Un paio di leggi fisiche che occorre conoscere ( Boyle Mariotte e Gay-Lussac )

Come avrete capito da tempo, cerco di tenere il blog su un piano molto pratico con poca fisica, teoria e formule strane ma ci sono un paio di leggi fisiche che occorre conoscere anche da principianti e sono due le leggi fondamentali che ci possono interessare anche nei nostri impianti fatti in casa: Boyle Mariotte e Gay-Lussac .

La legge di Boyle Mariotte dice che a temperatura costante, il volume di un gas perfetto, contenuto in un recipiente, è inversamente proporzionale alla pressione assoluta, vale a dire che, per un determinato quantitativo di gas, il prodotto del volume per la pressione assoluta, è costante:

p1 x V1 = p2 x V2 = p3 x V3 = costante

ossia se raddoppio la pressione il volume si dimezza, se triplico la pressione il volume diventa un terzo e così via.

La legge di Guy-Lussac dice che il volume di una quantità di gas, a pressione costante, è direttamente proporzionale alla temperatura:

V1: V2 = T1: T2

Da cui si deduce che, a volume costante, la pressione varia in proporzione diretta al variare della temperatura:

p1: p2 = T1: T2

da cui si deduce che passando da una pressione iniziale ad una pressione finale più alta si ha un aumento della temperatura e viceversa, passando ad una pressione più bassa la temperatura diminuisce.
La compressione genera calore e l’espansione assorbe calore. Per questo motivo quando abbiamo un compressore industriale l’aria deve essere raffreddata. E per questo motivo la macchina ad aria compressa non funzionava molto bene: si chiamava Eolo ( trovi qui qualche notizia a proposito ) e funzionava con aria compressa in un serbatoio che, tramite un’apertura faceva uscire l’aria contro una girante o azionava un pistone e questo faceva andare la vettura. L’unico inconveniente era che l’aria compressa quando usciva dal serbatoio, proprio per la legge di Gay-Lussac, era talmente fredda che un po’ alla volta formava un mucchio di ghiaccio intorno alla girante o al pistone rendendo utilizzabile Eolo solo per brevissimi spostamenti.

Queste leggi valgono in modo preciso solo per gas perfetti ma ci danno con una buonissima approssimazione valori validi anche per i nostri calcoli.

Ciao e alla prossima.

 

Il moltiplicatore di pressione

In alcuni casi, all’interno del nostro circuito pneumatico, capita di avere bisogno di una pressione di alimentazione superiore a quella di rete.

In questi casi si può utilizzare un moltiplicatore di pressione: si tratta di un dispositivo che grazie a un pistone con moto rettilineo alternato ( tipo il motore boxer ) comprime l’aria in ingresso e la fa uscire a una pressione maggiore. La quantità di aria che avrò a disposizione sarà inversamente proporzionale alla pressione che mi occorre…ossia: se ho una pressione di alimentazione a 5 bar e in una particolare applicazione me ne occorrono 10, potrò ricorrere a un moltiplicatore di pressione che arriva a 10 bar ma solo per la metà del tempo; se mi occorre una pressione quadrupla la potrò avere per un massimo di un quarto del tempo. Questa è una cosa che bisogna considerare rispetto a un utilizzo continuo.

I moltiplicatori di pressione sono disponibili in varie configurazioni: possono amplificare l’aria del doppio, del triplo e anche del quadruplo ( o anche 2.5 e 3.5 ) e, utilizzati in modo diretto hanno un funzionamento discontinuo, per questo, se si vuole avere un utilizzo continuo, dovrò inserire tra il moltiplicatore e l’utilizzo un serbatoio d’aria che consenta di avere maggiore stabilità nell’utilizzo.

Ovviamente bisogna verificare il fatto che gli utilizzatori a valle del moltiplicatore siano in grado di sopportare la pressione maggiore, ossia: se utilizzo la maggiore pressione per un soffiaggio non avrò grossi problemi ma se devo azionare un cilindro con una pressione maggiore a quanto stabilito dal produttore come massima pressione di utilizzo potrò avere delle disfunzioni che in alcuni casi potranno essere anche gravi.

Come al solito spero di essere stato d’aiuto e alla prossima.

