Automazione a fluido

CARATTERISTICA ISO DELLE VALVOLE PNEUMATICHE

D P P

1 2

RID 10D 3D

Il sistema di figura permette di valutare il valore del flusso di portata attraverso alla valvola al

variare del salto di pressione ai capi di essa secondo normativa ISO (la divisione italiana della ISO è

la UNI).

I condotti per la misura della pressione devono avere le

dimensioni indicate per garantire la misura in un punto dove

il flusso è il più possibile regolare (com’è indicato in figura).

Misurando in tale posizione possiamo fare l’ipotesi che la

pressione sia costante lungo la verticale al senso del flusso

Fissando la pressione a monte della valvola si può Q

variare la pressione a valle e notare una variazione della aum

portata passante fino ad un valore limite di pressione

oltre cui il sistema è sonico (cioè la velocità raggiunta

dal fluido è pari a quella sonica e non può più

aumentare) pertanto la portata non cresce più.

La parte variabile della portata si può esprimere con p

p

*

p

l’equazione di un ellisse. 2

1

2

*

p

= 2

b

Definiamo rapporto critico: che vale 0,528 nel

p

1

caso di ugello convergente isentropico ideale. Per le valvole può valore 0,3-0,2 perché non siamo

mai in condizioni isentropiche. In giallo è segnato l’andamento di un ugello reale che approssima

una valvola pneumatica.

L’equazione dell’ellisse può essere così espressa:

2

 

p −

 

b

2

p

 

= ⋅ ⋅ −

Q C p k 1 1

 

1 T −

1 b

 

 

= ⋅ ⋅

* * k

=

Che assume il valore di portata critica quando mettiamo . Il coefficiente

Q C p k p p T

1 T 2 2

dipende dalle temperature dunque è costante durante la prova o cmq varia poco. Q

=

C

Da questa relazione è possibile ricavare la conduttanza della valvola: ⋅

p k

1 T

VALVOLA A OTTURATORE Il

3

3 2 2

1 1

Normalmente chiusa (2 con 3) Normalmente aperta (1 con 2)

1 2 1 2

3 3

comando per l’azionamento deve vincere la forza della molla ma evidentemente anche la forza della

pressione dell’alimentazione 1 che insiste sull’elemento mobile. Le valvole ad otturatore si può

quindi dire che sono sensibili alla pressione di alimentazione.

Nel passaggio di commutazione abbiamo un istante molto breve in cui scarico e alimentazione

comunicano, questo non è un grosso problema anche se si ha una fuoriuscita di una piccola quantità

di aria dall’alimentazione direttamente verso lo scarico. Tale problema può essere risolto

effettuando la commutazione in due stadi (anziché uno stelo si mettono due steli), in modo che

prima venga otturata una sede e solo successivamente venga liberata l’altra.

In queste valvole l’alimentazione non può essere invertita con lo scarico.

VALVOLA A TRE POSIZIONI 2 4

x y

3 1 5

Tale valvola, in assenza di segnali pilotanti x e y, ha una posizione preferenziale di centro

comandata dalle molle (che generalemente sono uguali). In tale posizione le bocche 2 e 4 sono

isolate. Una valvola di questo genere è in grado di fermare il pistone del cilindro a metà della sua

corsa di uscita o di rientro.

LOGICA BOOLEANA

Tutti i sistemi visti finora sono di tipo digitale ON/OFF, e abbiamo usato il seguente criterio:

- presenza di pressione – segnale di tipo 1

- assenza di pressione – segnale di tipo 0

Siccome però tale indicazione è un po’ semplicistica, perché non sappiamo definire bene cosa

significhi assenza di pressione, ovvero se solo per 0 bar abbiamo segnale zero mentre già per 0,0001

bar dobbiamo considerare il segnale uno.

A tal fine si utilizza un nuovo tipo di criterio, tenendo conto che i segnali zero e uno non possono

essere associati a livelli di pressione ma alla capacità o meno di azionare qualcosa.

Supponiamo che la pressione di

p p

u u p

comando cresca da un valore

c

p zero fino ad un valore per il quale si

c ha l’azionamento della valvola, da

quel momento la pressione in uscita

assume il valore della pressione

p

u

di alimentazione. Al ritorno però la

p valvola non commuta per lo stesso

c valore di pressione di comando. Ciò è

dovuto agli attriti. Pertanto si può dire che:

- Segnale 0 – indica un livello di pressione basso a sufficienza da non azionare la valvola

- Segnale 1 – indica un livello di pressione alto a sufficienza da azionare la valvola

LOGICA DEI SEGNALI

I segnali sono impulsi logici (di pressione o elettrici o di altra natura) indicati con lettere x,y,z che

possono assumere valori logici 0 o 1.

Tra questi segnali si possono fare diverse operazioni:

+

- => tale operazione fa 1 qualunque sia il valore di x

x 1

⋅

- => tale operazione dipende dal valore di x

x 1

⋅

- => tale operazione fa 0 qualunque sia il valore di x

x 0

+

- => tale operazione dipende da x

x 0 x +

x x x

1 0 1

0 1 1

- => tale operazione vale sempre 1

+

x x x

- => tale operazione vale sempre 0

⋅

x x ⋅

x x x

1 0 0

0 1 0

Esistono inoltre dei teoremi:

- + + = ⋅ ⋅

x y z x y z

- ⋅ ⋅ = + +

x y z x y z

Tali teoremi sono dimostrabili facilmente con le tabelle logiche.

