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Aug 28, 2023

Misurazione della massa

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 3273 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Le caratteristiche della portata di massa delle servovalvole pneumatiche ad alta pressione (HPSV) hanno un effetto importante sulle prestazioni dinamiche dei servosistemi ad alta pressione. Tuttavia, queste caratteristiche sono difficili da ottenere mediante calcoli teorici e misurazioni con il flussometro a causa della comprimibilità del gas ad alta pressione. In questo articolo viene proposto un nuovo metodo di misurazione dei parametri di caratterizzazione della portata massica degli HPSV basato sul principio della scarica sonica con collegamento in serie degli orifizi delle valvole. L'area della sezione trasversale effettiva e il rapporto di pressione critico degli orifizi della servovalvola possono essere determinati in modo accurato ed efficiente collegando due orifizi della valvola in serie e scambiando la sequenza del flusso dei due orifizi della valvola. Sono state verificate le due ipotesi comprendenti la portata sonica e quella adiabatica del metodo di misurazione proposto. Un confronto tra i dati del test e quelli della simulazione ha mostrato che la precisione dell'area della sezione trasversale effettiva misurata e del rapporto di pressione critica dell'HPSV era elevata. Il rapporto di pressione critica misurato variava da 0,46 a 0,50, e il coefficiente di flusso rappresentato dalla variazione dell'area della sezione trasversale effettiva diminuiva con l'aumentare dell'apertura della valvola. Questi risultati hanno implicazioni generali per la progettazione, l’analisi e il controllo accurati dei servosistemi pneumatici ad alta pressione.

Un rapporto di potenza elevato e l'espandibilità istantanea dei gas ad alta pressione possono migliorare efficacemente le caratteristiche dinamiche, aumentare la frequenza intrinseca e migliorare la velocità di risposta dei sistemi pneumatici. Allo stesso tempo, l’alta pressione può consentire la miniaturizzazione dei componenti, risparmiando così spazio e costi di installazione. Pertanto, l’alta pressione viene applicata in settori specializzati, come l’aviazione, l’aerospaziale, le attrezzature militari e le piattaforme di perforazione1,2,3.

Le prestazioni delle servovalvole pneumatiche ad alta pressione (HPSV) sono fondamentali per la progettazione del sistema, il controllo del sistema, nonché la valutazione e l'ottimizzazione delle prestazioni del sistema4,5. Le servovalvole hanno solitamente una struttura a valvola a cassetto e le loro caratteristiche di flusso sono la base per quelle dell'intero servosistema pneumatico ad alta pressione6,7,8,9. Molti esperti e ricercatori studiano da molti anni la misurazione delle caratteristiche del flusso dei componenti pneumatici e hanno sviluppato numerosi misuratori di portata e metodi di misurazione.

Le caratteristiche del flusso della servovalvola vengono misurate utilizzando diversi flussometri a seconda dell'entità della portata. Per eseguire test a portate elevate viene utilizzato un motore idraulico di precisione o un misuratore di vortice, mentre per eseguire test quando la portata non è elevata viene utilizzato un cilindro idraulico10. In questo metodo, la densità e la viscosità del fluido influiscono notevolmente sui risultati della misurazione e, pertanto, questo metodo è più adatto per mezzi liquidi o gas a bassa pressione che presentano poche variazioni di densità. Il metodo di prova ISO 6358 che utilizza la conduttanza sonica e la caratterizzazione del rapporto di pressione critico della portata massica può anche ottenere la misurazione delle caratteristiche del flusso11. Tuttavia, questo metodo prevede numerose disposizioni, requisiti rigorosi per la precisione del dispositivo di test e della strumentazione di misurazione e un consumo e un costo elevati del gas di prova12,13. Kuroshita e Oneyama14 hanno proposto un metodo ibrido per misurare le caratteristiche del flusso basato su ISO 635811 e JIS B 839015 in grado di misurare parti con grandi aperture utilizzando piccoli dispositivi. Tuttavia, per componenti con rapporti di pressione critica relativamente piccoli, gli errori nella conduttanza sonica misurata sono grandi e questo metodo non può descrivere completamente le portate di massa dei componenti pneumatici. Kawashima e collaboratori16,17 hanno proposto un metodo per misurare le caratteristiche del flusso utilizzando una camera isotermica. Tuttavia, il metodo è influenzato dalla densità del riempitivo, la camera isotermica è difficile e costosa da fabbricare e la prestazione isotermica della camera è difficile da valutare 18,19. Imamura et al. 20 hanno proposto un metodo gravimetrico chiamato SRoGS che può essere utilizzato per misurare la portata massica del gas nell'intervallo 0,012–0,062 g/min in una camera a vuoto, ma l'errore di misurazione è ampio a portate di gas elevate e questo metodo richiede un ambiente di prova rigoroso. Kashan et al. 21 ha proposto un nuovo elemento sensibile alla portata di massa particolarmente adatto per la misurazione di basse portate nei sistemi di lavorazione sotto vuoto. Questi metodi di misurazione presentano requisiti elevati per i dispositivi di misurazione e difficoltà di misurazione e sono applicabili solo a componenti pneumatici a bassa pressione. Le misurazioni pneumatiche ad alta pressione richiedono un metodo di misurazione semplice ed efficiente a causa dell'elevata pressione differenziale, dell'elevata variazione della densità del gas e dell'elevata portata.