EINDWERK: Onderzoek naar hydraulisch positioneren

EINDWERK: Onderzoek naar hydraulisch positioneren Studiegebied Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding Elektromechanica Optie Automatisering Academiejaar 2005-2006 Sam Biesbrouck

EINDWERK: Onderzoek naar hydraulisch positioneren Studiegebied Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding Elektromechanica Optie Automatisering Academiejaar 2005-2006 Sam Biesbrouck

WOORD VOORAF Voor u verder leest wil ik even wat plaats vrijmaken om enkele mensen te bedanken. Zonder deze mensen was dit eindwerk niet mogelijk geweest. Ik wil allereerst de Hogeschool West Vlaanderen departement PIH bedanken voor de mogelijkheden die ze ons als studenten aanbieden. Dank voor het gebruik van materialen, testbanken, meetapparatuur maar ook voor de vele hulp van verschillende docenten. Ten tweede wil ik graag mijn promotoren bedanken. Interne promotor Ing. Bart Vanwalleghem heeft mij in school met raad en daad bijgestaan. Dank voor de tijd en het geduld. Externe promotor Ing. Koen Dendauw van Vermeulen NV heeft mij met hydraulisch materiaal en met kennis geholpen. Bedankt ook voor het maken van onze prachtige hydraulische opstelling. Ik wil ook graag Tom Decreane bedanken die mijn thesis, tegen beter weten in, toch heeft willen verbeteren op taal en spellingsfouten. Bedankt Tom. Als laatste wil ik graag mijn lieve vriendin en mijn ouders bedanken die altijd aan mijn zijde staat bij alles wat ik doe. Dank je wel! I

INHOUDSOPGAVE II

Woord Vooraf...I Inhoudsopgave...II Lijst met figuren en tabellen...vi HOOFDSTUK 1 Doelstellingen 1 Doelstellingen van het project... 6 2 Voorstelling betrokken partijen... 7 2.1 Vermeulen NV... 7 2.2 C-Metals NV... 8 2.3 P.I.H. Kortrijk...9 HOOFDSTUK 2 Elektrohydrauliek 1 Inleiding... 11 1.1 Conventionele hydrauliek... 11 1.2 Proportionaal-hydrauliek... 11 1.3 Servo-hydrauliek... 12 2 Conventionele hydrauliek... 13 2.1 De wet van Pascal... 13 2.2 Druk en kracht... 13 2.3 Volumestroom of debiet... 14 2.4 Hydraulisch vermogen... 14 2.5 Hydraulische vloeistoffen... 15 2.6 Opbouw van een hydraulische installatie... 15 2.7 Basisprincipe... 17 2.7.1 Drukcontrole... 17 2.7.2 Debietcontrole... 18 2.7.3 Richtingcontrole... 19 2.7.4 In de praktijk... 19 3 Elektrohydraulische ventielen... 21 3.1 Inleiding... 21 3.2 Proportionaal-ventielen... 21 3.2.1 Inleiding... 21 3.2.2 Constructie... 23 3.2.3 Soorten ventielen... 32 3.3 Servo-ventielen... 37 3.3.1 Inleiding... 37 3.3.2 Verschillen tussen servo-ventielen en proportionaal-ventielen... 37 3.3.3 Soorten ventielen [11]... 38 HOOFDSTUK 3 Marktonderzoek 1 Ventiel Karakteristieken... 46 1.1 Terminologie... 46 1.1.1 Eenheden [11]... 46 1.1.2 Belangrijkste parameters voor het selecteren van elektro-ventielen[11]... 46 1.2 Berekenen van het benodigde debiet en frequentieresponsie [11]... 48 2 Marktonderzoek... 50 2.1 MOOG[18]... 50 2.2 BOSCH[19]... 52 III

HOOFDSTUK 4 Opbouw testopstelling 1 Componenten testopstelling... 55 1.1 De testbank... 55 1.2 De aandrijfgroep... 56 1.3 De positieterugkoppeling... 57 1.4 De versterkerkaart... 57 1.5 De dspace kaart... 58 1.6 Het schakelbord... 58 2 Versterkerkaart... 59 2.1 Doel... 59 2.2 Werking... 59 2.3 Aansluitingen en instellingen... 61 3 De regelaar... 66 3.1 Doel... 66 3.2 Onderdelen... 66 3.3 Overzicht... 66 3.4 Algemene werking... 70 4 Positieregelkring... 71 4.1 Inleiding... 71 4.2 Werking... 72 4.2.1 Algemeen... 72 4.2.2 De regelaar... 73 4.3 Het positieregelschema... 74 4.4 Metingen... 75 4.4.1 Stapresponsie... 75 4.4.2 Sinusresponsie... 78 5 Drukregelkring... 84 5.1 Inleiding... 84 5.2 Werking... 85 5.3 Het drukregelschema... 86 5.4 Metingen... 86 6 Gelijkloopregelkring[1]... 88 6.1.1 Mechanische gelijkloop... 89 6.1.2 Gelijkloop d.m.v. drukgecompenseerde stroomregelkleppen... 90 6.1.3 Gelijkloop d.m.v. twee gekoppelde hydromotoren... 91 6.1.4 Gelijkloop d.m.v. een stroomverdeelklep... 92 6.1.5 Elektronische gelijkloop... 93 6.1.6 Gelijkloop door middel van een gelijkloopcilinder... 94 6.1.7 Elektronische gelijkloopregeling... 95 IV

BESLUIT...96 BIBLIOGRAFIE...98 Boeken... 99 Artikelen... 99 Eindwerken... 99 Verzamelwerken... 100 Websites... 100 BIJLAGE 1 Positieterugkoppeling met externe meetlat...101 1 Werking... 102 2 Aansluitingen... 103 3 Serienummer... 104 BIJLAGE 2 Druksensor...105 BIJLAGE 3 Technische informatie versterkerkaart BOSCH...107 BIJLAGE 4 Grafiek van moog voor het selecteren van een ventiel [11]...114 V

