книги из ГПНТБ / Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для измерения давления, температуры и скорости)

ния субъективных оценок экспериментатора и несинхронности

или несвоевременности измерений.

Целесообразность автоматизации процесса эксперимента оп­

ределяется:

1) необходимостью проведения исследований эксперименталь­ ных объектов при постоянных значениях физических параметров; 2) наличием установившейся методики исследования, требую­ щей для своей реализации строго определенной последователь­ ности в воздействии на элементы экспериментальной уста­

новки.

В первом случае задача решается применением устройств ав­ томатического регулирования, во втором — применением уст­ ройств программного управления. При программном управлении используются управляющие вычислительные машины, которые в сочетании с обрабатывающими машинами и средствами графи­ ческого представления результатов обработки измерений обра­ зуют замкнутый комплекс средств автматизации эксперимента, сбора и обработки информации.

Прогрессивным направлением в развитии эксперименталь­ ных исследований газовых потоков на определенном этапе раз­ вития аэромеханики становится не дальнейшее увеличение коли­ чества дорогостоящих и энергоемких экспериментальных соору­ жений или увеличение сменности работы существующих установок, а их более полное и эффективное использование, главным образом путем сокращения времени, потребного на проведение измерений, за счет повсеместного использования ав­ томатических систем сбора и преобразования информации.

На рис. 2.2 в качестве иллюстрации приведена блок-схема быстродействующей комплексной системы сбора и обработки данных испытаний в гиперзвуковой аэродинамической трубе [32]. Она может также обслуживать стенды для испытания компрессоров и стенды для изучения горения при сверхзвуковых скоростях. При этом используется информация многочисленных контрольно-измерительных приборов и датчиков, установленных на этих стендах. Система предназначена для обработки по вы­ бранным программам непрерывной цифровой информации дат­ чиков, накопления ее для последующей обработки, преобразо­ вания информации с помощью собственных арифметических вычислительных устройств и для выработки сигналов програм­ много управления.

Система сочетает преимущества аналоговых вычислительных машин непрерывного действия с высокой точностью и логиче­ ской гибкостью универсальных быстродействующих цифровых машин. Быстродействующее коммутирующее устройство вводит в систему непрерывные сигналы малого уровня от 128 датчиков. Эти сигналы преобразуются в 15-разрядные кодовые группы, обрабатываются и поступают в записывающие устройства или индикаторы; время коммутации преобразования и обработки со-

114

ставляет 18 мкс. Буквопечатающее устройство состоит из не­ скольких блоков, подключаемых и отключаемых в зависимости от объема информации. Для ввода программы могут использо­ ваться буквопечатающие аппараты, перфолента, магнитная лен­ та и электронно-лучевой индикатор.

Вычислительная машина может отключаться от контролируе­ мого объекта и использоваться для градуировки датчиков и

Рис. 2.2. Комплексная система управления и обработки данных испытаний в гиперзвуковой аэродинамической трубе:

1—испытываемый объект; 2—шкаф предварительных усилителей; 3—коммутатор; 4—выне­ сенный индикатор; 5—система памяти; б—стойки с основным электронным оборудовани­ ем; 7—буквопечатающие устройства; б—пульт с индикаторами

преобразователей, решения уравнений, связанных с научными исследованиями, или для анализа данных.

Система памяти имеет емкость 32784 кодовые группы, доста­ точную для накопления данных и оперативных программ, необ­ ходимых для обработки информации в реальном масштабе вре­ мени и выдачи конечных результатов в форме, приемлемой для записи и отображения.

Из трех установок для магнитной записи, образующих си­ стему памяти, одна служит для накопления и ввода программ и две для записи исходных и выходных данных и данных, исполь­ зуемых при независимой работе вычислительной машины.

Внастоящей главе приводятся некоторые сведения об ИИС

испециализированных аналоговых вычислительных устройствах, применявшихся при экспериментальных измерениях параметров газовых потоков. Для более глубокого изучения элементов изме­ рительно-вычислительных систем следует обратиться к специаль­ ным работам, например [4, 13, 18, 30].

115

2.2. УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ СБОРА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Существуют две разновидности систем сбора и преобразова­ ния аналоговой информации в цифровой вид, удобный для запо­ минания и машинной обработки. К первой относятся системы, в которых показания всех датчиков поступают во входные устрой­ ства (их роль выполняют аналоговые преобразователи) или в усилители, причем число входных устройств и усилителей равно числу датчиков. Затем один коммутатор подает преобразованные или усиленные аналоговые величины, чаще всего электрические напряжения, в аналого-цифровой преобразователь. Такие систе­ мы преобразуют информацию небольшого количества датчиков (условно, до 20). Примером таких систем являются описанные ниже преобразователь ЭЦП-24 и устройство ДИУ-4М.

