DE60027552T2

DE60027552T2 - Verfahren zum Messen der hohen Anstellwinkel und Mach-Zahl eines Messfühlers

Info

Publication number: DE60027552T2
Application number: DE60027552T
Authority: DE
Inventors: D. Roger Burnsville FOSTER
Original assignee: Rosemount Aerospace Inc
Current assignee: Rosemount Aerospace Inc
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: AU3703700A; EP1637891A1; EP1155329A1; DE60027552D1; US6305218B1; WO2000049419A1; EP1155329B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung von Messdrücken von Druck-Messöffnungen auf einem Luftfahrzeug, um präzise Angaben des statischen Drucks, des Pitotdrucks und des Anstellwinkels bei sehr hohen Anstellwinkeln, auf die man bei Hochleistungs-Luftfahrzeugen trifft, zu erhalten.
In der Vergangenheit wurden die Probleme beim Erhalt präziser Messungen durch Luftdaten-Sensoren oder -Messfühlern während großer Anstellwinkel erkannt, und es wurden verschiedene Vorgehensweisen oder Ansätze zum Erhalt von Korrekturfaktoren eingesetzt. Beispielsweise stellt das U.S. Patent Nr. 5,205,169 eine Inversion des Quotienten von Druckdifferenzen an Messöffnungen bei hohen Anstellwinkeln, im Allgemeinen über 45°, bereit. Im Patent Nr. 5,205,169 wird der normale Anstellwinkel-Quotient (P₁ – P₂)/q_cm invertiert, damit er q_cm/(P₁– P₂) beträgt, wenn sich der Nenner q_cm null annähert.
Es wurden andere Verfahren verwendet, wie beispielsweise eine iterative Berechnung von Messdrücken, bei welcher eine erhebliche Computerkapazität zur Ausführung einer akkuraten Analyse der Messdrücke erforderlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt beruht die vorliegende Erfindung auf einem Verfahren zur Verwendung von einem Luftdaten-Sensor gemessenen Drucksignalen, um präzise berichtigte Druckparameter gemäß Anspruch 1 bereitzustellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt beruht die Erfindung auf einer Vorrichtung zur Bestimmung des Anstellwinkel gemäß Anspruch 5.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren oder Berichtigen von Messdrücken bei großen Anstellwinkeln, indem die Mach-Zahl unter Verwendung eines alternierenden Drucksignals bestimmt wird und in der Berechnung abgeleitete Korrekturfaktoren aus einer kalibrierten "Nachschlag"-Tabelle in einem Luftdaten-Computer bereitgestellt werden. Die Kalibrierdaten oder -faktoren werden entweder direkt aus Tests im Windtunnel der Sensorfühlerkonfiguration bei Verwendung im tatsächlichen Betrieb, oder durch Computersimulationen derartiger Sensoren bei verschiedenen Mach-Zahlen und Anstellwinkeln erhalten.
Die Kalibrierwerte werden auf herkömmliche Art und Weise zur Bestimmung eines präzisen Anstellwinkels, des statischen Drucks sowie des Pitotdrucks aus den Messdrücken verwendet. Die Drücke, die an den Öffnungen gemessen werden, sind bis zu Anstellwinkeln im Bereich von 65° korrigierbar.
Das alternierende Drucksignal wird von einer Messöffnung für den Anstellwinkel erhalten, welche auf dem Messfühler an einer Position angeordnet ist, an welcher der Druck mit Vergrößerung des Anstellwinkels ansteigt, und der gemessene alternierende wird verwendet, wenn der Druck von einer Winkelmessöffnung eines Sensors zur Messung des Anstellwinkels größer als der gemessene Pitotdruck ist. Der herkömmliche Ansatz zur lokalen Strömungskalibrierung wird verwendet, wenn der Druck der Winkel-Messöffnungen kleiner als der gemessene Pitotdruck ist.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist bei Anstellwinkeln zwischen ungefähr 30° und 65° anwendbar. Unterschiedliche Formgebung des Sensors könnte die Verwendung der vorliegenden Erfindung auf Winkel bis zu 90° ausdehnen.