LIJST MET FIGUREN EN TABELLEN VI

FIGUREN HOOFDSTUK 1 Doelstellingen Fig. 1-1 Logo Vermeulen... 7 Fig. 1-2 Hydraulische sluis... 7 Fig. 1-3 Logo C-metals.... 8 Fig. 1-4 Logo PIH.... 9 HOOFDSTUK 2 Elektrohydrauliek Fig. 2-1 Onderscheid conventionele, proportionale- en servo-hydrauliek... 12 Fig. 2-2 De wet van Pascal... 13 Fig. 2-3 Druk en Kracht.... 13 Fig. 2-4 Hydraulisch vermogen... 14 Fig. 2-5 Opbouw van een hydraulische installatie.... 16 Fig. 2-6 Principe schema van een hydraulisch systeem.... 17 Fig. 2-7 Principiële werking drukventiel... 18 Fig. 2-8 Principiële werking debiet ventiel.... 18 Fig. 2-9 Principiële werking directionele debiet controle ventiel.... 19 Fig. 2-10 Manueel en elektrisch bediende ventielen... 20 Fig. 2-11 Proportionaal uitsturen van het debiet... 22 Fig. 2-12 Dode zone in ventiel... 23 Fig. 2-13 Blokschema van een ventiel..23 Fig. 2-14 Onderdelen van een doorsnee ventiel 24 Fig. 2-15 Werking proportionaal magneet.... 26 Fig. 2-16 Schematische voorstelling van een ventiel met één spoel... 27 Fig. 2-17 Schematische voorstelling van een elektro-hydraulisch ventiel met twee spoelen.. 27 Fig. 2-18 Invloed van de temperatuur op de spoelkracht... 29 Fig 2-19 Conventionele vs. Proportionale spoel.... 29 Fig. 2-20 LVDT... 30 Fig. 2-21 Schuifoverlapping dode zone.... 31 Fig. 2-22 Indirect bediende proportionaal ventiel... 32 Fig. 2-23 Proportionaal drukcontrole ventiel.... 33 Fig. 2-24 Druk in functie van het input signaal... 34 Fig. 2-25 Proportionaal debietcontrole ventiel... 35 Fig. 2-26 Lineair force motor... 38 Fig. 2-27 Lineair force motor... 38 Fig. 2-28 Lineair force motor...39 Fig. 2-29 Nozzle flapper...39 Fig. 2-30 Nozzle flapper... 40 Fig. 2-31 Nozzle flapper... 41 VII

HOOFDSTUK 4 Opbouw testopstelling Fig 4-1 De testbank.... 55 Fig. 4-2 De aandrijfgroep... 56 Fig. 4-3 De positieterugkoppeling... 57 Fig. 4-4 De versterkerkaart... 57 Fig. 4-5 Blokschema van de versterkerkaart ventiel combinatie.... 60 Fig. 4-6 Elektronisch schema van de BOSCH versterkerkaart.62 Fig. 4-7 De gebruikte aansluitingen op de dspace aansluitmatrix... 65 Fig. 4-8 Regeltechnisch schema van de hydraulische opstelling.... 72 Fig. 4-9 Principe van het positieregelschema... 74 Fig.4-10 Stapresponsie bij P=1.... 75 Fig. 4-11 Stapresponsie bij P=10... 76 Fig. 4-12 Stapresponsie bij P=100.... 76 Fig. 4-13 Opmeten van de maximum snelheid.... 77 Fig. 4-14 Werkwijze voor het opmeten van de sinusresponsie... 79 Fig. 4-15 Schematische voorstelling van het drukcontrolesysteem.... 85 Fig. 4-16 Stapresponsie bij P=1.... 86 Fig. 4-17 Stapresponsie bij P=1,5.... 87 Fig. 4-18 Stapresponsie bij P=2.... 87 Fig. 4-19 Stapresponsie bij P=2,5.... 87 Fig. 4-20 Mechanische gelijkloop... 89 Fig. 4-21 Gelijkloop d.m.v. drukgecompenseerde stroomregelkleppen.... 90 Fig. 4-22 Gelijkloop d.m.v. twee gekoppelde hydromotoren.... 91 Fig. 4-23 Gelijkloop d.m.v. een stroomverdeelklep... 92 Fig. 4-24 Elektronische gelijkloop... 93 Fig. 4-25 Gelijkloop d.m.v. een gelijkloopcilinder... 94 Fig. 4-26 Elektronische gelijkloopregeling... 95 BIJLAGEN Fig. bijlage-1 Werking van de positieterugkoppeling... 102 Fig. bijlage-2 Aansluitschema van de druksensor... 106 TABELLEN HOOFDSTUK 2 Elektrohydrauliek Tabel 2-1 Technische specificaties van proportionaal magneten... 28 Tabel 2-2 Verschillen servo-ventielen en proportionaal-ventielen... 37 Tabel 2-3 Overzicht van de verschillende servo-ventiel principes.... 44 HOOFDSTUK 4 Opbouw testopstelling Tabel 4-1 Overzicht eenhedenstelsels.... 46 Tabel 4-1 Instelling van de DIL switches op de versterkerkaart... 61 Tabel 4-2 Vuistregels voor het kiezen van de juiste regelaar... 71 Tabel 4-3 De meetwaarden bij een stapresponsie.... 77 Tabel 4-4 De meetwaarden bij een sinusresponsie met de belastingscilinder.... 80 Tabel 4-5 De meetwaarden bij een sinusresponsie zonder de belastingscilinder.... 81 VIII

M.C. Escher, Waterval Hydraulica De tak van wetenschap die zich bezig houdt met het gedrag van stromende vloeistoffen. Het woord "hydraulica" is afkomstig van het Griekse woord hydraulikos. Een ander woord voor hydraulica is vloeistofdynamica. 1

INLEIDING 2

In wetenschappelijke zin is hydraulica de leer van vloeistoffen in rust en in beweging, respectievelijk de hydrostatica en hydrodynamica. In de werktuigbouwkunde, voertuig- en vliegtuigtechniek, enz. verstaat men onder hydraulica de toepassing van dit deel van de natuurkunde voor de aandrijf -, besturing - en regeltechniek. Vooral in elektrohydraulische proportionaal - en regeltechniek is de integratie elektronica / hydraulica zeer ver gevorderd. Zowel de hydraulicaspecialisten als de elektronicaspecialisten zullen in de toekomst meer en meer kennis moeten hebben van elkaars vakgebied. In de aandrijf -, besturing - en regeltechniek neemt hydraulica een niet meer weg te denken plaats in. Met hydraulische technieken zijn lineaire en roterende bewegingen volledig onder controle te houden. Ze zijn geschikt daar waar grote krachten nodig zijn en waar extreme nauwkeurigheid met betrekking tot positie en snelheid wordt vereist. Door de economische vooruitgang is er een grote behoefte en nood aan automatisering en regelsystemen. De nieuwe trend binnen de hydraulica die daar op inspeelt is de elektrohydrauliek. Meer en meer worden elektronische en regeltechnische systemen geïntegreerd in de gewone conventionele hydraulica. Deze realisatie is in samenwerking met Vermeulen NV, Roeselare en de Hogeschool West Vlaanderen, departement PIH, Kortrijk ontstaan. In dit eindwerk gaan we zowel theoretisch als praktisch in op de elektro-hydrauliek. In hoofdstuk één bespreken we de doelstellingen van dit eindwerk en hoe deze ontstaan zijn. We stellen ook even de betrokken partijen voor. Hoofdstuk twee gaat theoretisch in op de elektrohydrauliek, we bestuderen de basisbeginselen en de verschillende soorten elektrohydraulische ventielen. In hoofdstuk drie voeren we een marktonderzoek uit over de verschillende ventielen. We bestuderen vooral de ventielen van de twee grote merken, BOSCH en MOOG. In een vierde en laatste hoofdstuk gaan we de opstelling van het systeem uitleggen. Hoe zijn we tot de opstelling gekomen en welke experimenten hebben we uitgevoerd? 3

Als student industrieel ingenieur elektromechanica automatisering ben ik vooral geïnteresseerd in het besturen van productieprocessen en gesloten regelkringen. Daarom is een heel interessante toepassing van dit eindwerk bijvoorbeeld gelijkloop van cilinders en positieregeling. In het algemeen besluit staan de verschillende conclusies te lezen die we na dit onderzoek konden maken. Dit eindwerk is een verderzetting van een eindwerk dat vorig academiejaar geschreven werd door Koen Dendauw: Ontwerp en opbouw van een testopstelling hydraulisch positioneren, 2004-2005 4

