ВКЛАДНОЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕГИСТРАТОР ДАВЛЕНИЯ
INSERTABLE ELECTRONIC PRESSURE RECORDER

Предлагаемое изобретение относится к области военной техники, конкретно к средствам измерительной техники, предназначенным для проведения испытаний артиллерийских систем, их составных частей, исследований порохов и боеприпасов.
В экспериментальной баллистике и для решения практических задач при исследованиях высокоэнергетических метательных веществ, определения величины их оптимальных навесок и испытаниях артиллерийских орудий одним из основных видов измерений является определение давления в зарядной каморе и канале ствола орудия.
Самым распространенным методом измерения максимального давления в артиллерийских орудиях при выстреле был и остается крешерный метод. Это объясняется тем, что крешерное давление введено в действующую нормативно-техническую документацию на пороховые заряды и пороха, и по нему осуществляется оценка характеристик работы артиллерийских систем.
В известных устройствах, реализующих крешерный метод, максимальное значение давления пороховых газов определяют по величине осевой остаточной деформации измерительных элементов - различной формы (цилиндрической, цилиндро-конической, сферической), выполненных обычно из меди, и размещенных в корпусе крешерного прибора.
Типовая конструкция вкладного крешерного прибора /1/, представляет собой покрытый медной рубашкой цилиндрический корпус с полостью для помещения измерительного элемента - крешерного столбика и резьбовое гнездо с размещенной в нем пробкой.
С противоположной от резьбового гнезда стороны корпус прибора имеет канал для поршня, поджимающего крешер к пробке посредством пружины. Крешер центрируется в полости корпуса резиновым кольцом. Для устранения возможности прорыва пороховых газов внутрь крешерного прибора поршень делается несколько короче канала, и свободная часть канала заполняется мастикой из смеси пушечного сала и воска. С этой же целью крышка крешерного прибора при сборке утапливается ниже уровня корпуса, и наружная площадка крышки по круговой линии соприкосновения ее с корпусом также обмазывается мастикой.
К недостаткам данной конструкции можно отнести:
1) Использование для изготовления крешерных столбиков достаточно дефицитной и дорогостоящей меди.
2) Большое количество операций по изготовлению крешерных столбиков, таких как:
- отжиг;
- проверка однородности;
- проверка жесткости;
- проверка поверхностной прочности.
3) Однократное применение измерительного элемента.
4) Измерение только максимального давления пороховых газов, и непригодность для регистрации характера изменения давления во времени.
Однако, в последнее время появилось много разработок в области измерений давления с использованием различного типа электронных устройств, в частности с применением пьезокварцевых датчиков /2/, позволяющих осуществлять регистрацию не только максимального давления пороховых газов при выстреле, но и характер его изменения во времени.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является позволяющий регистрировать и запоминать кривую давления вкладной электронный регистратор давления /3/, содержащий корпус с размещенными внутри него пьезодатчиком давления, электронным модулем преобразования и регистрации сигнала и источником питания.
При проведении испытаний с помощью специального блока аппаратуры программирования электронный модуль регистратора программируется, регистратор помещается в зарядную камору орудия и находится в режиме ожидания выстрела. При выстреле под воздействием давления пороховых газов пьезодатчиком давления генерируется сигнал - высоковольтное напряжение, величина которого корреляционно зависит от конкретной величины текущего давления. Сигнал с пьезодатчика обрабатывается электронным модулем, работающим от внутреннего источника питания (аккумулятора), после чего записывается и запоминается на внутренней памяти устройства.
После извлечения регистратора из каморы орудия осуществляется считывание записанной информации - кривой давления пороховых газов.
Недостатком данного электронного регистратора давления является его непригодность для использования как при проведении испытаний в условиях низких отрицательных температур - вплоть до -50 °С и ниже, так и при ускоренных климатических испытаниях, когда испытываемый объект (унитарный боеприпас) подвергается циклическим температурным воздействиям нагрев/охлаждение с соответствующими временными выдержками в диапазоне температур от +50 °С до -50 °С. В условиях подобных температурных нагрузок имеется большая вероятность временной потери работоспособности внутреннего источника питания регистратора, и как следствие - отказ регистратора при испытаниях.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка, а именно обеспечение возможности использования в условиях низких отрицательных температур и ускоренных климатических испытаний.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном электронном регистраторе давления, содержащем корпус с размещенными внутри него пьезодатчиком давления, электронным модулем преобразования/регистрации сигнала и источником питания, в соответствии с изобретением в электрическую цепь между пьезодатчиком давления и электронным модулем включена линия задержки, а источник питания выполнен на основе пьезоэлектрического ударного генератора энергии с преобразователем напряжения, создающего необходимую начальную энергию для питания регистратора в предварительный период выстрела, причем пороговая чувствительность использованного в нем пьезокристалла к механической нагрузке выше чувствительности пьезокристалла датчика давления.
Необходимость и достаточность вышеуказанных отличительных признаков предложенных вариантов технического решения может быть пояснена следующим образом.
Дополнительное размещение в корпусе пьезоэлектрического ударного генератора энергии с преобразователем напряжения, электрически связанного с электронным модулем, позволит осуществить электрическое питание электронного модуля преобразования и регистрации сигнала. Наличие в электрической связи между пьезодатчиком давления и электронным модулем линии задержки, и также разной пороговой чувствительности к механической нагрузке пьезокристаллов ударного генератора энергии и пьезодатчика давления обеспечит запас времени, необходимый для приведения в рабочее состояние электронного модуля. Таким образом, напряжение с пьезоэлектрического ударного генератора энергии будет передано через преобразователь напряжения на электронный модуль с опережением относительно сигнала с пьезодатчика давления.
Изобретение иллюстрируется представленной на фиг. 1 блок-схемой электронного регистратора давления. Для упрощения изображений корпус регистратора условно не показан.
Электронный регистратор давления (фиг. 1) содержит размещенные внутри корпуса пьезодатчик давления 1 и электронный модуль 2. Между пьезодатчиком давления 1 и электронным модулем 2 расположена линия задержки 3. В корпусе дополнительно размещен пьезоэлектрический ударный генератор энергии 4, электрически связанный с электронным модулем 2 через преобразователь напряжения 5.
Предварительная настройка/программирование электронного модуля, а также съем с него полученной в процессе испытаний информации осуществляется комплектом аппаратуры программирования, считывания и обработки информации 6.
Работа вкладного электронного регистратора давления в условиях низкотемпературных воздействий осуществляется следующим образом.
В компьютере, входящем в комплект аппаратуры программирования, считывания и обработки информации 6 формируется программная информация о порядке/режимах работы регистратора, и передается в энергонезависимое постоянное запоминающее устройство электронного модуля 2, например, посредством интерфейса USB Type C.
Регистратор помещается в зарядную камору орудия или гильзу унитарного боеприпаса и находится в режиме ожидания выстрела. В зависимости от условий испытаний камора орудия или унитарный боеприпас (совместно с находящимся внутри них метательным зарядом) подвергаются одноразовому охлаждению до температуры вплоть до -50 °С и ниже, или циклическим температурным воздействиям нагрев/охлаждение с соответствующими временными выдержками в диапазоне температур от +50 °С до -50 °С.
В предварительный период выстрела под воздействием давления пороховых газов пьезоэлектрическим ударным генератором энергии 4 и пьезодатчиком давления 1 генерируются сигналы - высоковольтное напряжение, величина которых корреляционно зависит от конкретной величины текущего давления. Вследствие разной пороговой чувствительности к механической нагрузке пьезокристаллов ударного генератора энергии 4 и датчика давления 1, а также наличия в электрической цепи между датчиком давления 1 и электронным модулем 2 линии задержки 3 между этими сигналами обеспечивается временная задержка. Сигнал с ударного генератора энергии 4 через преобразователь напряжения 5 поступает на электронный модуль 2 и приводит его в рабочее состояние. Затем, по истечении временной задержки, на электронный модуль 2 приходит сигнал от датчика давления 1. Электронным модулем 2 осуществляется непрерывная обработка сигнала и запись результатов в элемент энергонезависимой памяти.
После извлечения регистратора из каморы орудия (или подъема с поверхности испытательной площадки после вылета из гильзы унитарного боеприпаса и канала ствола орудия) осуществляется считывание записанной информации - кривой давления пороховых газов посредством комплекта аппаратуры программирования, считывания и обработки информации 6.
При использовании современных конструкционных материалов и элементной радиоэлектронной базы конструктивно регистратор может быть выполнен в объеме и с прочностными характеристиками аналогичными используемым типовым вкладным крешерным приборам.
Таким образом, предложенный вариант конструкции электронного регистратора давления обеспечивает возможность изучения внутрибаллистических характеристик высокоэнергетических метательных веществ и артиллерийского вооружения в условиях низких отрицательных температур и циклических изменений температуры в процессе ускоренных климатических испытаний с регистрацией характера изменения давления пороховых газов во времени.
Кроме того, конструкция электронного регистратора давления, как и конструкция-прототип, позволяет регистрировать кривую давления при стрельбе с необорудованных позиций, при отсутствии возможности сверления стволов, использования ввинтных крешерных приборов/датчиков и подводки измерительных линий.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:
1) Медведева Н.П. Экспериментальная баллистика. Часть I (Методы измерения давления) - Томск: Томский государственный университет, 2006. - 172 с.
2) Руденко В.Л., Палехов О.Н., Абушкевич В.И. - Ижевск: Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН. Химическая физика и мезоскопия. Том 8, № 3, 2006, с. 321-326.
3) Замаруев В.М. Современные методы измерения внутрибаллистического давления пороховых газов в артиллерийских орудиях и моделирующих установках - Ижевск: Сборник трудов 7-ой Всероссийской конференция «Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и в ствольных системах» (ICOC-2011), с. 134-144.