книги из ГПНТБ / Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для измерения давления, температуры и скорости)
.pdfкоммутирующие устройства, осуществляющие цикличе ское или программное подключение датчиков на вход измери тельной системы;
— аналого-цифровые преобразователи, осуществляющие из мерение и преобразование поступающих из коммутатора сигна лов в кодовые эквиваленты (двоичные и двоично-десятичные);
— устройства представления измерительной информации: цифровые регистрирующие, комбинированные аналого-цифровые, графические (эшорографы, самописцы), интегральные (мнемо схемы) ;
—индикаторные (отсчетные) цифровые устройства;
—логические устройства, предназначенные для сокращения избыточной информации путем регистрации результатов измере ния в моменты времени, соответствующие характерным точкам процесса;
—цифро-аналоговые преобразователи, выполняющие функ ции обратного преобразования цифровой информации в анало говую.
В качестве запоминающих устройств могут применяться маг
нитные ленты, барабаны, матрицы, перфораторы, |
кубы памяти |
и т. д. |
или систему |
Все перечисленные элементы образуют ИИС |
|
сбора и преобразования информации. |
|
Закодированная цифровая информация вводится в вычисли тельную мащину по прямым линиям связи или при помощи пер фокарт, перфолент, магнитных носителей информации. Для приема цифровой информации машина оборудована входными электромеханическими или фотоэлектрическими считывающими устройствами. В случаях, когда необходимо ввести в машину данные с графиков, используется преобразователь графической информации в цифровой код. Результаты вычислений выдаются потребителю в виде перфолент, таблиц цифровых значений или графиков, получаемых в устройствах вывода. Для этих целей используются перфораторы, автоматические печатающие маши ны, цифровые электронные, электронно-оптические и электролюминесцентные регистрирующие устройства, электромеханические, феррографические, электрохимические и электронные графиче ские устройства (графопостроители).
Насыщенность современных экспериментальных установок и объектов испытания средствами механизации, большой объем измерений и сложность управления экспериментом заставляют переходить от автоматизации сбора и обработки информации к автоматизации всего эксперимента [12]. При этом повышается эффективность исследований и производительность аэродинами ческих труб и экспериментальных установок, появляются воз можности для программирования серийного эксперимента, повы шается его экономичность благодаря ускорению темпа проведе ния, снижаются погрешности измерения вследствие исключе
на
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
тель имеет четыре параллельных линии |
преобразования, |
причем в первой из этих систем коммутатор |
второй ступени |
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.
|
Основные технические характеристики ЭЦП-24 |
|
||
Шкала |
в В .......................................................................................... |
|
0 . . . |
10 |
Погрешность в % ................................................................................. |
|
0,1 |
|
|
Число |
к а н а л о в .................................................................................... |
|
24 |
|
Емкость буферного ЗУ в десятичных разрядах . . . . |
75 |
|
||
Время |
опроса 24 каналов в |
с ....................................................... |
0,6 |
|
Время регистрации 24 каналов в с: |
|
|
||
П Л - 2 0 ............................................................................................... |
|
3,6 |
|
|
П Л - 8 0 ............................................................................................... |
|
1,0 |
|
|
Время ввода в ОЗУ типа «Днепр-1» информации по 24 ка |
|
|||
налам в |
с ....................................................................................................... |
|
0,75 |
|
Порог чувствительности в м |
В ....................................................... |
5,0 |
|
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:
/ —тензорезисторы- 2—16-канальный |
усилитель; 3—коммута |
тор каналов; 4—'аналого-цифровой |
преобразователь; 5—маг |
нитное запоминающее устройство; |
6--блок управления пе |
чатающим механизмом; 7—быстродействующий печатающий |
|
механизм; 8—блок выбора адреса; |
9—блок управления пер |
форатором; /tf—перфоратор; / / —блок формирования импуль |
|
сов синхронизации; 12—блок контроля импульсов синхрони |
|
зации |
|
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
Число измеряемых в ел и ч и н .............................................................. |
|
|
16 |
|
|
Время измерения одной величины вм |
с ........................................ |
0,25 |
|
||
Время опроса 16 величин в с |
................................................... |
|
0,01... |
0,16 |
|
Диапазон входных сигналов: |
|
|
|
|
|
без усилительной аппаратуры |
в |
В ...................................... |
0 . |
. . —4 |
|
с усилительной аппаратурой |
8-АНЧ-20 в мВ . . |
|
0 . . . |
1,5 |
|
Сопротивление тензодатчиков в О м |
............................................. |
|
100 . |
.. 600 |
|
Приведенная основная погрешность измерения и регистра |
|
|
|||
ции в % ......................................................................................... |
|
|
1 |
|
|
Емкость МЗУ в 12-разрядныхч и с л а х ......................................... |
|
2560 |
|
||
Допустимые изменения температуры окружающей среды в °С |
+10 |
... +35 |
|||
Напряжение питания в В ....................................................... |
|
|
|
220± 10% |
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