1
(21)4630748/10
(22)03.01.89
(46)23.09.91. Бюл.
(72) В. М. Агеев, В. Г. Кравцов, Р. Г. Чачикян
и А. А. Ягудин
(53)532.574(088.8)
(56)Боднер В. А. Авиационные приборы. М.: Машиностроение, 1969, с. 77, 348 Патент Англии № 1176381, кл. G 01 Р 5/14, 1970.
(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА НА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ
(57)Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть использовано для определения параметров набегающего воздушного потока на летательный аппарат - угла атаки и его производных в условиях сдвига ветра Цель
изобретения - повышение точности и быстродействия устройства. В преобразователь давления, связанный пневмоканалами с измерительным насадком, вводится преобразователь перемещений и блок обработки сигналов. Преобразователь перемещений выполняется в виде связанных с корпусом двух сильфонов, торцы которых соединяются между собой жесткой тягой, внутри которой имеется капиллярный канал. При этом торец одного сильфона помещается между источником света и фотоприемником, который выполняется в виде линейного прибора с зарядовой связью, линия фоточувствительности которого пересекает под острым углом плоскость торца сильфона. Блок обработки сигналов позволяет осуществлять управление прибором с зарядовой связью и производит обработку сигналов. 8 ил.
(Л
С
Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть использовано для определения параметров набегающего воздушного потока на летательный аппарат (ЛА) - угла атаки и его производных в условиях сдвига ветра.
Цель изобретения - повышение точности измерений и быстродействия устройства.
На фиг. 1 показан приемник воздушного давления с полусферическим насадком, общий вид; на фиг. 2 - расположение приемных отверстий на полусфере; на фиг. 3 - структурная схема измерителя; на фиг. 4 - конструкция фотоэлектрического преобразователя перемещений; на фиг. 5 - принцип засветки фотоприемника; на фиг. 6 - структурная схема электронного блока с фотоприемником; на фиг. 7 - эпюры напряжений электронного блока, на фиг. 8 - расчет параметров преобразователя.
Устройство содержит приемник 1 воздушного давления, выполненный в виде цилиндрического тела с полусферическим насадком 2 и приемными отверстиями 3-5 соответственно в центре полусферы, в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости, которые соединены пневмоканалами 6 с преобразователем 7-11 давлений. Преобразователь давлений в канале измерения угла атаки содержит фотоэлектрический преобразователь 7 перемещений и электронный блок 11. Фотоэлектрический преобразователь 7 перемещений выполнен в виде корпуса 12, внутри которого размещены два одинаковых сильфона 13, входы
О
VJ о
CJ
ю
которых закреплены в противоположных торцах корпуса 12 и соединены пневмока- налами 6 с приемными отверстиями 5 полусферического насадка 2, а днища 14 сильфонов 13 жестко связаны между собой тягой 15, внутри которой выполнен капиллярный канал, причем днище 14 одного сильфона 13 расположено между линейным источником 16 света и фотоприемнйком 17, выполненным в виде линейного прибора с зарядовой связью, фоточувствительная область 18 которого расположена по линии, пересекающей под острым углом плоскость днища 14 сильфона 13. Электронный блок 11 содержит формирователь 19 фаз, подключенный выходами к управляющим входам линейного прибора 17 с зарядовой связью, к выходу которого подключены последовательно соединенные фильтр 20 нижних частот, первый дифференцирующий каскад 21, компаратор 22 и первый вход первого триггера 23, второй вход которого соединен с выходом переноса формирователя 19 фаз, а выход первого триггера 23 соединен с первым входом элемента 24 совпадения, амплитудным детектором 25 и счетным входом второго триггера 26. Второй вход элемента 24 совпадения соединен с тактовым выходом формирователя 19 фаз, а третий вход элемента 24 совпадения соединен с первым выходом второго триггера 26,второй выход которого соединен с входом Сброс счетчика 27, а выход амплитудного детектора 25 соединен с вторым дифференцирующим, каскадом 28, Выходные сигналы с второго дифференцирующего каскада 28 и счетчика 27 поступают на вычислитель 29.
Измеритель работает следующим образом.
При взаимодействии приемника 1 с набегающим воздушным потоком в приемных отверстиях 3-5 устанавливаются давления Ро, Pi, Ра, Рз, Р4 соответственно. Причем давления Рз и Р4 зависят от угла атаки. Приемные отверстия 3 и 4 соединены посредством пневмоканалов 6 с емкостными преобразователями 8-10 давлений, соответственно и далее - с вычислителем 29, служащим для косвенного определения угла скольжения, числа М и т.д. Отверстия 5 соединены пневмоканалами 6 с сильфона- ми 13 фотоэлектронного преобразователя 7 перемещений. При угле атаки, отличном от О, давление Рз Р4 и сильфоны 13, соединенные жестко тягой 15, перемещаются в направлении пневмоканала 6 с меньшим давлением. При этом днище 14 одного из сильфонов 13 затеняет большую или меньшую часть фоточувствительной области 1JJ
линейного прибора 17 с зарядовой связью. Острый угол, образованный фоточувствительной областью 18 и плоскостью днища 14, необходим для повышения чувствительности преобразователя 7 перемещений.