CALCOLARE IL CONSUMO D’ARIA IN UNA MACCHINA/LINEA

Ciao, con l’articolo di oggi proverò a spiegarvi come si calcola il consumo d’aria in una macchina che funziona con aria compressa: in teoria è facile : basta fare la somma totale del consumo di ogni singolo utilizzatore…….

Vabbè…ci provo con un po’ più di impegno: devo considerare quali sono le cose che nel mio impianto/macchina vanno grazie all’aria compressa: di solito sono i cilindri ma possono essere anche dei soffiaggi.

Per calcolare il consumo di aria di un cilindro si fa così: si calcola il volume del cilindro partendo dalle misure del cilindro. A esempio, se ho un cilindro Ø 50 e corsa 100 farò così:  calcolo l’area del cilindro partendo dal raggio ( raggio x raggio x 3.14 per ottenere l’area, quindi 25 ( metà del diametro= raggio ) x 25  x 3.14 = 1962.5 mm2.  Poi moltiplico l’area per la corsa e otterrò il volume del cilindro: 1962.5 x 100 = 196.250,00 mm3 ( il numero è grande ma è poco più di un bicchiere d’acqua , tranquilli ). Quindi il volume del mio cilindro è quello li, poi devo calcolare quanta aria ci entra dentro ogni volta che ci butto dentro aria da una parte o dall’altra. Se ho la mia linea alimentata a 7 bar, nel mio cilindro avrò, circa 7 bar +1, ossia 8 volte il volume che c’è normalmente nell’aria atmosferica ( l’ho spiegato qui ), quindi avremo 196.250,00 mm3 x 8 = 1.570.000,00 mm3. Ossia: ogni volta che il cilindro si muove utilizza circa un litro e mezzo di aria, lo devo moltiplicare per il numero di movimenti che compie in una unità di tempo ( il minuto o l’ora sono quelli che si utilizzano di solito ) e avrò il consumo per unità di tempo del mio cilindro; ripeto la stessa operazione per tutte le unità che funzionano con l’aria, devo calcolare le perdite che posso avere nell’impianto ( ogni curva, ogni deviazione, anche l’attraversamento di un filtro o di un regolatore comporta una leggera perdita di portata ). Sommo il tutto e avrò un’idea della quantità di aria che il mio compressore deve produrre per poter fare andare la mia macchina.

Devo tenere presente che la camera posteriore e la camera anteriore, in un cilindro a stelo semplice, hanno volumi differenti: infatti nella camera anteriore c’è lo stelo del cilindro che ruba spazio, superficie e quindi anche un po’ di forza alla camera anteriore in favore della posteriore ( la prevalenza l’ho spiegata qui ), ma per stare dalla parte dei bottoni posso considerare lo stesso consumo della camera posteriore per ogni movimento.

Devo anche considerare una cosa importante ossia il modo di utlizzo dell’aria compressa, ossia: l’aria viene utilizzata da tutti gli utilizzatori nello stesso momento o viene utilizzata in modo alternato ? Riesco a sapere con certezza questo dato ? Se la mia somma, giusto per fare un esercizio, mi dice che il consumo d’aria è di 1.000 m3 ora, posso sapere se quest’aria viene consumata in modo lineare perchè ho i miei utilizzatori che funzionano in modo alternato o se viene utilizzata in blocchi più grandi e discontinui ? Ovviamente anche la conoscenza di questo dato incide moltissimo sulla scelta del compressore, oppure mi dice che dovrò considerare la presenza di un serbatoio aggiuntivo lungo la linea.

Questo ovviamente se non ho un utilizzo troppo esteso perchè se devo fare questo calcolo su una sola macchina e sto un po’ abbondante per avere un po’ di margine, dei grossi problemi non li avrò, ma se devo fare questo calcolo su una fabbrica intera, sbagliare anche del 5 o 6 % può incidere tantissimo sul’acquisto dei compressori, quindi….state attenti.

La pneumatica ” tradizionale ” è destinata a sparire ?

Con l’articolo di oggi voglio soffermarmi su una domanda specifica: la pneumatica “tradizionale” è destinata a scomparire ?

