Измеритель высоты полета барометрический

НАЦИОНАЛЬНЫЙ АВИАЦИОННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра авионики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

(объяснительная записка)

по дисциплине «Информационно-измерительные системы авионики»

 

 

Тема: Измеритель высоты полета барометрический

 

 

 

Выполнил: студент 310 группы Института аэронавигации

Руководитель: ст. преподаватель Егоров С.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Киев 2012

Содержание

 

І. ВВЕДЕНИЕ 3

ІІ. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 4

1. Назначение 4

2. Барометрический метод измерения 5

3. Принцип действия датчика 5

4. Робота датчика за принципиальною схемою 6

5. Разработка структурной схемы измерительного устройства 8

6. Проведение расчета гофрированной мембраны 8

7. Проведение расчета кривошипно-шатунной передачи 12

8. Расчет потенциометрического преобразователя 14

9. Расчет передаточной функции чувствительного элемента 16

10. Подбор АЦП для высотомера 16

11. Погрешности барометрических высотомеров 18

ІІІ. ВЫВОДЫ 20

Литература: 21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

І. ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших пилотажно-навигационных параметров является высота полета самолета. Знание высоты полета необходимо летчику для расчета захода на посадку, для выдерживания заданного эшелона полета, для выполнения спецзаданий, обеспечения безопасности полета и т. д.

Развитие и совершенствование авиационной техники, увеличение парка самолетов и их налета приводят к возрастанию интенсивности движения в воздушном пространстве. Увеличение дальности полетов, расширение диапазона скоростей и высот, всепогодность авиации и т. д. накладывают все более жесткие требования на точность измерения высоты полета. Высотомеры измеряет высоту полета самолета в среднем от -60 до +60 .

В целях обеспечения безопасности полетов, увеличения пропускной способности воздушного пространства и получения экономического эффекта (экономии топлива) происходит планомерное сокращение интервалов вертикального эшелонирования полетов. Главным критерием системы эшелонирования полетов является ее соответствие допустимой вероятности       210^-6 критического сближения самолетов (когда может произойти столкновение) при встречах за 1 час полета. Эта вероятность зависит от точности выдерживания высоты экипажами самолетов от средств стабилизации высоты и в большей степени от точностных характеристик и надежности высотомерного оборудования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ІІ. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Назначение

Высотой полета называют измеренное по вертикали  расстояние между ВС и некоторой  поверхностью, принятой за начало отсчета.

При полетах  самолетов различают четыре основных вида высот          (рис. 2.1.):

• абсолютная высота () – высота полета относительно уровня моря (p_о = 760 мм.рт.ст.);
• относительная высота () – высота полета относительно места взлета или посадки;
• истинная высота () – высота полета относительно места, над которым находится самолет в данный момент времени;
• барометрическая высота () – высота полета относительно места с заданным атмосферным давлением.

Рис. 2.1. Виды высот полета

Знание  абсолютной высоты необходимо при эшелонировании, испытательных полетах ВС и авиационных  двигателей, относительная высота должна быть известна при взлете и посадке, а истинная высота – во всех случаях  полета.

На больших  ВС применяют комплексы высотно-скоростных параметров, которые предназначены  для обслуживания нескольких бортовых систем – автопилотов, навигационных  систем и комплексов, дистанционных  указателей и т.д. В таких комплексах, обычно, конструктивно объединяют датчики  высоты полета с датчиками скорости и числа .

2. Барометрический метод измерения

Барометрические высотомеры измеряют абсолютную высоту, а также относительную высоту над уровнем аэродрома, для которого известно барометрическое давление воздуха.

Барометрический метод измерения высоты основан на зависимости атмосферного (абсолютного или статического) давления от высоты, фактическое давление на заданной высоте не постоянно, а зависит от состояния атмосферы, характера и направления воздушных течений, времени суток, географических координат, солнечной активности и других факторов. При конструировании барометрических высотомеров используются среднестатистические зависимости стандартной атмосферы, для которой на уровне мора давление , температура воздуха        , плотность воздуха . Зависимость температуры от высоты имеет различный характер на разных высотах. До высоты температура линейно уменьшается: .

На высоте температура постоянна: . Атмосферное давление не зависит от рельефа местности, поэтому изобары шарообразны и эквидистантны к поверхности мирового океана. Зависимость , называемая барометрической формулой, выводится в предположении, что воздух является идеальным газом.

Для высот от до барометрическая формула имеет вид:                      _{, где} – среднее давление на уровне моря;         – температурный градиент; – средняя абсолютная температура на уровне моря, равная – газовая постоянная.

