CC BY
320
608 с.
2. Коновалов А. А., Николаев Ю.В. Внешняя баллистика. М.: ЦНИИ информации, 1979. 228 с.
3. ГОСТ 20058-80 Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения.
Мельников Петр Николаевич, канд. техн. наук, вед. науч. сотр., peter@olvs.miee.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Терпигорев Михаил Александрович, канд. техн. наук, ст. науч. сотр., terpm@olvs.miee.ги, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
CALCULATIONS OF THE TRAJECTORY OF AN ARTILLERY PROJECTILE
P.N.Melnikov, M.A. Terpigorev
In the article the method of transition from the tabular method of calculating the trajectory of an artillery shell to the calculation of the trajectory of the projectile by the method of numerical integration of differential equations of tasks external ballistics.
Key words: artillery fire, calculating system.
Melnikov Peter Nikolaevich, candidate of technical science, leading researcher, peter@olvs.miee.ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology,
Terpigorev Micle Alexandrovich, candidate of technical science, senior researcher, terpm@olvs.miee.ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology
УДК 551.508.54
ОДНОПЛОСКОСТНОЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА
А.П. Панов, А.Н. Серов, И.Н. Мочегов
Рассмотрены основные методы измерения скорости ветра и предложена структурная схема одноплоскостного датчика скорости воздушного потока. Объяснены принципы функционирования датчика ветра. Приведены требования, предъявляемые к форме обтекателя. Представлены результаты моделирования и натурного испытания разработанного устройства.
Ключевые слова: дифференциальный датчик давления, анемометр, тензомо-
дуль.
На точность работы системы управления объектом специального назначения оказывает влияние множество факторов [1]. Одним из основ-
ных является скорость движения окружающего воздуха. Учёт поперечной составляющей скорости ветра существенно влияет на точность работы системы управления.
Устройства измерения скорости и направления ветра основываются на различных физических явлениях и представляют собой различные конструкции. Все методы можно разделить по физической идее на пять групп [2]:
- методы, основанные на использовании энергии потока (переменный перепад давлений; измерение крутящего момента; методы, использующие явление обтекания);
- тепловые методы (использующие измерение температуры нагретого тела, помещаемого в поток (термоанемометры); использующие измерение температуры потока, нагреваемого нагревателем (теплокалоримет-ры));
- методы, основанные на введении в поток невесомой метки и измерении ее скорости: (впрыскивание порции иного состава, цвета; намагничивание);
- акустические;
- корреляционные методы.
Самым простым является чашечный анемометр, где по скорости вращения ротора можно судить о скорости ветра. Усовершенствованные модели такого механического анемометра также могут показывать и направление движения воздуха.
Другим методом измерения скорости воздушного потока является тепловой метод. Приборы, в которых измеряемый сигнал является функцией тепла, рассеиваемого в контролируемую среду телом, нагреваемым электрическим источником энергии, относят к группе термоанемометров. Существует два способа измерения скорости потока термоанемометрами. При первом способе поддерживают постоянный ток, нагревающий термоэлемент, и измерение скорости потока связывают с измерением температуры термоэлемента. При втором способе током нагрева поддерживают постоянную температуру нити, вследствие чего происходит выделение необходимого компенсирующего количества тепла.
Наряду с популярными крыльчатыми анемометрами и термоанемометрами, большое распространение получили акустические и вихревые анемометры. Работа ультразвуковых приборов чаще всего основана на измерении разности времени прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Вихревые анемометры определяют скорость потока по частоте пульсаций давления, вызванных срывающимися вихрями, образующимися при обтекании датчика. Их преимуществами являются:
- отсутствие трущихся и движущихся деталей конструкции, что исключает износ;
- высокая точность измерения;
- высокая чувствительность;
Датчики, основанные на описанных способах измерения, не смотря на их плюсы, сложно применимы в тяжёлых условиях эксплуатации как природного характера (погодные осадки, низкие и высокие температуры), так и техногенного (большие механические нагрузки, ускорения, контакт с источниками широкополосных механических колебаний).
Предлагаемый в работе датчик ветра (рис. 1) по принципу действия можно отнести к классу напорных устройств измерения расхода (трубка Пито-Прандтля).
Рис. 1. Схема одноплоскостного датчика ветра: 1 - герметичный корпус; 2 - плата управления и обработки сигнала; 3 - электропривод затворов (электромагнит); 4 - шток; 5 - пружина сжатия; 6 - воздушный канал; 7 - затвор; 8 - выходной канал; 9 - входной канал; 10 - тензомодуль давления; 11 - обтекатель;
12 - разъём
При обдувании ветром любого тела возникает перепад давления на подветренной и тыльной сторонах устройства из-за преобразования части кинетической энергии потока в потенциальную. Это происходит за счёт торможения на поверхности частичек воздуха вследствие трения. Так как
объёмная плотность кинетической энергии потока
р}2
2 '
то давление на лобовой части будет больше на величину
АР = р}2, (1)
где к - коэффициент, определяемый геометрическими характеристиками внешней формы; р - плотность среды;} - скорость потока в выбранной точке поверхности.
