RU2702808C1

RU2702808C1 - Aerometric pressure sensor

Info

Publication number: RU2702808C1
Application number: RU2018131388A
Authority: RU
Inventors: Иван Васильевич Антонец; Руслан Андреевич Борисов; Геннадий Михайлович Горшков
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2019-10-11

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to checkout technique and can be used to measure the altitude and speed of flight of aircraft based on the use of the aerometric method. Disclosed is an aerometric pressure sensor, having a housing, inside which an aneroid sensitive element is formed, formed by upper and lower membranes, wherein the housing has two openings connected to the measured medium, a radiation source mounted on the post, and two curtains with slots, fixed on the same post, as well as two photodetector lines. At that, in geometrical centers of upper and lower membranes ferromagnetic elements are attached from their external sides, at that on inner surface of housing coaxially and with gap in relation to introduced ferromagnetic elements permanent magnets are installed.

EFFECT: high sensitivity and accuracy of measuring pressure and altitude, and aircraft flight speed, as well as high functionality of the elastic sensitive element.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно - измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода.The invention relates to a control and measuring technique and can be used to measure the altitude and flight speed of aircraft based on the use of the aerometric method.

В распространенных в настоящее время частотных преобразователях давления (Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы: учеб.пособие. В 2 ч./сост. Е.В. Антонец, В.И. Смирнов, Г.А. Федосеева. - Ч. 1. - Ульяновск: УВАУ ГА, 2007. - 119 с.) изменение измеряемого давления (или разности давлений) вызывает изменение частоты колебаний чувствительного элемента (ЧЭ), в качестве которых используются натянутая струна, тонкостенный цилиндрический резонатор и тому подобные элементы. Изменение частоты колебаний ЧЭ приводит к изменению частоты выходного сигнала преобразователя. Частотные преобразователи обладают преимуществом перед электромеханическими преобразователями давления, потому что частота сигнала практически не изменяется при его усилении и передаче по линиям связи от преобразователя к потребителям или соответствующим указателям. Данные устройства конструктивно выполнены в виде генераторных датчиков давления типа ДДГ, которые, в частности, используются в цифровых системах воздушных сигналов, предназначенных для измерения высотно-скоростных параметров полета самолета и выдачи результатов измерения потребителям.In the currently prevailing frequency pressure transducers (Aviation devices and flight and navigation systems: a training manual. At 2 hours / comp. E.V. Antonets, V.I. Smirnov, G.A. Fedoseeva. - Part 1 - Ulyanovsk: UVAU GA, 2007. - 119 p.) A change in the measured pressure (or pressure difference) causes a change in the oscillation frequency of the sensing element (SE), which are used as a stretched string, a thin-walled cylindrical resonator, and the like. A change in the frequency of the oscillations of the SE leads to a change in the frequency of the output signal of the converter. Frequency converters have an advantage over electromechanical pressure converters, because the frequency of the signal remains almost unchanged when it is amplified and transmitted through communication lines from the converter to consumers or corresponding indicators. These devices are structurally made in the form of generator pressure sensors of the DDG type, which, in particular, are used in digital airborne signal systems designed to measure altitude and speed parameters of an airplane’s flight and to provide measurement results to consumers.

Известен барометрический высотомер (Патент РФ №1426187, G01C 5/00, G01C 5/06, 10.06.2005 г.), содержащий последовательно соединенные преобразователь давления в частоту импульсов тока, формирователь интервала счета, двоичный многоразрядный счетчик с входами предварительной установки и выходной регистр, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя интервала счета, генератор опорной частоты и схему. И, первый и второй входы которой соединены соответственно с выходами генератора опорной частоты и формирователя интервала счета.Known barometric altimeter (RF Patent No. 1426187, G01C 5/00, G01C 5/06, 06/10/2005), containing a series-connected pressure transducer to the frequency of the current pulses, a shaper of the counting interval, a binary multi-bit counter with preset inputs and an output register , the control input of which is connected to the output of the imaging interval generator, the reference frequency generator and the circuit. And, the first and second inputs of which are connected respectively to the outputs of the reference frequency generator and the shaper of the count interval.

