3 = 5,25 [s] (6.16) 1,2 1,2 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 50

65 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 51

66 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 , 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 /3 potni proporcionalni ventil KVP-4/3-5-KO (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 [13] 52

67 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 53

68 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 54

69 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 55

70 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 :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. 56

71 Slika 7.4: Nihanje napajalnega tlaka in tlačne razlika na ventilu ob uporabi različnih hidravličnih akumulatorjev 57

72 Amplitudno ojačenje (db) 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 Frekvenca (Hz) Brez uporabe hidravličnega akumulatorja Hidravlični akumulator 0,75 L Hidravlični akumulator 2 L Slika 7.5: Vpliv uporabljenega hidravličnega akumulatorja na amplitudno ojačenje 58

73 Fazni zamik ( ) Frekvenca (Hz) Hidravlični akumulator 2 L Brez uporabe hidravličnega akumulatorja Hidravlični akumulator 0,75 L Slika 7.6: Vpliv uporabljenega hidravličnega akumulatorja na fazni zamik 7.4 Padec tlaka na merilnem valju Standard :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. 59

74 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. 60

75 Slika 7.8: Statična karakteristika regulacijskega proporcionalnega ventila Slika 7.9: Izmerjena statična karakteristika navadnega proporcionalnega ventila brez eliminacije ničelnega področja 61

76 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. 62

77 Fazni zamik ( ) Amplitudno ojačenje (db) Frekvenca (Hz) 75% 5% 10% 25% 50% Slika 7.11: Amplitudno ojačenje za regulacijski ventil Frekvenca (Hz) 75% 50% 5% 10% 25% Slika 7.12: Fazni zamik regulacijskega ventila 63

78 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 64

79 Amplitudno ojačenje (db) 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) Frekvenca (Hz) 75% 5% 10% 25% 50% 75% (tokovno voden) 50% (tokovno voden) 25% (tokovno voden) 80% (brez eliminacije ničelnega področja) 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 65

80 Fazni zamik ( ) 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 % 50% Frekvenca (Hz) 5% 10% 25% 75 % (tokovno voden) 50% (tokovno voden) 25% (tokovno voden) 80% (brez eliminacije ničelnega področja) 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. 66

81 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 sliko Slika 7.16: Stopničasti odziv navadnega proporcionalnega ventila najprej z dušenjem 100 ms in nato z dušenjem 10 ms 67

82 Slika 7.17: Meritev stopničastega odziva regulacijskega ventila 68