Датчик аэрометрических давлений
Владельцы патента RU 2684683:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)
Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода. Устройство содержит корпус с двумя отверстиями, две основные мембраны, герметично по периметру прикрепленные к корпусу и образующие зазор путем разнесения по высоте, причем отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, размещены выше и ниже зазора, закрепленные на стойке источник излучения и, кроме того, верхнюю и нижнюю шторки с прорезями. Устройство также содержит две фотоприемные линейки, при этом в геометрических центрах верхней и нижней основных мембран содержатся отверстия, которые с внешних сторон мембран по отношению к зазору перекрыты дополнительными верхней и нижней мембранами, герметично по периметру прикрепленными к внешним сторонам основных мембран, при этом фотоприемные линейки прикреплены соответственно к верхней и нижней дополнительным мембранам и обращены к прорезям верхней и нижней шторок. Технический результат - повышение чувствительности и точности измерения давления и по высоте, и по скорости полета воздушного судна. 1 ил.
Изобретение относится к контрольно - измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода.
В распространенных в настоящее время частотных преобразователях давления (Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы: учеб. пособие. В 2 ч. / сост.Е.В. Антонец, В.И. Смирнов, Г.А. Федосеева. -Ч. 1. - Ульяновск: УВАУ ГА, 2007. - 119 с. ) изменение измеряемого давления (или разности давлений) вызывает изменение частоты колебаний чувствительного элемента (ЧЭ), в качестве которых используются натянутая струна, тонкостенный цилиндрический резонатор и тому подобные элементы. Изменение частоты колебаний ЧЭ приводит к изменению частоты выходного сигнала преобразователя. Частотные преобразователи обладают преимуществом перед электромеханическими преобразователями давления, потому что частота сигнала практически не изменяется при его усилении и передаче по линиям связи от преобразователя к потребителям или соответствующим указателям. Данные устройства конструктивно выполнены в виде генераторных датчиков давления типа ДДГ, которые, в частности, используются в цифровых системах воздушных сигналов, предназначенных для измерения высотно-скоростных параметров полета самолета и выдачи результатов измерения потребителям.
Известен барометрический высотомер (Патент РФ №1426187 Кл.G01C 5/00; G01C 5/06, 10.06.2005 г. ), содержащий последовательно соединенные преобразователь давления в частоту импульсов тока, формирователь интервала счета, двоичный многоразрядный счетчик с входами предварительной установки и выходной регистр, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя интервала счета, генератор опорной частоты и схему. И, первый и второй входы которой соединены соответственно с выходами генератора опорной частоты и формирователя интервала счета.
Существенными недостатками частотных преобразователей давления являются: высокая зависимость от стабильности частоты питающего напряжения и чувствительность к механическим вибрациям; появление температурных погрешностей датчика и относительно большие энергетические затраты, вызванные наличием специального электромагнитного возбудителя колебаний; постоянный уход метрологических характеристик упругого элемента, определяемый большим числом колебаний.
Известно также устройство для измерения барометрических вертикальной скорости и высоты полета (Патент РФ №1292447 Кл. G01P 3/489, 10.06.2005 г. ), содержащее барометрический высотомер, подключенный выходом к первому входу первого вычитателя непосредственно и ко второму входу первого вычитателя через последовательно соединенные первый, второй и третий элементы задержки, второй вычитатель, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента задержки, вторым входом к выходу второго элемента задержки и выходом к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого вычитателя, и выходные шины.
Данное устройство обладает, по сравнению с предыдущим, более высокой точностью измерений за счет уменьшения динамической и флуктуационной погрешностей, однако ему также присущи все вышеперечисленные недостатки частотных преобразователей давления.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание датчика аэрометрических давлений.
Технический результат - повышение чувствительности и точности измерения давления и по высоте, и по скорости полета воздушного судна.
Указанный технический результат достигается с тем, что в устройство, содержащее корпус с двумя отверстиями, две основные мембраны, герметично по периметру прикрепленные к корпусу и образующие зазор путем разнесения по высоте, причем отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, размещены выше и ниже зазора, закрепленные на стойке источник излучения и, кроме того, верхнюю и нижнюю шторки с прорезями, а также две фотоприемные линейки, причем в геометрических центрах верхней и нижней основных мембран содержатся отверстия, которые с внешних сторон мембран, по отношению к зазору, перекрыты дополнительными верхней и нижней мембранами, герметично по периметру прикрепленными к внешним сторонам основных мембран, при этом фотоприемные линейки прикреплены соответственно к верхней и нижней дополнительным мембранам и обращены к прорезям верхней и нижней шторок.
