CC BY
0Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 59
www.mai.ru/science/trudy/
УДК 629.735.33
ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗОВАННОГО СТЕНДА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДАТЧИКОВ
Захарян Р. Р., Мологорский А. А.
Аннотация
Целью данного исследования является разработка и испытания автоматизированного стенда для исследования показаний с датчиков (в конкретном случае датчиков воздушного давления) при помощи персонального компьютера. На практике прототип такого программно-аппаратного комплекса можно использовать для автоматизированных испытаний нескольких датчиков с последующим проведением компьютерного анализа результатов.
Ключевые слова
стенд, датчик, автоматизация, структура пакетов.
Статья посвящена актуальной проблеме разработки и создания стенда для проведения экспериментальных исследований датчиков давления. Результат подобных исследований интересен как для направления исследований любых датчиков давления, так и для учебного лабораторного процесса И в том, и в другом случае речь идет о моделировании процессов, происходящих одновременно с несколькими датчиками в реальной среде. Тем более в автоматизированных испытаниях с подробной фиксацией и последующей обработкой полученных результатов.
Разработка велась в направлении исследования датчиков воздушного давления.
Рассмотрев все конструктивные и функциональные особенности компонентов стенда - была спроектирована его структурная схема:
Рис. 1. Структурная схема стенда.
На рис.1 цифрами обозначены:
1- Компрессор;
2- Электромагнитные (ЭМ) клапаны;
3- Ресивер;
4- Контрольный датчик и мановакууметр;
5- Испытываемые датчики.
Реализация данной схемы позволяет не менять «полярность» компрессора 1 путем попарного включения ЭМ клапанов 2.1-2.4:
1) Открыты ЭМ клапаны 2.1 и 2.3, а ЭМ клапаны 2.2, 2.4 закрыты: воздух закачивается в систему - создается избыточное давление.
2) Открыты ЭМ клапаны 2.2, 2.4, ЭМ клапаны 2.1,2.3 закрыты: воздух выкачивается из системы - создается разрежение.
В процессе разработки было обнаружено, что конструктивно ЭМ клапаны могут работать, обеспечивая герметичность в документированном диапазоне, только в одном направлении, вследствие чего использовано 2 клапана (на рисунке обозначены 2.5 и 2.6), включенных последовательно, в взаимообратном направлении.
Такое решение использовано ввиду того, что необходимо проводить исследования датчиков как разрежением, так и избыточным давлением.
Накачивание или выкачивание воздуха происходит в двух режимах реализуемых посредством ЭМ клапанов 2.5 и 2.6:
1) Постоянно открыт: происходит плавное изменение давления, как во всей системе, так и на испытываемых датчиках 6.1, 6.2.
2) Задается некоторый уровень давления, который проверяется по датчику 5, по достижении которого открывается клапан, и давление на испытываемых датчиках 6.1, 6.2 изменится скачкообразно.
Ресивер, в данной схеме, выполняет роль дополнительного объема системы для того, чтобы при испытаниях со скачкообразным изменением давления не происходило сильного снижения/возрастания (избыточное/разреженное состояния) общего давления.
Для того, чтобы по завершении эксперимента давление в системе выравнивалось с атмосферным открываются все клапаны.
Разработанная функциональная схема стенда представлена на рисунке 2.
Рис.2. Функциональная схема стенда.
Для упрощения тестового экземпляра стенда было использовано два испытуемых и один контрольный преобразователь давления. Их основой является тензочувствительный элемент. Это четыре идентичных пьезорезистора, имплантированных в канавки, вытравленные на поверхности кремниевой мембраны и соединенных по мостовой схеме Уитстона. Внешнее давление вызывает деформацию мембраны, что приводит к разбалансировке моста. Значение создаваемого напряжения рассогласования (полезный сигнал) прямо пропорционально приложенному давлению.(1). Выходной сигнал с датчиков аналоговый (по напряжению) и преобразуется в цифровой вид встроенным в микроконтроллер АЦП.
Исследуемые датчики являются готовыми Low cost — решениями, основанными на использовании чувствительных элементов с защитой силиконовым гелем. Один из них термокомпен-сирован и имеет встроенную схему усиления. Второй не имеет ни того ни другого.
В качестве контрольного датчика использован готовый преобразователь давления в герметичном металлическом корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости. Контрольный датчик также не имеет встроенного усилителя. Он был разработан отдельно в виде устройства согласования по уровню. Схема согласования представляет собой два операционных усилителя с постоянным коэффициентом усиления, характерным для каждого из датчиков. Измерительные усилители реализованы на одной микросхеме КР1401УД2А-счетверенный операционный усилитель.
+5В(ДРЕР)
Рис. 3. Электрическая схема устройства согласующего датчики без усилителя с АЦП микроконтроллера.
Очень важно заметить, что при проведении экспериментальных исследований на датчиках с использованием усилителя наблюдались наводки, предположительно обусловленные синфазными токами и емкостными и индуктивными связями в проводах. Для снижения уровня помех в выходной сигнал с датчиков по отрицательной обратной связи был введен сигнал обратный помехе.
В качестве контрольного измерителя использован Мановакууметр МВПЗ-УУ2.
В качестве воздушного компрессора был выбран Мотор-компрессор Атлант С-К120. Компрессор заправлен минеральным маслом и предназначен для работы с хладоном R-12 или заменяющим его смесевым хладоном. Ввиду конструктивных и функциональных особенностей хладогенных систем, масла, заправляемые в компрессоры, хорошо абсорбируют влагу.
В случае со стендом это не приемлемо, так как может привести к коррозии, окислению и, в итоге, к выходу из строя всей пневматической системы, п значит и всего стенда. Исходя из всего вышесказанного, в процессе проектирования заводское минеральное масло было заменено на полусинтечиское автомобильное, превосходящее его по всем характеристикам и наиболее
подходящее для поставленной задачи. Новое масло соответствует требованиям ГОСТ Р 516342000 и ТУ 0253-033-72073499-2010. Установлено идущее в комплекте пускозащитное реле РКТ-2 и пусковой конденсатор 400 В, 6 мкФ.
Для данного стенда выбраны две модели электромагнитных (ЭМ) клапанов:
1. Клапан RFS 2W2115GXV прямого действия. Нормально закрытый. Сердечник соленоида механически соединен с диском и непосредственно открывает или закрывает проходное отверстие при включении или выключении соленоида. Работа клапана не зависит от давления в трубопроводе или скорости потока, и клапан будет работать от нуля до максимального рабочего давления.
2. Клапан TSV 5531 прямого действия, нормально закрытый.
Цепь питания стенда состоит из двух частей: Блока питания и модуля, расположенного на плате управления.
Блок питания представляет собой полу-кожух на котором установлены:
• Внешний разъем для подключения сетевого кабеля питания(220 в, 50 Гц)
• фильтр сетевых помех;
• предохранительный блок с возможностью замены предохранителя извне;
• тумблер включения/отключения со световой индикацией;
• торроидальный понижающий трансформатор с четырьмя одинаковыми вторичными обмотками (12В переменного напряжения и 0,833 А максимального потребляемого тока) изолированный и закрепленный при помощи пластиковых хомутов;
• внешний разъем USB, подключаемый к плате внутренним разъемом
• колодка общего провода 220 В, 50Гц;
• колодка общего заземления
• восьмипроводный разьем типа «мама» для подключения выходных напряжений с трансформатора к питающей части платы управления (вынесенный на провода разъем типа «папа»);
• четырехпроводный разъем типа «мама» для подключения управляющего провода 220 В, 50 Гц к согласующей части платы управления(вынесенный на провода разъем типа «папа»).
В питающей части платы управления установлены 4 выпрямителя (диодные мосты B8S рассчитанные на максимальное входное напряжение 800В и ток потребления нагрузки 0,5А), 5 стабилизирующих по напряжению схем, четыре из которых имеют регулируемый выходной диапазон (1,25 В - 15,7 В), а у пятой не регулируемый выход номиналом в 5 В и она питает микроконтроллер (Vcc).
а
б
Рис. 4. Электрическая схема стабилизаторов напряжения: а) - с выходом 5В; б) - с регулируемым диапазоном напряжений на выходе.
Из четырех источников питания:
• один не задействован, и является резервным;
• второй питает микроконтроллер (задает Vcc), индикаторы, схему согласования с ПК и остальную обвязку МК.)
• третий отрегулирован на значение 4,97 В и задает AREF микроконтроллера, а так же от него запитаны датчик MPXH6250A6U [1] и согласующий усилитель для двух других датчиков;
• четвертый отрегулирован на значение 5 В и является источником питания для датчика HSF1000-TQ [1];
• пятый отрегулирован на значение 10 В и питает датчик 19С200PA3K [1].
Для согласования стенда и ПК был использован микроконтроллер FT232BM [2] и разработан протокол приема и передачи данных. Структурно один пакет протокола состоит из трехбайтового заголовка, одного или двух байт описывающих тип команды и нескольких байт данных. Длина одного пакета в зависимости от его назначения варьируется от 6-ти до 55 байт. Вне зависимости от команды заголовок всегда одинаков и меняется только в случае изменения
направления передачи данных. Заголовок состоит из трех байт, в которые «записаны» прописные латинские буквы, а именно их ASCII коды. Рассмотрим структуру пакетов в двух случаях:
Таблица 1 . Стенд принимает пакеты. Заголовок MAI.
Команд ный айт Дли-1,байт Назначение пакета Структура пакета
112 11 Запрос с ПК о готовно-и В 7-ми байтах данных содержатся 7 нуда.
110 11 Комманда задающая па-метры и инициирующая чало подготовки к иссле- че ванию. Байты: 5 и 6 :старший и младший разряды знания начального давления; 7 и 8: старший и младший разряды знания конечного давления; 9 и 10: старший и младший разряды знания параметра количества опросов датчи-в(если два нуля то по умолчанию 200); 11: значение параметра частоты опроса 1тчиков.
118 11 Команда «пневмоудар» В 7-ми байтах данных содержатся 7 нуда.
111 11 Команда задает парамет->1 и является сигналом к чалу исследования без че невмоудара» Байты: 5 и 6 :старший и младший разряды знания начального давления; 7 и 8: старший и младший разряды зна-даия конечного давления; 9 и 10: старший и младший разряды знания параметра количества опросов датчи-в(если два нуля то по умолчанию 200); 11: значение параметра частоты опроса 1тчиков.
108 11 Команда считывания по-еднего исследования из ле 1мяти. В 7-ми байтах данных содержатся 7 нуда.
г115 11 Команда СТОП. Преры-ние исследования и ле зврат в состояние готов->сти. В 7-ми байтах данных содержатся 7 нуда.
114 11 Чтение из EEPROM па-метров для режима без ле ;пользования ПК В 7-ми байтах данных содержатся 7 нуда.
119 11 Запись в EEPROM новых 1раметров для режима без ¡пользования ПК. Байты: 5 и 6 :старший и младший разряды знания минимально возможного давления в следуемом диапазоне; 7 и 8: старший и младший разряды знания максимально возможного давления в следуемом диапазоне; 9: значение параметра частоты опроса тчиков при режиме без использования К. 10 и 11: два нуля.
Таблица 2. Стенд оправляет пакеты. Заголовок 1ДМ.
Команд ный шт Дли- 1, байт Назначение пакета Структура пакета
112 8 Подтверждение готовности стенда. Отправляется всегда в режиме ожидания. Байты: 5 и 6: старший и младший разряды знания давления установленного на стенде угенциометром; 7 и 8: старший и младший разряды знания абсолютного давления в пневмотрак-(контрольный датчик - 19С200РД3К);
110 13 Команда отправляется время подготовки к иссле дованию и сообщает зна-; чение абсолютного вления в пневмотракте. че Байты: 5 и 6 :старший и младший разряды знания начального давления; 7 и 8: старший и младший разряды знания конечного давления; 9 и 10: старший и младший разряды зна-;ния параметра количества опросов датчи-в; 11: значение параметра частоты опроса 1тчиков. 12 и 13: старший и младший разряды ачения абсолютного давления в пневмот-1кте(контрольный датчик - 19С200РД3К);
118 6 Команда сообщающая о >м что был произведен гевмоудар Байты: 5: 111 («о»); 6: 117 («к»)
Два: 118 и 5» 14 Аналог команды 110 >лько отправляется во )емя исследования с гевмоударом. Байты: 6 и 7 :старший и младший разряды знания начального давления; 8 и 9: старший и младший разряды знания конечного давления; 10 и 11: старший и младший разряды [ачения параметра количества опросов тчиков; 12: значение параметра частоты опроса 1тчиков. 13 и 14: старший и младший разряды ачения абсолютного давления в пневмот-1кте(контрольный датчик - 19С200РД3К);
111 55 Команда передает дан-ле исследования со всех >ех датчиков.(10 опросов 1ждого датчика) Байты: 5 и 6 :старший и младший разряды знания начального давления; 7 и 8: старший и младший разряды зна-;ния конечного давления; 9 и 10: старший и младший разряды зна-;ния параметра количества опросов датчи-в(если два нуля то по умолчанию 200); 11: значение параметра частоты опроса (атчиков.
12 и 13: старший и младший байт значе-
я адреса в массива передаваемых дан-
х(по сути номер пакета изменяющийся с
ггервалом 10); 14,18,22,26,30,34,38,42,46,50: младшие
йты значений давления для контрольного
1тчика19С200РА3К в 10-ти опросах;
15,19,23,27,31,35,39,43,47,51: аналогично
1я датчика HSF1000-TQ;
16,20,24,28,32,36,40,44,48,52: аналогично
1я датчика MPXH6250A6U;
17,21,25,29,33,37,41,45,49,52: два стар-
их бита нули, затем, в убывании по стар-
инству, по два бита старшего разряда ачения абсолютного давления для датчи-
)в 19С200РА3К, HSF1000-TQ,
РХН6250Аби соответственно.
108 55 Тоже самое что и преды-/щая с одним лишь отли-*ем: передаются данные следнего проведенного ;з ПК исследования. Аналогично предыдущему пакету.
115 4 Сообщение о прерыва-т исследования с кнопки 1 плате управления. Байты данных отсутствуют.
114 9 Отправляет параметры 1я режима без использова-я ПК записанные в EPROM В 7-ми байтах данных содержатся 7 ну-;й.
119 6 Сообщает об успешности и ошибке записи в iPROM новых данных для ;жима без использования К. не Байты если запись успешна: 5: 111 («о»); 6: 117 («к»). Байты если записать по какойто причине удалось или произошла ошибка: 5: 101 («е»); 6: 114 («г»).
Таблица 2.(продолжение).
Выводы
В результате проведенных исследований был разработан автоматизированный программно-аппаратный комплекс для автоматизированного испытания датчиков давления. На основе такого рода концепции возможно разработать комплекс для исследований датчиков любого назначения и типа. Так же в данном конкретном случае в результате испытаний проведенных с конкретными датчиками давления появилась возможность функционально исключить температурную погрешность у датчиков без температурной компенсации.
Библиография
1) Дж.Фрайден; Современные датчики. Справочник; изд-во Техносфера; Москва; 2005 г.; 592 с.
3) Future devices international ltd, FT232BM - USB UART ICs,
http://www.ftdichip.com/Products/ICs/FT232BM.htm. HTTP, 10.02.2012 Сведения об авторах
Захарян Рамаз Рафаэлович, доцент Московского авиационного института (национального исследовательского университета), к.т.н.
МАИ, Волоколамское ш., 4, Москва, А-80, ГСП-3, 125993;
тел.: (499) 158-43-46; (499) 158-42-16, e-mail: ra_scb@mai.ru
Мологорский Алан Абдулбакиевич, студент Московского авиационного института (национального исследовательского университета).
Ленинградское ш., д. 45,корп.3, кв. 268, Москва, 125167;
тел.: +7-905-566-95-58; e-mail: duiesel@gmail.com
