Научная статья на тему 'Программно-аппаратный измерительный комплекс для исследования свойств физико-химических объектов'

Программно-аппаратный измерительный комплекс для исследования свойств физико-химических объектов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
75
13
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
измерительная система / программное управление / автоматизация экспериментов / программно-управляемые приборы

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Лачин Вячеслав Иванович, Хоружий Игорь Владимирович

Приведёны краткий состав и технические характеристики автоматизированной программно-управляемой измерительной системы, разработанной для экспериментальных исследований процессов горения модельных составов энергетических конденсированных систем (ЭКС).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Лачин Вячеслав Иванович, Хоружий Игорь Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The short{brief} composition and technical datas of the automized program-controlled measuring system developed for experimental researches of processes of combustion of modelling compositions of energy condensed systems are resulted

Текст научной работы на тему «Программно-аппаратный измерительный комплекс для исследования свойств физико-химических объектов»

УДК 621.455

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

© 2008 г. И.В. Хоружий, В.И. Лачин

Приведёны краткий состав и технические характеристики автоматизированной программно-управляемой измерительной системы, разработанной для экспериментальных исследований процессов горения модельных составов энергетических конденсированных систем (ЭКС).

The short{brief} composition and technical datas of the automized program-controlled measuring system developed for experimental researches of processes of combustion of modelling compositions of energy condensed systems are resulted

Ключевые слова: измерительная система, программное управление, автоматизация экспериментов, программно-управляемые приборы.

При экспериментальных исследованиях нестационарных физико-химических объектов возникают задачи проведения измерений в реальном масштабе времени с синхронной регистрацией параметров ряда быстропротекающих динамических процессов. Для их решения используют современные электронно-вычислительные средства (персональные компьютеры, микроконтроллеры) в комплексе с различными программно-управляемыми измерительными приборами и элементами исполнительных устройств систем регулирования. В таком случае методики планирования и проведения экспериментов в значительной степени смещаются в область корректной разработки управляющих алгоритмов и программ обработки данных объекта с любым уровнем сложности.

Для поисковых научно-исследовательских работ в области модификации химических свойств и баллистических характеристик энергетических конденсированных систем (ЭКС), проводимых на кафедре ТНВ химико-технологического факультета ЮРГТУ (НПИ), совместно с сотрудниками кафедры автоматики и телемеханики разработана экспериментальная установка для исследования процессов горения твёрдых топлив в различных термодинамических условиях. Горение топлив представляет собой скоростной динамический процесс с возможностями очень быстрого изменения взаимосвязанных параметров, поэтому измерительная система с элементами управления объектом исследований разработана на базе персонального компьютера с многоканальной платой аналого-цифрового ввода-вывода сигналов £-264 (ЗАО «£-СагсЬ). Объектом исследований служат модельные составы смесевых твёрдых топлив с варьируемыми химическим составом и встроенными электродами (по методике, предложенной авторами); цель проведения экспериментов - изучение и разработка электротермического способа регулирования кинетики горения ЭКС, под воздействием электрического тока, пропускаемого через реакционную зону к-фазы топлива.

В процессе горения твёрдотопливного заряда, находящегося в специальной камере при высокой температуре и давлении газовой фазы продуктов сгорания, необходимо регистрировать следующие динамические параметры: давление в камере (до 15 МПа), электрическое напряжение на заряде и силу тока (до 5 А) с дискретизацией по времени (до 10 мкс) в зависимости от частоты применяемого источника ЭДС. В ходе различных экспериментов необходимо изменять характеристики процесса горения топлива под воздействием токов различной амплитуды, частоты и формы. При этом потребовалось реализовать дистанционное управление установкой: процесс зажигания топлива с помощью внешнего воспламенитель-ного устройства, программную коммутацию источников тока с объектом, процессы сброса давления и выключения измерительной системы.

В результате был разработан и применён в научных исследованиях программно-управляемый измерительный комплекс с аппаратным составом, представленным на рис. 1. Измерительные данные, полученные при проведении экспериментов по различным методикам, позволили определять:

- давление газовой фазы продуктов сгорания ЭКС;

- нормальную скорость горения заряда в текущих термодинамических условиях и под действием электрического тока;

- баллистический показатель топлива в степенном законе горения;

- электропроводность реакционной зоны твёрдого топлива на границе раздела конденсированной и газовой фаз;

- амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики реакционной зоны;

- действующие величины токов и электрической мощности в зарядах;

- удельные энергозатраты на регулирование скорости горения ЭКС заданного состава в исследуемом диапазоне давлений.

Рис. 1. Общая структурная схема измерительной системы экспериментальной установки: КС - камера сгорания; ПД - преобразователь давления; ЭКС - твёрдотопливный заряд; ВУ - воспламенительное устройство; УУЗ - устройство управления зажиганием; ИОН - источник опорного напряжения; НУ- нормирующий усилитель; ДН - датчик напряжения; ДТ - датчик тока; ИН - источник переменного напряжения; АБ - аккумуляторный блок; ГН - генератор напряжения прямоугольной формы; ГС - генератор прецизионный синусоидальных сигналов; К - коммутатор источников тока; БДУ - блок дистанционного управления Г3-110; БПС - блок преобразователей сигналов; БДФГ - блок датчиков фронта горения ЭКС

Для обеспечения необходимой точности измерений в условиях электромагнитных помех датчики токов, напряжений и преобразователи сигналов построены по дифференциальным схемам. Буферизованные аналоговые линии длиной 5 м для передачи измерительных сигналов в компьютер выполнены на экранированных витых парах.

