# 差壓感測：不使用開關偵測行程終點

> Source: https://rodlesspneumatic.com/zh-hant/blog/differential-pressure-sensing-detecting-end-of-stroke-without-switches/
> Language: zh-Hant

## Summary

1997 年的專利以預設壓力交越點偵測氣壓缸行程終點，而非直接量測活塞位置；本文說明校正、PLC 邏輯與失效限制。

## Page Content

# 差壓感測：不使用開關偵測行程終點

差壓感測可以辨識氣壓缸抵達指令行程終點時所伴隨的可重複壓力事件。它看不到活塞本身。控制器會比較兩個連接口的壓力、方向、時序與運轉限制，藉此推斷運動是否已結束。在某些非安全相關的動作順序中，這種方法可以省去安裝在氣壓缸上的位置開關，但仍然需要壓力感測器與控制邏輯。卡滯、工件接觸、排氣受阻或強烈緩衝，都可能呈現近似終端停止的訊號。真正要判斷的是：經過驗證的壓力特徵，能否在某一明確機台狀態下充當可靠的製程事件。

> 重點摘要 1997 年的專利以預設壓力交越點觸發，而不是直接量測活塞位置。 必須在實際負載與供氣變動條件下，分別校正伸出與縮回行程。 應把卡滯、排氣受阻、洩漏、緩衝與感測器故障明確定義為診斷狀態。

## 差壓感測實際偵測的是什麼？

一項於 1995 年提出申請、1997 年核准的美國專利，描述了一種氣動行程終點裝置；它將供氣側與排氣側壓力和可調整的交越點比較（[US5587536A](https://patents.google.com/patent/US5587536A/en)）。因此，其輸出代表由壓力定義的事件，而不是對活塞座標的獨立量測。

差壓感測 是比較雙作用氣壓缸兩個工作口的壓力。在指令行程期間，驅動壓力通常高於排氣壓力。運動停止而閥仍保持通電時，驅動腔壓力可能接近供氣壓力，另一腔則持續排氣。所形成的特徵可用來判斷氣動狀態是否符合試車時建立的終點事件模式。它不會提供活塞座標，而其他位置的阻礙也可能造成相同的受力平衡。

這項差異會改變 PLC 的設計。符合下列條件時，壓力證據才更有力：

- 指令方向一致；

- 經過時間、兩個感測器通道與供氣壓力都維持在各自的有效範圍內；

- 試車期間由獨立的位置基準確認，在整個運轉包絡內，包括最低供氣壓力、最高預期負載、最慢有效動作及最終緩衝設定，完整壓力特徵都對應到預定終點。

若不符合上述條件，壓力事件就應觸發故障。當機台需要確認的是可重複氣動事件時，壓力式偵測最具價值；若要偵測中間位置、滿足嚴格幾何公差或執行人員防護功能，直接感測器仍較明確。在其餘條件全部通過前，PLC 狀態應命名為 pressure_end_candidate ，而不是 cylinder_extended 。這可避免後續邏輯把推斷出的氣動狀態當成直接幾何量測。相關受力關係請參閱[壓差如何產生氣動力](/zh-hant/blog/how-does-pressure-differential-create-force-in-pneumatic-physics/)。

## 氣壓缸行程中的壓力特徵

一項 2020 年的實驗研究指出，氣壓缸運動期間的腔室壓力低於供氣壓力，只有在氣壓缸抵達最終位置後才升至最大值（[Energies](https://www.mdpi.com/1996-1073/13/14/3711)）。這項行為形成了有用的終點事件特徵，但其形狀仍會受到負載、閥流量、緩衝與排氣限制影響。

應把每一條壓力曲線視為一段序列，而不是單一孤立樣本：

| 行程階段 | 典型曲線行為 | 為何不是位置量測 |
| --- | --- | --- |
| 閥切換 | 在形成有效速度前，兩個連接口訊號已開始變化 | 閥與管路動態早於明顯運動 |
| 加速 | 驅動壓力與排氣背壓上升 | 負載、摩擦與節流會共同塑造兩個訊號 |
| 行進 | 差壓提供淨推力 | 相同數值可能出現在許多不同位置 |
| 進入緩衝 | 排氣受限可能提高背壓 | 緩衝阻力可能近似外部負載 |
| 停止或接觸 | 速度下降，驅動壓力可能升高 | 端蓋接觸、工件接觸與卡滯可能呈現相同現象 |
| 停留 | 壓力隨洩漏與滯留容積逐漸穩定 | 穩定後的壓力無法指出活塞位置 |

單桿氣壓缸伸出時，可用下式簡化其力平衡：

\[
F_{\mathrm{net}} = p_A A_A - p_B A_B - F_{\mathrm{friction}}
\]

其中，\(F_{\mathrm{net}}\) 是以牛頓表示的軸向淨力；\(p_A\) 與 \(p_B\) 是以帕斯卡表示的表壓；\(A_A\) 與 \(A_B\) 是以平方公尺表示的有效面積；\(F_{\mathrm{friction}}\) 則是以牛頓表示的密封件與導向摩擦力。單桿氣壓缸兩側面積並不相等，而負載、摩擦與背壓可能在行程中的任何位置改變。這項方程式適合用於力的診斷，不能用來換算位置。完整量測方法請參閱[如何計算摩擦與背壓造成的氣壓缸推力損失](/zh-hant/blog/how-to-calculate-cylinder-force-loss-due-to-friction-and-back-pressure/)。

## 差壓應如何計算與正規化？

1997 年核准的差壓專利會比較向其中一個腔室供氣的管路與另一腔室排氣管路的壓力；當兩者差值跨越可調整的觸發點時，輸出便會改變（[US5587536A](https://patents.google.com/patent/US5587536A/en)）。現代 PLC 邏輯可以保留兩個原始訊號並加以正規化，不必只依賴單一固定 bar 數值。

使用兩個表壓量測值時，可將帶符號的連接口壓差定義為：

\[
\Delta p(t) = p_A(t) - p_B(t)
\]

其中，\(\Delta p(t)\) 是瞬時連接口壓差，\(p_A(t)\) 與 \(p_B(t)\) 則是在 A 口與 B 口量得的壓力。所有數值必須使用同一單位。只有在閥指令與氣壓缸方向已明確定義後，正負號才能代表方向。

若要以單一正向增長訊號比較伸出與縮回，可使用方向符號：

\[
r_p(t) = \frac{s\,[p_A(t)-p_B(t)]}{p_s(t)}
\]

方向正規化壓力比 是無因次數值 \(r_p(t)\)。其中，在所定義的 A 腔驅動方向，\(s\) 為 \(+1\)；相反方向則為 \(-1\)；\(p_s(t)\) 是量得的供氣表壓。這種方法假設供氣有效，而且感測器的壓力基準彼此相容。正規化可以降低緩慢供氣變化造成的敏感度，卻無法消除負載、流量、溫度、洩漏或感測器誤差。

應同時使用多項特徵：

| 特徵 | 控制用途 | 主要限制 |
| --- | --- | --- |
| 方向修正後的 \(r_p\) | 以正向增長數值比較兩個方向 | 仍會隨負載與節流變化 |
| 壓力斜率 \(d r_p/dt\) | 區分上升段與平台段 | 取決於取樣與濾波 |
| 最短持續時間 | 排除短暫尖峰 | 會增加延遲 |
| 指令至事件時間 | 排除過早或過晚事件 | 需要試車建立的時序包絡 |
| 訊號合理性 | 阻擋無效量測 | 需要另外設定故障限制 |

即使完成正規化，伸出與縮回仍應分別建立包絡。活塞桿會改變有效面積，閥流道可能不對稱，排氣節流控制可能不同，重力也可能只輔助其中一個方向。使用單一通用閾值會掩蓋這些真實的不對稱性。

