CC BY
29
УДК 620.1.05:531.57
НОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРИБАЛЛИСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В СТВОЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
В.Л. РУДЕНКО, О.Н. ПАЛЕХОВ, В.И. АБУШКЕВИЧ
Федеральное государственное унитарное предприятие "Нижнетагильский институт испытания металлов" (ФГУП НТИИМ), Нижний Тагил, Россия E-mail: iim @ mail.uraltelecom.ru
АННОТАЦИЯ. Разработан автономный электронный регистратор давления в каморе артиллерийской системы. Прибор в своем составе имеет пьезокварцевый датчик, электронную схему, источники питания и может работать в автономном режиме, будучи помещен перед выстрелом в зарядную камору орудия. Считывание информации осуществляется после выстрела путем подключения прибора через специальный интерфейс к персональному компьютеру, после извлечения прибора из зарядной каморы.
Развитие современных артиллерийских систем и боеприпасов идет по пути повышения их ТТХ, влияющих на уровень боевой эффективности [1]. Это в большей степени зависит от конструкции и функционирования зарядов боеприпасов. За последнее время конструкторами предложено несколько способов повышения огневой мощи применением нестандартных способов построения зарядной каморы орудий и орудий и объемного распределения метательного заряда (МЗ). Для подтверждения принятых конструкторских решений и математических моделей необходимо знать зависимость давления в каморе артиллерийской системы от времени.
До настоящего времени наиболее полную информацию о параметрах функционирования МЗ можно получить с помощью пьезокварцевых датчиков и станций измерения давления типа «Нейва». Но их применение связано с большими затратами по подготовке испытаний и поддержанию в рабочем состоянии датчиков и кабельного хозяйства. Первая часть затрат вызвана необходимостью доработки артиллерийских систем, в частности, путем сверления посадочных отверстий для установки пьезокварцевых датчиков. Вторая часть затрат связана с необходимостью постоянного контроля характеристик датчиков и соединительных кабелей, подверженных воздействию как внешних климатических факторов, так и разнообразных механических воздействий, сопровождающих выстрел.
Современный уровень развития электронной техники, высокая степень интеграции микросхем открывает новые возможности для создания миниатюрной радиоэлек-
тронной аппаратуры. Появилась возможность создания малогабаритного радиоэлектронного устройства, осуществляющего функции усиления, преобразования в цифровую форму и запоминания электрического сигнала с пьезокварцевого датчика при воздействии на него давления пороховых газов от сгорания пороховых газов. Прибор в своем составе имеет пьезокварцевый датчик, электронную схему, источники питания и может работать в автономном режиме, будучи помещен перед выстрелом в зарядную камору орудия. Считывание информации осуществляется после выстрела путем подключения прибора через специальный интерфейс к персональному компьютеру, после извлечения прибора из зарядной каморы.
Технические данные прибора - автономного электронного регистратора давле-
ния (ЭРД):
- диапазон измеряемых давлений, МПа, 0... 900;
- частота дискретизации, кГц, 200;
- разрядность АЦП, бит, 12;
- время регистрации, мс, не менее 40;
- максимальное время в режиме «Ожидание», час 72;
- время хранения информации после опыта, час, не менее 12;
- объем прибора, см3, не более 65;
- среднеквадратическая погрешность измерений давления, %:
до 800МПа 1,4;
от 800МПа до 900МПа 2,3.
Функциональная схема ЭРД приведена на рис. 1. В состав ЭРД входят: прибор ЭРД, блок согласования и компьютер.
Прибор ЭРД состоит из трех сменных узлов: датчика (Д), первичного источника питания (ПИП) и электронного модуля. Датчик вырабатывает электрический заряд под воздействием измеряемого давления. Первичный источник питания обеспечивает автономную работу прибора ЭРД в режимах ожидания и производства измерения. Электронный модуль является многофункциональным и работает следующим образом.
Первоначально в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) программ электронного модуля записывается информация о порядке и режимах работы прибора ЭРД. Данная информация формируется в компьютере с помощью программного обеспечения и передается в прибор ЭРД посредством адаптера связи К8-232.
В электронном модуле прибора ЭРД связь с компьютером обеспечивает универсальный асинхронный приемопередатчик (УАПП). Запись и считывание информации в ПЗУ программ производится с помощью микроконтроллера. Информация о времени срабатывания таймера (Т) хранится в перепрограммируемом постоянном запоминающем устройстве (ППЗУ) данных. Запись и считывание информации в ПЗУ данных производится с помощью микроконтроллера. Запуск таймера Т осуществляется микрокон-
НОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРИБАЛЛИСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В СТВОЛЬНЫХ
СИСТЕМАХ
о.
1 Л) с: 5
5
'5:
о 3 X У о а.
п; Ш о> 53 со
5
/Ч
С
т £
г
СО
О.
о
ю ^
о.
