BRPI0617764A2

BRPI0617764A2 - sensor de dados de ar multifuncional

Info

Publication number: BRPI0617764A2
Application number: BRPI0617764-6A
Authority: BR
Inventors: Mark Agami; Chiz Chikwendu; Willian Michael Glasheen; John Wolbach
Original assignee: Ametek Inc
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2011-08-02
Also published as: EP1948330B1; EP1948330A2; EP1948330A4; US7490510B2; US20070107510A1; WO2007051108A3; WO2007051108A2

Abstract

<B>SENSOR DE DADOS DE AR MULTIFIJNCIONAL<D> Um sensor de dados de ar que determina o ângulo de ataque de um corpo, a pressão de ar estática, a pressão de ar total, o número de Mach, a temperatura de ar estática e a velocidade de ar verdadeira em um dispositivo que usa leituras de pressão e de temperatura. O sensor de dados de ar inclui uma sonda que se projeta para um fluxo de ar para a coleta de dados, uma placa de base para a afixação da sonda a um corpo, e um alojamento de eletrónica que inclui uma eletrónica para a interpretação dos dados coletados a partir da sonda.

Description

SENSOR DE DADOS DE AR MULTIFUNCIONAL

A presente invenção se refere geralmente a sensores dedados de ar. Mais particularmente, a presente invenção é umsensor de dados de ar de multifuncional melhorado que temum formato melhorado, é mais fácil de fabricar e provê aconversão eficiente das medições para saídas com apenastrês transdutores de pressão.

Os sensores de dados de ar tipicamente são montados emuma aeronave e são capazes de medirem o movimento defluidos em relação à mesma. Dependendo da aplicação, váriossensores de dados de ar podem tomar várias medidas,incluindo a pressão de ar total (também denominada apressão de Pitot), pressão de ar estática, temperatura dear total, temperatura de ar estática, ângulo de ataque eângulo de retrocesso. Em geral, aeronaves menores que voammanualmente requerem menos destas medições, por exemplo,apenas pressão de ar estática e pressão de ar total,enquanto aeronaves maiores que operam sob mais regulamentoe têm mais automação podem requerer o conjunto completo demedições.

Os sensores de dados de ar podem compreender váriassondas e transdutores que suprem sinais para uma caixa decomputador ou uma caixa de computador / dispositivo deexibição integrados para o cálculo da velocidade, dadireção, da altitude e uma outra informação aerodinâmicarequerida para o piloto de uma aeronave. Uma sonda estáticade Pitot, mostrada na FIG. 1, tipicamente é usada para amedição da pressão total e da estática. Esta sonda temjanelas conectadas a transdutores de pressão para seefetuarem estas medições. A temperatura de ar totalusualmente é medida com uma sonda com janela, mostrada naFIG. 2. Uma sonda com janela é similar no conceito a umtubo de Pitot7 mas a sonda leva a um transdutor detemperatura ao invés de um transdutor de pressão e sondascom janela normalmente empregam janelas de saida pararedução do tempo de resposta do instrumento. A temperaturade ar estática normalmente é medida usando-se uma aberturalevando a um transdutor ao invés de uma sonda externa, umavez que esta medição é largamente não influenciada pelavelocidade do ar. Uma sonda de ângulo de ataque (AOA) medeo ângulo em que a aeronave está se movendo em relação àcorrente de ar. Um estilo de sonda de ângulo de ataque,mostrado na FIG. 3, emprega uma aleta ou lâmina de rotaçãoque se alinha com a corrente de ar e extrai um sinalproporcional ao ângulo de rotação. Uma sonda de ângulo deretrocesso é similar à sonda de ângulo de ataque, mas aaleta ou lâmina é montada apontando para cima ou parabaixo, ao invés de para a direita ou a esquerda.

Sondas de função dupla, tal como a sonda de Pitot, aqual mede pressão estática e total, são conhecidas natécnica. Veja, por exemplo, a Patente U.S. N0 6.002.972, aqual mostra uma asa de aeroplano adaptada com orifícios demodo a se tomarem medições de pressão em duas localizaçõesao longo da superfície da asa. Veja, também, as PatentesU.S. N0 5.731.507 e 5.628.565 que mostram sensores defunção dupla que tomam medições de pressão e detemperatura.