Рассмотрим более подробно преобразование кинетической энергии потока в полезный сигнал. Чтобы увеличить амплитуду сигнала, в особенности при малых скоростях ветра, перепад измеряется относительно опорного давления, отбираемого с тыльной части датчика. Для этого в конструкции датчика предусмотрены каналы, расположенные строго по оси на противоположных сторонах. Эти каналы приводят к чувствительному элементу - тензомодулю давления типа ТДМ1, который преобразует разницу давлений с подветренной и тыльной стороны в электрический сигнал.
Выходным сигналом датчика ветра является проекция скорости ветра на ось направленную перпендикулярно направлению движения транспортного средства, на котором установлен измеритель. Поперечную составляющую скорости ветра У2 можно выразить формулой
Vz (а) = V 8ш(а), (2)
где V - модуль скорости воздушного потока относительно точки измерения; а - угол между направлением ветра и продольной осью датчика; Vz - поперечная составляющая скорости ветра.
Данную математическую зависимость в виде полезного сигнала нужного вида предлагается получить, используя определённую структурную схему (рис. 2). Она состоит из шести основных элементов, которые преобразуют сигнал и управляют исполнительными электромеханическими частями датчика:
- микроконтроллер (МК);
- блок аналого-цифрового преобразования (БАЦП);
- дифференциальный датчик давления (ДДД). Тензомодуль давления типа ТДМ1;
- блок управления затвором (БУЗ);
- источник питания (ИП);
- затвор.
Рис. 2. Структурная схема датчика ветра
Подробная структурная схема БАЦП представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема электронной части измерительного канала
В качестве чувствительного элемента использован преобразователь дифференциального давления (ПДД)серии ТДМ1-Д. Данное устройство обладает малыми габаритами и оснащено активной схемой термокомпенсации чувствительности мостовой схемы (температурный коэффициент чувствительности не превышает 0,25 %/°С), что позволяет применить его в
широком диапазоне температур. Также модули данной серии позволяют работать в газовых средах с повышенной влажностью.
Каждый преобразователь имеет индивидуальную характеристику преобразования давления в выходное напряжение. Выходной сигнал ивых при поданном на ПДД давлении DP определяется по формуле
ТТ _тт , DUвых.ном Л D
Uвых — Uвых0 +-P-DP ,
рном
где ивых о- выходное напряжение при дифференциальном давлении DP — 0; Рном - верхний предел преобразуемого давления; D ивых ном диапазон изменения выходного напряжения при номинальном давлении ( P — Рном ).
С выходной диагонали моста сигнал через фильтры низкой частоты подаётся на вход АЦП AD7190. Он специально предназначен для работы с мостовыми схемами и содержит в одном корпусе почти все элементы необходимые для проведения высокоточных измерений.
Датчик температуры, интегрированный в АЦП, позволяет контролировать изменение температуры в корпусе и проводить дополнительную коррекцию чувствительности и ивых о ПДД.
AD7190 позволяет работать в режиме стабилизации прерыванием (chopping). Данный режим позволяет снизить дрейф нуля АЦП без применения дополнительного схемотехнического решения.
Оцифрованный сигнал подаётся на микроконтроллер для последующей обработки и преобразовании его в поперечную составляющую скорости воздушного потока. Кроме обработки информации с ПДД, микроконтроллер выполняет следующие функции:
- получает информацию о температуре внутри корпуса, что позволяет производить поправку вычислений во всём климатическом диапазоне;
- обеспечивает управление открытием и закрытием затворов, выполняет самодиагностику и осуществляет связь с внешними устройствами по интерфейсу RS-485.
БУЗ управляет затвором (рис. 2), представляющим электромеханический приводом герметизации измерительных каналов внутри датчика ветра (см. рис. 1). Каналы являются нормально закрытыми, что обеспечивает защиту от попадания грязи и влаги и предотвращает забивание поперечного сечения канала и временный вывод из строя устройства.
Помимо защитных свойств затвор выполняет немаловажную функцию повышения точностных характеристик датчика ветра. В закрытом состоянии оба измерительных канала замыкаются друг на друга, что позволяет производить коррекцию ухода нуля ПДД, вызванную как изменением температуры кристалла, так и изменением его положения в пространстве.
Применение в качестве чувствительного элемента только одного датчика дифференциального давления позволяет снизить как стоимость, так и сложность конструкции готового изделия. При этом необходимо уделить особое внимание форме обтекателя датчика ветра.
