Модель для аэродинамического эксперимента с интегрированным регистратором давления по беспроводному каналу связи
MODEL FOR AN AERODYNAMIC EXPERIMENT WITH AN INTEGRATED PRESSURE RECORDER OVER A WIRELESS COMMUNICATION CHANNEL

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к аэродинамическим моделям для исследования давления у поверхности модели, испытываемой в аэродинамических трубах.
Измерение давления на поверхности моделей летательных аппаратов является одним из наиболее распространенных методов аэродинамического эксперимента [Харитонов А.М. Техника и методы аэрофизического эксперимента. Ч.2. Методы и средства аэрофизических измерений // Новосибирск: НГТУ, 2007]. Измерение давления с помощью нескольких приемных отверстий на стенке исследуемой модели, соединенных посредством дренажных каналов со специальными пневмометрическими приемниками, позволяет получить распределение давления в конкретных точках на поверхности модели. Такие дренированные модели соединяются с многоканальными измерительными приборами (жидкостные и механические манометры, электрические датчики давления) с помощью соответствующих трубок. Электрические датчики давления предназначены для преобразования деформаций чувствительного элемента, который воспринимает изменение давления, в электрический сигнал. Современные устройства имеют достаточно малые размеры и обеспечивают высокую точность измерений. В аэродинамическом эксперименте, особенно для исследования быстропротекающих газодинамических процессов (например, в сверхзвуковых и гиперзвуковых потоках), такие датчики являются незаменимыми, поскольку собственные частоты их чувствительных элементов превышают частоты измеряемого давления. Одними из наиболее широко распространенных датчиков давления, используемых для проведения импульсных газодинамических исследований, являются пьезоэлектрические датчики, например [Сунцов Г.Н. Пьезоэлектрический датчик давления. Патент SU317928A1, 1971], [N. Change, M. Riggs. Conformal pressure transducer for ammunition testing. Patent US3886792A, 1973].
Известно изобретение в виде информационно-измерительной системы многоточечных измерений давления с использованием пневмокоммутатора [Руденко Н.В. Пневмопереключающее устройство. Патент SU792088A1, 1980]. Конструкция представляет собой вращающийся механизм, в котором определенным образом расположены отверстия, подводящие измеряемое давление к измерительному прибору. Дренажные области на модели соединяются с корпусом пневмопереключателя, в котором располагается датчик давления. Одна из основных проблем данного устройства заключается в обеспечении герметичности подвижного соединения вращающегося механизма. Также проблемой является обеспечение минимального времени установления давления в полости датчика.
Известно другое изобретение, в котором отсутствует вращающийся механизм [Белоусов С.В., Вышенков Ю.И., Волонихин И.И., Ольховиков Г.П., Харитонов А.М. Пневмокоммутатор для многоканального измерения давлений. Патент SU564552A1, 1977]. В нем измеряемое давление по пневмотрассам подается к закрытым клапанам датчика давления. Через блок опроса по заданной программе клапана могут открываться в любом заданном порядке. Устройства [H. LeBlond, L. Cabot. Multi-function pressure probe for aircraft. Patent US4672846A, 1985], [A.R. Porro, M.A. Ernst. Apparatus for measuring ambient pressure within a gaseous flow field. Patent US5756892A, 1997], аналогичные по принципу функционирования, могут использоваться как в наземном аэродинамическом эксперименте, так и в летных испытаниях.
Недостатки применения таких устройств в аэродинамическом эксперименте связаны с наличием дренажных каналов внутри корпуса модели. Это ограничивает возможности уменьшения размеров модели, поскольку при выводе таких каналов к измеряющему устройству необходимо соблюдать их герметичность и изолированность друг от друга. На это также влияет и характерный размер сечения канала, который, как правило, составляет не менее 1 мм. К тому же при исследовании быстропротекающих газодинамических процессов такие устройства не подходят, поскольку характерное время распространения градиента давления по дренажному каналу будет больше периода измеряемого давления в эксперименте (такой период должен составлять не более нескольких миллисекунд).