In teoria le basi per la sua estinzione ci sono: la pneumatica tradizionale, soprattutto se confrontata con assi elettrici, motori lineari o altri prodotti a base di elettronica, ha un sacco di difetti: non è facilmente gestibile, consuma un sacco di energia, non comunica in modo continuo con i sistemi di gestione moderni, quindi sulle macchine/linee 4.0 non ha molto significato.

Una cosa salva per il momento ( e secondo me ancora per un bel po’ ) la pneumatica tradizionale : costa poco e ha una affidabilità eccezionale. Sono tantissime le applicazioni dove la mia valvola+cilindro è sicuramente obsoleta, ma se non ho bisogno di prestazioni monster, di velocità eccezionali, di precisioni micrometriche e di ripetibilità da paura, la pneumatica tradizionale rappresenta ancora una soluzione valida, affidabile e con una durata eccezionale.

Non difendo la pneumatica tradizionale a spada tratta perché ho il blog che ne parla, è che  in alcune applicazioni la pneumatica per il momento è insostituibile. Se devo spostare una cosa di 10 centimetri e ripetere il movimento 30 volte ogni minuto, se non ho bisogno di posizionamenti ultra precisi, l’accoppiata cilindro+elettrovalvola è ancora una soluzione eccezionale. Certo, se devo spostare quella cosa di prima a velocità non costanti ma variabili o con precisioni altissime e non costanti in base a parametri che mi arrivano da un plc, allora la cosa si fà un po’ complicata, anzi la cosa per la pneumatica diventa veramente impossibile.

La possibilità di avere la certezza della posizione del pistone all’interno del cilindro è possibile con un encoder lineare, ma rispetto a un cilindro elettrico con encoder a oltre 30.000 impulsi giro non saprei davvero cosa scegliere.

Quindi, per applicazioni semplici e con un costo contenuto la pneumatica godrà sicuramente di buona salute ancora per tanti anni, per le altre applicazioni le alternative ci sono già.

Ciao e a presto.

Differenza tra oscillatore e flip flop

Con l’articolo di oggi vi voglio spiegare la differenza tra una valvola flip flop e un oscillatore: la differenza è estremamente semplice da descrivere:

Se collego una valvola flip flop a un cilindro a doppio effetto, ho un solo comando che, ogni volta che viene azionato, la volta successiva inverte la sua funzione. Cerco di spiegarmi meglio: se ho una situazione come quella appena descritta e il mio cilindro ha lo stelo esteso, azionando la flip flop lo stelo rientra, se lo stelo è rientrato, azionando lo stesso comando di prima , lo stelo fuoriesce. Cambia il suo utilizzo in modo automatico a fine ciclo utilizzando lo stesso comando.

Anche se tengo azionato il comando lo stelo arriva a fine corsa e si ferma a fine corsa.

Se lo stesso cilindro lo collego a un oscillatore e aziono quest’ultimo, lo stelo del cilindro continuerà a uscire, arrivare a fine corsa invertire la direzione e rientrare e così in continuo finché l’oscillatore è azionato.

Con l’oscillatore posso regolare la velocità della corsa andando a regolare il passaggio dell’aria.

Facile no ?

Fare funzionare due cilindri con una valvola

Oggi rispondo a una domanda che è arrivata dal mio canale youtube.

E’ possibile fare funzionare due cilindri con una valvola sola ?

In teoria si, partiamo come al solito da un’immagine:

La valvola è una 5/2 ( potrebbe anche essere una 5/3, dipende dall’uso che voglio farne ). L’aria compressa entra da 1 e, a valvola a riposo, esce da 4, entra nel tubo, arriva a un raccordo a T ( quello rosso, potrebbe essere anche a Y, l’importante è che abbia uno sdoppiamento ), si biforca e entra nelle testate anteriori dei due cilindri, comprime l’aria e fa rientrare lo stelo, l’aria contenuta nella camera posteriore viene espulsa dal tubo, entra nella valvola da 2 e viene scaricata in atmosfera da 3. Con la valvola azionata l’aria entra da 1, esce da 2 e alimenta la camera posteriore del cilindro, lo stelo esce e l’aria contenuta nella camera anteriore entra nel tubo, entra nella valvola da 4 e viene scaricata in atmosfera da 5.

In teoria tutto bene ma qui entra in ballo un fattore importante: se voglio che i cilindri si muovano il più possibile all’unisono dovrò avere una portata dell’aria della valvola sufficiente a fare muovere i cilindri in modo rapido.

Se la mia valvola non ha una portata adeguata potrei facilmente avere dei cilindri che si muovono a scatti, infatti l’aria si muove prima dove trova meno resistenza. Facciamo un esempio pratico : ipotizziamo di avere i cilindri montati in verticale, entrambi i cilindri hanno una forza di spinta di 25 chilogrammi: su uno dei due cilindri grava un peso di 5 chilogrammi e sull’altro un peso di 10 chilogrammi. Alimentandoli con una sola elettrovalvola molto probabilmente avrò il cilindro con meno peso che si aprirà prima di quello su cui grava un peso maggiore.

Altra considerazione: potrei anche fare lavorare i cilindri in modo alternato collegando una delle uscite della valvola, sempre con un raccordo a T o a Y, una camera anteriore di un cilindro e una camera posteriore dell’altro e all’opposto sull’altra uscita della valvola.

Spero come al solito di essere stato chiaro altrimenti scrivetemi.

Ciao e a presto.

 

Pressione relativa e pressione assoluta

Oggi cerco di spiegare ( forse più a me che a voi ) la differenza tra pressione relativa e pressione assoluta e, come sempre quando posso, parto da un’immagine:

Pur essendo un concetto non difficile, questa domanda ( che differenza c’è tra pressione relativa e pressione assoluta ? ) salta fuori meno raramente di quanto si pensi.

In teoria la risposta è molto semplice: la pressione relativa E’ RELATIVA perché è misurata rispetto a una pressione atmosferica che è presente in quel posto e nel momento in cui la si misura, nel senso che quando cambiano le condizioni meteo nel posto in cui la sto misurando, anche la pressione relativa cambia ( colonnello Bernacca aiutami tu ).

La pressione assoluta misura la pressione rispetto alla pressione 0 ossia al vuoto assoluto e questa misura è indipendente dalle situazioni climatiche.

Mi spiego meglio ( spero ):  se misuro la mia altezza coi piedi scalzi avrò la mia altezza reale ( pressione assoluta ), ma se la misuro prima con le ciabatte, poi con le sneakers, poi con gli scarponi da montagna e poi con le scarpe coi tacchi….però, come mi donano…la mia altezza sarà sempre diversa, proprio perché non considero la differenza nella base di partenza.

Quella che noi utilizziamo nella misurazione della pressione nei nostri circuiti pneumatici ( grazie ai manometri ) è sempre una pressione relativa e mai una pressione assoluta. Non è una cosa che mi cambia la vita a meno ché non debba andare a lavorare con pressioni molto vicine a 1 bar per cui dovrò sapere che le variazioni nella pressione dovuti a fattori atmosferici sono nell’ordine dei +/- 30 mbar ( 0.03 bar, per il funzionamento delle nostre macchine è ininfluente ) e fino a 100 mbar per ogni 1000 metri di altezza rispetto al livello del mare; cioè se aprite un’azienda che ha macchine che funzionano con aria compressa sulla catena dell’Himalaya a 5.000 metri ( siete seri, lo volete fare davvero ? ) dovrete fare lavorare il vostro compressore un po’ di più.

Però questa cosa diventa importante quando andiamo a calcolare il consumo d’aria nei cilindri pneumatici, ma di questo ne parlerò in un altro articolo.

Spero di essere stato chiaro anche se a me il disegno in alto pareva quasi sufficiente.

 

 

I fissaggi posteriori dei cilindri pneumatici

Va beh… ho poca fantasia, dopo i fissaggi anteriori parliamo di quelli posteriori. I fissaggi posteriori non servono più per fissare il carico da spostare al cilindro ma a fissare il cilindro alla struttura della macchina.

Vediamo un disegno e cerchiamo di capire la loro funzione:

E’ ovvio che se il mio cilindro è fissato in modo rigido alla struttura della macchina non potrò mai avere questo tipo di movimento, tutti i fissaggi rispondono a richieste tecniche precise, questa è solo una delle possibilità ma è così, per farvi capire una delle tante.

