mirtrМир транспортаWorld of Transport and Transportation1992-3252Russian University of Transport (RUT)10.30932/1992-3252-2021-19-3-3mirtr-2131Research ArticleНАУКА И ТЕХНИКАSCIENCE AND ENGINEERINGФеррозонды в бортовых системах взвешивания большегрузных самосваловFluxgate Sensors for Onboard Weighing Systems of Heavy-Duty Dump TrucksНикишечкинА. П.NikishechkinA. P.

 кандидат технических наук, доцент кафедры компьютерных систем управления 

Москва 

Ph.D. (Eng), Associate Professor at the department of Computer Control Systems

Moscow

anatolij-petrovich@yandex.ruДубровинЛ. М.DubrovinL. M.

 старший преподаватель кафедры электроэнергетики транспорта  

Москва 

Senior Lecturer at the Department of Transport Electric Power Engineering

Moscow

wellew49@gmail.comДавыденкоВ. И.DavydenkoV. I.

 cтарший электромеханик технического центра автоматики и телемеханики

Москва 

Senior Electrician of Engineering Centre for Automation and Telemechanics

Moscow

vlad47mir@yandex.ruМГТУ «Станкин», МоскваРоссияMoscow State University of Technology (MSTU Stankin)Russian FederationРоссийский университета транспортаРоссияRussian University of TransportRussian FederationМосковская железная дорога – филиал ОАО «РЖД»РоссияMoscow Railway, a subsidiary of JSC Russian RailwaysRussian Federation2021280620211932532Copyright © Никишечкин А.П., Дубровин Л.М., Давыденко В.И., 20212021Никишечкин А.П., Дубровин Л.М., Давыденко В.И.Nikishechkin A.P., Dubrovin L.M., Davydenko V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2131

В статье приводится обзор результатов исследования авторами возможности использования напряжённости магнитного поля, создаваемой тяговыми двигателями постоянного тока, в качестве полезного сигнала, несущего информацию о массе перевозимого карьерным самосвалом груза.Целью исследований являлся поиск способа определить массу груза карьерного самосвала. В отличие от имеющихся бортовых систем взвешивания изучена возможность создания компактного автономного устройства, которое не требует встраивания датчиков в конструкцию и электрические цепи грузовика. Рассматриваются проблемы повышения эффективности измерительных устройств на базе феррозондовых преобразователей с целью использования их в качестве бортовых систем оценки массы груза. Увеличить чувствительность феррозонда можно за счёт увеличения как амплитудного, так и действующего значения напряжения, подаваемого на его обмотку возбуждения. Предлагаемая оригинальная схема запитки обмотки возбуждения феррозонда от генератора модулированных сигналов, выполненного на логических элементах, позволяет повысить напряжение, подаваемое на обмотку возбуждения феррозонда, без увеличения напряжения питания, за счёт увеличения выбросов напряжения на фронтах прямоугольных модулированных импульсов высокой частоты, а также за счёт резонансных явлений. Использование такого генератора исключает влияние обмотки возбуждения феррозонда на частоту генератора, так как рабочей частотой феррозонда становится частота модулирующих сигналов, которая остается неизменной. Повышение чувствительности даёт возможность устанавливать датчик в любом удобном месте кабины самосвала, а не в непосредственной близости от тяговых двигателей.Оценка массы груза осуществляется в процессе движения самосвала по контрольному участку пути. Показания снимаются с амперметра (миллиамперметра), шкала которого предварительно оттарирована в единицах массы. Измерения массы должны производиться при тех же режимах движения самосвала и с тем же расположением феррозонда, что и при тарировании шкалы измерительного прибора.Контрольный участок пути, на котором проводятся измерения, должен быть тем же или аналогичным тому, на котором тарировался измерительный прибор. Предлагаемое устройство отличается простотой использования, характеризуется малым потреблением энергии, компактно, не содержит дорогостоящих элементов и не требует тщательного обслуживания.

The article reviews the results of the authors’ research on the possibility of using the magnetic field strength generated by DC traction motors as a useful signal carrying information about weight of cargo transported by a mining dump truck.

The objective of the research was to find a way to determine weight of cargo carried by a mining dump truck. In contrast to the existing onboard weighing systems, it becomes possible to create a compact autonomous device that does not require integration of sensors into the body structure and electrical circuits of the truck.

Problems of increasing the efficiency of measuring devices based on fluxgate converters are considered with the view of using them as onboard systems for estimating cargo weight. The sensitivity of the fluxgate sensor can be increased by increasing both the amplitude and the effective value of the voltage applied to its excitation winding. The proposed original circuit for feeding the fluxgate sensor’s excitation winding from a modulated signal generator made on logical elements allows increasing the voltage supplied to the fluxgate sensor’s excitation winding without increasing the supply voltage, and by increasing voltage surges at the fronts of rectangular modulated high-frequency pulses, as well as due to resonant phenomena. The use of such a generator excludes the influence of the fluxgate sensor’s excitation winding on the generator frequency, since the frequency of modulating signals becomes the operating frequency of the fluxgate sensor, and it remains unchanged. The increased sensitivity makes it possible to install the sensor in any convenient place in the dump truck cab, and not in the immediate vicinity of traction motors.

Evaluation of cargo weight is carried out during movement of the dump truck along the control section of the road. The readings are taken from an ammeter (milliammeter), the scale of which is pre-calibrated in mass units. Measurements of mass should be carried out under the same modes of dump truck movement and with the same location of the fluxgate sensor as when calibrating the scale of the measuring device. The control section of the route on which the measurements are carried out must be the same or similar to the one on which the measuring device was calibrated.

The proposed device is distinguished by ease of use, is characterised by low energy consumption, is compact, does not contain expensive elements and does not require careful maintenance.

транспортбортовые системы взвешиваниямасса грузакарьерный самосвалтяговые двигатели постоянного токанапряжённость магнитного поляферрозондыtransportonboard weighing systemsload massmining dump truckDC traction motorsmagnetic field strengthfluxgate sensorReferencesФайнвлит М А , Ильвульдин Д Х Обоснование паспорта загрузки автосамосвалов HD-1200 и Cat-785 на Удачнинском ГОКе // Горный журнал - 2000 - № 7 - С 49–51Fainvlit, M. A., Ilvuldin, D. Kh. Substantiation of the loading specifications for HD-1200 and Cat-785 dump trucks at Udachninsky GOK [Obosnovanie pasporta zagruzki avtosamosvalov HD-1200 i Cat-785 na Udachinskom GOKe]. Gorniy Zhurnal, 2000, Iss. 7, pp. 49–51.Дьяков В А Транспортные машины и комплексы открытых разработок - М : Недра, 1986 - 344 сDyakov, V. A. Transport machines and opencast mining complexes [Transportnie mashiny i kompleksy otkrytykh razrabotok]. Moscow, Nedra publ., 1986, 344 p.Васильев М В Транспортные процессы и оборудование на карьерах - М : Недра, 1986 - 240 сVasiliev, M. V. Transport processes and equipment in quarries [Transportnie protsessy i oborudovanie na kar’erakh]. Moscow, Nedra publ., 1986, 240 p.Кулешов А А , Семёнов М А Эффективность и перспективы применения бортовых систем контроля загрузки и учёта работы карьерных автосамосвалов // Горные машины и электромеханика - 2000 - № 3 - С 35–38Kuleshov, A. A., Semyonov, M. A. Efficiency and prospects of application of onboard loading control systems and accounting for operation of mining dump trucks [Effektivnost i perspektivy primeneniya bortovykh system kontrolya zagruzki i ucheta raboty kar ’ernykh avtosamosvalov]. Gornie mashiny i elektromekhanika, 2000, Iss. 3, pp. 35–38.Семёнов М А , Большунова О М Повышение точности взвешивания массы груза в кузове карьерного автосамосвала // Горное оборудование и электромеханика – 2009 - № 9 - С 39–41Semyonov, M. A., Bolshunova, O. M. Improving the accuracy of weighing the cargo in the body of a dump truck [Povysehnie tochnosti vzveshivaniya massy gruza v kuzove kar’ernogo avtosamosvala]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2009, Iss. 9, pp. 39–41.Семёнов М А , Большунова О М Контроль загрузки карьерных автосамосвалов // Записки Горного института – СПб - 2008 - Т 178 - С 143–145Semyonov, M. A., Bolshunova, O. M. Control of loading of dump trucks [Kontrol zagruzki kar’ernykh avtosamosvalov]. Notes of the Mining Institute. St. Petersburg, 2008, Vol. 178, pp. 143–145.Руденко В А , Клебанов А Ф Опыт применения бортовых контроллеров на карьерных самосвалах «БелАЗ» // Горная промышленность - 2002 - № 6 - С 38–39Rudenko, V. A., Klebanov, A. F. Experience in the use of onboard controllers on dump trucks «BelAZ» [Opyt primeneniya bortovykh kontrollerov na kar’ernykh samosvalakh «BelAZ»]. Gornaya promyshlennost, 2002, Iss. 6, pp. 38–39.Афанасьев Ю В Феррозондовые приборы - Л: Энергоатомиздат, 1986 – 188 сAfanasyev, Yu. V. Fluxgate sensors [Ferrozondovie pribory]. Leningrad, Energoatomizdat publ., 1986, 188 p.Миловзоров В П Электромагнитные устройства автоматики - М : Высшая школа, 1974 - 414 сMilovzorov, V. P. Electromagnetic automation devices [Elektromagnitnie ustroistva avtomatiki]. Moscow, Vysshaya shkola publ., 1974, 414 p.