 

3. Принцип действия датчика

Конструктивно барометрический высотомер представляет собой манометр абсолютного давления (рис. 2.2.), измеряющий атмосферное давление. Чувствительным элементом прибора, является анероид - герметичная мембранная коробка 1, из которой откачен воздух. Анероид помещен в герметичный корпус 2, который трубопроводом 3 соединен с приемником статического давления 4. При изменении высоты полета изменение давления вызывает упругую деформацию мембранной коробки, центр которой смещается и передвигает через передаточный механизм 5 стрелку прибора 6.  Барометрические высотомеры применяются также в качестве датчиков сигналов высоты в САУ полетом, в вычислителях прицелов и других автоматических устройствах. Подобные датчики иногда называют корректорами высоты. Выходной сигнал корректоров высоты пропорционален не текущей высоте полета, а разности между фактической высотой и заданной ,  которая вводится в корректор высоты автоматически. Диапазон измерений обычно невелик, порядка или .

В авиации барометрические высотомеры используются на высотах от , их точность на этих высотах достаточна для пилотирования самолета. На высотах до используют радиотехнические высотомеры которые более точны на низких высотах.

Рис. 2.2. Принципиальная схема барометрического высотомера

 

4. Робота датчика за принципиальною схемою

Электромеханические преобразователи высоты. Простейшим представителем преобразователей является потенциометрический преобразователь типа ДВбП (рис. 2.3.), выходным сигналом которого служит относительное сопротивление.

Под относительным  сопротивлением понимают отношение сопротивления между выходными клеммами потенциометра к его полному сопротивлению.

В качестве упругого чувствительного элемента используются встречно действующие анероидные коробки 1, расположенные внутри герметичного корпуса 5. Встречное соединение анероидных коробок позволяет компенсировать влияние на преобразователь линейных и вибрационных перегрузок при одновременном увеличении вращающего момента. При изменении высоты перемещение жестких центров анероидных коробок 1 через кривошипно-шатунную передачу 2 преобразуется в угловое перемещение ползунка потенциометра 3 по потенциометру 4 что изменяет сопротивление потенциометра и как следствие - выходное напряжение .

Рис. 2.3. Принципиальная схема электромеханического преобразователя

1 - анероидные коробки; 2 - кривошипно-шатунная передача;

3 - ползунок потенциометра; 4 - потенциометр; 5 - корпус

 

 

5. Разработка структурной схемы измерительного устройства

Структурная схема прибора представлена на рис. 2.4.

1 - звено  запаздывания (трубопровод по которому в корпус прибора поступает статическое давление);

2 - чувствительный  элемент (анероидная коробка что преобразует изменение давления в изменение размера своих мембран);

3 -  передаточно-множительный механизм (кривошипно-шатунная передача);

4 - вторичный  преобразователь (потенциометр);

5 - АЦП (принимают входные аналоговые сигналы, в данном случае напряжение, и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами)

Рис. 2.4. Структурная  схема высотомера

 

6. Проведение расчета гофрированной мембраны

С помощью уравнения можно спроектировать мембрану, если задана ее характеристика.

Аппроксимируя характеристику уравнением: .

Сопоставляя выражения  и , где

 – измеряемое давление;

w – прогиб  центра мембраны;

 – радиус мембраны;

 – коэффициенты зависящие  от формы мембраны

 – толщина материала мембраны;

 – модуль упругости материала;

коэффициент Пуассона ( )

устанавливаем соотношения между  коэффициентами этих уравнения: ; .

Исключив из выражений толщину , получим: .

В соответствии с условиями работы мембраны выбирается материал, чем  устанавливается значение модуля упругости Е. Диаметром 2R мембраны задаются габариты условий. Таким образом правая часть равенства содержит известные величины.

Коэффициенты a и b связаны с геометрией профиля мембраны управления: ; .

Пускай наша мембранная коробка  будет спроектирована на по характеристике что изображена на рис 2.4., форма которой определена из расчета кинематики и механизма и обеспечивает линейность шкалы манометра.

Рис. 2.5. Характеристика зависимости прогиба мембраны от давления

Рабочий диаметр мембраны должен быть не больше 50 мм, материал бериллиевая  бронза ( ).

Так как прогиб мембраны вдвое меньше прогиба мембранной коробки, то характеристика мембраны может изображаться на рис. 2.5., если на оси ординат нанести шкалу прогибов в половинном масштабе.

Проведем касательную ОВ к характеристике в начале координат. Ее наклон определяет величину линейного члена характеристики : , где и - координаты произвольной точки на касательной ОВ. Например, для конечной точки В: мм и кгс/см².

Тогда коэффициент А при линейном члене характеристики:

.

Для определения кубического члена  подставим в уравнение  координаты произвольной точки характеристики мембраны, например, точки С: и . Тогда , откуда                   .

Для проверки следует построить характеристику мембраны по уравнению

, подставив в  него найденные значения коэффициентов A и B, и сравнить ее с заданной. При значительном расхождении полученной и заданной характеристик можно повторить расчет, изменив положение произвольной точки С при определении кубического члена. Для этого следует сдвинуть точку С к тому месту кривой, где получилось наибольшее расхождение. В рассматриваемом примере уравнения при найденных значения коэффициентов А и В достаточно хорошо совпадает с заданной характеристикой.

