ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕГО И НАБЕГАЮЩЕГО ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ НА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ Российский патент 2024 года по МПК G01L7/08 G01L11/02 

Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть использовано для определения параметров, окружающего и набегающего воздушных потоков, воздействующих на летательный аппарат, - статического, а также полного давлений или угла атаки. Указанная информация, в совокупности с температурой набегающего воздушного потока, является полной входной информацией в системе воздушных сигналов (СВС) воздушного судна (ВС), предназначенной для вычисления высотно - скоростных параметров полета.

Анализ [Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы: учебное пособие в 2 ч. / сост. Е.В. Антонец, В.И. Смирнов, Г.А. Федосеева. - Ч. 1. - Ульяновск: УВАУ ГА, 2007. - 119 с.] эксплуатируемых в настоящее время в составе СВС датчиков давлений показал, что наибольшее распространение в авиации получили датчики давления генераторного типа на основе частотного метода преобразования информации. Частотные преобразователи, используемые на борту ВС, осуществляют преобразование колебаний УЧЭ (цилиндрического резонатора) в частоту следования импульсов. Данный метод преобразования информации обладает относительно высокой помехоустойчивостью.

Однако частотные датчики имеют ряд существенных недостатков, из которых выделим температурную погрешность, нелинейные искажения и относительно высокое энергопотребление. Кроме того, рассматриваемым датчикам присущи недостатки, связанные с «перескоком частоты». Подобное явление проявляется при переходе через критические значения (точки) давлений, сопровождающихся скачкообразным изменением выходного сигнала по давлению. Погрешность измерений при проявлении «перекоса частоты» может достигать значений в несколько процентов.

Известен датчик аэрометрических давлений, использующий оптический метод преобразования информации (Патент РФ № 2684683 МПК G01L 7/08 (2018.08); G01L 11/02 (2018.08); G01M 9/06 (2018.08), опубл. 11.04.2019, Бюл. №11), содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный двумя мембранами, источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки с прорезями, закрепленные на той же стойке, а также две фотоприемные линейки, причем мембраны чувствительного элемента разделены на верхнюю и нижнюю и герметично по периметру прикреплены к корпусу, образуя безвоздушный зазор, при этом отверстия корпуса расположены выше и ниже зазора, стойка размещена внутри зазора и прикреплена к корпусу, а фотоприемные линейки, также размещенные в зазоре, прикреплены соответственно к верхней и нижней мембранам и обращены к соответствующим прорезям шторок.

Данное устройство имеет существенные достоинства, по сравнению с вышеприведенными аналогами: высокая чувствительность оптического устройства требует минимальной деформации упругого элемента, что позволит избавиться от целого ряда погрешностей: остаточной деформации, нелинейности, упругих несовершенств материала, температурных колебаний, от воздействия линейных ускорений, от воздействия вибраций, от изменения свойств материала с течением времени и т.п. Бесконтактный съем информации и работа информационной системы в условиях вакуума значительно повысят эффективность процессов измерения. Отметим также значительное уменьшение энергопотребления.

К недостаткам данного устройства можно отнести ряд факторов, влияющих на точность измерения. Диапазон измеряемого давления одиночной мембраны относительно небольшой и весьма проблематично обеспечить равную чувствительность одиночной мембраны по высоте атмосферного давления. Кроме того, информация о текущей координате оптического пятна вдоль оси оптической линейки формируется дискретно, с периодом, равным периоду опроса всех пикселей оптической линейки. Для повышения точности измерений необходимо уменьшать период опроса, однако это ограничивается техническими возможностями используемой оптической линейки. Кроме того, точность измерений в значительной степени зависит от геометрических размеров пикселей оптического устройства, так как перемещение геометрического центра мембраны эквивалентно перемещению оптического пятна на поверхности оптического устройства. А также, установленные на жестких центрах верхней и нижней упругих мембран оптические линейки с подходящими к ним проводами, приводят к увеличению массы и габаритных размеров мембран. Это влияет на их динамические характеристики.

Прототипом предлагаемого датчика может служить датчик аэрометрических давлений (патент РФ № 2684683. Бюл. №11, 2019 г.), использующий двухступенчатые упругие чувствительные элементы и оптический метод преобразования деформации, содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней основными мембранами, источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки с прорезями, закрепленные на той же стойке, а также две оптические линейки. В геометрических центрах верхней и нижней основных мембран содержатся отверстия, которые с внешних сторон мембран, по отношению к зазору, перекрываются дополнительными верхней и нижней мембранами, герметично по периметру прикрепленными к внешним сторонам основных мембран, при этом оптические линейки прикреплены соответственно к верхней и нижней дополнительным мембранам и обращены к соответствующим прорезям шторок.

Недостатком данного устройства является то обстоятельство, что. дополнительные верхняя и нижняя мембраны, герметично по периметру прикреплены к внешним сторонам основных мембран. Это обстоятельство существенно влияет на параметры упругих характеристик основных мембран, т.к. на большую площадь основных мембран, перекрытую дополнительными мембранами, внешнее давление не воздействует, кроме того, разрушается структура материала по линии соединения мембран и, соответственно, снижается точность измерения давлений.

Задачей предлагаемого изобретения является создание измерителя параметров окружающего и набегающего воздушных потоков на летательных аппаратах.

Технический результат - расширение диапазона измеряемых воздушных давлений, а также обеспечение равной чувствительности измерителя по высоте атмосферного давления.

Указанный технический результат достигается тем, что измеритель параметров окружающего и набегающего воздушных потоков, содержит корпус, внутренний объем которого через полости, сообщающиеся с помощью отверстий в корпусе, с измеряемой средой, включает замкнутую полость с закрепленными на образующей ее внутренней поверхности корпуса источником излучения и оптических линеек с обеспечением возможности прохождения светового потока от источника излучения через прорези в шторках, прикрепленных к соответствующим упругим чувствительным элементам, на активные поверхности оптических линеек.

Особенностью является то, что в конструкцию измерителя в качестве упругих чувствительных элементов введены: верхняя и нижняя анероидные коробки, имеющие в одном из жестких центров отверстие, при этом замкнутая полость образована разнесенными по высоте верхней и нижней жесткими пластинами, выполненными по форме отверстия корпуса и в геометрических центрах которых имеются отверстия, верхняя и нижняя введенные анероидные коробки герметично по периметру жестких центров, имеющих отверстия, прикреплены к внешним, по отношению к зазору, сторонам жестких пластин, при этом отверстия жестких пластин и анероидных коробок совпадают, а шторки с прорезями прикреплены к внутренним сторонам не имеющих отверстий жестких центров соответственно верхней и нижней анероидных коробок.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена конструктивная схема измерителя параметров окружающего и набегающего воздушных потоков на летательных аппаратах.

Устройство содержит корпус 1 с двумя отверстиями, соответственно для измерения статического (Рст) и полного (Рполн) давлений. Жесткие верхняя 2 и нижняя 3 пластины разнесены по высоте, образуя замкнутую полость, из которой выкачан воздух, и герметично по периметру прикреплены к корпусу 1. В геометрических (жестких) центрах пластин 2 и 3 выполнены отверстия, которые с внешних сторон жестких пластин, по отношению к зазору, совпадают с отверстиями дополнительных верхней 4 и нижней 5 анероидных коробок, герметично по периметру жестких центров, имеющих отверстия, прикрепленных к внешним сторонам геометрических центров жестких пластин 2 и 3. На каждую анероидную коробку действуют две силы: сила измеряемого давления, стремящаяся сжать коробку, и сила упругости, препятствующая лому сжатию. Характеристика коробки выбирается гак, что перемещение подвижного центра функционально связано с изменением давления. Внутри замкнутой полости, образованной жесткими пластинами 2 и 3, на внутренней поверхности корпуса 1 установлены стойки 6 и 7, к которым прикреплены оптические линейки 8,9. Источник излучения 10 установлен на стойке, также прикрепленной к внутренней поверхности корпуса 1. К внутренним сторонам жестких центров анероидных коробок 4 и 5, которые не имеют отверстия, прикреплены шторки 11 и 12 с прорезями соответственно 13 и 14. Световые потоки от источника излучения, проходя через соответствующие прорези шторок, попадают на активную поверхность оптических линеек.

Работа датчика осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии упругие чувствительные элементы анероидных коробок 4 и 5 занимают определенное положение. Оптическая энергия от источника излучения 10 через прорези 13 и 14 шторок 11 и 12 попадает в виде оптических пятен на активные поверхности оптических линеек 8,9. В оптической линейке отдельные фоточувствительные элементы (пиксели) расположены вдоль одной координаты. Принцип работы данного устройства 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 оптического элемента. Чем больше будет оптическая мощность светового пятна, попадающего 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 анероидных коробок 4 и 5 деформируются, при этом шторки 11 и 12, прикрепленные к внутренним центрам анероидных коробок, смещаются, вызывая перемещения оптических пятен, сформированных источником излучения и прорезями шторок, по активным поверхностям оптических линеек.

Перемещение мембран анероидных коробок 4 и 5 позволяет с заданной точностью осуществить измерение давления даже при нелинейном характере его изменения. При последовательном опросе пикселей на выходе оптического многоэлементного устройства будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве оптического устройства. Иными словами, на выходе оптического устройства будут формироваться цифровые сигналы пропорциональные соответственно статическому и полному давлениям. Предлагаемое устройство, обладая всеми достоинствами прототипа, за счет введения анероидных коробок позволяет значительно расширить диапазон измеряемых давлений, а выбор характеристики анероидной коробки, при котором перемещение подвижного центра пропорционально изменению давления, позволит повысить точность измерения нелинейно изменяющегося давления (статического и полного) во всем диапазоне его измерения. Предлагаемый датчик имеет высокую устойчивость к вибрациям. Кроме того, конструкция измерителя и технологический процесс крепления чувствительных элементов значительно упрощаются. 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 измеритель, совместно с датчиком температуры, позволяет определить все перечисленные аэрометрические параметры.

Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть использовано для определения параметров, окружающего и набегающего воздушных потоков, воздействующих на летательный аппарат, - статического, а также полного давлений или угла атаки. Устройство содержит корпус, внутренний объем которого через полости, сообщающиеся с помощью отверстий в корпусе, с измеряемой средой, включает замкнутую полость с закрепленными на образующей ее внутренней поверхности корпуса источником излучения и оптических линеек с обеспечением возможности прохождения светового потока от источника излучения через прорези в шторках, прикрепленных к соответствующим упругим чувствительным элементам, на активные поверхности оптических линеек. В конструкцию измерителя в качестве упругих чувствительных элементов введены верхняя и нижняя анероидные коробки, имеющие в одном из жестких центров отверстие, при этом замкнутая полость образована разнесенными по высоте верхней и нижней жесткими пластинами, выполненными по форме отверстия корпуса и в геометрических центрах которых имеются отверстия. Верхняя и нижняя введенные анероидные коробки герметично по периметру жестких центров, имеющих отверстия, прикреплены к внешним, по отношению к зазору, сторонам жестких пластин, при этом отверстия жестких пластин и анероидных коробок совпадают, а шторки с прорезями прикреплены к внутренним сторонам не имеющих отверстий жестких центров соответственно верхней и нижней анероидных коробок. Технический результат заключается в расширении диапазона измеряемых воздушных давлений, а также обеспечении равной чувствительности измерителя по высоте атмосферного давления. 1 ил.

Измеритель параметров окружающего и набегающего воздушных потоков на летательных аппаратах, содержащий корпус, внутренний объем которого через полости, сообщающиеся с помощью отверстий на боковой поверхности, с измеряемой средой, включает замкнутую полость с закрепленными на образующей ее внутренней поверхности корпуса источником излучения и оптических линеек с обеспечением возможности прохождения светового потока от источника излучения через прорези в шторках, прикрепленных к соответствующим упругим чувствительным элементам, на активные поверхности оптических линеек, отличающийся тем, что в конструкцию измерителя в качестве упругих чувствительных элементов введены: верхняя и нижняя анероидные коробки, имеющие в одном из жестких центров отверстие, при этом замкнутая полость образована разнесенными по высоте верхней и нижней жесткими пластинами, выполненными по форме отверстия корпуса и в геометрических центрах которых имеются отверстия, верхняя и нижняя введенные анероидные коробки герметично по периметру жестких центров, имеющих отверстия, прикреплены к внешним, по отношению к зазору, сторонам жестких пластин, при этом отверстия жестких пластин и анероидных коробок совпадают, а шторки с прорезями прикреплены к внутренним сторонам не имеющих отверстий жестких центров соответственно верхней и нижней анероидных коробок.