Ţilinská univerzita v Ţiline
Elektrotechnická fakulta
Katedra mechatroniky a elektroniky
INTELIGENTNÁ DYNAMICKÁ
NÁPRAVOVÁ VÁHA
DIPLOMOVÁ PRÁCA
28260620112009
2011
Bc. Ondrej Jantolák
ŢILINSKÁ UNIVERZITA V ŢILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
INTELIGENTNÁ DYNAMICKÁ NÁPRAVOVÁ VÁHA
DIPLOMOVÁ PRÁCA
28260620112009
Študijný odbor: Výkonové elektronické systémy
Študijný program: Výkonové elektronické systémy
Vedúci diplomovej práce: Ing. Jozef Sedlák
Konzultant: Meno Priezvisko
Pracovisko konzultanta: Meno Priezvisko
Ţilina 2011
Bc. Ondrej Jantolák
Namiesto tejto strany vloţiť zadanie záverečnej
práce!
Abstrakt
Dynamické váţenie je relatívne nová forma vyhodnocovania váhy vozidiel bez
nutnosti zastavenia. V úvode práce sa čitateľ zoznámi s aktuálnym stavom v oblasti
váţenia vozidiel. Popísané sú systémy statického a dynamického váţenia, vrátane ich
porovnania a popísania vhodnosti pouţitia pre konkrétne podmienky. Aktuálny stav
je doplnený výberom z príslušnej metrologickej legislatívy. Hlavná časť je venovaná
vlastnému návrhu takejto váhy- určeniu jej parametrov s prihliadnutím na platné
normy dovoleného zaťaţenia náprav vozidiel, návrhu konštrukcie vrátane simulácie v
programe Catia aj s materiálovým rozborom a návrhu samotnej elektronickej časti.
Taktieţ prebehlo aj vytvorenie modelu váhy, ktorý bol otestovaný na vozidle
kategórie M1. V závere sa venujem vyhodnoteniu nameraných priebehov ako z
návrhu zariadenia (rušenia, reakcie systému na zaťaţenie), tak zo samotného merania
na vozidle.
I
ŢILINSKÁ UNIVERZITA V ŢILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA
Meno a priezvisko: Bc. Ondrej Jantolák
Akademický rok: 2010/2011
Názov práce: Inteligentná dynamická nápravová váha
Počet strán: 52
Počet obrázkov: 43
Počet tabuliek: 1
Počet grafov:0
Počet príloh:
Počet použ. lit.: 10
1
Anotácia v slovenskom jazyku:
Diplomová práca je v úvode zameraná na predstavenie oblasti dynamického
váţenia vozidiel. Ďalej nasleduje samotný návrh, zloţený s konštrukčnej
a elektronickej časti. Od prezentovaná je taktieţ stavba modelu. Záver je venovaný
zhodnoteniu testovaného modelu a celkovej obtiaţnosti návrhu systému so schválením
pre vyuţitie v obchodnom meraní.
Anotácia v anglickom (nemeckom) jazyku:
The diploma work is at the beginning focused on the introduction of the
dynamic vehicles weighting. The second part presents my own design of a dynamic
vehicle weight, consisting of the structural and the electronic part. There is presented
also a construction of a test model. The end of this diploma work contains the results
of the model testing and the description, how difficult is the system build, with the
approval for a commercial vehicle measuring.
Kľúčové slová: dynamické váţenie, váţenie vozidiel, nápravová váha, tenzometria
Vedúci diplomovej práce: Ing. Jozef Sedlák
Konzultant: Meno Priezvisko
Recenzent: __________________________
Dátum odovzdania práce: 2. mája 2011
II
Obsah
1
Úvod .............................................................................................................. 7
1.1
Analýza súčasného stavu ............................................................................... 7
1.2
Typy pouţívaných váh v doprave .................................................................. 8
1.2.1
Statické váhy .................................................................................................. 8
1.2.2
Dynamické váhy .......................................................................................... 14
1.3
Stanovenie poţiadaviek ............................................................................... 16
1.3.1
Poţiadavky na mechanickú časť .................................................................. 16
1.3.2
Poţiadavky na presnosť a funkcie ............................................................... 18
2
Návrh konštrukčného riešenia .................................................................. 20
2.1
Výber snímača ............................................................................................. 20
2.2
Návrh konštrukcie váhy ............................................................................... 22
3
Návrh elektroniky a algoritmu merania a vyhodnocovania ................. 26
3.1
popis snímačov............................................................................................. 26
3.2
Spracovanie výstupu snímačov a filtrácia .................................................... 28
3.3
popis vyhodnocovania ................................................................................. 31
3.3.1
Kalibrácia na nulu ........................................................................................ 32
3.3.2
Vyhodnotenie začiatku/konca merania ........................................................ 33
3.3.3
Vyhodnocovanie hmotnosti ......................................................................... 35
3.3.4
Vyhodnocovanie rozloţenia nákladu ........................................................... 36
3.3.5
Vyhodnocovanie splnenia poţiadaviek smernice 96/53/ES ........................ 36
3.3.6
Vyhodnocovanie celkovej hmotnosti .......................................................... 37
4
Overenie na virtuálnom modeli ................................................................ 38
5
Realizácia mechanickej časti ..................................................................... 39
5.1
Realizácia elektronickej časti ....................................................................... 40
5.2
Testovanie .................................................................................................... 42
5.3
Zhodnotenie výsledkov testov ..................................................................... 46
6
Záver ........................................................................................................... 47
III
Zoznam obrázkov a tabuliek
Obr. 1: Pouţitie tretej zdvíhacej nápravy na návesoch .................................................. 8
Obr. 2: Ukáţka obmedzenia horizontálneho pohybu gumovými dorazmi [1] .............. 9
Obr. 3: Snímač rady VKN a jeho špeciálne uloţenie. ................................................. 10
Obr. 4: Vyhodnocovacia jednotka DISOMAT B plus ................................................. 10
Obr. 5: Typické usporiadanie systému cestnej váhy .................................................... 11
Obr. 6: Plošinová váha Tamtron SCALEX 1001 ......................................................... 12
Obr. 7: Plošinová váha v nadúrovňovom prevedení s nájazdovou rampou a objektom
pre operátora merania. .......................................................................................... 13
Obr. 8: Úrovňová dynamická nápravová váha SCALEX DW600 .............................. 14
Obr. 9: Prenosný systém váţenia EVOCAR 2000 ....................................................... 15
Obr. 10: Rozmery návesu Systém R.CH. 24NNK/T ................................................... 16
Obr. 11: Tatra 815 S3 ................................................................................................... 17
Obr. 12: Graf znázorňujúci dovolenú odchýlku pre jednotlivé triedy presnosti [2] ... 18
