УДК 681.518.3.629.7.015.3
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ И УПРАВЛЯЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ АЭРОДИНАМИКИ
Ю. К. Блокин-Мечталин
Многофункциональный измерительно-вычислительный и управляющий комплекс магистрально-модульной архитектуры разработан в международном стандарте УМЕ и применяется для экспериментальной аэродинамики. Описаны принципы построения, функциональные возможности и технические характеристики основных измерительных модулей комплекса. Приведены характеристики комплекса в целом и его особенности. Ключевые слова: магистрально-модульные системы, измерительно-вычислительный и управляющий комплекс в стандарте УИБ, измерительные модули комплекса.
Современный аэродинамический эксперимент — это сложный, дорогостоящий вид исследований с повышенными требованиями к точности, информативности и экономичности, а также к измерительному, вычислительному и управляющему оборудованию аэродинамической установки.
В целях экономии эксперимент должен выполняться в автоматическом режиме измерений и управления: воздушным потоком аэродинамической трубы (АДТ),
положением модели летательного аппарата (ЛА), элементами его механизации и оборудованием АДТ. В темпе эксперимента должны осуществляться обработка и контроль результатов измерений, обеспечиваться возможность оперативной коррекции программы эксперимента в процессе ее выполнения.
Разнообразие испытаний в АДТ моделей ЛА, варьирование требований по составу и количеству измеряемых величин, режимам измерений, алгоритмам обра-
10 _ ввпвогв & Буагетв • № 5.2010
ботки и формам представления данных обуславливают необходимость гибкого и оперативного изменения структуры и настройки оборудования информационно-измерительной и управляющей системы.
Реализация этих требований определяется архитектурой, функциональными возможностями и метрологическими характеристиками используемых измерительно-вычислительных и управляющих комплексов (ИВУК).
Совокупность показателей "многофункциональность — точность — быстродействие — унификация" определяет степень эффективности ИВУК. Противоречивость этих показателей определяет сложность решаемой задачи по созданию современных ИВУК для экспериментальной аэродинамики.
Развитие системных решений сложных комплексов измерительно-вычислительного и управляющего оборудования АДТ связано с использованием открытых магистрально-модульных мультипроцессорных систем автоматизации эксперимента.
Применение международных стандартов в области конструирования, архитектуры и программного обеспечения систем автоматизации позволяет реализовать высокую степень унификации и стандартизации создаваемого оборудования, а также совместимость с изделиями других фирм.
Совершенствование магистрально-модульных систем развивается в направлении мезонинной архитектуры построения модулей. На модуль-носитель устанавливается несколько различных функциональных плат-мезонинов. Меняя состав плат-мезонинов, пользователь имеет возможность комплектовать систему измерительными и управляющими устройствами для решения конкретных экспериментальных задач, что дает заметные экономические преимущества: при изменении числа и типа измерительных и управляющих каналов системы или их модернизации нет необходимости менять модуль (полностью меняют лишь мезонинные платы).
В ФГУП "ЦАГИ" совместно со специалистами Экспериментального завода научного приборостроения РАН (ФГУП ЭЗАН) разработан многофункциональный унифицированный измерительно-вычислительный и управляющий комплекс ИВК М2 [1] в международном стандарте УМЕ (ГОСТ Р МЭК 821—2000).
Комплекс ИВК М2 является аппаратной основой информационно-измерительных и управляющих систем нового поколения для комплексной автоматизации аэродинамического эксперимента [2] (рис. 1). Оборудование комплекса обеспечивает: — измерение нормированных и ненормированных сигналов первичных измерительных преобразователей и
Назначение
Автоматизация измерений и обработки информации
Управление
экспериментальными
установками
Мониторинг и диагностика оборудования
Особенности
I Высокая точность измерений
Многофункциональность
I Открытая архитектура
I Международный стандарт УМЕ
I Сертификат Госстандарта РФ
I Производство на заводе ЭЗАН
I Импортозамещающая продукция
Рис. 1. Измерительно-вычислительный и управляющий комплекс ИВК М2 _Датчики и Системы • № 5.2010
датчиков деформаций, сил, давлений, температуры, перемещений, сдвига фаз и других физических величин;
— измерение на постоянном токе и на несущей частоте статических и динамических сигналов тензорезис-торных, термометрических, частотных, фотоэлектронных, трансформаторных, пьезоэлектрических и других датчиков;
— аналоговую и цифровую фильтрацию сигналов датчиков;
— управление режимами измерений: коэффициентом усиления, полосой пропускания, полярностью и уровнем питания датчиков, разрядностью аналого-цифрового преобразования, скоростью измерения, балансировкой измерительных каналов;
— управление положением модели ЛА в АДТ, скоростью воздушного потока, числом Маха;
— управление технологическим оборудованием экспериментальной установки: исполнительными механизмами, задвижками, затворами, электродвигателями;
— мониторинг и диагностику технологического оборудования и контроль за безопасностью испытаний моделей в АДТ.