Сущность изобретения поясняется схемой устройства представленного на чертеже. Устройство содержит корпус 1 с двумя отверстиями, соответственно для измерения статического (Рст) и полного (Рполн) давлений, внутри которого размещены верхняя и нижняя основные мембраны 2 и 3. Основные мембраны 2 и 3 разнесены по высоте, образуя зазор, из которого выкачан воздух, и герметично по периметру прикреплены к корпусу. Отверстия для измерения статического и полного давлений размещены выше и ниже зазора. В геометрических центрах мембран 2 и 3 выполнены отверстия, которые с внешних сторон мембран, по отношению к зазору, перекрываются дополнительными верхней 4 и нижней 5 мембранами, герметично по периметру прикрепленными к внешним сторонам основных мембран и имеющих кольцевые упоры 6. Дополнительные мембраны 4 и 5 имеют меньшую, по сравнению с основными 2 и 3, жесткость, а, следовательно, большую чувствительность. Внутри безвоздушного зазора к стойке 7 прикреплены источник излучения 8, а также верхняя и нижняя шторки 9 с прорезями 10. Две фотоприемные линейки 11 крепятся к верхней 4 и нижней 5 дополнительным мембранам и обращены к прорезям 10 верхней и нижней шторок 9.
Работа устройства осуществляется следующим образом. В исходном состоянии основные мембраны 2 и 3 и дополнительные мембраны 4 и 5 упругих чувствительных элементов занимают определенное положение. Оптическая энергия от источника излучения 8 через прорези 10 шторок 9 попадает в виде оптических пятен на фотоприемные линейки 11.
В фотоприемных линейках 11 отдельные фоточувствительные элементы (пиксели) расположены вдоль одной координаты. Принцип работы данных устройств заключается в формировании внутри каждого пикселя электрического сигнала, пропорционального поглощенной им оптической энергии. Достигается это благодаря фоточувствительному р-n переходу (как и в обычном фотодиоде), через который происходит разряд конденсатора фотоприемного элемента. Чем больше будет оптическая мощность, попадающая на пиксель, тем больше будет ток фотодиода и, следовательно, тем быстрее будет разряжаться конденсатор. В конце цикла измерения происходит считывание остаточного заряда конденсаторов пикселей.
При изменении статического (Рст) и (или) полного (Рполн) давлений мембраны 2, 3, 4 и 5 упругих чувствительных элементов деформируются, при этом фотоприемные линейки 11, прикрепленные к верхней 4 и нижней 5 дополнительных мембран, смещаются, вызывая перемещения на них оптических пятен от источника излучения 8 через прорези 10 шторок.
Дополнительные мембраны 4 и 5, имеющие большую чувствительность, начинают смещаться уже при давлениях, которые не воспринимаются основными мембранами 2 и 3, а последние начнут интенсивно смещаться лишь после того как кольцевые упоры 6 дополнительных мембран 4 и 5 упрутся во внешние поверхности основных мембран 2 и 3. При последовательном опросе пикселей на выходе фотоприемных многоэлементных устройств будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве фотоприемного устройства. Иными словами, на выходе фотоприемных устройств будут формироваться цифровые сигналы пропорциональные соответственно статическому и полному давлениям.
Предлагаемое устройство обладая всеми достоинствами прототипа, позволяет значительно повысить точность измерения нелинейно изменяющегося давления (статического и полного), а так же чувствительность датчиков давления на первоначальном этапе измерения.
Для расчета аэрометрических параметров: относительной барометрической высоты, приборной скорости, истинной воздушной скорости, вертикальной скорости, отклонения от заданной высоты и числа Маха - в вычислитель непрерывно должна поступать следующая информация: Рст - статическое давление, Рполн - полное давление, Ро -давление, относительно которого измеряется высота (выставляется вручную), Тт - температура заторможенного набегающего воздушного потока. Очевидно, что предлагаемый датчик давления совместно с датчиком температуры, позволяет определить все перечисленные аэрометрические параметры.
Датчик аэрометрических давлений, содержащий корпус с двумя отверстиями, две основные мембраны, герметично по периметру прикрепленные к корпусу и образующие зазор путем разнесения по высоте, причем отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, размещены выше и ниже зазора, закрепленные на стойке источник излучения и, кроме того, верхнюю и нижнюю шторки с прорезями, а также две фотоприемные линейки, отличающийся тем, что в геометрических центрах верхней и нижней основных мембран содержатся отверстия, которые с внешних сторон мембран по отношению к зазору перекрыты дополнительными верхней и нижней мембранами, герметично по периметру прикрепленными к внешним сторонам основных мембран, при этом фотоприемные линейки прикреплены соответственно к верхней и нижней дополнительным мембранам и обращены к прорезям верхней и нижней шторок.
