Измерение уровня заправки жидкостной ракеты

Каждый период синусоидального напряжения состоит из 100 дискретных точек с амплитудами, рассчитанными в соответствии с коэффициентами, полученными из формулы:

К = sin(i),

где (8) i = 0, 3,6…360^о

Значения кодов в десятичной системе счисления, подаваемых на ЦАП рассчитываются по формуле:

А = 2048х(1+К),

где (9)

А - код в десятичной системе счисления;

2048 - код, при котором выходное напряжение ЦАП равно половине его полной шкалы;

К - коэффициент, рассчитанный в соответствии с (8).

Узел обеспечивает работу генератора в трех режимах:

- формирование синусоидального напряжения частотой 5 кГц;

- формирование синусоидального напряжения частотой 1,25 кГц;

- блокирование работы генератора (напряжение на выходе генератора отсутствует).

Тактовая частота поступает на вход схемы управления, а затем на вход "С" двоичного счетчика. Значения тактовой частоты на входе "С" составляют 0,5 и 0,125 МГц для частот синусоидального напряжения 5 и 1,25 кГц соответственно.

Переключение частоты осуществляется подачей логической 1 на вход F1/F2 (при наличии логической 1 частота синусоидального напряжения составляет 1,25 кГц).

Блокирование работы счетчика осуществляется подачей логической единицы на вход "CLR" схемы управления. При подаче этого сигнала схема управления вырабатывает сигналы "СЕ" (запрет работы счетчика) и "CLR" (обнуление), приводящие счетчик и буферный регистр в исходное состояние и блокирующие их работу.

Сформированный код записывается в буферный регистр, где хранится до записи следующего кода.

Данные, полученные в каждом цикле измерения, поступают на шину данных и записываются в двухпортовое ОЗУ. В двухпортовом ОЗУ "имеются два набора адресных, информационных и управляющих сигнальных шин, каждый из которых обеспечивает доступ к общему массиву" [13] запоминающих элементов.

Такое построение позволяет организовать асинхронную работу МИУ и модуля контроллера, а так же избежать считывания недостоверных данных из ОЗУ.

Шина данных (рис. 15) содержит два 16 разрядных слова DIL и DIH. Адреса ОЗУ, по которому хранятся данные, задается комбинацией бит: биты Адрес, Бит канала 2 и Бит канала 3.

Адреса, по которым хранятся данные в двухпортовом ОЗУ, приведены в табл. 5.

Таблица 5

Адреса данных в двухпортовом ОЗУ

Глава 3. Моделирование и отработка конфигурации ПЛИС

3.1 Моделирование ПЛИС на примере моделирования узла формирования масштаба

Для проверки работоспособности разработанной конфигурации ПЛИС Xilinx была проведена симуляция различных узлов в Logic Simulator (LS), пакет позволяющий проверять тактово логические операции, происходящие в конфигурации. Для этого в LS задаем требуемые нам в каждом узле сигналы в поле Signal Selection. После чего пошагово изменяем значения входного параметра.

Рис. 16. Фрагмент конфигурации ПЛИС, содержащий узел формирования масштаба

Таким образом, был проверен узел формирования масштаба. На рис. 16 представлен фрагмент конфигурации ПЛИС с проверяемым узлом. На шину DRL поступает код АЦП, затем по шине он передается на цифровые компараторы L18, для сравнения десятичного представления значение кода АЦП с 13000 (сравнение происходит с константным значением L25), L7, сравнивающий значение кода АЦП с 6505, L9 - 2360, L10 - 1635. После, с цифровых компараторов сигнал (с выходов A_LT_B, если значение меньше константного, A_GE_B, если значение равно или больше константного, каждого компаратора) направляется на шину MASW, откуда он попадает в сегмент U79,где происходит преобразование сигнала согласно рисунку 17.

Рис.17. VHDL-код сегмента U79

Масштаб определяется состоянием шины MU (Табл. 6). Как было сказано ранее, масштаб 16 устанавливается принудительно при измерении шумов каналов "О" и "Г".

Таблица 6

Соответствие состояния шины MU и устанавливаемого масштаба

В поле Signal Selection и Chip Selection согласно конфигурации узла выбираем следующие компоненты: DRL, L7, L9, L10, L18,U79, MU.

Для моделирования процесса формирования масштаба на шину DLR принудительно были поданы 5 различных сигналов. Как видно из рис. 18 алгоритм выполняется надлежащим образом.

На вход А каждого компаратора подается значение сигнала АЦП, записанный в обратном порядке, на вход В также в обратном порядке задается константное значение, с которым происходит сравнение. Поскольку нам необходимо проверить значения сигналов АЦП более 13000 и менее 6505, то для компаратора L18 был выбран выход A_GE_B, а для остальных - A_LT_B.

Таблица 7

Результаты моделирования узла формирования масштаба

В таблице _7_ представлены результаты моделирования узла формирования масштаба. На вход шины DRL поданы сигналы, которые входят в диапазоны значений А-параметров согласно алгоритму (рис. 12).

3.2 Отработка ПЛИС в составе системы измерения уровня заправки в испытательном центре

Система измерения уровня заправки (СИУЗ) жидкостного топлива прошла все виды испытаний без отказов. Экспериментально были выявлены преимущества, которые позволяют вести анализ текущего состояния изделия в процессе испытаний и эксплуатации:

- высокая точность измерения по уровню (0,1 %) позволяет вовремя заметить такие нештатные ситуации как утечка компонентов топлива и принять меры по ее устранению;

- возможность записи интересующих участков заправки с частотой порядка одна точка по уровню в секунду, что позволяет вести детальный последующий анализ физических процессов внутри бака;

- протокол событий прошедшей работы может быть получен в удобном для обработки электронном виде непосредственно после окончания работы.

Уровнемерные системы предыдущих поколений не обладали такими эксплуатационными возможностями.

При этом нужно отметить следующие качества и особенности СИУЗ:

- обзорные графики заправки горючего и окислителя при испытаниях (см. Приложение 2 - рис. 1, рис. 2). На каждом из графиков прописаны показания двух каналов (основного и дублирующего), которые показывают очень малое расхождение в значениях уровня (расхождение показаний основного и дублирующего каналов по окислителю около 0,1 %, по горючему - около 0,25 %). При повторных испытаниях графики заправки оказались аналогичными. Эта идентичность результатов работы является косвенным подтверждением того, что реально полученная суммарная погрешность канала измерения уровня заметно лучше требований оговоренных ранее требований (±0,5 %). Полученный результат подтверждает достоверность метода расчета погрешности измерения уровня. Кроме того, эти испытания указывает на стабильность параметров электроники измерительных каналов и параметров ДУЗ;

- из графика заправки окислителем (Приложение 2 - рис. 3) видна особенность захолаживания ДУЗ-О до соприкосновения с окислителем электродов ДУЗ и нагрева ДУЗ-О после слива окислителя. Особенность заключается в том, что, в случае разных условий охлаждения электродов ДУЗ-О электрическая емкость основного канала ДУЗ при этом растет, а дублирующего - уменьшается (после слива окислителя наблюдается обратная картина). Однако сразу после соприкосновения электродов ДУЗ с жидким окислителем (в течение секунд) показания обоих каналов становятся одинаковыми.

Заключение

Одной из особенностей создания уровнемерных систем жидкостных ракет является точное и надежное преобразование информации об уровне топлива в электрические сигналы и обеспечение технической возможности передачи достоверной информации об уровне от датчиков уровня заправки до средств измерения на расстоянии до 400 метров. Измерение уровня топлива через длинные линии осуществляли через мостовые методы измерения, построенные на переменном токе. Одним из направлений повышения эффективности жидкостной ракеты является снижение массы гарантийных запасов топлива, которое решается, в том числе путем обеспечения высокоточного измерения уровня при заправке ракеты.

В данной работе представлены современные требования по точности измерения, предъявляемые к уровнемерным системам, в частности, к СИУЗ ракеты "Союз-2", которая соответствует измерению с относительной погрешностью ±0,5 %.

Выполнен анализ принципов построения уровнемерных систем и методов измерения уровня компонентов топлив. Обозначены пути повышения точности измерения уровня на основе известных и вновь созданных методов измерения и натурных испытаний жидкостных ракет, включая "Союз-2".

Показана реализация метода измерения уровня, построенного на основе совокупных измерений параметров датчика уровня и виртуального выполнения отработанного на практике измерительного моста с использованием информационных технологий.

Результат проведенных исследований заключается в измерении уровня топлива с относительной погрешностью ±0,3%, что в практическом плане соответствует снижению гарантийных запасов топлива на десятки килограммов для жидкостной ракеты среднего класса.