FUNZIONI LOGICHE

YES => u = x

x u

NOT => u = x!

x u

SOMMA LOGICA => u = x+y+… (è zero solo se tutti i segnali sono zero)

x u

≥ 1

y

PRODOTTO LOGICO => u = x y … (è uno solo se tutti i segnali sono uno)

x u

&

y

NOR => = +

u x y

NAND => = ⋅

u x y

FUNZIONE INIBIZIONE => = ⋅

u x y

FUNZIONI COMBINATORIE => funzioni in cui lo stato del segnale di uscita dipende soltanto

dallo stato dei segnali in ingresso. Tali funzioni hanno delle tabelle statiche e rispettano sempre

quelle in qualunque condizione, tali tabelle mi danno una corrispondenza biunivoca tra ingresso e

uscita.

FUNZIONI SEQUENZIALI => funzioni in cui lo stato del segnale in uscita dipende non solo dalle

combinazioni del segnale in ingresso ma anche dai tempi in cui tali segnali vengono trasmessi, a

seconda delle tempistiche di trasmissione, una stessa combinazione di segnali può generare uscite

diverse. Esempi tipici ne abbiamo già visti:

I VALVOLA DI SEQUENZA

In questo caso il segnale di uscita

t parte in corrispondenza del segnale

U di ingresso ma scompare quando il

segnale di ingresso è ancora attivo.

t VALVOLA BISTABILE

Quando sono assenti entrambi i

x y segnali x e y non sono

evidentemente in grado di

conoscere la posizione della

valvola.

FUNZIONI DI TEMPORIZZAZIONE Ritardo di

x T1 T2 attivazione e di

disattivazione del

segnale di uscita

regolabili

U Ritardo di

T1 T2 attivazione e di

disattivazione del

segnale di uscita

Ritardo di

T attivazione e di

disattivazione del

segnale di uscita

di uguale durata

x Il segnale di uscita è

limitato nel tempo,

pertanto avviene

U disattivazione anche se

il segnale di ingresso

permane.

FUNZIONI DI MEMORIA U1 U2

C1 U1 C2 C1

C2 U2 1

Un esempio di valvola a memoria è la valvola bistabile. Essa conserva l’ultimo comando che ha

ricevuto. C1 è il comando che attiva U1, C2 è il comando che attiva U2. Se comando entrambi

contemporaneamente il cassetto della valvola resta fermo.

Il disegno indica che se comando C1 e C2

C1 U1 contemporaneamente non ottengo nessuno

spostamento del cassetto. La valvola è così stabile in

equilibrio di segnale e nessuno prevale sull’altro.

C2 U2 Il simbolo indica che in presenza di entrambi i segnali

prevale comunque il segnale C1 e pertanto il segnale

C1 U1

* in uscita sarà U1.

= =

C 1 U 1

1 1

Se =>

C2 U2 = =

C 1 U 0

2 2

U1 U2 La struttura qui indicata permette, in

condizioni di equilibrio, di far

C2 C1 prevalere il segnale C1 poiché esso

insiste su di un’area maggiore.

1 Il simbolo indica che se sono presenti entrambi i

C1 U1 segnali C1 e C2 allora sono presenti entrambe le

1 1 uscite. = =

C2 U2 C 1 U 1

1 1

1 1 Se =>

= =

C 1 U 1

2 2 Il

simbolo indica che se sono presenti entrambi i

C1 U1

1 0

segnali C1 e C2 allora le uscite sono entrambe

assenti. C2 U2

= =

C 1 U 0

1 1

1 0

Se =>

= =

C 1 U 0

2 2

Vi sono simboli che sono utilizzabili per indicare il comportamento delle valvole quando vengono

scollegate dall’alimentazione. La valvola bistabile a cassetto non subisce nessuna alterazione nel

suo spostamento perché lo stelo è in equilibrio.

C1 U1 C1 U1

C2 U2 C2 U2

Tale simbolo indica che in

Tale simbolo indica che in assenza di alimentazione

assenza di alimentazione (scollego 1) ha una posizione

(scollego 1) il cassetto rimane preferenziale che attiva il

nella posizione in cui si trovava. comando U1.

MEMORIE CON UN SOLO INGRESSO Tale simbolo indica che in caso di presenta di

U1 segnale x almeno una delle due uscite U1 e U2 si

attiva . Pertanto una possibilità è che la presenza di

X segnale x faccia invertire U1 con U2.

U2

X Supponiamo inizialmente il segnale U1 assente e

U2 presente. Quando compare x essi commutano,

pertanto avremo il segnale U1 presente e il segnale

U2 assente. Al successivo impulso del segnale x

U1 avremo la commutazione inversa.

Si può inserire un terzo segnale U3 comandato da

U1, e così via generando treni di onde a catena.

U2

U3

OSCILLATORE

È una funzione in grado di generare un treno di onde quadre di un segnale alternandolo con una

certa frequenza che dipende dal tipo di segnale. t

U

Oscillatore Oscillatore con Oscillatore con

periodo costante t periodo variabile

Un metodo per generare un oscillatore è collegare l’uscita U1 con C2 e U2 con C1. In tal modo si

ha il continuo spostamento a destra e a sinistra del cassetto con una frequenza che dipenderà dal

sistema perché U1 comanda C2 che a sua volta comanda U1 che a sua volta comanda U2 e così via.

IL TRIGGER

X

U

Il trigger è una valvola di sequenza che scatta ogni volta che il segnale supera un certo valore e

pertanto emette un segnale di uscita U. Il simbolo può prevedere il riferimento allo scarico e

all’alimentazione ma sono simboli non necessario dal punto di vista logico.