Ко второй разновидности относятся системы, преобразующие показания нескольких десятков или сотен датчиков. В этом слу­ чае однотипные датчики объединяются в группы (например, тензорезисторы, терморезисторы, термопары, датчики давления). Показания некоторых датчиков поступают во входные устрой­ ства (мостовые схемы для тензорезисторов и терморезисторов, потенциометрические устройства для датчиков давления), пре­ образующие измеренную аналоговую величину (деформацию, температуру, давление) в электрическое напряжение, которое коммутатором первой ступени каждой группы подключается на вход усилителя, общего для всех датчиков в группе. Сигналы датчиков генераторного типа подаются на вход усилителей, ми­ нуя входные устройства. Усиленные сигналы поступают в анало­ го-цифровой преобразователь. "

Характерной особенностью систем второй разновидности яв­ ляется параллельная обработка показаний датчиков по несколь­ ким линиям преобразования, соответствующим числу групп дат­ чиков, и наличие двухступенчатой коммутации. Коммутаторы первой ступени осуществляют поочередное подключение датчи­ ков или входных устройств ко входу усилителя каждой группы. Эти коммутаторы, как правило, построены на электромеханиче­ ском принципе. Коммутаторы второй ступени расположены в аналого-цифровых преобразователях. В описанных ниже систе­ мах ДИУ-256/1 и ЭРА коммутаторы второй ступени выполнены на бесконтактном электронном принципе. В системе СИТ-ЦВС коммутатор второй ступени основан на электромеханическом принципе. В системе ДИУ-2 коммутатор второй ступени отсутст­ вует, а поочередное считывание кодов, записанных в четырех счетчиках, осуществляется по командам, вырабатываемым уст­ ройством синхронизации.

В системах ДИУ-256/1 и ДИУ-2 каждая группа датчиков име­ ет свой усилитель и усиленные сигналы поступают на вход ана­ лого-цифрового преобразователя. В системе СИТ-ЦВС коммута­ тор второй ступени расположен между четырьмя коммутаторами

116

первой ступени и общим для всей системы измерительным уси­ лителем постоянного тока.

В системе ЭРА усиленные сигналы последовательно из каж дой группы датчиков в порядке их номеров подключаются к од­ ноканальному АЦП при помощи коммутатора второй ступени. В системах ДИУ-256/1 и ДИУ-2 аналого-цифровой преобразова­

последовательно подключает каждую из четырех линий к обще­ му счетчику импульсов, а в системе ДИУ-2 каждая линия пре­ образования содержит свой счетчик и дешифратор импульсов, показания которых считываются одновременно.

2.2.1. Электронный цифровой преобразователь аналоговой величины в цифровой код ЭЦП-24

Электронный цифровой преобразователь ЭЦП-24 разработан на базе пневмоэлектрического преобразователя «давление — код» [10], в котором в качестве приемных элементов давления использованы измерительные элементы группового регистрирую­ щего манометра ГРМ-2, описанного в гл. I. В измерительных элементах ГРМ-2 давление, воспринимаемое сильфоном, преоб­ разуется во вращение измерительного валика, на который на­ винчивается гайка, растягивающая измерительную пружину. Пружина создает силу, уравновешивающую силу давления. Та­ ким образом, в измерительных элементах ГРМ осуществляется преобразование «давление —- число оборотов (или угол) — сила». Часть этого преобразования («давление — угол») исполь­ зуется в ЭЦП-24. Для преобразования «угол — цифровой код» на ГРМ устанавливаются многооборотные потенциометры, рото­ ры которых жестко сочленяются с измерительными валиками. При вращении измерительных валиков происходит преобразова­ ние «угол — омическое сопротивление — электрическое напря­ жение постоянного тока». Элементы, осуществляющие это пре­ образование, образуют входные устройства ЭЦП-24. Их число равно числу датчиков. Последняя ступень преобразования «на­ пряжение — цифровой код» осуществляется цифровым вольт­ метром. Описанный способ преобразования «угол — код» более прост по сравнению с прямым преобразованием угла поворота в цифровой код с помощью различных кодовых масок и контакт­ ных или бесконтактных преобразующих устройств. Этот способ позволяет максимально использовать серийно выпускаемые узлы и приборы (многооборотные потенциометры типа ППМЛ или ППМФ, цифровые вольтметры) и легко реализуется в измери­ тельных устройствах, имеющих выходной вал, число оборотов которого пропорционально измеряемой величине.

