ВКР Разработка ступенчатой технологии развески локомотивов (1231168), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Для случая питания от источника стабилизированного напряжения справедливо равенство

(4.4)

а для источника стабилизированного тока –

(4.5)

К питанию моста стабильным током прибегают, обычно, в случаи значительного удаления моста от приемника сигнала, так как падение напряжения на проводах кабеля не повлияет на точность преобразования. Если расстояние от моста до усилителя не превышает двух метро, удобнее и проще использовать схему со стабильным напряжением.

Рис.4.4. Мостовые измерительные схемы с питанием от источника: а - постоянного напряжения; б - постоянного тока

Поскольку на каждом из выводов моста при его дисбалансе будет присутствовать потенциал относительно земли, очевидным становится применение операционных усилителей (ОУ), включенных по дифференциалы ной схеме. Наряду с положительным влиянием R на характеристики датчика, увеличение сопротивления моста приводит к определенным трудностям при ОУ. Простейшие схемы дифференциальных усилителей имеют низкое входное сопротивление. Поэтому выходное сопротивление источника сигнала влияет на величину дифференциального коэффициента усиления и на коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС), что почти всегда требует точной настройки параметров схемы. Для приема и усиления

сигналов источников с большим входным сопротивлением, каким является мостовая схема, требуется подбирать усилитель с более высоким входным сопротивлением. Этому условию отвечает неинвертирующее включение ОУ. Наиболее распространенной схемой дифференциального усилителя является вариант, при котором между источником сигнала (диагональ моста) и каждым из входов включается неинвертирующий усилитель. Примером такого решения (рис. 4.5) может служить схема специализированного усилителя напряжения LP-04, выпускаемого серийно компанией «Л-КАРД». Применение недорогой интегральной микросхемы ОР282 (сдвоенный высокоскоростной ОУ) позволили получить удовлетворительные характеристики усилителя с полосой пропускания 4 МГц и приведенным (к входу) значением шума 10 мкВ.

Рис. 4.5 Схема усилителя для тензодатчика LP-04

Повторители (U2-1 и U2-2) в этой схеме выполняют задачу буферов, благодаря чему входное сопротивление усилителя повышается, а влияние выходного сопротивления источника сигнала на дифференциальный коэффициент усиления и коэффициент ослабления синфазного сигнала практически устраняется. Для расчета дифференциального коэффициента усиления при R₂= R, можно использовать зависимость

(4.6)

При значении Rр= 160 Ом (как в штатной схеме LP-04) значение К_д составит 64.

Усилитель LP-04 выполнен совместно с интегральным стабилизатором напряжения. Выпускаются модификации с напряжением питания моста +5В

и +2.5В. Выходной сигнал усилителя, как и питание, является двухполярным. Для приведения выходного сигнала к однополярному уровню относительно земли выходы U+ и U- LP-04 целесообразно соединить дифференциальной схемой с третьим усилителем. Такая схема усилителя на трех ОУ (рис. 4.6) считается стандартной измерительной схемой.

Дифференциальный коэффициент усиления для этой схемы рассчитывается по уравнению (5), а коэффициент усиления синфазного сигнала:

• из-за разбаланса резисторов

(4.7)

• из-за конечного значения КОСС третьего усилителя (U₃)

(4.8)

Рис. 4.6 Схема измерительного усилителя на трех ОУ

Общий КОСС всей схемы

(4.9)

Заслуживает внимания схема измерительного усилителя на двух ОУ. Корпорация BURR-BROWN с 1999 г. выпускает интегральную микросхему INA155. При умеренной цене этот измерительный усилитель обладает рядом достоинств, а именно: возможность однополярного питания; минимум дополнительных элементов; регулируемый коэффициент усиления от 10 до 50; К_осс=92 дБ. Полоса пропускания усилителя уступает рассмотренному

выше усилителю и составляет 550кГц, но удовлетворяет условиям работы

датчика на дизеле. Вариант включения INA155 в однополярном питании для усиления сигнала с мостового датчика показан на рис.4.7. Выводы микросхемы 1 и 8 (R_G) предназначены для регулирования коэффициента усиления. При короткозамкнутых выводах значение коэффициента усиления составляет 50, при разомкнутых - 10.