Obr. 13: Model snímača RTN 10t................................................................................ 21
Obr. 14: Vnútorná schéma snímača [1] ....................................................................... 21
Obr. 15: Model plošiny nápravovej váhy .................................................................... 22
Obr. 16: Simulácia zaťaţenia plošiny váhou 10 000kg v strede - horný pohľad ......... 23
Obr. 17: Simulácia zaťaţenia plošiny váhou 10 000kg v strede - dolný pohľad ......... 23
Obr. 18: Simulácia zaťaţenia plošiny váhou 10 000kg v rohu- uloţenie snímača ...... 24
Obr. 19: Model spodnej misky váhy ............................................................................ 25
Obr. 20: Pouţitý tenzometrický snímač ....................................................................... 26
Obr. 21: Pouţitý tenzometrický snímač - detail ........................................................... 27
Obr. 22: Linearizovaná harakteristika pouţitých tenzometrických snímačov ............ 28
Obr. 23: Zapojenie tenzometrických snímačov ........................................................... 28
Obr. 24: Vnútorné zapojenie pouţitých operačných zosilňovačov INA126 [4] .......... 29
Obr. 25: Zapojenie vstupných obvodov snímača –INA126......................................... 30
Obr. 26: Zapojenie displejov a mikrospínačov k mikropočítaču ATmega64 .............. 31
Obr. 27: Systém meracieho štvorca ............................................................................. 34
IV
Obr. 28: Vytvorenie polynomických funkcií z nameraných vzoriek v programe Excel
............................................................................................................................... 36
Obr. 29: Simulácia práce váhy a vyhodnocovania v programe Excel ......................... 38
Obr. 30:Meracia plošina, výstuha, snímače- pohľad zdola .......................................... 39
Obr. 31: Kompletný model váhy s nájazdovou a zjazdovou plošinou......................... 40
Obr. 32: Testovacie zapojenie riadiaceho mikropočítača a výstupných displejov ...... 40
Obr. 33: Navrhnutá redukcia pre AT Mega 64 ............................................................ 41
Obr. 34:Zapojenie vstupných obvodov snímača –4xINA126 ...................................... 41
Obr. 35:Rušenie na výstupe operačných zosilňovačov ................................................ 42
Obr. 36:Priebeh testovania reakcie systému na zaťaţenie a odľahčenie plošiny......... 42
Obr. 37: Testovanie modelu na vozidle Škoda Felícia ................................................ 43
Obr. 38: Výpis 1 ........................................................................................................... 43
Obr. 39: Výpis 2- upozornenie..................................................................................... 44
Obr. 40: Výpis 3- zariadenie pripravené na meranie ................................................... 44
Obr. 41:Výpis 4- priebeh merania................................................................................ 45
Obr. 42:Výpis 5- výsledok merania ............................................................................. 45
Obr. 43: Výpis 6- výpis chyby ..................................................................................... 45
Tab. 1: Triedy presnosti pre dynamické meranie ......................................................... 14
V
Zoznam skratiek
Skratka
Anglický význam
Slovenský význam
OZ
--
Operačný zosilňovač
uPC
--
Mikropočítač
International Organization of Legal
Medzinárodná organizácia pre
Metrology
metrológiu
SMÚ
--
Slovenský metrologický ústav
PZSR
--
Policajný zbor SR
OMIL
6
1
ÚVOD
1.1 ANALÝZA SÚČASNÉHO STAVU
Systémy nápravových váh sa začali masívne vyvíjať hlavne v posledných 30
rokoch. Prvým impulzom bola poţiadavka zákazníkov/dodávateľov na kontrolu
mnoţstva predávaného materiálu, zväčša sypkého charakteru (rôzne typy štrkov,
pieskov, cementu, asfalt...). Druhý impulz prišiel zo strany kontrolných orgánov štátu,
ktoré vyhodnotili hmotnosť vozidla ako veličinu zásadne ovplyvňujúcu jeho
bezpečnosť, ako aj vzťaţnú veličinu pre opotrebovanie / poškodzovanie cestnej
infraštruktúry. Samé kontrolné zloţky (polícia, colné orgány...) potrebovali systémy
vlastniť pre váţenie nákladných súprav priamo na mieste zadrţania. Mechanické
systémy ktoré sa zabudovávali do betónových základov nevyhovovali hlavne svojou
nepresnosťou, vysokou vlastnou váhou a hlavne profilovou výškou. Tlak na vývoj
tenzometrie v nasledujúcich rokoch umoţnil produkciu prenosných nápravových váh
s konštrukčnou výškou menej ako 20mm pri meracom rozsahu dostačujúcim pre
všetky beţne pouţívané nákladné vozidlá a súpravy. Štátom stanovené limity pre
zaťaţenia jednotlivých náprav viedli k pouţívaniu tretej zdvíhateľnej nápravy na
návesoch a tým k zvýšeniu celkovej maximálnej hodnoty zaťaţenia jazdnej súpravy.
Zvyšovanie mnoţstva prepravovaného materiálu s cieľom zníţiť prepravné náklady na
jednotku (t) môţe spôsobiť prekročenie povoleného zaťaţenia jednotlivej nápravy,
prípadne nebezpečnú nesúmernosť rozloţenia nákladu. Tieto parametre beţne
dostupné systémy nevyhodnocujú, čo môţe skončiť prevrátením nákladu/poškodením
zavesenia nápravy (hlavne vzduchového), alebo kolesa vozidla.
7
Obr. 1: Použitie tretej zdvíhacej nápravy na návesoch
1.2 TYPY POUŽÍVANÝCH VÁH V DOPRAVE
1.2.1 Statické váhy
Ide o typy váh, u ktorých merací proces prebieha nespojito. Váţené vozidlo
musí zastaviť na meracej plošine a aţ po vypnutí motora sa vykoná statické odmeranie
zaťaţenia tejto plošiny. Tento typ váhy pozostáva z častí:
Nosič bremena (most)
Je konštrukcia, na ktorej je umiestnené váţené teleso, v našom prípade
automobil/súprava. Jeho tvar a rozmery mu musia byť prispôsobené (maximálnej
dĺţke a hmotnosti váţeného vozidla).
8
Zavesenie
Má za úlohu zabezpečiť centralizovaný, axiálny a bezmomentový prenos sily
z nosiča bremena do snímača. Dôleţitou časťou zavesenia sú prvky obmedzujúce
horizontálny pohyb nosiča, prípadne jeho naklopenie do strany pri nerovnomernom
zaťaţení. To vzniká hlavne pri akcelerácii a brzdení meraného vozidla na nosiči
bremena.
Obr. 2: Ukážka obmedzenia horizontálneho pohybu gumovými dorazmi [1]
Snímač
Slúţi na prevod mechanického zaťaţenia na elektrický signál. Najčastejšie
pouţívané sú tenzometrické snímače, ktoré môţu byť vyrábané pre zaťaţenie od 1kg
do 1000t
9
Obr. 3: Snímač rady VKN a jeho špeciálne uloženie.
Vyhodnocovacia jednotka
Má za úlohu správne previesť nameranú elektrickú veličinu na výstup- údaj
o hodnote zaťaţenia. U inteligentnejších systémov býva táto jednotka často prepojená
s počítačom a jeho softvérom pre účtovníctvo, prípadne s tlačiarňou.´
Obr. 4: Vyhodnocovacia jednotka DISOMAT B plus
10
Obr. 5: Typické usporiadanie systému cestnej váhy
Plošinové váhy
Predstavujú typ statických váh pouţívaný pre kompletné váţenie nákladného
auta/ súpravy v jednom cykle. Merané vozidlo musí zastaviť na plošine celé. Bývajú
často doplnené komunikačnými rozhraniami ako je informačný displej, semafory
a intercom s operátorom v riadiacej miestnosti.
Ich výhody sú hlavne:

