Вступление

Современные темпы развития науки и техники постоянно ведут к совершенствованию путей, способов и средств проведения научных исследований. Творческая мысль передового научного сотрудника позволяет все больше овладевать тонкостями исследуемых процессов. И нередко возникают ситуации, когда уровень используемого для исследований оборудования по некоторым критериям не соответствует потребностям исследователя.
 

В настоящий момент такая ситуация сложилась в области исследования быстропротекающих процессов (детонации взрывчатых веществ). Существующее оборудование устарело или вышло из строя, а современное новое слишком дорого стоит. Именно по-этому остро стала проблема разработки алгоритмов и способов автоматизации исследования быстропротекающих процессов с целью создания максимально удобного и современного оборудования, соответствующего потребностям исследователей и при этом обладающего невысокой ценой.

Анализ литературных источников

Важнейшей характеристикой, определяющей свойства взрывчатого вещества (ВВ), является скорость детонации. В данный момент в области исследований детонационных процессов сложилась такая ситуация, что имеющееся в подавляющем большинстве научно-исследовательских лабораторий и институтов лабораторное оборудование морально устарело и уже не соответствует потребностям современных исследований, а новое современное оборудование отличается высокой ценой.
 

Так, например, в области исследования взрывчатых веществ существует метод  определения скорости детонации (ГОСТ 3250-75 «Вещества  взрывчатые. Методы определения скорости детонации») при помощи ионизационных датчиков с фиксацией замеров на цифровом частотомере (например, Ч3-35). Однако, учитывая возможности этого оборудования, возможно определение только средней скорости детонации на заданном участке (первый датчик запускает таймер, а второй его останавливает), а громоздкость оборудования создает определенные трудности в его использовании. Кроме того, постоянное развитие теории детонации ВВ требует расширения процесса исследования этого параметра. В частности, при исследовании процесса передачи детонации через инертную преграду необходимо, как минимум, использование двух датчиков в активном патроне для определения скорости детонации перед преградой, и четыре-пять датчиков в пассивном патроне для изучения процесса возбуждения, изменения скорости детонации, и, возможно, ее затухания.
 

Другой известной методикой (см. рис 1) является работа, предложенная А.В. Губачевым и др. из всероссийского НИИ экспериментальной физики [1]. Преимуществом описанной  методики является возможность измерения до 32х каналов, погрешность не более 20 нс, использование оптоволоконных датчиков и персонального компьютера для обработки результатов. Однако данная методика обладает рядом недостатков:

• Используемая плата Логического анализатора встраивается непосредственно в персональный компьютер, что лишает прибор мобильности и делает невозможными полевые испытания;
• Логический анализатор начинает работу при получении синхроимпульса одновременно с импульсом от подрывной установки на электродетонатор что, учитывая специфику возбуждения детонации в детонаторе, привносит некоторую погрешность в измерения первой базы;
• Дороговизна как самого прибора так и оптоволоконного оборудования.

 Рисунок 1 – Структурная схема методики.

Цель работы

В результате проведенного анализа было выяснено, что проведение необходимых лабораторных и тем более, натурных исследований с получением множества достоверных показателей на существующем оборудовании не представляется возможным. И единственным выходом является разработка специализированного оборудования для проведения необходимых исследований.
 

Учитывая специфику протекания процессов, происходящих при взрыве, к оборудованию предъявляется ряд требований, основным из которых является высокая точность фиксации моментов времени поступления сигналов и измерения интервалов между ними:

• возможность фиксации моментов времени поступления сигналов с точностью не хуже 100 нс (требование ГОСТа);
• простота конструкции и дешевизна комплектующих;
• мобильность;
• возможность наращивания каналов измерения;
• возможность разработки и простого подключения различных датчиков;
• возможность автоматизации обработки и исследования результатов экспериментов.

Материалы и результаты исследований

Учитывая требования, предъявляемые к оборудованию, целесообразно структуру микропроцессорной системы автоматизации исследования скорости детонации разделить на  две части: микропроцессорное устройство измерения (МПУИ) параметров и ПЭВМ для исследования результатов эксперимента. Конструктивное и структурное решение аппаратных средств системы позволяет организовывать на их основе два автоматизированных рабочих места (АРМ): рабочее место экспериментатора и рабочее место исследователя.
 

Аппаратно МПУИ представляет собой микропроцессорное устройство с автономным питанием. Такое решение позволяет его использовать для автоматизации проведения экспериментов не только в лабораторных, но и в производственных условиях.
 

Основой МПУИ является микроконтроллер (МК) AVR ATmega162 [2]. Выбор МК определялся расчетом максимально допустимых интервалов времени для выполнения одного измерения значения времени при поступлении сигнала о событии, соответствующему срабатыванию любого из датчиков во фронте детонации (ДS, …, Дi, …, Дk). Кроме того, выбранный МК обладает встроенной EEPROM памятью объемом 512 байт, которую можно использовать для сохранения результатов измерений, что делает возможным мобильное использования данной системы. Так же МК обладает рядом встроенных интерфейсов таких как I2C, CAN, TWI а так же USART с помощью которого и осуществляется связь МПУИ с ПЭВМ.
 

Фиксация значения времени поступления сигнала с датчика возможна двумя разными способами – циклическим опросом датчиков с использованием маски и по прерываниям [3]. Алгоритм циклического опроса является простым в реализации однако он снижает точность измерений т.к. процессорное время МК дополнительно расходуется на обнаружение срабатывания датчиков с помощью маски. Второй же способ хотя и является более сложным с точки зрения реализации, но зато он дает всегда фиксированное, заранее известное время обнаружения сработавшего датчика, и, учитывая это время, погрешность можно устранить.
 

Для проведения качественных испытаний применяются ионизационные датчики срабатывающие как на разрыв так и на замыкание. В связи с этим стала проблема определения типа датчика со стороны МПУИ при проведении измерений. Для ее решения была использована связка регистр-логика (см. рис. 2): при старте измерений начальные значения датчиков считываются и заносятся в регистры после чего, в ходе самого эксперимента, информация записанная в регистрах управляет иневертированим входных сигналов. Таким образом входной интерфейс МПУИ для обоих типов датчиков является прозрачным что позволяет существенно упростить разработку микропрогаммы контроллера и повысить гибкость системы в целом.
 

Параметры выбранного МК позволяют получать задержки фиксации моментов времени от 50 до 100 нс с использованием встроенных средств генераторов и таймеров. Расширение структуры системы с использованием дополнительных специализированных аппаратных средств позволят повысить точность, ограничивая ее значение только стабильностью внешних высокочастотных генераторов (f > 50 МГц). 

Рисунок 2 – Связка регистр-логика входного интерфейса МПУИ.

В состав комплекта МПУИ включены периферийные, позволяющие обеспечивать достаточный уровень информативности и управляемости при проведении экспериментов, исключающий или снижающий вероятность ошибок экспериментатора. Для этого служат пульт локального управления экспериментом и блок локальной индикации (ЖКИ дисплей). Таким образом, эксперименты можно проводить мобильно в полевых условиях. Кроме того, результаты измерений сразу же можно просмотреть на ЖКИ дисплее прибора и, в случае необходимости, провести повторное испытание.
 

Блок сменной коммутации позволяет выполнять ряд подготовительно-монтажных работ до проведения серии экспериментов (оборудование датчиков и коммутации одноразовое – на один эксперимент).
 

Сопряжение с ПЭВМ, позволяющее передавать информацию для  исследования с применением специализированного комплекса прикладных программ, осуществляется на базе встроенного в МК интерфейса USART и специализированной микросхемы преобразования уровней MAX-232 [4].
 

Другой важной задачей является разработка ПО для ПЭВМ. Автоматизированное рабочее место исследователя должно позволять управлять МПУИ, считывать полученные данные и выдавать их на экран в удобном для восприятия и дальнейшей обработки виде. Для достижения этой цели была разработана специализированная оконная программа-оболочка для ОС Windows, которая посредством последовательного интерфейса RS-232c [6] обменивается пакетами данных с МПУИ.
 

Протокол обмена включает в себя такие команды:

• Сброс – выполняет реинициализацию МПУИ, стирает всю память и готовит к новой серии экспериментов;
• Эксперимент – переводит МПУИ в состояние эксперимента;
• Запрос данных – вынуждает МПУИ передать все измеренные значения в про-грамму-оболочку ПЭВМ;
• Проверка – команда для проверки связи между МПИУ и ПЭВМ.

Кроме того, в протокол обмена были включены служебные команды для управления EEPROM памятью МПУИ и настройки внутренних параметров работы:

• Запись слова данных в EEPROM;
• Чтение слова данных из EEPROM;
• Чтение блока данных из EEPROM.

Третья дополнительная команда была введена для повышения скорости обмена при запросе больших блоков памяти.
Разработанная программа-оболочка была реализована в среде Borland Delphi [5].
 

После разработки системы были проведены тщательные испытания программы, как в тестовых, так и рабочих режимах в Буровзрывной лаборатории ДонНТУ и на полигоне завода ДКЗХВ.
После обработки полученных результатов была рассчитана скорость детонации в испытуемых зарядах по участкам, расположенным между датчиками (рис. 3).

Рисунок 3 – Скорость детонации по участкам.

Проведенные исследования позволили установить следующее:

• разработанное оборудование полностью соответствует требованиям ГОСТ В 3250-75 «Вещества взрывчатые. Методы определения скорости детонации»;
• положительная оценка достоверности полученных экспериментально результатов позволяет сделать вывод о правильности принятых решений при построении аппаратно – программных средств системы автоматизации.

Выводы

В результате данной работы удалось разработать и создать аппаратно-программную систему автоматизации быстропротекающих процессов, соответствующую всем предъявленным параметрам, правильность и точность работы которой была не только экспериментально доказана в лабораторных условиях Буровзрывной лаборатории ДонНТУ, но и на полигоне завода ДКЗХВ. Кроме того, разработанная система автоматизации используются на кафедре СШ и ПС ДонНТУ при выполнении научных исследований и в учебном процессе при проведении лабораторных работ по курсу «Разрушение горных пород взрывом».

Перечень ссылок

1. Губачев А.В. и др. «Исследование детонационных процессов в составе на основе ТАТБ с помощью компьютерной цифровой методики».  Всероссийский НИИ экспе-риментальной физики г. Саратов, Нижегородская область, Россия
2. Евстигнеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL – М.: Издательский дом "Додэка-XXI", 2004,-560 с.
3. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004. – 288 с.: ил.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: пер. с англ. – Изд. 6-е. – М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.
5. Бобровский С. Delphi 5: учебный курс – СПб: Питер, 2001. – 640 с.: ил.
6. Зубков С.В. Assembler для DOS, Windows и UNIX – 3-е изд., стер. – М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2004 – 608 с.: ил.