Авиационные приборы и системы (стр. 21 )

Термочувствительный элемент представляет собой цилиндрическую катушку, на которой бифилярно намотаны две независимые друг от друга спирали из платиновой проволоки диаметром 0,04 мм. Кинетическая энергия движущегося потока в датчике превращается в тепловую энергию с коэффициентом полезного действия, равным 98 %. Рабочая температура датчика в диапазоне от –60 до 300 оС, номинальное сопротивление Ro = 100 Ом, масса датчика 0,25 кг.

Как видно из формул (4.1) и (4.2) характеристика термочувствительного элемента нелинейна во всех диапазонах измеряемых температур. Для ответственных датчиков пользуются гостированными характеристиками. Конкретно характеристика П-104 соответствует требованиям ГОСТ 6651-78 [35]. Погрешность датчика П-104 при конкретной температуре подсчитывается по формуле

. (4.4)

В американском стандарте АРИНК-706 приводится следующая зависимость электрического сопротивления от температуры

,

где Q – температура в оС; Rо – сопротивление при температуре 0 оС; равное 500 Ом; А = 0,003832; В = 1,81; С = 0,1 для Q ниже 0 оС; С = 0,0 – для Q выше 0 оС. Материал чувствительного элемента платина.

Процесс измерения температуры торможения, таким образом, сводится к измерению электрического сопротивления. При этом основной схемой измерения является мост Уитстона.

Температура наружного воздуха рассчитывается по формуле [13]

, (4.5)

где ТН – истинная температура наружного, невозмущенного потока; ΔТдин – динамическая добавка к температуре, равная

, (4.6)

где vист – истинная воздушная скорость в м/с.

ГОСТ 25431-82 устанавливает следующую зависимость через число Маха

, (4.7)

где не учитывается коэффициент качества датчика температуры торможения.

С учетом же этого коэффициента качества формула (4.7) примет вид

, (4.8)

где ТН и ТТ в оС, N – коэффициент качества датчика ТТ, равный отношению температуры терморезистора (чувствительного элемента) датчика к истинной температуре торможения:

. (4.9)

Формула (4.8) используется в СВС-72, СВС-85, которые берут сигналы от датчиков температуры П-69-2М, П-69-4, у которых N = 0,996.

В стандарте АРИНК-706 для дозвуковой СВС рекомендуется следующая формула для определения температуры наружного воздуха

, (4.10)

где

, (4.11)

а Δtn – поправка на ошибку температуры торможения, обусловленную сопротивлением электропроводов на участке между датчиком и вычислителем [30]

, (4.12)

где 2r – сопротивление проводов; a' – их температурный коэффициент; a – коэффициент терморезистора датчика; R – сопротивление терморезистора; Δt' – изменение температуры проводов. В формуле (4.11) под МС подразумевается число Маха, скомпенсированное по аэродинамической ошибке восприятия давления Рст.

4.3. Датчики давления

Датчики давления СВС предназначены для восприятия полного давления Рп, статического давления Рст и преобразования их в электрические сигналы, поступающие в вычислитель в удобной форме с целью вычисления параметров движения летательного аппарата.

Как уже было сказано, датчики давления относятся к датчикам первичной информации для СВС. Параметры движения являются однозначными функциями статического и полного давлений. Датчики давлений во многом определяют метрологические и технологические характеристики СВС, такие как точность, диапазоны измерения, надежность, долговечность, габаритные размеры, качество выходной информации системы и удобство обслуживания в эксплуатации. В связи с этим специалисты авиационной науки и техники датчикам давления уделяют особое внимание. Это требует больших материальных затрат, так как эти датчики обладают сверхвысокими метрологическими характеристиками и стоят на авиационном рынке дорого, порядка 50 тысяч долларов за один датчик.

Разработкой авиационных датчиков давлений занимаются фирмы: УКБП, Восход (Россия); Роземаунт (Rosemount Engineering), Сперри (Sperry Rand. Corp.), Хонеувелл (Honeywell Corp.) – США; Солатрон (Solatron Transducer Ltd.), Маркони (Marconi Avionics) – Англия; Кроузет (Crouzet), Бадин-Кроузет (Badin-Crouzet), Жежер (Jaeger) – Франция и многие другие. Эти фирмы разрабатывают и поставляют высокоточные датчики и СВС для установки их на гражданских, военных самолетах, вертолетах и других летательных аппаратах.

Работы по совершенствованию датчиков давлений ведутся в следующих направлениях.

1. Повышение точности измерения в условиях работы при всех дестабилизирующих факторах (вибрация, удары, ускорения, температура …). Лучшие образцы датчиков имеют погрешность, не превышающую 0,01 – 0,02 % от диапазона измерения. Такая высокая точность к датчикам предъявляется в связи с необходимостью вычислений параметров движения на уровне международных требований.

2. Повышение стабильности информации по времени, что означает способность сохранять первоначальные тарировки датчиков в течение длительного времени.

3. Расширение диапазонов измерения. Особую трудность составляют измерения околонулевых значений наряду с измерениями больших давлений.

4. Повышение надежности датчиков. Некоторые зарубежные фирмы рекламируют среднюю наработку на отказ порядка 40 000 часов (фирма Кроузет, датчик типа 5-1).

5. Уменьшение потребляемой мощности. В данном вопросе используются преимущества полупроводниковой технологии, на базе которой разрабатываются полупроводниковые датчики. У лучших образцов потребляемая мощность составляет 2 – 5 Вт.

6. Совершенствование чувствительных к давлению элементов датчиков. Резкое улучшение чувствительных элементов стало возможным благодаря освоению полупроводниковых материалов, заменивших металлы –бронзу, сталь. Таким полупроводником является кремний. Применение кремния позволяет разработать чувствительные элементы с малыми габаритами, с высокой чувствительностью, надежностью и стабильностью, повышенной виброустойчивостью из-за малой подвижной массы, высоким сроком службы. Особенно принципиальное значение применения полупроводниковых материалов для изготовления чувствительных элементов имеет их сочетание с бурным развитием микроэлектроники и микропроцессорной техники. Это позволило изготавливать эти элементы на основе технологии интегральных схем, когда весь датчик состоит из чипа. Давление воспринимается кристаллом с толщиной порядка 0,25 мм и площадью от 0,8 до 0,1 м2 (в зависимости от диапазона измерения). Примером таких датчиков является датчик ST3000 фирмы Хонеувелл с погрешностью ± 0,1 % от диапазона.

7. Применение в датчиках давлений микропроцессоров, микроэлектроники в целом с целью перехода от аналоговых датчиков к цифровым. Благодаря встраиванию в датчик электронного блока информация по давлению не только преобразуется в электрический сигнал, но и обрабатывается до удобной для СВС формы цифрового сигнала.

Для более удобного исследования отдельных датчиков их целесообразно представить в виде трехблочной схемы (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Структурная схема датчика давления: Р – измеряемое давление; 1 –первичный преобразователь; 2 – вторичный преобразователь; 3 – блок обработки сигналов; Х – перемещение; U ‑ электрический сигнал

В мировой практике авиаприборостроения наиболее широкое применение находят следующие группы датчиков давления: потенциометрические, индуктивные, емкостные, вибрационно-частотные, компенсационные, тензометрические.

Следует обратить внимание на то, что наименование датчика определяется типом второго звена в структурной схеме (рис. 4.7), или способом восприятия полезной информации первичного преобразователя.

Рис. 4.8. Плоская упругая мембрана: R – радиус, h – толщина

Рис. 4.9. Мембранная коробка: 1 – упругая часть коробки; 2 – верхний подвижный центр; 3 – нижний неподвижный центр

Общим для всех групп датчиков давления является наличие первичного преобразователя (чувствительного элемента по давлению), который преобразует измеряемое давление в перемещение. Исключение составляет компенсационный датчик, первичный преобразователь измеряемое давление преобразует в силу. Чаще всего в качестве первичного преобразователя применяются плоская упругая мембрана (рис. 4.8), мембранная коробка (рис. 4.9) и сильфон (набор специальных мембранных коробок).

Рис. 4.10. Характеристика упругого преобразователя давления: 1 – нелинейная; 2 – линейная; Q – угол наклона	Рис. 4.11. Петля гистерезиса

В любом датчике давления самым ответственным элементом конструкции является его чувствительный элемент. Основными статическими характеристиками любого упругого чувствительного элемента являются:

- зависимость перемещения x от давления