Можно задать любое значение коэффициента усиления (в пределах от 10 до 50) если к выводам присоединить резистор R_G. При этом коэффициент усиления рассчитывается по формуле

(4.10)

Рис. 4.6 Применение интегральной схемы INA55 в мостовой измерительной схеме

Для достижения наилучших показателей схемы не следует использовать резистор R_G, так как погрешность усиления и температурный дрейф имеют параболическую зависимость от коэффициента усиления, причем ветви этой параболы имеют нулевое значение при К=10 и К=50.

Вывод 5 (Ref) предназначен для регулирования смещения выходного сигнала. В простейшем случае он может быть соединен с землей. Выходное напряжение U_вых на выводе 6 в зависимости от разбаланса моста может принимать значение от 0,01В до 4,99 В.[6]

4.2 Разработка тензорезисорного датчика

На основании описанных ранее в разделах данного дипломного проекта систем можно объективно сформировать требования на вновь разрабатываемую систему выравнивания осевой нагрузки локомотивов. Однако сначала следует рассмотреть специфику работы предполагаемой системы.

Если рассматривать начальные принципы работы устройства, известно, что при воздействии колеса локомотива на рельс, в шейке рельса возникают деформирующие напряжения, пропорциональные приложенной нагрузке от

колеса. Эти напряжения необходимо зафиксировать, преобразовать в электрический сигнал и передать на ПК для обработки специальным программным обеспечением.

Взаимодействие колеса с рельсом представлено на рисунке 4.1. Как видно, нас интересуют только вертикальные силы взаимодействия, которые формируют основную часть сил сцепления колеса с рельсом в момент трогания и, следовательно, позволяют реализовать определенную часть силы.

Для регистрации таких вертикальных сил предусмотрен тензорезисторный датчик. Схематично датчик представлен на рисунке.

Рис. 4.7 Схема силоизмерительного датчика

Конструктивно датчик оформлен в виде двух сквозных отверстий в шейке рельса на определенном расстоянии друг от друга. На шейке между отверстиями специальным образом наклеены четыре тензорезистора, электрически соединенные по полной мостовой схеме с зеркальным расположением рабочих и балластных резисторов.

Такая конструкция датчика позволяет минимизировать влияние посторонних усилий и снизить погрешность измерения за счет селективности. Так же несомненным достоинством этого датчика является возможность монтировать его непосредственно в рельс без разборки рельсошпальной решетки.

Основание для датчика не требуется. Селективность датчика состоит в том, что он не регистрирует никаких сил до тех пор, пока колесо не войдет в зону, расположенную прямо над шейкой датчика. Длина чувствительной зоны составляет порядка 15 мм по обе стороны от оси датчика

Рисунок 4.8 – Схема включения тензорезисторов

Пройдя предварительную математическую обработку в измерительном усилителе, сигнал поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя,

при помощи, которого сигнал из аналоговой формы преобразуется в эквивалентный цифровой код, пригодный для обработки в ЭВМ.

Из этого следует, что быстродействие аналогово-цифрового преобразователя должно быть, как минимум, на два порядка выше периода измерения. Современные монокристальные аналогово-цифровые преобразователи последовательного приближения позволяют измерить входное напряжение с частотой дискретизации около 30000 Гц, что вполне достаточно для оцифровки звуковых сигналов, но, увы, недостаточно для прецизионных измерений быстро меняющихся сигналов.

Это связано с явлением конечной дискретизации измеряемого сигнала. Так как замеры производятся через определенные дискретные промежутки времени, то невозможно совершенно точно угадать, когда сигнал достигнет своего максимума, а следовательно появляется неуправляемая погрешность измерения.

Так же следует учесть, что стоимость преобразователей такого типа достаточно значительна как и затраты вычислительных мощностей управляющей ЭВМ на обработку того множества значений, которое успевает послать преобразователь на обработку в ЭВМ. Учитывая все эти аргументы, следует рассмотреть альтернативные способы цифровых измерений.

При измерении нагрузки в движении следует так же учитывать динамические составляющие погрешности, возникающие из-за неровностей колеса и рельса, влияния автосцепки, вибраций рессорного подвешивания и многих других факторов, которые невозможно учесть расчетными методами. Динамические погрешности можно скомпенсировать, произведя определенное количество опытных измерений и получив эмпирические зависимости влияния скорости движения подвижного состава и погрешности измерения.

Измерения на повышенных скоростях движения полезны в основном для определения перегруза подвижного состава. Это в первую очередь связано с безопасностью движения. При измерении перегруза важно не точное измерение, а регистрация превышения предельной загрузки оси вагона. Здесь погрешность измерения может составлять до 5% и давать приемлемую точность измерений, хотя при коммерческом либо точном измерении нагрузки (веса). От оси колесной пары на рельс целесообразно уменьшать скорость движения по весовой установке до 10-15 км/ч. При этом так же потребуется применение корректирующих динамических коэффициентов напрямую зависящих от скорости движения.

Определение весовой установкой скорости движения подвижного состава по ней является обязательным условием. Это в конечном итоге не составляет больших трудностей при использовании программно-технологического комплекса на базе ЭВМ.

Принцип измерения скорости движения основан на измерении продолжительности пауз между пиками сигналов датчиков.

Если принять максимальную скорость движения колеса по рельсу во время измерения нагрузки U_изм=15 км/ч и максимальное напряжение на выходе измерительного усилителя U_{вых.мах}=12 В, то можно предварительно рассчитать скорость нарастания выходного напряжения измерительного усилителя, а так же время следования полезного сигнала, которое соответствует периоду измерения для аналогово-цифрового преобразователя.

Время прохождения колесом по зоне 15 мм определим по формуле:

(4.11)

где =0,015 м – длина полезного участка измерения;

=15 км/ч – скорость измерения.

(4.12)

При расчете учитывается только полезная характеристика сигнала, то есть от начала роста сигнала до максимума напряжения датчика. При прохождении колесом оси датчика и спаде входного напряжения сигнала дальнейшее измерение уровня входного напряжения датчика не имеет смысла так как не несет полезной информации.

Скорость нарастания выходного напряжения измерительного усилителя будет равна:

(4.13)

или 0,0033 В/мкс. По этому параметру в дальнейшем следует выбирать тип операционного усилителя для выходного каскада инструментального усилителя.

Эквивалентную частоту сигнала можно определить по формуле:

(4.14)

Пройдя предварительную математическую обработку в измерительном уси-

лителе, сигнал поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя, при помощи которого сигнал из аналоговой формы преобразуется в эквивалентный цифровой код, пригодный для обработки в ЭВМ. Из этого следует, что быстродействие аналогово-цифрового преобразователя должно быть, как минимум, на два порядка выше периода измерения. Современные монокристальные аналогово-цифровые преобразователи последовательного приближения позволяют измерить входное напряжение с частотой дискретизации около 30000 Гц, что вполне достаточно для оцифровки звуковых сигналов, но увы недостаточно для прецизионных измерений быстро меняющихся сигналов. Это связано с явлением конечной дискретизации измеряемого сигнала. Так как замеры производятся через определенные дискретные промежутки времени, то невозможно совершенно точно угадать, когда сигнал достигнет своего максимума, а следовательно появляется неуправляемая погрешность измерения. Так же следует учесть, что стоимость преобразователей такого типа достаточно значительна как и затраты вычислительных мощностей управляющей ЭВМ на обработку того множества значений, которое успевает послать преобразователь на обработку в ЭВМ. Учитывая все эти аргументы, следует рассмотреть альтернативные способы цифровых измерений.

Далее по ранее внесенным характеристикам вагонов и локомотивов определяется состав поезда, скорость движения, ускорение (замедление) и затем производится вычисление поправочных коэффициентов динамики. После вычисления поправочных коэффициентов производится окончательный расчет колесной нагрузки. По рассчитанной нагрузке можно произвести анализ относительно правильности загрузки вагонов (перекос центра тяжести) или по перегрузу осей или колес. Это важно, так как ость в среднем загружена в пределах допустимых норм, но при замере колесной нагрузки может оказаться, что ось имеет значительный дифферент по массе.

Итак, можно сделать вывод, что характеристики основных компонентов определены. Определены так же и условия работы преобразователя. Это однополярный строго возрастающий сигнал (полезная часть) с единственным максимумом. Знание этих условий позволяет сформировать техническое задание на узкоспециализированное устройство, нацеленное на решение конкретной задачи – опре

деление колесной нагрузки

Характеристики

Список файлов ВКР