Никишечкин А П , Дубровин Л М , Давыденко В И Двигатель постоянного тока как источник диагностической информации // Приборы и системы Управление, контроль, диагностика - 2016 - № 7 - С 53–58 [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/itemasp?id=26700269 Доступ 24.12.2020Nikishechkin, A. P., Dubrovin, L. M., Davydenko, V. I. DC motor as a source of diagnostic information [Dvigatel postoyannogo toka kak istochnik diagnosticheskoi informatsii]. Pribory i sistemy. Upravlenie, control, diagnostika, 2016, Iss. 7, pp. 53–58. [Electronic resource]: https://elibrary.ru/item.asp?id=26700269. Last accessed 24.12.2020.Никишечкин А П , Дубровин Л М , Давыденко В И Измерение массы груза подъёмно-транспортных устройств по параметрам магнитного поля, создаваемого двигателем постоянного тока // Вестник МГТУ «Станкин» - 2016 - № 1 - С 64–67Nikishechkin, A. P., Dubrovin, L. M., Davydenko, V. I. Measurement of the mass of the load of hoisting-andtransport devices by the parameters of the magnetic field generated by DC motor [Izmerenie massy gruza pod’emnotransportnykh ustroistv po parametram magnitnogo polya, sozdavaemogo dvigatelem postoyannogo toka]. Vestnik MGTU Stankin, 2016, Iss. 1, pp. 64–67.Никишечкин А П , Дубровин Л М Оперативное определение силы резания по параметрам магнитного поля, создаваемого двигателем постоянного тока привода главного движения // Вестник МГТУ «Станкин» – 2015 - № 4 - С 42–45 [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=25286530 Доступ 24.12.2020Nikishechkin, A. P., Dubrovin, L. M. Operational identification of cutting force with the parameters of the magnetic field generated by DC motor of the main motion drive [Operativnoe opredelenie sily rezaniya poparametram magnitnogo polya, sozdavaemogo dvigatelem postoyannogo toka privoda glavnogo dvizheniya]. Vestnik MGTU Stankin, 2015, Iss. 4, pp. 42–45. [Electronic resource]: https://elibrary.ru/item.asp?id=25286530. Last accessed 24.12.2020.Баранова В Е Измерение слабого магнитного поля на основе феррозондового датчика / Дис… канд техн наук: 05 11 01 – Томск, 2015 – 134 сBaranova, V. E. Measurement of a weak magnetic field based on a fluxgate sensor. Ph.D. (Eng) thesis: 05.11.01 [Izmerenie slabogo magnitnogo polya na osnove ferrozondovogo datchika. Dis… kand. tekh. nauk: 05.11.01]. Tomsk, 2015, 134 p.Дубровин Л М , Никишечкин А П , Давыденко В И Способ оценки массы железнодорожного состава // Мир транспорта - 2016 - Т 14 - № 2 (63) - С 48–55 [Электронный ресурс]: https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/909/1185 Доступ 24.12.2020Dubrovin, L. M., Nikishechkin, A. P., Davydenko, V. I. A method for train weight estimation. World of Transport and Transportation, 2016, Vol. 14, Iss. 2 (63), pp. 48–55. [Electronic resource]: https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/909/1185. Last accessed 24.12.2020.Дубровин Л М , Никишечкин А П , Давыденко В И Повышение эффективности измерительных устройств на базе феррозондовых преобразователей // Приборы и системы Управление, контроль, диагностика - 2018 - № 2 - С 28–33 [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=32607744 Доступ 24.12.2020Dubrovin, L. M., Nikishechkin, A. P., Davydenko, V. I. Improving the efficiency of measuring devices based on flux-gate converters [Povyshenie effektivnosti izmeritelnykh ustroistv na baze ferrozondovykh preobrazovatelei]. Pribory i sistemy. Upravlenie, kontrol’, diagnostika, 2018, Iss. 2, pp. 28–33. [Electronic resource]: https://elibrary.ru/item.asp?id=32607744. Last accessed 24.12.2020.