Los sensores de presión mejoran la precisión y la confiabilidad

El control de circuito cerrado de las máquinas es clave para aumentar la productividad y reducir los costos del ciclo de vida. El monitoreo automático de la presión hidráulica es necesario en aplicaciones hidráulicas donde se requiere una aplicación de presión precisa. Las válvulas de alivio previenen condiciones inseguras asegurando que la presión hidráulica no exceda los valores nominales. Sin embargo, son malos controladores de presión o fuerza. La válvula de alivio solo limita la presión o la fuerza, y solo en un lado del pistón. Por otro lado, el uso de un sensor de presión permite un control preciso de la presión o fuerza aplicada.

Las aplicaciones comunes, como los sensores de presión y las máquinas de moldeo por inyección, han utilizado sensores de presión con éxito durante muchos años, pero también están floreciendo muchas áreas de aplicación nuevas. Por ejemplo, los materiales y los sistemas de prueba de producción están experimentando una transformación a medida que crece la conciencia y el conocimiento sobre cómo se pueden aplicar los sensores de presión a las pruebas no destructivas.

Comience con lo básico

Los sensores de presión a menudo se usan en pares para aplicaciones de control de fuerza. Se usan sensores separados para monitorear la presión en cada lado del pistón (vea la Figura 1). Esto permite calcular la diferencia de fuerza usando la fórmula:

fuerza = Peducación FísicaUnaeducación Física-PAGSEquipo originalUnaEquipo original

en:
PAGSeducación Físicaes la presión en el extremo de potencia del pistón,
Aeducación Físicaes el área del extremo de potencia del pistón,
PAGSEquipo originales la presión en el otro extremo del pistón,
AEquipo originales el área del extremo opuesto del pistón.

Este cálculo proporciona la fuerza neta real además de la fricción del sello.

Tiempo de respuesta — Los sensores de presión deben responder rápidamente a los cambios de presión. Especialmente en aplicaciones como prensas, la rápida aplicación de fuerza produce cambios extremadamente rápidos en la presión del fluido. Los sensores de presión a menudo se clasifican según la rapidez con la que responden a los cambios de presión, y estas especificaciones generalmente se dan en tiempo de subida o tiempo para cambiar como un porcentaje de la escala completa. Un buen controlador puede leer la presión cada milisegundo, por lo que si el sensor de presión responde lentamente, la velocidad del controlador no se está utilizando por completo.

Las diferencias en las clasificaciones de tiempo de respuesta a veces hacen que la comparación de especificaciones sea un desafío. Los sensores con clasificaciones medidas en constantes de tiempo deben saber que después de tres constantes de tiempo, el sensor estará dentro del 5 % de la presión real después de un cambio de paso. Es más o menos lo mismo si el tiempo de respuesta se especifica como el tiempo que tarda la respuesta en pasar del 5 % al 95 % de la escala completa. En ambos casos, si se usa un controlador de 1 ms, la respuesta debe estar dentro del 5 % después de 1 ms.

retroalimentación — Los dos tipos más comunes de retroalimentación de los sensores de presión son el voltaje y la corriente. La retroalimentación de voltaje suele estar en el rango de 0-5 V o 0-10 V, mientras que la retroalimentación de corriente suele ser de 4-20 mA. Por lo general, hay otros rangos de voltaje y corriente disponibles. Los sensores de presión con retroalimentación de voltaje se usan principalmente en entornos de laboratorio donde el ruido eléctrico y las líneas largas no son un factor. En entornos industriales, la salida preferida del sensor de presión es una corriente variable de 4-20 mA. Es menos probable que una señal de sensor de presión con una salida de corriente capte ruido eléctrico que un sensor que produce un voltaje variable.

Otra gran ventaja de usar un sensor con una salida de corriente es la resolución de problemas. Existe una forma estándar de determinar si un sensor funciona correctamente. Si el sensor de voltaje devuelve un valor de 0 V, podría ser un cero real, pero también podría significar que se cortó el cable o que el sensor no tiene energía. Por el contrario, un sensor de 4-20 mA está configurado con una salida de 4 mA que representa presión cero y una salida de 20 mA que representa la presión nominal completa (puede ser de 3000 o 5000 psi según el sensor seleccionado). Si la entrada analógica en el controlador ve 0 mA de uno de estos sensores de presión, sabe que el cable se ha cortado o se ha cortado la alimentación.

La conexión de un controlador de movimiento a un sensor de presión analógico requiere una conversión de señal analógica a digital. Para facilitar al máximo las tareas de interfaz, los fabricantes de máquinas deben buscar controladores de movimiento hidráulicos con convertidores AD integrados. Con dicho controlador, la salida del sensor se puede conectar directamente a la entrada analógica del controlador.

ubicación, ubicación, ubicación — La ubicación donde se instala el sensor de presión en el sistema es un factor crítico para una operación satisfactoria. Lo mejor es montar el sensor de presión lo más cerca posible del punto de interés en el cilindro, como se muestra en la Figura 1. Las razones son las siguientes:

Primero, el flujo en el área más grande del cilindro es menos turbulento en comparación con los puertos estrechos del colector. La turbulencia causará lecturas «ruidosas» y posiblemente lecturas de presión más bajas. Para entender esto, considere el ejemplo de usar una manguera para fertilizar su césped y usar un sistema venturi para aspirar el fertilizante de un recipiente debajo de la boquilla. El fertilizante se introduce en la boquilla debido a la baja presión debida al flujo de agua a través del venturi. Los sensores de presión instalados en áreas de alto flujo medirán presiones más bajas de manera similar. La ecuación de Bernoulli muestra esto. Sin embargo, si solo está interesado en la presión sin flujo, esto probablemente no importe.

En segundo lugar, la distancia entre el punto de interés y el sensor de presión provoca latencia. Las ondas de presión viajan a la velocidad del sonido en el aceite, alrededor de 4,5 pies por milisegundo. Un sensor de presión a 45 pies del punto de interés tuvo un retraso de 10 milisegundos antes de observar cambios en la presión hidráulica en ubicaciones clave. No tiene sentido comprar un sensor de presión con una respuesta de 200 microsegundos e instalarlo lejos del punto de interés.

En tercer lugar, los cambios de presión del fluido de alta frecuencia tienden a disminuir con el aumento de la distancia, por lo que la gravedad de los picos de presión que se producen a distancias del sensor de presión pueden pasar desapercibidos. Los sensores de presión generalmente se montan en el orificio entre el punto de interés y el sensor. Esto protege a los sensores en sistemas propensos a picos de presión, pero reduce la fidelidad de la respuesta de control. Es mejor abordar las causas de los picos de estrés que corregirlos.

Proteja el sensor de presión

Los sensores de presión pueden fallar cuando se someten a picos de presión extremos. Por lo tanto, deben seleccionarse para manejar picos de presión más grandes de lo que se espera que ocurran en la aplicación. Pero existe la posibilidad de que los picos de presión superen las expectativas. Una buena forma de proteger el sensor es usar un pequeño acumulador entre la válvula de control y el pistón del cilindro. Sin embargo, esta es una mala práctica de diseño ya que el acumulador ralentiza la respuesta del sistema de control y por lo tanto interfiere con el control de fuerza. Pero precargar el acumulador a una presión superior a la presión del sistema evita que absorba aceite durante el movimiento normal o el control de presión, por lo que no se produce una degradación del rendimiento. Si hay un pico de presión, será absorbido por el acumulador. El acumulador no necesita ser muy grande.normalmente,Simplemente absorba unas pocas pulgadas cúbicas de aceite. Hay dispositivos en línea para la absorción de impactos, en realidad son solo pequeños acumuladores tipo vejiga.

Incluso cuando el sistema funciona bien, hay picos. Por ejemplo, una cepilladora en un aserradero tiene un rodillo de presión que usa cilindros hidráulicos para aplicar presión para sujetar los tablones mientras planean, Figura 2. Los rodillos generalmente ruedan sobre cada tablón por turno, pero los tablones no suelen tener el mismo grosor. Si la parte superior de una tabla es 18 pulgadas más alta que la tabla anterior, el rollo se empujará hacia arriba 18 pulgadas. Esto provoca un aumento rápido de la presión ya que la válvula no responde inmediatamente al movimiento del carrete. Sin embargo, un acumulador pequeño solo necesita absorber 0,4 pulgadas de aceite para llegar a 2 pulgadas. Cilindro. Esta es una pequeña cantidad de aceite, pero protege de manera confiable el sensor de presión contra daños.

En conclusión

Al seleccionar, instalar y proteger adecuadamente los sensores de presión, los diseñadores pueden marcar una gran diferencia en la confiabilidad y el rendimiento en muchas aplicaciones de control hidráulico que requieren una respuesta rápida a los cambios de presión.

Peter Nachtwey trabaja para Delta Computer Systems Inc. en el campo de batalla del estado de Washington. Para más información póngase en contacto con él peter@deltamotion.com o visitar www.deltamotion.com .

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