При наличии слабого сдвига ветра разность давлений Рз и Рз успевает скомпенси- роваться благодаря капиллярному каналу, выполненному в тяге 15 и днище 14.сильфо0 на 13, и остается в прежнем положении. При этом сигнал с гироскопа, несущий информацию об угле тангажа в вычислитель 29,также не изменяется, выход а вычислителя 29 остается без изменений, что предохраняет
5 летчика от ложной тревоги обнаружения сдвига ветра. Если же это небольшое изменение связано с изменением угла атаки (при этом изменяется и тангаж), то постоянная разность давлений Рз и РА будет зафиксиро0 вана смещением днища 14 сильфона 13. При воздействии на ЛА сильного, резкого порыва (сдвига) ветра капиллярный канал не успевает отработать разность давлений и засветка фотоприемника 17 изменится. При
5 неизменном тангаже вычислитель выдаст информацию о производной угла атаки а без дополнительных вычислений. Предложенный фотоэлектронный . преобразователь 7 перемещений с капиллярным
0 каналом обладает свойствами реального дифференцирующего звена.
Сигнал с выхода фотоприемника 17 поступает в электронный блок 11, который служит для управления прибором 17 с заря5 довой связью и вторичной обработки его сигналов. Управление осуществляется подачей тактовых импульсов с формирователя 19 фаз на управляющие входы прибора 17 с зарядовой связью (ПЗС). Сигнал с выхода
0 ПЗС 17, представляющий собой последовательность темных и светлых импульсов эпюра 1 на фиг, 7), поступает на фильтр 20 нижних частот, где выделяется огибающая (эпюра 2 на фиг. 7). Первый дифференциру5 ющий каскад 21 вырабатывает импульс на месте наибольшей крутизны огибающей сигнала (эпюра 3 на фиг. 7). Компаратор 22 нормализует импульс (эпюра 4 на фиг. 7) и подает его на сброс триггера 23, запуск ко0 торого осуществляется импульсом переноса с формирователя 19 фаз (эпюра 5 на фиг. 7). Импульс с триггера 23 подается на первый вход элемента 24 совпадения (эпюра 6 на фиг. 7) и на счетный вход второго тригге5 ра 26, который делит входную частоту пополам (эпюра 7 на фиг. 7) и дает попеременное разрешение на запуск и сброс счетчика 27 (эпюра 7 и 10 на фиг. 7). На второй вход элемента 24 совпадения поступают тактовые импульсы с формирователя 19 фаз(эпю- ра 8 на фиг. 7). На выходе элемента 24 совпадения образуется пачка импульсов (эпюра 9 на фиг. 7), число которых пропорционально смещению границы светотени на ПЗС 17, а значит углу атаки. Это число записывается в счетчик 27 и подается на вычислитель 29. Сигнал с выхода триггера 23 подается также на амплитудный детектор 25, который выделяет постоянную со- ставляющую, зависящую от скважности импульсов с триггера, т.е. от местоположения границы светотени на ПЗС 17. Далее этот сигнал дифференцируется вторым дифференцирующим каскадом 28, дающим ин- формацию о второй производной угла атаки. Эта информация также поступает на вычислитель 29.
Расчет чувствительности измерителя производится следующим образом. Как видно из фиг. 8, нормальные составляющие скорости воздушного потока Vi и V2 к плоскости приемных отверстий 5 рассчитываются по формулам:
Vi V0 cos(90-/3-a) Vo- sin(/J + a )
(1)
V2 Vo cos (90 -/ + a) V0 sin (p -a )
(2)
где Vo - вектор скорости воздушного потока;
ft- угол между осью ПВД и плоскостью бокового отверстия;
а-угол атаки,
Сила давления воздушного потока со скоростью V на площадку равна
F- /o-S-V2
где р - плотность воздуха (р 1,293 кг/м3);
S - площадь площадки.
Примем площадь днища 14 за Si пло- щадь сечения капилляра $2 Тогда сила, действующая на одно днище, равна
Fi 1р (Si - S2) Vi2 , (4)
а сила, действующая на второе днище, равна
F2 p- (Si-Sz)- V22(5)
С другой стороны, разность сил Fi-F2 уравновешивается упругостью сильфона, т.е.