Определим по формуле  соотношение между коэффициентами a и b, задавшись рабочим радиусом R=25мм:

 

Выберем профиль мембраны в виде синусоидального отношения  По кривой  на рис. 2.6. находим при отношение глубины гофрировки к толщине материала . Затем по кривым и определяем по рис. 2.7. коэффициенты и .  Толщина h материала мембраны определится из равенства:

.

Глубина гофрировки будет . При принятом соотношении длина волны равна . Если принять радиус плоской центральной части мембраны , то число волн гофрировки будет

Рис. 2.6. Графики отношения , при

Рис. 2.7 Графики коэффициентов a и b при

 

7. Проведение расчета  кривошипно-шатунной передачи

Простая кривошипно-шатунная передача - передача у которой направление  движения ползунка происходит через  ось вращения кривошипа.

Перемещение ползунка определяют по соотношению:

 

где - длина шатуна  ; - плечо кривошипа ; - начальный угол кривошипа; - угол кривошипа при перемещении ползунка на величину .

Рассмотрим расчет механизма с  учетом кривошипно-шатунной передачи: характеристика чувствительного элемента практически линейная. Исходя из расчетов  гофрированной мембраны . Максимальный угол поворота стрелки , . Расстояние между осями кулисы и рычага .

Определим узлы поворота кривошипа при прогибах чувствительного элемента по заданной ранее последовательности (при ):

 

 

 

 

 

 

Определим передаточное отношение кривошипно-шатунной передачи после поворота кривошипа на угол :

 

 

 

 

 

 

Определим углы поворота стрелки для различных прогибов. Из формулы вывод, что поворот стрелки качественно зависит от длины шатуна и плеча кривошипа. , .

 

 

 

 

 

 

На рис. 2.7. изображен график зависимости изменения угла поворота стрелки при перемещении .

Рис. 2.8. зависимость изменения угла поворота стрелки  при перемещении

 

8. Расчет потенциометрического преобразователя

Определяем  рабочую длину обмотки или  рабочий угол поворота движка потенциометра (максимальное перемещение движка) в мм или в градусах:

 

 

- шаг намотки.

 

Определяем  число витков:

 

Определяем  нужное перемещение щетки :

 

Где , – любое целое число, – любое число, – значение перемещения.

 

Определяем длину намотки :

 

Определяем  длину и электрическое сопротивление  витка:

 

Принимаем за высоту 10 мм, а ширину каркаса – 0,8 мм:

 

 

Определяем  длину дрота намотки:

 

Определяем  полное сопротивление:

 

Рассчитываем  припускаемую мощность:

 

Рассчитываем рабочее напряжение :

 

Для круглых рассчитываем угловую длину намотки:

 

Рассчитываем  рабочую угловую длину намотки:

 

 

9. Расчет передаточной  функции чувствительного элемента

Передаточной функцией гофрированной  мембраны будет эффективная площадь  мембраны: ,

где - рабочий радиус мембраны; - радиус жесткого центра.

Из расчетов чувствительного элемента: . Радиус жесткого центра становит для мембран с мелкой гофрировкой.

Пускай .

.

 

10. Подбор АЦП для высотомера

АЦП служит для преобразования аналогового  электрического сигнала в цифровой код, пропорциональный значению аналогового  сигнала. Для построения АЦП используют устройства последовательного или  параллельного развертывания АЦП  имеют генераторы пилообразного  напряжения и устройство сравнения  входного сигнала со значением пилообразного  напряжения. Каждому пилообразному  напряжению соответствует аналогово – цифровой код. В случае преобразования аналоговых величин в цифровые применяют две операции, являющиеся основными при построении АЦП: квантование и кодирование. Квантование заключается в разбиении непрерывной величины на определенные интервалы приращения по всему диапазону изменения этой величины или выделения фиксированных точек. Число уровней квантования по приращениях или по фиксированным точкам временных интервалов зависит от заданной точности преобразования.

Кодирование заключается в том, что каждому  квантованному или фиксированному уровню непрерывной аналоговой величины присваивается определенное число. Для n-разрядного кода число комбинаций .

Число разрядов n зависит от числа уровней квантования непрерывной величины В и определяется по формуле: , где и - начальный и конечный уровни квантования, - заданный уровень приращения.

Кодирование каждого уровня квантования совокупностью  условных сигналов и цифровых кодов  зависит от выбираемого способа  измерения аналоговой величины. Точность преобразования зависит от ошибок в  измерениях, составляющих (0,1:0,01)% и шагов  квантования налоговых величин  по уровню и времени. Точность промежуточного преобразования определяется частотой импульсов счета.

