«Пьеза» АБО «ТЕНЗО» - ЧУЖІ АБО СВОЇ?

Сенянскій М.В.
Генеральний директор
ЗАТ «Весоизмерительная компанія« Тензо-М »,
кандидат технічних наук

«Пьеза» АБО «ТЕНЗО» - ЧУЖІ АБО СВОЇ?

Останнім часом серед фахівців, що займаються автоматичним ваговим контролем і визначають стратегію його розвитку на дорогах федерального і регіонального підпорядкування, часто виникають дискусії щодо типу вбудованих в дорожнє полотно вагових датчиків. Які з них точніше і надійніше - лінійні п'єзоелектричні або тензометричні? Виявляється, думки колег зі світового співтовариства на цей рахунок також розділилися. У США віддають перевагу перевіреної «старенькій» тензометрії, а в Європі - «молодий» П'єзотехніка [1].

Перш, ніж ми розглянемо принципи дії датчиків згаданих двох типів, давайте оглянемося навколо і дізнаємося, на яких принципах працюють датчики «серйозних» промислових ваг, через які проходить весь ВВП нашої країни. Виявляється, багато сотень мільйонів тонн зерна, цементу, металопрокату, корисних копалин і нафтопродуктів проходять через автомобільні, вагонні, конвеєрні, бункерні, кранові та інші ваги, серцем яких є тензометричні датчики. Від їх точності безпосередньо залежать показники щорічного зростання валового продукту країни в цілому.

А п'єзодатчики? Є кілька категорій ваг, де вони теж використовуються як чутливі елементи. Наприклад, поштові чи побутові. Дуже широкий спектр використання пьезочувствітельних елементів в вимірювальної техніки - датчиках сили, вібрацій, пульсацій тиску, звукознімачах, мікрофонах і гідроакустики.

1. Принцип дії телеграфним текстом

1.1. Дорожні тензодатчики.

Тензорезисторний датчик являє собою металевий пружний елемент, на який наклеєні фольгові тензорезистори. Вимірюється сила деформує пружний елемент, приводячи до розтягування одних і стисненню інших тензорезисторов. Зміна їх електричного опору, пропорційне прикладеній силі, вимірюється вторинним перетворювачем і надходить для розрахунку осьового навантаження в промисловий комп'ютер.

Пружний елемент виготовляється з авіаційної нержавіючої сталі і герметизується лазерним зварюванням до ступеня захисту, що дозволяє йому працювати в умовах використання дорожніх антігололедних сумішей більше 10 років. Сигнальний кабель виходить з датчиків через спеціальні скляні гермовводи.

Мал. 1. Автоматичний пост весогабарітнимі контролю

Мал. 2. Лінійні дорожні тензометричні датчики

1.2. дорожні п'єзодатчики

Для отримання корисного сигналу використовується прямий п'єзоефект, суть якого полягає в тому, що при деформації кристала, наприклад кварцу, уздовж однієї з його осей, виробляється певний електричний заряд [3]. Для обробки його понад півстоліття тому був винайдений спеціальний підсилювач заряду. У зв'язку з тим, що генеруються іони і електрони прагнуть блискавично «розбігтися» в різні боки, величина корисного сигналу залежить не тільки від величини стискає кристал сили, а й від швидкості її застосування.

Іншими словами, стандартна еталонна гиря масою 20 кг може дати різний сигнал на виході апаратури, в залежності від того, наскільки плавно ми кладемо її на лінійний дорожній датчик. Він являє собою фасонну трубу з алюмінієвого сплаву довжиною 1,5 ... 2 м, в серцевині якої затиснуті «таблетки» кварцу, розташовані «цугом» на рівній відстані один від одного. Таблетки мають діаметр близько 10 і товщину близько 1 мм. Сигнальний кабель виходить з торця труби через герметизуючий кляп з полімерного герметика.

2. Порівняння характеристик надійності

Почавши займатися проблемою автоматичного дорожнього зважування 20 ... 25 років тому, швейцарська фірма «Кистлер», що спеціалізувалася на розробці і виробництві пьезочувствітельних датчиків, створила лінійний дорожній датчик на основі кварцових елементів, міцно влаштувавшись на світовому ринку. Виявилося, що датчики здатні забезпечувати похибка вимірювання осьових навантажень вантажівок в межах ± 10% і повної маси ± 5% відповідно в діапазоні швидкостей від 10 до 150 км / год.

Тим часом, в Росії в кризовому 2009 р, фірмою «Тензо-М» був розроблений свій лінійний датчик для автоматичного дорожнього вагового контролю. У складі комплексів «СВК» протягом 4 років ці датчики успішно працюють більш, ніж на 20 смугах руху швидкісних постів вагового контролю. Принцип роботи цих дорожніх вагових датчиків тензометричний. Тобто той же самий, що і в сотнях тисяч промислових ваг у всіх, без винятку, галузях промисловості, сільського господарства і транспорту Росії, Європи і всього світу, включаючи автомобілебудування і дорожнє будівництво. Таким чином, створилася конкретна можливість для здійснення імпортозаміщення.

Абстрагуючись від національності розробників і виробників, а також емоцій, розглянемо в табличній послідовності технічні та експлуатаційні характеристики дорожніх датчиків обох типів (Таблиця 1).

