В данной работе представлен многоканальный измеритель давления, предназначенный для построения автоматизированных систем сбора данных, а также для проведения высокоточных измерений давления в различных областях науки и техники. Проводились исследования погрешностей измерения давления. Даны рекомендации по их уменьшению.
Значительная часть исследований в аэродинамических трубах связана с одновременным измерением давления во многих точках экспериментальной модели (так называемые, дренажные испытания) [1]. Для этой цели на исследуемой модели устанавливаются точки отбора давления, которые с помощью пневмотрасс соединяются с датчиками давлении. Такая схема имеет существенные недостатки, заключающиеся: во-первых, в необходимости использовать прецизионные, а значит, дорогие датчики давления и, во-вторых, в больших наводках и шумах в сигналах от датчиков, возникающих в линиях связи, которые зачастую не позволяют обеспечивать необходимую точность измерения сигналов из-за малого соотношения сигнал/шум + наведенный потенциал. Для медленных процессов эта проблема решается применением прецизионных измерительных приборов (вольтметров) с большим временем интегрирования, обязательно кратным периоду питающей сети для компенсации сетевой помехи (50 Гц).
В аэродинамических экспериментах, проводимых в ИТПМ СО РАН в настоящее время, широко используются пневмокоммутаторы, позволяющие подключать к одному датчику давления несколько пневмотрасс [2]. В ИТПМ СО РАН разработан пневмокоммутатор на 12 каналов, при работе с которым до и после опроса измерительных каналов опрашиваются последовательно два служебных канала, в один из которых подается опорное, а в другой эталонное (атмосфера) давление. По результатам опроса служебных каналов вычисляется коэффициент преобразования датчика в текущем измерении, что позволяет существенно увеличить точность измерения давления. На основе этих датчиков в ИТПМ СО РАН была реализована подсистема многоканального измерения давления (МИД-100), позволяющая проводить многоточечные измерения давления. Этот метод измерения давления многие годы оставался основным, хотя он и не был лишен недостатков, а именно, наличие длинных пневмотрасс приводило к большим временам установления в них давления (до 200 мс).
Методика измерения давлений в рабочей части аэродинамической трубы содержат два противоречивых требования: с одной стороны, необходима как можно меньшая длина пневмотрасс, для обеспечения минимального времени установления давления в них и сохранении динамики сигналов; с другой стороны, необходимо обеспечить минимально возможное расстояние от датчиков давления до измерительного устройства для уменьшения помех и наводок в линиях связи. Одновременно выполнить оба эти требования не представляется возможным из-за того, что аэродинамическая труба и измерительная система зачастую находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга. В этих условиях представляется оптимальным вариант использование переносных многоканальных высокоточных измерителей давления, которые можно было бы установить в непосредственной близости от установки, и которые имели бы стандартный интерфейс связи с системой автоматизации. По этому интерфейсу в реальном времени измеренные данные поступают в систему и далее там обрабатываются.
Многоканальный измеритель давления. В рамках данного проекта на основе 12-канального пневмокоммутатора с одним датчиком давления разработки ИТПМ СО РАН создан переносной малогабаритный, функционально законченный, с удобным пользовательским интерфейсом многоканальный автономный измеритель давления для автоматизированного сбора данных. Измеритель отличается высокой точностью и стабильностью измерительных каналов. Для достижения необходимых параметров в 12-канальном датчике давления используется периодическая калибровка датчика в процессе измерений путем подключения к нему опорного и эталонного давлений. В качестве опорного давления используется атмосферное давление, которое измеряется при помощи высокоточного измерителя барометрического давления, в качестве эталонного - давление от специального образцового задатчика давления, который также был разработан в рамках данного проекта.
Таким образом, исходя из сформулированных требований к автономному многоканальному измерителю давления представляется следующая его структура: 12-канальный датчик давления с пневмокоммутатором; блок управления пневмокоммутатором; измерительный блок с предварительным усилителем; процессорный блок; интерфейсный блок; блок индикации и клавиатуры; измеритель атмосферного давления; задатчик эталонного давления; компрессор для задатчика эталонного давления; блок питания. Все узлы измерителя конструктивно расположены в двух корпусах-кейсах: в одном кейсе - задатчик давления с компрессором, в другом, приборном кейсе - остальные технические средства измерителя.
Заключение. В результате выполнения данного проекта был разработан многоканальный автономный измеритель давления для автоматизированного сбора данных, который по своим основным техническим характеристикам, таким как погрешность измерения давления и пользовательский «дружественный» интерфейс, не уступает лучшим зарубежным и отечественным образцам.
Разработанный многоканальный измеритель давления может применяться как автономно, так и в составе автоматизированных систем сбора данных, используемых при проведении экспериментальных исследований в аэродинамических установках. Широкое применение измерители могут найти в ВУЗах при проведении лабораторных и исследовательских работ, а так же для проведения высокоточных измерений давления в различных областях промышленности и НИИ. Измерители отличаются высокой точностью и стабильностью измерительных каналов. Соотношение цена/качество для измерителей давления ниже, чем у многих отечественных и зарубежных аналогов.
В дальнейшем предполагается заменить 12-канальный датчик давления с пневмокоммутатором на высокоточные интегральные тензопреобразователи, что позволит значительно улучшить технические характеристики измерителя давления при существенном уменьшении его габаритов и потребляемого питания.
Работа по созданию измерителя давления проводилась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ № 10-07-00469-а и 12-07-00548-а).
Список литературы
-
Sobstel G.M., Garkusha V.V., Yakovlev V.V., Gilyov V.M., Zapryagaev V.I., Pevzner A.S. Аutomation of experimental studies in supersonic wind tunnels // Proceedings of the IASTED International Conferences on Automation, Control, and Information Technology (ACIT 2010). - Novosibirsk, June 15 - 18, 2010. - P. 168-173.
- А.С. №564552 Пневмокоммутатор для многоканального измерителя давления.