油圧シリンダーフィードバックのための位置センサー技術

Alliance Sensors Group、HG Schaevitz LLC の一部門、ニュージャージー州ムーアズタウン

油圧シリンダまたは空圧シリンダの位置フィードバック センサには、磁歪、可変抵抗、可変インダクタンスの 3 つの従来技術のいずれかが使用されてきました。 制御と機能の向上に対する需要が高まるにつれ、重工業、海中機器、モバイル機器の世界では、センサー計装シリンダーの重要性が高まっています。 最終的に、ユーザーまたはシステム インテグレーターは、アプリケーションの要件と、インストールされている総コストとパフォーマンスの基準に基づいて、アプリケーションの要件を最もよく満たすテクノロジを決定する必要があります。 磁歪センサー、可変抵抗センサー、可変インダクタンスセンサーの長所と短所を図に示します。 これらの一般的なセンシング技術は、シリンダーロッドの内部端にガンドリルで開けられた深くて小さな直径の止まり穴に伸びる長いプローブを利用します。

一般にポットと呼ばれる可変抵抗ポテンショメータ タイプのセンサーは、コストが重要で高精度が最優先ではない場合に選択されます。 磁歪センサーのポート取り付けとは対照的に、抵抗ポットは通常、シリンダーの後端プレートに埋め込まれます。 これは、ガンドリルシリンダーロッドの内端に取り付けられた絶縁された丸いキャリアを使用し、部分的に導電性のプラスチックプローブの表面に接触する導電性ワイパーをサポートします。 ワイパーがこのプラスチック要素に沿って移動すると、その抵抗が直線的に変化するため、キャリアの位置、したがってロッドの位置を決定することが非常に簡単になります。 ポットは、その頑丈さ、良好なストローク対長さの比、および入力電圧の大きな割合を占める大きなアナログ DC 電圧出力により、シリンダで使用するのに適した位置測定ソリューションとみなされてきました。 抵抗ポットの主な欠点は、特にシリンダーが高周波数で作動する場合、またはさらに重要なことに、システムの動的特性を改善するために短距離にわたってディザリングされる場合の摩耗です。 抵抗ポットはシリンダーに埋め込まれているため、摩耗したポットの交換には非常に時間と費用がかかり、完全に新しいシリンダーが必要になる場合もあります。

可変インダクタンス位置センサーはシリンダ業界で使用されてきましたが、磁歪センサーや抵抗ポテンショメータほど広く認識されていませんでした。 この非接触技術には、製品寿命と長期信頼性の点で抵抗ポテンショメータに比べて多くの大きな利点があり、通常、線形性、分解能、周波数応答の点で磁歪センサーの性能と十分に競合できますが、コストは大幅に低くなります。 同様に重要なのは、可変インダクタンス センサーが、重工業やモバイル機器の用途でよく見られるような、より大きな衝撃や振動に耐えられるという事実です。

リニア可変インダクタンス センサーは、磁歪センサーに伴う高いレベルの性能と外部ポート取り付けの柔軟性と、埋め込み抵抗ポテンショメータの堅牢性と価格の間の中間点をカバーします。 これらのセンサーは、誘導プローブを使用する発振回路の共振周波数を測定することによって動作します。誘導プローブのインダクタンスは、その上のガンドリルロッドの位置によって変化します。 通常、4 インチ (100 mm) ～ 36 インチ (900 mm) のフルスケール範囲で提供され、ポート取り付けパッケージと組み込みパッケージの両方が利用可能で、ほとんどのカタログ磁歪センサーにあるものと一致するコネクタとケーブル終端が付いています。 これらのセンサーは、アナログ DC 電圧または電流出力のいずれかを提供し、OEM アプリケーションで使用できる SSI デジタル出力も備えています。 可変インダクタンス センサーは、リング磁石を必要としない非接触ソリューションを提供します。 実際、可変インダクタンス センサーを既存の磁歪センサーの代わりに設置した場合、センサーの基本動作を妨げることなく、磁石をシリンダーのロッド エンドの所定の位置に残しておくことができます。

過去数年間で、海中用途向けの計装シリンダに対する要件が劇的に増加しました。 可変インダクタンス センサーは、ユーザーが内部油圧 3,000 psig で水深 10,000 フィート (3,000 m) の海底環境にセンサー/シリンダーを設置できる圧力密閉バージョンで提供できます。

リモートフィールド校正は、多くの可変インダクタンスセンサーで提供される標準機能です。 この機能により、ユーザーはセンサーをシリンダーに取り付けたままセンサーの出力を調整できます。 ボタンを押してゼロおよびフルスケール出力ポイントを設定すると、センサーは新しく設定された範囲にわたって希望のフルスケール出力を提供するため、オペレーティング制御システムでユニットをスケール調整する必要はなくなります。

別の流体動力用途では、油圧シリンダ内では一般的には使用されませんが、LVDT は 2 段油圧バルブのスプール位置フィードバック用途によく使用されます。 メインスプールの端の穴に挿入された単純な誘導プローブを備えた短距離可変インダクタンス センサーは、多くの場合、バルブのパイロット圧力からコアを密閉するために絶縁チューブを必要とする LVDT よりも簡単に取り付けることができます。

抵抗ポテンショメータや磁歪センサーが優れたソリューションとなる流体動力アプリケーションが数多く存在する場合、これらのアプリケーションは釣鐘曲線のどちらかの側に位置する傾向があります。 最近の電子技術の進歩とパッケージ設計の柔軟性により、可変インダクタンス センサーは、釣鐘曲線のピークに近い傾向にある主流のシリンダー内アプリケーションにとって非常にコスト効率が高いものになっています。

この作業は、HG Schaevitz LLC の一部門である Alliance Sensors Group の最高技術責任者である Edward E. Herceg によって行われました。 詳細については、ここをクリックしてください。

この記事は、NASA Tech Briefs Magazine の 2015 年 9 月号に初めて掲載されました。

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