Anche qui ne possiamo avere diversi tipi, vediamo i più diffusi:

Cerniere posteriore femmina:

Si fissa con 4 bulloni alla testata posteriore del cilindro, facile facile.

Già questa da sola permette il movimento che abbiamo visto nel disegno precedente.

A questa di solito si fissa una contro cerniera maschio che permette un movimento più articolato anche se un solo asse:

Se la mia applicazione richiede un po’ di “elasticità”, ossia se il mio cilindro quando si muove può muoversi anche lungo l’asse longitudinale, allora avrò bisogno di una cerniera posteriore a squadra maschio snodata.

 

In questo caso il cuscinetto inserito nella testa della contro forcella, permette al cilindro questo tipo di movimento. Ovviamente costa molto di più della precedente.

Cerniera posteriore maschio snodata:

Questa si differenzia dalla precedente per due particolari: il primo è che si può utilizzare anche da sola perché l’interasse dei fori coincide perfettamente con quello dei cilindri, l’altro è ovviamente la forma, basta confrontare le due immagini, questa è una cerniera molto più robusta della precedente.

Fissaggio con piedini ad angolo :

Si utilizza solitamente per cilindri di piccole dimensioni ma sono costruiti per tutti i cilindri ISO, è ovviamente un fissaggio rigido. L’abbiamo già visto per i fissaggi anteriori.

Stessa cosa per il fissaggio a piedino:

Si utilizza solo per i micro/mini cilindri.

Anche questa flangia l’abbiamo già vista nei fissaggi anteriori:

Si riconosce sempre per il fatto che gli iterassi di fissaggio sono ISO ( quelli subito al fianco del foro grosso centrale ).

C’è un altro tipo di fissaggio che tratterò qui per un semplice motivo: le cerniere intermedie servono per fissare il cilindro prendendolo in un punto qualsiasi della camicia, quindi non si fissa alle testate del cilindro, sono di un solo tipo e non necessitano di un articolo ad hoc:

Si può utilizzare da sola o con due supporti laterali:

In pratica si inseriscono questi supporti nei due perni rotondi che escono dal lato della cerniera intermedia e si fissano alla struttura.

Questo è tutto per il momento, con questi supporti risolviamo il 98% delle possibili applicazioni, poi come al solito ci sono costruttori che hanno a catalogo qualcosa di più particolare per risolvere situazioni speciali.

Ciao e a presto.

 

 

 

 

i fissaggi anteriori dei cilindri pneumatici

E certo, grazie Davide, adesso ho il mio cilindro pneumatico e l’ho appoggiato per terra, ma come faccio a collegarlo con il mio macchinario ?

eeeeecccalmi, mo’ ve lo spiego: si usano degli accessori che sono stati fatti apposta per questo, si fissano quasi tutti avvitandoli sulla parte anteriore dello stelo che è filettata proprio per questo; qui non c’è molto da spiegare, bastano le immagini:

uno dei più diffusi è la forcella anteriore con clip:

E’ un fissaggio abbastanza economico, non ha la possibilità di conferire alla cosa che a esso viene fissata di ruotare se non su un solo asse.

Forcella anteriore con snodo:

Qui andiamo su un prodotto tecnicamente più complicato : c’è una sfera con foro centrale incastrata dentro alla testa della forcella, permette movimenti su due assi, è certamente più costoso, alle volte anche più del cilindro su cui viene montato.

Forcella anteriore con snodo autoallineante:

Con questo perno abbiamo la possibilità di recuperare piccoli disallineamenti che si possono avere in una struttura…..sincero sincero ? non ne ha mai venduto uno, comunque esiste.

Forcella con perno snodato in asse:

Da non confondersi con quello sopra, questo è snodato ma non è autoallineante, spero che la descrizione sia già la spiegazione.

Forcella con snodo angolare:

Piastra anteriore ( la troveremo uguale nei fissaggi posteriori ):

Fissaggio anteriore a piedino:

Questo fissaggio è utilizzato esclusivamente per i microcilindri, questi cilindri, sulla testata anteriore, hanno sempre un dado che viene utilizzato per fissare cilindro e forcella in modo rigido. Sono ovviamente molto economici.

