Ovdje pročitajte kako se registrirati na forum.

Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Tvoj projekt je upravo dovršen? Podijeli s nama što si napravio u ovom podforumu! Upute drugima kako napraviti isti projekt su uvijek dobrodošle!
Odgovorite
Avatar
nino.dujmesic#8403
Novak
Novak
Postovi: 6
Pridružen/a: ned tra 15, 2018 2:59 pm

Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la nino.dujmesic#8403 » sri ruj 12, 2018 3:51 pm

Pozdrav svima! Iako je postojanje jedne specijalizirane "arduino", "maker", "diy elektronika za svih" stranice samo po sebi odlično za RH i poticanje napretka u STEM područjima, e-radionica se kroz godine pokazala uz studentske popuste i tehničku podršku jednom noobu više nego korektna, pa sam odlučio vratiti support, a koji bolji način za to od popunjavanja forum prostora sadržajem? Radi se o izradi praktičnog dijela diplomskog rada prilikom kojeg se mjerenje tlaka odvija korištenjem senzora spojenog na arduino. Prvo ću malo objasniti kontekst rada, a potom ću i pokazati koju je ulogu odigrao arduino.

Dakle, pneumatika je, za one koji ne znaju, znanost o korištenju stlačenog zraka za obavljanje nekog korisnog rada. Jedan tipičan pneumatksi sustav sastoji se od kompresora i spremnika stlačenog zraka kao izvora za rad elemenata, cijevi i ventila kojima se zrak dovodi i usmjerava na radne elemente te izvršnih elemenata od kojih su vjerojatno najčešći pneumatski cilindri koji izvode linearni pomak, ali postoje i rotacijske izvedbe, čiji je ekstrem vjerojatno svima poznat - zubarska bušilica/brusilica. Pneumatski se sustavi koriste uvelike u automatizaciji i njihova prva uloga bila je automatizacija proizvodnje u 2. Svjetskom ratu. Njihova prednost leži u velikim gustoćama snage (puno snage na malom prostoru), čistoći rada (zrak) i brzini rada, ali radi mana poput potrebe za proizvodnjom stlačenog zraka ili nedovoljno velike preciznosti, često je ipak hidraulika ta za koju se ljudi odlučuju.

Pneumatski cilindri su uređaji kojima se ostvaruje linearni pomak i sastoje se od klipa s klipnjačom, košuljice (vanjski dio unutar kojeg klizi klip), prednjeg i zadnjeg poklopca i dva priklkjučka za zrak u svojoj osnovnoj verziji. Prostori unutar košuljice odvojeni klipom nazivaju se komore.

U mom radu se vršilo ispitivanje upravno jednog pneumatskog cilindra s jednom posebnosti - minijaturan je. Dok veliki, industrijski cilindri imaju dimenzije od 20, 30 cm do čak 1 m za velike pomake, ovaj je cilindar proizveden u skladu sa trendovima današnjice prema kojima se smatra da je na velikim razinama već postignut značajan napredak i da se sada velika otkrića mogu postići na malim razinama - milimetrima, mikrometrima pa čak i nanometrima. Tako je nastao cilindar slijedećih dimenzija: 29 mm vanjskog promjera i 59 mm duljine, sa klipom promjera 8 mm i mogućnosti hoda 17 mm, koji može postići silu od otprilike 25N, što znači da uspravno može podići teret od čak 2,5 kg. Na prvu se čini jako velika razlika između vanjske i unutarnje dimenzije što je učinjeno kako bi se cilindar lakše proizveo, ali i u ovoj prototipnoj fazi takvo nešto nije igralo ulogu.

Ono što je bilo ključno jest da se promjer klipa i promjer unutrašnjosti cilindra proizvedu s uskim tolerancijama, koje vode do toga da između njih dvoje bude maksimalni razmak od 10 mikrometara. Zašto je to tako? Naime, prilikom minijaturizacije, neka se pravila fizike kakvu poznajemo malo mijenjaju i onda se traže novi načini izvođenja nekih klasičnih strojnih elemenata. U ovom slučaju to je brtva, koja spriječava prolazak zraka iz jedne komore cilindra u drugu, kako bi on bio sposoban držati teret. Ona je inače izrađena od gume koja se ugradi u klip i kada stisne unutrašnjost košuljice ostvaruje brtvljenje. Na taj način se stvara i određeno trenje koje kod velikih cilindara s velikim silama možemo zanemariti, dok ono jako utječe na performanse minijaturnih cilindara. Tako je cilj ovog rada bio testiranje cilindra koji uopće ne posjeduje brtvu, već se uzima pretpostavka da se uz dovoljno uzak zazor između klipa i košuljice može postići brtvljenje takvo da curenja postanu zanemariva. Zrak će, naravno, prolaziti, ali ponekad to nije toliko važno pošto je to prirodan medij.