HOOFDSTUK 1 DOELSTELLINGEN Heel belangrijk bij het aanpakken van een groot project zoals deze thesis, is dat er aan het begin van het project genoeg tijd wordt gespendeerd aan het opstellen van enkele goede doelstellingen. Deze zijn onmisbaar om gedurende het verdere jaar, een totaal overzicht te kunnen behouden en de lijnen vast te leggen zodat er gedurende het jaar geen dwaalsporen kunnen worden gevolgd. Daarom gaan we ook deze doelstellingen in de thesis voorstellen. Deze doelstellingen zijn tot stand gekomen door enkele gerichte vragen komende van alle betrokken partijen. In een eerste punt worden de doelstellingen van het project mooi op papier gezet. We willen ook even alle betrokken partijen voorstellen, dit doen we in een tweede punt. Verder in de thesis en vooral in het besluit, komen we te weten of we alle doelstellingen hebben bereikt. 5

1 DOELSTELLINGEN VAN HET PROJECT Vorig jaar, bij de opstart van dit eindwerk, waren er enkele betrokken partijen die elk hun specifieke vragen hadden betreffende elektrohydrauliek. Uiteraard werd daarmee rekening gehouden en werd er getracht in te gaan op hun verschillende vragen. We overlopen even: Vermeulen NV is de belangrijkste partner in deze studie en is vooral geïnteresseerd in de kennis, zowel praktisch als theoretisch, zodat ze in de toekomst met die kennis ook klanten kunnen helpen die een hydraulisch probleem van regeltechnische aard hebben. Hiervoor hebben ze nood aan een opstelling om hydraulische regelkringen met proportionaal- en servo-ventielen te kunnen bouwen.vermeulen NV leverde de hydraulische onderdelen van de aandrijfgroep en de testbank. Ook zijn ze heel erg geïnteresseerd om in een handig naslagwerk een goed overzicht te hebben over de verschillende elektrohydraulische ventielen die op de markt zijn. C-metals NV is een groothandel van assen, cilinderbuizen, cilinders, enz Daarnaast doen ze ook revisies van plooibanken, plaatscharen, enz. Vanuit deze optiek zoeken ze een oplossing voor de problematiek van de regeltechnische gelijkloop van cilinders. C-metals NV leverde de stalen onderdelen van de draagconstructie. PIH Kortrijk is vooral geïnteresseerd in enkele labo-opstellingen waarin hydraulische en regeltechnische problemen kunnen worden getoond en onderzocht. Met dit eindwerk wordt theoretische en praktische kennis opgedaan inzake hydraulica. De resultaten kunnen worden gebruikt in labo sessies. Vanuit deze vragen werd mij duidelijk wat mij te doen stond. In mijn stage zou ik allereerst een basiskennis hydraulica moeten opdoen. Daarnaast kon ik al een stapje verder gaan en mij gaan verdiepen in de elektrohydrauliek. Ook wilde ik goed weten hoe je de testbank moest bedienen zodat verdere testen in het PIH konden doorgaan. Met de eerste ervaring, opgedaan op stage bij Vermeulen NV, kon ik enkele doelstellingen opstellen. 6

De doelstellingen kort samengevat: Theoretische kennismaking van elektrohydrauliek Aansturen proportionaal-ventielen met hun versterkerkaart. Integratie van proportionaal-ventiel in enkele didactische controlesystemen. Marktonderzoek elektrohydraulische ventielen 2 VOORSTELLING BETROKKEN PARTIJEN 2.1 Vermeulen NV Fig. 1-1 Logo Vermeulen. In 1856 richtte Charles Vermeulen een fabriek op die handelde in schietspoelen, bobijnen en klossen. Vermeulen NV overleefde de twee wereldoorlogen en de crisis van 1930. Men verwierf na WO II een internationale reputatie op vlak van pneumatiek en hydrauliek. Door een enorme economische explosie en door de opkomst van verschillende concurrenten kwam de noodzaak naar boven om het bedrijf en productieproces te gaan specialiseren en automatiseren. In die periode deden zich ook de eerste gevallen van automatiseringsprojecten aangedreven door perslucht en hydraulica voor. Herman Deboutte, in die tijd de bedrijfsleider van Vermeulen NV, zag hierin een grote en belangrijke markt en werd door de invloed van de VS geconfronteerd met het begrip Low Cost Automation. Vanaf de jaren 50 werd de productie van schietspoelen en bobijnen stopgezet en begon men met de productie van pneumatische en hydraulische ventielen en cilinders. Daarnaast werd ook een studiebureau opgericht dat zich boog over de meest uiteenlopende productieproblemen. Fig. 1-2 Hydraulische sluis. Vermeulen NV is nu al meer dan 50 jaar producent en leverancier van hydraulische en pneumatische componenten en systemen voor de hele Belgische markt. Sinds 1996 maakt de onderneming deel uit van de Eriks groep. Samen met het zusterbedrijf IECO NV in Brussel en 7

Flexion BV in Nederland, in totaal acht vestigingen, vormt ze de aandrijfgroep voor de Benelux. Anno 2005 bestaat Vermeulen NV uit twee grote afdelingen: de pneumatiek en de hydrauliek. Vermeulen Pneumatiek verzorgt vooral de studie en constructie van speciale units zoals automatische boor - en tapeenheden, automatische laadmagazijnen, enz Vermeulen Hydrauliek zorgt voor op maat gemaakte componenten en volledige geïntegreerde systemen. Dit gaat van specifieke opdrachten voor de industrie tot de realisatie van bruggen en sluizen langs de belgische waterwegen. Totaaloplossingen worden uitgewerkt en getekend op het studiebureau. In het atelier worden systemen geassembleerd en getest. Anderzijds beschikt met over moderne draai en freesinstallaties om alle mogelijke speciale onderdelen te vervaardigen. Vermeulen kan alle systemen ter plaatse installeren en dus ook het onderhoud verzorgen. Om te voldoen aan de vraag van de klant, wil men zich bij Vermeulen NV nu ook gaan toeleggen op de regeltechnische mogelijkheden in hydraulische installaties. Vermeulen NV is dus het bedrijf bij uitstek om de uitwerking van dit eindwerk te ondersteunen. 2.2 C-Metals NV Fig. 1-3 Logo C-metals. C-Metals NV is opgericht in oktober 2000. In december werd het eerste kantoor en magazijn ingericht in Bissegem. In januari startte de verkoop. Het bedrijf verdubbelde zijn capaciteit al na 1 jaar. In november 2000 verhuisde C-Metals naar zijn nieuwe locatie in Herseaux. Het bedrijf is vooral bekend als voorraadhoudende groothandel van hard verchroomde assen, gehoonde cilinderbuizen en stangkoppen voor hydraulische en pneumatische cilinders. Daarnaast doen ze ook revisies van plooibanken, plaatscharen, enz 8

2.3 P.I.H. Kortrijk Fig. 1-4 Logo PIH. De Provinciale Industriële Hogeschool is een departement van de Hogeschool West- Vlaanderen. Ze voorziet een ingenieursopleiding en doet aan studie en onderzoek ten behoeve van de industrie. Voor het P.I.H. is de belangrijkste doelstelling dat er enkele didactische opstellingen ontstaan omtrent hydraulische aandrijfsystemen. Een positieregelkring en een drukregelkring kunnen in het labo dienst doen ter aanvulling van de cursus regeltechniek en vermogenelektronica. 9

HOOFDSTUK 2 ELEKTROHYDRAULIEK De integratie van elektronische besturingstechniek in de industriële hydrauliek heeft al uitgebreid plaatsgevonden. Ook in de mobiele hydrauliek zet deze integratie door. Bij het construeren en ontwikkelen van gecombineerde systemen worden hydrauliek en elektronica veelal als op zichzelf staande technieken beschouwd, terwijl bij het plegen van onderhoud en bij het lokaliseren van storingen het van belang is beide technieken als één geheel te zien. Vooral in elektrohydraulische proportionaal- en servo-techniek is de integratie van elektronica/hydrauliek zeer ver doorgedrongen. Men moet zich meer en meer specialiseren op beide terreinen. In dit hoofdstuk gaan we in op de theorie betreffende elektrohydrauliek. Om wat meer te weten over proportionale- en servo-hydrauliek, moeten we wat thuis zijn in basishydrauliek. We gaan niet te diep in op de technische aspecten maar wel genoeg om de meeste aandrijfsystemen te begrijpen. Er wordt nadruk gelegd op de werking en constructie van proportionale- en servo-ventielen. Daarnaast geven we een eerste onderverdeling van de verschillende soorten elektrohydraulische ventielen. 10

1 INLEIDING 1.1 Conventionele hydrauliek We bedoelen hiermee systemen die werken met mechanische instelbare componenten. De verwerking van de elektrische signalen gebeurt met behulp van relaistechniek of door middel van een PLC. De verandering van stromingsrichting en druk of volumestroom gebeurt in de conventionele elektrische schakeltechniek meestal in oncontroleerbare sprongen, men noemt dat zwart-wit hydrauliek of anders gezegd: hydrauliek met aan - uit toestanden. Het gevolg hiervan is dat er hoge piekdrukken kunnen ontstaan en dat de componenten dus grote schakelklappen te verwerken krijgen. Dit gaat natuurlijk ten koste van de levensduur. Overdrachtsfuncties zoals éénparig versnelde of vertraagde bewegingen zijn soms nog te realiseren met behulp van nokkenmechanismen. 1.2 Proportionaal-hydrauliek Dit is een analoge besturingstechniek die gebruik maakt van proportionaal-componenten met bijhorende elektronica. De ingestelde waardes van druk, debiet en stromingsrichting worden als analoog elektrisch signaal aangeboden. De overgangsfuncties worden gerealiseerd door middel van een rampgenerator. De verwerkingsvolgorde van de voorgeprogrammeerde, ingestelde waardes wordt bepaald door een machinebesturing (meestal een PLC of microprocessor). Op die manier zijn veeleisende besturingsproblemen op te lossen en zijn bvb versnelling en vertragingsbewegingen optimaal te sturen. Proportionaal-ventielen werken in het algemeen in een open stuurketen. Kenmerk daarvan is het ontbreken van de terugkoppeling tussen het proces en de besturing. Met andere woorden, er wordt niet gecontroleerd of het proces de ingestelde waarde wel echt bereikt. Het verband tussen ingang- en uitgangssignaal wordt bepaald door de overbrengingsverhouding van de afzonderlijke besturings-componenten (het proces). Treden er fouten of storingen op, dan kunnen we ze niet detecteren en komen deze ook in het uitgangssignaal naar boven. Deze fouten kunnen ontstaan door: inwendige lekkage, wrijving, nulpuntverschuiving, lineariteitsfouten, slijtage, enz 11

1.3 Servo-hydrauliek Hieronder verstaan we de toepassing van de regeltechniek in de hydrauliek. We gaan regeltechniek in combinatie met regelventielen (servo-ventielen), sensoren en regelversterkers gaan gebruiken. De verwerkingsvolgorde van de vooraf bepaalde ingestelde waardes volgt uit de machinebesturing. Kenmerk van dit systeem is de gesloten regelkring. De werkelijke waardes van de te regelen procesgrootheden, zoals positie en/of snelheid van een cilinder, worden continu via sensoren naar de besturingseenheid teruggekoppeld en vergeleken met de ingestelde waardes. Bij een eventueel verschil wordt er een signaal naar de regelklep gestuurd om de fout te corrigeren. In tegenstelling tot regelventielen (servo-ventielen) kunnen proportionaalventielen in het algemeen niet voldoen aan de eisen die daarbij aan de besturingscomponenten worden gesteld. Wat betrerfd constructie zien de servo-ventielen er uit als de proportionaal-ventielen, ze zijn er dan ook rechtsreeks van afgeleid. Fig. 2-1 Onderscheid conventionele, proportionale- en servo-hydrauliek. 12

2 CONVENTIONELE HYDRAULIEK 2.1 De wet van Pascal De wet van Pascal is een zeer belangrijke wet in de hydraulica. Alle andere wetten en formules steunen op deze ene wet. De wet van Pascal is de basis wet in de hydrostatica. De Wet van Pascal zegt: De druk in een gecomprimeerde in rust zijnde vloeistof plant zich in een gesloten vat in alle richtingen gelijkmatig voort. In de praktijk geldt deze wet ook als de vloeistof met een constante eenparige snelheid door een leiding stroomt. In formulevorm geeft dat: P = 0 P + ρgh Fig. 2-2 De wet van Pascal. Hierin is P de druk in een willekeurig punt in de vloeistof gemeten op een diepte h onder het vloeistofoppervlak. Po is de referentiedruk, meestal de atmosferische druk P = 0 1. 013MPa. Verder is g is de aardversnelling en is ρ de massadichtheid van de beschouwde vloeistof. 2.2 Druk en kracht Druk is de kracht die de (gecomprimeerde) vloeistof uitoefent op een bepaald oppervlak. In formulevorm geeft dat: F P = [N/m²] of [Pa] A De druk van de vloeistof is ook recht evenredig met de opgeslagen potentiële energie in de vloeistof. De maximale druk die in een systeem kan voorkomen is afhankelijk van vele verschillende factoren, zoals een overdrukklep, de maximale druk die de leidingen kunnen verdragen, maar ook van het maximale vermogen van de pomp die de energie in het systeem steekt. Fig. 2-3 Druk en Kracht. 13