Отличительные особенности комплекса: многофункциональность; измерение сигналов в широком диапазоне частот; высокая точность измерений; унификация оборудования; открытая архитектура.
Комплекс ИВК М2 включает в свой состав встроенный в крейт (рамочную конструкцию) высокопроизводительный компьютерный модуль (УР9) и широкую номенклатуру измерительных, управляющих и интерфейсных модулей. Состав и количество модулей определяется видами исследований и особенностями экспериментальной установки.
Измерительные модули комплекса обеспечивают измерение сигналов практически всех видов первичных измерительных преобразователей и датчиков. Одним из основных методов измерений механических величин в экспериментальной аэродинамике является тензометрический метод. В состав комплекса входит семейство тензометрических аналого-цифровых усилителей-нормализаторов для измерения статических и динамических сигналов в широком диапазоне частот [3] (рис. 2). Другие модули комплекса аналогичного размера (УМЕ-би) различаются разъемами на лицевой панели и мезонинной архитектурой.
Суммарные аэродинамические нагрузки, действующие на модель ЛА в потоке АДТ, определяются с помощью многокомпонентных преобразователей силы — аэродинамических тензовесов [4]. Для измерения сигналов тензовесов разработан прецизионный шестика-нальный модуль АБСб.
Модуль ЛБСв построен на основе 2А-усредняющих аналого-цифровых преобразователей. Каждый канал модуля осуществляет питание тензорезисторного моста постоянным напряжением, выборку и усиление сигнала, преобразование в код и цифровую фильтрацию данных. Выбор коэффициента усиления, разрядности преобразования, частоты режекции (выделения) цифрового фильтра, эквивалентной частоте отсчетов, а также изменение полярности напряжения питания тензомос-та (с целью уменьшения погрешности измерения) осу-
Рис. 2. Модули цифровых тензометрических преобразователей
ществляется программно. В модуле автоматически выполняется самокалибровка преобразователей.
Применение в модуле ADC6 2Л-преобразователей с цифровым фильтром, формирование напряжения питания тензомоста и опорного напряжения преобразователя от общего эталонного источника, четырехпро-водная схема подключения тензомоста к источнику питания, стабилизирующая напряжение питания, измерение при разной полярности напряжения питания, самокалибровка и другие схемотехнические и алгоритмические решения позволили обеспечить высокую точность измерений в рабочем диапазоне частот.
Основные технические характеристики модуля ADC6
Число каналов...........................6
Диапазон измерения, В....................0...±2,5
Напряжение питания датчиков, В.............5; 10
Разрядность преобразования, бит.............16; 24
Частота отсчетов, эквивалентная частоте режекции
ФНЧ, Гц...............................2...1000
Основная погрешность в диапазоне входного сигнала ±10 мВ (в зависимости от частоты отсчетов 2...100 Гц), %............................0,01...0,1
Для измерения динамических процессов в диапазоне до 5 кГц при исследовании пульсаций давления в потоке, на поверхности и в каналах моделей ЛА, а также динамических деформаций, нагрузок, вибраций конструкций с помощью тензорезисторных, индуктивных и других датчиков, требующих питание переменным напряжением, разработан аналого-цифровой усилитель-нормализатор на несущей частоте — модуль ADC УНЧ [5].
Модуль ADC УНЧ формирует и стабилизирует синусоидальное напряжение питания измерительного моста датчика; в модуле осуществляются усиление, синхронное детектирование, фильтрация и аналого-цифровое преобразование сигнала, балансировка и калибровка измерительного канала.
Частота напряжения питания измерительного моста программно устанавливается в генераторе (синтезаторе) частоты в диапазоне 225...20 000 Гц. Для стабилизации амплитуды напряжения питания применена схема автоматического регулирования. С помощью входного мультиплексора выбирают режим измерений: сигнала датчика, нулевого или калибровочного сигнала. Последний формируется из напряжения питания измерительного моста. Компенсация сигнала, возникающая за счет резистивного и емкостного разбаланса измерительного канала, осуществляется с помощью двух цифровых программно управляемых потенциометров, один из которых компенсирует сдвиг сигнала, возникающий из-за разброса резистивных параметров, а другой (совместно с конденсатором) компенсирует фазовый сдвиг сигнала, возникающий за счет емкостных параметров измерительного моста и соединительных кабелей. Сигнал компенсации подается на предварительный усилитель модуля. Компенсация фазового сдвига осуществляется также смещением фазы сигнала управления демодулятором по отношению к фазе сигнала, сформированного из синусоидального напряжения несущей частоты в прямоугольное.
Частота и амплитуда с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.