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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur Flugzeugkabinen-Druckregelung und
genauer ein verbessertes Kabinendruckregelungs-Systemventil, das redundante und verschiedene
Druck- und Differenzdruckprüfverfahren
aufweist.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Bei
einer gegebenen Luftgeschwindigkeit kann ein Flugzeug bei einer
größeren Höhe weniger Kraftstoff
verbrauchen als bei einer geringeren Höhe. Mit anderen Worten, ein
Flugzeug kann bei größeren Höhen effizienter
fliegen als bei geringeren Höhen. Darüber hinaus
können
schlechtes Wetter und Turbulenzen manchmal durch Fliegen über solch
einem Wetter oder solchen Turbulenzen vermieden werden. Folglich
sind viele Flugzeuge aufgrund dieser und anderer potenzieller Vorteile
dafür ausgelegt,
bei relativ großen
Höhen zu
fliegen.
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Während ein
Flugzeug an Höhe
gewinnt, nimmt der Umgebungsdruck außerhalb des Flugzeugs ab, und
sofern sie nicht anderweitig gesteuert werden, können übermäßige Luftmengen aus der Flugzeugkabine
austreten, was ihre Dekompression auf einen unerwünscht niedrigen
Druck bewirkt. Wenn der Druck in der Flugzeugkabine zu niedrig ist, können die
Flugzeugpassagiere eine Hypoxie, also einen Mangel an der Sauerstoffkonzentration
im menschlichen Gewebe, erleiden. Die Reaktion auf Hypoxie kann
von Person zu Person variieren, jedoch gehören zu ihren Auswirkungen im
Allgemeinen Benommenheit, geistige Ermüdung, Kopfschmerzen, Übelkeit,
Euphorie und eine verminderte geistige Leistungsfähigkeit.
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Studien
haben gezeigt, dass sich die Symptome von Hypoxie bemerkbar machen
können,
wenn die Kabinendruckhöhe über dem Äquivalent
von 8.000 Fuß liegt.
Folglich sind viele Flugzeuge unter anderem mit einem System zur
Kabinendruckregelung ausgestattet, um die Kabinendruckhöhe innerhalb
eines relativ angenehmen Bereichs (zum Beispiel bei oder unter etwa
8.000 Fuß)
zu halten und allmähliche
Veränderungen
der Kabinendruckhöhe zu
ermöglichen,
um das Unwohlsein der Passagiere zu minimieren.
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Wenngleich,
wie gerade erwähnt,
die Kabinendruckhöhe
in der Regel bei oder unter 8.000 Fuß gehalten wird, kann sich
das Flugzeug tatsächlich
bei einer viel größeren Höhe (zum
Beispiel bis zu 45.000 Fuß)
befinden. Somit ist die Flugzeugrumpfstruktur dafür ausgelegt,
der Druckdifferenz zwischen dem Druck der Kabinenluft und dem Druck
der Umgebungsluft standzuhalten. Dies wird in der Regel als der
Kabinen-zu-Umgebungs-Differenzdruck
bezeichnet. Wenn die Kabinendruckhöhe geringer als die Flugzeugdruckhöhe ist (das
heißt,
der Kabinendruck größer als
der Atmosphärendruck
ist), existiert ein Kabinen-zu-Atmosphäre-Differenzüberdruck.
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Wie
auch im Allgemeinen bekannt ist, sinken und landen Flugzeuge auf
Flughäfen
verschiedener Höhen.
Folglich kann die Kabinendruckhöhe
derart gesteuert werden, dass das Flugzeug mit einem sehr niedrigen
bis gar keinem Kabinen-zu-Umgebungs-Differenzüberdruck landet. Allerdings
ist es in einigen Situationen möglich,
dass die Kabinendruckhöhe
die Flugzeugdruckhöhe überschreitet
(zum Beispiel der Kabinendruck geringer als der Atmosphärendruck
ist), was zu einem Kabinen-zu-Umgebungs-Differenzunterdruck führt. Folglich
ist der Flugzeugrumpf neben der Eignung, einem maximalen Kabinen-zu-Umgebungs-Differenzüberdruck
standzuhalten, auch dafür
ausgelegt, einem maximalen Kabinen-zu-Umgebungs-Differenzunterdruck standzuhalten.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass ein Flugzeug, wenn es effizient und ökonomisch
fliegen soll, in der Regel nicht mit einem Rumpf gestaltet ist,
der einem unendlich großen
Kabinen-zu-Umgebungs-Differenzüberdruck
oder einem unendlich großen
Kabinen-zu-Umgebungs-Differenzunterdruck standhalten
kann. Aus diesem Grund sind die meisten Flugzeugrümpfe für bestimmte
maximale strukturelle Grenzen ausgelegt, wobei dann andere Systeme
in das Flugzeug aufgenommen werden, um den Kabinen-zu-Umgebungs-Differenzüberdruck
und -unterdruck innerhalb der strukturellen Grenze beizubehalten.
Zum Beispiel sind viele moderne Flugzeugrümpfe für große Höhen derart gestaltet, dass
die Differenzüberdruckgrenze
in der Ordnung von etwa 8 bis 10 psid liegt und die Differenzunterdruckgrenze
in der Ordnung von etwa –0,2
bis –0,5
psid liegt.
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Neben
einem Steuersystem zur Beibehaltung der Kabinendruckhöhe erfordern
von verschiedenen behördlichen
Zulassungsstellen veröffentlichte
Vorschriften, dass ein Flugzeug mit spezifizierten Anzeigen und/oder
Warnungen ausgestattet sein muss, um Piloten angesichts eines Dekompressionsereignisses
zu alarmieren. Insbesondere erfordern diese Vorschriften, dass Piloten
eine Anzeige der gegenwärtigen
Kabinendruckhöhe
und dem Differenzdruck zwischen der Kabinendruckhöhe und der
gegenwärtigen
Druckhöhe
außerhalb
des Flugzeugs bereitgestellt wird. Diese Vorschriften erfordern
auch, dass den Piloten eine visuelle oder hörbare Warnung sowie Anzeigen
darüber,
wann der Differenzdruck und die Kabinendruckhöhe vorbestimmte Grenzen erreichen,
bereitgestellt wird. Darüber
hinaus muss ein Flugzeug zur Zulassung für Flüge über 30.000 Fuß Sauerstoffabgabeeinheiten
aufweisen, die sich automatisch entfalten, bevor die Kabinendruckhöhe 15.000
Fuß überschreitet.
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Um
die oben erwähnten
Anforderungen im Hinblick auf Alarm, Anzeige und Sauerstoffentfaltung zu
erfüllen,
sind verschiedene Systemarten und Geräte entwickelt worden. Zum Beispiel
weisen einige Systeme analog-pneumatische Druckmesser und Aneroidschalter,
hörbare
Alarme, Warnleuchten und/oder farbcodierte Mitteilungen auf. Ein
besonderes System, das als ein Kabinendruck-Erfassungsmodul (cabin
pressure acquisition module = CPAM) bekannt ist, ist eine eigenständige Komponente,
die einen einzigen Drucksensor benutzt, um die Alarm-, Anzeige-
und Sauerstoffentfaltungsfähigkeiten
bereitzustellen. Außerdem
sind manche Kabinendruckregelungssysteme dafür ausgelegt, nicht nur Kabinendruckregelungsvorgänge auszuführen, sondern den
Drucksensor innerhalb des Kabinendruckregelungssystems zu benutzen,
um die gleichen Alarme, Anzeigen und Sauerstoffentfaltungsfunktionen
bereitzustellen wie das CPAM.
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Das
Flugzeug und die Kabinendruckregelungssysteme, die in einem Flugzeug
installiert sind, sind robust gestaltet und hergestellt und sind
betriebssicher. Nichtsdestoweniger verlangen Zulassungsstellen neben
der Bereitstellung der Alarm-, Anzeige- und Sauerstoffentfaltungsfunktionen
auch, dass das Flugzeug im Hinblick auf bestimmte Ereignisse analysiert
wird, die unter bestimmten, sehr unwahrscheinlichen Bedingungen
eintreten können. Zum
Beispiel ist eine bestimmte hypothetische Ereignisart, auf die das
Flugzeug analysiert werden kann, als eine "graduelle Dekompression ohne Anzeige" bekannt. Durch Analysieren
solch eines Ereignisses wird eine Komponentenstörung vorausgesetzt, die die
graduelle Dekompression der Kabine des Flugzeugs bewirkt. Außerdem wird
auch vorausgesetzt, dass das System, das die Alarm-, Anzeige- und
Sauerstoffentfaltungsfunktionen bereitstellt, ausfällt, was zu
einem hypothetischen Verlust der Anzeige und/oder Warnung vor der
Dekompression und keiner Sauerstoffentfaltung führt.
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Früher wurde
das Ereignis der graduellen Dekompression ohne Anzeige von den Zulassungsstellen
als ein „Groß"-Ereignis klassifiziert.
Dies bedeutete, dass die Wahrscheinlichkeit des Ereignisses geringer
als ein Auftreten pro 1.000.000 Flugstunden (zum Beispiel 10–6 Ereignis/Flugstunde)
betrug. Die Zulassungsstellen haben vor kurzem die Klassifizierung
dieses Ereignisses in ein „Katastrophen"-Ereignis geändert. Ein
Katastrophenereignis ist eines, bei dem die Wahrscheinlichkeit geringer
als ein Auftreten pro Milliarde Flugstunden (zum Beispiel 10–9 Ereignis/Flugstunde)
ist.