Известно изобретение [Кузьмин А.И. Многоканальный измеритель постоянных напряжений и напряжений несущей частоты. Патент SU1068822A1, 1984], [Кузьмин А.И. Многоканальный измеритель. Патент SU1594433A1, 1990], в котором для регистрации параметров давления у модели во время аэродинамического эксперимента используются электрические датчики, расположенные на ее поверхности. Вывод сигнала c датчиков на запоминающее устройство, которое расположено за пределами рабочей камеры аэродинамической установки, осуществляется с помощью проводных соединений. В этом случае решается проблема применимости устройства при исследовании быстропротекающих газодинамических процессов, поскольку, как было отмечено выше, собственные частоты чувствительных элементов таких датчиков превышают частоты измеряемого давления. Однако, вопрос ограничений при уменьшении размеров модели остается актуальным, т.к. присутствует необходимость прокладки проводных соединений в корпусе модели и их вывода из рабочей камеры аэродинамической установки.
Известны беспроводные датчики давления, широко применяемые в системах контроля давления в автомобильных шинах, например, [T. Shima, S. Terada, K. Sakaguchi. Tire air pressure monitoring device. Patent US9199517B2, 2012]. Такие устройства состоят по меньшей мере из электрического датчика давления, элемента питания и передающего устройства.
Тем не менее, поскольку каждый такой датчик имеет свой элемент питания и передающее устройство, применение нескольких таких датчиков, установленных на модели, является неэффективным с точки зрения минимизации габаритов. Также остается нерешенной задача синхронизации показаний датчиков при эксперименте, и в случае, когда требуется точно по времени сопоставлять динамику изменения давления в разных точках поверхности модели (при быстропротекающих процессах), использование таких независимых датчиков без дополнительной системы синхронизации бесполезно.
Можно сделать вывод, что при использовании устройств такого рода в аэродинамическом эксперименте целесообразно осуществлять сбор, хранение и передачу упорядоченных данных от датчиков давления непосредственно на модели (внутри нее).
Известно устройство [Р.Г. Искандеров, Л.М. Искандерова. Многофункциональный беспроводной контроллер. Патент RU81359U1, 2008] содержащее микропроцессор, обеспечивающий обработку полученной информации с внешних объектов, перевод информации в цифровой код, запись в энергонезависимую память для хранения и подготовку ее для передачи по беспроводной связи, функцию установки интервала времени, по истечении которого вся информация автоматически передается на диспетчерский пункт, управление и контроль GSM/GPRS-модулем и радио модулем, связанный с часами реального времени, энергонезависимой памятью для хранения информации, интерфейсом RS232, интерфейсом RS485 для подключения внешних устройств, GSM/GPRS-модулем с антенной для непрерывной двухсторонней связи с диспетчерским пунктом через Интернет, радиомодулем с антенной для соединения с удаленными на расстояние до 3 км внешними объектами через радиоканал, двумя узлами управления внешними объектами для реализации управления двумя внешними объектами, узлом согласования входных дискретных сигналов для получения информации о состоянии внешних объектов, в том числе с датчиков охранной сигнализации, с гальванически развязанным узлом преобразования тока в напряжение для подключения токовых датчиков с токами от 0 до 100 А, с резервным питанием для автономной работы, датчиком температуры и обогревателем для поддержки необходимой температуры в корпусе контроллера в зимнее время и др.
Известно изобретение беспроводной контроллер датчиков [А.С. Тюнегов, В.Н. Овчинников, М.Ф. Гарипов, В.А. Мансуров. Беспроводной контроллер датчиков. Патент RU2701103C1, 2018], содержащий процессорный модуль для исполнения управляющих программ, со встроенными часами реального времени, ОЗУ, блок интерфейса Ethernet для соединения с управляющим компьютером, блоки интерфейса RS-485, предназначенные для обработки сигналов от внешних датчиков и формирования сигналов управления исполнительными механизмами, светодиодные индикаторы, клеммы для подсоединения интерфейсов, при этом в схему контроллера введены блок интерфейса 1-wire, предназначенный для обработки сигналов от внешних датчиков, блок управления аналого-цифровым преобразователем, совмещенный с реле для управления цепями питания внешних устройств, GSM-модем для обеспечения беспроводной связи, блок интерфейса USB для параметризации контроллера и перепрошивки микроконтроллера, отличающийся тем, что содержит блок приема-передачи радиосигнала, в качестве которого выступает радиотрансивер – радиочип Lora, преобразователь питания, выполняющий функцию понижающего преобразователя напряжения постоянного тока, который содержит разъем для подключения химического источника тока, кроме того, интерфейс связи RS485, выполненный гальванически изолированным, а также содержит блок энергонезависимой памяти, цифровой канал связи UART для подключения различных датчиков, причем беспроводной контроллер конструктивно выполнен на одной печатной плате для обеспечения двусторонних каналов связи между всеми элементами, находящимися на плате.
