Аппаратно-программный комплекс для измерения давления в импульсной гиперзвуковой аэродинамической трубе ИТ-1М Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 533.6.071.3

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ИМПУЛЬСНОЙ ГИПЕРЗВУКОВОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ ИТ-1М

И.В. Апевалов, И. А. Дёма, С. А. Яшков

Представлено описание разработанного аппаратно-программного комплекса измерения давления на основе малогабаритных индуктивных датчиков давления и преобразователя Ь-СЛКО Е14-440 для обеспечения экспериментальных исследований аэродинамических характеристик моделей в импульсной гиперзвуковой аэродинамической трубе ИТ-1М. Аппаратно-программный комплекс позволяет производить измерение и регистрацию давления на поверхности моделей гиперзвуковых летательных аппаратов в аэродинамической трубе ИТ-1М, а также определять параметры набегающего потока.

Ключевые слова: аппаратно-программный комплекс, измерение давления, малогабаритные индуктивные датчики давления, аэродинамическая труба, экспериментальные исследования.

Импульсные трубы широко используются для моделирования аэродинамических явлений при больших числах Маха (М). Лабораторно-экспериментальные установки такого типа позволяют получить гиперзвуковые потоки с числом М = 20 и достичь давления торможения до 3000 кгс/см2. В настоящее время в импульсных трубах получают наиболее надежные данные по исследованию обтекания потоком гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЗЛА).

Для обеспечения исследований аэродинамических характеристик ГЗЛА в импульсных трубах возникает вопрос разработки, внедрения и использования системы измерения, учитывающей кратковременность процесса обтекания. Одним из параметров, характеризующим параметры обтекания, является распределение давления на поверхности модели [1].

В данной статье представлены результаты разработки, внедрения и применения системы измерения давления на поверхности моделей ГЗЛА с помощью аппаратно-программного комплекса (АПК), включающего в свой состав следующие приборы.

1. Датчики давления дифференциальные малогабаритные индуктивные (ДМИ).

2. Тензометрический датчик давления в разрядной камере (ДДРК).

3. Преобразователь напряжений E14-440 компании L-Card.

4. Устройство сопряжения и аналоговой настройки датчиков.

5. Персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ).

6. Программный комплекс, выполненный в среде графического программирования LabVIEW.

Структурная схема АПК в составе ИТ-1М представлена на рис. 1.

Для проведения экспериментальных исследований использовалась модель конуса с геометрическими размерами, представленными на рис. 2.

Модель гиперзвукового летательного аппарата

Импульсная гиперзвуковая труба ИТ-1М

Устройство сопряжения и аналоговой настройки датчиков

Преобразователь

напряжений E14-440 L-CARD

Аппаратно-программный комплекс

1

Интерфейс USB

ПЭВМ

Аппаратная часть

Виртуальный прибор обработки результатов измерений

Виртуальный прибор генератора опорного синусоидального напряжения

Виртуальный прибор регистрации измерений

Виртуальный прибор синхронного сбора данных

Виртуальные приборы отображения результатов измерений

Виртуальный прибор управления запуском

Драйвер Lcomp.dll

Программный комплекс

Библиотека lusbapi

Программная часть

Рис. 1. Структурная схема АПК в составе ИТ-1М

г П

Рис. 2. Основные геометрические размеры модели

Измерение давления на поверхности модели производилось датчиками ДМИ, которые предназначены для измерения мгновенных значений пульсаций давления нейтральных газов при аэродинамических испытаниях. Эти датчики характеризуются малыми размерами, простотой установки в модели, а также относительно невысоким ценовым диапазоном. Схема размещения датчиков ДМИ в модели и её крепление на пилоне в рабочей части ИТ-1М представлена на рис. 3. Характеристики датчиков ДМИ представлены в табл. 1.

ДМИ-2 ДМИ-1

а б

Рис. 3. Схема размещения датчиков в модели (а) и её крепления на пилоне в рабочей части ИТ-1М (б)

Таблица 1

Технические характеристики датчиков ДМИ_

Наименование параметра Характеристика

Диапазон измерения, Рном, кгс/см2 ±1

Питание: - напряжение, В - частота, кГц - допустимый ток, мА, не более от 2 до 5 от 3 до 15 15

Напряжение разбаланса моста при Рномин, мВ, не менее 20

Погрешность датчика от диапазона измерения, %: - при нормальных условиях, не более - при температурах минус 600С и +1000С, не более ±3 ±7

Датчик виброустойчив и вибропрочен при воздействии ускорения, не более: - частота вибрации, Гц - амплитуда вибрации, мм, не более 20 10...600 1

Для измерения давления в разрядной камере использовался тензо-метрический датчик давления, выполненный по мостовой схеме, устанавливаемый в разрядной камере (рис. 4). В табл. 2 приведены технические характеристики.

Рис. 4. Внешний вид тензометрического ДДРК

260

Таблица 2

Технические характеристики тензометрического ДДРК_

Наименование Значение

Напряжение 5В

Давление в разрядной камере, Р 0... 1500 кгс/см2

Мембрана датчика толщина 3 мм

Материал сталь

Основные технические характеристики импульсной гиперзвуковой аэродинамической трубы ИТ-1М представлены в табл. 3.

Таблица 3

Основные характеристики _ИТ-1М _

Наименование Обозначение Величина

Начальное статическое давление в рабочей части перед пуском р® ~ 200 Па

Продолжительность установившегося течения т ~20-мс

Число Маха М 15 - 18

Число Рейнольдса Яе (1,5 - 0,8)104

Характеристики разрядной камеры:

- рабочий газ азот

- объем разрядной камеры О 100 см3

- начальное давление газа в камере перед пуском рн 90 - 150-105Па

Параметры в разрядной камере при пуске:

- давление р01 -1000-105 Па

- температура Т01 -2000К

Перед проведением эксперимента по замеру давления на поверхности модели проводится тарировка датчиков. По результатам тарировки строятся зависимости и вычисляются функции преобразования давления в напряжение. Зависимость давления от измеряемого напряжения при тарировке датчиков представлена на рис. 5. Тарировка датчиков производилась с помощью тарировочной станции. Датчик давления в разрядной камере тарирован с помощью специального гидравлического стенда.

Напряженпе,

а

Напряжение, б

Рис. 5. Тарировочные характеристика и функции датчиков ДМИ

Для подключения датчиков ДМИ к преобразователю Е14-440 разработано устройство сопряжения и аналоговой настройки электрическая схема которого изображена на рис. 6.

261

настройки

Питание датчиков ДМИ осуществляется с выходов цифро-аналогового преобразователя, входящего в состав преобразователя напряжений E14-440, с частотой f = 4,768 кГц и амплитудой A = 2 В. Питание ДДРК осуществляется также с аналогового выхода + 5 В преобразователя напряжений E14-440. Для настройки датчиков ДМИ используются потенциометры R1 и R2 номиналом 10 Ом. Измерение напряжений с датчиков осуществляется через конденсаторы С1 и С2 емкостью 680 мкФ преобразователем E14-440.

Преобразователь E14-440 является современным универсальным программно-аппаратным устройством для использования со стандартной последовательной шиной USB и предназначен для построения многоканальных измерительных систем ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в составе ПЭВМ. Преобразователь Е14-440 внесен в Государственный реестр средств измерений.

Преобразователь E14-440 обладает следующими основными функциональными характеристиками:

- цифровой сигнальный процессор ADSP-2185M фирмы Analog Devices с тактовой частотой работы 48 МГц;

- 16 дифференциальных каналов или 32 канала с общей землей для аналогового ввода с возможностью автоматической корректировки данных;

- максимальная частота работы АЦП 400 кГц;

- два входа для внешней цифровой синхронизации ввода аналоговых сигналов;

- порт цифрового ввода/вывода, имеющий 16 входных и 16 выходных линий;

- два канала аналогового вывода ЦАП с максимальной суммарной частотой 125 кГц;

- максимальная пропускная способность по шине USB - не более 500 кСлов/с.

Программный комплекс выполнен в среде графического программирования LabVIEW, которая представляет собой среду прикладного графического программирования, используемую в качестве стандартного инструмента для проведения измерений, анализа их данных и последующего управления приборами и исследуемыми объектами. ПЭВМ, оснащенная измерительно-управляющей аппаратной частью и LabVIEW, позволяет полностью автоматизировать процесс физических исследований. Создание любой программы отличается большой простотой, поскольку исключает множество синтаксических деталей [2].

В интерфейсе программного комплекса содержится 5 режимов работы:

1. Параметры инициализации.

2. Контроль напряжения.

3. Тарировка.

4. Давление.

5. Чтение измерений из файла.

В режиме «Параметры инициализации» пользователь может настроить параметры АЦП и ЦАП, выбрать частоту и амплитуда питающего напряжения, а также контролировать ошибки программы и аппаратной части комплекса.

В режиме «Контроль напряжения» контролируется напряжение с датчиков и совместно с режимом «Тарировка» используется для записи контрольных точек и вывода тарировочных характеристик.

На рис. 7 представлены лицевые панели разработанного программного комплекса в режимах «измерение» и «тарировка».

а б

Рис. 7. Лицевые панели программного комплекса в режимах «измерение» (а) и «тарировка» (б)

Для запуска ИТ-1М в режиме «Давление» необходимо нажать клавишу «ЗАПУСК ИТ-1М» после чего с цифровой линии преобразователя подается логическая «1» на реле, которое замыкает кнопку включения аналогового пульта ИТ-1М и происходит пробой электрической дуги в разрядной камере. В результате электрического разряда рабочий газ разогре-

263

вается до температуры порядка 2000 К и давление в разрядной камере возрастает до величины около 1000 кгс/см2, разрывается диафрагма и начинается истечение газа через коническое сопло в рабочую часть трубы. Запись параметров давлений происходит автоматически после нажатия клавиши «ЗАПУСК ИТ-1М» и заканчивается после установки параметров давления в первоначальное состояние. В режиме «Чтение измерений из файла» происходит воспроизведение записи эксперимента на цифровой осциллограмме, где представлены результаты измерения параметров давления в модели и разрядной камере [3].

На рис. 8, 9 представлены результаты проведения эксперимента.

Рис. 8. Измерение давления в критической точке (датчик ДМИ-1)

10,1054 -I I II II II I II II II II I II I II II II II I II II II II I II II II II II I II II II II I II II II II I II II II II I II II II II I II II 13:04:53,710 13:04:53,720 13:04:53,730 13:04:53,740 13:04:53,750 13:04:53,760 13:04:53,770 13:04:53,780 13:04:53,790 13:04:53,799

Time

Рис. 9. Измерение давления в разрядной камере

Разработанный АПК позволяет производить экспериментальные исследования по измерению давлений на поверхности моделей ГЗЛА в импульсной гиперзвуковой аэродинамической трубе ИТ-1М в автоматизированном режиме, используя интерфейс программного комплекса, а также производить чтение измерительной информации в графическом и цифровом видах в формате *tdms.

По результатам измерений выявлено, что длительность квазистационарного процесса обтекания модели гиперзвуковым потоком составляет 45 мс, максимальное значение давления в разрядной камере изменяется от 900...1400 кгс/см2 в зависимости от заряда конденсаторных батарей и начального давления азота в болоне, давление в критической точке исследуемой модели изменяется от 0,25.0,28 кгс/см2. Соответственно число М потока обтекания в импульсной гиперзвуковой аэродинамической трубе составляет от 16 до 18 [4].

Система замера давления на основе АПК позволяет определять величину давления в требуемых точках исследуемых моделей для верификации численных методов расчета аэродинамических характеристик существующих и перспективных моделей ГЗЛА, а также определять параметры набегающего потока в импульсной гиперзвуковой аэродинамической трубе ИТ-1М.

В настоящее время данный АПК модернизируется для измерения тепловых потоков (тепловой эксперимент) на поверхности модели и аэродинамических сил (весовой эксперимент).

Список литературы

1. Затолока В.В. Импульсные аэродинамические трубы. Новосибирск: Наука, 1986. 142 с.

2. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW 7 / под. ред. Бутырина П. А. М.: ДМК Пресс, 2005. 264 с.

3. Пашенцев В.Н., Струков Ю.Н. Измерительный комплекс на основе персонального компьютера и измерительных модулей: лабораторная работа. М.: МИФИ, 2009. 48 с.

4. Харитонов А.М. Техника и методы аэрофизического эксперимента. Методы и средства аэрофизических измерений. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. Ч. 2. 456 с.

Апевалов Игорь Владимирович, научный сотрудник, on_ge_goga@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Дёма Игорь Анатольевич, научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,

Яшков Сергей Алексеевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник лаборатории, yashkov. s@,inbox. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского

HARDWARE-PROGRAM COMPLEX MEASUREMENT OF PRESSURE IN PULSED HYPERSONIC AERODYNAMIC TUBE IT-1M

I. V. Apevalov, I.A. Dema, S.A. Yashkov 265

A description of the developed hardware-software complex for measuring pressure based on compact inductive pressure sensors and convector L-CARD E14-440 to provide experimental studies of the aerodynamic characteristics of models in a pulsed hypersonic aerodynamic tube IT-1M is presented. The hardware-software complex allows measuring pressure on the surface of hypersonic aircraft models in pulsed hypersonic aerodynamic tube IT-1M, as well as determining the flow parameters in the working section.

Key words: hardware-program complex, measurement of pressure, compact inductive pressure sensors, aerodynamic tube, experimental studies.

Apevalov Igor Vladimirovich, researcher, on ge gogaamail. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaysky,

Dema Igor Anatolievich, researcher, demaoaayandex. ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaysky,

Yashkov Sergey Alekseevich, senior researcher, candidate of technical sciences, yashkov.sainbox.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaysky