Библиографическое описание:

Канцедалов Д. А., Суркаев А. Л., Гольцов А. С. Микроконтроллер STM32F4 как элемент информационно-измерительной системы для исследования поля давления волны электрического взрыва проводников // Молодой ученый. — 2013. — №11. — С. 115-117.

Представлена структура информационно-измерительной системы для экспериментального исследования поля давления ударно-акустической волны, возникающей при электрическом взрыве металлического проводника (ЭВП). Использование микроконтроллера серии STM32F4 позволяет задействовать большее (16) количество каналов измерения, что способствует более детальному описанию физического процесса ЭВП.

Ключевые слова: микроконтроллер, электрический разряд, электрический взрыв проводников, ударно-акустическая волна, конденсированная среда.

Импульсный высоковольтный разряд в конденсированных диэлектрических средах находит широкое применение в современных фундаментальных научных исследованиях, при решении физико-технических задач в технологических процессах машиностроения для создания мощных импульсных воздействий на объект [1, 2]. Интерес к высокоэнергетическим импульсным воздействиям на вещество связан с физическими особенностями протекания электрического взрыва проводников. Многочисленные технические применения электрического взрыва (дробление, очистка литья, штамповка, запрессовка труб, получение нанопорошков и т. д.) требуют установления ряда закономерностей при протекании процесса ЭВП и способствуют развитию дальнейших разработок и внедрению новых перспективных технологий. В этой сфере одним из важных вопросов является исследование распределение поля ударно-акустической волны, генерируемой электрическим взрывом проводника. Данная работа является продолжением ранее опубликованной [3].

Целью работы является разработка элементов информационно-измерительной системы (ИИС) с использованием микроконтроллера STM32F4 для экспериментального исследование поля давления ударно-акустической волны ЭВП в конденсированной среде.

Одним из основных параметров ЭВП в конденсированных средах является давление генерируемой ударно-акустической волны [4, 5]. Измерение амплитуды, профиля и формы нарастания фронта импульсного давления волны является сложной задачей, для решения которой используются различные методики и предлагаются различные математические модели. Как составная часть ИИС для реализации ЭВП в работе используется энергетическая установка (ЭУ), имеющая следующие параметры: емкость конденсаторного накопителя ; задаваемое максимальное напряжение накопителя ; энергия конденсаторного накопителя ; индуктивность, активное сопротивления разрядной электрической цепи . Разрядный ток  и напряжение на взрывающемся проводнике как функции времени регистрировались поясом Роговского и высокоомным делителем, соответственно, с использованием цифрового запоминающего осциллографа. Для обеспечения полноты получаемой информации о ЭВП и распределении поля давления волны необходимо в структуре ИИС наличие достаточного количества измерительных каналов для возможности математической интерпретации полученных результатов с допустимой погрешностью.

Рис. 1. Структурная схема информационно-измерительной системы

На рис. 1 представлена структурная схема ИИС для исследования поля давления волны при электрическом взрыве проводников на основе микроконтроллера STM32F4, где ПО1 — программа обработки измерительной информации на ЭВМ; ПО2 — программное обеспечение микроконтроллера для связи с ЭВМ (обработки команд, передачи данных); БЗ — блок запуска; ГИТ — генератор импульсного тока; ВК — взрывная камера, заполненная диэлектрической жидкой средой; ОН — ограничитель напряжения; ППД — пьезокерамический преобразователь давления; ВКФ — взрывающаяся кольцевая фольга; КЭ — кольцевой электрод; ЦЭ — центральный электрод. В качестве регистратора давления ударно-акустической волны ЭВП во взрывной камере с конденсированной средой, использовались пьезокерамические преобразователи группы цирконат-титанат свинца (ЦТС-19) [6,7]. В силу того, что величина генерируемого напряжения (сигнала с ЦТС) может достигать 150 В, используется схема делителя напряжения с применением защитного диода — ограничителя напряжения (рис. 2), где – напряжение срабатывания диода,  — защитный диод (SMBJ5.0CA). Ограничитель напряжения позволяет защитить микросхему (STM32F4) от возможных высоковольтных импульсов.