Contudo, antes da presente invenção, nenhum era capazde integrar sondas e transdutores de pressão, temperatura eângulo de ataque em um conjunto único, compacto e robusto.Assim sendo, a maioria das aplicações do estado da técnicarequer o uso de múltiplos sensores analógicos. Não apenastodos estes sensores devem ser integrados na instrumentaçãode aeronave, desse modo se aumentando custos de produção,empregar múltiplos sensores também impõem projeçõesadicionais na fuselagem da aeronave, aumentando a força dearrasto total na aeronave e reduzindo seu alcance de vôoefetivo.

Assim, há uma necessidade de um sensor de dados de arde multifuncional melhorada, no qual todas as sondas e ostransdutores são integrados em um conjunto robusto,compacto único que se comunica com o computador de sistemade dados de ar digitalmente ou substitui o computador desistema de dados de ar inteiramente, desse modo sereduzindo o peso e o custo de uma instrumentação deaeroplano.

Uma ou mais das modalidades da presente invençãoprovêem um sensor de dados de ar que mede a pressão de arestática (SAP), a pressão de ar total (TAP), a temperaturade ar total (TAT) e o ângulo de ataque (AOA) da aeronave. Apartir destas medições, parâmetros adicionais, tais comonúmero de Mach, velocidade do ar e altitude de pressãopodem ser determinados. Não há partes móveis, já que osensor utiliza uma variação na pressão ao longo dasuperfície de sonda para o cálculo do AOA. SAP e TAP sãodeterminadas pela comparação de pressões medidas comvalores esperados, dado o formato da sonda. O conjunto desensor de dados de ar ainda inclui os transdutores e meiospara o processamento de uma saída de processador analógico.

A FIG. 1 ilustra uma sonda de pitot do estado datécnica;

a FIG. 2 ilustra uma sonda com janela do estado datécnica;

a FIG. 3 ilustra uma sonda de ângulo de ataque do estado da técnica;

a FIG. 4 é uma vista em perspectiva de uma sonda dedados de acordo com uma modalidade da presente invenção;

a FIG. 4a é uma vista em seção transversallongitudinal de uma porção de ponta arredondada da sonda de

dados, de acordo com a modalidade da FIG. 4;

a FIG. 4b é uma vista em seção transversal da sonda dedados ao longo do eixo geométrico D-D da FIG. 4a;

a FIG. 4c é uma vista em seção transversal da sonda dedados ao longo do eixo geométrico E-E da FIG. 4a;

a FIG. 4d é uma vista em seção transversal ao longo doeixo geométrico longitudinal da sonda de dados da FIG. 4;

a FIG. 5 é um diagrama de blocos da eletrônica deacordo com uma modalidade da invenção; e

a FIG. 6 é um diagrama de blocos do software de acordocom uma modalidade da invenção.

A FIG. 7 é uma curva de distribuição de pressão paraas seções transversais circulares da sonda de ar dapresente invenção.

A FIG. 8 é um gráfico do coeficiente de arrasto de

pressão ver sus o ângulo de ataque para a sonda de ar dapresente invenção.

A FIG. 9 é um gráfico de coeficiente de arrasto depressão versus o ângulo de ataque usando três transdutoresde pressão.

A FIG. 10 é um fluxograma que mostra o algoritmo que osoftware da presente invenção aplica para a computação doângulo de ataque de um corpo, da pressão de ar estática, dapressão de ar total, do número de Mach, da temperatura dear estática e da velocidade de ar verdadeira.

Embora esta invenção seja suscetível a modalidades demuitas formas diferentes, é mostrada nos desenhos e serádescrita aqui em detalhes uma modalidade preferida dainvenção com o entendimento que a presente exposição é paraser considerada como uma exemplificação dos princípios dainvenção e não é pretendida para limitação dos aspectosamplos da invenção à modalidade ilustrada.

A FIG. 4 ilustra um sensor de dados de multifuncional400 de acordo com uma modalidade da presente invenção. Osensor de dados 400 inclui uma sonda 401 que se projetapara o fluxo de ar para a coleta de dados, uma placa debase 405 para afixação da sonda, por exemplo, à fuselagemde um avião e um alojamento de eletrônica 407 que incluiuma eletrônica (não mostrada) para a interpretação dosdados coletados a partir da sonda 401.