Реализация указанной точности измерения уровня заправки приводит к существенному (свыше сотни килограммов) высвобождению массы гарантийных запасов топлива, что особенно актуально для блока "И".

Проанализировав методы измерения уровня топлива жидкостных ракет было определено, что наилучшим методом является емкостный метод измерения уровня диэлектрического вещества.

Было разработано устройство, которое исключает влияние большой паразитной емкости кабельной линии связи на точность измерения параметров емкостного датчика, что позволяет проводить измерения параметров датчика, удаленного от средства измерения через линию связи более чем на 500 метров. А также была обеспечена полная автоматизация процессов настройки средства измерения и непосредственного измерения уровня.

Некоторые блоки устройства, представленные на функциональной схеме (рис. 3), были реализованы в ПЛИС XC2S200-PQ208 фирмы Xilinx, поскольку данный кристалл имеет системное быстродействие 200МГц, и частотой превышающей 350 МГц, общим объемом ОЗУ 56Кбит и 1,3 Мбит конфигурационной последовательности.

В качестве программного обеспечения была выбрана среда программирования Foundation Series (FS) фирмы Xilinx, поскольку она позволяет производить полный цикл операций по разработке ПЛИС от непосредственного проектирования ПЛИС до ее моделирования и загрузки конфигурации непосредственно в кристалл.

Созданная конфигурация ПЛИС оказалась полностью работоспособной и отвечающей нашим требованиям автономности и быстродействия устройства измерения уровня топлива.

Список используемой литературы

1. Martinez, Hugo E. Lessons Learned from the Space Shuttle Engine Cutoff System (ECO) Anomalies // 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit: 31 July 2011 - 03 August 2011, San Diego, California / AIAA PAPERS, 2011. - 14 р. AIAA 2011-5836.

2. Proton Launch System Mission Planner's Guide, Revision 7 / International Launch Services. - ILS, 2009. - 395 р. - LKEB-9812-1990, Rev. 7.

3. STS-114 Engine Cut-off Sensor Anomaly: Technical Consultation Report // NASA Engineering and Safety Center National Aeronautics and Space Administration, Langley Research Center, 2009. - 28 р. - NASA/TM-2009-215567, NESC-RP-05-125/05-045-E.

4. User's Guide, Revision C / Sea Launch Company, LLC. - Boeing Launch Services, 2003. - D688-10009-1.

5. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Кнеллер В.Ю. Измеритель-анализатор параметров комплексных сопротивлений на основе персональной ЭВМ // Измерительная техника. 1996. №6.

6. Андриенко А.Я., Балакин С.В., Ломтев С.М., Портнов-Соколов Ю.П. Проблема измерения уровня топлива на борту жидкостных ракет. Датчики и системы, №3. 2003 г.

7. Бобровников Г.Н., Катков А.Г. Методы измерения уровня. М.: Машиностроение, 1977.

8. Балакин С. В. Опыт эксплуатации системы контроля заправки жидкостных ракет как основа создания системы нового поколения // Датчики и системы. - М.: Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, 2005. - Вып. 7. - С. 10-17.

9. Губанов Б. И. Триумф и трагедия "Энергии". Размышления Главного конструктора / Б. И. Губанов. - Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского института экономического развития, 1998. - Т. 3.

10. Зотов В.Ю. Проектирование встраиваемых микропроцессорных систем на основе ПЛИС фирмы Xilinx. М.: Горячая линия - Телеком, 2006.

11. Карандеев К.Б., Гриневич Ф.Б., Новик А.И.. Емкостные самокомпенсированные уровнемеры. М:, издательство "Энергия", 1966, с.-135.

12. Луговая А.И. Алгоритм функционирования системы измерения уровня заправки жидкостной ракеты // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, 2017.

13. Орлов С.А., Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. 2-е изд. СПб.: Питер, 2011.

14. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными ракетными двигателями / под ред. Челомея В.Н. М.: Машиностоение, 1978.

15. Перельройзен Е.З. Проектируем на VHDL. М.: СОЛОН-Пресс, 2010.

16. Цедерберг Н.В. Теплопроводность газов и жидкостей. М.: Госэнергоиздат,1963.

17. Цикерман Л.Я., Ефремов Е.А. Классификация приборов измерения уровня жидких и сыпучих сред по принципам действия // Приборы и средства автоматизации. 1963. №5.

18. Яковлев Л.Г. Уровнемеры. М.: Машиностроение, 1964

Размещено на Allbest.ru