Таблиця 1. * Е2ТС - еталонне двовісне транспортний засіб

2.1. корозійна стійкість

Не тільки майстру дедукції Шерлоку Холмсу, але і простим інженерам ясно, що датчик з нержавіючої сталі більш стійкий до корозійного впливу антігололедних сумішей, ніж датчик з алюмінієвого сплаву. Це підтверджується величинами електрохімічного потенціалу цих матеріалів, що визначає їх стійкість до корозії. У алюмінієвих сплавів він втричі нижче

2.2. механічна міцність

Межа міцності у стали також втричі вище, ніж у алюмінієвих сплавів, а значить, сталеві тензометричні дорожні датчики витримають великі осьові навантаження великовантажних автомобільних транспортних засобів (АТС) - порушників, відсоток яких і ступінь перевантаження в Росії істотно вище, ніж в Європі. Там, де напрацьовувався багаторічний позитивний досвід експлуатації п'єзодатчиків. Надалі, з падінням частки порушників в загальному потоці вантажних АТС, допустима циклічна напрацювання у сталевих датчиків буде на кілька мільйонів циклів вище. А це, при інтенсивності руху, скажімо, 2 000 вантажних автомобілів на добу, зайвих 2 ... 3 роки експлуатації комплексу!

2.3. Герметичність внутрішніх порожнин

На жаль, дорожні реагенти можуть призвести не тільки до корозії дорожніх датчиків, а й агресивно сприяють проникненню вологи в їх внутрішні порожнини - до тензорезисторами або кварцовим «таблеткам». Волога призводить до падіння опору ізоляції, збільшення витоків струму і, як наслідок, до виникнення додаткових похибок вимірювань. Тут-то і проявляється необхідність надійного захисту внутрішніх порожнин і контролю їх герметичності.

Герметичність дорожніх тензорезисторних датчиків забезпечується самим надійним з відомих на сьогодні методів - лазерним зварюванням, а перевірка її якості виконується з використанням мас-спектрометричного детектора шукаємо. Вимірюється витік має порядок нановелічіни і, як правило, істотно нижче граничної величини 1х10Е-9 (однієї десятої мільярдної частки), що гарантує датчику 10 років безперебійної роботи в умовах тропічної вологості або прямого контакту з розсолом або соляним туманом.

Важко уявити собі, як можна домогтися такого високого ступеня герметичності у п'єзоелектричних дорожніх датчиків, де розчин дорожньої солі прагне просочитися всередину по межі поділу «корродіруют алюмінієвий сплав - старіючий полімерний герметик»? І як перевірити якість герметизації кожного датчика при випуску його з виробництва, з огляду на відсутність на його корпусі спеціальних контрольних технологічних елементів?

3. Порівняння експлуатаційних характеристик

Включені до Державного Реєстру засобів вимірювань комплекси автоматичного весогабарітнимі контролю, побудовані на основі датчиків п'єзоелектричного або тензометрического типів, мають однакові метрологічні характеристики, що відповідають вимогам Росавтодора [4]. У той же час, різні принципи вимірів відкривають різні нові можливості при виконанні вимірювань.

Звісно ж, що важливим параметром систем в недалекому майбутньому буде мінімальна швидкість зважування. У переважної більшості включених до Реєстру автоматичних комплексів вона дорівнює 10 км / год. Результати вимірювання осьових навантажень при меншій швидкості, навіть якщо вони можуть бути отримані, будуть вважатися нелегітимними.

Принцип вимірювання і обробки інформації про величину осьового навантаження п'єзоелектричних датчиків при повільному додатку навантаження (проїзді колеса по датчику з малою швидкістю) не працює. Для тензорезисторного датчика швидкість програми осьового навантаження в діапазоні швидкостей від 0,1 до 150 км / год ролі не грає. Більш того, електроніка обробить сигнал, навіть якщо колесо просто зупиниться над датчиком на деякий час.

Це властивість тензодатчика дозволяє реалізувати ще одну недоступну «пьезособрату» спрощує процедуру калібрування і повірки системи можливість - повірки еталонними гирями класу М1 по ГОСТ OIML R-111-1-2009, що обіцяє в перспективі можливість істотного підвищення точності роботи комплексів при зважуванні на малих швидкостях .

На закінчення логічно розглянути питання вартості лінійних дорожніх датчиків розглянутих типів. Виявляється, їх ціна в перерахунку на погонний метр довжини, була практично однаковою. На момент написання статті Євро «підріс» і крихке рівність цін порушилося. Слід нагадати, що компанія «Тензо-М», яка розробила і виробляє серійно дорожні тензодатчики, знаходиться в Підмосков'ї, а не в Західній Європі. Ступінь локалізації виробництва перевищує 85%, тому рублеві ціни на продукцію практично не залежать від «погоди» на валютному ринку.

З результатів аналізу, проведеного в статті видно, що крім суб'єктивних, ні інших причин для вибору імпортних п'єзодатчиків для автоматичного вагового контролю. Ми пам'ятаємо відому народну приказку «немає пророка в своїй вітчизні». Однак, є вже чимало прикладів державного підходу до витрачання державних грошей - зобов'язали адже, наприклад, більшість чиновників їздити на службових автомобілях вітчизняного складання!

Давайте відроджувати Росію разом!

література:

1. Weigt-in-motion Handbook. ASTM WIM System Classification, USA

2. Сенянскій М.В. Імпортозаміщення у ваговому контролі - «Дороги Євразії», №1, 2015 р

3. Годзіковскій В.А., Сенянскій М.В. Які датчики перспективніше? - стаття в журнал «Автомобільні дороги» (у пресі), 2015 р

4. Технічні вимоги до обладнання комплексів весогабарітнимі контролю на автомобільних дорогах загального користування федерального значення. Додаток до листа Росавтодора від 08.08.2013 р