Рис. 2. Схема ограничителя напряжения

Применение ИИС позволяет измерять поле давления волны по 16-ти измерительным каналам благодаря использованию микроконтроллера серии STM32F4. Благодаря 168-ми МГц таймерам, а также трем 12-битным АЦП частотой  каждый, данный микроконтроллер позволяет одновременно фиксировать показания с 16 датчиков (с аналоговым выходом) с частотой дискретизации  по каждому измерительному каналу. Согласно теореме Котельникова (теореме отсчетов), если непрерывный сигнал имеет спектр, ограниченный частотой , то он может быть полностью и однозначно восстановлен по его дискретным отсчетам, взятым с частотой строго больше удвоенной : , где  — частота дискретизации (скорость работы АЦП);  — максимальная частота спектра сигнала. Длительность ЭВП составляет порядка , следовательно, условие теоремы выполняется, таким образом, сигнал по каждому измерительному каналу можно будет идентифицировать с последующим построением АЧХ.

Эксперименты проводились с металлическим проводником в виде плоской кольцевой фольги, ток разряда по которой протекал в радиальном направлении, в режиме близким к согласованному [8]. На рис. 3 представлены характерные осциллограммы разрядного тока и давления ударно-акустической волны электрического взрыва плоской кольцевой фольги в замкнутой взрывной камере с конденсированной средой (дистиллированная вода). Полученные осциллограммы давления волны ЭВП по всем 16-ти измерительным каналам позволят математически описать расходящейся волновой фронт кольцевой геометрии ударно-акустической волны ЭВП (плоской кольцевой фольги).

Рис. 3. Осциллограммы разрядного тока (2) и давления ударно-акустической волны ЭВП (1)

Таким образом, в работе представлена структура ИИС для исследования поля давления волны электрического взрыва проводника (кольцевой фольги) на основе микроконтроллера серии STM32F4. Применение представленной ИИС позволяет обеспечить получение более достоверной информации о поле давления ударно-акустической волны, возникающей вследствие ЭВП.

Литература:

1.      Бурцев В. А., Калинин Н. В., Лучинский А. В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. — М: Энергоиздат, 1990. — 289 с.

2.      Кривицкий Е. В. Динамика электровзрыва в жидкости / Е. В. Кривицкий. — Киев: Наукова думка, 1986. — 205 с.

3.      Канцедалов Д. А. Экспериментальное исследование поля давления ударно-акустической волны при электрическом взрыве кольцевой фольги / Канцедалов Д. А., Суркаев А. Л., Гольцов А. С. // Молодой учёный. — 2012. — № 12, т. I. — C. 71–73.

4.      Суркаев А. Л. Экспериментальное исследование поля давления электрического взрыва плоской кольцевой фольги / Суркаев А. Л., Усачев В. И. // Письма в ЖТФ. — 2013, том 39, вып.16. — С. 64–70.

5.      Русских А. Г., Орешкин В. И., Лабецкий А. Ю. Исследование электрического взрыва проводников в зоне высокого давления сходящейся ударной волны. ЖТФ, 2007, Т.77, вып.5, С. 35–40.

6.      Суркаев А. Л., Муха Ю. П., Кумыш М. М., Усачев В. И. Градуировка пьезокерамического преобразователя методом магнитодинамического взаимодействия параллельных импульсных токов. // VIII Всерос. научно-практ. конф. «Инновационные технологии в обучении и производстве» Камышин, 23–25 нояб. 2011 год. Том 1. С. 158–162.

7.      Суркаев А. Л., Кумыш М. М., Усачев В. И. Методика исследования электрического взрыва цилиндрического проводника и кольцевой фольги // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. 6(93) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2012. — С. 74–78 (сер. Электроника, измерительная техника, радиотехника и связь. Вып. 6.

8.      Суркаев А. Л., Кумыш М. М. Квопросу об условиях оптимальности режимов электрического взрыва кольцевой фольги. // ІI Международная научно-практ. конф. «Дни науки — 2007" (апрель 2007 г.) www.rusnauka.com., г. Белгород.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle