УДК 621.317.73
ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПРОГРАММИРУЕМОЙ
СТРУКТУРОЙ И БЕСПРОВОДНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ
, ,
Омский государственный технический университет (Омск)
Аннотация: Рассмотрены структурные и схемотехнические аспекты построения аппаратных средств преобразования сигналов тензометрических датчиков. Проведены экспериментальные исследования и анализ основных метрологических характеристик. Намечены пути снижения погрешностей измерения.
Ключевые слова: грузовые вагоны, литые детали, ресурсные испытания, тензопреобразователь, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, беспроводный интерфейс, автономное питание
Литые детали тележек железнодорожных вагонов (боковые рамы) являются наиболее значимыми техническими изделиями с точки зрения безопасности эксплуатации. Комплекс ресурсных испытаний, призванных обеспечить надежность изделий, невозможно провести без средств прецизионной тензометрии, являющейся неотъемлемой частью статических и динамических измерений.
Разработанный -исследовательский институт железнодорожного транспорта» проект межгосударственного стандарта на методы ресурсных испытаний боковых рам тележек железнодорожных грузовых вагонов предписывает установку большого количества резистивных тензопреобразователей в зонах повышенной ответственности, характеризующихся повышенным риском отказов [1].
В процессе поездных испытаний измерению подлежат восемь сил, действующих на боковую раму, наибольшее динамическое значение которых вызывает изменение напряжения более чем на 10 МПа в зонах повышенной ответственности, в том числе в зонах:
-внутреннего угла проема под колесную пару;
-нижнего угла рессорного проема;
-наклонного пояса.
Учитывая специфичность условий проведения поездных испытаний (в части широкого диапазона изменения температуры и влажности окружающей среды, наличия тряски, вибраций и одиночных ударов, необходимости минимизации количества технологических кабелей), задача создания многоканальных аппаратных тензоизмерительных средств с беспроводным интерфейсом и автономным питанием весьма актуальна.
Основу представляемого базового измерительного преобразователя составляет прецизионный многоканальный аналого-цифровой преобразователь ADuC847 [2] с встроенным микроконтроллером (рис.1.), являющийся функционально завершенным контроллером для интеллектуальных датчиков, содержащем сигма-дельта АЦП с разрешением 24 бит, входной восьмиканальный мультиплексор с гибкой перепрограммируемой структурой, датчик температуры кристалла и усилитель с программируемым коэффициентом передачи (PGA). Вычислительные возможности и гибкость структуры определяет быстрый 8 разрядный микроконтроллер, содержащий 62КБ внутренней неразрушаемой Flash/EE памяти программ, 4КБ внутренней неразрушаемой Flash/EE памяти данных и 2304Б внутренней памяти данных с произвольным доступом (RAM), что позволяет реализовать весьма сложные алгоритмы обработки сигналов и организацию беспроводных интерфейсов при работе в составе информационно-измерительной системы.
Интегрированный загрузчик обеспечивает загрузку прикладных программ в устройство через последовательный порт (UART), при этом отладка прикладных программ системы производится через единственный внешний вход ЕА.
АЦП с встроенным фильтром и программируемым выходным потоком данных обеспечивает измерение в широком динамическом диапазоне низкочастотных сигналов низкого уровня, снимаемых непосредственно с тензодатчиков [3].
Микропроцессорное ядро тактируется частотой до 12.58 МГц с выхода программно
Рис. 1. Структурная схема ADuC847
управляемого делителя встроенной системы ФАПЧ, работающей от «часового» кварцевого резонатора. Микропроцессорное ядро программно совместимо с микроконтроллерами семейства Intel 8051, отличаясь от последнего увеличенной в 12 раз производительностью за счет реализации одноциклового ядра.
Аналоговые входы ADuC847 конфигурируются как четыре полных дифференциальных канала или восемь псевдодифференциальных канала с одним общим входом AINCOM, чего вполне достаточно для синтеза логометрической измерительной структуры [4] с четырехпроводным или шестипроводным подключением тензодатчика (Рис.2.).
Четырехпроводная схема подключения предпочтительна для применения в случае использования коротких кабелей к тензодатчикам, то есть когда неактуальна температурная компенсация изменения сопротивления питающего кабеля, вызванного изменением температуры окружающей среды.
В большинстве случаев предпочтительно использование шестипроводной схемы подключения, которая практически полностью компенсирует влияние возможных изменений сопротивления кабеля питания на функцию преобразования под воздействием изменения параметров окружающей среды [5].
Рис. 2. Схема тензодатчика
На входе АЦП можно программным способом реализовать буферизацию, а так же выбрать один из восьми масштабирующих коэффициентов передачи в диапазоне входных сигналов от ±20мВ до ±2.56В. Это обстоятельство весьма полезно с точки зрения расширения динамического диапазона преобразуемых параметров.
Для получения требуемой программируемой частоты преобразования на выходе и выполнения низкочастотной фильтрации на выход модулятора устанавливается программируемый НЧ фильтр с переходной характеристикой вида (Sinc3). Аналоговая часть АЦП имеет два режима работы: с разрешенным и запрещенным стабилизирующим прерывателем (CHOPPER).
Источник опорного напряжения [6], входящий в состав ADuC847, не обладает приемлемыми метрологическими характеристиками, в силу чего применен отдельный источник опорного напряжения, дополненный мостовым аналоговым коммутатором для коррекции аддитивных погрешностей, вызванных паразитными термоэдс [7].
Беспроводный интерфейс работает в диапазоне частот 2.4 ГГц и подключен к контроллеру посредством программно реализованного интерфейса SPI.
Экспериментальные исследования изготовленного опытного преобразователя показали высокие метрологические характеристики при измерениях нагрузок в широком динамическом диапазоне.
Библиографический список
1.. [Электронный ресурс]. URL: http://www. vniizht. ru/?id=260
2.Analog Devices. [Электронный ресурс]. URL: http://www. /ru
3.Bryan J. M. Sigma-delta measurement ADCs //Practical design techniques for sensor signal conditioning. - Analog Devices Inc., 1999.- P. 8.16 -8.34.
4.Орнатский, основы информационно-измерительной техники/ – Киев: Вища школа, 1983. – 455 с.
5.Орнатский, измерения и приборы/ – Киев: Вища школа, 1986. – 504 с.
6.Miller P., Moore D. Precision voltage references //Texas Instruments Incorporated. Analog Applications Journal. – 1…4 pp.
7. Структурные методы синтеза измерительных схем портативных цифровых микроомметров / , // Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте: Материалы Всероссийской науч.-техн. конф. с междунар. участием (21-22 нояб. 2013г.) / Редкол.: Омск: Изд-во ОмГУПС 2013. - С.264-269
8.Nordic Semiconductor. [Электронный ресурс]. URL: http://www. nordicsemi. no