Die Kalibrierwerte werden für Messdrücke bereitgestellt, welche Mach-Zahlen bei Anstellwinkeln über in etwa 35° anzeigen. Die Kalibrierwerte können leicht im Speicher eines Bordcomputers aufgenommen werden, um präzise Ablesungen des Anstellwinkels, des statischen Drucks sowie des Pitotdrucks aus den Messdrücken abzuleiten.
Das Verfahren wird im Allgemeinen bei einem zylinderförmigen Messfühler angewandt, welcher Winkelmessöffnungen auf der Ober- und Unterseite des Messfühlers aufweist, wobei das Verfahren aber auch für bündig befestigte Messfühler nützlich ist, welche Anstellwinkel-Messöffnungen, die empfindlich gegenüber einer Veränderung des Anstellwinkels sind, zusammen mit einer nach vorne gerichteten (Pitot)-Druckmessöffnung aufweist.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines typischen Sensors in Form eines auf einem Luftfahrzeug verwendeten Messfühlers, welcher Messöffnungen und Instrumente aufweist, welche mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
2 ein bruckstückartige vergrößerte Ansicht im Längsschnitt eines vorderen Endes des Messfühlers von 1;
3 eine graphische Darstellung von in einer Nachschlagtabelle gespeicherten Informationen aus tatsächlichen Tests, welche den Faktor P₁/P_m für unterschiedliche Mach-Zahlen einschließen, welche als Druckmenge im Verhältnis zu Anstellwinkel des Sensors über 30° aufgezeichnet oder graphisch ausgewertet sind, wobei P₁ der höhere Druck an den Winkelmessöffnungen ist (diese Kalibrierwerte werden zur Bestimmung des Anstellwinkels verwendet);
4 ein Schaubild korrigierter oder berichtigter Kurvenauftragungen einer Druckmenge P_l/P_m im Verhältnis zum Anstellwinkel eines Sensors, wobei die Werte in einer Nachschlagtabelle gespeichert werden (diese Kalibrierwerte werden zur Bestimmung des statischen Drucks verwendet); und
5 ein Schaubild korrigierter oder berichtigter Kurvenauftragungen einer Druckmenge P_t,l/P₁ zur Verwendung beim Erhalt eines Pitotdrucks, welcher im Verhältnis zu einem in einer Nachschlagtabelle gespeicherten Anstellwinkel graphisch dargestellt ist (diese Kalibrierwerte werden zur Bestimmung des Gesamtdrucks verwendet).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein an einer Strebe befestigter Luftdaten-Messfühler, welcher im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, wird zum Erhalt von Druckmessungen zur Bestimmung des Anstellwinkel-Pitotdrucks und des Messdrucks verwendet. Eine Stützstrebe 11 ist an einem Befestigungssockel 12, welcher im Allgemeinen auf dem Rumpf 13 eines Flugzeugs oder Luftfahrzeugs angebracht ist, befestigt. Der Messfühler 10 weist einen Messfühlerzylinder 14 mit einer Längsachse 16 auf, die in einer ausgewählten Beziehung hinsichtlich einer Bezugsachse des Rumpfes 13 des Flugzeugs ausgerichtet ist. Ein sich vorne verjüngendes Ende 15 weist Anstellwinkel-Drucköffnungen am oberen und unteren Ende auf, welche bei 18 und 20 gezeigt sind, sowie eine Pitotöffnung 22, die am vorderen Ende des Messfühlerzylinders dargestellt ist und eine Mittelachse aufweist, die mit der Zylinderachse 16 zusammenfällt. Bei der Zylinderachse handelt es sich um eine Mittellinie zwischen den Öffnungen 18 und 20.