Компьютерное моделирование и натурные испытание показали, что если ветер направлен прямо в измерительное отверстие, то зависимость давления от скорости воздушного потока соответствует формуле (1). Однако при повороте датчика вокруг своей оси данная закономерность нарушается, что вызвано влиянием самого датчика на измеряемый поток.
Согласно формуле (1) дифференциального давления между измерительными отверстиями Ар , можно записать систему неравенств для изме-
ряемой скорости ветра:
V,
к
21 Dp |
kp
К
21 Dp|
если Dp > 0
если Dp < 0
kp
где Vz - рассчитанная проекция скорости ветра.
Для упрощения дальнейших расчетов будем считать, что измерение производится при постоянной плотности воздуха и включим её в коэффициент
K=
kp
также перейдём к рассмотрению модуля Vz, что позволит не учитывать знак.
Из (2) видно, что V = Vz при а = 90° получаем равенства JK | Ap(a)| =V K | Ap(90°)| sin(a), | Ap(a)|=|Ap(90°)|sin2(a)
Из равенств можно сделать вывод, что обтекателю датчика ветра
необходимо придать такую форму, при которой для любого значения a
2
выполнялось условие 11 Ap(a) | -1 Ap(90°) | sin (а) |® 0.
Для того, чтобы определить наиболее подходящую форму обтекателя было проведено моделирование обтекания различных форм ламинарным воздушным потоком. Компьютерное моделирование проводилось с использованием среды «FlowSimulation 2014» при скорости воздушного потока равной 7 м/с.В результате данных экспериментов была выбран обтекатель, обеспечивающий измерение скорости ветра с погрешностью не превышающей 0,8 м/с.
Для проверки результатов моделирования выбранная форма обтекателя была изготовлена на 3D-принтере и проведены натурные испытания в аэродинамической трубе при скорости воздушного потока, равной 7 м/с. Результаты описанных экспериментов приведены на рис 4.
Рис. 4. Сравнение результатов моделирования в среде ПомгБтиШюп 2014 и экспериментов в аэродинамической трубе при скорости ветра,
равной 7м/с
Из рис. 4 видно, что погрешность измерения возрастает, когда поток параллелен измерительным каналам. Максимальная ошибка на при любых углах атаки не превышает 0,6 м/с.
Разработанный одноплоскостной датчик скорости воздушного потока позволяет производить измерения поперечной составляющей скорости ветра в диапазоне от 0 до 25 м/с, а также обеспечивает работоспособность при температуре окружающей среды от -50 до +55 °С и на фоне воздействия различных механических воздействий.
Список литературы
1. Серов А.Н. Решение некоторых технических задач при управлении объектами специального назначения // Техника и технология. 2011. №1(42). С. 32-34.
2. Шкундин С.З., Кремлёва О.А., Иванников А.Л. Состояние и перспективы развития анемометрии в угольной промышленности. [Электронный ресурс] // URL: http://www.sirsensor.ru/index.php?P=c art 3 (дата обращения 12.09.2014).
3. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. 576 с.
4. Борзов А.Б., Лихоеденко К.П., Цыганков В.Ю., Власов А.И., Ти-няков Ю.Н., Андреев К.А., Цивинская Т.А. Термокомпенсация измерительного канала датчика давления на основе полупроводниковых интегральных преобразователей // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. 2012. № 11. С. 5-5.
5. Мартынов Д.Б., Стучебников В.М. Температурная коррекция тен-зопреобразователей давления на основе КНС // Датчики и одстемы. 2002. №10. С. 6-12.
6. Кийясбейли А.Ш., Перельштейн М.Е. Вихревые счетчики-расходомеры. М.: Машиностроение, 1974. 160c.
Панов Андрей Павлович, асп, duha v@mail.ru, Россия, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
Серов Андрей Николаевич, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, AndreySerov@yandex.ru, Россия, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»,
Мочегов Илья Николаевич, асп., i.mochegov@gmail.com, Россия, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
THEONE-PLANE SPEED SENSOR AIR FLOW A.P. Panov, A.N. Serov, I.N. Mochegov
The basic methods of wind velocity measuring were considered and one-plane sensors structural scheme was suggested. Also, there was explained the wind sensor's principles of performance. Requirements to fairing forms are presented. The results of modeling and verification nature test for designed device are presented too.
Key words: differential pressure sensor, anemometer, strain-module.
Panov Andrey Pavlovich, postgraduate, duha v@mail.ru, Russia, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology,
Serov Andrey Nikolaevich, candidate of technical sciences, senior researcher, AndreySerov@yandex.ru, Russia, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology,
Mochegov Ilya Nikolaevich, postgraduate, i.mochegov@gmail. com, Russia, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology
