CC BY
57
МОРСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 629.12.037
М. Н. Покусаев, В. А. Юницкий Астраханский государственный технический университет
ТЕНЗОМЕТРИРОВАНИЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ БЕСПРОВОДНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ
Современное измерительное оборудование - это прежде всего точные, быстро устанавливаемые датчики и недорогие измерительные системы, состоящие из минимума соединяемых блоков и позволяющие упростить техническое обслуживание контролируемого объекта. На судах развертывание такой системы, с минимальным количеством быстро устанавливаемых блоков, при минимальной стоимости, есть именно то, что требуется в данный момент российскому флоту. Основой всех измерительных систем является измерительный преобразователь, или датчик. Именно с него начинают поступать данные измерения, отчасти именно от него зависит эффективность работы всей измерительной системы в целом.
Опыт торсиографирования большого числа судов с использованием современного оборудования в испытательном центре «Marine Technology Service» Астраханского государственного технического университета показал необходимость применения именно беспроводных датчиков в измерительных системах на судах в связи с простотой их установки и обслуживания.
Вследствие этого была поставлена цель - разработать беспроводной датчик для системы контроля крутильных колебаний на судах, превосходящий по своим характеристикам обычные датчики, и тем самым снизить затраты на саму измерительную систему в целом.
Сейчас на рынке измерительного оборудования существует ряд беспроводных датчиков, но они не адаптированы к объекту исследования и самой среде измерения в целом. Тем более нет беспроводных датчиков, устанавливаемых непосредственно на сам объект исследования - валопровод ДВС.
Основой датчика является микроконтроллер, содержащий в себе функции Bluetooth-интерфейса, инструментальный усилитель для тензомоста, радиомодуль и антенный усилитель (рис. 1). Помимо этого датчик содержит в себе литиево-ионную батарею.
Рис. 1. Функциональная схема датчика
Деформация, снимаемая с вала, тензомостом преобразуется в электрический сигнал, который усиливается дифференциальным усилителем 1 и нормируется усилителем 2 до нужного значения, фильтруется фильтром 3 и передается на аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера, кодируется, составляется нужный протокол передачи. Далее цифровой сигнал поступает в радиомодуль, после усиливается усилителем 4 и передается на компьютер.
Для данного вида беспроводного датчика был выбран Bluetooth-интерфейс как готовая сеть для передачи данных измерения. Спецификация Bluetooth описывает пакетный способ передачи информации с временным мультиплексированием [1]. Радиообмен происходит в полосе частот 2 400-2 483,5 МГц ISM-диапазона. В радиотракте применен метод расширения спектра посредством частотных скачков и двухуровневая частотная модуляция с фильтром Гаусса (binary Gaussian Frequency Shift Keying).
Метод частотных скачков подразумевает, что вся отведенная для передачи полоса частот подразделяется на определенное количество подканалов шириной 1 МГц каждый. Канал представляет собой псевдослучайную последовательность скачков по 79 или 23 радиочастотным подканалам. Каждый канал делится на временные сегменты продолжительностью 625 мкс, причем каждому сегменту соответствует определенный подканал. Эти скачки происходят синхронно в передатчике и приемнике в заранее зафиксированной псевдослучайной последовательности. За секунду может происходить до 1 600 частотных скачков. Такой метод обеспечивает конфиденциальность и некоторую помехозащищенность передач. Помехозащищенность обеспечивается тем, что если на каком-либо подканале передаваемый пакет не смог быть принят, то приемник сообщает об этом, и передача пакета повторяется на одном из следующих подканалов, уже на другой частоте.
Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал данных, до трех синхронных (с постоянной скоростью) каналов для передачи аналогового сигнала или канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей аналогового сигнала. Скорость каждого аналогового канала - 64 Кбит/с в каждом направлении, асинхронного в асимметричном режиме - до 723,2 Кбит/с в прямом и 57,6 Кбит/с в обратном направлениях или до 433,9 Кбит/с в каждом направлении в симметричном режиме [2, 3].
Одной из областей применения такого датчика является торсиографирование дизелей судовых машинно-двигательных комплексов. Датчик, по сравнению с измерительной системой для тензометрирования Astech Electronics, является более функциональным, область его применения гораздо шире. Например, для того чтобы проводить высокоточные измерения, а также диагностирование, достаточно одного датчика и портативного компьютера.
Внешний вид датчика в составе испытательного стенда представлен на рис. 2: І - датчик, установленный на маховик; 2 - тензомост, наклеенный на исследуемый вал. Были проведены испытания данного датчика и его программного обеспечения, что позволило настроить сам датчик и откорректировать алгоритмы программы.
Рис. 2. Датчик крутильных колебаний в составе испытательного стенда
Для проведения измерений также было разработано специализированное программное обеспечение. В нем было реализовано множество современных алгоритмов цифровой фильтрации сигнала. Это позволило улучшить характеристики датчика, отфильтровывая ненужные составляющие. Адаптивная фильтрация и алгоритм частотной селекции позволили более точно диагностировать и определять критические частоты крутильных колебаний. Основным видом визуализации данных измерения является прежде всего тензограмма во временной области, спектрограмма и сонограмма в частотной. Основываясь на данных, получаемых с датчика, программа позволяет также проводить измерение мощности двигателя и удельного расхода топлива, что визуализируется в виде дополнительных кривых в отдельных окнах программы (рис. 3).
Эффективность работы этой измерительной системы в целом зависит не только от качественного программного обеспечения, но и от конструктивных особенностей датчика. Дальнейшим развитием датчика является встраивание микросхемы памяти для введения внутреннего журнала измерения, т. е. превращения датчика в интеллектуальное устройство, способное работать независимо от всей измерительной системы в целом.
♦« SHIP MONITOR V 1.0
l|g Eg gMMMMj glSlffil ggl^tl Wo.k.ime(Seo): Real И 9:34:57
ф Power of Engine 1 / Engine 2 - т Щ Ш Spectrum analysis of Engine 1
iW Spectrum analysis of Engine 2 Q0Q
-iJ Center. Hz 0 3392 6795 10177 13569 16962
|Monitoring ON |0 |0 | | f
Рис. 3. Программное обеспечение для торсиографирования и анализа полученных данных
В настоящее время Bluetooth - это быстро развивающаяся технология. Ее применение в области измерительных устройств вполне оправдано, т. к. для датчиков беспроводное соединение - это фактически дополнительная и очень важная функция, позволяющая расширить область их применения. Наиболее важна эта функция для датчиков, располагающихся в труднодоступных, опасных местах. Простое и прямое непосредственное сопряжение датчиков, снабженных интерфейсом Bluetooth, с компьютером, без посредников (не нужны более никакие дополнительные устройства, кроме самого датчика, Bluetooth-адаптера и компьютера) делает их очень компактными и универсальными устройствами, на базе которых можно строить большие компактные измерительные системы и комплексы.
По данным специалистов компании B&B Electronics and Sensicast Systems, более 53 % промышленных предприятий рассматривают вопрос о внедрении сетей беспроводных датчиков в течение ближайших лет. Для сравнения: в январе 2005 г. этот показатель был ниже 45 %. Интерес к беспроводным датчикам как к средству дистанционного контроля также возрос с 64 до 73 % [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мейтин М. Bluetooth: устройства все стран, соединяйтесь // Электронника: наука, технология, бизнес. -2000. - № 5.
2. Specification of the Bluetooth System. Core. - Bluetooth Specification Version 1.0 B. - Vol. 1.
3. Specification of the Bluetooth System. Profiles. - Bluetooth Specification Version 1.0 B. - Vol. 2.
4. www.nag.ru.
Получено 19.12.2006
TENSOMETERING WITH THE USAGE OF THE WIRELESS INTERFACES
M. N. Pokusaev, V. A. Junitskyi
The article speaks about the matter of developing the wireless sensors for the torsional oscillation control system at the vessels, shifting simple sensors with their characteristics. It also verifies the importance of these sensors while using them at the monitoring systems to increase the technical health of the engine. The article also speaks about the developed software for analizing and monitoring the tensometering data and the importance of the usage of these sensors from the view point of their capacity and economic benefit.