A sonda 401 será descrita em detalhes com referênciaàs FIG. 4, 4a, 4b, 4c e 4d. A sonda 401 inclui uma porçãolonga 402 e uma ponta 403. A porção longa 402 pode sercilíndrica e a ponta 403 pode ser arredondada, emboramúltiplos formatos diferentes para a porção longa e aponta, incluindo, mas não limitando, retangular, quadrado,pentagonal, hexagonal, etc. possam ser empregados. Contudo,uma porção longa cilíndrica 402 e uma ponta arredondada 403são vantajosas na coleta de dados, porque expõem a mesmaseção transversal plana ao fluxo de ar, independentementede um ângulo de ataque de avião, desse modo se eliminandodesvios na pressão devido a uma força de arrasto que variacom a mesma.

São dispostas na porção longa 4 02 várias passagens,especificamente uma primeira passagem de pressão desuperfície 410, uma segunda passagem de pressão desuperfície 420, uma terceira passagem de pressão 430 e umapassagem de temperatura 450. Uma passagem de pressão desuperfície de ponta 44 0 é disposta na ponta arredondada403, preferencialmente em um ângulo de 45 graus a partir doeixo geométrico longo da porção longa 402.

Adicionalmente, um detector 4 80 que mede atemperatura, por exemplo, um detector de temperatura deresistência (RTD) é disposto dentro da passagem detemperatura 450 na porção longa 4 02. Em operação, o arentra pela passagem de temperatura 450 e impinge sobre odetector 480, o qual por sua vez é conectado a eletrônicanas placas 487 dentro do alojamento 407. As saídas 458 e459 exaurem ar após impingir sobre o detector detemperatura de resistência 480. E, um ângulo reto napassagem 450 dirige apenas ar ao detector de temperatura deresistência 480, enquanto as saídas 456 e 457 permitem quea maioria do ar e particulados passem através dali, sembater ou danificar o detector de temperatura de resistência480. Uma passagem adicional é provida normal à seçãotransversal mostrada na FIG. 4a na localização 452 / 453 /454 para melhoria da capacidade do ar de fazer a curva eminimizar uma mistura turbulenta. Isto é, esta passagemreduz a espessura de camada limite da corrente de ar eresulta em erros de aquecimento mais baixos.

O alojamento 407 será descrito, agora, em detalhes,com referência à figura 4d. O alojamento 4 07 inclui umsensor de pressão diferencial 472, e uma eletrônica (nãomostrada) localizada nas placas 487. As passagens depressão 410 e 420 são conectadas de forma pneumática a umprimeiro transdutor de pressão absoluta 4 71 e uma passagemde pressão 44 0 é conectada de forma pneumática a um segundotransdutor de pressão absoluta 472. Cada um dentre o sensorde pressão diferencial 4 73, um primeiro transdutor depressão absoluta 471, um segundo transdutor de pressãoabsoluta 472 e o detector de temperatura 480 é acoplado àeletrônica (não mostrada) localizada nas placas 487.

A eletrônica 500 será descrita, agora, em maioresdetalhes, com referência âs FIG. 4d e 5. A eletrônica 500inclui duas placas de circuito impresso 487 especificamenteuma placa de potência 512 e uma placa de processador 514.Contudo, também é possível localizar transdutores depressão, processador e eletrônica de potência em uma placade circuito única ou duas ou mais placas, dependendo daaplicação.

A placa de potência 512 usa uma voltagem gerada emaeronave, por exemplo, 28 V DC, e provê saídas DC reguladaspara a eletrônica de sensor de dados de ar, incluindosensores de pressão de bordo. Além da geração de saídas devoltagem para a eletrônica, a placa de potência de modoideal incorpora recursos de proteção, tais como umaproteção de voltagem reversa, proteção de sobrevoltagem,proteção de voltagem de surto e travamento de voltageminsuficiente, para proteção da eletrônica de sensor dedados de ar a jusante do dano. A placa de potência tambémprovê, de modo ideal, uma capacidade de manutenção de até50 ms, para se evitar que o sensor pare duranteinterrupções de potência de duração mais curta do que 50ms. Contudo, um ou mais destes recursos de proteçãopoderiam ser eliminados sem se desviar do espírito e doescopo da invenção.

A placa de processador 514 incorpora um multiplexadoranalógico 502, um microprocessador 504, um transceptor 506(por exemplo, um transceptor de ARINC 429) , uma memória nãovolátil (por exemplo, uma EEPROM) e um driver de linha (porexemplo, um driver de linha de RS 232).

O microprocessador 504 é, por exemplo, um processadorbaseado em 8051 de 8 bits com uma memória flash de 32 kBembutida. A flash embutida é capaz de ser dividida emmemória de usuário e de programa. Este microprocessador deexemplo é capaz de endereçar 64 KB de RAM externa, com umconversor de analógico para digital de 24 bits on-boardsigma delta (ADC), uma saída de largura de pulso modulada(PWM), uma interface periférica serial (SPI) e receptor /transmissor assíncrono universal duplo (UART). Além disso,este microprocessador de exemplo é capaz de realizaroperações de ponto flutuante da ordem de microssegundos.Embora todos os recursos acima estejam preferencialmente nomicroprocessador 504, outros processadores poderiam sersubstituídos com ou sem alguns destes recursos.

A operação do sensor de dados de ar será descrita emdetalhes com referência às FIG. 4d, 5 e 6. Em operação, oar viajando para a primeira passagem de pressão desuperfície 410 e o ar viajando para a segunda passagem depressão de superfície 420 fluem para o sensor de pressãodiferencial 473, onde a diferença de pressão entre asprimeira e segunda passagens de pressão de superfície éconvertida em um sinal elétrico e extraída para aeletrônica 500 como PI. De modo similar, o ar entra naterceira passagem de pressão de superfície 430 e flui parao transdutor de pressão absoluta de superfície 4 71, onde apressão absoluta nesta passagem é medida, convertida em umsinal elétrico e extraída para a eletrônica 500 como P2. Eo ar entrando pela passagem de pressão de superfície deponta 44 0 flui para o transdutor de pressão absoluta desuperfície 472, onde a pressão absoluta nesta passagem émedida, convertida em um sinal elétrico e extraída para aeletrônica 500 como a P3.

PI, P2 e P3 são introduzidas através de um comutadoranalógico, onde os dados a partir dos sensores de pressãosão convertidos em um sinal de dados digital de RS232. Omicroprocessador 504 converte os dados digitais recebidosem uma notação de ponto flutuante para processamento dedados. O ADC on-board do microprocessador 504 também recebea saída a partir do detector de temperatura 480. Omicroprocessador 504 processa todos estes dados de acordocom um software armazenado na memória de processador, oreferido software sendo discutido em maiores detalhesabaixo. 0 microprocessador 504 então extrai dados atravésdo transceptor de ARINC 42 9 5 06 para se adequar àsexigências de protocolo ARINC 429.

A EEPROM serial 516 é conectada ao microprocessador504, e permite que constantes armazenadas no software nomicroprocessador 504 sejam modificadas para se levarem emconsideração variáveis, tais como modelo de aeronave, etc.O transceptor de RS 232 é conectado de modo similar aomicroprocessador 504 e é usado para a consulta de dados emvárias localizações de memória.

O software armazenado no microprocessador 504 agoraserá discutido em maiores detalhes com referência à FIG. 6.

Em geral, PI, P2, P3 e os dados de temperatura sãoprocessados pelo software armazenado no microprocessador504 para a extração do ângulo de ataque, da pressão de arestática, da pressão de ar total, da temperatura de artotal e do número de Mach. 0 subseqüente assim sendo:excita o detector de temperatura 480, adquire dadosanalógicos correspondentes à temperatura através dodetector de temperatura 480, calcula a temperatura de artotal em graus C usando os dados de temperatura digitais,obtém leituras de pressão usando uma comunicação digitalatravés da porta UART de microprocessador 504 com ossensores de pressão on-board, converte as leituras depressão não corrigidas para uma notação de ponto flutuantede IEEE 754, calcula o ângulo de ataque usando o AOAcalculado provendo leituras de pressão corrigidas emmilibar (1 mbar = 0,1 kPa) , calcula a velocidade de MACHusando a pressão estática calculada e leituras de pressãototal, extrai sinais no formato apropriado, por exemplo,ARINC 42 9, correspondendo ao ângulo de ataque, àtemperatura de ar total, à pressão de ar estática e àpressão de ar total, provê a capacidade de anular a posiçãozero de ângulo de ataque para cada aeronave, realiza umdiagnóstico de Teste Embutido (BIT), provê duas interfacesde entrada de discreta (discretas de configuração deaeronave), desse modo permitindo uma instalação de ar delado esquerdo / direito, provê uma interface de entrada dediscreta para a determinação de mod de sensor (estadiscreta é usada em conjunto com as discretas deconfiguração de aeronave) e faz uso de uma EEPROM para oarmazenamento de constantes modificáveis necessárias para arealização de cálculos em parâmetros medidos.

O software armazenado no microprocessador 504 tem doismodos de operação; o "modo normal" e o "modo de EEPROM". Adiferença primária é que durante um modo normal, o sensorfunciona conforme esperado na aeronave. A finalidade domodo de EEPROM é prover uma forma segura de modificação dasconstantes usadas para a realização de cálculos. Algumasdestas constantes podem depender da aeronave em particular,e, assim sendo, precisam ser modificáveis. 0microprocessador incorpora um sinal discreto de hardwaredenominado "changemode". Dependendo do estado deste sinalna partida, o processador separará no modo normal ou nomodo de EEPROM. Quando operando no modo de EEPROM, oprocessador permite que o usuário modifique os conteúdos deEEPROM.

Há quatro módulos de software que realizam as funçõesacima: o módulo principal 7 01, o módulo de rotina deInterrupção de serviço 703, o módulo de modo de rodar boot7 05, e o módulo de modo normal 707.

O módulo principal 701 checa a configuração daaeronave, isto é, esquerda / direita, e inicializa osistema, especificamente os registradores de função única,a máquina de estado de ADC, a máquina de estado detransdutor de pressão e a máquina de estado de SCP. Omódulo principal 7 01 é conectado ao módulo de rodada normal707 e ao módulo de modo de rodar boot 705. O módulo derodada normal 7 07 recebe uma informação a partir dossensores de pressão e do detector de temperatura e calculaa SAP, a TAP, o AOA e a TAT e extrai dados para ocontrolador 510. 0 módulo de modo de rodar boot 705 permiteapenas que um usuário modifique o conteúdo da EEPROM. 0microprocessador 504 não realiza nenhuma outra função. Asconstantes de dados são lidas na memória na partida apartir da EEPROM. 0 módulo de interrupção de serviço 703 éconectado ao módulo de rodada normal 7 07 e ao módulo de modo de rodar boot 705. 0 módulo de interrupção de serviçoroda a cada 200 ps. A cada 200 ps de intervalo, a rotina deinterrupção de serviço checa as portas UART quanto aquaisquer dados a serem transmitidos ou recebidos.

O método que o módulo de rodada normal 707 empregapara o cálculo de SAP, TAP, AOA e TAT será discutido,agora.

0 primeiro parâmetro calculado pelo módulo 707 é oângulo de ataque. 0 ângulo de ataque AOA ê virtualmenteproporcional linearmente a uma relação entre diferenciaisde pressão, de modo que:

<formula>formula see original document page 13</formula>

Em seguida, a pressão de ar estática (SAP) e a pressãode ar total (TAP) são calculadas a partir das medições depressão sabendo-se que a relação geométrica entre as portasnão é mudada conforme o ângulo de ataque variar. Isto podeser análogo a uma "triangulação" da posição de alguématravés de três sinais de orientação sabendo-se alocalização relativa dos três sinais de orientação.

Matematicamente, as pressões estática e total sãocalculadas conforme se segue. O coeficiente de pressão, bemconhecido por aqueles versados na técnica, é um númeroadimensional que representa a pressão em um ponto em umasuperfície em relação a uma pressão dinâmica. Para umapressão ρ, o coeficiente cp é definido como:

<formula>formula see original document page 14</formula>

Esta expressão adimensional é útil porque a pressão em umponto em uma superfície de um objeto, cp/ é em uma formaque é independente do peso específico do ar e davelocidade.