Существенными недостатками частотных преобразователей давления являются: высокая зависимость от стабильности частоты питающего напряжения и чувствительность к механическим вибрациям; появление температурных погрешностей датчика и относительно большие энергетические затраты, вызванные наличием специального электромагнитного возбудителя колебаний; постоянный уход метрологических характеристик упругого элемента, определяемый большим числом колебаний.Significant disadvantages of frequency pressure converters are: high dependence on the stability of the frequency of the supply voltage and sensitivity to mechanical vibrations; the appearance of temperature errors in the sensor and relatively high energy costs caused by the presence of a special electromagnetic exciter; constant departure of the metrological characteristics of the elastic element, determined by a large number of vibrations.

Известно также устройство для измерения барометрических вертикальной скорости и высоты полета (Патент РФ №1292447, G01P 3/489, 10.06.2005 г.), содержащее барометрический высотомер, подключенный выходом к первому входу первого вычитателя непосредственно и ко второму входу первого вычитателя через последовательно соединенные первый, второй и третий элементы задержки, второй вычитатель, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента задержки, вторым входом к выходу второго элемента задержки и выходом к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого вычитателя, и выходные шины.A device is also known for measuring barometric vertical speed and flight altitude (RF Patent No. 1292447, G01P 3/489, 06/10/2005), containing a barometric altimeter connected directly to the first input of the first subtractor and to the second input of the first subtractor via series-connected the first, second and third delay elements, the second subtractor connected to the output of the first delay element by the first input, the second input to the output of the second delay element and the output to the first input of the first adder, connected nnogo second input with the output of the first subtracter and the output bus.

Данное устройство обладает, по сравнению с предыдущим, более высокой точностью измерений за счет уменьшения динамической и флуктуационной погрешностей, однако ему также присущи все вышеперечисленные недостатки частотных преобразователей давления.This device has, in comparison with the previous one, higher measurement accuracy due to the reduction of dynamic and fluctuation errors, however, it also has all the above-mentioned disadvantages of frequency pressure transducers.

Прототипом предлагаемого датчика может служить датчик давления, использующий оптический метод преобразования информации (заявка РФ на изобретение №2017111362 от 04.04.2017 года), содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный двумя мембранами. В устройство дополнительно введены 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.The prototype of the proposed sensor can be a pressure sensor using the optical method of information conversion (RF application for invention No. 2017111362 dated 04/04/2017), containing a housing that has two openings in communication with the measured medium and inside which an aneroid sensitive element formed by two membranes is placed . An additional radiation source, mounted on a rack, and two curtains with slots, mounted on the same rack, as well as two photodetector lines, the membranes of the sensing element are divided into upper and lower and sealed around the perimeter to the body, forming an airless gap, are additionally introduced into the device while the openings of the housing are located above and below the gap, the rack is placed inside the gap and attached to the housing, and the photodetector lines also located in the gap are attached respectively to the upper and lower membranes and facing the corresponding slots of the blinds.

Недостатком данного устройства является то обстоятельство, что в нем упругие чувствительные элементы (мембраны), воспринимающие действие сил растяжения и сжатия, не в полной мере используют линейную часть упругой характеристики чувствительного элемента. Учитывая, что действие закона Гука осуществляется при малых деформациях, указанный недостаток существенно снижает чувствительность датчика и точность измерения при малых давлениях.The disadvantage of this device is the fact that in it the elastic sensitive elements (membranes), which perceive the action of tensile and compression forces, do not fully use the linear part of the elastic characteristics of the sensitive element. Considering that the Hooke law is valid at small deformations, this drawback significantly reduces the sensitivity of the sensor and the measurement accuracy at low pressures.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание датчика аэрометрических давлений.The technical task of the invention is the creation of an aerometric pressure sensor.

Технический результат - повышение чувствительности и точности измерения давления и по высоте, и по скорости полета воздушного судна, а так же повышение функциональных возможностей упругого чувствительного элемента.The technical result is an increase in the sensitivity and accuracy of pressure measurement both in height and in flight speed of the aircraft, as well as an increase in the functionality of an elastic sensitive element.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее корпус, внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней мембранами, причем корпус имеет два, соединенных с измеряемой средой, отверстия, источник излучения, закрепленный на стойке и две шторки с прорезями, закрепленные на той же стойке, а также две фотоприемные линейки, при этом в геометрических центрах верхней и нижней мембран с их внешних сторон прикреплены ферромагнитные элементы, причем на внутренней поверхности корпуса соосно и с зазором, по отношению к введенным ферромагнитным элементам, установлены постоянные магниты.The specified technical result is achieved by the fact that in the device containing the housing, inside of which there is an aneroid sensitive element formed by the upper and lower membranes, the housing has two openings connected to the medium to be measured, a radiation source mounted on the rack and two curtains with slots, mounted on the same rack, as well as two photodetector lines, while in the geometric centers of the upper and lower membranes ferromagnetic elements are attached from their outer sides, and on the inner surface to rpusa coaxially and with play with respect to the introduced ferromagnetic elements are mounted permanent magnets.