vysoká presnosť

robustnosť

odolnosť voči preťaţeniu, prachu, vode

nízka závislosť na teplote okolia
11
Plošinové váhy sú vyrábané v dvoch vyhotoveniach- nadúrovňové a úrovňové.
Obr. 6: Plošinová váha Tamtron SCALEX 1001
Nadúrovňové prevedenie má svoju výhodu v rýchlejšej a finančne menej
náročnej výstavbe. Problémy nastávajú v tom, ţe celý systém tvorí prekáţku pre
ostatné vozidlá. Nie je preto moţné jeho bezproblémové umiestnenie napríklad
priamo na výjazdovú komunikáciu objektu. Rozmery plošinových váh sa pohybujú od
8x3m aţ po 22x3m. Ako európsky štandard sa povaţuje rozmer 18x3m. Váţivosť sa
pohybuje pri beţných pouţitiach od 30t do 60t. Pouţité snímače (4-10 kusov) majú
menovité zaťaţenia 22t aţ 47t, sú prepojené paralelne a v systéme teda tvoria jedno
spoločné váţiace pole. Z hľadiska údrţby je potrebné odstraňovať hrubé znečistenie
z meracej plošiny. Dochádza ním k zvyšovaniu takzvanej mŕtvej hmotnosti plošiny
a v krajných prípadoch môţe dôjsť k prekročeniu povoleného rozsahu nulovania
nezaťaţenej váhy. Ešte nebezpečnejšie je ale zanášanie obvodovej medzery medzi
nosičom (plošinou) a vaňou v ktorej je s meracím mechanizmom uloţená. Jej
zanesením môţe dôjsť k zmenšeniu potrebnej vôle pre váţenie, prípadne aţ
k zablokovaniu plošiny. Váha môţe následne vykazovať značnú chybu merania.
12
Obr. 7: Plošinová váha v nadúrovňovom prevedení s nájazdovou rampou a objektom
pre operátora merania.
Nevýhody plošinových váh sú hlavne veľké rozmery a hmotnosť, pretoţe váha
musí mať minimálnu dĺţku ako celá váţená automobilová súprava. Náročné je aj
zabudovanie do terénu, ak nejde o nadúrovňové prevedenie. To na druhú stranu
vyţaduje navyše nájazdovú a odjazdovú rampu.
13
1.2.2 Dynamické váhy
Tieto nové typy váh sa vyznačujú jednoduchou konštrukciou a neporovnateľne
menšími nárokmi na priestor. Merané vozidlo musí prejsť všetkými nápravami po
meracej plošine a systém sám vyhodnotí celkovú hmotnosť súpravy. Rozlišujeme
dynamické váhy pre zabudovanie do terénu a prenosné. Dynamické váhy si na
začiatku 90 rokov pre svoje výhody našli mnoho priaznivcov, ich pouţitie na
obchodné váţenie ale bolo v mnohých prípadoch v rozpore s platnou legislatívou.
Zosúladenie začalo aţ od roku 1996 prijímaním nových predpisov pre oblasť
obchodnej metrológie. Ich niţšia presnosť je niţšia ako u statických váh.
Trieda presnosti
Povolená chyba pri overovaní (%)
Povolená pracovná chyba (%)
0,2
0,1
0,2
0,5
0,25
0,5
1
0,5
1
2
1
2
Tab. 1: Triedy presnosti pre dynamické meranie [1]
Úrovňové dynamické váhy
Váţiace plošiny sú spravidla celistvé plochy s rozmermi 3x0,5m. Pri tomto
vyhotovení je nutná prísne vodorovná príjazdová a odjazdová časť, pretoţe aj menšie
nerovnosti spôsobia pri meraní za jazdy odchýlky.
Obr. 8: Úrovňová dynamická nápravová váha SCALEX DW600
14
Prenosné váhy
U tohto typu váh môţe byť hrúbka celej konštrukcie aj menej ako 20mm. Sú
vyuţívané na kontrolu prekročenia povolenej hmotnosti priamo na ceste (napríklad
PZSR) pri pouţití samostatnej meracej plošiny pre kaţdé koleso. Komunikácia plošín
môţe byť cez komunikačnú linku, alebo bezdrôtová.
Obr. 9: Prenosný systém váženia EVOCAR 2000
15
1.3 STANOVENIE POŽIADAVIEK
1.3.1 Poţiadavky na mechanickú časť
Pri návrhu mechanickej časti a jej dimenzovaniu som sa musel riadiť platnými
predpismi v EU, konkrétne smernicou Rady 96/53/ES z 25. júla 1996, ktorou sa v
spoločenstve stanovujú najväčšie prípustné rozmery niektorých vozidiel vo
vnútroštátnej a medzinárodnej cestnej doprave a maximálna povolená hmotnosť v
medzinárodnej cestnej doprave. Z povolených rozmerov a zaťaţení vyberám tie, ktoré
som pouţil pri mojom návrhu:
Pri určení poţiadavky na rozmery meracej plošiny som sa odvíjal od od
maximálnej dovolenej šírky automobilov, ktorá je 2,55m. Druhý parameter boli
pouţívané rozmery pneumatík, typy náprav a ich jednotlivé minimálne rázvory.
Maximálna šírka vozidla nebude nikdy presahovať 2,55m. Ako vzor klasického 3
nápravového návesu som si vybral od firmy R.CH. s.r.o. typ 24NNK/T. Je určený pre
zapojenie do jazdnej súpravy prepravujúcej drevnú hmotu v celých dĺţkach,
predovšetkým drevné výrezy od 2 m. Vyhovuje svojim 3 nápravovým podvozkom na
pneumatikách rozmeru 385 / 65 R22,5 ako predstaviteľ najčastejšie pouţívaných
podvozkov návesov (rovnakú šírku pneumatík pouţívajú aj najbeţnejšie návesy
značiek Koegel, MEGA, Fliegl...)
Obr. 10: Rozmery návesu Systém R.CH. 24NNK/T
16
Pre mňa slúţil hlavne ako zdroj rozmerov a rozmiestnenia styčnej plochy
pneumatiky, podľa ktorej som navrhoval rozmery váhy a algoritmus rozlišovania
prechodu jednotlivých náprav. Styčnú plochu som stanovil pod záťaţou na rozmer
385x300mm (šírka pneumatík x predpokladaná dĺţka dotykovej plochy pri zaťaţení).
Pri rázvore 1320mm mínus 2x 1/2 dĺţky styčnej plochy (2x 150mm)= 1020mm. Táto
hodnota nám vyjadruje nezaťaţenú plochu medzi nápravami. Dĺţka plošiny na
váţenie musí byť menšia, aby systém mohol oddeliť merania jednotlivých nápravách.
Po odčítaní vhodnej rezervy (iný rázvor náprav / nájazd nápravy pod uhlom iným ako
priamym) som stanovil dĺţku váţnej plošiny na 800mm.
Pre šírku plošiny som určil maximálnu šírku styčnej plochy zdvojenej nápravy
na pribliţne 700mm. Táto hodnota pozostávala z dvojnásobku najbeţnejšej
normovanej šírky pneumatiky na zdvojenej náprave ťahačov (Tatra 815-260S81,
Volvo FH13 a ďalšie: 315mm) a 70mm medzery medi kolesami. Istú rezervu nám
poskytuje aj skutočná šírka styčnej plochy pneumatiky, ktorá je v praxi o 5-10%
menšia ako normovaná. Šírku váţnej plošiny som si určil 1100mm.
Poţiadavky na rozsah meranej hmotnosti vychádzali zo smernice 96/53/ES,
v ktorej zjednodušene u tandemovej nápravy ak je jedna z nich hnacia a je zároveň
zdvojená, nesmie jej zaťaţenie presiahnuť 11,5 tony. Celková hmotnosť takejto
tandemovej súpravy nesmie presiahnuť 19 ton. Typickým predstaviteľom takto
konštrukcie vozidla je klasická Tatra 815 S3.
Obr. 11: Tatra 815 S3
17
Z týchto údajov vychádza maximálne zaťaţenie kaţdej strany zdvojenej
nápravy na 5750kg. Merací rozsah mojej váhy som si určil na 10000kg. Keďţe
meranie bude prebiehať dynamicky, rozhodol som sa túto hodnotu nastaviť
s dostatočnou rezervou oproti statickému namáhaniu Táto rezerva pri po vybratí
vhodných snímačov zabezpečí správne nameranie ich výstupu aj pri značne
nesúmernom zaťaţení nápravy a pohybe naštartovaného vozidla, ktoré spôsobí
vibrácie. Ak by snímač pri vibráciách prekročil svoju maximálnu merateľnú hodnotu,
spôsobilo by nám to nepresnosti vo vyhodnocovacom algoritme, ktorý bude počítať
skutočné zaťaţenie.
1.3.2 Poţiadavky na presnosť a funkcie
Navrhnuté zariadenie bude mať snímače RTN s presnosťou v triede C podľa
OMIL R60. Maximálny počet (n) overovacích dielikov (e) je stanovený na 3000, čo
pre náš rozsah snímača 10 000kg (Max) vychádza 3,3kg/dielik.
e=Max/n=10000/3000=3,3kg
Obr. 12: Graf znázorňujúci dovolenú odchýlku pre jednotlivé triedy presnosti [2]
18
Pre náš snímač je teda dovolená odchýlka 3,3kg*1,05= +/-3,456kg. Celková
presnosť dynamickej váhy bude ale niţšia, keďţe tu sú triedy presnosti stanovené
s odchýlkou 0,05-2%. Predpokladám ţe tieto hodnoty nebude jednoduché dosiahnuť
uţ zo samotného princípu dynamickej váhy- budeme sa musieť snaţiť čo
najúspešnejšie odfiltrovať vibrácie z nameraného signálu snímača a určiť skutočnú
hodnotu vibrujúceho predmetu (vozidla). Poţadovanú kalibračnú presnosť som si
preto určil na 0,5% rozsahu, čo je +/-50kg. Pre túto hodnotu by bola váha zaradená do
triedy presnosti 1 (1%). Zobrazovaný dielik váţenia som si určil na 50kg.
Funkcie, ktoré má váha podporovať:
Kontrola:

