Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Если сопротивления проводов невозможно сделать достаточно малыми, их измеряют и учитывают в дальнейших расчетах с целью исключения вносимой ими погрешности. На рисунках 1.11 - 1.13 приведены соответствующие формулы, которые могут быть реализованы программно в микропроцессоре модуля ввода сигналов тензодатчиков или в компьютере.

1.1.2.4 Составляющие погрешности измерения

При использовании тензорезисторов большинство источников погрешностей аналогичны тем, что возникают при использовании терморезисторов. Основными компонентами погрешностей являются следующие:

1. случайная погрешность, вызванная технологическим разбросом сопротивлений тензорезисторов;

2. систематическая погрешность, вызванная термоэлектрическим эффектом;

3. тепловой и фликкер-шум измеряемого сопротивления;

4. температурная погрешность, вызванная разогревом датчика протекающим током;

5. погрешность, связанная с разностью температурных коэффициентов расширения тензорезистора и материала объекта, на который наклеен тензорезистор;

6. погрешность метода (схемы измерения) сопротивления, зависящая от длины проводов и точности измерения их сопротивления;

7. внешние наводки;

8. сопротивление контактов;

9. «ползучесть» сопротивления длительно нагруженного тензорезистора;

10. погрешность измерительного модуля ввода [6].

Вследствие очень малой чувствительности тензорезисторов особую роль играют наведенные помехи. Для их уменеения используют не витые пары, а плетеные четыре провода, в которых попарно параллельно соединяют провода, проходящие во взаимно перпендикулярных плоскостях. Это устраняет индуктивность обычной витой пары, которая представляет собой катушку индуктивности, если смотреть на витую пару с торца [7].

1.1.3 Существующие тензорезисторные датчики крутящего момента

Датчик крутящего момента представляет собой устройство для измерения и регистрации крутящего момента на вращающихся частях различных систем, таких как коленчатый вал двигателя, рулевая колонка, винтовая свая и т.д. Датчики крутящего момента позволяют измерять как статический, так и динамический момент. Как правило, в основе датчика момента лежит тензодатчик на вращающемся валу или оси. Способ съема сигнала, а также питание тензомоста может осуществляться контактным и бесконтакным (телеметрическим) способом. Диапазон измерений серийно выпускаемых тензорезисторных датчиков крутящего момента составляет от 0 – 0,1 Н·м до 0 – 50 кН·м, а в случае необходимости и более.

Существуют три основных типа тензорезисторных датчиков крутящего момента: бесконтакные, с контактными кольцами и невращающиеся(датчики реакции).

1.1.3.1 Конструктивное исполнение, основные типы датчиков

Важнейшей частью датчика крутящего момента является, как правило, чувствительный цилиндрический элемент, который под действием приложенного к нему моменту закручивается. Возникающие при этом напряжения сдвига или деформации служат мерой крутящего момента. Упомянутые напряжения или деформации воспринимаются тензорезисторами, которые приклеивают к чувствительному элементу под углом 45⁰ к его продольной оси и включают в схему моста Уитстона. Для передачи питающего напряжения и измерительного сигнала применяют контактные кольца или передачу сигналов без использования контактных колец.

На рисунках 1.14 и 1.15 показана типовая конструкция датчика крутящего момента с контактными кольцами. На суженном участке вала, представляющего собой чувствительный элемент, видны тензорезисторы, расположенные под углом 45⁰.

Известно соотношение . Поэтому, зная J и параметры торсионного вала получим . Измеряя углы закручивания, можно определить соответствующее значение М_к. При малых крутящих моментах для получения достаточной деформации диаметр вала должен быть очень малым. (Для обеспечения необходимой устойчивости в этих случаях применяют чувствительные элементы другой формы, например в виде клетки, стержни которой работают на изгиб). Односторонне расположение подшипников снижает погрешности от трения. Для вентиляции и охлаждении служит вентилятор. Тензорезисторы соединены с неподвижным корпусом при помощи контактных колец и съёмных щёток. Необходимые для измерения мощности параметры скорости и направления вращения могут быть также получены бесконтактным способом.