с:
х
X
о
а> сц со _о
74
а_ ш
с; §
н-X
о
о &
А А
3 ь
с
•з
^ г > аз
2 э-
с
. X
со х
СИ х ПГ
о
V V
сг
ГГ <
-Ж"
о >
со
"Ж-7ГГ
т
х:
О
о. о
с:
<Г
а
00
со
со +
Т
со
£1
а
с=
Рис. 1. Функциональная схема прибора ЭРД
троллером по команде, посылаемой компьютером. После запуска таймера Т прибор ЭРД переходит в автономный режим ожидания. В режиме ожидания электронные компоненты ЭРД переводятся в состояние пониженного энергопотребления за исключением вторичного источника питания (ВИП), генератора (Г), таймера Т и входного устройства согласования (ВУС).
По прошествии времени ожидания таймер Т вырабатывает сигнал перевода прибора ЭРД в режим готовности к регистрации. В этом режиме работают все электронные компоненты ЭРД за исключением ОЗУ, таймера Т и УАПП. Входное устройство согласования (ВУС) преобразует электрический заряд СЮ) с датчика давления Д в напряжение и(Х). Напряжение ио с выхода цифроаналогового преобразователя (ЦАП) задает нулевой уровень входного сигнала, что соответствует числовому значению N0 на выходе аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Уровень напряжения с выхода ВУС непрерывно сравнивается с пороговым напряжением Шор с помощью аналогового компаратора К. Пороговое напряжение Шор, формируемое ЦАП, определяет уровень, при превышении которого сигналом 11(1) компаратор К вырабатывает сигнал перевода прибора ЭРД в режим регистрации. В режиме готовности к регистрации микроконтроллер с частотой 0,8 Гц производит запуск АЦП и сохраняет во встроенной оперативной памяти результат преобразования, обеспечивая запоминание уровня сигнала с выхода схемы ВУС, предшествующее режиму регистрации сигнала. Низкая частота дискретизации в режиме готовности к регистрации уменьшает ток потребления от первичного источника питания ПИП.
При переходе в режим регистрации микроконтроллер настраивает АЦП для работы с использованием прямого доступа к оперативному запоминающему устройству (ОЗУ), тем самым, обеспечивая работу АЦП на высокой частоте дискретизации без вмешательства со стороны микроконтроллера. После запуска режима регистрации АЦП осуществляет непрерывное аналого-цифровое преобразование сигнала и(1:) в цифру и последовательную запись результатов преобразования в ОЗУ.
Остановка АЦП происходит при заполнении всего объема ОЗУ. После остановки АЦП микроконтроллер осуществляет копирование результатов измерения из ОЗУ в ППЗУ данных, для обеспечения их долгосрочного энергонезависимого хранения.
Считывание из прибора ЭРД результатов регистрации кривой давления осуществляется посредством блока согласования, компьютера и специального программного обеспечения. Прибор ЭРД переводится в режим считывания при помощи сигналов, формируемых блоком согласования, запуск режима считывания осуществляется по команде, передаваемой компьютером. В режиме считывания результатов измерения микроконтроллер осуществляет последовательное чтение информации из ППЗУ данных и передачу ее посредством УАПП на компьютер. Адаптер связи 118-232 блока согласования обеспечивает согласование уровней сигналов УАПП (0В и +5В) с уровнями сигналов интерфейса Я8-232С (минус 12В и +12В).
НОВЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРИБАЛЛИСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В СТВОЛЬНЫХ
СИСТЕМАХ
Питание ЭРД при автономной работе обеспечивается от первичного источника питания ПИП на основе литиевой батареи. Для выработки стабильного напряжения питания 3,3В в приборе ЭРД используется вторичный источник питания ВИП, использующий импульсный преобразователь напряжения с эффективностью преобразования более 90%.
Синхронизация микроконтроллера и других компонентов прибора ЭРД осуществляется генератором (Г), выполненным на основе стабильного кварцевого резонатора с частотой 32,768 кГц.
Для малогабаритного автономного электронного регистратора давления ЭРД-10000 была разработана специальная сталь с повышенными механическими характеристиками.
После испытания корпуса ЭРД на комплексное воздействие давления, температуры, эрозии в установке УДГ-10000 проведены испытания прибора ЭРД в полном составе с установленными в нем пьезокварцевым датчиком, электронным модулем, источником питания. На рис. 2. представлен график зависимости давления от времени, зарегистрированные прибором ЭРД на установке УДГ-10000.
Давление, МПа
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100
Время, мс
Рис. 2. График зависимости давления от времени, зарегистрированный прибором ЭРД на установке УДГ-10000
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. В.И. Наседкин. Состояние и перспективы развития ствольной артиллерии 21 века. Материалы научно-технической конференции «Наука - Образование - Производство», посвященной 60-летию Нижнетагильского технологического института УГТУ-УПИ. В Зт. Т.1: Наука и производство: опыт и перспективы развития. Нижний Тагил: НТИ (ф) ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. 253с.
SUMMARY. The autonomous electronic data recorder for pressure in cannon chamber is created. The recorder has piezoelectric sensor, electronic circuit and power source. The recorder can work in autonomous behaviour being at shot time in cannon chamber. The information read-out to PC does after shot using special interface.
