ΖΥΓΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΚΙΝΟΥΜΕΝΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΕΧΝΙΚΩΝ Ψ.Ε.Σ Κ. Κουράκος Μηχανικός Η/Υ Συστημάτων Π. Ράλλη & Θηβών 250 email: koyrak@yahoo.com Ι. N. Έλληνας Επίκουρος Καθηγητής Τ.Ε.Ι Πειραιά Τμήμα Υπολογιστικών Συστημάτων Π. Ράλλη & Θηβών 250 email: jellin@teipir.gr Λ. Ασλάνογλου Καθηγητής Εφαρμογών Τ.Ε.Ι Πειραιά Τμήμα Υπολογιστικών Συστημάτων Π. Ράλλη & Θηβών 250 email: lasl@teipir.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία περιγράφει την σχεδίαση και ανάπτυξη ενός ζυγιστικού συστήματος κινουμένου φορτίου, με την χρήση Ηλεκτρονικού Υπολογιστή και τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Το σύστημα που αναπτύχθηκε χρησιμοποιεί ως αισθητήριο μία δυναμοκυψέλη (Load Cell) και μία κάρτα με αναλογικό/ψηφιακό μετατροπέα, η οποία συνδέεται στην υποδοχή ενός Η/Υ. Παράλληλα αναπτύχθηκε πρόγραμμα, με τη βοήθεια του οποίου γίνεται ανάγνωση του σήματος που παράγει το αισθητήριο, επεξεργασία με τεχνικές παραθύρου και εμφάνιση του πραγματικού βάρους του κινουμένου φορτίου στην οθόνη του Η/Υ. Στο πρόγραμμα έχουν ενσωματωθεί δυνατότητες πραγματικών ζυγιστικών συστημάτων, όπως απόβαρο (auto-taring), αυτόματη παρακολούθηση του μηδενός (zero tracking), μεταβολή του ρυθμού δειγματοληψίας, του εύρους του παραθύρου, εισαγωγή δεδομένων με το χέρι κ.α, έτσι ώστε να έχει και εκπαιδευτικό χαρακτήρα. Στην εργασία αυτή γίνεται αρχικά αναφορά στις απαιτήσεις που έχει ένα τέτοιο σύστημα και στη συνέχεια αναλύεται ο τρόπος υπολογισμού του βάρους. Ακολούθως γίνεται περιγραφή του υλικού και λογισμικού που έχουν αναπτυχθεί και τέλος υπάρχουν τα συμπεράσματα. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα μηχανικά συστήματα ζύγισης κινουμένου φορτίου, π.χ. συστήματα ζύγισης ζώων, έχουν πολύ μικρή απόδοση καθώς στηρίζονται σε μηχανικά αισθητήρια, χωρίς απόσβεση των κραδασμών και πολλές φορές έχουν ελλιπή σχεδίαση. Το πραγματικό βάρος που προκύπτει είναι η μέση οπτική ένδειξη από την ταλάντωση του αναλογικού ενδείκτη, η οποία βεβαίως αποκλίνει αρκετά από την πραγματική. Η εργασία αυτή έχει σαν σκοπό την σχεδίαση και ανάπτυξη ενός ηλεκτρονικού συστήματος ζύγισης, το οποίο θα χρησιμοποιεί σαν αισθητήριο μία δυναμοκυψέλη (Load Cell), μία κάρτα προσαρμογής (interface) και ένα Η/Υ. Οι απαιτήσεις που υπάρχουν για την σωστή λειτουργία μιάς τέτοιας συσκευής είναι οι εξής: 1
Η χωρητικότητα πρέπει να ανταποκρίνεται στις ανάγκες ζύγισης. Το αισθητήριο πρέπει να έχει τη ζητούμενη μέγιστη χωρητικότητα και συνήθως η αντοχή τους είναι 150% της μέγιστης ζυγιστικής τους ικανότητας. Η έξοδος του αισθητηρίου είναι 2mV/V τροφοδοσίας του και είναι κατασκευασμένο από ειδικό κράμα αλουμινίου στο οποίο ευρίσκονται κολλημένες αντιστάσεις φίλμ (strain gauges) σε σχηματισμό γέφυρας. Στη παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε πειραματικά δυναμοκυψέλη με μέγιστη χωρητικότητα 15 Kg. Η ανάλυση (resolution) αφορά την μικρότερη μεταβολή βάρους που είναι ορατή στην οθόνη και ονομάζεται υποδιαίρεση. Συνήθως οι ζυγιστικές συσκευές που χρησιμοποιούνται στο εμπόριο, για σταθερά φορτία, έχουν ανάλυση 1/3000 τη μέγιστη