Датчики крутящего момента с бесконтактной передачей сигналов наиболее эффективны для непрерывного контроля, так как они работают практически без износа и без обслуживания. Примером такого датчика является датчик момента, представленный на рисунке 1.16. Он работает совместно с фотодатчиком ДФ-1, в проёме которого размещаются диски 3 и 4, образующие при увеличении момента увеличивающиеся по ширине щели и, как следствие, формирующие при своём вращении в проёме неподвижного фотодатчика последовательности увеличивающихся по длительности импульсов.

На схеме обозначены: 1, 2 – полумуфты левая и правая; 3, 4 — левый и правый диски с выступами, 5 – упругие элементы (пружины). Этот датчик крутящего момента содержит полумуфты 1 и 2, неподвижно закреплённые на полумуфтах диски 3 и 4 с радиальными прорезями, упругие элементы 5 (в данном примере – пружины сжатия), размещённые между выступами-кулачками полумуфт. Диски 3 и 4 имеют возможность поворачиваться один относительно другого, и в исходном их положении радиальные прорези одного диска перекрыты выступами другого, т.е. эти диски не образуют радиальных щелей. Полумуфты 1 и 2 расположены в непосредственной близости одна от другой так, что закреплённые на полумуфтах диски с радиальными прорезями могут быть размещены в проёме одного и того же фотодатчика (рисунок 1.16). Здесь торсионный вал упразднён и заменён упруго деформируемыми элементами, связывающими полумуфты в окружном направлении. Следовательно, рассматриваемый датчик фактически представляет собой упругую муфту, позволяющую помимо своей основной функции вести измерение передаваемого момента.

Бесконтактный датчик крутящего момента работает следующим образом. При вращении вала, на котором измеряется момент, вращаются диски 3 и 4, размещенные в проеме фотодатчика 8 или 9. Если момент на валу отсутствует, то диски 3 и 4 перекрывают световой пучок фотодатчика, и на выходе этого фотодатчика сигнал отсутствует. С появлением крутящего момента пружины 5 деформируются, полумуфты 1 и 2 поворачиваются на некоторый угол одна относительно другой, получают угловое смещение диски 3 и 4, в результате чего образуются радиальные щели, и при перемещении дисков в проеме фотодатчика последний генерирует импульсы, длительность которых пропорциональна ширине радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, а следовательно величине момента. При увеличении момента на валу ширина радиальных щелей, образованных дисками 3 и 4, увеличивается, а потому увеличивается длительность генерируемых фотодатчиком импульсов.

Таким образом, углы относительного поворота полумуфт 1 и 2, пропорциональные крутящему моменту, преобразуются в электрические сигналы датчика, которые регистрируются, и по их значениям определяются соответствующие величины измеряемых моментов [8].

Статические датчики используют деформацию вала и изменение его характеристик для расчёта крутящего момента. Это измерение производится тензометрическими датчиками, установленными на валу и определяющими деформацию вала, вызванную крутящим моментом. Существует несколько способов измерения скручивания вала.

Датчик прикрепляется к валу таким образом, чтобы его ось совпадала с направлением растяжения материала при воздействии крутящего момента. В результате тензометрический датчик тоже растягивается, вызывая повышение сопротивления элемента. В торсиометре используется тензометрический датчик, состоящий из четырёх резистивных элементов, устанавливаемых на вал. Два элемента устанавливаются по направлению растяжения. Оставшиеся два – по направлению сжатия [9].

1.2 Рассматриваемые к использованию датчики крутящего момента

В таблице 1.1 приведены варианты датчиков крутящего момента, которые рассматривались для использования в комплексе «Моментум».

Таблица 1.1 — Характеристики датчиков крутящего момента

Таким образом, сравнив все показатели, и учтя требования к системе, для разработки был выбран датчик модели LoadCellsSensor Leitai LT-NJ 0300033.

1.3 Датчик положения сваи

Согласно требованиям к программно-аппаратному комплексу, оператор бурения должен получать наглядную информацию не только о текущем значении крутящего момента, но и о положении сваи. Для получения данных о положении сваи используется инерционный модуль LSM9DS0 модели LGA-24 от компании STMicroelectronics, включающий в себя датчики трёхмерного акселерометра, гироскопа и магнитометра.

Особенности модуля:

1. Скрытая навигация

2. Удобный пользовательский интерфейс

3. Улучшенная технология распознавания движения

4. Возможность подключения различных устройств ввода

LSM9DS0 – программно-аппаратный модуль, включающий в себя цифровой 3D датчик линейного ускорения, цифровой 3D датчик угловой скорости и цифровой 3D магнитный датчик. Диапазоны шкала акселерометра – ±2g/±4g/±6g/±8g/±16g, диапазоны шкалы магнитометра – ±2/±4/±8/±12 Гаусс, и диапазоны шкалы угловой скорости – ±245/±500/±2000 dps.