Na prvoj je slici prikazan kompetni cilindar, sastavljen, dok su na donjoj svi sastavni dijelovi. Da nekoga ne zbuni O-prsten sa slike, on se stavljen između košuljice i poklopca da se osigura nepropusnost, jer je cilj ipak bilo curenje oko klipa koje se nastojalo izolirati.

slika

slika
Avatar
nino.dujmesic#8403
Novak
Novak
Postovi: 6
Pridružen/a: ned tra 15, 2018 2:59 pm

Re: Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la nino.dujmesic#8403 » sri ruj 12, 2018 4:41 pm

Nastavak: Postavljanje sustava za mjerenje

Nakon mrvicu oduljenog uvoda, vrijeme je za prelazak na praktični dio. Mnogi koji su išli ili idu u tehničke škole, pa čak i na nekim fakultetima i imali su doticaja sa pneumatikom, znaju da je jedna od najpopularnijih, ako ne i najpopularnija firma koja proizvodi komponente FESTO. Oni također imaju u svojoj ponudi sustave za korištenje u nastavi, kakav je korišten u ovom u radu. Takav sustav dolazi sa stolom sa vodilicama na koji se elementi mogu pričvrstiti ("zakačiti") i onda proučavati njihovo ponašanje. Složen sustav prikazan je na slici.

Početak sustava je u donjem lijevom dijelu slike, gdje je postavljen razvodni ventil sa zelenom tipkom kojime se puni pneumatski akumulator (sivi spremnik na vrhu). On se puni zrakom tlaka 5 bar što je osigurano ventilom za regulaciju tlaka (prvi element iznad razvodnog ventila). Desno ispod akumulatora nalazi se razvodni ventil kojime se otvara prolaz zraka prema cilindru.

slika

U sredini slike vidi se custom-made ploča na kojoj su složeni elementi sustava za digitalno očitavanje tlaka. Naime, korištenjem razvodnika za upravljanje cilindrom zrak će prolaziti do cilindra i dio zraka će prolaziti kroz cilindar čime će se prazniti spremnik zraka. To pražnjenje bit će praćeno padom tlaka zraka u spremniku iz čega će se potom dobiti protok zraka i proračunati gubici.

slika

Skroz lijevo vidljiv je senzor tlaka koji funkcionira na piezoelektričnom principu, za što je Google izvrstan prijatelj :) Senzor je nabavljen u Hrvatskoj, ali da ne reklamiram trgovinu na ovom forumu, ako nekoga zanima nabavka neka pošalje PM. Senzor funkcionira na naponu 5V (može od 4,75 do 5,25V) i traži 7mA struje, čime je adekvatakan za spajanje na arduino. Može mjeriti tlakove od 15 kPa do 700 kPa što je dovoljno za upotrebu u ovom radu, uz dvije napomene: prvo, mora se paziti jer je senzor apsolutnog tlaka, a ne manometarskog, odnosno kada sustav radi na 5 bar, senzor će pokazivati nešto više od 6 bar (5 bar + atmosferski tlak na taj dan/sat); drugo, namijenjen je za statičko mjerenje tlaka i ne smije biti izložen velikim cikličkim promjenama, što znači da ne bi bio iskoristiv kada bi se morao mjeriti tlak cilindra koji stalno radi pomak naprijed-nazad, jer bi se konstantno mijenjao upravljački tlak između atmosferskog i radnog tlaka sustava. Na sredini slike je eksperimentalna pločica na kojoj je spojeno i nekoliko kondenzatora prema uputama proizvođača, a prema shemi niže, u svrhu filtriranja signala sa senzora i zaštite od napajanja (kao jedan strojar, ovaj sam dio spojio s vjerom u ljude koji proizvode senzor i uz pomoć jednog inženjera elektrotehnike, a ako netko želi, slobodno dolje neka pojasni :) ). Konačno, dolazimo i do sučelja sa računalom, Croduina Basic2, koji je svima već vjerojatno dobro poznat dio opreme pa neću ulaziti u detalje.