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Eine
besondere Gestaltungsoption, die zur Erfüllung der oben erwähnten Vorschriften
umgesetzt werden kann, ist die Verwendung eines CPAM in Kombination
mit einem Kabinendruckregelungssystem. Zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit
eines systematischen Mehrfachausfalls können die zwei Systeme unterschiedliche Übertragungsverfahren anwenden,
um die Informationen für
Alarm, Anzeige und Sauerstoffentfaltung auszugeben (zum Beispiel kann
ein System das Protokoll ARINC 429 benutzen und das andere kann
das Protokoll RS422 benutzen). Wenngleich diese Umsetzung die Wahrscheinlichkeit
des Ereignisses der graduellen Dekompression ohne Anzeige auf weniger
als 10–9 Ereignis/Flugstunde
verringern kann, hat sie auch bestimmte Nachteile. Insbesondere
kann diese Umsetzung aufgrund von Installation, Einbau und Wartung
zu wesentlich erhöhten
Kosten und Flugzeugausfallzeiten führen. Sie kann auch zu einem
erhöhten
Flugzeuggewicht und reduziertem Raum führen.
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Folglich
besteht ein Bedarf an einem System zur Flugzeugkabinen-Druckregelung,
das eine Kabinendruckregelung bereitstellt, um die Kabinendruckhöhe einzuschränken, das
den Kabinen-zu- Umgebungs-Differenzüberdruck
oder -unterdruck einschränkt
und die Alarm-, Anzeige- und Sauerstoffentfaltungsfunktionen bereitstellt,
das in einer Weise gestaltet ist, die die strengen Sicherheitsrichtlinien
für ein
Ereignis einer graduellen Dekompression ohne Anzeige erfüllt, und/oder
das die Installations-, Einbau- und Wartungskosten nicht wesentlich
erhöht. Die
vorliegende Erfindung spricht eines oder mehrere dieser Bedürfnisse
an. Andere Beispiele von Vorrichtungen des Standes der Technik sind
in
WO-A-03/072432 zu
finden.
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Um
die mit dem Stand der Technik verbundenen Probleme zu lösen, stellt
die vorliegende Erfindung ein System zur Flugzeugkabinen-Druckregelung
bereit, das Folgendes umfasst:
einen ersten Kabinendrucksensor,
der betriebsbereit ist, um einen Flugzeugkabinendruck zu fühlen und ein
erstes Kabinendrucksignal zu liefern, das diesen repräsentiert;
einen
zweiten Kabinendrucksensor, der sich von dem ersten Kabinendrucksensor
unterscheidet, wobei der zweite Kabinendrucksensor betriebsbereit
ist, um einen Flugzeugkabinendruck zu fühlen und ein zweites Kabinendrucksignal
zu liefern, das diesen repräsentiert;
einen
dritten Kabinendrucksensor, der sich von dem ersten Kabinendrucksensor
unterscheidet, wobei der dritte Kabinendrucksensor betriebsbereit
ist, um einen Flugzeugkabinendruck zu fühlen und ein drittes Kabinendrucksignal
zu liefern, das diesen repräsentiert;
eine
erste analoge Schaltung, die verbunden ist, um das erste Kabinendrucksignal
zu empfangen, und als Reaktion darauf betriebsbereit ist, um ein
erstes analoges diskretes logisches Kabinenhöhengrenzsignal zu liefern,
wenn der erste Kabinendruck unter einem minimalen Druckwert liegt;
eine
zweite analoge Schaltung, die verbunden ist, um das zweite Kabinendrucksignal
zu empfangen, und als Reaktion darauf betriebsbereit ist, um ein
zweites analoges diskretes logisches Kabinenhöhengrenzsignal zu liefern,
wenn der zweite Kabinendruck unter dem minimalen Druckwert liegt;
und
eine primäre
Steuerung, die verbunden ist, um das erste und das zweite analoge
diskrete logische Kabinenhöhengrenzsignal
und das dritte Kabinendrucksignal zu empfangen, wobei die primäre Steuerung
als Reaktion darauf betriebsbereit ist, Folgendes auszuführen:
auf
der Grundlage des dritten Kabinendrucksignals, Erzeugen eines digitalen
diskreten Kabinenhöhengrenzsignals;
Bestimmen,
wann mindestens zwei des digitalen diskreten Kabinenhöhengrenzsignals
und der analogen diskreten logischen Kabinenhöhengrenzsignale anzeigen, dass
der Kabinendruck unter dem minimalen Druckwert liegt; und, falls
dem so ist
Liefern primärer
Ventilbefehlssignale, die bewirken werden, dass sich ein Auslassventil
schließt.
