8. Vasúti járműmérési gyakorlatok
8.1. Mérőerősítők, adatgyűjtők
8.1.1. Bevezetés
Az adatgyűjtő berendezések bemutatását a Spider8 típusú készüléken keresztül tesszük meg, hiszen a vasúti járműmérés laborgyakorlat keretében is ezeket használjuk, a BME Vasúti Járművek és Járműrendszeranalízis Tanszéken pedig nagy számban üzemelnek ezek a beren-dezések.
Az adatgyűjtő rendszerek feladata alapvetően a mérési jelek kezelése, ezen belül is:
- erősítés,
- A/D átalakítás, - szűrés,
- tárolás,
- a jelek előkészítése rögzítéshez (megfelelő adatformátum előállítása), - a jelek az adatrögzítést és feldolgozást végző számítógépbe küldése.
Egy mérőrendszer általános felépítését láthatjuk a 8.1. ábrán.
Mérőérzékelő
pl. nyúlásmérő bélyeg gyorsulásérzékelő stb.
Adatrögzítő , feldolgozó számítógép
Erősítő A/D Szűrő
Átmeneti tároló Sz.gépbe küld
Spider8
Mérési jelek Mérési jelek
Érzékelő táp Beállítások
8.1. ábra. Mérőrendszer általános felépítése.
A mérési jelek a mérőérzékelő felől áramlanak az adatrögzítő számítógép felé, míg vissza-felé a számítógépből bizonyos beállításokat kap a Spider8 (pl. mérőérzékelő illesztése, minta-vételezési frekvencia megadása, szűrőkarakterisztika beállítása stb.), a passzív mérőérzékelők tápfeszültségét pedig az adatgyűjtő készülék szolgáltatja. Később ezen érzékelőkkel is foglal-kozunk.
8.1.2. A Spider8 adatgyűjtő készülék
A Spider8 egy elektronikus mérőrendszer, mely mechanikai és villamos mennyiségek (fe-szültség azaz nyúlás, erő, nyomás, elmozdulás, gyorsulás, hőmérséklet, frekvencia azaz im-pulzusszám, villamos feszültség és áramerősség) mérésére és a mérési adatok számítógépes feldolgozásához lett kifejlesztve (8.2. ábra) [30]. A készülék ellátja a mérési jelek kezelését és előkészítését, úgy mint
passzív mérőérzékelők kezelése, azok tápfeszültséggel történő ellátása, jeleinek fo-gadása
aktív mérőérzékelők jeleinek fogadása
a mérési jelek digitalizálása
a mérési jelek szűrése
a mérőérzékelő és a számítógép közötti kapcsolat megteremtése, a mérési adatok előkészítése a számítógépben való rögzítésre.
Az adatgyűjtő készülék összes szükséges beállítása és a működésének figyelése a hozzá csatlakoztatott számítógépen keresztül, utasításokkal, üzenetekkel történik. A készüléken ezért nincsenek kapcsolók (a bekapcsoló gomb kivételével), potméterek, stb., az üzemállapot visszajelentésére pedig az előlapon mindössze három LED szolgál (a zöld – Power – a gép bekapcsolt állapotát, a sárga – Transfer – az adatátvitelt a számítógép és az adatgyűjtő között, a piros – Error – pedig hibát jelent) (8.2. ábra).
A készülék moduláris felépítésű, tehát egyes csatornák (modulok) kicserélhetők más méré-si feladat elvégzésére szolgáló modullal (8.3. ábra). Az eszköz négy alapmodult tartalmaz, melyek a készülék alapfelszereltségét jelentik, és nem cserélhetők, ezeket kiegészíti további négy opciós, cserélhető modul. Minden egyes csatornának külön A/D konvertere van, amelyek szinkronizálva vannak, vagyis a mintavételezés az egyes csatornákról egy időben történik. Ez nagyon fontos tulajdonság, hiszen a méréstechnikában adott esetben elengedhetetlen az egyes csatornák mérési jeleinek szimultán rögzítése, ami a régi, átkapcsolós, multiplexer jellegű ké-szülékekkel gyakorlatilag kivitelezhetetlen volt. A mintavételezési frekvencia 1…9600 Hz között állítható, melynek megválasztásakor figyelembe kell venni a mért jel megőrizni kívánt frekvenciatartalmát, azaz a mintavételezési frekvencia a még rögzíteni kívánt jelösszetevők frekvenciájának többszöröse (legalább négyszerese) legyen.
A Spider8 készülékben a következő mérési feladatot ellátó modulok találhatóak (8.4. ábra):
Az alapkészülék négy darab (0…3. sz.), vivőfrekvenciás (4.8 kHz) csatornát tartalmaz, me-lyek mindegyike alkalmas
- S/G (nyúlásmérő bélyeg) jellegű rezisztív vagy induktív teljes-, fél- ill. negyed híd;
- potenciométer (változó ellenállás, ez megfelel a negyed hídnak);
- villamos feszültség (±10 V DC méréshatárral);
továbbá a 0. és 1. sz. csatornán - frekvencia (impulzusszámlálás) mérésére.
Az alapkészüléket legfeljebb négy darab kiegészítő modullal (csatornával) lehet bővíteni, melyek szabadon választhatóak két típusból. Az egyik vivőfrekvenciás (szintén 4.8 kHz), az
alapmodullal megegyező (kivéve frekvencia ill. impulzusszámlálás) mérési feladatok ellátásá-ra szolgál, a másik típus pedig egy DC modul, amely az alábbi mennyiségek mérését teszi le-hetővé:
villamos feszültség (±10 V DC; ±1 V DC vagy ±100 mV DC méréshatárral, mely szoftveresen állítható be)
egyenáram (±20 mA illetve ±200 mA méréshatárral)
ellenállás (4 kΩ méréshatárral)
termoelem-hőmérővel mért hőmérséklet.
Ezen felül a készülék rendelkezik a többi csatornával szinkronizált digitális bemenettel is már digitalizált jelek méréséhez.
Összesen 8 darab Spider8 készülék kapcsolható össze és kezelhető egyetlen számítógéppel valamint szoftverrel, ez tehát 64 mérési csatornát jelent legfeljebb. A csatornák számozása a számítógéphez csatlakozó készüléknél kezdődik.
bekapcsológomb visszajelentő LED-ek
8.2. ábra. A Spider8 készülék előlapja.
alaplap az alapmodulokkal kiegészítő modulok
8.3. ábra. A Spider8 készülék belvilága.
tápcsatlakozó mérési csatornák csatlakozói (0-7. csat.)
felső sor: kiegészítő modulok (itt DC)
alsó sor: alapmodulok csatornái digitális ki/bemenet
csatlakozó másik Spider8-hoz, számítógéphez
8.4. ábra. A Spider8 hátlapja a csatlakozókkal.
A készülék beállítását a hozzá csatlakoztatott számítógépre telepített gyári Setup program segítségével lehet megtenni. Ez a program csak a készülék beállítására illetve üzemállapotá-nak nyomon követésére szolgál, az adatgyűjtést, -rögzítést, -feldolgozást egy másik program-mal lehet elvégezni, melyet igény szerint a készülék gyártója is szállít. Ez utóbbi programnak a használata nem kötelező, mivel lehetőség van akár saját program írására is egy rendelkezésre álló utasításkészlet (pl. C++ programnyelv) alapján.
Tekintsük most át a Setup programmal elvégezető főbb beállításokat:
a mérőérzékelő fajtája (impulzusszámláló; nyúlásmérő bélyeg teljes-, fél- vagy negyed hídba kapcsolva; villamos feszültségjelet adó mérőérzékelő, pl. gyorsulásmérő; termoe-lem; stb.);
méréshatár (ennek helyes megválasztása nagyon fontos, mivel ha ez kisebb, mint a mé-rési jel csúcsértékei, akkor ezek a csúcsértékek „le lesznek vágva”, ha pedig túl nagy, akkor pedig a mérés pontossága csökken);
szűrő (erről még lesz szó);
tára érték (erről szintén a későbbiekben ejtünk pár szót);
mért érték (a kiválasztott mérőérzékelőnek megfelelően [mV/V], [mV], [mA], stb mér-tékegységben);
mintavételezési frekvencia;
A szűrő beállításakor választhatunk konstans illetve változó szűrők közül. Konstans szűrő esetén a magasabb frekvenciájú jeleket egy megadott, fix algoritmus szerint gyengíti a készü-lék. A gyakorlatban a konstans szűrő használatának kevés jelentősége van, általánosan a vál-tozó szűrőket célszerű alkalmazni. Ezek a Spider8 készülékben alul-áteresztő azaz felülvágó szűrők, melyeknek a vágási frekvenciája beállítható. Kiválaszthatjuk továbbá a változó szűrő típusát is:
átlag, amely esetben több mérési eredmény értékét átlagolja (megj.: mivel digitális rend-szerről van szó, a mérési jel tulajdonképpen mérési eredmények sorozata), és az átlagér-téket adja tovább, mint mérési eredményt;
Butterworth, amely esetben a jel frekvenciatartalmának megőrzése fontos, az amplitúdó kb. 10%-kal túllendülhet a célértéken, amelyet rövid lecsengés után vesz fel;
Bessel, amelynél az amplitúdó megőrzése lényeges, 1%-nál kisebb túllendüléssel veszi fel a célértéket.
8.1.3. A vivőfrekvenciás méréstechnológiáról
A rendszer elvi vázlata a 8.5. ábrán látható.
Mérőérzékelő
pl. nyúlásmérő bélyeg
A/D
Erősítő
Spider8
4.8 kHz vivőfrekven-ciájú jel (érzékelő
tápfeszültség)
Mérési jel + 4.8 kHz
vivőfrekven-ciájú jel
4.8 kHz kibocsátása
4.8 kHz
”leszűrése”
8.5. ábra. Vivőfrekvenciás mérőrendszer.
Az erősítő feladata tehát ebben az esetben kicsit összetettebb: a 4.8 kHz frekvenciájú jel kibocsátása, majd pedig a beérkezett, modulált mérési jelből a 4.8 kHz-es jelösszetevő kiszű-rése, végül a szűrt jel erősítése. Itt jegyezzük meg, hogy az adatgyűjtő készülék alkalmassága a vivőfrekvenciás mérésekhez még nem elegendő, ugyanis nem mindegyik mérőérzékelő al-kalmas ilyen jellegű táplálás fogadására. Az érzékelő kiválasztásakor erre feltétlenül figye-lemmel kell lenni.
A vivőfrekvenciás méréstechnológia előnye, hogy az ilyen módon modulált mérési jelek-ben (pl. elektromágneses zavarás következtéjelek-ben) a zavarjelek kevésbé tudnak megjelenni. El-sősorban 50 Hz frekvenciájú zavarás jöhet szóba (az ipari elektromos hálózat frekvenciája mi-att), ilyen szempontból a 4.8 kHz-es moduláció megfelelő, mivel az az 50 Hz-nek nem egész számú többszöröse. Természetesen ettől eltérő frekvenciájú zavarjelek is elképzelhetők, hi-szen pl. a vasúti villamos vontatójárművek aszinkron vontatómotorjai változó frekvenciájú táplálást kapnak, és adott esetben motorok illetve az egyéb induktivitások szórt fluxusa ko-moly zavarforrást jelenthet.
8.1.4. Mérőérzékelők csatlakoztatása az adatgyűjtő készülékhez
A különböző mérőérzékelők csatlakoztatására vonatkozóan mindenkor az adatgyűjtő ké-szülék felhasználói kézikönyve a mérvadó. A Spider8 készülékre vonatkozóan a következők-ben néhány példát említünk, amelyet a laborgyakorlatok keretékövetkezők-ben is felhasználtunk.
A mérőérzékelőket 15 tűs csatlakozókba kell bekötni az adatgyűjtő készülék kéziköny-vében megadott módon. A csatlakozókon számozott lábak találhatóak, az alábbi kapcsolási rajzokon a számok a csatlakozó lábainak sorszámát jelenti. Az üresen maradt lábak a mérés során nem kerülnek felhasználásra, azok szabadon maradnak (8.6. ábra).
Az egyes lábak funkciói a következők:
5 – tápfeszültség (-) 6 – tápfeszültség (+) 8 – mérési jel
12 – feszültség visszamérés 13 – feszültség visszamérés 15 – mérési jel
A mérési jel tehát a 8. és 15. láb között mért feszültséget jelenti.
hídgerjesztés
A feszültség visszamérés feladata, hogy a mérés során a mérőhíd tápfeszültsége ismert le-gyen. Végül a 8.7. ábrán egy nyúlásmérő bélyeg negyed hidas bekötése látható. Jól megfigyel-hető a kompenzáló ellenállás is.
12 15 13
8 6 5
13 12 8 6 5 1