hysteresis - proportional valve
TRANSCRIPT
Phần 1: MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Van tuyến tính (hay còn có tên khác là van tỉ lệ). Loại này trong máy ép nhựa
dùng nhiều: điều khiển lưu lượng và áp suất.
Trong những năm gần đây, khoa học công nghệ đang phát triển rất mạnh. Việc ứng dụng công nghệ vào cuộc sống nhằm mục đích hỗ trợ cho sinh hoạt của con người được thoải mái, dễ dàng hơn đang là xu hướng hiện nay. Trong thời gian không xa, những tiến bộ công nghệ sẽ thay đổi cuộc sống của con người theo chiều hướng tốt đẹp hơn.
Công nghệ bán dẫn đang phát triển mạnh. Năm 1965, Gordon Moore đưa ra dự báo về tốc độ phát triển của công nghệ bán dẫn. Định luật Moore phát biểu rằng mật độ bóng bán dẫn trên vi mạch tích hợp sẽ nhân đôi sau mỗi chu kỳ 2 năm. Định luật Moore có độ chính xác đáng ngạc nhiên sau nhiều thập kỷ. Vào năm 1971, chip 4004 của Intel chứa 2300 bóng bán dẫn. Năm 2005, bộ vi xử lý Itanium có hơn một tỷ bóng bán dẫn! Kích thước của chip xử lý ngày càng nhỏ hơn, tốc độ xử lý của chip ngày càng tăng và làm nâng cao năng lực của các thiết bị di động. Vì vậy việc sử dụng một thiết bị di động hay một hệ thống nhúng nhỏ gọn để thực hiện một chức năng cụ thể là xu hướng phát triển hiện nay và sẽ thích hợp hơn việc dùng một chiếc máy tính
Xử lý ảnh nhận dạng khuôn mặt là đề tài đã được nghiên cứu ứng dụng nhiều. Tuy nhiên việc điều khiển dựa vào chuyển động của khuôn mặt vẫn còn là đề tài chưa được ứng dụng nhiều. Theo thống kê, Việt Nam có khoảng 6.1 triệu người khuyết tật, tương đương 7.8% dân số (02/2011), việc ứng dụng này sẽ hỗ trợ được nhiều cho những người bị khuyết tật.
Người khuyết tật với hạn chế về cử động của tay chân, đi lại khó khăn sẽ có thể điều khiển thiết bị trong nhà bằng chuyển động của đầu. Hoặc với chiếc xe lăn được gắn thiết bị di động cùng với một chiếc camera, những người tàn tật ngồi xe lăn có thể dễ dàng điều khiển xe mà không phải dùng đến tay. Những người già không cần ghi nhớ chức năng của các nút điều khiển có thể bật tắt thiết bị bằng cách hướng đầu về phía thiết bị…
Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn nói trên mà tôi đã chọn đề tài này làm đề tài
luận văn tốt nghiệp:
“”
Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Phương pháp nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.
Phần 2: TỔNG QUAN
2.1 Giới thiệu van tuyến tính
Van điều khiển (control valve) là thiết bị chấp hành quan trọng và phổ biến nhất
trong hệ thống điều khiển quá trình, cho phép điều chỉnh lưu lượng lưu chất qua các
đường ống dẫn.
Phân loại van điều khiển � Phân loại theo kiểu truyền động:
– Điện – cơ: sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bước.
– Thủy lực: sử dụng bơm dầu kết hợp màng chắn hoặc piston.
– Khí nén: sử dụng khí nén kết hợp màng chắn hoặc piston.
– Kết hợp điện – thủy lực, điện – khí nén.
– Từ: sử dụng cuộn Solenoid kết hợp lò xo.
Phân loại theo tính chất chuyển động:
– Van trượt (linear valve): cần van (stem) chuyển động thẳng.
– Van xoay (rotary valve): trụcvan (shaft) chuyển động xoay.
Phân loại theo thiết kế chốt van:
– Van cầu (globe valve): Chốt trượt đầu hình cầu/hình nón.
– Van nút (plug valve): Chốt xoay hình trụ.
– Van bi (ball valve): Chốt xoay hình cầu hoặc một phần hình cầu.