Piedini ad angolo:

Anche questi fissaggi sono molto economici e vengono utilizzati per i cilindri ISO.

Con questi fissaggi abbiamo già coperto oltre il 98% delle applicazioni, se vi va di far una ricerca più approfondita potete guardare nei cataloghi dei vari produttori, a seconda delle soluzioni richieste da particolari applicazioni si possono creare i più diversi prodotti.

Ciao e a presto.

Le batterie ( o isole ) di elettrovalvole

No ragazzi, niente charleston, niente cassa, niente rullante, stiamo ovviamente parlando delle batterie di elettrovalvole.

Cos’è una batteria di elettrovalvole ? Facile da spiegare: sono elettrovalvole che sono montate una di fianco all’altra su una sottobase e comandate da un sistema di controllo…….mah, Davide……cos’è una sottobase ?

Vabbè, come al solito parto da delle immagini:

Questa è una batteria di 8 elettrovalvole, 3 bistabili, sono quelle contrassegnate dalla stella rossa e si riconoscono perché hanno due bobine, una è quella su cu ho messo la stella, l’altra è dall’altra parte della valvola, e 5 monostabili e sono quelle con le 5 croci rosse e si riconoscono perché sono più corte proprio perché manca la seconda bobina.

Il connettore multipolare è uno dei modi che ho per comandare la mia batteria, ma la spiego dopo.

E la sottobase cos’è ? Qualunque isola di elettrovalvole si basa su un principio che, per renderlo facile da capire, è molto simile al Lego, già il gioco di mattoncini più famoso al mondo. Se voglio montare di uno di fianco all’altro tanti mattoncini avrò bisogno di una di sottobase con cui legare e stabilizzare tutto il mio “progetto”

La sottobase è come la base verde di questo Lego su cui è montata tutta la struttura.

Le sottobasi possono essere sia in un corpo unico ( di solito più resistente ) oppure formato da singole sottobasi che possono essere collegate tra loro una a una fino a formare una unica sottobase ( modulare, appunto ).

Qui sopra si riesce a capire che le sottobasi sono singole e collegate tra loro.

Qui si vede una sottobase in blocco unico.

Le sottobasi devono prevedere come minimo una alimentazione comune per tutte le elettrovalvole montate e due scarichi; alle volte le isole hanno un numero elevato di valvole per cui è meglio avere due alimentazioni, una per lato e altre volte sono talmente lunghe che devo prevedere una o più alimentazioni intermedie nella sottobase.

Sulle sottobasi si vanno a montare le elettrovalvole che mi occorrono per movimentare tutti i componenti pneumatici che ho installato sulla mia macchina e poi dovrò decidere come comandarli.

Posso comandarli singolarmente, ossia con un collegamento punto/punto; posso comandarli con un sistema multipolare, ossia collego tutti gli azionamenti del mio plc con un sistema unico e arrivo nella mia isola con un connettore ( come nella prima immagine ) oppure posso usare un bus di campo. Come faccio a scegliere il modo migliore per collegare le mie elettrovalvole? Dipende da un sacco di fattori, proverò a dare una spiegazione generale ma, veramente, i fattori che incidono possono essere tantissimi.

Il collegamento punto/punto: di solito si utilizza se devo collegare poche elettrovalvole.

Il collegamento con connettore multipolare : se ho un numero di elettrovalvole un po’ più “corposo” ha senso utilizzare un solo collegamento tra il plc e la mia isola di valvole, costa più del precedente ma mi da più facilità di collegamento e maggiore possibilità di programmazione. Ha un limite fisiologico nel numero massimo di elettrovalvole che posso collegare perché il numero di pin del multipolare è anche il limite massimo di comandi che posso dare……in pratica : una elettrovalvola monostabile ha una sola bobina e occuperà un pin, se l’elettrovalvola è bistabile avrà due bobine e occuperà due pin. Se il connettore multipolare ha 21 pin vuole dire che avrò a disposizione 20 pin da utilizzare per comandare al massimo 20 bobine ( quindi al max 10 bistabili )

Bus di campo: è ancora più costoso del precedente ma ha maggiore possibilità come numero di elettrovalvole da collegare ( possiamo tranquillamente superare le diverse decine di unità.