LSM9DS0 является модулем с очень низким энергопотреблением, обладающим также чрезвычайной стабильностью нулевого уровня и высокой точностью показаний, которая сохраняется при изменениях температуры (от -40 °C до +85 °C) и длительной работе датчиков. В микросхему, кроме чувствительных элементов, встроен интерфейс I2C/SPI, через который удобно транслировать на подключаемые устройства получаемые данные (этот интерфейс используется для подключения к внешнему микроконтроллеру). Чувствительные элементы изготовлены с использованием специальной микромеханической обработки, разработанной STMicroelectronics, чтобы выполнить инерционные сенсоры и актуаторы на кремниевых пластинах.

Система может быть сконфигурирована таким образом, чтобы передавать разделённые данные на специально выделенные выходы, и способна обнаруживать движение и магнитное поле. Также пользователь может запрограммировать пороги и сроки генераторов прерываний сигналов. «Из коробки» доступна возможность перевода датчиков акселерометра, магнитометра и гироскопа в энергосберегающий режим, что позволит значительно увеличить время работы модуля в целом [14].

2 Реализация программного комплекса

2.1 Определение концепции системы

Целью разработки является мобильное приложение на базе ОC Android. Оно должно решать следующие задачи:

1. Принимать данные с датчиков системы, используя протокол UDP;

2. Математически преобразовывать получаемые данные и сохранять в базу данных;

3. Оперативно предоставлять пользователю наглядные значение получаемых данных (в виде графиков, значений параметров и т. д.);

4. Передавать сохранённые данные на удалённый web-сервер;

5. Оперативно предупреждать пользователя о возможных отклонениях в работе системы;

6. Поддерживать возможность использования разными пользователями.

2.2 Анализ предметной области

Разрабатываемое приложение функционирует на планшете под управлением ОC Android версии 4.0 и выше. Планшет должен быть оборудован модулем беспроводной передачи данных Wi-Fi.

2.2.1 Задачи, решаемые мобильным приложением

2.2.1.1 Приём данных от датчиков системы

Мобильное приложение (далее — ПО) должно принимать данные от датчиков крутящего момента и положения сваи по беспроводному каналу связи. В качестве канала связи будет использоваться Wi-Fi. Передача данных осуществляется по схеме UDP клиент — сервер. ПО отправляет серверу запрос за данными, и ждёт ответа. Сервер, в свою очередь, получает от клиента запрос, анализирует его, проверяет контрольную сумму, и, если проверка пройдена успешно, отправляет данные. Данные передаются в виде UDP — датаграмм. Датаграмма сервера, т. е. дaтaгpамма с данными датчиков представляет из себя набор байт следующей структуры:

1. Сигнатура датаграммы — 6 байт;

2. Время формирования датаграммы — 2 байт;

3. Значение крутящего момента — 2 байта;

4. Данные акселерометра AX, AY, AZ по осям — 6 байт;

5. Данные магнитометра MX, MY, MZ по осям — 6 байт;

6. Данные гироскопа GX, GY, GZ по осям— 6 байт;

7. Байт статуса системы – 1 байт;

8. Значение заряда батареи на WiFi модуле передатчика данных — 2 байта;

9. Контрольная CRC – 1 байт.

ПО должно принимать эту датаграмму, проверять её валидность, и, в случае успешной проверки, преобразовывать данные.

2.2.1.2 Обработка данных

Обработка данных разделяется на две стадии — первичную обработку и вторичную. Первичной обработкой является преобразование байт из получаемых UDP-датаграмм в корректные числовые значение. Вторичная же обработка — математическая обработка этих значений, а именно домножение их на определенные коэффициенты, указанные в спецификациях к используемым датчикам.

2.2.1.3 Сохранение данных

Преобразованные данные через равные промежутки времени, настраиваемые пользователем, сохраняются в локальную базу данных мобильного приложения. Это делается для того, чтобы в процессе работы с приложением пользователь мог в любой момент построить отчёт, график, и посмотреть ход работ в удобном для восприятия виде.

Характеристики

Список файлов ВКР