Никишечкин А П , Дубровин Л М , Давыденко В И Частотометрический способ построения измерительных устройств на базе феррозондового преобразователя // Вестник МГТУ «Станкин» - 2019 - № 4 (51) - С 28‒31 [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=41866485 Доступ 24.12.2020Nikishechkin, A. P., Dubrovin, L. M., Davydenko, V. I. Frequency-metric method of constructing measuring devices based on a fluxgate converter [Chastotometricheskiy sposob postroeniya izmeritelnykh ustroistv na baze ferrozondovogo preobrazovatelya]. Vestnik MGTU Stankin, 2019, Iss. 4 (51), pp. 28–31. [Electronic resource]: https://elibrary.ru/item.asp?id=41866485. Last accessed 24.12.2020.Пахомов П И , Каплина Т Ю Автоматическое взвешивание горной массы, перевозимой карьерным автотранспортом // Горный информационно-аналитический бюллетень - 2006 - № 5 - С 268–274 [Электронный ресурс]: https://elibrary ru/item asp?id=9484915 Доступ 24 12 2020Pakhomov, P. I., Kaplina, T. Yu. Automatic weighing of rock mass transported by a quarry vehicle [Avtomaticheskoe vzveshivanie gornoi massy, perevozimoi kar’ernym avtotransportom]. Gorniy informatsionno-analiticheskiy byulleten, 2006, Iss. 5, pp. 268–274. [Electronic resource]: https://elibrary.ru/item.asp?id=9484915. Last accessed 24.12.2020.Nelson, L J A load on the road Traffic Technol Int 2002 June-July [Электронный ресурс]: https://www.semanticscholar org/paper/A-LOAD-ON-THE-ROAD-Nelson/dc94ac717247ec58933f8687b96bb86097d86282 Доступ 24.12.2020Nelson, L. J. A load on the road. Traffic Technol. Int., 2002. June–July. [Electronic resource]: https://www.semanticscholar.org/paper/A-LOAD-ON-THE-ROAD-Nelson/dc94ac717247ec58933f8687b96bb86097d86282. Last accessed 24.12.2020.Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Gewichts der Masse eines Fahrzeugs Заявка 19963402 Германия, G 01 G19/08/ Ries-Mueller Klaus; Robert Bosch GmbH – № 19963402.5Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Gewichts der Masse eines Fahrzeugs. Appl. 19963402 Germany, G 01 G19/08/ Ries-Mueller Klaus; Robert Bosch GmbH, No. 19963402.5.Verfahren zur Feststellung der Gewichtsbelastung einer gegenueber dem Fahrzeugaufbau gefederten, luftbereiften Fahrzeugachse Заявка 10127567 Германия МПК7 В 60 Р 5/00%В 60 G 17/04 Ebert Joerg; BPW Bergische Achsen KG – N 10127567.6; Заявл 06 06 2001; Опубл 12.12.2002Verfahren zur Feststellung der Gewichtsbelastung einer gegenueber dem Fahrzeugaufbau gefederten, luftbereiften Fahrzeugachse. Appl. 10127567 Germany IPC7 В 60 Р 5/00%В 60 G 17/04 Ebert Joerg; BPW Bergische Achsen KG, No. 10127567.6; Appl. 06.06.2001; Publ. 12.12.2002.Lenz, J E A Review of Magnetic Sensors Proceeding of the IEEE, 1990, Vol 78, Iss 6, pp 973–989 DOI: 10.1109/5.56910Lenz, J. E. A Review of Magnetic Sensors. Proceeding of the IEEE, 1990, Vol. 78, Iss. 6, pp. 973–989. DOI: 10.1109/5.56910.Ripka, P Magnetic Sensors and Magnetometers Boston: Artech house, 2001, 494 pRipka, P. Magnetic Sensors and Magnetometers. Boston: Artech house, 2001, 494 p.Baschirotto, A , Dallago E , Ferr, M , Malcovati, P A 2D Micro-Fluxgate Earth Magnetic Field Measurement Systems with Fully Automated Acquisition Setup Measurement 2010, Vol 43 (1), pp 46–53 DOI: 10.1016/j.measurement.2009.06.007Baschirotto, A., Dallago E., Ferr, M., Malcovati, P. A 2D Micro-Fluxgate Earth Magnetic Field Measurement Systems with Fully Automated Acquisition Setup. Measurement, 2010, Vol. 43 (1), pp. 46–53. DOI: 10.1016/j.measurement.2009.06.007.Butta, M , Ripka, P Model for coil-less fluxgate Sensors and Actuators A: Physical, 2009, Vol 156, Iss 1, pp 269-273 DOI: 10.1016/j.sna.2009.08.026Butta, M., Ripka, P. Model for coil-less fluxgate. Sensors and Actuators A: Physical, 2009, Vol. 156, Iss. 1, pp. 269−273. DOI: 10.1016/j.sna.2009.08.026.Chong, Lei; Jian, Lei; Zhen, Yang; Tao, Wang; Yong, Zhou A low power micro fluxgate sensor with improved magnetic core Microsystem Technologies, 2012, Vol 19, Iss 4, pp 591–598 DOI: 10.1007/s00542-012-1669-8Chong, Lei; Jian, Lei; Zhen, Yang; Tao, Wang; Yong, Zhou. A low power micro fluxgate sensor with improved magnetic core. Microsystem Technologies, 2012, Vol. 19, Iss. 4, pp. 591–598. DOI: 10.1007/s00542-012-1669-8.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.