ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΧΗΜΑΤΩΝ Ακαδημαϊκό Έτος: 2014 2015 Μάθημα: Διδάσκων: ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΟΧΗΜΑΤΩΝ ΙΙ Δρ. Μηχ. Δ. Κουλοχέρης, Λέκτορας Ε.Μ.Π. Ημ/νία Διεξαγωγής:... Υλοποίηση: Δ. Ασβεστάς, Ε.Τ.Ε.Π. Γ. Παπαϊωάννου, Υ.Δ. ΕΝΗΜΕΡΩΤΙΚΟ ΦΥΛΛΑΔΙΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Ι «ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ ΦΟΡΤΗΓΟΥ ΟΧΗΜΑΤΟΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΑΣ N2» Μάρτιος 2015

1 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ Η παρούσα εργαστηριακή άσκηση έχει ως στόχο τη γνωριμία με το αντικείμενο των μετρήσεων σε οχήματα, μέσω κατάλληλα εγκατεστημένου εξοπλισμού και σε πραγματικές, κατά το δυνατό, συνθήκες πορείας. Η διεξαγωγή των μετρήσεων λαμβάνει χώρα εντός της Πολυτεχνειούπολης Ζωγράφου, σε επιλεγμένες διαδρομές. Στα ακόλουθα, παρουσιάζονται συνοπτικά τα επιμέρους στοιχεία, τα οποία διαμορφώνουν τη μετρητική αλυσίδα και καθιστούν δυνατή τη διεξαγωγή μετρήσεων επί του οχήματος. 2 ΜΕΤΡΗΤΙΚΗ ΑΛΥΣΙΔΑ Η απόκτηση, αποθήκευση και επεξεργασία των μετρήσεων επιτυγχάνεται μέσα από τρία επιμέρους στοιχεία (Εικόνα 1): Εικόνα 1. Μετρητική Αλυσίδα 1) τους αισθητήρες, οι οποίοι διαβάζουν το φυσικό φαινόμενο (ταλάντωση, παραμόρφωση, πίεση, θερμοκρασία, κτλ) και το μετατρέπουν συνήθως σε ηλεκτρικό σήμα, 2) τους ενισχυτές, οι οποίοι αφενός προσφέρουν ενέργεια στους αισθητήρες για να λειτουργήσουν και αφετέρου καταγράφουν το ηλεκτρικό σήμα με επιλεγμένη συχνότητα δειγματοληψίας, 3) το λογισμικό, το οποίο χρησιμεύει ως στοιχείο παρουσίασης, αποθήκευσης και επεξεργασίας των μετρήσεων. Προφανώς και απαιτείται η πλήρης συμβατότητα μεταξύ αυτού και των ενισχυτών, ώστε να αποφευχθούν απώλειες δεδομένων. 3 ΜΕΤΡΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 3.1 ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΙΟΜΕΤΡΑ Αρχικά, έχουν τοποθετηθεί δύο επιταχυνσιόμετρα της KISTLER στον οπίσθιο άξονα του φορτηγού, αντιδιαμετρικά και κάθετα ως προς το έδαφος. Το ένα στην αριστερή πλευρά της ανάρτησης (Εικόνα 2) με S.N. 2043669 και το δεύτερο στη δεξιά πλευρά (Εικόνα 3) με S.N. 2049134. 1

Εικόνα 2.. Επιταχυνσιόμετρο στα Δεξιά του Οπίσθιου Άξονα Έξι επιταχυνσιόμετρα της KISTLER έχουν τοποθετηθεί στο πλαίσιο του οχήματος τρία σε κάθε πλευρά σε επιλεγμένα σημεία. Τα σημεία που έχουν τοποθετηθεί οι αισθητήρες αποτελούν τα αντίστοιχα σημεία της ανάρτησης του φορτηγού (μορφής φύλου σούστας) όπου η αρχή (Εικόνα 4α) και το τέλος της (Εικόνα 4β) έχουν προσδεθεί στο σώμα του οχήματος και το ενδιάμεσο σημείο (Εικόνα 4γ) είναι προσδεμένο στους τροχούς. Εικόνα 3. Επιταχυνσιόμετρο στα Αριστερά του Οπίσθιου Άξονα Εικόνα 4. Επιταχυνσιόμετρο στο πλαίσιο (α) στην αρχή, (β) στη μέση και (γ) στο τέλος της ανάρτησης 2

Εικόνα 5. Ενισχυτές (α) και (β) Να τονίσουμε ότι τα επιταχυνσιόμετρα της KISTLER χρειάζονται επιπλέον ρεύμα πριν συνδεθούν στη μονάδα συλλογής δεδομένων MGCplus. Αυτό το ρεύμα τροφοδοτείται από μικρούς ενισχυτές της KISTLER (Type 5114), οι οποίοι φαίνονται στις Εικόνες 5(α) και 5 (β). Δύο επιταχυνσιόμετρα της HBM (Type B12/200) έχουν τοποθετηθεί στο πίσω μέρος του πλαισίου (Εικόνα 6), με τέτοιo τρόπο έτσι ώστε το ένα, να μετράει την επιτάχυνση στο διαμήκη άξονα του φορτηγού (έχει τοποθετηθεί αριστερά) και το άλλο την επιτάχυνση στον εγκάρσιο άξονα (έχει τοποθετηθεί δεξιά). Εικόνα 6. Επιταχυνσιόμετρα για τον Διαμήκη και Εγκάρσιο Άξονα Τα επιταχυνσιόμετρα και της Kistler και της HBM που χρησιμοποιούνται είναι μοναξονικά, δηλαδή μετράνε κατά τον άξονα στον οποίο έχουν τοποθετηθεί. 3.2 ΕΠΙΜΗΚΥΝΣΙΟΜΕΤΡΑ Αρχικά, έχουν τοποθετηθεί στο πίσω μέρος του πλαισίου στην αριστερή πλευρά, τέσσερα (4) επιμηκυνσιόμετρα (Εικόνα 7), με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να δημιουργείται μια πλήρης γέφυρα Wheatstone (full bridge). Με τη διάταξη αυτή μετράμε την καμπτική παραμόρφωση του πλαισίου στο σημείο εκείνο. 3

Εικόνα 7. Επιμηκυνσιόμετρα στο οπίσθιο μέρος του Πλαίσιου Εικόνα 8. Επιμηκυνσιόμετρα στο εμπρόσθιο μέρος του Πλαίσιου για (α) Διατμητική και (β) Καμπτική Παραμόρφωση Στη συνέχεια, στην δεξιά πλευρά του πλαισίου κοντά στο κέντρο βάρους του φορτηγού έχουν τοποθετηθεί συνολικά έξι (6) επιμηκυνσιόμετρα. Τα τέσσερα (4), με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να δημιουργείται μια πλήρης γέφυρα Wheatstone (Εικόνα 8α ) με την οποία διάταξη μετράμε τη διατμητική παραμόρφωση του πλαισίου καθώς και δύο (2) με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να δημιουργείται μια μισή γέφυρα Wheatstone (half bridge) (Εικόνα 8β) με την οποία διάταξη μετράμε την καμπτική παραμόρφωση του πλαισίου. Επίσης, στον οπίσθιο άξονα του φορτηγού στο αριστερό και στο δεξί μέρος του έχει τοποθετηθεί άλλη μια δεκάδα (10) επιμηκυνσιομέτρων με τον ίδιο τρόπο όπως αναφέρθηκε παραπάνω για το δεξί μέρος του πλαισίου, 4 SG σε full bridge για τη διατμητική παραμόρφωση του άξονα (Εικόνα 9α) και 2 SG σε half bridge για την καμπτική παραμόρφωσή του (Εικόνα 9β). Τέλος, στον οπίσθιο άξονα και δεξιά και αριστερά έχουν τοποθετηθεί τέσσερα επιμηκυνσιόμετρα (4 SG) σχηματίζοντας μια πλήρη γέφυρα, full bridge, με τέτοιο τρόπο όπως φαίνεται στην εικόνα 10, δηλαδή κάθετα μεταξύ τους. Να επισημανθεί εδώ πως σε όλες τις διατάξεις που αναφέρθηκαν παραπάνω, η τοποθέτηση τους έγινε με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε το ένα μονό SG να "κοιτάει" σαν σε "καθρέπτη" το άλλο μονό SG, όσον αφορά τη διάταξη half bridge και το ζεύγος SG το άλλο ζεύγος SG, όσον αφορά την διάταξη full bridge. 4

Εικόνα 9.(a)Επιμηκυνσιόμετρα στον Άξονα για (α) Διατμητική και (β) Καμπτική Παραμόρφωση 3.3 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΎΨΟΥΣ Εικόνα 10:. Επιμηκυνσιόμετρα στον Άξονα για την Αξονική Παραμόρφωση Επίσης, στoν οπίσθιο άξονα έχουν τοποθετηθεί δύο αισθητήρες ύψους της CORRSYS DATRON (Type HF 500C Sensor). Ο πρώτος, όπως φαίνεται στην Εικόνα 11α, είναι τοποθετημένος για να μετράει την μετατόπιση του σώματος του οχήματος (chassis) ως προς τον άξονα. Τέλος, ο δεύτερος (Εικόνα 11β) έχει τοποθετηθεί με κατάλληλο μηχανισμό κατασκευασμένο από το εργαστήριο για να μετράει την μετατόπιση των τροχών. 5

3.4 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ Εικόνα 11. Αισθητήρας Ύψους(α) στο Πλαίσιο και (β) στο Τροχό Τέλος, έχει τοποθετηθεί και ένας αισθητήρας μέτρησης γραμμικής ταχύτητας του οχήματος της CORRSYS (Type LCE) με S.N. 93008 στο εμπρόσθιο μέρος του πλαισίου όπως φαίνεται στην Εικόνα 12. 4 ΜΟΝΑΔΑ ΣΥΛΛΟΓΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Εικόνα 12. Αισθητήρας Γραμμικής Ταχύτητας Τα σήματα (αναλογικά ή ψηφιακά) όλων των παραπάνω αισθητήρων στέλνονται στον εξοπλισμό που βρίσκεται στην καμπίνα του φορτηγού και φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. Αυτός αποτελείται από την μονάδα συλλογής δεδομένων, το MGCplus (θα αναφερθούμε αναλυτικά παρακάτω), της HBM (Εικόνα 13α) που συνοδεύεται μαζί με την οθόνη του (Εικόνα 13β). 6