Die Drucköffnungen 18 und 20 werden zur Bestimmung des Anstellwinkels oder des Winkels einer lokalen Strömung relativ zu der Bezugslinie, welche mit der Achse 16 zusammenfällt verwendet, wobei die Achse 16 eine Bezugsachse oder Bezugslinie des Luftfahrzeugs oder Flugzeugs ist. Wenn die Strömungsrichtung bei Linie 24 dargestellt ist, so wird der Anstellwinkel gemäß den 1 und 2 mit α angezeigt.
Bei niedrigen Anstellwinkeln oder bei niedrigen Winkeln α funktioniert die Standardgleichung zur Berechnung des Anstellwinkels bestens. Diese Kompensationsverfahren sind beispielsweise in dem US-Patent 4,096,744 sowie in dem US-Patent 5,205,169 offenbart. Bei der Bestimmung der Anstellwinkel für positive Winkel geht man davon aus, dass die untere Drucköffnung 18 einen Druck P₁ aufweist, der entlang einer druckführenden Leitung 23 bereitgestellt wird, und es wird davon ausgegangen, dass die obere oder oberste Drucköffnung 20, die empfindlich gegenüber dem Anstellwinkel ist, einen Druck P₂ aufweist, der entlang einer druckführenden Leitung 28 bereitgestellt wird.
Der Pitotdruck ist P_t und wird entlang einer druckführenden Leitung 25 bereitgestellt. Zusätzliche Bezeichnungen werden zusammen mit P_t verwendet, um anzuzeigen, ob es sich um den Messdruck (P_t'm) oder um den lokalen Druck (P_t'l) handelt. Die Drücke werden an geeignete Drucksensoren 45, 46 und 47 geliefert, die elektrische Signale an einen Luftdatencomputer 33 liefern. Der Luftdatencomputer liefert dann korrigierte Ausgangssignale entlang der Leitungen 34 an Instrumentenanzeigen und -steuerungen, welche im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 35 dargestellt sind, Messparameter wie z.B. Anstellwinkel, Mach-Zahlen, Höhe und dergleichen anzeigen. Die Computerausgänge können während des Flugs von Leitungssteuerungen des Luftfahrzeugs verwendet werden.
Bei einem oberflächenbündig befestigten Sensor würden die Winkel-Messöffnungen eine Achse in einer Ebene aufweisen, in der ein Anstellwinkel gemessen werden soll. Da sich der Anstellwinkel in der Ebene verändert, würden die Öffnungen zur Bestimmung des Winkel unterschiedliche Drücke messen.
Die Basisgleichung zur Bestimmung des Anstellwinkels lautet (P₁ – P₂)/q_cm. P₁ ist dabei ein Druck, der von der unteren Anstellwinkel-Drucköffnung 18 gemessen wird, und P₂ ist der Druck, der von der oberen Anstellwinkel-Drucköffnung 20 gemessen wird, wenn positive Anstellwinkel gemessen werden. p_cm ist der Staudruck, bei dem es sich um den gemessenen Pitotdruck P_t'm minus dem statischen Druck (P_t'm – P_m) handelt. P_m ergibt sich aus (P₁ + P₂)/2. Die Gleichung (P_m – P_l)/q_cl liefert den lokalen statischen Druck P_l. Das Statikdruckverhältnis für P₁ ist gleich (P₁ – P_l)/q_cl). Schließlich ist das Statikdruckverhältnis für P₂, an der oberen Öffnung, (P₂ – P_l)/q_cl. Bei diesen Verhältnissen oder Quotienten sind die Mengen wie folgt definiert:
wobei: P₁ = Statikdruck, der von der unteren Statikdrucköffnung gemessen wird;
P₂ = Statikdruck, der von der oberen Statikdrucköffnung gemessen wird;
P_t'm = vom Messfühler gemessener Pitotdruck
P_m = von (P₁ – P₂)/2 abgeleiteter gemessener statischer Druck
q_cm = (P_t'm – P_m)
P_l = lokaler statischer Druck
P_t'l = lokaler Pitotdruck
q_cl = (P_t'l – P_l)
M_l = lokale Mach-Zahl
α_Messfühler = Anstellwinkels des Messfühlers oder Sensors
Studien zeigen, dass bei hohen positiven Anstellwinkeln die Verwendung eines gemessenen Pitotdrucks (P_t'm) in der Pitot-Fehlerbeziehung (P_x – P_t'l)/q_cl einen größeren Fehler beim gemessenen Anstellwinkel zum Ergebnis hat, als wenn P₁ als P_x verwendet werden würde.
Im US-Patent 5,205,169, in welchem der Quotient von Druckdifferenzen invertiert wurde, wenn ein Anstellwinkel größer als ungefähr 45° bei einer Art von Messfühler war, wie im Patent 5,205,169 gezeigt ist, war immer noch ein Bedarf an der Bereitstellung einer substantiellen mathematischen Korrektur. Das im Patent 5,205,169 gezeigte System des Standes der Technik setzte den gemessenen Pitotdruck dividiert durch den Durchschnitt der Drücke an den Winkel-Messöffnungen, oder P_t'm/[(P₁ + P₂)/2] für eine gemessene Mach-Zahl ein.
Man fand heraus, dass es durch die Verwendung der Drücke, die von den Öffnungen gemäß Anordnung in der Darstellung von 1 gemessen werden, möglich ist, einen präzisen Anstellwinkel, lokalen statischen Druck und korrigierten lokalen Pitotdruck auf einfache Art und Weise zu erhalten. Die Mathematik, die für die Korrektur erforderlich ist, wird erheblich verringert, und es wird eine hohe Messgenauigkeit durch Ersetzen des erfassten Drucks P₁ an der unteren Öffnung (bei positiven Anstellwinkeln) durch P_t' (dem Pitotdruck) und durch Dividieren von P₁ durch den gemessenen statischen Druck (P_m = (P₁ + P₂)/2 zur Bestimmung der gemessenen Mach-Zahl für Kalibrierinformationen, die in einem Bordcomputer nach einer Messfühlerkalibrierung im Windtunnel gespeichert werden, erzielt.
Nachfolgend wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Korrektur der gemessenen Drücke bei hohen Anstellwinkeln zusammengefasst:
Wenn P₁ < P_t'm ist, wird der Ansatz des Standes der Technik zur Kalibrierung der lokalen Strömung verwendet, wobei der Quotient P_t'm/P₁ zum Erhalt der gemessenen Mach-Zahl verwendet wurde.
Wenn P₁ > P_t'm ist, wird der folgende Kalibrieransatz verwendet:
Definieren Sie α_Messfühler durch: αMessfühler = f(P1/Pm), (P1 – Pt'm)/(P1 – Pm)Definieren Sie P_l durch: (Pl/Pm) = f{αMessfühler, (P1/Pm)}Definieren Sie P_t'l/P_m durch: (Pt'l/P1) = f{αMessfühler, (P1/Pm)}
Das vorliegende Verfahren verwendet Messdrücke zur Bestimmung der Mach-Zahl und zur direkten Umwandlung in einen korrigierten lokalen Pitotdruck, lokalen statischen Druck und dem Anstellwinkel des Messfühlers. Ein Schlüsselmerkmal des Verfahrens ist das Vertauschen von P₁ und P_t'm (dem gemessenen Pitotdruck) bei hohen Anstellwinkeln zur Bestimmung des lokalen Pitotdrucks, P_t'l, und des statischen Drucks. Alle Kalibrierwerte für die vorliegende Erfindung werden unter Verwendung verfügbarer Messfühler-Kalibrierdaten aus Windtunneltests bestimmt, wobei jedoch P_l anstelle von P_t'm für die Mach-Zahl zur Korrelation der Kalibrierdaten verwendet wird. Es kann ein paralleler, dieses Verfahren verwendender Weg entwickelt werden, um spezifische gemessene Messfühlerdrücke in richtige oder wahre Werte von P (statischer Druck) und P_t (Pitotdruck) und des Anstellwinkels des Luftfahrzeugs umzuwandeln. Dieser Fall erfordert die Kenntnis des Strömungsfeldes auf dem Luftfahrzeug an der Messfühler-Befestigungsposition. Eine Ausweitung des Verfahrens zur Klärung der wahren Voraussetzungen ist unkompliziert.

Kalibrierdaten für die vorliegende Erfindung sind:

Figur 3 (Anstellwinkel-Signal)	(P₁– P_t'm)/(P₁– P_m) für Linien mit einem konstanten Quotienten (P₁/P_m) als Funktion des Anstellwinkel-Sensors.
Figur 4 (Kalibrierung des statischen Drucks)	(P_l/P_m) für Linien eines konstanten Sensor-Anstellwinkels als Funktion von (P₁/P_m).
Figur 5 (Kalibrierung des Pitotdrucks)	(P_t,_l/P₁) für Linien eines konstanten Sensor-Anstellwinkels) als Funktion von (P₁/P_m).

Beispiels-Kalibrierwerte zum Erhalt des Anstellwinkels, wenn das Druckverhältnis auf der vertikalen Skala gemessen und aus den gemessenen Drücken berechnet wird, sind in 3 gezeigt. Das Signal zeigt gleichmäßige Abweichungen bei zunehmenden Messfühler-Anstellwinkeln von bis zu 70° bei niedrigeren Mach-Zahlen gemäß Bestimmung durch P₁/P_m). Ein Bereich hinauf bis zu einem Messfühler-Anstellwinkel von 64° zeigt die beste Messgenauigkeit bei höheren Mach-Zahlen. Eine reduzierte Empfindlichkeit des Anstellwinkel-Signals tritt bei den höchsten Mach-Zahlen auf. Statikdruck- und Pitotdruck-Kalibrierkurven in den 4 und 5 zeigen weiche, gleichmäßige Veränderungen des Anstellwinkels und von P_l/P_m. Es versteht sich, dass die Verwendung von unterschiedlichen Formen des Messfühlers oder zusätzlichen Mehrfachöffnungen dieses Signal begünstigen könnte.
Wieder ergeben sich die Daten in den 3, 4 und 5 aus Öffnungen auf einem auf einer Strebe befestigten Messfühler, wobei die Öffnungen jedoch auch oberflächenbündige Öffnungen auf dem Vorsprung oder der Seite eines Luftfahrzeugs, einer Rakete oder dergleichen sein können.
In 3 werden die Ergebnisse von Tests im Windtunnel, welche den Messfühler bei unterschiedlichen, messbaren Anstellwinkeln anordnen, und bei unterschiedlichen bekannten Mach-Zahlen für konstante Messwerte von P_l/P_m auf dem Test-Messfühler oder -Sensor graphisch dargestellt. P_l/P_m gemäß Messung und Bestimmung während des Fluges liefert eine gemessene Mach-Zahl. 3 dient für Winkel von 30° bis 90°, welche als hohe Anstellwinkel angesehen werden und welche eher P_l/P_m als Mach-Zahl verwenden als P_t'm/P_m). Die Messwerte für P_l/P_m für die aufgelisteten Mach-Zahlen sind ebenfalls in 3 gezeigt. Durch Messen der Drücke (P₁, P₂ und P_t'm) und Berechnen des auf der Y-Achse in 3 gezeigten Verhältnisses, genauer gesagt (P₁ – P_t'm)/(P₁ – P_m), kann der Wert für den Anstellwinkel direkt unter Verwendung eines Luftdaten-Computers zur Interpolation des Signals erhalten werden. Dies ergibt einen Wert für den die Messdrücke verwendenden Quotienten, während der gemessene Quotient P₁/P_m die gemessene Mach-Zahl ergibt. Die Nachschlagtabelle 36 (1), welche den korrigierten Anstellwinkel aufweist, der mit dem Quotienten der Messdrücke der Y-Achse bei einer gemessenen Machzahl (P₁/P_m) korreliert, wird im Bordcomputer 33 gespeichert, so dass der richtige Anstellwinkel erhalten wird. Beispielsweise würde bei einer gemessenen Mach-Zahl .45 (gemäß der Bestimmung durch Verwendung von P₁/P_m), falls der Wert des Quotienten (P₁– P_t'm)/(P₁ – P_m) bei Verwendung der Messdrücke 2 ergibt, der Anstellwinkel geringfügig über 60° liegen. Die Messgenauigkeit wird durch Bereitstellung des Quotienten P₁/P_m erreicht, welcher bei einer Mach-Zahl von .45 1.15 beträgt, da P₁ zu einem stärkeren Signal wird, während das P_t'm-Signal abnimmt, wenn sich der Anstellwinkel erhöht. Im Stand der Technik und bei geringeren Anstellwinkeln ist der Wert, der für die gemessene Mach-Zahl verwendet wird, P_t'm/P_m. Zusätzliche iterative Berechnungen sind erforderlich und eine Berechnung basierend auf diesen Messdrücken ist nicht so genau oder so direkt wie bei dem offenbarten Verfahren, wenn P₁ > P_t'm.
Nach der Bestimmung des Anstellwinkels des Messfühlers wird der korrigierte statische Druck, der als P_l (lokaler statischer Druck), oder wahrer statischer Druck, bezeichnet werden kann, aus den Ergebnissen von Tests im Windtunnel, die in 4 dargestellt sind, erhalten.
Die vorbestimmten Beziehungen befinden sich in der Nachschlagtabelle 36 im Speicher des Bordcomputers 33. Die Werte in der Tabelle 36 sind im Schaubild von 4 gezeigt. Der Messfühler-Anstellwinkel, α_Messfühler, wird in Abhängigkeit von der Werten des Quotienten P_l/P_m, der durch Kalibrierung im Windtunnel oder durch Computersimulation erhalten wird, graphisch ausgewertet und wird in der Nachschlagtabelle gespeichert.
Wenn der Anstellwinkel bestimmt worden ist, kann P_m durch die Menge (P₁ + P₂)/2 erhalten werden und der lokale statische Druck P_l kann einfach im Bord-Luftdatencomputer 33 berechnet werden, indem die Werte aus der Nachschlagtabelle verwendet werden.
Zur Bestimmung des wahren oder richtigen Pitotdrucks wird, wie es in 5 gezeigt ist, eine Kurvenaufzeichnung des Messfühler-Anstellwinkels in Verhältnis zur Menge P_t,l/P₁ gemäß Korrektur verwendet. Dies erfolgt für mehrere unterschiedliche Mach-Zahlen in einem Windtunnel oder durch Computersimulation, wie angezeigt. Die graphischen Kurvenaufzeichnungen der Mach-Zahl werden unter Verwendung desselben Anstellwinkels, der aus den Daten von 3 bestimmt wird, dargestellt. Die in 5 gezeigten Anstellwinkel liegen zwischen 30° und 90° und die graphisch aufgezeichneten Werte, die aus den Tests im Windtunnel oder durch Simulation erhalten werden, werden in einer Nachschlagtabelle 36 in Luftdatencomputer gespeichert, so dass der spezifische Druck auf die vertikale Achse bestimmt werden kann, indem der Anstellwinkel bekannt ist, wobei der Anstellwinkel wiederum wie vorher beschrieben bestimmt wird.