Afhankelijk van de toepassingen zijn er verschillende drukbereiken mogelijk. Onderstaande lijst geeft een idee van de drukken die gebruikt worden bij verschillende toepassingen. De omrekening van pascal [Pa] naar [bar] gebeurd op deze manier: 1 bar = 100.000 Pa. Verspanende werktuigmachines: Landbouwmachines: Graafmachines en kranen: Walsen: Spuitgietmachines: Toestellen voor materiaalbeproeving: Hydrovormen: 20-70 bar 150-200 bar 100-250 bar 100-315 bar 150-315 bar 315-370 bar tot 6000 bar De bovengrens van het drukbereik wordt bepaald door de sterkte van de onderdelen en de pomp. De praktijk toont aan dat het beperken van de werkdruk beneden 315 bar, een meer economische oplossing oplevert. Hoge drukken worden bekomen door gebruik te maken van speciaal geconstrueerde pompen of door het gebruik van drukomvormers. 2.3 Volumestroom of debiet De volumestroom is de hoeveelheid vloeistof die per tijdseenheid door een systeem vloeit. De volumestroom is een belangrijke bepalende factor voor de druk in het systeem. Volumestroom: q v [m³/s] [l/min] 2.4 Hydraulisch vermogen Het hydraulisch vermogen dat door een component wordt opgenomen is eenvoudig te berekenen met:. P = p q v. 600 Hierin is dan p het drukverschil over het component in [bar], q v de volumestroom door het component in [l/min] en P het opgenomen vermogen in [kw]. Fig. 2-4 Hydraulisch vermogen. 14

In hydraulische systemen wordt elektrische energie gebruikt voor het opwekken van mechanische energie en deze wordt dan omgezet in hydraulische energie. In deze vorm wordt de hydraulische energie dan getransporteerd en verdeeld om tenslotte weer te worden omgezet in mechanisch vermogen. 2.5 Hydraulische vloeistoffen Het probleemloos functioneren, de levensduur, bedrijfszekerheid en rendement van een hydraulische installatie wordt voor een belangrijk deel bepaald door een juiste keuze van de hydraulische vloeistof. Voor de meeste industriële en mobiele toepassingen gebruikt met minerale oliën. In brandgevaarlijke ruimten zullen uit veiligheidsoverwegingen moeilijk ontvlambare hydraulische vloeistoffen worden gebruikt. Het gaat hier dan over olie-emulsies of synthetische vloeistoffen De functie van hydraulische vloeistoffen is naast energietransport ook smering, bescherming tegen corrosie, afvoer van warmte en afvoer van verontreinigingen. Uit milieu-oogpunt worden ook steeds vaker biologisch afbreekbare vloeistoffen gebruikt. Over hydraulische oliën valt er nog veel meer te zeggen, maar we gaan daar in deze thesis niet verder op in. 2.6 Opbouw van een hydraulische installatie In een hydraulische installatie wordt door de pomp eerst mechanische energie omgezet in hydraulische energie. Deze energie wordt met de vloeistof via leidingen en besturingscomponenten naar de hydromotor getransporteerd en daar weer omgezet in mechanische energie. Figuur 2-5 geeft schematisch een hydraulische installatie weer. De verschillende componenten zijn verdeeld in groepen met elk een specifieke functie: De pompgroep De conditioneringgroep De besturingsgroep De motorgroep De pompgroep is de energiebron van de hydraulische installatie. Tot deze groep behoren de aandrijfmotor van de pomp, de pomp, het reservoir en eventuele accumulatoren. 15

De conditioneringgroep heeft als doel voor het optimaal in conditie houden van het systeem en de hydraulische vloeistof. Tot deze groep behoren filters, koelers, warmtewisselaars, overdrukventielen. Overigens speelt ook het reservoir uit de pompgroep een grote rol bij de conditionering. De besturingsgroep heeft een sturende en regelende functie. De componenten van deze groep, stuurschuiven (sturende functie) en stroom-en drukregelventielen (regelende functie), zorgen ervoor dat de hydraulische vloeistof onder de juiste condities op de goede plaats terechtkomt. De motorgroep (verbruikers) zet de hydraulische energie om in mechanische energie en zorgt voor het aandrijven van de last. Tot deze groep behoren: hydromotoren, cilinders en zwenkmotoren. Fig. 2-5 Opbouw van een hydraulische installatie. 16

2.7 Basisprincipe Actuator Hydraulische Energie Mechanische Energie Richtingcontrole Debietcontrole Drukcontrole Controle Signalen Mechanische Energie Pomp Mechanische Energie Fig. 2-6 Principe schema van een hydraulisch systeem. We kunnen hydraulische systemen gebruiken om energie te transporteren en te controleren. Aan het ene eind van het hydraulische systeem hebben we de mechanische energie, meestal geleverd door een elektromotor en omgezet in hydraulische energie door een pomp. Aan het andere eind van het systeem bevindt zich een actuator die de hydraulische energie terug omzet naar mechanische energie, meestal in een lineaire of roterende beweging. Tussen deze twee uiteinden bevindt zich het controlegedeelte, druk-debiet-richtingventielen controleren de hydraulische vloeistoffen afhankelijk van de aangelegde controlesignalen. 2.7.1 Drukcontrole Bij een drukventiel wordt de ontwikkelde kracht gebruikt om variaties in de klepzitting te bekomen. De klep wordt, in een mate afhankelijk van de kracht, tegen de zitting gedrukt. Om een opening te creëren (de klep wordt van de zitting weggedrukt) moet er via de perszijde een bepaalde druk worden geleverd die deze kracht kan overwinnen en dus de klep van de zitting wegdrukt. De druk kan zo geleverd worden door middel van het besturen van stroom door de spoel. Vanzelfsprekend wordt de te bereiken druk bepaald door de maximum kracht die de stroom in de spoel kan ontwikkelen. 17

Fig. 2-7 Principiële werking drukventiel. 2.7.2 Debietcontrole In een proportionaal debiet ventiel wordt de elektromagnetische spoel gebruikt om een schuif te verschuiven. Fig. 2-8 Principiële werking debiet ventiel. Door het vloeien van een stroom door de spoel ontstaat er een kracht die zorgt voor een beweging van de schuif in het ventiellichaam. Door de beweging van de schuif tegen een veer, ontstaat er een tegenwerkende kracht. De schuif zal zich dan positioneren op een plaats waar deze twee krachten in evenwicht zijn. Hoe groter de spoelkracht, hoe groter de kracht moet zijn in de veer om het evenwicht te doen ontstaan. We kunnen dus zeggen dat de stroom door de spoel direct zijn invloed heeft op de plaats van de schuif. In dezelfde mate als de 18

schuif verder schuift wordt proportionaal het pad groter waar de olie moet doorheen passeren. We kunnen nu dus het debiet regelen. 2.7.3 Richtingcontrole Door gebruik te maken van een proportionale spoel aan beide einden van de schuif, kunnen we de schuif aan beide kanten van het centerpunt bewegen, zo kunnen we een debietcontrole met een richtingcontrole combineren. Fig. 2-9 Principiële werking directionele debiet controle ventiel. Het verschil met de debietcontrole is dat er nu 4 flow-paths zijn. Het bedienen van spoel (a) geeft een flow van P naar A en van B naar T, bedienen van spoel (b) geeft een flow van P naar B en van A naar T 2.7.4 In de praktijk Het grootste voordeel van hydraulische energie is dat het heel gemakkelijk is om grote hoeveelheden energie te controleren. Richtingsventielen kunnen met een klein elektrisch signaal de richting veranderen van de uiteindelijke mechanische beweging. Druk-en debietventielen kunnen de snelheid en kracht van de actuator gaan bepalen. We kunnen dus met deze relatief simpele componenten een grote waaier aan mogelijke functies gaan controleren: Volledig omkeerbare bewegingen Oneindig variabele kracht en koppel controle Oneindig variabele snelheidscontrole op maximum kracht en koppel Limiteren van kracht en koppel 19