Из описания приведённых выше изобретений следует, что сферами их применения являются измерительные системы контроля состояния и управления режимами оборудования удаленных объектов, таких как, артезианские скважины, лифтовые хозяйства, а также приборы учета расхода воды, тепла, газа, электроэнергии и других учетных приборов коммунального хозяйства, нефтедобывающая промышленность. В приведенных сферах нет жестких требований к минимизации габаритов.
Недостатком данных контроллеров при их применении внутри испытываемой модели во время аэродинамического эксперимента является то что они не позволяют решить поставленную задачу – измерения параметров давления, а решают только ее часть, связанную с обработкой, хранением и передачей информации, кроме того наличие избыточных интерфейсов, крупных разъемов и клемм (например, Ethernet), или датчика давления приводят к увеличению общих габаритов модели.
Задачей предлагаемого изобретения является преодоление вышеуказанных недостатков и обеспечение возможности измерения давления во время эксперимента на поверхности модели при ее испытаниях в аэродинамических трубах с использованием беспроводной технологий обмена данными с размещением всех необходимых устройств внутри корпуса модели.
Поставленная задача решается тем, что модель для аэродинамического эксперимента с интегрированным регистратором давления по беспроводному каналу связи  состоит из разборного корпуса, геометрически подобного натурному объекту, и установленными в него датчиками давления и печатной платы, содержащей последовательно соединенные сменяемый источник питания, импульсный преобразователь напряжения,  приемопередатчик  беспроводной связи, микроконтроллер с встроенными АЦП, обеспечивающий синхронную обработку показаний электрических датчиков давления и перевод их в цифровой код, запись и чтение из энергонезависимой памяти, управление и контроль приемопередатчика, энергонезависимую память для хранения показаний датчиков.
Поставленная задача также решается тем, что приемопередатчик беспроводной связи представляет собой приемопередатчик беспроводной связи Bluetooth.
Поставленная задача также решается тем, что приемопередатчик беспроводной связи представляет собой приемопередатчик беспроводной связи Wi-Fi
Поставленная задача также решается тем, что приемопередатчик беспроводной связи представляет собой приемопередатчик беспроводной связи в диапазоне UFH.
Поставленная задача также решается тем, что вместо печатной платы используется программируемая логическая интегральная схема.
Применение приемопередатчика беспроводной связи позволяет поддерживать стабильную связь между моделью и персональной ЭВМ на типичных для экспериментов расстояниях (расстояние между аэродинамической трубой и ЭВМ обычно не превышает десяти метров). Стоит отметить, что большинство современных портативных ЭВМ (плашнетов и ноутбуков) штатно оснащены модулями беспроводной связи Bluetooth. Также есть возможность получать данные на смартфон.
Применение импульсного повышающего/понижающего преобразователя напряжения позволяет с высоким КПД регулировать напряжение питания, а также позволяет работать устройству при напряжении на аккумуляторе как выше, так и ниже установленного на выходе преобразователя напряжения, таким образом используется вся емкость аккумулятора.
Применение микроконтроллера со встроенными АЦП позволяет изготовить печатную плату с меньшими габаритами, чем в случае с применением отдельных АЦП.
Использование сменяемых аккумуляторов позволяет почти постоянно использовать модель – при необходимости разрядившиеся аккумуляторы заменяются, т.е. прерывание эксперимента на длительное время для зарядки модели не происходит. Для смены аккумуляторов необходимо разобрать и собрать корпус.
2
3
На сегодняшний день такие электронные компоненты как микроконтроллер, энергонезависимая память, приемопередатчик, регулятор напряжения имеют характерные размеры порядка одного квадратного сантиметра (наименьшую площадь на печатной плате занимают микросхемы с выводом сигналов по типу BGA (Ball grid array)), что в совокупности позволяет изготовить печатную плату с площадью не более 4х4 см, что, в свою очередь, позволяет изготовить модель (с установленной печатной платой и датчиками) с характерными размерами не более 50х50х50 см, что соотносится с размерами обычных испытываемых моделей, в т.ч. в ударных трубах, формирующих высокоскоростной краткосрочный набегающий поток. Соответственно, заявляемое изобретение позволяет изготавливать модели для испытания в обычных аэродинамических установках любого типа.
Сущность изобретения поясняется чертежами: фиг. 1 – модель для аэродинамического эксперимента, фиг. 2 – применение модели в аэродинамическом эксперименте.
Модель для аэродинамического эксперимента состоит из разборного корпуса 1, геометрически подобного натурному объекту, установленных в него датчиков давления 2 и печатной платы 3. Печатная плата 3 содержит сменяемый источник питания 4 (аккумуляторную батарею) для питания модели; микроконтроллер 5 со встроенными АЦП 6, обеспечивающий синхронную обработку показаний датчиков 2 и перевод их в цифровой код, запись, чтение и хранение показаний датчиков 2, полученных во время аэродинамического эксперимента, в энергонезависимой памяти 7,  управление и контроль приемопередатчиком беспроводной связи 8; энергонезависимую память 7; приемопередатчик беспроводной связи 8 для беспроводной передачи данных на персональную ЭВМ 9, находящуюся вне секций аэродинамической установки, которая также оснащена приемопередатчиком беспроводной связи Bluetooth; повышающий/понижающий импульсный преобразователь напряжения 10 для обеспечения необходимого напряжения питания микроконтроллера 5, энергонезависимой памяти 7 и приемопередатчика беспроводной связи 8.
При проведении эксперимента (фиг. 2) в тракте аэродинамической установки 11 формируется газодинамическое течение. Расширяясь через сопло 12, набегающий поток 13 воздействует на исследуемую модель (корпус модели 1). Воздействие происходит в рабочей секции 14, позволяющей имитировать начальные газодинамические условия до обтекания. Модель 1 размещается в секции 14 с помощью державки 15. К державке 15 уже не предъявляются требования по наличию каналов и минимальному сечению для их прокладки. С использованием датчиков 2, размещенных на поверхности модели 1, регистрируются изменения давления на поверхности модели во время эксперимента согласно схеме, представленной на фиг. 1. Так же, согласно фиг. 1, с использованием технологии беспроводной связи Bluetooth происходит передача показаний на персональные ЭВМ 9, которые находятся снаружи.
За счет использования беспроводной связи, например, Bluetooth с ЭВМ отсутствует необходимость прокладывания проводных соединений от датчиков на модели через корпус модели, ее державку и рабочую секцию установки. Поскольку в рабочей секции создаются специальные условия (давление, температура), обеспечение герметичности разъемов проводов на всех местах соединений является сложной задачей, требующей решения. При использовании предлагаемого устройства, необходимость в ее решении отсутствует.
Технологии микроэлектроники постоянно совершенствуются, а устройства хранения, обработки и передачи информации постоянно уменьшаются в размерах. Можно сказать, что габариты модели непосредственно ограничиваются размерами и конструкционными особенностями датчиков (измерительных устройств), которые применяются на модели. Малые габариты модели (порядка нескольких см) особенно востребованы в установках, в которых трудно сформировать набегающий поток больших размеров (к таким установкам можно отнести ударные аэродинамические трубы).
При этом размещаемые в модели устройства не требуют усложнения или дублирования, т.к. количество соединений внутри модели между ее элементами (элемент питания для датчиков, средство регистрации, средство хранения данных и т.д.) минимизируется. Все устройства в единственном экземпляре и обрабатывают показания всех датчиков одновременно благодаря системе синхронизации.
Также это позволяет получить дополнительное место для размещения датчиков и увеличить количество используемых средств измерения на поверхности модели, благодаря чему осуществляется более полная и подробная регистрация давления на поверхности модели во время аэродинамического эксперимента.
Поскольку печатная плата, размещаемая в модели, универсальна для любого количества датчиков (не превышающего возможности обработки микроконтроллера) размеры стремятся к ограничению лишь габаритами и особенностями функционирования используемых датчиков давления или средств измерения, появляется возможность установки на модель дополнительного числа датчиков. Это позволяет осуществлять более полную регистрацию и получать подробный профиль распределения давления на поверхности модели во время эксперимента.
Благодаря беспроводному обмену данными эксперимента по каналу связи появляется возможность осуществлять регистрацию давления на поверхности модели во время эксперимента удаленно. Рабочее место оператора технически не привязано к установке и может находиться на некотором отдалении от установки или в другом помещении.