Bei einem gemessenen Druck P₁ und einem bekannten Anstellwinkel kann der lokale Pitotdruck P_t'l leicht abgeleitet oder berechnet werden. Er entspricht dem Wert auf der vertikalen Achse für einen bestimmten Anstellwinkel multipliziert mit P₁. Dieser kann auch als der wahre Pitotdruck angesehen werden. Die Nachschlagtabellen liefern die Information, die für den Erhalt des wahren Pitotdrucks, des wahren oder lokalen statischen Drucks und des Anstellwinkels erforderlich ist. Die verwendeten Drücke können mit Hilfe der drei Öffnungen auf dem in den 1 und 2 gezeigten Messfühler direkt gemessen werden.
Die Messgenauigkeit, die Einfachheit des Betriebs, sowie eine Reduzierung der Anzahl an Berechnungen, die zum Erhalt korrekter Parameter erforderlich sind, werden unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielt.
Die gemessene Mach-Zahl wird bestimmt, indem P₁ und P₂ direkt gemessen werden und indem man zu dem Quotienten P₁/P_m gelangt, wenn P₁ > P_t'm, welcher wiederum mit dem Anstellwinkel korre liert wird, wie es in 3 dargestellt ist. Die Bestimmung der gemessenen Mach-Zahl durch Bereitstellung direkt gemessener Drücke P_l/P_m im Gegensatz zu dem vorher verwendeten Quotienten P_t'/P_m, fördert die Betriebsabläufe und macht die Verwendung des Umkehrverhältnisses nicht erforderlich. Es ist auch ersichtlich, dass die Messungen direkter erfolgen und einfacher erhältlich sind.
Die vorliegende Erfindung verringert die Instabilität von Algorithmen des Standes der Technik, die bei hohen Anstellwinkeln, im Allgemeinen bei Messfühlerwinkeln über ungefähr 35° verwendet werden. Es ist ersichtlich, dass die Kurven des Anstellwinkels, die entwickelt und mit der Menge P₁/P_m korreliert werden, keine Instabilität im Betriebsbereich zwischen einem Anstellwinkel von 30° bis 90° eines Messfühlers aufweisen. Weiter werden direkte Druckmessungen bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt, anders als der iterative Korrekturvorgang, der für mathematische Berechnungen der lokalen Drücke oder Anstellwinkel unter Verwendung herkömmlicher Verfahren erforderlich ist.
Es versteht sich, dass der Begriff "Öffnung", der für die Winkel-Messöffnungseinrichtungen verwendet wird, nicht nur eine einzelne Öffnung bedeutet, sondern auch zwei oder mehr Öffnungen am unteren oder oberen Ende des Messfühlers oder Sensors, die miteinander verlötet sind und ein Signal bereitstellen, das einen sich mit dem Anstellwinkel verändernden Druck anzeigt.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute in der Technik erkennen, dass Veränderungen hinsichtlich Form und Detail der Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung gemäß Definition in den anliegenden Ansprüchen zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Verwendung von einem Luftdaten-Sensor (10) gemessenen Drucksignalen, um präzise berichtigte Druckparameter bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdaten-Sensor ein Paar Winkelsensoröffnungen (18, 20) mit Fühlerachsen, die so positioniert sind, dass sie einen Winkel (α) zu einer zentralen Bezugslinie (16) relativ zu einer Strömungsrichtungslinie (24), am Sensor vorbei anzeigen, aufweist, um einen Anstellwinkel zu liefern, und weiter eine Pitot-Öffnung (22) aufweist, die eine Achse entlang der zentralen Bezugslinie aufweist, und dass an den jeweiligen Winkelsensoröffnungen gemessene Drücke voneinander abweichen, wenn die Bezugslinie einen Winkel relativ zu der Strömungsrichtungslinie aufweist, wobei der höhere Druck an den Winkelsensoröffnungen mit P₁ bezeichnet wird, der Druck an der anderen Winkelsensoröffnung mit P₂ bezeichnet wird und ein Druck an der Pitot-Öffnung mit P_t,m bezeichnet wird, wobei das verfahren folgende Schritte umfasst: Messung von P₁, Addition von P₁ und P₂ und Division durch 2, um eine Größe P_m zu erhalten und Division von P₁ durch P_m, um eine gemessene Mach-Zahl zu erhalten, wenn P₁ größer als P_t,m ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, das weiter Kennwerte des Anstellwinkels für den Luftdaten-Sensor liefert, die im Verhältnis zum Zahlenwert eines ersten Quotienten, (P₁ – P_t,m)/(P₁– P_m) und ausgewählten, durch P₁/P_m bestimmte gemessenen Mach-Zahlen graphisch ausgewertet werden, und das weiter eine erste Tabelle liefert, um den Anstellwinkel zu bestimmen, wenn der erste Quotient und P₁/P_m aus gemessenen Druckwerten an den Sensoröffnungen bestimmt worden sind.