Het is niet altijd even gemakkelijk geweest om deze functies volledig te benutten. In de industrie is het heel lang een gangbare zaak geweest om de druk en het debiet handmatig te bedienen en de richting elektrisch te bedienen. Fig. 2-10 Manueel en elektrisch bediende ventielen. Na een tijd werden ook het debiet en de druk elektrische bediend. In de praktijk is het voordeel van geleidelijke, omkeerbare en oneindige variabele controle van grote hoeveelheden energie niet altijd even gemakkelijk te verkrijgen. Daarom is het gebruik van conventionele ventielen, elektrische schakelaars, enz. niet aangewezen. Na verloop van tijd werden er elektronische controllers gemaakt die de mogelijkheid hadden om een analoog signaal te generen voor het controleren van de hydraulische debiet en druk. Deze snelle evolutie leidde tot een nieuwe familie bij de hydraulische ventielen. Deze ventielen bieden nu de mogelijkheid om met een laag vermogen elektrisch signaal het debiet en de druk te regelen op een vloeiendere manier. De flexibiliteit van de elektronica gecombineerd met de robuuste kracht van de hydraulica heeft tot een technologie geleid die vele groot-vermogen en positioneer toepassingen omvat! 20

3 ELEKTROHYDRAULISCHE VENTIELEN 3.1 Inleiding Servo- en proportionaal ventielen kunnen debiet en druk bepalen, en dus uiteindelijk snelheid en kracht. In tegenstelling tot richtingbepalende ventielen kunnen ze gelijk welke positie aannemen tussen het volledig gesloten en volledig open zijn. Hoog performante ventielen zijn meestal onderverdeeld in de categorie servo- ventiel of de categorie proportionaal ventiel, een onderverdeling die een indicatie geeft van de verwachtte performantie. Helaas zorgt deze onderverdeling er soms voor dat de echte verschillen tussen deze verschillende typen ventielen vervagen. Het onderscheid moet worden gemaakt op basis van hun toepassing. Traditioneel, beschrijft de term servo- ventiel een ventiel dat gebruikt wordt in geslotenlussystemen. Ze geven de positie van de main-stage schuif en koppelen deze terug. Proportionaal ventielen hebben deze terugkoppeling meestal niet en bewegen gewoon hun schuif proportionaal aan het ingangssignaal uit, ze hebben dus meestal geen automatische fout correctie (feedback) binnenin het ventiel. Soms gebeurt het echter dat een hoog performant proportionaal ventiel ook deze terugkoppeling bezit. Dan is deze onderverdeling natuurlijk niet meer van toepassing. Dit toont aan dat ontwerpers en gebruikers dezelfde terminologie moeten gebruiken en focussen op de performantie-eisen van de toepassing. 3.2 Proportionaal-ventielen 3.2.1 Inleiding Conventionele hydrauliek noemt men ook soms zwart-wit hydrauliek. Daarmee wordt bedoeld dat de schuiven of bediend, of onbediend zijn; de schuif beïnvloedt dus alleen de stromingsrichting van de olie en heeft geen invloed op de volumestroom. 21

Fig. 2-11 Proportionaal uitsturen van het debiet. Een elektrisch bediende 4/3-schuif staat of in de linker-, rechter-, of in de middenstand; het is niet mogelijk de schuif half te bedienen om zo de volumestroom te beïnvloeden. Bij proportionale ventielen is dit wel mogelijk. Met één signaal stuurt men dan zowel de richting als de grootte van de volumestroom. De mate waarin de schuif bediend wordt is proportionaal met de stroomsterkte door de proportionaal spoelen. Deze variabele stroomsterkte zorgt voor een variabele kracht op de stuurschuif; deze kracht verplaatst de schuif net zo lang tot er een evenwicht ontstaat met de op de schuifwerkende veerkracht. Behalve proportionale stuurschuiven zijn er ook proportionale overdrukventielen, reduceerventielen, debietregelventielen, enz Het overgrote deel van de toepassingen van de proportionaal hydrauliek zijn toepassingen op het langzaam op snelheid brengen en afremmen van machine onderdelen. Door de smorende werking van proportionale schuiven ontstaat er over de schuif een p. De volumestroom door de schuif hangt, behalve van de schuifdoorlaat af van deze p. De verschillende fabrikanten geven van schuiven een standaard volumestroom op bij een standaard drukval p. In het algemeen wordt bij deze standaard volumestroom een drukval p aangehouden van een 10 bar. Dit wil zeggen een 5 bar op de heenweg en een 5 bar op de terugweg. 22

Door de constructie van een proportionale schuif is een nauwkeurige automatisch werkende positieregeling relatief moeilijk te realiseren en zelfs lang niet altijd mogelijk; men is dan aangewezen op servo-techniek. Fig. 2-12 Dode zone in ventiel. Proportionale schuiven hebben in de ruststand namelijk vaak een positieve overlap. Er ontstaat als het ware een dode zone waar de schuif wel beweegt, maar er geen volumestroom door de schuif stroomt. 3.2.2 Constructie 3.2.2.1 Ontstaan De mogelijkheid om vloeiend controle van druk en debiet te verkrijgen in hydraulische systemen heeft een grote vooruitgang gekend in de voorbije jaren. Elektro-hydraulische ventielen werden uitgevonden in de late jaren 30 als een hoog technologische, dure oplossing voor het controleren van bewegingen. In de jaren 80 werden proportionaal ventielen ontworpen als een alternatief, zowel qua prijs als qua technologie, voor servo-ventielen. Men kon met bepaalde constructies al verschillende drukken of debieten instellen, door ventielen te gebruiken die het besturingsventiel voorstuurden. Maar wat als er een staploos controle nodig was? Vroeger moest de machineoperator, manueel de positie van het ventiel verstellen. Deze menselijke manier van staploos controleren is zoals het woord bijna zelf zegt, helemaal niet nauwkeurig en accuraat. Elektrische controle was voor de uitvinding van de microprocessor in de jaren 80 ook heel primitief, bestaande uit relaisschakelingen die konden schakelen tussen on en off. Eenmaal de microprocessor en dan uiteindelijk de PLC op de markt kwam, was er 23

een nieuwe generatie van procescontrole. Machines moesten niet meer hardwarematig worden veranderd. De eerste proportionaal ventielen die op de markt kwamen waren de openlus-ventielen. Er was geen terugkoppeling van het schuifsignaal naar het ingangssignaal. Om de performatie van deze ventielen toch deze van de servo-ventielen te laten benaderen werd er een Lineair Variable Displacement Transducer geïmplementeerd in het ventiel. Het uitgangssignaal van de LVDT toonde de werkelijke schuifpositie. Wanneer deze signalen konden bijeen worden gebracht in een versterkerkaart dan kon er een gesloten lussysteem worden ontwikkeld. De kaart vergeleek de werkelijke positie van de schuif met de positie waar deze normaal zou moeten zijn. De uitgang van de versterkerkaart werd dan veranderd om deze fout weg te werken. Deze nauwkeurige ventielen worden geslotenlus-proportionaal-ventielen genoemd. 3.2.2.2 Blokschema van een ventiel Ieder ventiel heeft een versterker. Deze versterker voorziet het ventiel van de juiste ingangsspanning, zowel qua vorm als qua waarde. Als een grotere nauwkeurigheid gewenst is dan wordt een spoelpositiesensor opgenomen in het ventiel. De beweging van de schuif wordt dan gemeten door een LVDT (zie verder) en teruggekoppeld naar de versterker. We doen dit om een zo goed mogelijk benadering te hebben van het gewenste signaal. Fig. 2-13 Blokschema van een ventiel. 24