Сущность изобретения поясняется схемой устройства, представленного на чертеже. Устройство содержит корпус 1 с двумя отверстиями, соответственно для измерения статического (Р_ст) и полного (Р_полн) давлений. Мембраны 2 и 3 разнесены по высоте, образуя зазор, из которого выкачан воздух, и герметично по периметру прикреплены к корпусу. Отверстия для измерения статического и полного давлений размещены выше и ниже зазора. В геометрических центрах мембран 2 и 3 установлены ферромагнитные элементы 4 и 5, напротив которых с зазорами, на внутренней поверхности корпуса установлены постоянные магниты 6 и 7. Внутри безвоздушного зазора к стойке 8 прикреплены источник излучения 9, а также верхняя и нижняя шторки 10 с прорезями 11. Две фотоприемные линейки 12 крепятся к верхней 2 и нижней 3 мембранам.The invention is illustrated by a diagram of the device shown in the drawing. The device comprises a housing 1 with two holes, respectively, for measuring static (P _st ) and full (P _full ) pressures. Membranes 2 and 3 are spaced apart in height, forming a gap from which air is pumped out, and are tightly attached around the perimeter to the body. Holes for measuring static and total pressures are located above and below the gap. In the geometric centers of membranes 2 and 3, ferromagnetic elements 4 and 5 are installed, opposite which with gaps, permanent magnets 6 and 7 are installed on the inner surface of the housing. Inside the airless gap, a radiation source 9 is attached to the rack 8, as well as upper and lower curtains 10 with slots 11. Two photodetector lines 12 are attached to the upper 2 and lower 3 membranes.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В исходном состоянии мембраны 2 и 3 занимают определенное положение, определяемое предельными значениями их рабочих деформаций на сжатие и растяжение при изменениях статического и полного давлений. Это состояние достигается при равенстве упругих сил мембран, а также сил притяжения между постоянными магнитами 6, 7 и феромагнитными элементами 4, 5. Сила притяжения между постоянными магнитами 6, 7 и феромагнитными элементами 4, 5, при их заданных характеристиках, зависит от расстояния между ними.The operation of the device is as follows. In the initial state, membranes 2 and 3 occupy a certain position, determined by the limiting values of their working compressive and tensile deformations with changes in static and total pressures. This state is achieved when the elastic forces of the membranes are equal, as well as the attractive forces between the permanent magnets 6, 7 and ferromagnetic elements 4, 5. The attractive force between the permanent magnets 6, 7 and ferromagnetic elements 4, 5, with their given characteristics, depends on the distance between them.

Оптическая энергия от источника излучения 9 через прорези 11 шторок 10 попадает в виде оптических пятен на фотоприемные линейки 12. В фотоприемных линейках 12 отдельные фоточувствительные элементы (пиксели) расположены вдоль одной координаты. Принцип работы данных устройств 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 фотоприемного элемента. Чем больше будет оптическая мощность, попадающая на пиксель, тем больше будет ток фотодиода и, следовательно, тем быстрее будет разряжаться конденсатор. В конце цикла измерения происходит считывание остаточного заряда конденсаторов пикселей.The optical energy from the radiation source 9 through the slots 11 of the shutters 10 falls in the form of optical spots on the photodetector lines 12. In the photodetector lines 12, individual photosensitive elements (pixels) are located along one coordinate. The principle of operation of these devices is the formation within each pixel of an electrical signal proportional to the absorbed optical energy. This is achieved thanks to the photosensitive pn junction (as in a conventional photodiode), through which the capacitor of the photodetector element is discharged. The greater the optical power incident on the pixel, the greater the current of the photodiode and, therefore, the faster the capacitor will discharge. At the end of the measurement cycle, the residual charge of the pixel capacitors is read.