Os losangos cinzas não conectados na FIG. 7 mostram oscoeficientes de pressão para um cilindro não rotativo e umaesfera da modalidade de exemplo da presente invenção. Noteque no ponto dianteiro do cilindro, em que θ = 0o, ocoeficiente de pressão é igual à unidade e a pressão ρeqüivale à pressão de ar total. 0 gráfico dos resultados dodito acima para uma esfera é mostrado por 8 08 e para umcilindro como 809. Conforme pode ser visto, a variação depressão na extremidade de um cilindro longo com uma pontaesférica tem uma distribuição muito como de uma esfera, aoinvés de como um cilindro.

A partir da porção frontal de uma esfera e umcilindro, o coeficiente de pressão como uma função delocalização angular ê aproximado de perto pelas soluçõesnão viscosas (sem atrito):

<formula>formula see original document page 14</formula>O coeficiente de pressão na porção dianteira de umaesfera pode ser generalizado adicionalmente em uma formamais conveniente, de modo que seja expresso em termos dedois ângulos, arfagem e guinada:

Esfera: <formula>formula see original document page 15</formula>

onde α = ângulo de arfagemφ = ângulo de guinada

Esta relação é plotada na FIG. 8. Note que quando φ =

0°, o coeficiente de pressão se reduz para a forma maissimples, conforme mostrado pela curva 901. Quando α = 90°,o coeficiente de pressão é constante, porque o ponto emquestão está no eixo de arfagem, conforme mostrado pelacurva 902.

Experimentos confirmam que para um cilindro com umaponta esférica, a pressão medida na ponta esférica em umajanela localizada no ponto 44 0 está de acordo com a equaçãoprecedente, especificamente:

<formula>formula see original document page 15</formula>

A pressão medida na porção cilíndrica próxima da pontaesférica, por exemplo, no ponto 430, segue a relação:

<formula>formula see original document page 15</formula>

Experimentos mostram que a constante k éaproximadamente igual a 1,8, quando α for o ângulo deataque, conforme medido pelo sensor. Esta constantedeterminada empiricamente corrobora a predicação que umcilindro longo com uma ponta esférica tem uma variação depressão que é mais como uma esfera (k = 2,25) do que comoum cilindro (k = 4).

Mas, nós também sabemos a partir da definição decoeficiente de pressão que:

<formula>formula see original document page 16</formula>

Resolvendo para SAP e TAP em termos da pressão medidanas janelas 430 e 440, tem-se:

<formula>formula see original document page 16</formula>

Em sistemas de dados de ar convencionais, a pressãoestática e a pressão total são canalizadas para umcomputador de dados de ar, o qual calcula parâmetrosadicionais. Na modalidade descrita aqui, estes parâmetrosadicionais podem ser calculados localmente, desse modo seeliminando o computador de dados de ar. Uma vez que apressão de ar estática e a pressão de ar local sãoconhecidas, o número de Mach (a velocidade em relação àvelocidade do som) pode ser determinado usando-se aequação:

<formula>formula see original document page 16</formula>

onde γ = 1,4 para o ar.A altitude de pressão é determinada a partir dapressão estática no método convencional, especificamentecomo uma função exponencial.

A velocidade de som e a velocidade de ar dependem datemperatura do fluido. Usando a temperatura de ar totalmedida pelo detector de temperatura de resistência 480, atemperatura de ar estática, a velocidade do som e avelocidade do ar podem ser calculadas.

Deve ser notado que não é necessário localizar apassagem de pressão de superfície 44 0, de modo que amedição P440 equivalha à pressão de ar estática (SAP) decorrente livre em um ângulo de ataque nulo. O sensor usa oângulo de ataque e o coeficiente de pressão para o cálculoda pressão de ar estática apropriada, independentemente daposição inicial da janela. Contudo, há uma vantagem nalocalização desta porta 44 0 em um ângulo de φ = 41,4°,porque o erro associado ao cálculo é mínimo. Isto é, se apassagem de pressão de superfície de ponta arredondada 44 0estiver localizada aonde o coeficiente de arrasto depressão é zero, então, a pressão de ar estática éconhecida, sem compensação de posição. Ainda, pelalocalização da janela de pressão 44 0 neste ânguloespecífico, a medição de P440 não é afetada pelo aumento davelocidade da aeronave. Devido a isto, erros de cálculopodem ser minimizados.

Em uma modalidade alternativa, as duas janelas 410 e420 conectadas de forma pneumática ao transdutor de pressãodiferencial 473 são modificadas pela eliminação da janela410 e pela conexão de forma pneumática da janela 420 a umtransdutor de pressão absoluta. A vantagem desta modalidadeé que ela elimina uma sensibilidade potencial a uma umidadeinerente no transdutor de pressão diferencial e melhora adrenagem de água a partir das janelas. O ângulo de ataqueainda é calculado usando-se três transdutores de pressãoindependentes, mas apenas três janelas de pressão, de modoque:

<formula>formula see original document page 18</formula>

Embora nesta modalidade alternativa uma janela de pressão amenos seja usada, esta abordagem também requer acaracterização da relação não linear entre o ângulo deataque e a relação de pressão. Usando as equações acima,esta relação não linear é mostrada na FIG. 9.

Em outras modalidades, o RTD 480 é substituído por umoutro dispositivo comumente disponível adaptado para amedição da temperatura de um fluido, ou a geometria dasonda é alterada para redução do arrasto, sem mudar como osparâmetros de ar são calculados. A curvatura da pontaarredondada também poderia ser variada e uma novalocalização escolhida para a passagem de pressão de ponta440, de modo que a medição P440 ainda equivalha à pressão dear estática (SAP) em um ângulo de ataque nulo e ocoeficiente de arrasto de pressão ainda seja zero napassagem de pressão de superfície de ponta arredondada 440.Também, configurações diferentes de transdutores de pressãopoderiam ser usadas, dependendo do conjunto requerido demedições. A sonda de dados é instalada em um dos lados dafuselagem de uma aeronave em uma configuração redundante ese projeta horizontalmente para o fluxo de ar. Se a sondafor montada na orientação vertical, o ângulo de glissadlateral (AOS) é medido, ao invés do ângulo de ataque (AOA).

Ainda em outras modalidades, a sonda de dados poderiaser usada para a medição das quantidades previamentedescritas de outros fluidos além de ar. A sonda de dadospoderia ser montada em qualquer objeto se movendo atravésde um fluido em particular. Em certas modalidades, a sondapoderia ser montada em um outro veículo além de em umaaeronave, tal como um automóvel ou uma embarcação marítima.Em uma modalidade, a sonda de dados poderia ser montada emqualquer objeto pelo qual um fluido flua. Em umamodalidade, a sonda de dados poderia ser usada em umambiente de laboratório para a medição de um fluxo defluido gerado.

Os vários furos na sonda podem ser perfurados oufundidos, e as passagens podem ser rígidas ou flexíveis. Osmateriais não são críticos para a funcionalidade do sensor,embora aço ou alumínio sejam preferidos por resistência,proteção contra raios e aterramento elétrico.

Em uma outra modalidade, um aquecedor é incluído nasonda 401 para fins de descongelamento e antiformação degelo. 0 erro induzido pelo aquecedor, que é uma funçãoplenamente caracterizada de vazão e potência de aquecedor,ambas sendo conhecidas, é compensado pelo sensor, de modoque a temperatura apropriada seja extraídaindependentemente de o aquecedor ser energizado. Acompensação de erro de aquecedor localmente no sensor éúnica e simplifica grandemente os esforços relacionados àintegração de sensores em aeronaves. Quando o sensordetecta que a aeronave está em condições de formação degelo, especificamente a uma temperatura abaixo docongelamento e a uma altitude abaixo de 30.000 pés (9144metros), os aquecedores automaticamente se energizarão.Diferentemente de sensores de dados de ar típicos, oaquecedor é regulado e automaticamente desabilitado quandoa temperatura ou a altitude estiver acima de um limiteseguro. Esta regulagem de potência de aquecedor estendegrandemente o tempo de vida e a confiabilidade do sensor,já que limita a temperatura de sonda a valoresrelativamente baixos. A eletrônica requerida para regulagemda potência de aquecedor e subtração do erro de aquecedordo sinal de temperatura medido pelo detector de temperaturade resistência 480 está envolvida no mesmo alojamento 479que a placa de processador 514 e as placas de circuito depotência 512.