## 哪些條件會造成錯誤的行程終點訊號？

US5587536A 指出，「有效行程終點」可能因一條管路壓力上升、另一條管路壓力下降，而出現在活塞行程中的任何位置（[Google Patents](https://patents.google.com/patent/US5587536A/en)）。這正是診斷上的核心限制：壓力交越點辨識的是受力與流量條件，不一定代表活塞已接觸氣壓缸端蓋。

假設活塞桿在抵達預期終點前先碰到治具。驅動壓力可能上升，排氣壓力則下降，使控制器看見相當可信的候選事件。滑台卡滯或尺寸過大的工件也可能產生相同特徵。這個實例說明了為何驗收邏輯必須包含時序。

| 條件 | 壓力影響 | 正確的控制器反應 |
| --- | --- | --- |
| 卡滯或過早接觸 | 運動提早停止，驅動壓力上升 | 拒絕有效時序視窗以外的事件 |
| 緩衝或排氣節流限制 | 接近行程終點時排氣背壓改變 | 以最終設定進行試車 |
| 閥排氣受限 | 排氣壓力持續偏高 | 改變閾值前先診斷背壓 |
| 供氣壓力降低 | 預期壓差可能無法形成 | 逾時時觸發供氣故障 |
| 洩漏 | 壓力緩慢上升或衰減 | 重新校正前先測試洩漏 |
| 感測管過長或濾波過重 | 事件延遲且輪廓變得圓鈍 | 驗證完整反應延遲 |
| 感測器或配線故障 | 計算出的差值持續錯誤偏高或偏低 | 套用範圍、變化率與一致性檢查 |

因此，PLC 應把差壓視為狀態機的其中一項輸入。以下流程顯示一條實用的判斷路徑。

> Figure: 差壓應納入經驗證的判斷鏈，不應繞過指令、時序、感測器健康、供氣與故障檢查。

背壓機制請參閱[氣動背壓如何影響設備](/zh-hant/blog/what-is-back-pressure-in-a-pneumatic-system-and-how-does-it-impact-your-equipment-performance/)。緩衝行為也必須另外審查；請參閱[氣壓缸緩衝如何防止損壞與噪音](/zh-hant/blog/how-does-pneumatic-cylinder-cushioning-work-to-prevent-damage-and-noise/)。

## 感測器架構與 PLC 邏輯

Parker 的氣動壓力感測器型錄指出，感測器反應時間通常低於 2.0 ms，也可以透過可程式反應設定刻意降低速度（[Parker 氣動壓力感測器](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Literature-Files/pneumatic/Literature/Vacuum/0802_Vacuum_Sensors.pdf)）。這是特定機型的電氣反應時間，不是管路、濾波、PLC 取樣、邏輯與腔室動態所造成的總延遲。

以下三種感測架構具備實用性：

| 架構 | 優點 | 設計檢查 |
| --- | --- | --- |
| 兩只表壓傳送器 | 保留兩個腔室的曲線、支援供氣與排氣診斷，並可由軟體計算 | 需要兩個通道、匹配的量程、偏移檢查與同步取樣 |
| 一只雙向差壓感測器 | 以單一量測通道直接產生差值 | 必須承受共模壓力、兩種極性、預期過載與連接口接反 |
| 兩只數位壓力開關 | 離散配線簡單，且具備本機遲滯功能 | 會隱藏波形細節，使自適應或正規化邏輯更難實作 |

感測器安裝在氣壓缸連接口時，可以更直接地量到當地腔室壓力。若安裝在閥歧管，其讀值會包含管路壓降與儲存容積的影響。狹長的感測管路會增加延遲，也可能積存冷凝水。請遵守感測器對介質、過壓、溫度、方向與安裝方式的限制。

![顯示供氣源、方向控制閥連接口、兩個壓力感測點與氣壓缸兩個腔室的氣動迴路](https://assets.rodlesspneumatic.com/images/blog/differential-pressure-sensing-detecting-end-of-stroke-without-switches/wp-pneumatic-cylinder-flow-path-pressure-sensors.png)