Εικόνα 13. (α) Μονάδας Συλλογής Δεδομένων MGCplus (β) Οθόνη της Μονάδας Το MGCplus είναι ένα σύστημα απόκτησης δεδομένων με ρυθμιζόμενη δομή. Διαθέτει έως και 16 υποδοχές (slots) σύνδεσης με τους ενισχυτές/στοιχεία μονών ή πολλαπλών καναλιών (Εικόνα 14). Αυτό σημαίνει ότι έως και 128 σημεία μέτρησης μπορούν να μετρηθούν με ένα μόνο MGCplus. Εικόνα 14. Εικονική Απεικόνιση Καναλιών στο MGCplus Κάθε συνδεόμενος ενισχυτής/στοιχείο (amplifier plug in module) λειτουργεί με ανεξάρτητο τρόπο, μέσω της εσωτερικής του CPU (Εικόνα 15). Τα αλληλοεξαρτώμενα δεδομένα, όπως η τάρα, το φιλτράρισμα και το καθορισμένο πεδίο μετρήσεων μεταφέρονται σε ψηφιακή μορφή. Τα μειονεκτήματα της αναλογικής εξάρτησης, όπως του χρόνου και της συνεχής θερμοκρασιακής μεταβολής, τα λάθη των συνιστάμενων ανοχών, της οριακής ελαστικότητας και της υψηλής πολυπλοκότητας του κυκλώματος δε μπορούν πλέον να εκδηλωθούν. Η προϋπόθεση φυσικά γι αυτό είναι η μετατροπή της αναλογικής μορφής σε ψηφιακή να γίνεται χωρίς την απώλεια πληροφοριών. Το ψηφιακά κατασκευασμένο σήμα τροφοδοτείται στον υψηλής ταχύτητας εσωτερικό δίαυλο (bus). Στην περίπτωση των μονοκάναλων μετρητικών στοιχείων, δύο αναλογικές έξοδοι (τάσης ή ρεύματος) είναι επιπλέον διαθέσιμες, μαζί με αυτήν των ψηφιακά μετρούμενων τιμών. 7

Ένας εσωτερικός υπολογιστής σε μορφή διακριτής κάρτας (PC card) συλλέγει τα δεδομένα με μια συνολική συχνότητα δειγματοληψίας έως τις 3.000.000 μετρήσεις το δευτερόλεπτο. Όλα τα σήματα μέτρησης μπορούν να συγκεντρώνονται παράλληλα, αφού κάθε κανάλι έχει τον δικό του A/D μετατροπέα. Εικόνα 15. CPU της Μονάδας Συλλογής Δεδομένων Εικόνα 16. Φορητός Υπολογιστής Χρησιμοποιώντας Ethernet ή USB, τα δεδομένα μεταφέρονται σε έναν εξωτερικό υπολογιστή ή PLC. Τέλος, για την απόκτηση και την επεξεργασία των μετρητικών δεδομένων χρησιμοποιούμε έναν φορητό υπολογιστή (Εικόνα 16), με τη βοήθεια ενός λογισμικού για το οποίο θα αναφερθούμε παρακάτω. 5 ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ Το Catman (Εικόνα 17) είναι ένα λογισμικό (software) στα 32 bit που λειτουργεί κάτω από τα Microsoft Windows για την απόκτηση και την επεξεργασία μετρητικών δεδομένων με την χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή. Το Catman έχει τη δυνατότητα να διαχειριστεί συσκευές (hardware), τόσο από την HBM (Spider 8, MGCplus κτλ), όσο και από άλλους κατασκευαστές (National Instruments κτλ). Επιτρέπει τη σύνδεση συσκευών με διάφορες διασυνδέσεις (interfaces), τον καθορισμό αναλογικών και ψηφιακών καναλιών εισόδου/εξόδου, καθώς και την δυνατότητα διαμόρφωσης της μετρητικής αλυσίδας. Προσφέρει διάφορους τρόπους απόκτησης, απεικόνισης και κυρίως επεξεργασίας (on/off line) των δεδομένων των μετρήσεων. 8

Εικόνα 17. Λογισμικό Catman 6 ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ I. Να γίνει σκαρίφημα με τις θέσεις των αισθητήρων στο όχημα. II. Να γίνουν διαγράμματα των μετρούμενων μεγεθών συναρτήσει του χρόνου. III. Να σχολιασθούν τα διαγράμματα λαμβάνοντας υπόψη τη διαδρομή. IV. Να βρεθεί η συνάρτηση εισόδου κατά την κίνηση του οχήματος στο δρόμο (διέγερση). 9