Система измерения массовой скорости горения

Авторы патента:

G01N3 - Исследование прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий (тензометры G01B; измерение механических напряжений вообще G01L 1/00)

Полезная модель относится к приборам предельных измерений в экспериментальной физике, в частности, к устройствам, предназначенным для измерения массовой скорости горения конденсированных систем. При осуществлении предлагаемой системы может быть получен следующий технический результат: значительное увеличение разрешающей способности измерительной системы, устранение зависимости регистрируемого сигнала от диэлектрических характеристик среды при проведении экспериментов в условиях повышенных давлений.

Указанный технический результат достигается за счет использования измерительного моста, одним из плеч которого является опорный конденсатор, встроенный в емкостной датчик микроперемещений, являющийся вторым плечом измерительного моста, в третье и четвертое плечи которого включены соответственно конденсаторы постоянной и переменной емкости. В диагональ питания измерительного моста через согласующий трансформатор включен опорный генератор. Диагональ измерения измерительного моста содержит дифференциальный усилитель, выход которого через полосовой фильтр и преобразователь подключен к первому входу согласующего каскада, второй вход которого через микроконтроллер соединен с устройством ввода, а выход согласующего каскада подключен к блоку обработки данных.

Известно устройство непрерывного измерения скорости горения смесевого твердого топлива (Германс К.Е. Непрерывное измерение скорости горения смесевого твердого топлива. Ракетная техника и космонавтика. 1967. т.5. 10. С.57-61), в котором образец твердого топлива используется в качестве диэлектрического материала конденсатора, составляющего часть резонансного LC-контура. Недостатки устройства - сложность изготовления конденсатора из топливного материала с учетом тенденции весьма тонкой фольги к скручиванию и разрывам в процессе обрезки; невозможность использования прибора, в случае если вещество не является хорошим диэлектриком; низкая разрешающая способность.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели (прототипом) является устройство измерения массовой скорости горения твердых взрывчатых веществ (Михеев В.Ф., Борин С.М. Измерение массовой скорости горения твердых ВВ. Физика горения и взрыва. 1973. т.9. 2. С.327-329) с помощью емкостного датчика микроперемещений и электронной измерительной схемы.

Известное устройство содержит емкостной датчик микроперемещений, измерительный генератор, опорный генератор, смеситель, усилитель-ограничитель, демодулятор, дифференцирующую схему, согласующий каскад, осциллограф.

Принцип работы известного устройства-прототипа заключается в следующем: при поджигании исследуемого образца его первоначальная масса изменяется, что вызывает изменение действующего усилия и соответствующее изменение емкости датчика микроперемещений, являющейся элементом LC-контура измерительного генератора. Промодулированный емкостным датчиком микроперемещений сигнал с измерительного генератора подается на смеситель. На тот же смеситель поступает высокочастотный сигнал с опорного генератора. В нагрузке смесителя выделяется разностная частота. После усиления и ограничения по амплитуде сигнал поступает в демодулятор, в нагрузке которого выделяется напряжение, пропорциональное реактивной силе продуктов горения. Это напряжение через согласующий каскад подается одновременно на осциллограф и дифференцирующую схему. После дифференцирования напряжение, пропорциональное массовой скорости горения, регистрируется осциллографом.

Данное известное решение для измерения массовой скорости горения конденсированных систем имеет низкую разрешающую способность, а также, при использовании емкостного датчика микроперемещений в условиях повышенных давлений возникает неконтролируемая зависимость регистрируемого сигнала от изменяющихся диэлектрических характеристик среды.

Ввиду отмеченных недостатков, известные устройство-прототип, как и устройство-аналог, не обеспечивают требуемую разрешающую способность и информативность экспериментов по измерению массовой скорости горения конденсированных систем.

Предлагаемая авторами полезная модель позволяет решить следующую задачу: существенно повысить разрешающую способность устройства и информативность экспериментов по измерению массовой скорости горения конденсированных систем.

При осуществлении предлагаемой системы измерения массовой скорости горения может быть получен следующий технический результат: значительное увеличение разрешающей способности измерительной системы, устранение зависимости регистрируемого сигнала от диэлектрических характеристик среды при проведении экспериментов в условиях повышенных давлений.

Общие для заявляемого устройства и прототипа признаки: наличие емкостного датчика микроперемещений, опорного генератора и согласующего каскада.

Отличительными от прототипа признаками являются: наличие в системе опорного конденсатора, встроенного в емкостной датчик микроперемещений, причем, опорный конденсатор и емкостной датчик микроперемещений образуют соответственно первое и второе плечо измерительного моста, в третье и четвертое плечи которого включены соответственно конденсаторы постоянной и переменной емкости. В диагональ питания измерительного моста через согласующий трансформатор включен опорный генератор. Диагональ измерения измерительного моста содержит дифференциальный усилитель, выход которого через полосовой фильтр и преобразователь подключен к первому входу согласующего каскада, второй вход которого через микроконтроллер соединен с устройством ввода, а выход согласующего каскада подключен к блоку обработки данных.

Сущность полезной модели поясняется фиг.1, где представлена структурная схема заявляемой системы измерения массовой скорости горения. Система на фиг.1 содержит емкостной датчик микроперемещений 1 с встроенным опорным конденсатором 2, измерительный мост 3, дифференциальный усилитель 4, полосовой фильтр 5, преобразователь 6, согласующий каскад 7, микроконтроллер 8, устройство ввода 9, согласующий трансформатор 10, опорный генератор 11, блок обработки данных 12.

В состоянии покоя измерительный мост 3 - сбалансирован, т.е. его выходное напряжение равно нулю. Под действием реактивной силы изменяется емкость основного конденсатора емкостного датчика микроперемещений 1, происходит разбалансировка измерительного моста 3 и на выходе появляется напряжение, пропорциональное реактивной силе продуктов горения. Далее это напряжение поступает на вход дифференциального усилителя 4, где оно усиливается. Затем, с помощью полосового фильтра 5 отфильтровывается большая часть шумов, лежащих вне полосы пропускания измерительной системы, и синусоидальный сигнал с минимальным уровнем шума и требуемой амплитуды поступает на преобразователь 6, где происходит его преобразование в сигнал постоянного тока. Через согласующий каскад 7 сигнал поступает на блок обработки данных 12, где происходит вычисление массовой скорости горения и анализ результатов. Измерительный мост 3 питается от опорного генератора 11, через согласующий трансформатор 10. Микроконтроллер 8 регулирует коэффициент усиления согласующего каскада 7, который вводится пользователем через устройство ввода 9.

Пример реализации.

Дифференциальный усилитель 4 собран на операционном усилителе с низким уровнем шума ADA4841-1. Измерительный мост 3 представляет собой четыре конденсатора: основной конденсатор емкостного датчика микроперемещений 1, опорный конденсатор 2, конденсатор переменной емкости AJ25SDE, предназначенный для балансировки измерительного моста 3 и конденсатор постоянной емкости. Полосовой фильтр 5 реализован на операционном усилителе AD8597, в цепь обратной связи которого включен LC-контур, настроенный на частоту опорного генератора 11. Преобразователь 6 состоит из идеального детектора и фильтра низкой частоты, причем, идеальный детектор выполнен на сдвоенном операционном усилителе AD8022, а фильтр низкой частоты реализован на операционном усилителе AD8597. Микроконтроллер 8 может использоваться любой, в данном случае был выбран ATMEGA168V. Устройство ввода 9 представляет собой 5 кнопок типа TS-A6PV. Опорный генератор 11 реализуется на сдвоенном операционном усилителе AD8022. Согласующий трансформатор 10 от фирмы Bourns 2-4-1J. Согласующий каскад 7 выполнен на сдвоенном операционном усилителе AD8022 с использованием цифрового потенциометра AD5290, управляемый микроконтроллером 8. Блок обработки данных 12 представляет собой АЦП Е14-140М от фирмы L-CARD, соединенный с персональным компьютером, на котором установлено соответствующее программное обеспечение.

Система измерения массовой скорости горения, содержащая опорный генератор, емкостной датчик микроперемещений, согласующий каскад, отличающаяся тем, что система содержит измерительный мост, одним из плеч которого является опорный конденсатор, встроенный в емкостной датчик микроперемещений, являющийся вторым плечом измерительного моста, в третье и четвертое плечи которого включены соответственно конденсаторы постоянной и переменной емкости; в диагональ питания измерительного моста через согласующий трансформатор включен опорный генератор, а диагональ измерения содержит дифференциальный усилитель, выход которого через полосовой фильтр и преобразователь подключен к первому входу согласующего каскада, второй вход которого через микроконтроллер соединен с устройством ввода, а выход согласующего каскада подключен к блоку обработки данных.