На рис. 2.3 приведена схема пневмоэлектрического преобра­ зователя «давление ■— код».

117'

Измерительный блок 1 содержит п измерительных элементов 8, углы поворота выходных валиков которых пропорциональны величинам измеряемых давлений. В блоке электромеханических преобразователей 2 размещены потенциометры, число которых равно числу измерительных элементов. Роторы потенциометров 9

и выходные валики измерительных элементов жестко связаны между собой.

Рис. 2. 3. Пневмоэлектрический преобразователь аналоговой ве­ личины (давления) в код:

^ измерительный блок; 2 'блок механических преобразователей' 3— коммутирующий блок; 4~преобразователь напряжения в код- 5—бу­ ферное запоминающее устройство: 6—перфоратор; 7—источник питания; 8 измерительные элементы; 9—ротор потенциометра; 10—вычислитель­ ная машина

Четырехплечевые мостовые схемы, собранные с общей парой постоянных плеч и с потенциометром в качестве переменного плеча в каждом мосте, обеспечивают преобразование «угол — омическое сопротивление — напряжение». Заданный порядок считывания показаний каждого моста обеспечивается комму­ тирующим блоком 3. Аналоговый сигнал в виде напряжения, пропорционального измеряемому давлению, поступает на вход аналого-цифрового преобразователя напряжения в код (поз. 4). Преобразованная информация накапливается в запоминающем устройстве 5, а затем поступает в перфоратор 6.

Преобразователь работает по принципу развертывающего преобразования. Наличие буферного запоминающего устройства (БЗУ) с параллельной записью повышает скорость отсчета и обеспечивает вывод информации как на носитель (перфоленту),

так и непосредственно в машину в темпе работы ее оперативно­ го запоминающего устройства (ОЗУ).

118

Применение прецизионных 20-оборотных потенциометров ППМЛ и цифрового вольтметра ВК7-10 обеспечивает высокую точность преобразования «давление — цифровой код».

Равное число измерительных элементов давления и потен­ циометров, жестко связанных друг с другом, обеспечивает од­ новременность преобразования и увеличение общего быстродей­ ствия. В некоторых разновидностях ЭЦП, используемых при оп­ ределении распределения давления по телам, обтекаемым газом, преобразуется до 400 аналоговых величин (давлений) в код.

2.2.2. Дискретное измерительное устройство ДИУ-4М

Устройство предназначено для автоматизации измерений пе­ ременных физических величин, например: сил, моментов или дав­ лений, действующих на элементы конструкции [25].

Блок-схема устройства приведена на рис. 2.4. Она содержит 16-канальную усилительную аппаратуру 2, коммутатор каналов 3, аналого-цифровой преобразователь 4, магнитное запоминающее устройство 5, печатающий механизм 7, перфоратор 10, блоки уп­ равления печатающим механизмом 6 и перфоратором 9, блок выбора адреса 8, блоки формирования 11 и контроля 12 импуль­ сов синхронизации.

В качестве преобразователей при измерении сил и моментов используются проволочные тензорезисторы 1, наклеенные на чув­ ствительные элементы и включенные в мостовые схемы. При из­ мерении давления используются индуктивные датчики ДМИ [28]. Для усиления сигналов преобразователей применяется усили­ тельная аппаратура на несущей частоте 8-АНЧ-20.

Коммутатор каналов построен на транзисторных ключах и электромеханических реле. Он обеспечивает коммутацию сигна­ лов как в статическом режиме, когда ко входу АЦП подключа­ ется на длительное время любой из усилителей, так и в дина­ мическом режиме или режиме автоматического измерения, когда ко входу АЦП подключаются последовательно 16 каналов уси­ лителей. Диапазон коммутируемых сигналов 0 . .. —4 В. Управ-

119

ленне коммутатором осуществляется от блока выбора адреса

БВА.

АЦП построен по схеме поразрядного уравновешивания. Преобразователь содержит следующие узлы: счетчик импуль­ сов разрядов, диодный дешифратор, триггерный регистр со схе­ мой управления, генератор контрольного напряжения, нуль-ор­ ган, блок индикации, устройство калибровки и устройство конт­ роля нуля.

Рис. 2.4. Блок-схема дискретного измерительного уст­ ройства ДИУ-4М:

МЗУ является промежуточным звеном, обеспечивающим возможность проведения измерения быстроменяющихся величин с последующим выводом записанной информации на медленно действующие регистрирующие устройства, в качестве которых используются цифропечатающий механизм БПМ-20 и перфора­ тор ПЛ-20.