При изменениях статического (Рст) и (или) полного (Рполн) давлений, мембраны 2 и 3 деформируются на величину, определяемую значениями соответствующих давления и изменяющейся силы притяжения между соответствующими постоянными магнитами 6, 7 и ферромагнитными элементами 4, 5. По мере уменьшения статического (Рст) и (или) полного (Рполн) давлений мембраны 2 и 3 работают на растяжение, уменьшая зазор и увеличивая силы притяжения между постоянными магнитами 6, 7 и ферромагнитными элементами 4, 5, обеспечивая равную, во всем диапазоне измерений, чувствительность мембран к изменению давлений.With changes in static (Pst) and (or) total (Pful) pressures, membranes 2 and 3 are deformed by the value determined by the values of the corresponding pressure and the changing attractive force between the corresponding permanent magnets 6, 7 and ferromagnetic elements 4, 5. As the static decreases (Рст) and (or) total (Рполн) pressures of the membrane 2 and 3 work in tension, reducing the gap and increasing the attractive forces between the permanent magnets 6, 7 and ferromagnetic elements 4, 5, providing an equal, in the entire measurement range, senses lnost membranes to pressure changes.

По мере увеличения статического (Рст) и (или) полного (Рполн) давлений мембраны 2 и 3 уменьшают значение деформации как за счет возрастающих давлений, так и ослабевающей силы притяжения между магнитами 6, 7 и ферромагнитными элементами 4, 5, также обеспечивая равную чувствительность мембран к изменению давлений. После прохождения заданного исходного положения, мембраны 2 и 3 начинают сжиматься, при этом значения сил притяжения между магнитами и ферромагнитными элементами оказывают значительно меньшее влияние, и мембраны прогибаются в основном за счет возрастающих статического (Рст) и (или) полного (Рполн) давлений.As the static (Pst) and (or) total (Pfol) pressures increase, membranes 2 and 3 decrease the strain value due to both increasing pressures and the weakening attractive force between magnets 6, 7 and ferromagnetic elements 4, 5, while also ensuring equal sensitivity membranes to pressure changes. After passing a predetermined initial position, membranes 2 and 3 begin to compress, while the values of the attractive forces between magnets and ferromagnetic elements have a much lesser effect, and the membranes bend mainly due to increasing static (Pst) and (or) full (Pful) pressure.

Фотоприемные линейки 12, прикрепленные к этим мембранам, смещаются, вызывая перемещения на них оптических пятен от источника излучения 9 через прорези 11 шторок. При последовательном опросе пикселей на выходе фотоприемных многоэлементных устройств будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве фотоприемного устройства. Иными словами, на выходе фотоприемных устройств будут формироваться цифровые сигналы пропорциональные соответственно статическому и полному давлениям.The photodetector arrays 12 attached to these membranes are displaced, causing optical spots to move on them from the radiation source 9 through the slots 11 of the shutters. When sequentially polling pixels at the output of photodetector multi-element devices, an electrical signal will be generated in which the change in amplitude in time reflects the distribution of optical power in the space of the photodetector. In other words, digital signals proportional to the static and total pressures, respectively, will be generated at the output of the photodetector devices.

Таким образом, введение в конструкцию корпуса датчика аэрометрических давлений постоянных магнитов, взаимодействующих с ферромагнитными элементами, позволит линеаризовать зависимость деформаций мембран от воспринимаемых давлений. В результате произойдет повышение чувствительности и точности измерения давления и по высоте, и по скорости полета воздушного судна, а так же расширятся функциональные возможности упругого чувствительного элемента. Предлагаемый датчик, обладая всеми достоинствами прототипа, позволяет значительно повысить точность измерения нелинейно изменяющегося давления (статического и полного), а также повышает функциональную эффективность упругих чувствительных элементов.Thus, the introduction of permanent magnets interacting with ferromagnetic elements into the design of the sensor’s case of aerometric pressures will make it possible to linearize the dependence of membrane deformations on perceived pressures. As a result, there will be an increase in the sensitivity and accuracy of measuring pressure in both height and flight speed of the aircraft, as well as expanding the functionality of the elastic sensing element. The proposed sensor, having all the advantages of the prototype, can significantly improve the accuracy of measuring non-linearly varying pressure (static and full), and also increases the functional efficiency of elastic sensitive elements.

Claims

An aerometric pressure sensor comprising a housing, inside which an aneroid sensitive element is formed, formed by the upper and lower membranes, the housing having two openings connected to the medium to be measured, a radiation source mounted on the rack, and two curtains with slots fixed on the same rack, and there are also two photodetector arrays, characterized in that ferromagnetic elements are attached to the geometric centers of the upper and lower membranes from their outer sides, and on the inner surface of the casing it is coaxial and with a gap In relation to the introduced ferromagnetic elements, permanent magnets are installed.