Электронная плата £-264 аналогового ввода-вывода сигналов, промышленно выпускаемая для построения систем АСУТП, работает под управлением встроенного ДХР-процессора и имеет гальваническую развязку с магистралью компьютера. Для сопряжения с объектом измерений имеются 16 дифференциальных каналов аналогового ввода с 12-разрядным АЦП при частоте опроса до 200 КГц и программно переключаемыми диапазонами входных сигналов (от ±1,024 В до ±5,12 В), два дискретных порта ввода/вывода (соответственно 1 и 2 байта), 10-разрядный ЦАП. В программной части - запись регистрируемых параметров по ходу эксперимента может выполняться в двоичный файл на жесткий диск компьютера по каналу ПДП или по прерыванию, генерируемому платой. Наличие большого числа поставляемых с платой библиотечных функций на языке Си позволили гибко и корректно использовать её возможности в разработке программ управления экспериментами. Окончательная математическая обработка экспериментальных результатов выполняется на компьютере с помощью специализированных пакетов

МайаЬ или Mathсad по алгоритмам, предложенным авторами.

Электрический ток в зарядах может иметь различную временную форму в зависимости от подключённого к нему источника напряжения: сетевой (50 Гц) регулируемый трансформатор, мостовой генератор напряжения (10 КГц) прямоугольной формы с выходной мощностью до 500 Вт или блок аккумуляторных батарей. Применение аккумуляторного питания оправдано малой продолжительностью экспериментов, который обычно не превышает 30 - 40 сек. Измерения амплитудо-частотных характеристик реакционных зон зарядов выполняются в режиме малых токов (мА) и напряжений (< 3 V) с помощью программно-управляемого по амплитуде и частоте прецизионного генератора синусоидального напряжения. В преобразователе сигналов (БПС) поступающие аналоговые сигналы нормируются для согласования со входами АЦП и параллельно преобразуются в средневыпрямленные значения.

Твёрдотопливные заряды со встроенными электродными системами могут иметь цилиндрическую форму диаметром до 90 мм с радиальной схемой горения по внутреннему каналу. В этом случае геометрические и электрические параметры реакционной зоны взаимосвязанно изменяются по прогрессивному закону. Таким образом, в ходе одного эксперимента получается информация о динамике горения заряда в целом диапазоне автоматического изменения тока.

В ходе испытаний измерительного комплекса получены записи динамики сгорания воспламенителей различного химического состава (рис. 2), для зажигания исследуемых образцов ЭКС и оценки динамических характеристик применяемого в камере сгорания датчика давления (ПД 150-0.4). На графике объединены три независимых испытания (1-3).

Рис. 2. Динамика сгорания воспламенительных устройств (1-3): Рк -давление в камере сгорания, t - время

Представленные экспериментальные данные в виде дискретного набора точек получены по каналу давления с частотой дискретизации, равной 1 КГц.

С помощью измерительной установки проведён комплекс экспериментальных исследований [1 - 4] по электротермическому регулированию кинетики горения энергетических конденсированных систем и ряд электрохимических экспериментов, применительно к области управляемых твёрдотопливных газогенери-рующих установок.

Литература

1. Хоружий И.В., Клякин Г.Ф., Таранушич В.А., Лачин В.И. Исследования электротермического способа регулирования скорости горения энергетических конденсированных систем на основе нитрата аммония при атмосферном давлении // Журн. прикладной химии СПб:, 2007. Т. 80. Вып. 8. С. 65 - 70.

2. Хоружий И.В., Клякин Г.Ф., Таранушич В.А., Лачин В.И. Исследования электротермического способа регулирования баллистических характеристик энергетических конденсированных систем на основе нитрата аммония // Журн. прикладной химии. 2008. Т. 81. Вып. 1. С. 1256 - 1260.

3. Хоружий И.В. Устройство измерения скорости горения высокоэнергетических конденсированных систем // Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: Проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения: Материалы Междунар. науч.-практич. конф., Новочеркасск, ЮРГТУ(НПИ), 17 октября 2006. Новочеркасск, 2006. С.40 - 43.

4. Хоружий И.В., Клякин Г.Ф., Таранушич В.А. Электротермический способ регулирования скорости горения энергетических конденсированных систем // Новые технологии в азотной промышленности: Сб. тр. II общерос. на-уч.-техн. конф. / ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет». Ставрополь, 2007. С. 87 - 90.

15 мая 2008 г.

Хоружий Игорь Владимирович - инженер Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел.: 55-2-97. E-mail; antei_ait@mail.ru.

Лачин Вячеслав Иванович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. 55-2-97.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.