ζυγιστική ικανότητα. Στη περίπτωση αυτή η ανάλυση είναι 5 gr. Η ακρίβεια μέτρησηςαφορά την απόκλιση της μέτρησης από την αντικειμενικά σωστή και δεν πρέπει να υπερβαίνει, για σταθερά φορτία, τη μία υποδιαίρεση, δηλ. 5 gr. Απόσβεση (damping) των ταλαντώσεων που δημιουργούνται από την κίνηση του φορτίου και ένδειξη του πραγματικού βάρους, όπως δηλαδή θα έδειχνε εαν το φορτίο έμενε ακίνητο. Ταχύτητα ένδειξης του πραγματικού βάρους. Ο χρόνος αυτός καθορίζεται σε συνάρτηση με την τεχνική για τον υπολογισμό του βάρους και του τρόπου απόσβεσης. Ύπαρξη δυντοτήτων που υπάρχουν στις πραγματικές ζυγιστικές συσκευές, όπως ένδειξη απόβαρου (auto-taring), παρακολούθηση του μηδενικού σημείου ισορροπίας (zero tracking), δυνατότητα μηδενισμού σε περίπτωση ολίσθησης του μηδενός (zero setting). ΤΕΧΝΙΚΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΒΑΡΟΥΣ Εαν το πραγματικό βάρος ενός φορτίου είναι W, το μεταβαλλόμενο βάρος λόγω της κίνησης του φορτίου και συνεπώς το μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό σήμα είναι: W(t)=W+kWf(t) (1) όπου k είναι ο συντελεστής μεταβολής του πραγματικού βάρους και f(t) είναι ο θόρυβος που δημιουργείται από τη ταλάντωση του φορτίου. Στη πράξη ο συντελεστής k μεταβάλλεται γύρω από το 10%, [3]. Ο συνηθισμένος τρόπος υπολογισμού είναι η δειγματοληψία του σήματος εισόδου, η άθροιση των δειγμάτων γιά ένα ορισμένο χρονικό διάστημα και η διαίρεση με το πλήθος των δειγμάτων. Αυτή είναι η τεχνική εξαγωγής της μέσης τιμής (averaging), η οποία στη συγκεκριμένη περίπτωση δεν παρέχει ικανοποιητικά αποτελέσματα, ιδιαίτερα όταν υπάρχει έντονη παρεμβολή από την κινητικότητα του φορτίου. Στη περίπτωση ζύγισης ζώων, για παράδειγμα, η συχνότητα παρεμβολής είναι της τάξης του 1.5 Hz, [3]. Σε αυτή τη περίπτωση η μέθοδος αυτή δίνει περισσότερο ακριβή αποτελέσματα, όταν μεγαλώσει αρκετά ο χρόνος παρατήρησης. Εναλλακτικά, το σήμα εισόδου μπορεί να συνδυαστεί με ένα παράθυρο δειγματοληψίας το οποίο μπορεί να φιλτράρει αποτελεσματικά τον παραγόμενο θόρυβο από την κίνηση του φορτίου. Αυτό επιβεβαιώνεται από το μετασχηματισμό του γινομένου αυτού κατά Fourier και με δεδομένη την επιθυμητή συχνότητα αποκοπής, γύρω στα 2 Hz, [3]. Έτσι ο υπολογισμός του πραγματικού βάρος, δηλαδή η συνεχής συνιστώσα του σήματος εισόδου, πραγματοποιείται με τον πολλαπλασιασμό των δειγμάτων του 2
σήματος εισόδου με τις αντίστοιχες τιμές (weighting values) του παραθύρου δειγματοληψίας και την άθροισή τους σε μία τιμή μέχρι το τέλος της παρατήρησης. Αυτή η τιμή διαιρούμενη με το εμβαδόν του παραθύρου δίνει την επιθυμητή τιμή βάρους. Το Σχ. 1 δείχνει τον μετασχηματισμό Fourier των τριών παραθύρων που χρησιμοποιούνται (τετράγωνο, τρίγωνο και hamming), [1], [2]. (α) (β) (γ) Σχ. 1 Αποκρίσεις παραθύρων (α) Tετραγωνικού (β) Tριγωνικού (γ) Hamming 3
Το χρονικό μήκος των παραθύρων έχει τεθεί 1 sec, όσος περίπου θα είναι ο επαναληπτικός χρόνος παρατήρησης και η συχνότητα δειγματοληψίας f s =100 Hz για να φιλτράρεται η συχνότητα δικτύου 50 Hz. Βέβαια, ο αναλογικός/ψηφιακός μετατροπέας που έχει χρησιμοποιηθεί, χρησιμοποιεί στην είσοδό του ψηφιακό φίλτρο για τον ίδιο σκοπό. Από τις αποκρίσεις συχνότητας προκύπτει ότι το τετραγωνικό παράθυρο δίνει μία συχνότητα αποκoπής περίπου 1 Hz, ενώ το τριγωνικό και το παράθυρο Hamming έχουν συχνότητα αποκοπής στους 2 Hz περίπου, η οποία ανταποκρίνεται στις αρχικές απαιτήσεις του συστήματος, έτσι ώστε να φιλτράρονται οι χαμηλής συχνότητας συνιστώσες οι οποίες δημιουργούνται από την κίνηση του φορτίου. Ακόμα παρατηρούμε ότι ο πρώτος λωβός μετά τον κύριο, δηλαδή την dc συνιστώσα, απέχει κατά 13 db, 25 db και 45 db αντίστοιχα. Αυτό δείχνει ότι το παράθυρο Hamming είναι κατά πολύ καλύτερο στο φιλτράρισμα των χαμηλών αρμονικών. Το Σχ. 2 δείχνει την μέση τιμή βάρους ενός κινούμενου φορτίου 100 Kg για συχνότητες 1 έως 5 Hz με τις παραπάνω προϋποθέσεις δειγματοληψίας. Σχ. 2 Υπολογισμός βάρους κινουμένου φορτίου ΥΛΙΚΟ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Το υλικό του ζυγιστικού συστήματος αποτελείται από τρία βασικά τμήματα, Σχ. 3. 1. Αναλογικό τμήμα: Περιλαμβάνει τον ηλεκτρονικό ζυγό. Η δύναμη που ασκείται στο τάσι του ζυγιστικού συστήματος από το φορτίο, λόγω του βάρους του, μετατρέπεται σε αναλογικό ηλεκτρικό σήμα ανάλογο του φορτίου που κάθε φορά βρίσκεται στο τάσι. Κατά συνέπεια η συνεχής μεταβολή του βάρους λόγω της μετακίνησης του φορτίου προκαλεί συνεχείς μεταβολές στην έξοδο του αναλογικού τμήματος και έτσι το μεταβαλλόμενο σήμα οδηγείται για επεξεργασία στον Η/Υ. 2. A/D Interface: Πρόκειται για μια κάρτα τύπου ISA που περιλαμβάνει μια διάταξη αναλογικοψηφιακής μετατροπής (A/D), περιφερειακή συσκευή (IN/OUT - 8255) για επικοινωνία με τον Η/Υ και διάταξη κυκλώματος αποκωδικοποίησης διευθύνσεων. Το αναλογικό σήμα από την έξοδο του ζυγιστικού συστήματος οδηγείται σε ένα A/D (ΑD7712) όπου μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμα και υπόκειται σε ένα πρώτο φιλτράρισμα. Το ψηφιακό πιά σήμα 4
που προκύπτει, λαμβάνεται με τη βοήθεια του περιφερειακού ολοκληρωμένου και οδηγείται στον Η/Υ. 3. Ψηφιακό τμήμα : Πρόκειται για τον Η/Υ που παίζει το ρόλο μικροελεγκτή και οθόνης, όπου γίνεται η επεξεργασία και εμφανίζονται τα αποτελέσματα. Η διαδικασία του φιλτραρίσματος γίνεται σε επίπεδο λογισμικού. ΖΥΓΙΣΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ A/D Interface H/Y Αναλογικό τμήμα Ψηφιακό Σχ. 3 Μπλόκ διάγραμμα ζυγιστικού συστήματος Το αισθητήριο περιλαμβάνει 4 ωμικές αντιστάσεις, strain gauges, σε διάταξη γέφυρας, Σχ. 4. τάσι τροφοδοσία R1 R2 RP1 RP2 - Vo + R1 = 350 Ω R2 = 350 Ω RP1 = 350 Ω RP2 = 350 Ω Strain gauges γείωση μεταλλικό στέλεχος βάση στήριξης Σχ. 4 Αναλογικό σύστημα ζύγισης Αυτές οι ειδικές μεταβλητές αντιστάσεις μοιάζουν με films και είναι προσαρμοσμένα πάνω στη μία κάθετη έδρα ενός μεταλλικού στελέχους που έχει σχήμα 5
παραλληλεπιπέδου και αποτελεί τον κορμό του ζυγιστικού. Στην οριζόντια έδρα που είναι απέναντι από τη βάση τοποθετείται το τάσι. Όταν ένα βάρος τοποθετηθεί πάνω στο τάσι, τότε στο μεταλλικό στέλεχος εξασκείται δύναμη ανάλογη του βάρους του φορτίου, η οποία έχει σαν αποτέλεσμα την ελαστική παραμόρφωση του στελέχους. Αυτή η ελαστική παραμόρφωση είναι η αιτία που μεταβάλλονται και οι διαστάσεις των αντιστάσεων-φίλμ, με άμεση συνέπεια τη μεταβολή της αντίστασής τους. Έτσι στην έξοδο του αναλογικού μέρους εμφανίζεται διαφορά δυναμικού, V 0, ανάλογη με το βάρος του προς ζύγιση φορτίου. Το πρόγραμμα λειτουργίας είναι εφαρμογή λογισμικού τελικού χρήστη γραμμένο σε γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic 5.0 για λειτουργικά συστήματα Microsoft Windows 95 και πάνω. Η ελάχιστες απαιτήσεις υλικού είναι επεξεργαστής 486 και μνήμη RAM 16 MB. Ενδεικτικά παρατίθεται, Σχ. 5, η οθόνη επιλογής της συνάρτησης παραθύρου και οι τιμές της συνάρτησης για κάθε δείγμα. Σχ. 5 Οθόνη επιλογής συνάρτησης παραθύρου ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από την εργασία αυτή προκύπτει ότι είναι δυνατή η ανάπτυξη ενός συστήματος μέτρησης πραγματικού βάρους ενός κινουμένου φορτίου με την τεχνική των παραθύρων. Τα εργαστηριακά αποτελέσματα, τόσο από την ζύγιση φορτίων όσο και από την εισαγωγή θεωρητικών δειγμάτων στο πρόγραμμα υπολογισμού, είναι ικανοποιητικά. Το παράθυρο Hamming, όπως άλλωστε ανεμένετο από την θεωρητική ανάλυση, έδωσε περισότερο ακριβή αποτελέσματα. Η διάρκεια της παρατήρησης, 1 έως 2 sec, εξαρτάται από την επιθυμητή ταχύτητα λειτουργίας του συστήματος. Στα πλαίσια αυτής της ανάλυσης είναι δυνατή η δοκιμή και άλλων τύπων παραθύρων, στα οποία πάντα υπάρχει ο προβληματισμός επιλογής της συχνότητας αποκοπής (εύρος main lobe) με το πλάτος των αρμονικών συνιστωσών (side lobe attenuation). Η υλοποίηση αυτού του συστήματος έδειξε τα ευαίσθητα σημεία του υλικού που μπορούν να δημιουργήσουν απόκλιση από την θεωρητική προσέγγιση του θέματος. 6
Η δυναμοκυψέλη πρέπει να είναι με προδιαγραφές OIML, για να μην υπάρχει ολίσθηση της εξόδου με την θερμοκρασία. Η κάρτα ανάκτησης δεδομένων πρέπει να είναι τυπωμένο κύκλωμα, με τις κατάλληλες γειώσεις για την αποφυγή θορύβου, ο οποίος είναι περίπου στα ίδια επίπεδα με το σήμα. Επειδή η έξοδος της δυναμοκυψέλης είναι 2 mv/v, με τροφοδοσία 5 V δίνει έξοδο 10 mv στο μέγιστο βάρος. Όμως οι υποδιαιρέσεις για μία συνηθισμένη δυναμοκυψέλη είναι 3000 και επομένως η τάση ανά υποδιαίρεση είναι 3.33 μv. Για ακριβέστερες μετρήσεις πρέπει να χρησιμοποιηθεί σταθεροποιητικό τάσης τροφοδοσίας με πολύ μικρή ολίσθηση και ενισχυτής χαμηλού θορύβου για ενίσχυση του σήματος της δυναμοκυψέλης. Τέλος η κίνηση του φορτίου πρέπει να ανταποκρίνεται στη πραγματική υπόθεση, δηλαδή πρέπει η κίνησή του να είναι αργή, έτσι ώστε να δημιουργούνται οι συνιστώσες χαμηλής συχνότητας για τις οποίες χρησιμοποιείται η προτεινόμενη τεχνική. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Γ.Π. Σύρκος, Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος, Εκδ. Παπασωτηρίου, 2000. [2] J.G. Proakis, D.G. Manolakis, Digital Signal Processing, Macmillan,1992. [3] S. Hirch, The Design of Electronic Stock Weighing Equipment Using a Digital Filtering Technique for Damping, The British Society for Research in Agricultural Engineering, 1985, pp. 131-141. [4] J.G. Hughes, G.M. Garden, The performance of Stock weighing scales, Tussock Grasslands and Mountain Lands Instit. Rev. 1977, 35, pp. 12-20. [5] J.E. Harris, On the use of windows for harmonic analysis with the discrete Fourier Transform, IEEE Proc., 1978, 66(1), pp. 51-83. 7