3.2.2.3 Onderdelen ventiel Een ventiel bestaat uit een aantal verschillende onderdelen. Hun werking wordt hier in het kort uitgelegd. Fig. 2-14 Onderdelen van een doorsnee ventiel. Proportionaal magneet: Deze magneet zet het elektrisch input signaal om in een mechanische verplaatsing van het anker. Anker: Deze kern van de magneet zal de schuif verplaatsen proportionaal aan het inputsignaal. Schuif: Wordt onder druk van het anker bewogen. Deze opent of sluit de toegang naar de poortopeningen. Er wordt meer of minder druk toegestaan of er wordt meer of minder debiet doorgelaten. Poortopeningen: Deze worden meer of minder gesloten door de schuif. Het zijn de toegangswegen tot de aanvoerkant en afvoerkant van het ventiel. P poort (P~pressure), hier wordt de onder druk gebrachte olie aangevoerd T poort (T~tank), hierlangs kan alle olie terugstromen naar het reservoir. A en B poort leiden dan naar een hydraulische actuator, bvb een cilinder. Huis: behuizing van het ventiel. Veer: met deze veren wordt de schuif in de goede positie gehouden. 3.2.2.4 Werking proportionaal magneet Een elektrisch ingangssignaal van een bepaalde bron wordt naar de versterkerkaart gestuurd, die op zijn beurt een versterkte stroom stuurt naar de spoel van het proportionaal ventiel. Omdat de elektrische input van de meeste bronnen te laag is wat betreft vermogen vergeleken met de elektrische input die nodig is om de spoel te voeden, moet deze inputstroom worden 25

versterkt. Deze functie wordt uitgevoerd door de versterkerkaart. Deze versterker is soms rechtsreeks gemonteerd op het ventiel of het is een aparte kaart die bij het ventiel hoort. Het ingangssignaal kan van verschillende bronnen komen, een potentiometer, microprocessor, PLC. De versterkkaart stuurt dus een gepaste stroom (PWM signaal) door de spoel zodat deze bediend wordt. Bij een bediende spoel(1) ontstaat er een magnetisch veld(2) via het ijzeren huis(3) en de beweegbare schuif(4). Dit veld trekt de schuif de spoel in. De schuif bedient via een stift(5) de stuurschuif en drukt deze tegen de druk van de terugstelveer in naar de gewenste schakelstand. Fig. 2-15 Werking proportionaal magneet. De stroom door een spoel zorgt voor een elektromagnetisch veld dat een kracht veroorzaakt in het ventiel. Deze kracht beweegt een kern voort waardoor een bepaalde opening meer open of meer gesloten komt te staan. De grootte van de kracht is rechtsreeks afhankelijk van de grootte van het magnetisch veld. Dit magnetisch veld is rechtsreeks afhankelijk van de geleverde stroom. Uiteindelijk kunnen we zeggen dat de opgewekte kracht afhankelijk is van de stroom, en wel met een lineair verloop. De kracht ontwikkeld door de spoel wordt tegengewerkt ofwel door een veer, ofwel door een tweede spoel. Er zijn dan twee spoelen die zich aan elk uiteinde van het ventiel bevinden. Om schematisch een proportionaal ventiel te onderscheiden van een gewoon ventiel, is het symbool van een gewoon ventiel uitgebreid met twee horizontale lijnen buiten het ventiel. 26

Deze lijnen lopen parallel aan de lengte-as van het symbool. De lijnen duiden aan dat de schuif de mogelijkheid heeft om in gelijk welke stand, tussen volledig open en volledig gesloten, te bewegen. Deze ventielen hebben 4 posities in plaats van het normale aantal 3. In de niet geactiveerde toestand zijn alle toegangen afgesloten. Fig. 2-16 Schematische voorstelling van een ventiel met één spoel. Schematische voorstelling van een ventiel met twee spoelen: Fig. 2-17 Schematische voorstelling van een elektro-hydraulisch ventiel met twee spoelen. Ventielen die ook de richting bepalen maken gebruik van deze constructie. De grootste verschillen tussen een on / off ventiel en een proportionaal-ventiel zijn: De veren die de schuif centreren zijn veel sterker in proportionaal ventielen dan in gewone ventielen. Proportionaal magneten kunnen een veel grotere kracht ontwikkelen dan gewone magneten. Proportionaal ventielen gebruiken altijd DC aangedreven spoelen. 3.2.2.5 Droge en natte magneten Bij een droge magneet staat de schuifruimte niet in verbinding met de olie. Er is een afdichting aangebracht. Deze afdichting is echter onderhevig aan slijtage en geeft bij het schakelen wrijvingsverliezen en stelt grenzen aan de toelaatbare druk op de T-aansluiting van de stuurschuif. 27

Modernere magneten zijn zogenaamde natte magneten waarbij de schuifruimte is gevuld met dezelfde hydraulische olie die door de leidingen stroomt. In deze situatie hebben we dan ook geen afdichting. Er is wel een O-ring aangebracht om lekkage te vermijden. De schuif zit in een drukbuis, de spoel bevindt zich erbuiten. 3.2.2.6 Technische specificaties De technische gegevens van magneten worden conform vooropgestelde normen (VDI 3263 en VDE 0580) gedefinieerd. In ons geval zitten we met een NG6-schuif Tabel 2-1 Technische specificaties van proportionaal magneten. Vermogensopname ca. 30W Spanning Standaard: gelijkspanning Soms: wisselspanning Nominale spanning Standaard: 24V Toelaatbare spanningsafwijking U nom ±10% Inschakeltijd 100% ED Bescherming Schakelfrequentie max. 1800/h Max. omgevingstemperatuur ca. 50 C Max. spoeltemperatuur ca. 120 C Schakeltijden Standaard IP65 (bescherming tegen aanraking en spuitwaterdicht Inschakelen: ca. 20 100ms Uitschakelen: ca. 10 60ms 3.2.2.7 Verloop magneetkracht Er is een luchtspleet tussen de schuif en het huis. Met het kleiner worden van de luchtspleet neemt de magnetische flux, en daarmee de magneetkracht F, toe. De vorm van de schuif en de ijzerdelen is zodanig geconstrueerd, dat er bij het aansturen van de magneet al direct een grote magneetkracht ontstaat. Er ontstaan zo sterk gekromde karakteristieken. In de grafiek hebben de karakteristieken betrekking op de magneetkracht bij verschillende temperaturen. De spoeltemperatuur heeft invloed op de spoelweerstand R en daarmee de stroomsterkte en de magneetkracht F. Ook het verschil tussen aantrekkracht en terugdrukkracht, komt uit de karakteristieken naar voren. Zoals we op de figuur kunnen zien blijft de ontwikkelde kracht van de spoel in zijn werkingsgebied redelijk constant in vergelijking met een gewone spoel. Als we er nu van uit gaan dat de andere kant van de schuif wordt tegengehouden door een veertje dan kunnen we de karakteristiek van de veerkracht ook opnemen in de grafiek. 28

Fig. 2-18 Invloed van de temperatuur op de spoelkracht. Fig 2-19 Conventionele vs. Proportionale spoel. 29

3.2.2.8 Schuifpositie-sensor De sensor die wordt gebruikt voor de schuifpositie-feedback is een LVDT (Lineair Variabel Differentiaal Transformer) Fig. 2-20 LVDT. De LVDT bestaat uit een primaire en een secundaire spoel met als kern een verlengstuk aan de stift uit zacht ijzer. De primaire spoel is verbonden met een hoog frequente AC-voeding die een variërend magnetisch veld opwekt. Dit magnetisch veld wekt een spanning op in de twee secundaire spoelen (transformatoreffect). Als de twee secundaire spoel tegengesteld zijn gepolariseerd dan zullen, als de kern gecentraliseerd is, de twee opgewekte spanningen elkaar tegenwerken en een nulspanning opwekken. Is de kern verschoven, dan zal in de ene spoel een grotere spanning opgewekt worden dan in de andere. Dit resulteert in een spanning verschillend van nul, we hebben nu een uitgangsspanning die evenredig is met de grootte van de verplaatsing. De faseverschuiving van het uitgangssignaal met het ingangssignaal toont ons de richting van de beweging. De uitgangsspanning wordt dan door een gelijkrichter gelijkgericht tot een DC-spanning proportionaal aan de beweging, de polariteit afhankelijk van de richting. De AC-voedingsspanning wordt opgewekt door een oscillator. Zowel de oscillator als de gelijkrichter zitten tegenwoordig ingewerkt in de LVDT. Dit betekent dat de LVDT alleen maar een DC-spanning nodig heeft om te werken. 30

3.2.2.9 Schuifoverlapping Proportionaal ventielen die met het schuifprincipe werken, hebben normaal een zekere overlap tussen de schuif en de poort van de behuizing Dit betekent dat de spoel een zekere verplaatsing moet maken alvorens er een opening ontstaat en er debiet kan vloeien. Deze initiële afstand is bekend als DEADBAND en wordt gemiddeld beschouwd als 20% van de totale beweging. Fig. 2-21 Schuifoverlapping dode zone. Deze overlap is om enkele redenen belangrijk: Het reduceert de hoeveelheid lekkage als er geen bekrachtiging van de spoel is. Het zorgt voor een grotere veiligheid als het elektrisch signaal zou wegvallen. De overlap zorgt voor een mindere nauwkeurigheid bij de constructie, dus gemakkelijker om te construeren en dus lager in kostprijs. Het nadeel van deze overlap is echter wel dat bij een klein ingangssignaal er een onnauwkeurige reactie is van de spoel. Dit gebeurt al typisch bij een signaal kleiner dan 20% van het maximum spoelsignaal. De spoelterugkoppeling is ook hiervoor een oplossing, we kunnen door de positie van de spoel terug te koppelen toch nauwkeurig een bepaalde positie bereiken. Het is echter ook mogelijk om een ventiel te creëren waar er een overlap is van 0, dus waar de rand van de spoel en de poort perfect op mekaar afgelijnd zijn. Bij zeer kleine ingangssignalen zal er toch al een debiet kunnen vloeien, evenredig met de grootte van het signaal. Dit wordt alleen maar toegepast in applicaties die een grote nauwkeurigheid vereisen, bijvoorbeeld in een geslotenlus-systeem. 31

3.2.3 Soorten ventielen 3.2.3.1 Direct versus indirect bediende ventielen. Allereerst moeten we een onderverdeling maken wat betreft constructie. We spreken in het engels van two-stage-ventielen en in het nederlands van indirect bediende of voorgestuurde ventielen. Fig. 2-22 Indirect bediende proportionaal ventiel. Bij de indirect bediende of voorgestuurde ventielen staan de Av en Bv poort van het voorstuurschuif in verbinding met de stuurpoorten van de hoofdschuif. In de ruststand van de voorstuurschuif staan beide stuurpoorten via de voorstuurschuif met het reservoir in verbinding en zijn dan ook drukloos. De hoofdschuif wordt door veren in de middenstand gehouden. Wordt één van de magneten van de voorstuurschuif bediend dan komt er druk te staan op een van de stuurpoorten van de hoofdschuif waar door deze in een andere schakelstand terechtkomt. De stuurdruk op voorstuurpoort Pv wordt of intern, of extern betrokken via kanaal X. Het afvoeren van de stuurolie kan eveneens intern of extern via kanaal Y plaatsvinden. De meeste stuurschuiven zijn hiervoor om te bouwen door gebruik te maken van blindpluggen welke kunnen worden gemonteerd of worden verwijderd als de voorstuurschuif is verwijderd. Uit veiligheidsoogpunt en om de nauwkeurigheid te verhogen kan het nodig zijn om de positie van de stuurschuif elektronisch te controleren. De positie van de schuif wordt bepaald met een inductieve wegopnemer, zoals eerder al opgemerkt. 32

Deze indirect bediende ventielen worden vooral gebruikt bij hydraulische systemen die bij erg grote drukken en debieten werken. In deze situatie kan het handig zijn om de stuurkring en vermogenkring te scheiden, zowel naar veiligheid als naar nauwkeurigheid toe. We kunnen proportionaal ventielen verder ook nog onderverdelen uitgaande van hun toepassing en werking. Als we uitgaan van hun toepassingsgebied dan kunnen we volgende onderverdeling maken: 3.2.3.2 Proportionaal drukcontrole Het onder controle houden van de druk in het systeem, dit kan bijvoorbeeld druk verhogen, druk verlagen, enz. zijn. Algemeen gezien is de werking identiek. Fig. 2-23 Proportionaal drukcontrole ventiel. 33

Met een elektrisch signaal kunnen we de druk traploos regelen. Naarmate de stroom in de spoel verandert zal de opening meer of minder groot worden en de druk zal stijgen of dalen. Te regelen DRUK = SpoelKRACHT / VentielOPPERVLAK Fig. 2-24 Druk in functie van het input signaal. De veer, dient voor de overbrenging van de opgewekte kracht naar de beweging van de klep. Ze heeft een dempende functie, zowel om dithersignalen op te vangen als om tot de kleinste fluctuaties op te vangen. Het kritische punt van een drukregeling is het minimum. Dit is heel moeilijk te regelen, omdat we met een veersysteem zitten dat ervoor zorgt dat de klep altijd een beetje open staat. 34