– Van bướm (butterfly valve): Chốt xoay hình đĩa.
Phân loại theo loại tín hiệu vào:
– Van tương tự: đầu vào 4 – 20mA, 3 – 15psi.
– Van số: đầu vào số trực tiếp hoặc qua bus trường.
The key to the operation of a proportional valve is a balance established between
the forces in action on the plunger. These balanced forces include a mechanical force
provided by a spring specially developed for proportional valves and a magnetic force
created by the current level passing through the coil. The spring force is proportionally
opposed by the magnetic force.
2.2 Hiện tượng từ trễ và ảnh hưởng tới van tuyến tính
Từ trễ (magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa
và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của các vật liệu sắt từ. Hiện
tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất ở các chất sắt từ.
Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (Từ độ - từ trường,
M(H) hay Cảm ứng từ - Từ trường, B(H)), được mô tả như sau: sau khi từ hóa một vật
1. Coil
2. Spring
3. Plunger
4. Magnetic field
FMagnet Magnetic Force
FSpring Spring Force
sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và quay lại theo chiều
ngược, thì nó không quay trở về đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường
khác. Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều kia), thì ta sẽ có
một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ. Tính chất từ trễ là
một tính chất nội tại đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả
năng từ tính của của các chất sắt từ.
– Dải chết (deadband): biến thiên nhỏ nhất của giá trị đo mà thiết bị đo có thể đáp
ứng với tín hiệu đầu ra thay đổi.
– Độ trễ (hysteresis): Sự khác nhau trong đáp ứng với thay đổi đầu vào theo hai
chiều khác nhau.
Đối tượng: Van tuyến tính thủy lực dạng Solenoid.
PROPORTIONAL SOLENOID VALVE
Van tỉ lệ điều khiển tuyến tính với đầu vào là dòng hoặc áp. Theo như em hiểu
thì tín hiệu điều khiển sẽ quyết định đến độ mở của van, độ mở của van sẽ quyết định
tới lưu lượng hay áp suất gì đó. Từ đó dẫn tới tốc độ đóng mở của piston.
Van tỷ lệ được sử dụng trong mạch thủy lực khi có yêu cầu điều chỉnh các giá trị
làm việc liên tục. Đây chính là ưu điểm nổi bật của nó so với các van thông thường.
Giá trị được điều khiển để thay đổi ở đây thường là:
– Áp suất => Lực – Mô men quay...
– Lưu lượng => Tốc độ, thời gian...
Để thay đổi được các giá trị này thì phải có những tín hiệu điều khiển bên ngoài
(trong công nghiệp thường là tín hiệu điện ở hai đại lượng: 4-20 mA hoặc 0-10V). Bản
thân tín hiệu này phải được lập trình và xử lý từ bộ điều khiển PLC hoặc các bản vi
mạch điện tử khác. Như vậy, bằng cách thay đổi tín hiệu điều khiển điện, bây giờ rất
dễ dàng, sẽ thay đổi được các giá trị làm việc của cơ cấu chấp hành một cách tương
ứng.
Về hình dáng bên ngoài, kích thước lắp ráp, van tỷ lệ không khác gì mấy so với
van thông thường. Chỉ có vài chi tiết ở cuộn điện từ là khác thôi. Tuy nhiên, cấu tạo
bên trong thì khác hoàn toàn.
Trước tiên, nói về nguyên tắc hoạt động thì van phân phối tỷ lệ cũng hoạt động
giống như van thông thường, tức là nó cũng có các cửa dầu và lõi van con trượt bên
trong để chia dầu đi các cửa.
Tuy nhiên, hoạt động của lõi con trượt van ở hai loại là khác nhau:
– Van thông thường: Khi có điện, cuộn điện từ đẩy con trượt đi hết hành trình
làm việc nên van thông thường làm việc theo chế độ ON/OFF và tối đa nó chỉ
có 2 vị trí làm việc tương ứng với 1 cuộn điện từ.
– Van tỷ lệ: Cường độ dòng điện mA cấp vào cuộn điện từ là khác nhau nên do
đó lực đẩy của cuộn điện từ lên lõi van con trượt là khác nhau. Con trượt sẽ
dịch chuyển những đoạn khác nhau . Dễ hiểu hơn, van tỷ lệ có thể làm việc ở
nhiều vị trí khác nhau dẫn đến độ mở (lưu lượng làm việc) của van là khác
nhau. Để làm được điều này cuộn hút của van tỷ lệ có cấu tạo riêng và dòng
điện điều khiển thay đổi được lấy từ bên ngoài cấp vào.
Kết cấu lõi con trượt tôi thấy cũng khác nhau ở hình dáng vai làm kín. Ở van
thông thường, bờ vai làm kín chỉ tiện các rãnh tròn. Còn ở van tỷ lệ, có xẻ thêm các
rãnh hình tam giác. Các rãnh trên thân của lõi con trượt được thiết kế, tính toán nhằm
đảm bảo tương ứng với một khoảng dịch chuyển của lõi con trượt thì có một lượng
(chính xác) lưu lượng được cấp ra các cửa A-B.
Trong mạch thủy lực, van phân phối tỷ lệ thường được sử dụng để thay đổi tốc
độ làm việc theo một chương trình lập trình trước của một cơ cấu nào đó như xy lanh,
motor bằng tín hiệu điện tử thay đổi.
Valve tỷ lệ áp suất
Valve tỷ lệ loại này cũng bao gồm cuộn solenoid "tỷ lệ" số 1 tác động một lực ép
lên kim áp suất số 3 thông qua lò xo số 2. Bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp
vào cuộn solenoid, lõi ty cuộn solenoid dịch chuyển tương ứng và do đó thay đổi độ
cứng của lò xo dẫn đến thay đổi áp suất mở của kim áp suất số 3. Nhờ có bộ chuyển
đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu dòng điện số 5 và card điện tử số 6 gắn trên valve,
giá trị áp suất làm việc được biến đổi thành giá trị điện để điều khiển valve tỷ lệ áp
suất kiểu này.
Valve tỷ lệ điều khiển lưu lượng:
Tương tự như valve trên, lõi cuộn solenoid tỷ lệ số 2 sẽ tác động lên con trượt tiết
lưu số 1 để khóa bớt đường dầu từ A đến B. Phần lõi valve số 3 đóng vai trò bộ
pressure compensator đảm bảo valve tỷ lệ điều chỉnh lưu lượng không phụ thuộc vào
tải làm việc. Nó cũng có thể được gắn thêm bộ theo dõi vị trí của lõi con trượt để lấy
tín hiệu phản hồi lên bộ điều khiển.
Solenoid
The on-off solenoid
Designs
The principle of the on-off solenoid is to move the armature from a starting position
into a final position by means of magnetic force. The final position is defined by the
design; the armature strikes the pole.
Such single-acting solenoids are reset by means of external forces, for example
by a weight or a spring.
The double-acting solenoid comprises two single-acting solenoids. The armature
is moved in one or the other direction, depending on which exciter winding is
activated. When the coil is de-energized, it is fixed in the central position by the
resetting forces.
The design of the return stroke solenoid is similar to the previous design, but here
the armature can move from one stroke end position to the opposite one, depending on
the activated exciter winding.
Forces and characteristic curves
The available mechanical force is referred to as the magnetic force.
The holding force is the magnetic force obtained in the stroke end position. This can
be influenced by inserting a non-magnetic anti-sticking disk between armature and
pole. The holding force is comparable to the adhesive force of a holding solenoid.
The reset force returns the armature to its initial position; to do so, it must be greater
than the sum of adhesive force, friction and possibly armature weight.
The possible stroke is calculated through integration of the magnetic force across
the stroke, from the stroke start to the stroke end position.
The rated current relates to the rated voltage and a coil temperature of 20 degrees
Celsius. This definition is necessary, since the ohmic resistance is temperature-
dependent. The product of current and voltage value specifies the electric power
currently absorbed by the solenoid.
A power-saving circuit uses the effect that the holding force is several times the
magnetic force. When the rated voltage is applied to the solenoid, the armature moves
into the stroke end position, where the power can be considerably reduced.
The solenoid is generally cooled by means of the connection with the higher-
level system or alternatively – although not as satisfactory – by means of the ambient
air.
The solenoid coils heat up during operation, and temperature limits must
therefore be observed. The heat can be dissipated from the coil by means of design
measures or coolant.
Generally, the devices comprise materials in insulating material class F, so that a
limit temperature of 155 degrees Celsius is permissible.
A working cycle denotes a complete switching on and off process, the number of
switching operations specifies the number of working cycles and the switching
frequency the number of switching operations per hour.
The on-period is first of all defined as the time between switching the exciter
current on and off, followed by the idle interval and ending with switching on again.
The sum of both times is called the cycle duration.
The relative on-period is the ratio of on-period to cycle duration and is specified
in percent.
In short-time operation the on-period is not sufficient to reach the steady-state
temperature. The device constantly cools down to the reference temperature. The
manufacturer can select the smallest possible solenoid for the user, on the basis of the
relative on-period.
The proportional solenoid
The proportional solenoid is frequently used for the purpose of converting an
electric control signal into a proportional mechanical force. Unlike the pure on-off
solenoid, where only the start and end positions are relevant, here all intermediate
stages of the armature movement are important.
The solenoid must have a horizontal to slightly falling characteristic curve that is,
above all, as linear as possible. To this end, the pole is shaped as a cone in the area of
the power stroke, which mostly tapers against the stroke direction.
In contrast to the on-off solenoid, with the proportional solenoid the return
movement is also modulated, i.e. the exciting current is reduced, instead of being
simply switched off. An equilibrium between magnetic force and counter-force should
thus prevail at all times.
Electrical characteristics
In keeping with the role of the electronics, which must regulate the current very
precisely instead of simply switching it on and off again, there are a number of
additional parameters which must be taken into account in the design of proportional
solenoids.
The reference voltage generates the limiting current at steady-state temperature
and must be constantly available as supply voltage.
The limiting current is the maximum current at which the solenoid can be
continuously operated at reference temperature without thermal overloading.
The cold resistance is the ohmic resistance of the coil at 20 degrees Celsius
ambient temperature, while the heat resistance occurs in operation with limiting
current and reference temperature.
Hysteresis
When a ferromagnetic material is introduced to a magnetic field, for instance
when the armature is introduced into the field of the coil in the solenoid, it is
magnetized. If the external field is now deactivated, the magnetization gradually
decreases. It does not normally reach the unmagnetized initial state again after the
external field is deactivated – the residual magnetization, known as remanence,
remains.
In addition to the described magnetic components, the mechanical hysteresis
components are also contained in these curves. Friction must be overcome during the
attraction movement, thus reducing the magnetic force; during the return movement it
works together with magnetic force and remanence against resetting.
The control of the coil can contribute to this, by setting the armature into micro-
vibrations through slight oscillation of the exciter current, so that the armature never
quite comes to rest. It is then only subject to kinetic friction and not the more than
double static friction.
The control forms "dither signal" and "pulse width modulation" should be
mentioned in this connection.
VAN TUYẾN TÍNH 6023 (VAN SOLENOID )
Cấu tạo của van tỷ lệ gồm có ba bộ phận chính: thân van, con trượt, nam châm
điện. Để thay đổi tiết diện chảy của van, tức là thay đổi hành trình của con trượt bằng
cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm. Có thể điều khiển con trượt ở vị trí bất
kỳ trong phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ có thể được gọi là loại van điều khiển vô
cấp.
Đặc điểm:
– Van solenoid tác động trực tiếp và giá trị lưu lượng qua van trong khoảng 0.1
m3/h 0.7 m3/h.
– Tín hiệu vào chuẩn 0..10V, 4..20mA.
– Theo dõi tín hiệu để hỗ trợ sự cài đặt .
– Đóng kín cửa van ở vị trí 0.
– Có chế độ bù trừ nhiệt của cuộn coil.
– Áp suất: 0 8 bar.
– Nhiệt độ môi trường –10oC 90oC.
– Chu kỳ công suất: 100%.
– Lớp bảo vệ: IP65.Van tuyến tính
Sơ đồ biểu diễn van tuyến tính thuỷ lực 2 cửa 2 vị trí:
Cấu tạo:
1. Thân van
2. Đĩa chặn
3. Vòng lót
4. Ống dẫn
5. Lõi sắt
6. Ổ trượt
7. Lò xo
8. Điểm dừng
9. Cuộn coil
10. Vít
Cấu tạo van tuyến tính
Nguyên lý hoạt động của van:
Van thuỷ lực tuyến tính hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ. Khi có dòng điện
vào cuộn dây, lực điện từ sinh ra tác động vào lỗi sắt và trục dẫn làm cho lò xo bị nén
lại, độ mở của nòng van tăng lên và lưu lượng qua van cũng tăng lên theo độ mở của
nòng van. Khi lò xo bị nén đến điểm dừng thì lúc này lưu lượng qua van là lớn nhất,
bình thường không có dòng điện vào cuộn dây thì nhờ lực đẩy của lò xo nên nòng van
luôn được kép kín.
Đường đặc tính:
Ta có độ dịch chuyển nòng van s tỷ lệ với giá trị của dòng điện I vào nam châm
điện từ . Khi thay đổi độ lớn dòng điện I ở van tuyến tính, nhiệt sinh ra trong cuộn dây
điện từ không ảnh hưởng đến lực điện từ F. Nhưng khi thay đổi hiệu điện thế U thì
nhiệt sinh ra trong cuộn dây ảnh hưởng đến lực điện rừ F.
Trong van tuyến tính, tuỳ theo độ dịch chuyển của nòng van s người ta phân
biệt thành 2 nhóm:
– Nam châm điện từ điều khiển độ dịch chuyển: Độ dịch chuyển có giá trị trong
khoảng từ 1 5 mm.
– Nam châm điện từ điều khiển lực: Có độ dịch chuyển của nòng van có giá trị
trong khoảng 0 1 mm.
Đường đặc tuyến của van tuyến tính
Kv : Độ mở nòng van hiện tại ; Kvs : Độ mở nòng van tối đa
Các ứng dụng của van tuyến tính
– Đo lường và điều khiển trong xử lý nước.
– Sử dụng trong các nhà máy đóng rót tự động.
– Xử lý và phân tích trong hoá học.
– Điều khiển lưu lượng ga và chất lỏng, khí đốt trong tự nhiên.
– Chuyển hướng – điều khiển lưu lượng, áp suất.
Van điện từ vs Van cơ
Van điện từ dùng để đóng, mở các ống dẫn chất lỏng hoặc chất khí bằng cách
đóng, cắt điện vào cuộn dây. Tín hiệu dùng để đóng, cắt được van điện từ phải nhờ vào
cảm biến, có thể là cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất hoặc cảm biến lưu lượng...
Van điện từ (solenoid valve) có nhiều loại:
– Loại 2 ngả, 3 ngả, 5 ngả...
– Loại dùng cho khí nén, dùng cho nước, gaz, hơi nước ...
– Loại thường đóng (NC), loại thường mở (NO) - thường đóng: khi chưa có điện
thì van đóng, khi có điện thì mở; loại thường mở thì ngược lại.
– Điện áp cuộn hút: 24VDC, 110VAC, 220VAC...
Van điện từ có nhiều loại, cấu tạo khá là khác biệt nhau. Nhìn chung theo 1
nguyên lý là có 1 cuộn điện, trong đó có 1 lõi sắt và 1 lò xo nén vào lõi sắt đó, lõi sắt
đó lại tỳ vào đầu 1 gioăng cao su. Như vậy, bình thường không có điện thì lò xo ép vào
lõi sắt, để đóng van. Khi đưa điện vào, cuộn dây sinh từ trường hút lõi sắt ra, từ trường
này đủ mạnh thắng được lò xo, khi đó van mở ra.
Ví dụ để các bạn thấy các loại van điện từ như van cấp nước máy giặt, van xả
nước máy giặt, van đảo chiều của đhkk 2 chiều .... trong đhkk trung tâm, hay hệ thống
phòng cháy, nay dùng nhiều các loại van điện từ này. Gọi là van điện từ vì nó có cuộn
dây hút nhả lõi sắt, khác với van điện là dùng 1 mô tơ con để đóng mở van.
Nguyên lý: Khi dòng điện chạy qua cuộn dây sinh ra điện trường hút lõi thép mở
thông van, khi ngắt điện thì lõi thép được nhả ra đóng van lại. Còn về đấu dây thì
valve chỉ có 2 dây để cấp nguồn cho cuộn coil thôi, thường có 2 cấp điện áp là 24VDC
và 220VAC.
2 nhà sản xuất van điện từ rất nổi tiếng là YUKEN va SMC của Nhật.
Nguyên lý cơ bản ứng dụng trong van điện từ:
Như đã nêu trong mục 2 trên đây, các van đảo chiều được điều khiển bởi lực tác
động: bằng tay, bằng tiếp xúc cơ khí, bằng lực sinh ra bởi khí nén và bằng lực điện từ.
Để hiểu rõ hơn về lực điện từ ứng dụng trong các van điện từ, chúng ta (hình
2.26). Khi dòng điện chảy qua cuộn dây (Coil winding), trong nó xuất hiện một từ
trường. Từ trường sinh lực điện từ tác động lên lõi (Core) bằng vật liệu sắt từ mềm
(Soft iron), kéo lõi vào lòng cuộn dây.
Lõi từ được gắn với các cơ cấu đóng – mở trực tiếp van đảo chiều hoặc gián
tiếp qua van phụ trợ.
Độ lớn của lực điện từ phụ thuộc vào:
– Số vòng dây của cuộn dây.
– Cường độ dòng điện chảy qua cuộn dây.
– Kích thức hợp lý của cuộn dây.
Các phương tiện tác động valve:
Theorytical modelling
• Fr =-kx is the spring force where k is the spring constant,
• Fp =-anfaxdeltaP is the force due to fluid pressure drop wherea is the plug
unbalance area and DP is the fluid pressure drop across the valve,
• Fi Is the extra force required to force the valve to be into the seat and
• Ff is the friction force
Solidworks motion analysis
• Using Solidworks motion adins and motion analysis function to analyze the
physical phenomena.
• Four parameters mainly considered are applied force, spring force effect,
friction effect, un-concentric effect.
– Slip jump phenomenon due to friction effect
– Hysteresis shown due to return spring effect.
– Stiction shown due to static friction.
– Slip jump is reduced by increasing tolerance à reduce friction
– Stiction is reduced by reducing station friction.
Magnetic force:
Plot of magnetic force:
http://www.mathworks.com/help/toolbox/physmod/elec/ref/solenoid.html
Design and analysis of experiment
Taguchi method
– Considered parameters: Coil, friction, spring, un-concentric,
– Analyze the effecting parameter
– Point out the most significant factor
Van điều khiển thông thường có độ chính xác không cao (có thể sai số vị trí tới
5%) do: dải chết (deadband), độ trễ (hysteresis), do ma sát thay đổi do bụi bẩn, thiếu
bôi trơn và han gỉ, do áp suất lưu chất thay đổi cũng như do đặc tính phi tuyến của cơ
chế chấp hành. Do vậy các tham số của van không chính xác
Hysteresis of Control Valve
The hysteresys of control valve is a phenomenon that shows different flow rates
even at the same valve opening depending on the moving direction of a valve stem. It
usually caused by the sticking between the valve stem and the control valve packing.
Other causes are loose linkage, pressure drop, etc. The control valve packing is a
sealing system which normally consists of a deformable material such as TFE,
graphite, asbestos, Kalrez, etc. Usually the material is in the form of solid or split rings
contained in a packing box. Packing material is compressed to provide an effective
pressure seal between the fluid in the valve body and the outside atmosphere.
Valve Positioner
A valve Positioner is a device used to increase or decrease the air pressure
operating the actuator until the valve stem reaches the position called for by the
instrument controller. Positioners are generally mounted on the side or top of the
actuator. They are connected mechanically to the valve stem so that stem position can
be compared with the position dictated by the controller. A positioner is a type of air
relay which is used between the controller output and the valve diaphragm. The
positioner acts to overcome hysteresis, packing box friction, and valve plug unbalance
due to pressure drop. It assures exact positioning of the valve stem in accordance with
the controller output.
In this applet, the hysteresis is simulated as a dead band for simplicity. This
means that if a small change of commanding signal is applied, the stem sticks and the
flow rate will not change. Only if more than certain amount of signal change is
applied, the flow rate will change accordingly.
Proportional Solenoids
A proportional solenoid valve regulates the flow of air and gas using diaphragms
and gas pressure by utilizing the same elements as a regular pneumatic or hydraulic
solenoid valve but with more advanced flow control capabilities. A solenoid, or
electromagnetic coil, is used to trigger the valve flow with electronic pulses, moving
the magnetized coil at appropriate times. In direct-acting solenoid valves, a plunger is
in direct contact with the in-flow opening in the valve body, or orifice. This plunger
opens and closes the orifice through the movement of the solenoid, permitting or
hindering flow.
Many industries rely on proportional solenoid valves to accurately regulate fluid,
gas and air flow to and from components in a wide range of applications. These valves
may be constructed from plastic or metal such as stainless steel. Another variable is
the power source, such as a 12 volt battery. The automotive, automation and aerospace
industries use proportional valves frequently to regulate fluid flow in engines and
hydraulically-powered equipment. Metalworking, material handling, food processing,
woodworking, construction and marine industries use proportional solenoid valves to
regulate power, compressed air and water flow. The precision of proportional solenoid
valves and their capacity for remote activation and hysteresis make them an invaluable
component for countless industrial applications where extremely accurate fluid or gas
flow regulation is necessary.
Proportional valves with high frequency response, linearity and hysteresis control
flow accurately based on repeatability within close tolerances. Frequency response
refers to the valve's capability to respond to outside frequencies aimed at regulating
valve flow. Linearity refers to the valve's ability to actuate - that is, to switch on and
off - in a way that creates a smooth line of input and output. Hysteresis is path-
dependent "memory." Pilot-operated solenoid valves work with a diaphragm rather
than a plunger, using differential pressure to control the flow of fluids. In pilot-
operated valves there is a solenoid-operated vent which is opened to allow the pressure
to equalize, permitting fluids or gases to flow through. Both direct-acting and pilot-
operated proportional solenoid valves regulate flow based on linearity, frequency
response and hysteresis. One important feature of proportional solenoid valves is their
ability to increase or decrease output pressure through one or multiple output lines.
Using the laws of fluid pressure, proportional valves can distribute input forces in such
a way as to increase or decrease output pressure. Other types of proportional valves
have multiple output lines which can be opened, closed and flowed at various
pressures. Computers are often used to monitor proportional solenoid valves in
applications which require precision accuracy.
Proportional solenoids and proportional solenoid valves are often used in
applications requiring variable and precise control. By converting an electric control
signal into proportional mechanical force, proportional solenoids are able to achieve
varying position and/or force. During operation, spring force balances solenoid force
to position the armature in proportion to the input signal. As current is applied, the
force of the armature against the force of the spring holds the solenoid in a set position
until the applied current is increased or decreased.
There are two design elements that are critical for a proportional solenoid or
proportional valve. These are low hysteresis and a relatively flat force verses stroke
curve at a given applied current. Both of these greatly affect the predictability,
repeatability and the command response of the solenoid.
Utilizing our distinctive solenoid magnetic structure, TLX provides customers
with a design that offers a competitive edge in their products. This technology allows
custom solenoids engineered and manufactured by TLX to have equivalent forces
while fitting into smaller packages and offers the following features:
Patented solenoid features allow for:
– Higher forces in the same package size or,
– Reduced solenoid size up to 25% vs. competitive designs for the same force
– Low hysteresis and flat force vs. stroke curve at a given applied current
– Flat curve provides high repeatability of position and force control
– Analog or digital control
– Command step response in less than 60 milliseconds
– Pulse width modulation or current with dither controlled units
– Easily adaptable to two-way valves, three-way valves and pressure and flow
controls.
Proportional valves are well suited for circuits that need to vary either flow or
pressure to reduce lunge and shock. The solenoids on these valves shift the spool more
or less, According to the voltage applied to proportional solenoids, they can change the
speed at which the spool shifts or the distance that it travels. Because the spool in a
proportional valve does not shift all the way, all at once, the valves can control the
acceleration and deceleration of an actuator. Usually, varying shifting time of the spool
controls acceleration and deceleration. Varying voltage to the coil limits spool travel to
control the maximum speed of an actuator. A computer, a PC, a programmable logic
controller, or even a simple rheostat can produce the variable electric signal.
A simple proportional valve depends on solenoid force working against a spring
to position the spool. Because flow, pressure, temperature, and fluid cleanliness
change constantly, a given input voltage may not always produce the same spool
position. To resolve spool position accuracy, use a linear variable differential
transformer (LVDT), such as shown in Figures 14-2 through 14-5. An LVDT
electronically compares the input signal with spool position and modifies voltage to
give the same spool position regardless of system changes. An LVDT adds cost to the
valve and the electronics, but is usually necessary in all but simple
acceleration/deceleration circuits.
Proportional directional control valves are more tolerant of contamination and
cost less than the servovalves that they often replace. When a circuit does not require
extreme accuracy or flow repeatability, the savings in first cost, plus a less-expensive
filtration requirement, make proportional valves a good choice.
One reason a servosystem is more accurate is the electronic feedback signal from
the actuator. The feedback signal modifies the servovalve’s spool position to put the
actuator in an exact place, or produce the speed or force that the controller requires. A
proportional valve may have feedback control, but the response time of the valve is too
slow to get the precise control that a servovalve circuit provides.
Use proportional control valves to reduce shock and give a finer degree of
control to circuits that do not require extreme position accuracy, or repeatable speed
and force.
Proportional valves restrict flow to and from an actuator. They work best with a
pressure-compensated pump in a closed-center circuit. An accumulator in the circuit
enhances cycle response time and protects the pump from pressure spikes. Systems
that use proportional valves usually require a heat exchanger because energy waste is
higher with this type circuit.
The following sections describe a few more circuits — with some pointers for
using proportional valves in several applications. Always remember to size the valves
for maximum flow and pressure drop to get optimum response and repeatability from
the circuit.
Hysteresis
Another factor that plays heavily in determining how well a valve can control is
hysteresis/deadband. This is a quantita-tive indication of how much a valve’s actual
position deviates from the desired position. It is defined using a standardized ISA test
procedure, and in general it measures the friction and “looseness” that exists in a
control valve’s drive train.
The test does not give an exact indication of control capabil-ity because it is
generally conducted without flowing load and ignores what we call process-side error.
However, in general, the lower the hysteresis/deadband number, the better the control.
A typical test is shown in Figure 9.
Many valves in service can have hysteresis/deadband val-ues greater than 10%
due to either design or maintenance problems. With values that high, it proves very
hard to con-trol within better than +/-10% accuracy, especially if there is higher
friction present under load.
Hình 2.1 Van tuyến tính
Hình 2.2 Phân loại van tuyến tính theo kiểu tác động
Hình 2.3 Cấu tạo van tuyến tính
Hình 2.4 Nguyên lý điện từ
Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của van (mở)
Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của van (đóng)
Hình 2.7 Tác động của lực từ trong van tuyến tính
Hình 2.8 Hiện tượng từ trễ
MỤC LỤC............................................................................................................................................ i
DANH MỤC HÌNH............................................................................................................................ii
PHẦN 1: MỞ ĐẦU.............................................................................................................................1
1.1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................................1
1.2 Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu của đề tài............................................................................1
1.3 Phương pháp nghiên cứu......................................................................................................2
1.4 Nội dung nghiên cứu.............................................................................................................2
1.5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn.................................................................................2
Tổng quan về một số công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước có liên quan đến đề
tài.
PHẦN 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN................................................3
2.1 Cơ sở lý thuyết......................................................................................................................3
2.1.1 Van tuyến tính............................................................................................................3
2.1.2 Độ từ trễ.....................................................................................................................6
2.1.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi..........................................................7
2.2 Hướng giải quyết của đề tài..................................................................................................8
PHẦN 3: DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.....................................................................................9
3.1 Kết quả dự kiến của đề tài.....................................................................................................9
3.2 Mục lục dự kiến....................................................................................................................9
KẾ HOẠCH THỰC HIỆN................................................................................................................11