Verfahren gemäß Anspruch 2, welches weiter eine gespeicherte zweite Tabelle mit vorgegebenen Werten P_t/P_m bereitstellt, die im Verhältnis zum Anstellwinkel graphisch ausgewertet werden, wobei P_t der lokale statische Druck ist, und welches den lokalen statischen Druck an dem Sensor durch Korrelation des gemessenen Wertes P₁ relativ zu dem gemäß Anspruch 2 bestimmten Anstellwinkel bestimmt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, welches weiter die Speicherung von vorgegebenen Werten P_t,l/P₁ aufweist, die im Verhältnis zum Anstellwinkel aus einer dritten Tabelle graphisch ausgewertet werden, wobei P_t,1 den tatsächlichen Pitot-Druck umfasst, und weiter den Erhalt des tatsächlichen Pitot-Druckwerts aufweist, indem der Wert P₁ gemessen und P_t,l/P₁ mit dem gemäß Anspruch 2 bestimmten Anstellwinkel in Übereinstimmung mit den gespeicherten Werten in der dritten Tabelle korreliert wird.
Vorrichtung zum Bestimmen von Anstellwinkeln über einen Bereich, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen Sensor (10), der eine Sensorachse und sich gegenüberliegende Öffnungen (18, 20) mit Messachsen aufweist, die relativ zu einer Ebene, in der die Sensorachse (16) liegt, angeordnet sind, wobei an der Sensorachse (16) ein Anstellwinkel (α) relativ zur Strömungsrichtungsachse (24), die auch in der Ebene der Sensorachse liegt, zu messen ist, wobei eine der Öffnungen ein höherwertiges Drucksignal als die andere Öffnung aufweist, wenn die Sensorachse einen anderen Winkel als Null in Bezug auf die Strömungsrichtungachse aufweist; eine Pitotdruck-Öffnung (22) an dem Sensor, deren Achse im Allgemeinen parallel zur Sensorachse liegt, um Drücke, die von der relativen Strömung an dem Sensor vorbei erzeugt werden, zu messen; Druckwandler, um Signale bereitzustellen, die Drücke an jeder der Einlass-Öffnungen anzeigen; und einen Prozessor, der ein Ausgangssignal (P₁ – P_t,m)/(P₁ – P_m) liefert und der mit den kalibrierten Werten des Anstellwinkels bei gemessenen Mach-Zahlen korreliert wird, indem er den Quotienten P₁/P_m verwendet, um die gemessene Mach-Zahl immer dann zu berechnen, wenn P₁ größer als P_t,m ist, wobei P₁ der höhere Druck der Drücke an den gegenüberliegenden Öffnungen ist, P_t,m der an der Pitot-Öffnung gemessene Pitotdruck ist und P_m die Größe (P₁ + P₂)/2 ist, wobei P₂ der an der anderen Öffnung der gegenüberliegenden Öffnungen gemessene Druck ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor Drucksensoren für das Bereitstellen von Signalen aufweist, die die Drücke an den sich gegenüberliegenden Öffnungen und an der Pitotöffnung anzeigen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messachse der gegenüberliegenden Öffnungen jeweils denselben Winkel relativ zu der Sensorachse aufweist.