2 Кх Fi - F2,(б)
где К - коэффициент упругости одного сильфона;
х - смещение днища.
Для расчета чувствительности измерителя необходимо, чтобы смещение х соответствовало разрешающей способности ПЗС. Как видно из фиг. 5,
х d tg у
(7)
где d - шаг ПЗС;
у- угол между линией фоточувствительной области ПЗС и плоскостью днища силь- фона.
С учетом 1-7 можно записать:
(Si-Sz) (Ј + + a)-sin2 ( )2 Kdtgy.
(8)
a )
(2) 30
потостью35
а со
3)
40
/м3);
пло- 45 дей(4)
50
a
Отсюда 4arcsin
LKdtgy
/(Si-S2)V0 -sln2
(9)
Рассчитаем минимально допустимое изменение угла атаки для следующих исходных данных:
d 15 мкм 15
р 1,293 кг/м3;
К 500 г/мм 4900 н/м;
51 4,96 см2 4,96 10 м2;
52 1 см2 10 м2;
Vo 200 км/ч 55,5 м/с;
Ј 450
,5°
При этом а 0,14°
Рассчитаем площадь сечения капилляра $2, необходимую для создания эффекта дифференцирования. На основании данных по вариометрам, они являются дифференцирующим звеном с постоянной времени:
т RJp-nD
(Ю)
где t - коэффициент вязкости воздуха;
I- длина капилляра;
V - объем корпуса сильфона, заполняемого через капилляр (V Si + L, где L - длина сильфона);
R - универсальная газовая постоянная (R 8,314 х Джхград.1х кг х моль);
Т - температура воздуха (Т 273 К);
р - весовая плотность воздуха ( р 1,293 кг/м3);
D - диаметр капилляра.
Эта постоянная времени должна быть сравнима с временем прохождения потока воздуха VK, вызванного перепадом давлений ДР от граничной величины сдвига ветра AVrp.
Скорость потока через капилляр равна
D
32т; I
ДР.
(11)
Время прохождения потока через капилляр:
Тк
f Ъ
(12)
Разность давле определяется скоростью вертикально цвига ветра AVCp
1
ДР 4/ (AVrp)
(13)
С учетом (10-13) определяем диаметр капилляра, необходимого для срабатывания дифференцирующего звена при граничной величине сдвига ветра:
0
819 V I
ttRT/92(AVrp):
(14)
SvL 4,96 см2 5 см 24,8 м3;
Рассчитаем диаметр капилляра при следующих исходных данных:
V
t 0,05 мм;
Д Vrp 7 м/с (опасный сдвиг ветра), при этом D 4,1 мм.
Формула изобретения
Измеритель параметров воздушного потока на летательных аппаратах, содержащий приемник воздушного давления, выполненный в виде цилиндрического тела с
полусферическим насадком, в центре которого и в двух взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к оси симметрии выполнены приемные отверстия,
соединенные пневмоканалами с преобразователем давления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, он дополнительно содержит преобразователь перемещений и блок
обработки сигнала, при этом преобразователь перемещений включает в себя корпус, два сильфона, торцы которых связаны с корпусом и соединены с приемными отьерсти- ями, а днища жестко связаны между собой
тягой, внутри которой выполнен капиллярный канал, причем днище одного сильфона расположено между источником света и фотоприемником, выполненным в виде линейного прибора с зарядовой связью, линия
фоточувствительности которого пересекает под острым углом плоскость днища сильфона, а блок обработки сигнала включает в себя формирователь фаз, подключенный выходами к управляющим входам линейного прибора с зарядовой связью, фильтр нижних частот, два дифференцирующих каскада, компаратор, два триггера, элемент совпадения, амплитудный детектор,счетчик и вычислитель, причем к выходу фотоприемника подключены последовательно соединенные фильтр нижних частот, первый дифференцирующий каскад, компаратор и первый вход первого триггера, второй вход которого соединен с выходом переноса формирователя фаз, а выход первого триггера соединен с первым входом элемента совпадения, входом амплитудного детектора и счетным входом второго триггера, второй вход элемента совпадения соединен с тактовым выходом формирователя фаз, а третий вход элемента совпадения соединен с первым выходом второго триггера, второй выход которого соединен с входом Сброс счетчика, при этом выход элемента совпадения соединен со счетным входом счетчика, а выход амплитудного детектора - с вторым дифференцирующим каскадом, выход которого соединен с вычислителем, связанным с выходом счетчика.
J(fb-W,ft).f& )
Фиг.З
Угол тангажа от гироскопа
/
/
г
Фиг. 2
информация о5 угле атаки
Дополнительная информация
UUUL.
длпшиши{-
I ЛЛЛ LПОЛЛ.
(ВО-р+л Фиг.д