雙通道感測可保留兩個連接口壓力，供 PLC 進行診斷。此圖僅表示拓撲；最終配管、感測器量程與電氣介面必須依所選元件決定。

PLC 邏輯應使用明確狀態，不應只採用持續自由運算的比較器：

- 閒置： 動作前驗證兩個通道。

- 移動： 選取該方向專用的壓力與時序包絡。

- 候選： 只有在每項條件都成立後，才開始計算持續時間。

- 確認： 指令與保持條件持續有效時，鎖存事件。

- 故障： 分別處理過早、過晚、缺少事件與訊號無效的結果。

排氣、供氣中斷或可能發生外力移動後，不要繼續保持狀態鎖存。必須明確定義重設與合理性條件。

## 如何試車並建立偵測視窗？

IFM PN2571 的規格列出低於 1.5 ms 的反應時間、0 至 50 s 的可程式開關延遲，以及 0 至 4 s 的製程值阻尼（[ifm PN2571](https://www.ifm.com/ee/en/product/PN2571#documents)）。這些可調整數值顯示，試車必須記錄完整訊號鏈，不能假設存在通用的去彈跳時間。

試車包絡 是指在某一明確機台狀態下，可接受的壓力比、斜率、時序與持續時間範圍。應使用最終選定的氣壓缸、閥、管路、消音器、控制元件、緩衝設定、移動質量與供氣配置來建立。空載測試台上的閾值，在機構連接後可能失效。

請依下列順序執行：

- 安裝暫時的直接位置基準，使每一個擷取到的壓力事件都有獨立的真值標記。

- 以實際 PLC 取樣率，同步記錄 \(p_A\)、\(p_B\)、供氣壓力、閥指令、參考狀態與事件時間。

- 涵蓋預期的負載、速度、供氣、方向、溫度、停留、緩衝及機械變異。

- 把量測不確定度納入考量，分別建立伸出與縮回的壓力比、斜率、事件時間與持續時間包絡。

- 設定遲滯與濾波，但不得隱藏最快的有效事件，也不得延遲故障反應。

- 例如，測試排氣受限、供氣降低、安全且刻意的阻擋、感測器斷線與具代表性的洩漏。

- 定義過早、有效與過晚視窗，再保存通過驗收的曲線、零件、設定、軟體版本與測試條件。

驗收不應只涵蓋成功循環：

| 測試群組 | 應保留的證據 |
| --- | --- |
| 正常運轉 | 壓力曲線與直接位置的一致性 |
| 時序裕度 | 最早與最晚有效事件，以及訊號鏈延遲 |
| 感測器故障 | 開路、短路、凍結、飽和或偏移訊號的反應 |
| 氣動故障 | 供氣偏低、排氣壓力偏高、洩漏或閥故障 |
| 機械故障 | 過早接觸、卡滯、停轉或回程不完整 |

良好的試車紀錄會保存事件的形狀與背景條件，而不只是最後設定的閾值。日後循環行為改變時，維護人員可以比較時序、斜率、平台與通道一致性，區分機械阻力、供氣問題與感測器問題。

## 何時應保留實體位置感測器？

ifm 表示，其 IO-Link 氣壓缸感測器可針對 50 mm 以下的短行程提供連續活塞位置量測，而標準氣壓缸感測器則會隔著缸筒直接偵測活塞磁鐵（[ifm 氣壓缸感測器](https://www.ifm.com/us/en/us/explore-products/cylinder-sensors)）。這是直接位置感測功能，與從腔室壓力推斷位置不同。

應依所需證據選擇感測方法：

| 需求 | 差壓事件 | 氣壓缸開關 | 連續位置感測器 |
| --- | --- | --- | --- |
| 確認可重複的停止或接觸事件 | 通過驗證後適用 | 檢查所設定的位置 | 適用，但可能沒有必要 |
| 偵測中間點 | 不適合 | 適用於離散位置 | 最適合提供連續座標 |
| 區分終端接觸與較早發生的卡滯 | 需要時序或製程證據 | 檢查所設定的位置 | 顯示量得的位置 |
| 診斷壓力與負載 | 保留兩個連接口曲線時功能強 | 不提供壓力資訊 | 需要另外進行壓力感測 |
| 安全相關確認 | 需要經驗證的安全功能 | 需要安全額定架構 | 需要安全額定架構 |