slika

Prelazimo na programski dio rada. Kako bi se osigurala maksimalna brzina "hvatanja" podataka, program je napisan na najosnovniji mogući način, a taj je da se u Serial Monitor upisuju čiste vrijednosti očitanja sa senzora i proteklog vremena u mikrosekundama. Inače, navedena radnja se naziva DAQ, što je kratica za Data Acquistion, što na hrvatskom znači uzimanje/pribavljanje podataka. DAQ sustavi mjerenja se koriste u industrijske i u znanstvene svrhe i obično se koriste daleko robusnija rješenja nego što je to Arduino koja su sposobna uzimati podatke o mjerenjima ogromnim brzinama koje se kreću u stotinama kS (kiloSamples) pa i MS (MegaSamples) u sekundi, čime se kompleksni sustavi mogu pratiti u stvarnom vremenu i onda se njima može adekvatno upravljati. U ovom slučaju, pokazano je da je vremenska razlika između dva očitanja senzora oko 500 mikrosekundi. Jedna sekunda sastoji se od 1 000 000 mikrosekundi, pa kada se taj broj podijeli sa 500, dobije se da je brzina očitavanja na arduinu bila 2000 očitanja u sekundi (2 kS), što je za potrebe ovog rada bilo sasvim dovoljno.

Za bolje objašnjenje ubrzanja očitanja pomoću arduina/Croduina: https://sites.google.com/site/measuring ... he-arduino

Kod: Označite sve

byte ledPin =  13;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // signal ready to start by turning on LED 13
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  digitalWrite(ledPin, HIGH); 
  }
void loop() {
  Serial.print(micros());
  Serial.print(", ");
  Serial.println(analogRead(0));
}
Kada se ovaj kod uploada na Croduino, u Serial Monitoru se dobivaju očitanja slična onima na slijedećoj slici. Važno je paziti da brzina čitanja u Serial Monitoru bude jednaka zadanoj brzini komunikacije u programu. Ova je brzina odabrana jer je na taj način broj očitanja veći nego sa 9600 Baud, što je koncept koji razumijem otprilike, ali ako netko zna bolje, također neka slobodno komentira, i meni kao i ostalim početnicima dobro će doći za ubuduće.

slika

Takva, "sirova" očitanja sama po sebi nemaju značaj, te se ona moraju ručno obraditi dalje. Za to je korišten program MS Excel i postupak je objašnjen u zadnjem postu ove teme.
Zadnja izmjena: nino.dujmesic#8403, dana/u sri ruj 12, 2018 5:20 pm, ukupno mijenjano 1 put.
Avatar
nino.dujmesic#8403
Novak
Novak
Postovi: 6
Pridružen/a: ned tra 15, 2018 2:59 pm

Re: Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la nino.dujmesic#8403 » sri ruj 12, 2018 5:18 pm

Nastavak: Obrada podataka u MS Excelu

Ovo je nužni nastavak priče o akvizicij podataka Croduinom, jer se izbjegavanjem trošenja resursa mikrokontrolera dobivaju "sirovi" podaci koji se moraju pretvoriti u nešto razumljivo što je u ovom slučaju tlak. Iako je ovo dodatni korak koji u mnogim slučajevima ne bi bio dobrodošao, u ovom radu predstavlja manji korak pa čak i prednost radi lakše usporedbe rezulatata mjerenja sa proračunom koji je odrađen u istom programu.

Dobivena očitanja iz Serial Monitora kopiraju se u jedan obični tekstualni dokument koji se onda importa u Excel naredbom Import Data > From text file. U opcijama dijaloškog okvira samo je potrebno podesiti da je za odvajanje stupaca podataka korišten zarez (Comma delimiter) nakon čega program automatski postavi podatke u stupce. Prvi stupac predstavlja proteklo vrijeme od početka očitavanja u Serial Monitoru u mikrosekundama, a drugi stupac očitanja senzora.

Očitanja se moraju pretvoriti u tlak, što se radi uz pomoć datasheeta senzora. Prema njemu, funkcija koja povezuje napon napajanja, očitani napon i tlak je slijedeća:

slika

Ona se može preraditi da se dobije tlak zraka te on iznosi:

P = (Vout/Vs) * 777,73 - 31,11

Očitanja senzora mogu imati vrijednost u rasponu od 0-1023, što bi se trebalo prvo pretvoriti u napon na način da se dobivena vrijednost podijeli sa maksimalnom, i množenjem sa naponom koji napaja senzor se dobije vrijednost očitavanog napona. Ali, kako se taj opet mora, prema formuli, podijeliti sa naponom napajanja senzora, zapravo je za formulu, kod omjera Vout/Vs dovoljan omjer Ocitanje/1023. Sve se to odvija u MS Excelu, u kojem se onda dobiva slijedeća tablica, a prikazana je i formula kojom se dobiva vrijednost apsolutnog tlaka. Vrijednost manometarskog tlaka onda se dobiva oduzimanjem atmosferskog tlaka i sve se dijeli sa 100 kako bi se dobio tlak u bar.

slika

U tablici je uneseno 194200 ocitanja senzora u 238 sekundi, čime se dobije vrijednost od oko 800 ocitanja u sekundi (800 S (samples)), čime je vidljivo da početna brzina čitanja vrijednosti s vremenom opada.

Konačno, same brojke je obično teško za shvatiti kada ih ima nešto više, a pogotovo kada ih ima skoro dvjesto tisuća, pa se podaci prikazuju u grafu.

slika

Ovako dobiveni podaci sada se mogu uspoređivati sa proračunskima.

To bi bilo to od mene, ukoliko bude ikakvih pitanja, slobodno se javiti na PM :)
domagoj#9564
Hobist
Hobist
Postovi: 59
Pridružen/a: ned tra 15, 2018 2:59 pm
Lokacija: Zagreb

Re: Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la domagoj#9564 » čet ruj 13, 2018 9:50 am

Nino, pozdrav!
Odličan posao i još bolje objašnjenje. Zanima me čisto kao neki završni komentar, ovaj graf predstavlja tlak zraka u cilindru i on će kroz 250 s će skoro pasti na nulu. Ako se nadovežem na uvodni dio, to zapravo predstavlja propsunost cilindra koja se htjela utvrditi zbog nepostojanja brtve, odnosno mikronski zazor bez brtve ima za posljedicu pad tlaka. Jesam li u pravu?
Pozdrav, Domagoj
Avatar
nino.dujmesic#8403
Novak
Novak
Postovi: 6
Pridružen/a: ned tra 15, 2018 2:59 pm

Re: Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la nino.dujmesic#8403 » čet ruj 13, 2018 3:11 pm

Hvala!
Tako je. Ono što će se iz toga dobiti je odgovor koliko je nešto ovakvo moguće ili nemoguće koristiti u "stvarnosti" i kakva bi bila eventualna poboljšanja da bude moguće.
Avatar
david.zovko#2998
e-radionica.com team
e-radionica.com team
Postovi: 193
Pridružen/a: ned tra 15, 2018 2:59 pm
Lokacija: Osijek, Croatia
Kontakt:

Re: Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la david.zovko#2998 » sri ruj 19, 2018 1:36 pm

Nino, u ime ekipe e-radionica.com hvala ti na ovome postu, pohvalama s početka i svim detaljima! Meni osobno je jako zanimljiv uvod jer je to dio o kojemu zapravo ne znam puno, a ovdje su pokrivene osnove. Odlično objašnjeno!

Koja je oznaka senzora tlaka? Znamo skoro sve o njemu - osim part numbera!

Ako sam dobro shvatio, sustav baš i nije moguć u realnim uvjetima, budući da je izgubljeno otprilike 95% tlaka tijekom nekoliko minuta?

P.S.: Slobodno linkaj gdje si kupio senzor tlaka. Interes nam je svima provomirati makerstvo, tako da nema ništa loše u dijeljenju par maker-friendly linkova :)
Avatar
nino.dujmesic#8403
Novak
Novak
Postovi: 6
Pridružen/a: ned tra 15, 2018 2:59 pm

Re: Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la nino.dujmesic#8403 » sri ruj 19, 2018 2:36 pm

Upravo sam vidio objavu na Facebooku, zahvaljujem :D

Dakle, senzor tlaka je NXP Semiconductors MPX5700ASX, s mjernim područjem od 15-700 kPa ili 0,15 do 7 bar, apsolutni je senzor tlaka, što znači da se mora oduzeti atmosferski tlak od onoga što se njime očita (u pneumatici se radi sa manometarskim tlakovima, tj. govore se samo vrijednosti pretlaka) i naručen je sa conrad.hr

Što se iskoristivosti tiče, ne može se dati strog zaključak jer kada sam išao isprobavati radi li cilindar uopće i kako se ponaša, bilo je sve u redu, pod stalnim dovodom zraka rukom ga se praktički ne može uvući i kretao se između položaja glatko. To curenje koje je dobiveno dakle ne utječe na funkcionalnost samog cilindra (barem ne u grubim primjenama), ali utječe na iskoristivost cijelog sustava jer se povećava potrošnja zraka. Dakle, kratki intervali, rijetki intervali bi bili u redu, česti intervali rada sa dužim pridržavanjem, vjerojatno ne.
Postavlja se pitanje zašto bi netko onda išao koristiti ovakav cilindar i odgovor je u cijeni i "jednostavnosti" proizvodnje i montaže, a i curenje zraka, osim buke koja se stvara, ne predstavlja štetu za okolinu poput recimo ulja kod hidraulike.
Avatar
dekip#3298
Hobist
Hobist
Postovi: 44
Pridružen/a: pon srp 30, 2018 10:04 pm
Lokacija: Beograd
Kontakt:

Re: Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la dekip#3298 » čet ruj 20, 2018 9:11 pm

Mene interesuje kako si kopirao podatke sa Serial Monitora u text fajl. Prostim copy/paste ili ne?

Ovo bi svakako bilo zanimljivo ako je ceo proces autoamtizovan u potpunosti. Ja sam u jednom primeru podatke slao na mikro SD kartu u običan file.txt i formatirao ih tako da sam kasnije naprosto uvezao u excel i napravio grafikon. Jedna od varijanti bi bila preko nekog ESP modula slati na server u bazu pa to posle izvlačiti, ali u tom slučaju online. Tjah, odoše misli ...
Avatar
nino.dujmesic#8403
Novak
Novak
Postovi: 6
Pridružen/a: ned tra 15, 2018 2:59 pm

Re: Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la nino.dujmesic#8403 » uto ruj 25, 2018 7:50 pm

Copy/paste, da. Da se razumijemo, ovo je samo pretpostavka i možda sam u krivu, ali mislim da bi komunikacija sa modulom i pisanje u txt file trazilo mrvicu vise resursa, a ovdje je cilj bio dobiti brzinu da se imitiraju pravi DAQ sustavi. Zato se i podaci tek u excelu preračunavaju, da se ne mora konstatno u loop dijelu vrtiti formula.
Inače, palo mi je na pamet i rješenje sa SD karticom radi malo kablova -> eventualno točniji signal, ali zbog ovog gore razloga sam odustao.
Avatar
david.zovko#2998
e-radionica.com team
e-radionica.com team
Postovi: 193
Pridružen/a: ned tra 15, 2018 2:59 pm
Lokacija: Osijek, Croatia
Kontakt:

Re: Mjerenje tlaka u pneumatskom sustavu

Post Postao/la david.zovko#2998 » pet ruj 28, 2018 10:39 am

Mislim da ne bi trebalo biti problema s brzinom pisanja, iako treba testirati zbog toga što o SD karticama i brzinama pisanja na njih ne znam puno. Kada pišeš u Serial monitor, ograničen si s 115200 baud-om, dok je SPI komunikacija vrlo brza:

Serial: 115200 baud = 11520 byte per second = 92160 bits per second = 92.16 kilobits per second (kbps)
SPI(max. za Atmega328): F_CPU/2 = 8 Mbps = 8000 kbps
SPI je u teoriji brži za otprilike 86 puta.

Može li netko komentirati drugu stranu ove ideje, dakle slave uređaj(SD karticu)?

P.S.: Nino, ne zamjeri što smo ovo pretvorili u tehničku raspravu :)
Odgovorite