В статье показана актуальность создания согласующего устройства для системы регистрации ударных волн, приведено описание структурной и электрической схем системы с объяснением работы ее функциональных узлов.
Ключевые слова: взрыв, согласующее устройство, регистр, операционный усилитель.
Взрыв — процесс быстрого преобразования большого количества локализованной в веществе потенциальной энергии в энергию ударной волны. Исследования параметров воздушной ударной волны (ВУВ) были начаты в Китае в IX веке с момента изобретения пороха и продолжаются по сей день. Сначала исследования взрывных процессов велись исключительно в военно-промышленном комплексе, но со временем разработанные технологии нашли свое применение и в гражданской отрасли (горнодобывающая промышленность, сварка взрывом разнородных материалов, демонтаж взрывом различных конструкций и т. д.).
Развитие измерительной техники на современном этапе позволяет исследователям выбирать средства измерения, подходящие для решения конкретной поставленной задачи. Такой задачей является, например, измерение параметров ВУВ в дальней зоне взрыва, где максимальное давление в фазе сжатия не превышает 1000 кПа. Использование современных конструкционных материалов и методов микротехнологии позволяет существенно повысить точностные характеристики измерительной аппаратуры.
Функциональная схема одно измерительного тракта показана на рисунке 1.
Рис. 1. Функциональная схема
Конструктивно, канал состоит из двух независимых модулей: датчика давления, регистра и согласующего устройства. Основную техническую сложность составляет согласующее устройство. В данной главе будут разработаны основные элементы этой системы.
Минимальное выходное напряжение разрабатываемого датчика при воздействии на него номинального избыточного давления (100 кПа) и при максимальном напряжении питания (12В) составляет ± 120 мВ, что составляет чуть более 10 % динамического диапазона регистратора. Т. к. динамический диапазон регистраторов составляет ± 5 В выходной сигнал датчика необходимо усиливать, в противном случае неизбежны высокие погрешности результатов измерений. В качестве усилителей для датчиков выполненных по схеме полного моста Уинстона могут применяться как обычные дифференциальные усилители, так и инструментальные, которые обладают рядом преимуществ.
Как правило, согласующие устройства выбираются исходя из параметров датчика. Часто в самом датчике имеется электронный блок, выполняющий функции согласующего устройства.
При разработке датчика было принято решение не включать в конструкцию датчика сложного электронного блока, а разработать отдельный прибор, выполняющий те же функции. Согласующее устройство предназначено для преобразования и усиления электрических сигналов с датчиков выполненных по схеме полного замкнутого моста.
Конструктивно согласующее устройство состоит из печатной платы, на которой размещаются электронные компоненты. Плата помещена в алюминиевый корпус.
Схема электрическая принципиальная согласующего устройства приведена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема электрическая принципиальная согласующего устройства
Схема компенсации постоянного входного напряжения предназначена для компенсации начального выходного сигнала датчика после его преобразования и усиления измерительным усилителем. Основными элементами схемы компенсации являются входной и выходной повторители напряжения, выполненные на микросхеме DA 2, переключатель SA 1, запоминающая емкость С 1 и истоковый повторитель выполненный на полевом транзисторе VT 1 и транзисторе VT 2. В режиме компенсации (при кратковременном замыкании контактов переключателя SA 1) запоминающий конденсатор С 1 через входной повторитель напряжения DA 2.1 и резистор R 3 заряжается до начального уровня выходного напряжения измерительного усилителя. В режиме измерения (контакты переключателя SA 1 разомкнуты) напряжение конденсатора С 1 , через истоковый повторитель и выходной повторитель напряжения DA 2.2 поступает на вход REF измерительного усилителя.
Схема индикации питания СУ выполнена на токозадающем резисторе R 10 и светодиоде VD 1. Измерительный усилитель, схема компенсации и схема индикации выполнены на одной плате. При этом переключатель схемы компенсации SA 1 и светодиод VD 1 схемы индикации питания вынесены на плоскости корпуса СУ. Коэффициент усиления СУ устанавливается путем подключения к соединителю внешней кроссировочной розетки.
Регистратор устойчив к циклическому изменению параметров окружающей среды от предельно минимальных до предельно максимальных значений. Регистратор ПРИМА предназначен для измерения амплитуды и временных параметров входных аналоговых сигналов (тракт 1: нормирование и преобразование входных сигналов в двенадцатиразрядный двоичный код с запоминанием информации в блоке памяти; тракт 2: нормирование и преобразование входных сигналов в ВИМ-последовательность для передачи ее в реальном времени по проводной линии в ПЭВМ для регистрации и последующей обработки). Регистратор обладает устойчивостью и прочностью к воздействию одиночных ударов длительностью до 16 мс с пиковым ускорением до 50 м/c 2 . Коэффициент усиления устанавливается индивидуально для каждого измерительного канала в соответствии с выбранным диапазоном входных сигналов.
Регистратор представляет собой автономный, переносной прибор, корпус которого изготовлен из алюминиевого сплава, с плотно прилегающей крышкой. Конструктивной основой регистратора является извлекаемое из корпуса шасси.
Оно состоит из соединенных между собой передней панели, на которой расположены органы контроля и управления, аккумуляторного отсека, модуля согласующих устройств и крейта, предназначенного для установки модулей путем их вдвижения по его направляющим. Все модули представляют собой конструктивно законченные, унифицированные блоки. Каждый модуль состоит из лицевой панели и прикрепленной к ней печатной платы с соединителем типа ГРППМ10–64Ш2-В, через который осуществляется внешняя электрическая связь со всеми модулями регистратора.
Тракт регистратора обеспечивает преобразование выходного напряжения с датчиков в параллельный двенадцатиразрядный двоичный код и последующую запись этого цифрового кода в буферное запоминающее устройство (БЗУ).
Разработанная система измерения параметров ударных волн способна осуществлять регистрацию аналоговых сигналов с датчиков с частотой опроса 100 кГц в течение 5 с. Диапазон измеряемых давлений от — 75 до 100 кПа. Общая погрешность системы составляет 2,8 %.
Питание системы осуществляется от переносной аккумуляторной батареи постоянным выходным напряжением 24,5±2,5 В.
Малый вес и габариты системы позволяют легко перемещать систему и разворачивать ее на местности.
Устройства и приборы, используемые в системе устойчивы к воздействию неблагоприятных внешних факторов (температура, влажность, атмосферные осадки).
Литература:
- Распопов В. Я. Микромеханические приборы: учебное пособие /В. Я. Распопов.- М.: Машиностроение, 2007. -400 с.:ил
- Вавилов В. Д. Интегральные датчики: Учебник / В. Д. Вавилов; Нижегород. гос. техн. ун-т. Н.Новгород, 2003.-503 с
- Гусев В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебное пособие для вузов/ В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев.- М.:Высшая школа, 2006.-799 с.
- Руководство по эксплуатации регистратора Прима.