nesúmernosti zaťaţenia strán kaţdej nápravy

dodrţania maximálneho dovoleného zaťaţenia podľa normy EHK
Zobrazovanie

nameranej celkovej hmotnosti na externom aj internom displeji

textové pokyny pre vodiča na externom displeji

nameraných jednotlivých zaťaţení kolies na internom displeji

výstraha pri prekročených zaťaţeniach kolies
Nastavenie

kalibrácia nuly
19
2
NÁVRH KONŠTRUKČNÉHO RIEŠENIA
2.1 VÝBER SNÍMAČA
Váhu som navrhoval ako jednostranovú nápravovú meraciu plošinu, ktorá
bude určená pre zabudovanie do zeme. Pozostávať bude z nosníkmi spevnenej
meracej plošiny uloţenej na 4 tenzometrických snímačov RTN/10T/VPN [2] ktorých
parametre sú:

Nominálne zaťaţenie: 10 000kg

Bezpečné zaťaţenie: 17 000kg

Hraničné zaťaţenie: 40 000kg

Dovolené dynamické zaťaţenie (podľa DIN 50100): 7 000kg

Citlivosť: 2,85mV/V

Vstupné napätie do mostíka: 5-30V (max. 60V)

Pracovný teplotný rozsah: -30-+80C

Teplotná odolnosť: -50-+85C
20
Obr. 13: Model snímača RTN 10t
Obr. 14: Vnútorná schéma snímača [1]
21
2.2 NÁVRH KONŠTRUKCIE VÁHY
Konštrukciu meracej plošiny som navrhol v programe Catia pre beţnú oceľ
triedy 11373. Bezpečnostný koeficient som si stanovil 2 pre váhu 10 000kg, čo je vo
výsledku pribliţne 4 násobok skutočnej hmotnosti, aká sa na váţiacu plošinu dostane.
Pre takúto vysokú rezervu som sa rozhodol hlavne preto, ţe konštrukcia bude
namáhaná dynamicky. Maximálne dovolená medza sklzu pre túto oceľ je v tabuľkách
186-250MPa, v simuláciách som nastavil rozsah mierky do 100Mpa (koeficient
bezpečnosti) a konštrukciu som zaťaţoval váhou 10 000kg (dvojnásobok statického
zaťaţenia. Keďţe ide o dynamické meranie, istú rezervu som poţadoval aj pre
meranie preťaţených / nerovnomerne zaťaţených náprav- aspoň do 140% maximálnej
hmotnosti danej smernicou= 7000kg).
Obr. 15: Model plošiny nápravovej váhy
Urobil som aj simuláciu zaťaţenia tejto plošiny modelom kolesa zdvojenej
nápravy, ktoré pozostávalo z dvoch obdĺţnikov 200x250mm vzdialených od seba
150mm. Nastavená pôsobiaca sila bola 9810kg (F=m.g=10 000x9,81m/s2). Simuláciu
som urobil 2 krát- prvý so zaťaţením v strede plošiny a druhý v jej rohu. Musel som
mať overenú odolnosť a bezpečnosť konštrukcie aj ak vozidlo príde celou váhou
kolesa na okraj plošiny.
22
Obr. 16: Simulácia zaťaženia plošiny váhou 10 000kg v strede - horný pohľad
Obr. 17: Simulácia zaťaženia plošiny váhou 10 000kg v strede - dolný pohľad
23
Obr. 18: Simulácia zaťaženia plošiny váhou 10 000kg v rohu- uloženie snímača
Pre konštrukciu som pouţil krycí plech hrúbky 6mm, rovnako 6mm hrubé
vnútorné dolné výstuţe a krajné dolné výstuţe oceľ hrúbky 10mm. Z 10mm materiálu
je taktieţ lôţko pre kaţdý snímač. Spodná miska je vyrobená z 6mm hrubého
materiálu, pretoţe má hlavne ochrannú funkciu a funkciu zábrany proti vodorovnému
pohybu váţiacej plošiny. Medzi plošinou a miskou je dookola medzera 3mm, aby bol
zabezpečený voľný vertikálny pohyb a tým aj samotné meranie. Dovolený rozsah
vertikálneho pohybu pre pouţitý snímač je +/-6mm, takţe pri váţení sa dostaneme
maximálne na 50% jeho hodnoty. Nepresnosti vzniknuté trením bočnej hrany plošiny
a misky vyvolané prejazdom meraného automobilu sú zanedbateľné.
24
Obr. 19: Model spodnej misky váhy
Celá váha je určená pre zabudovanie do betónového základu. Pre jeho stavbu
odporúčam betón minimálnej triedy C20 s pevnosťou podľa STN EN 206 1-2002
minimálne 20N/mm2. Hrúbka základu pod spodnou časťou misky by mala byť určená
podľa podloţia, od 20mm (zarovnávací základ na pôvodný betónový podklad) aţ do
200mm (pri nespevnených podloţiach ako je hlina). U nespevnených podloţí je
vhodné zhutniť ich ešte pred betónovaním základov aby sme zamedzili ich
neskoršiemu klesaniu.
25
3
NÁVRH ELEKTRONIKY A ALGORITMU
MERANIA A VYHODNOCOVANIA
Táto časť práce obsahuje návrh elektroniky a postupu vyhodnocovania modelu
s rozsahom do 600kg/náprava. Okrem snímačov a pouţitej konštrukcie sú zvyšné časti
systému spolu s ovládacím programom priamo pouţiteľné aj pre realizáciu váhy pre
nákladné vozidlá s rozsahom uvedeným v kapitole 1.3 (do 11500kg/náprava). Návrh
rozdielnych častí je kompletne urobený v kapitole 2.
3.1 POPIS SNÍMAČOV
Pre model dynamickej váhy som pouţil nešpecifikované tenzometrické snímače
z osobnej váhy, ktorých merateľné zaťaţenie rozsah je 150kg. Rozhodnutie pouţiť tieto
prvky jednak ušetrilo cenu za model (cena navrhnutých snímačov pre skutočné
zariadenie je asi 200EUR/kus) a taktieţ boli zaujímavé z hľadiska stanovovania
parametrov neznámeho snímača.
Obr. 20: Použitý tenzometrický snímač
26
Rozborom odporovej vrstvy cez digitálny mikroskop (200x) som určil presnú
funkčnosť snímača, hlavne správny spôsob jeho zaťaţovania a zapojenia výstupov.
Systém pozostáva z 2 sériovo zapojených odporových polí. Hodnota kaţdého z nich je
v pokoji 1000ohm, pričom citlivosť (zmena) je pribliţne 1ohm/10kg.
Obr. 21: Použitý tenzometrický snímač - detail
Charakteristiku snímača nebolo moţné odmerať ani ako odporovú, ani pomocou
samotného mostíkového zapojenia (bola by príliš nepresná pre nízku citlivosť). Odmeral
som ju teda aţ na výstupe ďalšieho bloku- precíznych prístrojových operačných
zosilňovačov INA126.
Pouţité tenzometrické snímače vykazovali pri meraní pribliţne lineárnu
charakteristiku. Mierne linearizované sú na Obr. 32. Odlišný priebeh snímača sn4 je
spôsobený jeho konštrukčnou nepresnosťou- odlišnosťou v hrúbke/zloţení materiálu/jeho
tepelnom spracovaní. Následne snímač reaguje na pôsobiacu silu menšou výchylkou
a teda aj menším predĺţením odporových polí a zmenou ich hodnoty odporu. Výstupným
prejavom je nameraná plochejšia charakteristika. Týmto meraním som si taktieţ potvrdil,
ţe v prípade pouţitia viacerých lacnejších tenzometrov je nutná ich osobitná kalibrácia.
U typov certifikovaných pre obchodné váţenie majú byť charakteristiky pribliţne
rovnaké, alebo u citlivejších sa dodáva jedinečný typový list s odmeranými parametrami
z výstupnej kontroly.
27
Obr. 22: Linearizovaná harakteristika použitých tenzometrických snímačov
3.2 SPRACOVANIE VÝSTUPU SNÍMAČOV A FILTRÁCIA
Snímače sú zapojené do mostíkov, ktorých napájanie je určené zenerovými
diódami na hodnotu 10,2V. Odoberané je z kladnej vetvy symetrického napájacieho
zdroja.
Obr. 23: Zapojenie tenzometrických snímačov
28
Výstupný napäťový signál z mostíkov som viedol do pouţitých precíznych
prístrojových operačných zosilňovačov INA126. Jednu časť pre diferenčný vstup majú
všetky operačné zosilňovače privedený zo spoločnej deličky. Týmto zapojením som
obmedzil problémy s odlišnosťami jednotlivých mostíkov spôsobenými nepresnosťou
súčiastok.
Precízne operačné zosilňovače INA126 som sa rozhodol pouţiť pre tieto výhody:
•
•
•
•
•
•
Nastavenie zosilnenia len 1 externým rezistorom (Rg na Obr.26)
Zosilnenie 5-10000x
Vstupné napätie od -0,7V do +0,7V, diferenčný zosilňovač
Interná ochrana zenerovými diódami na vstupe
Pracovná teplota -55 do 125C
Symetrické napájanie +/- 15V (moţnosť zosilniť aj záporný signál)
Obr. 24: Vnútorné zapojenie použitých operačných zosilňovačov INA126 [4]
29
Pre napájanie zosilňovačov je pouţité symetrické napätie (+/- 15V) stabilizované
pomocou stabilizátorov 7815 (pre kladnú vetvu) a 7915 (pre zápornú vetvu). Samotné
zapojenie vstupného obvodu kaţdého snímača je na Obr.: 25
Obr. 25: Zapojenie vstupných obvodov snímača –INA126
Filtrácia funkčného signálu je riešená cez výstupné RC filtre tvorené súčiastkami
R6, C4, R7 a C5. Pre ochranu vstupného portu mikropočítača ATmega64 som pouţil na
výstupe operačného zosilňovača zenerovú diódu pre napätie 4,7V. Tá chráni port pred
zničením napríklad v prípade prekmitu, alebo poškodenia snímača/vedenia. Ak by došlo
k výpadku jednej z vetiev diferenciálneho vstupu OZ, na jeho výstupe sa objaví takmer
plné napájacie napätie (+ alebo – 15V). Ochrana vstupu OZ je uţ riešená internou
zenerovou diódou.
30
3.3 POPIS VYHODNOCOVANIA
Pre spracovanie a vyhodnocovanie signálu som pouţil mikropočítač ATmega64.
Jeho hlavnými charakteristikami sú:
•
•
•
•
64kB Flash pamäť
4 vstupno-výstupné porty
8 kanálový 10 bitový ADC prevodník
6 vstupno-výstupných portov
K mikropočítaču sú pripojené displeje:
1. 4x20 znakový podsvietený maticový displej pre komunikáciu s operátorom
2. 5x 7 segmentové LED prvky- na zobrazenie hmotnosti pre vodiča
3. 10x 14 segmentové LED prvky- zobrazenie textu (upozornenia) pre vodiča
Obr. 26: Zapojenie displejov a mikrospínačov k mikropočítaču ATmega64
Všetky segmentové prvky sú spínané samostatne cez anódy na zem. Takto
potrebujeme pre spínanie 7-segmentoviek 2 porty (prvý pre spínanie celých
31
segmentoviek cez anódy, druhý pre spínanie konkrétnych segmentov cez katódy). Spolu
všetky displeje vyuţijú 5 portov. Na ovládanie systému operátorom sú pouţité 4
mikrospínače.
3.3.1 Kalibrácia na nulu
Zhotovený model váhy sa po zapnutí automaticky nakalibruje na nulovú hmotnosť.
Celý proces pozostáva z:
- načítania 200 aktuálnych hodnôt pre kaţdý snímač v cykle for s oneskorením 10ms
- určenia priemernej hodnoty, ktorá je ďalej pouţívaná ako kalibračná konštanta
Výpis z programu:
void kalibracia(void)
{
#asm("sei")
lcd_clear();
lcd_putsf("Kalibracia");
vahaCP=0;
vahaCL=0;
vahaCZ=0;
vahaCX=0;
vahaCAL=0;
vahaCAP=0;
vahaCAZ=0;
vahaCAX=0;
for(i=0;i<200;i++)
{
vahaP=adc_data[0];
vahaL=adc_data[1];
vahaZ=adc_data[2];
vahaX=adc_data[3];
vahaCP+=vahaP;
vahaCL+=vahaL;
vahaCZ+=vahaZ;
vahaCX+=vahaX;
delay_ms(10);
}
vahaCAL=vahaCL/200;
vahaCAP=vahaCP/200;
vahaCAZ=vahaCZ/200;
vahaCAX=vahaCX/200;
priemerOK=0;
i=0;
//funkcia kalibrácie
//vyčistenie displeja
//upozornenia o prebiehajúcej kalibrácii
//nulovanie pomocných zásobníkov
//nulovanie
korekčných hodnôt
//cyklus kalibrácie
//načítavanie hodnôt zo snímačov
//pričítanie hodnôt k zásobníkom
//výpočet korekčných hodnôt
//nastavenie pomocných premenných
}
32
3.3.2 Vyhodnotenie začiatku/konca merania
Keď vozidlo prechádza meracou plošinou, je nevyhnutné správne vyhodnotiť
začiatok a koniec moţnosti vyhodnocovania. Pre túto funkciu som si vytvoril môj vlastný
„Systém meracieho štvorca“ (Obr. 28). Ten hovorí o tom, ţe ak umiestnime snímače
(6) od začiatku a konca meracej plošiny vo vzdialenosti minimálne ½ dĺţky styčnej
plochy najväčšej pneumatiky (5), môţeme systém meracieho štvorca pouţiť. Jeho zápis
do vyhodnocovacieho programu bude spočívať v podmienke, ktorá vyhodnocovanie
spustí len v prípade prekročenia minimálneho zaťaţenia kaţdého snímača:
PLATNÉ MERANIE len ak Snímač 1 > minimálne zaťaženie a súčasne
Snímač 2 > minimálne zaťaženie a súčasne
Snímač 3 > minimálne zaťaženie a súčasne
Snímač 4 > minimálne zaťaženie.
inak NEPLATNÉ MERANIE.
Minimálne zaťaženie - predstavuje minimálne zaťaţenie kaţdého jedného snímača (6)
potrebné na aktiváciu vyhodnocovania celkového zaťaţenia. Jej hodnotu dáme pribliţne
na 5-10% celkovej dovolenej minimálnej hmotnosti, ktorú naša váha meria. U mojej
váhy som túto hodnotu nastavil na 2kg (=minimálna hmotnosť merania cca 40kg).
Výpis z programu:
if
((vahaCAL1<10)||(vahaCAL2<10)||(vahaCAL3<10)||(vahaCAL4<10))
{meranieOK=0;}
else
{ meranieOK=1;};
vahaCAL1 aţ 4 – hodnoty zaťaţenia jednotlivých snímačov prepočítané na kilogramy
meranieOK=0 – vyhodnotenie neplatnosti merania. Systém čaká na splnenie
podmienky.
meranieOK=1 – vyhodnotenie platnosti merania. Systém začne zapisovať súčet
zaťaţenia snímačov do údajového poľa a následne z neho vypočíta
priemer.
33
Pri zjazde kolesa z meracej plošiny (2) sa rovnakým spôsobom ako pri nájazde vyhodnotí
opustenie meracieho štvorca (7) a zápis do údajového poľa sa skončí.
Popis systému meracieho štvorca:
Obr. 27: Systém meracieho štvorca
1- nájazdová plošina
2- meracia plošina
3- odjazdová plošina
4- ťaţisko zaťaţenia kolesom, priebeh jeho pohybu a bod v ktorom sa začne
vyhodnocovať celkové zaťaţenie (ťaţisko v oblasti meracieho štvorca).
5- styčná plocha pneumatiky pri začiatku vyhodnocovania celkového zaťaţenia
plošiny
6- snímač
7- merací štvorec
34
Uvedený Systém meracieho štvorca som vytvoril sám, nezávisle na pouţitých systémoch
vyhodnocovania v komerčných dynamických nápravových váhach. K tým som nemal
prístup pretoţe ide o neverejné informácie výrobcov. Je ale moţné, ţe viacero
komerčných zariadení bez externého snímania pohybu kolesa ho v nejakej forme
vyuţíva.
3.3.3 Vyhodnocovanie hmotnosti
Pre vyhodnocovanie hmotnosti som si podľa merania charakteristík určil prevodné
vzorce, ktorými dokáţem z jednotlivých snímačov určiť priamo zaťaţenie v kg. Kaţdú
hodnotu som ale najprv vynásobil číslom 100, pretoţe nemôţeme pracovať s desatinnými
číslami.
Výpis z programu:
void meranie(void)
{
vahaP=adc_data[0];
vahaL=adc_data[1];
vahaZ=adc_data[2];
vahaX=adc_data[3];
//načítanie vstupov z AD prevodníkov mikropočítača
vahaL=vahaL-vahaCAL;
vahaP=vahaP-vahaCAP;
vahaZ=vahaZ-vahaCAZ;
vahaX=vahaX-vahaCAX;
//odpočet kalibračných konštánt
vahaCAL1=100*vahaL/440;
vahaCAL2=100*vahaX/365;
vahaCAL3=100*vahaZ/325;
vahaCAL4=100*vahaP/220;
//vaha 1. snímača prevedená na kg
//vaha 2. snímača prevedená na kg
//vaha 3. snímača prevedená na kg
//vaha 4. snímača prevedená na kg
vahaSPOLU=vahaCAL1+vahaCAL2+vahaCAL3+vahaCAL4; //celková váha
}
vahaSPOLU- celkové zaťaţenie plošiny v kg
vahaL/X/Z/P- namerané hodnoty zaťaţenia vstupnými AD prevodníkmi
V uvedenom programe je pouţité jednoduché vyhodnocovanie s predpokladom
lineárnosti charakteristiky snímačov. Aj keď samotná presnosť vypísanej hodnoty na
modeli nebola najdôleţitejšia, zaoberal som sa aj formami presnejšieho popisu
35
nelineárnych charakteristík. Riešenie je program Excel, ktorý dokáţe vytvoriť nielen
lineárnu funkciu, ale aj polynomický vzorec x-tého rádu priamo z nameranej
charakteristiky. Na obr.28 môţeme vidieť práve vyuţitie takejto funkcie pri návrhu
polynomických vzorcov 2. rádu pre moje snímače.
Obr. 28: Vytvorenie polynomických funkcií z nameraných vzoriek v programe Excel
3.3.4 Vyhodnocovanie rozloţenia nákladu
Rozloţenie nákladu je v programe vyhodnocované tak, ţe sa jednotlivé merania
z ľavej a pravej strany porovnávajú. Upozornenie nastane, ak je v rámci 1 nápravy
zaťaţenie kolies rozdielne o viac ako 15%.
3.3.5 Vyhodnocovanie splnenia poţiadaviek smernice 96/53/ES
Zaťaţenie náprav je vyhodnocované s ohľadom na poţiadavku Európskej Smernice
96/53 [2]. Tá hovorí, ţe maximálne dovolené zaťaţenie nápravy je 11500kg. Pri
prekročení tejto hodnoty sú vodič a operátor upozornení.
36
3.3.6 Vyhodnocovanie celkovej hmotnosti
Na konci merania je urobený súčet všetkých zaťaţení náprav.
Výpis z programu:
if ((i<20)&&(i>0)) {vypis_chyba(); naprava=0; timeout2=timeout; napravy_hmotnost=0;}
if (i>=20)
{naprava++; napravy_hmotnost=napravy_hmotnost+priemerOK; delay_ms(500); i=0;
timeout2=timeout;}
i – počet platných meracích vzorkov
napravy_hmotnost - zásobník, kde sa pripočítavajú platné merania
priemerOK – výsledok platného merania 1 kolesa
Prvá podmienka má na starosti vyhodnotiť neplatné merania – do 20 vzorkov.
Takéto pole nám nedokáţe podať presnú informáciu o zaťaţení meraného kolesa
a zároveň hovorí o rýchlom prejazde kolesa. Výsledkom je vypísanie chyby, vynulovanie
počtu náprav a tieţ zásobníka doteraz nameraných hodnôt. V prípade takejto chyby nemá
zmysel pokračovať v meraní, pretoţe 1 náprava je uţ stratená. Systém si teda cez displej
vyţiada nové meranie kompletnej súpravy.
Druhá podmienka je určená pre platné merania od 20 vzorkov- systém zvýši
počítadlo počtu náprav, pripočíta hmotnosť k zásobníku a vytvorí oneskorenie 500ms,
ktoré slúţi na oddelenie jednotlivých náprav. Je to aj istá forma ochrany ak by bolo auto
zaťaţené tak, ţe by sa zachytávače nečistôt (zásterky) dotýkali zeme (meracej plošiny).
Vtedy by mohli aktivovať váhu po skončení merania a keďţe by išlo o menej ako 20
vzorkov, celé meranie by bolo stratené. Samotná deaktivácia (koniec merania 1 kolesa)
nastane určite, pretoţe pri schádzaní kolesa z meracej plošiny sa vďaka snímačom
umiestneným v určitej vzdialenosti od konca plošiny protiľahlé snímače odľahčia. Takto
zásterky určite samotné meranie kolesa nepredĺţia a ďalšiou ochranou pred spustením je
minimálne zaťaţenie kaţdého snímača. Jediné čo musíme zabezpečiť je správne
uchytenie meracej plošiny, aby sa nevyklopila pri nájazde/odjazde.
37
4
OVERENIE NA VIRTUÁLNOM MODELI
Pre toto overenie som podľa inštrukcií mal pripraviť virtuálny model v programe
Excel, kde je moţné manuálne zadať všetky vstupy do systému a uţívateľ uvidí
správanie sa jednotlivých výstupných komponentov. Systém rozpoznáva koľko náprav sa
meria, pričom po skončení merania berie do výpočtov len ich zaťaţenia. Ich súčet
vypisuje na displeji. Ďalej vyhodnocuje nerovnomernosť zaťaţenia kaţdej z náprav
a následne vypíše najvyššiu hodnotu. Všetky vyhodnocovania a výpočty sú riešené cez
funkcie a vzorce programu Excel.
Obr. 29: Simulácia práce váhy a vyhodnocovania v programe Excel
38
5 REALIZÁCIA MECHANICKEJ ČASTI
Model dynamickej váhy som sa rozhodol zostrojiť pre rozsah do 300kg/koleso,
z materiálu MDF (stredne tvrdá drevovláknitá doska). Konštrukcia pozostáva z:
1. Podkladová doska- slúţi na vyrovnanie povrchu pre snímače a zároveň spája
ďalšie časti
2. Nájazdová a zjazdová plošina (30 x 35cm- sú určené na vedenie vozidla v 1
horizontálnej rovine pred, počas a po meraní. Len pri správnom vedení kolesa
môţeme zo snímačov odčítať správne hodnoty.
3. Snímače (4 kusy) a oceľovým plátom vystuţená meracia plošina (30 x 30cm) na
obr. 32.
Obr. 30:Meracia plošina, výstuha, snímače- pohľad zdola
39
Obr. 31: Kompletný model váhy s nájazdovou a zjazdovou plošinou
Jednotlivé časti boli spojené univerzálnym silikónom pričom na podkladovú dosku
som podľa potreby umiestnil dištančné podloţky. Tým som docielil vyrovnanie výšky
všetkých 3 častí váhy. Odolnosť voči vertikálnemu posunu som zabezpečil presným
vyhotovením a medzerami medzi plošinami so šírkou 0,8mm.
5.1
REALIZÁCIA ELEKTRONICKEJ ČASTI
Elektronickú časť modelu váhy som realizoval na testovacích poliach, pretoţe som
potreboval počas merania skúšať rôzne druhy filtrácií a hodnoty filtračných prvkov.
Obr. 32: Testovacie zapojenie riadiaceho mikropočítača a výstupných displejov
40
Pre pripojenie mikropočítača ku kontaktnému poľu s roztečou 2,54mm som si
musel vytvoriť redukciu (Obr. 33). Návrh DPS je uvedený v (Príloha 1).
Obr. 333: Navrhnutá redukcia pre AT Mega 64
Pre časť úpravy signálu som sa z dôvodu obmedzenia rušení a prechodových
odporov rozhodol kontaktné pole nepouţiť a vytvoril som zapojenie na univerzálnej
predvŕtanej DPS. Rozhodol som sa tak po tom, ako nastalo zničenie portu mikropočítača
operačným zosilňovačom. Ten vyslal maximálny impulz (15V) po narušení mostíka na
kontaktnom poli a následnom zvýšení diferenčného napätia na jeho vstupe. Ďalším
vylepšením bolo zavedenie ochrany- zenerových diód 4V1 na výstupy OZ.
Obr. 34:Zapojenie vstupných obvodov snímača –4xINA126
41
5.2
TESTOVANIE
Prvú časť testovania som robil meraním cez osciloskop. Vyhodnocoval som
rušenia a reakciu vstupných obvodov na zaťaţenie. Na obr. 35 je merané rušenie výstupu
zosilňovačov INA126 bez zaťaţenia plošiny, ktoré bolo 12mV. Na obr. 36 je reakcia
systému na zaťaţenie meracej plošiny.
Obr. 35:Rušenie na výstupe operačných zosilňovačov
Obr. 36:Priebeh testovania reakcie systému na zaťaženie a odľahčenie plošiny
42
Testovanie modelu som robil na osobnom automobile Škoda Felícia, ktorý svojou
hmotnosťou spĺňal poţiadavku na rozsah. Meranie prebiehalo na zadnej náprave,
protiľahlé koleso bolo zdvihnuté na rovnakú výšku. Predná časť bola niţšie, ale to okrem
zmeny ťaţiska nemal vplyv a samotné meranie + vyhodnocovanie viacnápravového
merania boli otestované dostatočne. Popísaný priebeh je výsledkom viacdňového
dolaďovania programu priamo počas testovania.
Obr. 37: Testovanie modelu na vozidle Škoda Felícia
Priebeh:
Po zapnutí zariadenia nastáva proces kalibrácie prázdnej váhy, uţívateľ je na to
upozornený.
Obr. 38: Výpis 1
43
Ďalší krok je poučenie uţívateľa o nutných podmienkach merania, ktoré stoja
hlavne na prejazdovej rýchlosti. Všeobecne bola váha nastavená na merania s dĺţkou
minimálne 0,2 sekundy- vtedy nastalo prekročenie potrebného počtu vzoriek. Po
prepočte to vychádza na maximálnu rýchlosť 3,6km/h. Výpis na displej som ale dal na
hodnotu pre navrhnutú plošinu nákladných súprav- tam je väčšia, takţe by bolo meranie
prijaté aj pri vyššej rýchlosti. Obmedzenie minimálnej rýchlosti nie je veľmi dôleţité,
jeho význam je hlavne v zachovaní plynulosti váţenia a v neprekročení časovača medzi
jednotlivými nápravami (cca 12 sekúnd). V prepočte to vychádza na maximálnu
vzdialenosť medi nápravami 10 metrov.
Obr. 39: Výpis 2- upozornenie
Nasleduje základná obrazovka merania, kde je v hornej časti odpočet váţenia
medzi nápravami. Jeho spustenie je podmienené príchodom vozidla na váhu a po kaţdej
náprave sa resetuje.
Obr. 40: Výpis 3- zariadenie pripravené na meranie
44
Ukáţka po odmeraní 4 náprav
Obr. 41:Výpis 4- priebeh merania
Obr. 42:Výpis 5- výsledok merania
Pri príliš krátkom meraní (testované buchnutím na stred meracej plošiny) sa
vypísalo upozornenie a meranie sa resetovalo.
Obr. 43: Výpis 6- výpis chyby
45
5.3
ZHODNOTENIE VÝSLEDKOV TESTOV
Po konečnom odladení váha funguje presne a spoľahlivo. Presnosť som vyhodnotil
testami s viacerými prejazdmi a skúmaním vyhodnotenej odchýlky. Pri porovnaní
priemeru 4-prejazdového merania a samotného prejazdu bola odchýlka pribliţne 2%
(menej ako 5kg), na čo mal ale vplyv aj spôsob merania, pri ktorom sa podľa smeru
prejazdu menilo zaťaţenie nápravy (tlačenie vozidla). Z porovnania 4 a 6 prejazdového
merania vychádza odchýlka len na 0,05kg, čo je naozaj minimum. Tým je overená
bezchybnosť viacnápravových meraní. Chyba nameranej hodnoty oproti skutočnému
stavu tu ale určite bola. Jej dôvod je, ţe v čase návrhu programu som nemal k dispozícii
presné charakteristiky snímačov, respektíve ani techniku na ich vytvorenie. Nameraná
hmotnosť (179kg/zadné koleso) bola pre testované vozidlo (Škoda Felícia) pribliţne
správna, keďţe bolo ešte mierne posunuté ťaţisko dopredu. V prípade skutočného
nasadenia váhy by sme sa presnosťou vyhodnocovania zaoberali určite viac, v našom
prípade bolo ale dôleţité navrhnúť spoľahlivý a presný celkový proces dynamického
merania. Samotná kalibrácia spočíva uţ len v prepísaní vzorcov pre snímače.
46
6 ZÁVER
Dynamické váţenie vozidiel má pred sebou veľké vyuţitie v budúcnosti. V tejto
práci bol popísaný základ- navrhnutie takejto váhy a jej vyhodnocovacieho procesu. Na
uţívateľovi a forme vyuţitia záleţí aké prvky budú zapojené v systéme, napríkladzabudovanie pred mostnú konštrukciu s následným presmerovaním ťaţkých nákladov
cez svetelnú signalizáciu na inú trasu, zabudovanie do vozovky spolu so statickým
kamerovým systémom pre 24 hodinovú kontrolu dodrţiavania maximálnej váhy
prechádzajúcich vozidiel, spojenie s účtovným programom pri predaji sypkých
materiálov a iné. Dôleţité je ale zabezpečiť dodrţanie predpísaných podmienok meraniavodorovná plocha a konštantná rýchlosť bez akcelerácie a brzdenia. Následne sa môţeme
na výsledky merania spoľahnúť.
Relevantnosť takéhoto váţenia bola potvrdená aj prijatím legislatívy pre obchodné
váţenie, ktorá tento typ váh schvaľuje do praxe aj na Slovensku. Vhodnosť ich vyuţitia
sa bude v niektorých oblastiach dopĺňať so statickými váhami, v iných im budú čoraz
častejšie konkurovať.
47
Zoznam pouţitej literatúry
[1] Prùmyslová váţící technika 1-4 (Ing. Michal Mikulec, CSc., 2000)
[2] eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:31996L0053:SK:HTML
[3] RTN Load Cells Datasheet (Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 2008)
[4] INA126 Datasheet (Burr Brown, 1997)
ATmega64 Datasheet (Atmel, rev. 2011)
LM78XX Datasheet (Fairchild Semiconductors Corporation, 2001)
LM79XX Datasheet (Fairchild Semiconductors Corporation, 2001)
LCD 4x20 BC2004A Datasheet (Bolymin, 2008)
Atmel AVR: Programování v jazyce C (Vladimír Váňa, 2003)
CAD-Úvod do povrchového modelovania – CATIA V5 (Michal Fabian, 2009)
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, ţe som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným
vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Jozefa Sedláka a pouţíval som len
literatúru/zdroje uvedené v práci.
Súhlasím so zapoţičiavaním diplomovej práce.
____________________
V Ţiline dňa 2. 5. 2011
podpis
Poďakovanie
Ďakujem môjmu vedúcemu práce, Ing. Jozefovi Sedlákovi., za cenné rady, podnety
a materiály ktoré mi poskytoval počas celej tvorby tejto práce. Taktieţ ďakujem súrodencom
Jozefovi za školenia práce v konštrukčnom návrhovom systéme CATIA a Štefanovi za cenné
rady z oblasti programovania priemyselných aplikácii.
Ţilinská univerzita v Ţiline
Elektrotechnická fakulta
Katedra mechatroniky a elektroniky
INTELIGENTNÁ DYNAMICKÁ
NÁPRAVOVÁ VÁHA
Prílohová časť
2011
Bc. Ondrej Jantolák
Príloha 1: Návrh DPS pre redukciu ATmega64
Download

inteligentná dynamická nápravová váha - KME