Виды и принцип работы альтиметра

Введение.............................................................................................................3

  1 Применение датчиков давления в системах навигации ЛА…………………………4

1.1 Высота полета и ее измерение…………………………………………………………4

1.1.1 Высота полета………………………………………………………………………..4

1.1.2 Способы измерения………………………………………………………………….5

1.1.3 Изменение атмосферного давления с высотой………………………...………….5

1.1.4Радиотехнический метод  измерения высоты полета……………………………..6

1.2 Барометрический метод измерения полета………………………………………….8

1.2.1Высотомеры барометрические  механические типа ВБМ………………………..11

1.2.2Электронный барометрический  высотомер ВБЭ-СВС-М…………………….….14

    1.2.3 Чувствительные элементы барометрических высотомеров.………….………....14

1.2.4 Теория барометрических  высотомеров………………………………….….…....20

1.3 Устройство и принцип  работы датчика давления…………………….…….……..21

1.3.1 Базовый корпус, кристалл………………………………………………..…………21

1.3.2 Чувствительный элемент датчика  X-ducer……………………………...…………22

1.3.3 Принцип работы…………………………………………………………...………...24

1.3.4 Основные  характеристики кремниевых датчиков……………………...…………25

1.3.5 Выбор датчика давления……………………………………………….…..……....26

Заключение...........................................................................................................28

Литература............................................................................................................29

Введение

В авиационной промышленности огромную роль играет приборостроение. Развитие самолетостроения оказалась  бы невозможным без непрестанного усовершенствовании приборов.

Технология приборостроения  в своем развитии прошла путь от систематизации заводских материалов до создания теоретических основ, которые  послужили базой для формирования специальных технологических курсов.

Технология - наука о процессах  производства различных изделий. Технология (от греческого техно - искусство, умение, мастерство и логос - слово, учение) представляет собой совокупность методов обработки, изготовления и сборки, зменение состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, применяемых в процессе производства для получения готовой продукции.

Разработка технологических  процессов проводится в соответствии с положением комплекса стандартов Единой системы технологической  подготовки производства (ЕСТПП). ЕСТПП  базируется на трех основных положениях: унификации и отработке изделий  на технологичность; типизации технологических  процессов; автоматизация и механизация  технологических процессов и  инженерно-технических работ.

Качество авиационных  приборов и автоматов в значительной степени зависит от технологического процесса их сборки, регулировки, контроля испытаний. Актуальной задачей по разработке и совершенствованию новых технологических  процессов является их автоматизация  и механизация. Только на этой основе возможно снижение большой трудоемкости сборочных работ, составляющей во многих случаях от 40 до 60 % общей трудоемкости изготовления продукта. Для решения  этой проблемы необходимо прежде всего, чтобы конструкции сборочных единиц и изделия в целом отвечали требованиям технологичности.

Технологичность конструкции  изделия в сборке — совокупность его свойств, определяющих приспособленность  к технологической подготовке сборочного производства и сборке и характеризуемых отношениями затрат труда, средств, материалов и времени на их выполнение к значениям соответствующих показателей изделий аналогов, определяемых в принятых условиях производства. Технологичность конструкции оценивают техническими и технико-экономическими показателями регламентированными ГОСТами 18831-73, 14.201-73, 14.204-73. К основным показателям технологичности относятся трудоемкость изготовления изделия и его технологическая себестоимость.

В свете современных проблем, стоящих перед авиаприборостроением, особое значение приобретают повышение  качества приборов, их долговечность, повышение экономичности производства приборов в связи со значительным увеличением их номенклатуры и масштабов  производства. Технология авиаприборостроения  тесно связана с потребностями  народного хозяйства, с практической деятельностью инженерно-технических  работников приборостроительной промышленности.

1. Применение датчиков давления в системах навигации ЛА

1.1 Высота полета и ее измерение

Любой навигационной системе, установленной на ЛА, необходимо определять свое положение относительно поверхности  Земли. Применение электронного высотомера на основании датчика давления является эффективным решением данной проблемы в большом диапазоне высот.

1.1.1 Высота полета

Высотой полета принято называть расстояние до ЛА, отсчитанное по вертикали  от некоторого уровня, принятого за начало отсчета. В воздухоплавании  принята классификация высот  полета по уровню начала отсчета (смотри рис. 1.1):

Истинная высота Н_ист отсчитывается от точки земной поверхности, находящейся под самолетом;

относительная Н_отн - от условного уровня (уровня аэродрома, цели и др.);

абсолютная Н_абс - от уровня моря; 

высота эшелона Н_эш - от условного уровня, который соответствует стандартному атмосферному давлению 760 мм рт. ст. [9].

1.1.2 Способы измерения

Высота полета измеряется барометрическим, радиотехническим, инерциальным и электростатическим методами. Основными  методами являются барометрический и радиотехнический.

С помощью радиовысотомера  можно определить истинную высоту полета. Высота находится по времени  прохождения радиоволнами расстояния, равного удвоенной истинной высоте полета, т.е.

где - скорость распространения радиоволн, τ – время прохождения растояния

Радиовысотомеры обеспечивают высокую точность измерений. Их показания  практически не зависят от метеоусловий и скорости полета, однако на практике они используются только как контрольные  приборы, например в системе сигнализации опасного сближения с землей, и  при посадке в сложных метеорологических  условиях. Это объясняется тем, что  при выдерживании определенной высоты полета по радиовысотомеру траектория полета летательного аппарата повторяет  профиль рельефа местности, что  неудобно для экипажа и пассажиров и становится одной из причин болтанки.

Поэтому основным прибором для определения высоты полета является барометрический высотомер [10].

1.1.3 Изменение атмосферного давления с высотой

Барометрический метод измерения  высоты основан на использовании  закономерного изменения атмосферного давления с высотой (смотри рис. 1.2) [11]. Зависимость давления воздуха от высоты до 11000 м выражается формулой:

Решая это уравнение относительно высоты, получим:

где

- газовая постоянная (29.27 м/град).

Из формулы видно, что  измеряемая высота является функцией четырех параметров: давления на высоте полета , давления и температуры на уровне начала отсчета высоты и и температурного градиента [9].

Если принять параметры  , и постоянными, то высоту можно определить как функцию атмосферного давления и проблема вычисления высоты сводится к проблеме измерения атмосферного давления. Давление на высоте полета можно измерить непосредственно на самолете с помощью барометра (анероида).

1.1.4Радиотехнический  метод измерения высоты полета

Радиотехнический метод  измерения высоты полета основан  на измерении времени прохождения  радиоволн от самолета до земной поверхности  и обратно (после их отражения). Устройства, построенные по этому принципу, измеряют истинную высоту полета и называются радиовысотомерами. У них имеются  две антенны:

-антенна А1 радиопередатчика, установленная на самолете, непрерывно излучает электромагнитные волны, которые, отражаясь от земной поверхности, возвращаются к самолету рис. 2.

-антенна А2 радиоприемника, также находящегося на самолете, принимает как излучаемые антенной радиопередатчика, так и отраженные от Земли радиоволны.

Рис.2

Конструктивно прибор состоит  из СВЧ радиопередатчика, направленная антенна которого расположена «на брюхе» воздушного судна, приёмника отражённого сигнала, устройств обработки сигналов, а также индикатора на приборной доске экипажа, на который передаются данные о текущей высоте. Радиовысотомеры делятся на РВ малых высот (например, отечественные РВ-3, РВ-5), которые предназначены для определения высот до 1500 метров и, как правило, работают в режиме непрерывной радиолокации, и высотомеры больших высот (более 1500 м, наподобие РВ-18, измеряющего высоты до 30 км), обычно работающие в импульсном режиме. Практически у всех РВ имеется сигнализатор малой высоты, подающий световой и звуковой сигнал при понижении высоты ниже заданной, установленной лётчиком.