O sensor de dados de ar novo multifuncional dapresente invenção tem várias vantagens em relação às sondasdo estado da técnica. 0 formato de sonda único e oposicionamento de janelas de medição na sonda de dados 4 00provêem uma facilidade de fabricação e a conversãoeficiente das medições em saídas, usando-se apenas trêstransdutores de pressão. Especificamente, o arranjo dejanelas para a leitura do ângulo de ataque é de vantagemsignificativa em relação às sondas de dados do estado datécnica. Com a adição da sonda de temperatura, pelo menosquatro funções de medição são incluídas em uma sonda. Comoresultado, o conjunto de medições é realizado com menorpeso, menos custo e menos projeções a partir da fuselagemdo que os dispositivos de medição do estado da técnica.Ainda, a inclusão de sensores permite que a sonda exportedados digitais (em uma modalidade, uma comunicação serialde ARINC 429), ao invés de múltiplos sinais analógicosintegrados em uma instrumentação de aeronave.

Claims

1. Sensor de dados de ar, caracterizado por determinaro ângulo de ataque de um corpo, a pressão de ar estática, apressão de ar total, o número de Mach, a temperatura de arestática e a velocidade de ar verdadeira em um dispositivoque usa leituras de pressão e de temperatura.

2. Sensor de dados de ar, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato da leitura depressão ser realizada usando-se quatro passagens de arconectadas a três transdutores de pressão, ou trêspassagens de ar conectadas a três transdutores de pressão.

3. Sensor de dados de ar, de acordo com areivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato da leitura detemperatura ser realizada usando-se uma sonda detemperatura localizada dentro de uma passagem detemperatura.

4. Sensor de dados de ar, de acordo com areivindicação 4, caracterizado por um ou mais dos recursosa seguir: (a) a passagem de temperatura incluindo váriasventilações de ar;(b) a passagem de temperatura incluindo váriasventilações de ar nas quais pelo menos algumas dasreferidas ventilações de ar reduzem uma camada de barreirana referida passagem de temperatura; e(c) a referida sonda de temperatura sendo umdispositivo de temperatura de resistência.

5. Sensor de dados de ar, caracterizado porcompreender: uma sonda que se projeta para um fluxo de ar para acoleta de dados,uma placa de base para afixação da sonda a um corpo, eum alojamento de eletrônica incluindo uma eletrônicapara a interpretação dos dados coletados a partir da sonda;onde o sensor de dados de ar detecta pelo menostemperatura, pressão e um ângulo de ataque para o corpo.

6. Sensor de dados de ar, de acordo com areivindicação 5, caracterizado pelo fato do sensor de dadosde ar detectar pressão usando quatro passagens de arconectadas a três transdutores de pressão, ou trêspassagens de ar conectadas a três transdutores de pressão.

7. Sensor de dados de ar, de acordo com areivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato do sensor dedados de ar detectar temperatura usando uma sonda detemperatura localizada dentro de uma passagem detemperatura.

8. Sensor de dados de ar, de acordo com areivindicação 7, caracterizado por um ou mais dos recursosa seguir:(a) a passagem de temperatura incluindo váriasventilações de ar;(b) a passagem de temperatura incluindo váriasventilações de ar, onde pelo menos algumas das referidasventilações de ar reduzem uma camada de barreira nareferida passagem de temperatura; e(c) a referida sonda de temperatura sendo umdispositivo de temperatura de resistência.

9. Método de determinação do ângulo de ataque de umcorpo, da pressão de ar estática, pressão de ar total,número de Mach, temperatura de ar estática e velocidade dear verdadeira em um dispositivo, caracterizado pelas etapasde:tomada de pelo menos três leituras de pressãopneumática;tomada de uma leitura de temperatura;computação a partir da referidas leituras de pressãode um ângulo de ataque para um corpo, a partir da referidapressão de ar estática de ângulo de ataque e pressão de artotal, a partir da referida pressão de ar estática e dapressão de ar total um número de Mach e a partir doreferido número de Mach e da referida leitura detemperatura a temperatura de ar total e a velocidade de arverdadeira.