Модель для аэродинамического эксперимента с интегрированным зондом по беспроводному каналу связи

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к аэродинамическим моделям для исследования зондовым методом характеристик плазменного слоя у поверхности модели, испытываемой в аэродинамических трубах.
Характеристики плазменного слоя, появляющегося около поверхности летательных аппаратов при высоких скоростях полета в атмосферах планет Солнечной системы, очень важны, поскольку интенсивный нагрев газа у поверхности аппарата приводит к необходимости учета разнообразных физико-химических процессов. Корректное экспериментальное моделирование условий высокоскоростного полета на различной высоте в атмосферах планет позволяет получить важные данные для проведения дальнейших расчетно-теоретических и экспериментальных исследований гиперзвуковой аэротермодинамики и отработки моделей компьютерной аэрофизики [Суржиков С.Т. Радиационная газовая динамика спускаемых космических аппаратов. Многотемпературные модели // Москва: ИПМех РАН, 2013]. Наземные экспериментальные исследования по описанию характеристик плазмы различных газов и их смесей, нагретых аэродинамическим способом, около поверхности элементов модели летательного аппарата, обтекаемой этой плазмой, имеют высокую актуальность.
В аэродинамическом эксперименте регистрация характеристик плазменного слоя у поверхности модели может осуществляться зондовыми методами с помощью применения специальных устройств типа зонд [Звегинцев В.И. Газодинамические установки кратковременного действия // Новосибирск: Параллель, 2014]. Зонд содержит электрод (металлический
проводник), или несколько электродов, которые вводятся в плазменный слой. Их потенциал фиксируется относительно опорного электрода, что позволяет находить локальные характеристики плазмы (пространственное распределение параметров). Тем не менее, в силу пространственных ограничений, применение нескольких таких зондов, установленных на модели, является неэффективным с точки зрения минимизации габаритов. Также остается нерешенной задача синхронизации показаний зондов при эксперименте, и в случае, когда требуется точно по времени сопоставлять динамику изменения характеристик плазменного слоя в разных точках у поверхности модели (при быстропротекающих процессах), использование таких независимых зондов 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 зондов 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 является то, что они не позволяют решить поставленную задачу, т.е. задачу измерения зондовым методом, а решают только ее часть, связанную с обработкой, хранением и передачей информации, кроме того наличие избыточных интерфейсов, крупных разъемов и клемм (например, Ethernet), приводят к увеличению общих габаритов модели.
Задачей предлагаемой полезной модели является преодоление вышеуказанных недостатков и обеспечение возможности измерения зондовым методом 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 зондом по беспроводному каналу связи, состоит из разборного корпуса, геометрически подобного натурному объекту, и установленных в него зонда и печатной платы, содержащей последовательно соединенные сменяемый источник питания, импульсный преобразователь напряжения, приемопередатчик беспроводной связи, микроконтроллер с встроенными АЦП,
обеспечивающий синхронную обработку показаний зондов и перевод их в цифровой код, запись и чтение из энергонезависимой памяти, управление и контроль приемопередатчика, энергонезависимую память для хранения показаний зонда.
Поставленная задача также достигается тем, что количество зондов может быть более одного.
Поставленная задача также достигается тем, что приемопередатчик беспроводной связи представляет собой приемопередатчик беспроводной связи Bluetooth.
Поставленная задача также достигается тем, что приемопередатчик беспроводной связи представляет собой приемопередатчик беспроводной связи Wi-Fi
Поставленная задача также достигается тем, что приемопередатчик беспроводной связи представляет собой приемопередатчик беспроводной связи в диапазоне UFH.
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. 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 4×4 см, что, в свою очередь, позволяет изготовить модель (с установленной печатной платой и датчиками) с характерными размерами не более 50×50×50 см, что соотносится с размерами обычных испытываемых моделей, в т.ч. в ударных трубах, формирующих высокоскоростной краткосрочный набегающий поток. Соответственно, заявляемая полезная модель позволяет изготавливать модели для испытания в обычных аэродинамических установках любого типа.
Сущность полезной модели 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 зондов 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 зонда (зондов) 2 и перевод их в цифровой код, запись,
чтение и хранение показаний зонда(ов) 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; 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 зонда(ов) 2, размещенных в корпусе модели 1, регистрируются изменения характеристик плазменного слоя у поверхности модели во время эксперимента согласно схеме, представленной на фиг. 1. Также, согласно фиг. 1, с использованием технологии беспроводной связи происходит передача показаний на персональные ЭВМ 9, которые находятся снаружи.
За счет использования беспроводной связи с ЭВМ отсутствует необходимость прокладывания проводных соединений от зондов 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 зондов (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 зондов, средство регистрации, средство хранения данных и т.д.) минимизируется. Все устройства в единственном экземпляре и обрабатывают показания всех зондов одновременно благодаря системе синхронизации.
Также это позволяет получить дополнительное место для размещения зондов и увеличить количество используемых средств измерения на поверхности модели, благодаря чему осуществляется более полная и подробная регистрация характеристик плазменного слоя у поверхности модели во время аэродинамического эксперимента.
Поскольку печатная плата, размещаемая в модели, универсальна для любого количества зондов (не превышающего возможности обработки микроконтроллера) размеры стремятся к ограничению лишь габаритами и особенностями функционирования используемых зондов или средств измерения, появляется возможность установки на модель дополнительного числа зондов или других датчиков. Это позволяет осуществлять более полную регистрацию и получать подробный профиль распределения характеристик плазменного слоя у поверхности модели во время эксперимента.
Благодаря беспроводному обмену данными эксперимента по каналу связи, например Bluetooth, появляется возможность осуществлять регистрацию характеристик плазменного слоя у 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.