Naprava za merjenje karakteristike elektromagneta Jernej BRADEŠKO, Jožef GARTNAR Izvleček. V prispevku sta opisana razvoj in izdelava naprave za merjenje karakteristike elektromagnetov, ki se uporabljajo na hidravličnih ventilih. Karakteristika elektromagneta predstavlja velikost sile, ki jo elektromagnet proizvede v odvisnosti od giba kotve, tj. od razdalje med jedrom elektromagneta in kotvo, ob določenem napajalnem toku. Naprava je izdelana za potrebe meritev elektromagnetov, ki se proizvajajo in vgrajujejo na hidravlične ventile v podjetju Kladivar, Poclain Hydraulics. Ključne besede: merilna naprava, karakteristika elektromagneta, hidravlični ventili ■ 1 Uvod Razvoj tehničnega proizvoda predstavlja iskanje rešitev za podane zahteve, ki jim mora proizvod ustrezati. Pogoj za dobre razvojne rešitve so dobro popisane zahteve in natančni vhodni podatki. Pri razvoju elektromagnetno krmiljenih hidravličnih ventilov je eden takih podatkov karakteristika elektromagneta, ki predstavlja velikost sile v odvisnosti od giba kotve elektromagneta, tj. od razdalje med kotvo in jedrom. Gib kotve je prikazan na sliki 1. Za potrebe meritve karakteristike je bila v podjetju Kladivar, Poclain Hydraulics, zasnovana in izdelana namenska naprava [1]. ■ 2 Elektromagnet Elektromagnet je vrsta magneta, ki izkorišča fizikalni pojav ustvarjanja magnetnega polja okoli vodnika, po katerem teče električni tok. Osnova je navita žica oz. navitje, ki ustvari Jernej Bradeško, univ. dipl. inž., Poclain Hydraulics Group - Kladivar Žiri, Žiri Jožef Gartnar, univ. dipl. inž., Poclain Hydraulics Group - Kladivar Žiri, Žiri magnetno polje. Z vstavljanjem jedra iz feromagnetnega materiala v navitje lahko dosežemo veliko močnejše magnetno polje. Faktor ojačanja magnetnega polja v jedru popiše lastnost materiala, imenovano magnetna permeabilnost. Po načinu delovanja in krmiljenja delimo elektromagnete na stikalne in proporcionalne. Naloga stikalnega tipa EM je preklop ventila iz enega v drug položaj. Pri tem mora elektromagnet zagotavljati dovolj sile. Delovanje proporcionalnih elektro- Slikal. Gib kotve elektromagneta magnetov je drugačno v tem, da se uporabljajo tudi kot regulacijski element v tem smislu, da poleg osnovnih položajev (npr. odprto-zaprto) ob primernem krmilju omogoča tudi sorazmerno (proporcionalno) odprtje ventila. 2.1 Sestava elektromagneta Sestava elektromagneta (slika 2) je v nadaljevanju predstavljena na primeru Kladivarjevega elektromagneta MR 045 kot tipičnem merjencu na napravi [2, 3]. Konstrukcijsko so elektromagneti primerni za napajanje z enosmerno napetostjo. Priklop na izmenično napetost je možen ob uporabi konek-torja z vgrajenim usmerniškim mo-stičem. Električni tok steče po tuljavi in ustvari magnetno polje. Njegove silnice povzročijo premik kotve, ki potisne dročnik. Ta pritiska ob bat ventila. Podložka je vgrajena zato, da zmanjša pojav lepljenja kotve ob jedro ob zamenjavi smeri gibanja (izklop elektromagneta). Posebnost elektromagnetov v hidravliki je še v tem, da morajo biti na ventil vgrajeni oljetesno, zaradi česar je v konstrukciji predviden prostor za tesnila. Ker se v elektromagnetu med delovanjem lahko zadržuje tudi olje pod tlakom, je kotva po sredini prevrtana, da se tlak na obeh straneh izenači. 2.2 Karakteristika elektromagneta Elektromagnet lahko popišemo z več različnimi karakteristikami, ki se največkrat prikažejo v obliki grafa. Pri tem je odvisna spremenljivka običajno velikost sile, ki jo proizvede aktuator. Podaja se v odvisnosti od giba, električnega toka ali temperature. Odvisnost od giba se podaja za določeno vrednost napajalnega toka, odvisnost od el. toka pa se običajno meri na sredini delovnega giba kotve. S spremljanjem napajalnih parametrov po času lahko razberemo lastnosti, kot sta vklopni in izklopni čas aktuatorja. Primarna naloga naprave je popis karakteristike sila-gib, kar se obravnava tudi v tem prispevku. Primer karakteristike iz kataloga proizvajalca je prikazan na sliki 3. Karakteristika proporcionalnega elektromagneta se podaja za obe smeri giba kotve, s tem se prikaže tudi histereza. Običajno se na istem diagramu pokaže večje število karakteristik, izmerjenih pri različnih vrednostih napajalnega toka. S tem dobimo t. i. polje karakteristik. 2.3 Vloga karakteristike v razvoju ventilov Razvoj ventila se začne z definiranjem osnovnih zahtev delovanja ventila. Ti parametri so največji tlak, največji pretok in funkcija ventila, ki se predstavi s simbolom. Med razvojem ventila za preklopno delovanje, torej preklapljanje med položaji, moramo gledati na to, da je sila elektromagneta večja od ostalih sil, ki delujejo na krmilni bat, da bo ta lahko preklopil. Te sile so sila vzmeti, ki vrača bat v osnovni položaj, tokovne sile, sila trenja itd. Pri razvoju proporcionalnih ventilov iz polja karakteristik dobi odvisnost sile od nastavljenega toka. V tem primeru mora biti karakteristika čim bolj konstantna preko celotnega delovnega giba elektromagneta, saj kontrolirana sprememba napajalnega toka le tako lahko povzroči kontrolirano spremembo v delovanju (odprtju) ventila. ■ 3 Zasnova naprave Po definiciji, kot je predstavljena v prejšnjem poglavju, karakteristika elektromagneta pomeni velikost sile v odvisnosti od giba kotve elektromagneta. Na podlagi definicije lahko že določimo glavne funkcijske dele naprave, s katero bo možno karakteristiko pomeriti: • merjenje sile, • krmiljenje pomika, • merjenje položaja, • nastavljanje in merjenje napajalnih parametrov. Posamezne funkcijske dele naprave med seboj poveže ustrezna krmilna enota, kot je prikazano na sliki 4. Pred izbiro delov naprave je potrebno z več vidikov analizirati nabor elektro-magnetov, ki jih moramo meriti z napravo. Preverimo, za kakšne napajalne parametre so grajeni elektromagneti, kako velike sile proizvedejo, velikost giba in gabaritne mere. Zadnji trije parametri se načeloma pojavljajo v sorazmerju, kar pomeni, da večji, kot je magnet dimenzijsko, večjo silo proizvede in ima običajno tudi večji gib. 3.1 Sistem za merjenje sile Karakteristika elektromagneta je po svoji naravi statična, zato temu primerno zasnujemo sistem za merjenje sile. Nekateri merilniki, npr. piezoelektrični, so namenjeni izrazito dinamičnim meritvam, saj se jim s časom naboj zmanjšuje. Tak merilnik tukaj ne pride v poštev. Za namene meritve se zato odločimo za merjenje sile po principu odklonskega Wheatstonovega mostiča. Za potrebe naprave zadostuje, da z merilnikom merimo tlačno silo, saj so vsi elektromagneti iz nabora za merjenje potisne izvedbe. 3.2 Sistem za pomik Linearni premik, potreben za meritev, naredi elektromagnet ob miru- jočem merilniku sile. Premik mora biti relativno natančno in enostavno kontroliran. Kot široko uveljavljena rešitev za namene pozicioniranja se uporabi koračni motor. Pretvorbo iz vrtenja v premo gibanje opravi linearni modul, ki je v osnovi navojno vreteno z matico, ki s prednapeto kroglično zvezo omogoča natančno pozicioniranje. Z uporabo koračnega motorja je sistem možno krmiliti odprtozančno. Pogoja za to sta ustrezno dimenzioniranje komponent glede na obremenitve in primeren krmilni signal, ki mu motor lahko sledi brez izgube korakov. S štetjem pulzov krmilnega signala lahko posledično računamo položaj nosilca linearnega modula in ne potrebujemo absolutnega merilnika položaja. Pred izdelavo se ocenijo še potrebe po natančnosti merjenja na napravi. Naprava naj bi omogočala natanč- nost merjenja položaja na 0,01 mm, merjenje sile pa z natančnostjo 2 N na območju od 0 do 500 N. ■ 4 Izdelava naprave Glede na odločitve pri zasnovi smo poiskali ustrezne komponente in izdelali napravo. 4.1 Strojna oprema Pri gradnji strojne opreme smo upoštevali dejstvo, da bo naprava postavljena v laboratorijsko okolje, v katerem se ne pričakuje večjih temperaturnih nihanj, vibracij, prahu itd. Ključne komponente naprave so naslednje: • koračni motor (200 korakov na vrtljaj, držalni moment 1,25 Nm), • reduktor (prestavno razmerje 1 : 8), • sklopka, • linearni modul (korak navoja 2 mm), • napajalnik elektromagneta (na-zivna napetost 32 V DC, tok 10 A), • krmilnik koračnega motorja, • merilnik sile z ojačevalnikom, • stikala (referenčno in dve končni), • računalnik s karticama za zajemanje podatkov (DAQ). Komponente sistema smo poskušali sestaviti čim bolj kompaktno, ker je tako naprava bolj pregledna, primerna za selitev itd. Na sliki 5 je prikazan osrednji del naprave. Zasnova je predvidela odprtozančni sistem, vseeno pa na napravi potrebujemo neke referenčne točke za položaj. V ta namen smo na linearni modul vgradili tri Hallova stikala, ki jih Slika 5. Model zgradbe naprave Slika 4. Funkcijska shema naprave proži magnet, vgrajen v gibajoči se del modula. Reduktor, vgrajen k motorju, poveča ločljivost pozicioniranja, hkrati pa tudi zmanjša potrebno moč motorja ter s tem njegovo velikost. Sklopka med reduktorjem in vretenom kompenzira montažne netočnosti in preprečuje morebitne sunke. Napajalnik elektromagneta ima analogno-digi-talni vmesnik, preko katerega ga nastavljamo in dobivamo tudi povratno informacijo o dejanskem toku in napetosti. S tem dobimo možnost večje avtomatizacije naprave in merilnega postopka. 4.2 Programska oprema Programska oprema naprave je izdelana v programskem okolju LabView. Program je razdeljen na tri vzporedne zanke, ki se izvajajo z različno periodo. V eni od zank poteka spremljanje vhodnih signalov. Ti signali so stanje stikal, meritev sile in napajalnih parametrov ter spremljanje pozicije (štetje krmilnih pulzov). Vzporedna zanka te signale spremlja in glede na njih usmerja potek programa. Vseh signalov ni potrebno spremljati na vseh delih programa, ampak odvisno od namena le na določenih. Med iskanjem referenčne točke tako na primer meritve napajalnih parametrov nimajo vpliva na potek programa. Tretja zanka ob programskem ukazu začne shranjevati merjene veličine v začasni pomnilnik (buffer). Shranjevanje se prekine oz zaključi, ko je sprožen ukaz za konec shranjevanja oz. ko je pomnilnik poln. V nadaljevanju so opisani glavni sklopi programa in s tem tudi merilnega postopka. Inicializacija Na začetku se vrednosti spremenljivk v programu nastavijo na začetne vrednosti. Vzpostavi se uporabniški vmesnik. Iskanje referenčne točke Postopek iskanja teče glede na stanje stikal na linearnem modulu. Referenčnemu stikalu se nosilec linearnega modula vedno približa z iste strani, da se odstrani vpliv histereze stikala. Vnos parametrov V tem koraku uporabnik vpiše podatke elektromagneta in meritve v polja uporabniškega vmesnika, kot kaže slika 6. Slika 6. Vnos parametrov preko uporabniškega vmesnika — J. mprltpv -¿meritev -3-. meritev - -4. merite* -Sk fittfTflW Q 1 j I 1 1 A Gib [mm] Slika 7. Niz meritev stikalnega elektromagneta Določanje začetne točke Začetna točka oz. vrednost giba 0 mm ni fiksno določena z nekim položajem glede na stikala, temveč se poišče pri vsaki meritvi posebej. Razlog je v ne povsem ponovljivem načinu pritrditve elektromagneta na nosilec modula in adapterja na merilniku sile. Določimo jo glede na porast sile na merilniku ob počasnem približevanju vklopljenega elektromagneta. Meritev karakteristike Postopka meritve karakteristike se za stikalni in proporcionalni tip elektromagneta med seboj razlikujeta. Stikalnemu izmerimo karakteristiko ob približevanju kotve jedru, torej s premikom od vrednosti celotnega giba proti vrednosti giba 0 mm, kakršen je tudi premik kotve ob vklopu elektromagnetov. Sila elektromagneta proporcionalnega tipa se meri tako za gib naprej kot za gib nazaj. S tem dobimo tudi podatek o histerezi delovanja. Obdelava podatkov Po končani meritvi obdelamo vsebino začasnega pomnilnika. Niz podatkov peljemo čez nizkoprepustni filter. Niz podatkov položaja spremenimo glede na vrednost prej določene začetne točke, da dobimo niz podatkov absolutne vrednosti giba. Prikaz Po meritvi in obdelavi prikažemo karakteristiko v obliki XY-grafa na zaslonu. Pri merjenju polja karakteristik proporcionalnega elektromagneta se vsaka meritev doda prejšnjim na isti graf. Dodajanje je enostavno, ker imamo za vsako meritev polje parov vrednosti za gib in silo. Shranjevanje Pred shranjevanjem se iz podatkovnega tipa signal (»waveform«), v katerem so zapisane meritve, izberejo polja podatkov (izmerjenih vrednosti). Nizi podatkov se pretvorijo v znakovni niz (»string«) z določenim tabulatorjem. Podatki se shranijo v tekstovno datoteko. Pred vsakim zapisom meritve se v datoteko zapiše tudi glava s podatki o meritvi. Zapišejo se naziv merjenega elektromagneta, napajalni parametri in datum ter čas meritve. Ti podatki se zajamejo iz vnosa uporabnika pred meritvijo. Ko so meritve shranjene, se začasni pomnilnik lahko sprazni. ■ 5 Testiranje S testiranjem smo preverili delovanje naprave med meritvijo obeh tipov elektromagnetov, tako stikalnega kot proporcionalnega. Merilna postopka se med seboj namreč v določeni meri razlikujeta. Na podlagi rezultatov smo ovrednotili ponovljivost merilnega postopka. Izvedli smo niz zaporednih meritev po enega od predstavnikov obeh vrst elektromagnetov pod vedno enakimi pogoji, tj. pri nespremenjenih napajalnih parametrih. Na sliki 7 so združene pomerjene karakteristike petih zaporednih meritev stikalnega elektromagneta MR-045 pri napajalni napetosti 24 V DC. Iz diagrama je razvidno, da se izmerjene karakteristike skoraj popolnoma prekrivajo. Poleg oblike so skladne tudi po mestu na abscisni in ordina-tni osi. Iz tega je moč sklepati, da je na napravi zadovoljiva ponovljivost nastavljanja napajalnih parametrov (napetost ali tok), izvedbe giba v predpisani dolžini, iskanja začetne točke, merjenja sile in pozicionira-nja. Sprememba v napajalnem toku pomeni neposredno spremembo v proizvedeni sili, kar bi se v diagramu poznalo z zamikom karakteristike vzdolž ordinatne osi. Določanje začetne točke oziroma vrednosti giba 0 mm je ponovljivo, na kar kaže skladnost po abscisni osi. Vsako odstopanje bi namreč odčitek sile pripisalo napačnemu položaju (gibu) kotve in posledično zamaknilo karakteristiko na diagramu. Z uspešnim testiranjem naprave se je kot dobra potrdila tudi odločitev za odprtozančni krmilni sistem pomika na napravi. ■ 6 Zaključek Naprava za merjenje karakteristike je postala uporaben pripomoček pri razvojnem delu. Ker je merilni postopek avtomatiziran, je upravljanje z njo enostavno in na voljo širšemu krogu uporabnikov. Z modifikacijo programske opreme je napravo možno tudi nadgrajevati glede na potrebe po dodatnih ali spremenjenih meritvah. Viri [1] Bradeško, J.: Naprava za merjenje in analizo karakteristike elektro-magneta, diplomsko delo, Ljubljana, 2012. [2] Katalog hidravličnih sestavin, Kla-divar - Poclain Hydraulics Group, 2009. [3] Temelj, F.: Kladivarjev elektromagnet MR-045, Ventil 4 (vol 2), 1998. Device for measuring the characteristics of an electromagnet Abstract. This work presents the development and realisation of a device for measuring the characteristics of electromagnets that are used for actuating hydraulic valves. The characteristics represent a relationship between the magnitude of the force generated by the electromagnet at a certain electric current and the plunger position, i.e., the force-stroke characteristics. The device is made for measuring electromagnets that are produced or used on hydraulic valves in Kladivar, Poclain Hydraulics. Keywords: measuring device, characteristics of an electromagnet, hydraulic valves VSE KAR MORATE BEDETI 0' TEMPERATURI, VLAGI-21.9.2012 ' DOLŽINI-25.9.2012 TEHTANJU-27.9.2012 PIPETIRANJU-17.10.2012 SISTEMIH VODENJA KAKOVOSTI -19.10.2012 ¿ADEU.UA TLAKU-23.10.2012 ZVOKU-25.10.2012 METROLOGY LOTRICd.0.0., Selca 163,4227Selca tel:+386 4 517 07 00, fax:+386 4 517 07 07 , info@lotric.si, www.lotric.si