В статье рассмотрены вопросы усовершенствования технологии поосного взвешивания в аспекте преодоления технических ограничений и увеличения точности взвешивания в движении.
Ключевые слова: поосное взвешивание, точность измерения весовых параметров.
Поосное взвешивание автотранспортных средств (ТС) используется с целью оценки соответствия их осевых нагрузок и полной массы установленным нормам [1], [2]. Системы поосного взвешивания большегрузных транспортных средств в движении, установленные на стационарных постах весового контроля федеральных трасс, являются важным инструментом для осуществления мониторинга и фиксации нарушений установленных норм и правил.
На сегодняшний день отмечаются проблемы и недостатки существующих систем последовательного поосного взвешивания транспортных средств в движении. М. В. Сенянский отмечает погрешности измерения полной массы транспортного средства при последовательном измерении осевых нагрузок многоосного транспортного средства [3]. Экспериментально доказана большая точность измерения поосного взвешивания во время движения транспортного средства без остановки. В то же время, при взвешивании на скорости, возникает ряд дополнительных помех, таких как: аэродинамика ТС, влияние дисбаланса и формы колес, кривизна траектории движения ТС в горизонтальной и вертикальной плоскостях и пр.[3],[4].
Рассмотрим пути решения проблем, направленные на преодоление технических ограничений, на точность взвешивания в движении, основанные на доработке и дальнейшем усовершенствовании технологии, указанной в патенте номер SU 1809323 A1.
Новизна технологии заключается в создании приемников давления, основанных на плоских гидравлических цилиндрах мембранного типа и использовании кварцево-резонансного преобразователя давления. Кроме того, предлагается выбор математического метода усреднения для дальнейшей обработки сигналов на компьютерном терминале.
Современные автомобильные весы используют тензометрические датчики веса в весоприемных элементах. Принцип работы тензопреобразователей основан на явлении «тензоэффекта» в материалах. В нем чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами, которые соединены в мостовую схему. Мембрана прогибается под воздействием давления измеряемой среды, и тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Этот разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов, то есть от приложенного давления.
Принципиальные ограничения КНС преобразователя — существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры, и неустранимая временная нестабильность градуировочной характеристики. Ограничения вызваны жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика и неоднородностью конструкции.
В резонансных датчиках на кремнии используется резонансный принцип. В основе подобного метода лежат волновые электромагнитные процессы. Это объясняет высокие выходные характеристики прибора и высокую стабильность датчиков. Частный пример — кварцевый резонатор. При прогибе мембраны происходит поляризация и деформация кристалла кварца, который подключен в электрическую схему. Вследствие изменения давления, частота колебаний кристалла меняется. Выбрав параметры резонансного контура, изменяя индуктивность катушки или емкость конденсатора, можно добиться того, что сопротивление кварца упадет до нуля, то есть частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадут, и наступит резонанс. Преимущества использования подобных резонансных датчиков — стабильность характеристик и высокая точность.
Применение гидравлических приемников давления мембранного типа плоской формы, работающих в замкнутом контуре, позволит минимизировать паразитные эффекты от движущихся транспортных средств за счет большей площади контакта измерительной платформы с датчиком веса и колесом транспортного средства. Отсутствие возможных перекосов и деформаций измерительной платформы (вследствие ее малых габаритных размеров и особенностей конструкции) позволит повысить стабильность и точность измерения весовых характеристик транспортного средства в движении.
Конструкция гидравлического приемника давления мембранного типа представляет собой гидроцилиндр с мембраной из нержавеющей стали толщиной с концентрическими выштамповками для улучшения геометрических характеристик при деформации. Внутри цилиндра установлено седло для ограничения максимального хода деформации мембраны. Приемник соединен импульсными трубками с преобразователем давления в единый замкнутый контур. Подобное решение позволяет избавиться от проблем геометрических деформаций системы.
Наличие в составе комплекса современного преобразователя давления, работающего на основе кремниевого резонатора, и поддерживающего современные промышленные протоколы связи (например, HART, FieldBus и др.), позволит довести время отклика менее чем до 90 миллисекунд, а значит, большегрузный транспорт сможет проезжать через пост весового контроля на скорости до 70 км/ч.
М. В. Сенянский указал, что разброс осевых нагрузок может составлять +/- 650 килограмм при поосном взвешивании [3]. Для решения этой проблемы была предложена следующая конструкция: две весовые платформы, расположенные друг за другом на расстоянии не менее 5 метров. Данное решение позволит взвесить каждую ось транспортного средства два раза, и высчитать среднее значение, используя алгоритм усреднения значений.
На вход алгоритма поступают измеренные значения какого-либо объекта, на выходе выдаются сглаженные значения. Подобных механизмов существует много. У каждого из них есть область применения и особый принцип работы. Например, можно взять среднее арифметическое по последним измерениям. В таком случае параметром фильтра будет локальное окно, то есть количество последних измерений, которые участвуют в усреднении для получения текущего значения. Например, четыре:
— результат фильтрации на текущий момент времени,
— измеренное значение на текущий момент времени,
— значение величины, измеренное на предыдущей итерации.
В обобщенном виде:
Недостатки такого подхода:
необходимость хранения в памяти вычислительного устройства нескольких последних значений;
все измеренные значения имеют одинаковое влияние на выход фильтра, т. е. влияние более ранних значений измерений такое же, как влияние самого последнего.
К формуле экспоненциального среднего приводят попытки исправить эти два пункта.
Так, к примеру, последнее измеренное значение влияет на 2/3, а предыдущее влияет только на 1/3:
Но возникает вопрос — как быть, если локальное окно нужно увеличить? Усреднение по двум последним измерениям, в большинстве случаев, будет слишком подвержено скачкам из-за случайных погрешностей.
Рассмотрим вариант замены предыдущее измеренного значения на уже «отфильтрованное»:
Но, самое последнее измеренное значение также сильно влияет на результат: любой случайный выброс приведет к резкому скачку. Ослабление влияние параметров можно учесть по формуле:
В идеальном варианте — ввести настраиваемый параметр «альфа», который больше нуля, но меньше единицы:
Это и есть экспоненциальный фильтр. Чем меньше альфа, тем более гладким будет результат.
Два крайних случая: альфа равно нулю, и альфа равно единице. В первом случае фильтр вообще не зависит от измеренных значений, т. е. он очень-очень гладкий. Во втором случае результат в точности равен последнему измеренному значению, т. е. фильтрация в принципе не происходит. Экспоненциальный фильтр — комбинация этих двух крайностей с настраиваемой пропорцией.
Применение, предлагаемой автором, технологии позволит добиться повышения точности измерения весовых параметров большегрузных транспортных средств, не снижая скорости прохождения через пункт весового контроля, а также увеличить общий ресурс весоизмерительных устройств, повысить общее время наработки на отказ.
Литература:
- Постановление Правительства РФ от 15 апреля 2011 г. № 272 «Об утверждении Правил перевозок грузов автомобильным транспортом».
- Технический регламент «О безопасности колесных транспортных средств», утвержденный Постановлением Правительства РФ № 720 от 10.09.2010 г.
- Сенянский М. В. Методологические особенности поосного взвешивания автомобилей // Законодательная и прикладная метрология. — 2013. — № 1 (122). — С. 36–45;
- Годзиковский В. А., Сенянский М. В. Тенденции развития автомобильных весов // Автомобильные дороги. — 2014. — № 4. — С. 30–35.