Для разрабатываемого датчика возьмем микросхему типа КP572ПВ2 (рис. 2.9.) совместно с источником опорного напряжения и несколькими резисторами и конденсаторами которая выполняет функции АЦП, работающего по принципу двукратного интегрирования с автоматической коррекцией нуля с определением полярности входного сигнала. Цифровая информация на выходе микросхемы представляется в семи сегментном коде и отображается на 4-диапазонном светодиодном цифровом табло с семисегментными индикаторами.

Рис. 2.9. Структурная схема микросхемы КP572ПВ2

Я выбрал данную микросхему потому что  ее легко подключить к семисегментным индикаторам, для мгновенного получения значений высоты, а также через небольшие значения напряжения питания .

 

11. Погрешности барометрических  высотомеров

Погрешности высотомера, как и большинства  приборов, в которых измерение производится косвенными методами, могут быть разделены на методические и инструментальные.

Методические  погрешности барометрического высотомера бывают четырех видов и имеют место при:

1) изменении рельефа местности;

2) изменении давления у земли до взлета;

3) изменении давления у земли после взлета;

4) изменении средней температуры столба воздуха.

Для уточнения  вопроса о методических погрешностях высотомера следует отметить, что  на практике различают три высоты:

а) абсолютную высоту, т. е. высоту относительно уровня, на котором давление равно 760 мм рт. ст., температура +15° С, температурный градиент 0,0065 град/м;

б) относительную высоту, т. е. высоту над местом взлета;

в) истинную высоту, т. е. высоту над пролетаемой местностью.

Методы  компенсации погрешностей:

1. Погрешность в определении истинной высоты может быть учтена только в том случае, если экипаж самолета знаком с рельефом местности, над которой пролетает самолет.

2. Изменение давления у земли до взлета вызывает смещение стрелок прибора с нулевого деления шкалы. Для погашения этой погрешности при помощи специальной кремальеры можно совместить стрелки с нулевым делением шкалы. Такое устройство накладывает особое требование на вид шкалы: она должна быть равномерной по высоте. Докажем, что неравномерная шкала внесет погрешность в показания прибора.

3. Предположим, что в полете показание H прибора соответствует давлению . Допустим, что на уровне аэродрома давление изменилось и стало равным . Если летчик выдерживает высоту полета по показанию прибора, то относительная высота полета будет уже не , а . Действительно

 

Так как  высота

 

то, разделив на , получим

 

а погрешность  показания будет равна

 

где — показание прибора, а — относительная высота полета.

4. Если при тех же условиях полета изменится не давление у земли, а средняя температура столба воздуха, т. е. средняя температура станет равной , то в этом случае относительная высота уже не будет равна показанию прибора, т. е. . Отсюда , а погрешность показания будет равна .

Cледует отметить, что у высотомеров температурная инструментальная погрешность компенсируется при помощи кинематических или силовых температурных компенсаторов.

 

 

 

 

ІІІ. ВЫВОДЫ

 

Измерители высоты были и остаются одними с наиважнейших измерительных  устройств на воздушном судне. Есть много методов измерения высоты полета, такие как: барометрический, радиотехнический, инерциальный, частотно-вибрационный. Каждый из них используется на определенном этапе полета. В настоящее время  барометрический высотомер используется на всех самолетах, так как он обеспечивает достаточную точность показаний  на больших высотах, где более  точные радиотехнические высотомеры просто не могут работать из-за слишком  большой потребляемой мощность на этих высотах. В данное время все чаще речь заходит о частотно-вибрационных датчиках измерения высоты полета, которые смогут в будущем заменить барометрические.

В процессе выполнения курсового проекта  я детально изучил назначение, принцип действия, исследовал погрешности, работу за принципиальною схемою барометрического высотомера, а также провел расчет основных компонентов датчика: гофрированной мембраны, кривошипно-шатунной передачи, потенциометрического преобразователя, АЦП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература:

1. Алексеев В.И., Авиационное оборудование, ВВИА им. Жуковского, 1971.
2. Андреева Л. Е., Упругие элементы приборов., М., Машиностроение, 1962.
3. Асс Б. А., Жукова Н. М., Антипов Е. Ф., Детали и узлы авиационных приборов и их расчет, М., Эколит, 1966.
4. Боднер В.А., Авиационные приборы, М., Машиностроение, 1969.
5. Браславский Д.А., Авиационные приборы и автоматы, М., Машиностроение, 1978.
6. Браславский Д.А., Приборы и датчики летательных аппаратов, М., Машиностроение, 1970.
7. Воробьев В. Г., Глухов В. В., Кадышев И. К., Авиационные приборы, информационно-измерительные системы и комплексы, Транспорт, 1992.
8. Грохольский А.Л., Авиационные приборы, пособие по курсовому проектированию, ч. І, К., 1971.