В качестве носителя информации в МЗУ использован магнит­ ный барабан МБ, обладающий большой емкостью памяти и вы­ соким уровнем записываемых на нем сигналов. Емкость МЗУ равна 2560 12-разрядных двоично-десятичных чисел. Максималь­ ная скорость ввода информации около 3200 чисел в секунду. Максимальное время ожидания начала регистрации в МЗУ рав­ на 43 мс.

Блок выбора адреса БВА предназначен для выбора адреса ячеек МБ при записи и считывании информации, а также для управления коммутатором каналов. БВА обеспечивает возмож­ ность автоматической записи информации на все дорожки или

120

на какую-либо одну дорожку МБ со скоростями 100, 200, 400, 800, 1600 чисел в секунду, считывание информации на перфора­ тор или цифропечатающее устройство, стирание информации с МБ, подключение любого канала к АЦП и индикацию его по­ казаний на цифровом табло.

Блоки формирования и контроля импульсов синхронизации БФИС и БКИС предназначены для нанесения адресных импуль­ сов МБ и периодического контроля их числа. БФИС содержит генератор тактовой частоты и пересчетные схемы, с помощью которых формируются импульсы синхронизации МБ: начала, чи­ сел и разрядов. БКИС содержит схемы совпадения и усилители с индикаторами числа импульсов синхронизации. В режиме ав­ томатического измерения сигналы с выхода усилителей подклю­ чаются к АЦП с помощью транзисторных ключей и после пре­ образования в цифровую форму записываются на МБ в виде последовательных 12-разрядных кодов. В статическом режиме, используемом для балансировки и градуировки датчиков, соот­ ветствующий усилитель подключается к АЦП с помощью элект­ ромагнитных реле коммутатора каналов и информация с реги­ стра АЦП подается на цифровые индикаторы.

Блок управления печатающим устройством БУПч предназна­ чен для вывода кодов и их адресов на цифропечатающий меха­ низм. На бумажной ленте печатающего механизма регистриру­ ются значения измеряемых величин, номер дорожки МБ, номер канала и номер отсчета.

Блок управления перфоратором БУПл предназначен для вы­ вода кодов из МЗУ на перфоратор Пл-20. На перфоленте теле­ графного типа с пятью дорожками регистрируются только коды измеряемых величин. Четыре дорожки используются для реги­ страции двоично-десятичного кода, а по пятой дорожке регист­ рируется признак числа. БУПл состоит из двоичного четырех­ разрядного счетчика, дешифратора, схем перевода кода 2-4-2-1 в код 8-4-2-1, схем совпадения и элементов управления электро­ магнитами перфоратора.

Основные технические характеристики ДИУ-4М

121

2.2.3. Дискретное измерительное устройство ДИУ-2

Устройство ДИУ-2 (рис. 2.5) построено по четырехканальной схеме [26]. Датчики 2, обслуживаемые устройством, разбива­ ются на четыре группы: Д 1, Д2, ДЗ, Д4 (по 58 однотипных дат­ чиков в каждой группе) и подключаются к входным устройст­ вам 3. Коммутаторы групп 4 поочередно подключают входные устройства к измерительным усилителям 6. Используются усили-

Рис. 2.5. Блок-схема дискретного измерительного устройства ДИУ-2:

1—объект; 2—«датчики; 3—входные устройства; 4—коммутаторы датчиков; 5— генератор' несущей частоты; 6—усилители; 7 — нуль-органы; 8—вентили; 9— счетчики; 10—дешифраторы; 11—быстродействующий печатающий механизм; 12—устройство синхронизации; 13—генератор контрольных напряжений; 14—ге­ нератор импульсов; 15—счетчик времени; 16—дешифратор счетчика времени;

/7—устройство управления; 18—выносной пульт управления

тели на несущей частоте для усиления сигналов измерительных тензометрических мостов и усилители постоянного тока для усиления сигналов термопар. Усиленные сигналы датчиков пода­ ются на нуль-органы 7, где они сравниваются со ступенчато нарастающим напряжением, вырабатываемым генератором конт­ рольного напряжения 13. Генератор ГКН управляется импульса­ ми генератора импульсов 14. Каждому импульсу ГИ соответст­ вует увеличение контрольного напряжения на одну и ту же величину — единицу дискретности. В качестве нуль-органа ис­ пользуется усилитель постоянного тока с симметричным входом и однотактным выходом.

ГКН состоит из семиразрядного двоичного счетчика и преоб­ разователя кода в пропорциональное напряжение. При запуске ГКН импульсы с ГИ через вентили 8, управляемые нуль-органа­

122