АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
Расчёт физических полей методами моделирования, Б.А.Волынский, 1968

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Метод электрического моделирования широко применяется для решения многих технических задач. За последние два десятилетия создан ряд типов сеточных аналоговых математических машин АЭММ как общего применения (ЭИ-12, УСМ-1), так и специализированных (ЭМ-5 и др., в том числе изготовляемые силами заинтересованных организаций). Измерение исходных функций на АЭММ производится, как правило, измерительным устройством ручного обслуживания и требует большого количества времени (около 4 ч) для замера результатов в 400—500 точках сетки, тогда как процесс решения происходит практически мгновенно.

Автоматизация измерений и регистрации результатов решений позволяет не только значительно сократить общее время решения задач, но и повысить точность измерений за счет устранения субъективных ошибок оператора. Сложные, с большим количеством узловых точек, сеточные модели типа УСМ-1 снабжены автоматическим измерительным и опрашивающим устройством АИУ, которое является составной частью АЭММ. В настоящее время промышленностью не выпускаются автономные приборы и блоки, годные для использования в качестве АИУ для сеточных моделей, имеющих 400—800 узловых точек.

В Центральном котлотурбинном институте им. И. И. Ползу-нова разработано и изготовлено АИУ, в котором применяются выпускающиеся отечественной промышленностью электронный цифровой вольтметр ЭВЦ-2 и цифропечатающая машина ЦПМ-1. Конструктивно АИУ выполнено в виде двух блоков: блока опрашивающего устройства, размещенного в прямоугольном корпусе и имеющего штепсельные разъемы для соединения с сеткой аналоговой модели, и блока измерительного устройства. Оба блока связаны между собой соединительными кабелями.

На рис. 1 представлена блок-схема АИУ, состоящая из опрашивающего устройства ОУ, запоминающего устройства ЗУ, вольтметра ЭЦВ, цифропечатающей машины ЦПМ, блока разрешения измеренийБРИ, блока управления измерениями БУИ, шифраторов координат и момента времени измерения ШК и ШВ и блока питания БП.

Опрашивающее устройство выполнено на шаговых искателях с палладированными контактами и электромагнитных реле и осуществляет последовательный опрос узловых точек, а также служит для выдачи координат опрашиваемой точки и остановки измерений в конце опроса.

Запоминающее устройство служит для запоминания модуля мгновенного значения напряжения при измерениях мгновенных значений импульсных напряжений на RC-сетке, а также при измерениях амплитудных значений напряжения на /?-сетке, работающей на переменном токе. В данном устройстве применена широко используемая в вычислительных машинах схема запоминания на емкостях {3, 4].

Для использования всего диапазона ЭЦВ-2 измеряемое напряжение усиливается усилителем постоянного тока с коэффициентом усиления 4—6, имеющим ступенчатую и плавную регулировку усиления. Изменяя коэффициент усиления, можно получить отсчет напряжений, численно соответствующий значениям искомых физических величин.

Для обеспечения работы вольтметра ЭЦВ-2 совместно с опрашивающим устройством в его схему добавлен ключ, исключающий срабатывание ЭЦВ-2 при переключении с одной точки на другую. Это вызвано тем, что вольтметр ЭЦВ-2 предназначен 404

для измерения медленно меняющихся (с частотой не выше 0,1 гц) напряжений, а напряжение, снимаемое с шаговых искателей опрашивающего устройства, имеет форму П-импульса и при переключении дает отрицательный всплеск, вызывающий срабатывание измерительного фантастрона ЭЦВ-2, что дает ложный отсчет. На рис. 2 приведена схема блока БРИ, который управляет электронным ключом измерительного фантастрона, не изменяя основной схемы вольтметра, и исключает появление ложного отсчета.

Схема состоит из триггера, собранного на лампе JIz (6Н1П), и ждущего мультивибратора на лампе Л\ (6Н1П). Триггер уп-

Рис. 1. Блок-схема автоматического измерительного устройства

равляется импульсом запуска, идущим непосредственно от ЭЦВ-2, и импульсом конца измерения измерительного фантастрона вольтметра, формируемым ждущим мультивибратором {Л{).

Управление работой схемы запоминания и согласование момента времени измерения с измеряемыми импульсами осуществляется схемой управления измерениями БУИ, использующей распространенные в электронной технике усилители постоянного тока и релаксационные реле [1, 2].

Для получения отпечатанных на ленте координат точек измерения используется схема диодного шифратора. Каждой точке RC-сетки соответствуют две координаты: номер ряда и номер точки. Шаговые искатели опрашивающего устройства, переключая вход схемы измерения, одновременно подают сигнал на шифратор, с выхода которого двоичный код (1; 2; 4; 8), соответствующий координатам точки, подается на печатающую машину и на световое табло. Аналогично кодируется и регистрируется на ленте момент времени измерения.

Блок питания измерительного и опрашивающего устройства состоит из нескольких стабилизированных выпрямителей, питающих анодные и экранные цепи ламп электронных блоков, и не-стабилизированного источника питания электромагнитных реле и шаговых искателей.

Описанное измерительное и опрашивающее устройство позволяет производить измерения результатов решения на RC-сетках

+ 350

Рис. 2. Схема блока разрешения измерений


и R-сетках, питающихся переменным током, только в режиме автоматического замера, а на ^-сетках, питающихся постоянным током, как в автоматическом режиме, так и в режиме одиночного замера. В режиме автоматического замера производится измерение во всех узловых точках со скоростью одно измерение в секунду или одно измерение в 2 сек. В режиме одиночного замера производится измерение в одной точке сетки. После измерения опрашивающее устройство переключается на следующую точку. Результаты измерения регистрируются на бумажной ленте шириной 60 мм в виде колонки цифр. Одновременно рядом с результатом измерения печатаются координаты узловой точки, знак напряжения и момент времени замера. Напечатанные значения напряжений, координат и момента времени измеряемой величины дублируются на световых табло, что позволяет считывать 406 результаты при выключенном механизме печати и облегчает настройку измерительного устройства.

Погрешность АИУ практически не превышает погрешности электронного цифрового вольтметра ЭЦВ-2 (±0,5% от шкалы). Дискретность измеряемой величины в диапазоне от 0 до ±100 составляет 0,1. Входное сопротивление АИУ равно 600 ком.

Данное устройство используется для автоматизации измерений на электроинтеграторе СЭИ-02 ЦКТИ, имеющем 552 узловых точки и может быть применено для автоматизации измерений на других сеточных моделях, например на ЭИ-12.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Байда Л. И., Семенович А. А. Электронные усилители постоянного тока. М.— Л., Госэнергоиздат, 1953, стр. 192.

2.    Бонч-Бруевич А. М. Применение электронных ламп в экспериментальной физике. ГИТТЛ, 1955, стр. 440—470.

3.    Жовинский В. Н. Схемы запоминания напряжений и блоки запаздывания. М.— Л., Госэнергоиздат, 1961, стр. 8—21.

4.    Николаев Н. С., Козлов Э. С., ПолгородникН. П. Аналоговая математическая машина УСМ-1. М., Машгиз, 1962, стр. 171—195.

Н. Е. Саламатин

ПРИСТАВКА К ЭЛЕКТРОИНТЕГРАТОРУ ЭГДА-9/60

ДЛЯ СЪЕМА РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Решение задачи теории потенциала при помощи электроинтеграторов получается мгновенно после задания граничных условий, однако результат отыскивается на основании мгногочислен-ных измерений в различных точках поля.

При нахождении оптимального решения из нескольких вариантов необходимо быстро получить информацию о реакции модели на вводимые изменения.

Таким образом, возникает необходимость в автоматизации процесса съема результатов решения в виде непрерывной функции координат точек модели.

Для электроинтеграторов, в которых в качестве проводящей среды используется электролит, создан целый ряд установок, позволяющий построить линии равного потенциала и траектории заряженных частиц (траектографы). Такие установки достаточно полно освещены в литературе {1, 2, 7].

На интеграторах с электропроводной бумагой, к которым относится ЭГДА-9/60 [3], непрерывный съем решения затрудняется

тем, что нельзя применять подвижный зонд из-за значительного изменения контактного сопротивления между зондом и моделью.

Для съема результатов решения с таких моделей используются специальные неподвижные электроды, устанавливаемые в заданных точках.

В Институте математики АН УССР разработан прибор для визуального наблюдения эквипотенциальных линий на экране осциллографа [4].

Специальная установка для электромоделирования [3], разработанная в Рижском политехническом институте, содержит коммутирующую систему, которая позволяет подавать на регистрирующее устройство потенциал или разность потенциалов с различных точек поля по изучаемому направлению.

Рис. 1. Блок-схема установки

Однако с помощью этих установок не удается снять с модели распределение градиента потенциала.

Установка, разработанная в Казанском авиационном институте, в отличие от описанных выше позволяет наблюдать на экране осциллографа не только распределение потенциала, но и распределение градиента его вдоль заданной линии тока, что используется при решении задач гидродинамики.

Блок-схема установки (рис. 1) состоит из следующих узлов: 1 — электрическая модель; 2 — коммутатор; 3, 4, 5 — операционные усилители; 6 — генератор пилообразного напряжения; 7 — блок питания; 8— регистрирующее устройство (осциллограф).

Электрическая модель 1 изготовлена из электропроводящей бумаги на электроинтеграторе ЭГДА-9/60.

Коммутатор 2 служит для съема потенциала <рг(0 (i = 1, 2,..., 24) последовательно с 24 токоснимающих электродов модели.

Электроды расположены на равных расстояниях AS вдоль заданной линии тока. Последовательность потенциалов фг* образует ступенчатую функцию ф(5). Одновременно коммутатор воспроизводит функцию с запаздыванием по времени А/. Таким образом, с коммутатора снимаются две функции <р(/) и 408

ф(/+Д/). Запаздывание по времени на At эквивалентно приращению AS. Разность между функциями Дфг=фг(0—q)i(t + At) при At 00 AS = const является аналогом grad<p с определенной степенью приближения.

Формирование последовательности разностей потенциалов Д<Рг=Фг(0—фг(^ + Д0 выполнено на суммирующем усилите-



Рис. 2. Осциллограмма распреде- Рис. 3. Осциллограмма распределения потенциала по радиусу се-    ления градиента потенциала по

чения коаксиального кабеля    радиусу сечения коаксиального

кабеля

ле 4. Предварительно знак одной из функций ф (/) меняется на обратный с помощью инвертирующего усилителя 3.

теоретическая


—#—•— теоретическая —о—о— с помощью установки

Рис. 4. Распределение потенциала по радиусу


-о-—о— с помощью установки (усредненное значение) —Д—Д- компенсационный метод (усредненное значение)

Рис. 5. Распределение градиента потенциала по радиусу


Усилитель 5 сглаживает ступенчатые функции ф(/), ёгас!ф и устраняет пульсации питающего тока модели.

Выбор постоянной времени сглаживающего усилителя подробно описан в литературе {6].

Генератор пилообразного напряжения 6 через дополнительное пусковое реле управляет исполнительным механизмом шагового искателя. Изменение скорости вращения щеток искателя (в пределах 0,2—1,0 рад)сек) осуществляется изменением частоты напряжения, вырабатываемого генератором.

В основном, установка может быть собрана из типовых блоков: коммутатор — на шаговом искателе типа ШИ25/8; усилители 3,4,5 — на блоках операционных усилителей БОУ-2; блок питания — ЭСВ-3; регистрирующее устройство — осциллограф С1-4; генератор пилообразного напряжения — на тиратроне ТГ2-0,1/0,1.

Получены следующие результаты экспериментальной проверки.

Точность воспроизведения потенциала и его градиента оценивалась путем сравнения с точным аналитическим решением. Для этого была построена модель электростатического поля в сечении коаксиального кабеля, аналитическое решение которого известно, и снималось распределение ф(5) и gradcp по радиусу сечения.

На рис. 2 и 3 приведены осциллограммы распределения потенциала и его градиента, подсчитанные аналитически, снятые двойной иглой компенсационным методом [5] и пересчитанные с осциллограмм.

Из рис. 4 и 5 видно, что точность воспроизведения потенциала на экране осциллографа достаточно высокая, а воспроизведение градиента потенциала имеет такой же порядок, как при снятии компенсационным методом.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Дружинин Н. И. Портативные приборы ЭГДА. Л., Изд-во ВНИИГ, 1953.

2.    Л е в и н Г. 3., П р у д н и к о в с к и й Г. П. Траектографы-автоматы, производящие расчет и построение траекторий заряженных частиц. ЖНТЭ, No 1, 1962.

3.    Н и ц е ц к и й Л. В., Фокин А. Ф. Портативные установки для моделирования двухмерных задач геофизики. Ученые записки. Изд. Рижского политехнического института. Т. V, вып. 2, 1961, стр. 15—24.

4.    Т а р а л о н А. Г. Приборы ВЭЛ-2/61 для визуального наблюдения эквипотенциальных линий. Доклады четвертой межвузовской конференции по применению физического и математического моделирования. Сб. № 1, изд МЭИ,

1962,    стр. 351—355.

5.    Фильчаков П. Ф., Панчишин В. И. Интеграторы ЭГДА. Киев, '«Наукова думка», 1961, стр. 115.

6.    Чесноков А. А. Решающие усилители. М.— Л., Госэнергоиздат,

1963,    стр. 63.

7.    Van Duzev F. Виске у С. R. and Brewer G. К., Frajectory Tracer for charged Partcles Which Includes Megnetie Feilds and Space charge. R. S. I., N 5, 1963.

Э. С. Кухтин, М. А. Шепсенвол