К недостаткам прибора  можно отнести выраженную направленность измерений (направление луча передатчика, направленного перпендикулярно  вниз). По этой причине применение радиовысотомеров эффективно только в равнинной местности  и практически бесполезно в горных и сильно пересечённых районах. В  крене РВ показывает завышенную высоту, так как высота — вертикальный катет треугольника, а луч радиовысотомера в крене направлен по гипотенузе, поэтому при значительных кренах (более 15-20 градусов) может включаться предупреждающая световая сигнализация. Тангаж обычно не учитывается, так как у транспортных летательных аппаратов он редко превышает упомянутые 15-20°. Кроме того, вызывает вопросы экологичность радиоизмерений, так как для обеспечения требуемой точности необходимо применять коротковолновые мощные передатчики, несущие явную опасность для биосферы.

Бортовой

Принцип действия радиовысотомера  основан на определении времени  прохождения радиосигнала от передающей антенны до отражающей поверхности  и обратно, к приемной антенне (основной принцип радиолокации). Высота и  время задержки сигнала связаны  формулой:

,

где h — высота; t — время задержки; c — скорость распространения радиоволн (равна скорости света).

Метод определения задержки сигнала зависит  от его типа:

• при использовании импульсных сигналов, обычными методами импульсной техники (с помощью аналоговых цепей либо цифровых счетчиков) измеряется интервал времени между импульсами передатчика и приёмника;
• при частотной модуляции радиосигнала пилообразными или треугольными импульсами, результирующий сигнал представляет собой высокочастотные колебания, с мгновенной частотой, кусочно-линейно изменяемой по времени, то есть задержанный сигнал по мгновенной частоте немного отличается от исходного. При смешивании излучаемого и принимаемого сигналов образуется биения с частотой, равной разности мгновенных частот, так как закон изменения мгновенной частоты по времени линеен, разностная частота пропорциональна задержке. Частота биений измеряется частотомером (аналоговым в старых моделях или цифровым — в новых), после чего измерительная информация выводится на показывающее устройство в виде значения расстояния до земли.

Наземный

РЛС определяет расстояние до самолёта, скорость и направление  его движения. Устройство управления высотомером вычисляет угловую  скорость самолёта относительно станции  и начинает вращать антенну высотомера с соответствующей скоростью. Одновременно антенна ходит вверх-вниз, сканируя пространство узконаправленным лучом. Таким образом вычисляется угол места самолёта. Простейшими преобразованиями можно определить высоту над землёй.

Трёхкоординатные РЛС с той же целью используют большое количество лучей, излучаемых несколькими передающими антеннами. Такой метод нахождения высоты менее точный, но после первичной обработки вместе с координатами самолёта выдаётся и его высота.

1.2 Барометрический метод измерения полета

Барометрический метод измерения  высоты полета основан на зависимости  давления воздуха от высоты. Эту  зависимость можно получить расчетным  путем в предложении, что воздух является идеальным газом со стандартными для среднего уровня моря параметрами.

Выделим в атмосфере вертикальный столб воздуха постоянного сечения  F .

Давление воздуха у  основания этого столба обозначим  через р*, а давление на некоторой высоте h через р. Если рассмотреть внутри такого столба воздуха элементарный слой толщиной dh, то разность давлений dp, действующая на этот слой, уравновешивается массой воздуха, заключенного внутри слоя:

Где р - плотность воздуха внутри слоя.

Знак «минус» в уравнении  означает, что положительному приращению высоты соответствует отрицательное  приращение давления (с увеличением  высоты давление уменьшается).

Известно, что для высот  до 94 км между плотностью, давлением  и температурой газа существует зависимость

Где р - абсолютное давление, Па; Rуд - удельная газовая постоянная (Rуд = 287,05287 Дж/(кгК)); Т - температура Кельвина.