若活塞必須越過特定位置、中間狀態很重要，或障礙物可能模擬預期壓力事件，就應保留直接感測。若端點在機械上可重複、可以接受推斷事件，而且兩個腔室曲線也能支援診斷，則適合採用壓力感測。改裝時，應比較既有開關能證明什麼，以及壓力事件實際能證明什麼；僅僅減少配線並不是充分的驗收標準。混合式設計可以保留一個直接終點通道，同時使用兩個壓力曲線進行時序、洩漏與節流診斷。例如，若舊開關用來證明某個機構已離開受保護空間，除非安全設計已通過驗證，否則應保留這項直接證據。若舊開關只是在動作順序中確認機構已壓靠固定擋塊，經試車驗證的壓力事件可能適合作為替代方案。選擇架構前，請比較[舌簧與霍爾效應感測器技術指南](/zh-hant/blog/a-technical-guide-to-cylinder-reed-switch-and-hall-effect-sensor-operation/)及[氣壓缸因內部密封旁通而漂移的分析程序](/zh-hant/blog/how-to-analyze-cylinder-drift-caused-by-internal-seal-bypass/)。

## 差壓感測常見問題

一項 2015 年的研究使用兩個腔室壓力量測值，重建氣動活塞在靜止時的位置，但該方法需要訊號注入與非線性觀測器，而不是簡單的閾值（[Control Engineering Practice](https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0967066115000908)）。這項差異有助於說明，僅靠壓力的終點偵測能夠證明與不能證明哪些事情。

### 差壓能證明活塞已抵達機械端蓋嗎？

不能。1997 年的差壓專利在預設壓力交越點改變輸出，並指出有效終點可能出現在行程中的其他位置。卡滯、工件接觸、緩衝節流或排氣受阻都可能模擬相同訊號。請搭配方向、時序、感測器健康檢查，以及經獨立位置基準驗證的試車資料。

### 一只差壓感測器比兩只壓力傳送器更好嗎？

取決於診斷需求。單一雙向差壓感測器可提供精簡訊號，但兩只傳送器能保留兩個腔室的壓力，使供氣、排氣、洩漏與通道故障更容易區分。選定架構後，仍須確認共模壓力額定值、過載能力、精度、取樣、感測管容積與電氣介面。

### PLC 閾值應如何設定？

不要直接套用通用的 4–6 bar 數值。應在預期負載、速度、供氣壓力、溫度與緩衝設定範圍內，以直接位置基準同步記錄兩個腔室壓力。分別建立伸出與縮回包絡，並在正常及選定故障條件下驗證壓力比、斜率、持續時間、過早事件時序與逾時行為。

### 壓力偵測可以取代安全額定的終端位置開關嗎？

不能直接取代。一般壓力感測器、PLC 比較器與閾值，不會因採用兩個壓力通道就自動成為安全功能。若位置訊號用於人員防護或風險降低，完整的感測、邏輯、診斷、故障反應與驗證，都必須符合機台所需的安全設計。

### 資料來源與技術參考文獻

[氣壓缸差壓感測裝置](https://patents.google.com/patent/US5587536A/en)；[靜止狀態下的活塞位置估算](https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0967066115000908)；[氣壓缸抵達最終位置時的壓力](https://www.mdpi.com/1996-1073/13/14/3711)；[Parker 氣動壓力感測器](https://www.parker.com/content/dam/Parker-com/Literature/Literature-Files/pneumatic/Literature/Vacuum/0802_Vacuum_Sensors.pdf)；[ifm PN2571 壓力感測器](https://www.ifm.com/ee/en/product/PN2571#documents)；以及 [ifm 氣壓缸感測器](https://www.ifm.com/us/en/us/explore-products/cylinder-sensors)。