Уравнение (4) после подстановки  в него (5) можно привести к виду

Или после умножения и  деления правой части на gc

Произведя в правой части  уравнения (6) замену с учетом (1), получим

Для интегрирования уравнения (7) необходимо в его правой части  выразить Т через Н, что можно сделать для отдельных участков атмосферы, на которых зависимости Т от Н описываются известными функциями. С этой целью воспользуемся следующей табл. 1, в которой согласно ГОСТ 4401-73 представлены данные о температуре на характерных интервалов высот в диапазоне от 0 до 80 000 м.

На основании табл. 1 можно  представить две типовые зависимости Т от Н:

Где Т* и Н* - температура и давление, отвечающие началу интервала. Зависимость (8) справедлива для интервалов 1, 3, 4, 6 и 7, где В+0, а зависимость (9) -для интервалов 2 и 5, где В=0.

Если подставить (8) в (7), то получим дифференциальное уравнение  с раздельными переменными:

Интегрируя левую часть  уравнения (10) в пределах от р* до р, а правую в пределах от Н* до Н, получим

Аналогично, интегрируя уравнение (7) после подстановки в него (9), будем иметь:

Уравнения (11) и (12) дают зависимости  р от Н, при этом уравнение (11) справедливо  для интервалов, где В+0, (интервалы 1, 3, 4, 6 и 7), а уравнение (12) - для интервалов, где В=0 (интервалы 2 и 5). При использовании этих уравнений в них необходимо подставлять отвечающие данному интервалу значения Н* и Т*, взятые из табл. 1. Начальное давление для первого интервала принимается равным р*=101 325 Па = 760 мм рт. ст. Таким образом, для высот от 0 до 11000 м. Где р0 = 101 325 Па = 760 мм рт. ст.; Т0 = 288,15 К; В = - 0,0065 К/м. Для высот от 11 000 до 20 000 м

Гдер,, =22 632 Па = 169,754 мм рт. ст.; Т,, =216,65 К. Уравнения (11) и (12) могут быть решены относительно Н:

Для В+0

Для В=0

Из формул (15) и (16) видно, что  измеряемая высота является функцией четырех параметров

(17) H = f(p,p*,T.uВ).

Отсюда следует, что барометрический  метод позволяет вычислить высоту полета относительно любого уровня, если известны значения р, р*, Т* и В. Давлении р можно непосредственно измерить на самолете при помощи манометра абсолютного давления. Если считать остальные параметры (р, р*, Т*) постоянными, то высота полета однозначно определяется давлением

H=f (p)

Шкала манометра может  быть отградуирована в единицах высоты. Такой прибор называется барометрическим  высотомером.

Из уравнения (17) следует, что барометрический высотомер  показывает высоту относительно того уровня, давление и температура которого (р* и Т*) заданы при градуировке прибора. Барометрические высотомеры градуируют для стандартных условий, т.е. р.=760 мм рт. ст. и Т*=288,15 К. Температурный градиент в диапазоне высот от 0 до 11 км принимают равным В=-0,0065 К/м.

1.2.1Высотомеры барометрические механические типа ВБМ

Высотомеры типа ВБМ предназначены  для измерения и индикации  текущего значения относительной высоты, а также для установки и  индикации величины атмосферного давления.

Высотомеры разработаны  с использованием единой конструктивной базы. Для уменьшения влияния трения в механизме имеется встроенный вибратор.

Индикация высоты осуществляется с помощью счетчика километров и  круговой шкалы с двумя стрелками.

Высотомеры выпускаются  в трех модификациях: с красным, красно-белым  и белым встроенным освещением шкалы.

В футовом варианте высотомера ВБМ-2 (шифр ВБМ-2Ф) индикация высоты осуществляется с помощью счетчика сотен футов и круговой шкалы  со стрелкой. Высотомер имеет белое  встроенное освещение

Электронный барометрический  высотомер ВБЭ-СВС - прибор нового поколения  высотомеров с ЖК-дисплеем, совмещающий  функции измерителя высоты, системы  воздушных сигналов и системы  сигнализации высоты эшелонирования.

ЖК-дисплей имитирует  лицевую панель механического высотомера. Цвет индикатора меняется в зависимости  от выбранной системы единиц измерения. Переключение осуществляется нажатием кнопки F, (зеленый цвет индикатора соответствует метрической системе, оранжевый футовой).

Высотомер удовлетворяет  требованиям RVSM.

На ЖКИ-экран выдается следующая информация:

• Текущее значение относительной барометрической высоты
• Величина атмосферного давления у земли Р3
• Заданная высота эшелона
• Сигнал предупреждения о полете ни относительной высоте менее 1000 м
• Сигнал об отклонении от высоты эшелона на 60-150 м (мигающая рамка на панели прибора)
• Сигнал об отклонении от высоты эшелона более, чем на 150 м (светящаяся рамка на панели прибора)

Информация о текущих  значениях высотно-скоростных параметров (для высотомера ВБЭ-2 - только абсолютной и относительной высот) и заданной высоте эшелона передается в бортовые системы в виде 32-разрядного последовательного  кода по ГОСТ 18977-79 и РТМ 1495-75 (изменение 3) и ARINC 429.

Дополнительно в бортовую систему выдаются электрические  сигналы:

• Об отклонении от заданной высоты эшелона более чем нам 150 м
• О выходе самолета в зону, ограниченную отклонением 150 м от заданной высоты эшелона и о выходе из зоны, ограниченной отклонением 60 м от заданной высоты эшелона (сопровождается звуковой сигнализацией)

Об исправности высотомера при включенном электропитании

Таблица. Входная  информация. Диапазон

1.2.2 Электронный барометрический высотомер ВБЭ-СВС-М

Электронный барометрический  высотомер ВБЭ-СВС-М прибор нового поколения, совмещающий функции измерителя высоты, системы воздушных сигналов и системы сигнализации высоты эшелонирования.

В качестве индикатора используется полноцветный матричный ЖКИ-модуль с высокими яркостными и оптическими характеристиками.

Применение этого модуля дает возможность:

• Использовать при индикации различные цвета, чтобы улучшить визуальное восприятие информации и снизить вероятность ее ошибочного считывания
• Выдавать на экран высотомера информацию в футовой, или в метрической системах измерений
• Переключать режимы индикации и вводить необходимую информацию с помощью удобно расположенных кнопок
• Воспроизводить лицевую панель любого механического или электромеханического высотомера в привычном для пилота виде.
• Вводить в визуальную картинку дополнительные информационные  элементы, характерные для многофункциональных авиационных индикаторов. Точностные характеристики высотомера соответствуют требованиям RVSM.

По цепям электропитания, выходным электрическим сигналам и  габаритным характеристикам прибор аналогичен высотомерам ВБЭ-СВС  и соответствует рекомендациям  ARINC 429 и 706.

1.2.3 Чувствительные элементы барометрических высотомеров. Кремниевые датчики давления

Барометрические высотомеры используются в воздухоплавании  очень давно. Изначально в качестве чувствительных элементов высотомеров  использовались металлические анероидные коробки, что делало приборы тяжелыми и  громоздкими. Эти приборы со стрелочным индикатором были тяжелы в настройке, имели небольшую  точность и не могли учитывать  влияние температуры. С появлением микросистемной техники были созданы кремниевые датчики давления, позволившие решить указанные проблемы, значительно уменьшив массу и габариты высотомеров.

Рассмотрим двухстрелочные высотомеры ВД-10, ВД-17, ВД-20. Все они построены по одинаковой схеме и отличаются друг от друга главным образом диапазоном измерения.

Основными узлами высотомера являются чувствительный элемент, передаточно-множительный механизм, индикаторная часть, механизм установки начального давления, герметический корпус. Внешний вид и кинематические схемы высотомеров ВД-17, ВД-20 показаны на рис. 1.3-1.4. В качестве чувствительного элемента в приборе применен анероидный блок, состоящий из двух коробок 1 [9].