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Vorzugsweise
umfasst die primäre
Steuerung Folgendes:
eine primäre Steuerschaltung, die verbunden
ist, um das erste und das zweite analoge diskrete logische Kabinenhöhengrenzsignal
und das dritte Kabinendrucksignal zu empfangen, und als Reaktion
darauf betriebsbereit ist, (i) um zu bestimmen, wann mindestens
zwei der gefühlten
Kabinendrücke
unter dem minimalen Druckwert liegen, und (ii) falls dem so ist,
primäre
Ventilbetätigungs-Steuersignale
zu liefern, die bewirken werden, dass sich ein Auslassventil schließt; und
eine
primäre
Ventilbetätigungs-Steuerschaltung,
die verbunden ist, um die primären
Ventilbetätigungs-Steuersignale zu
empfangen, und als Reaktion darauf betriebsbereit ist, um die primären Ventilbefehlssignale
zu liefern, die bewirken werden, dass sich das Auslassventil schließt.
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Vorzugsweise
umfasst die primäre
Steuerschaltung Folgendes:
eine digitale Signalaufbereitungsschaltung,
die verbunden ist, um das dritte Kabinendrucksignal zu empfangen,
und als Reaktion darauf betriebsbereit ist, ein digitales Kabinendrucksignal
zu liefern, das dieses repräsentiert.
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Vorzugsweise
ist die primäre
Steuerschaltung ferner betriebsbereit, um nach Empfang des dritten
Kabinendrucksignals ein digitales diskretes logisches Kabinenhöhengrenzsignal
zu liefern, wenn der dritte Kabinendruck unter dem minimalen Druckwert liegt.
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Vorzugsweise
umfasst das System ferner Folgendes:
eine sekundäre Steuerung,
die verbunden ist, um das erste analoge diskrete logische Kabinenhöhengrenzsignal,
das zweite analoge Drucksignal und das digitale diskrete logische
Kabinenhöhengrenzsignal
zu empfangen, wobei die sekundäre
Steuerschaltung nach Empfang davon betriebsbereit ist, (i) um zu
bestimmen, wann mindestens zwei der gefühlten Kabinendrücke unter
dem minimalen Druckwert liegen, und (ii) falls dem so ist, sekundäre Ventilbefehlssignale
zu liefern, die bewirken werden, dass sich das Auslassventil schließt.
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Vorzugsweise
umfasst die sekundäre
Steuerung Folgendes:
eine sekundäre Steuerschaltung, die verbunden
ist, um das erste analoge diskrete logische Kabinenhöhengrenzsignal,
das zweite analoge Drucksignal und das digitale diskrete logische
Kabinenhöhengrenzsignal
zu empfangen, und nach Empfang davon betriebsbereit ist, um (i)
zu bestimmen, wann mindestens zwei der gefühlten Kabinendrücke unter
dem minimalen Druckwert liegen, und (ii) falls dem so ist, sekundäre Ventilbetätigungs-Steuersignale
zu liefern, die bewirken werden, dass sich das Auslassventil schließt; und
eine
sekundäre
Ventilbetätigungs-Steuerschaltung, die
verbunden ist, um die sekundären
Ventilbetätigungs-Steuersignale zu
empfangen, und als Reaktion darauf betriebsbereit ist, um die primären Ventilbefehlssignale
zu liefern, die bewirken werden, dass sich das Auslassventil schließt.
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Vorzugsweise
ist die primäre
Ventilbetätigungs-Steuerschaltung ferner
verbunden, um das erste und das zweite analoge diskrete logische
Kabinenhöhengrenzsignal
und das digitale Kabinenhöhengrenzsignal
zu empfangen, und als Reaktion darauf betriebsbereit, um zu bestimmen,
wann mindestens zwei der gefühlten
kabinendrücke
unter dem minimalen Druckwert liegen.
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Vorzugsweise
umfasst die erste und die zweite analoge Schaltung jeweils Folgendes:
eine
analoge Signalaufbereitungsschaltung, die verbunden ist, um entweder
das erste oder das zweite Drucksignal zu empfangen, und als Reaktion
darauf betriebsbereit ist, um jeweils ein erstes oder ein zweites
analoges Drucksignal zu liefern; und
eine Komparatorschaltung,
die verbunden ist, um das erste oder das zweite analoge Drucksignal
zu empfangen, und als Reaktion darauf betriebsbereit ist, um das
entsprechende erste oder zweite analoge diskrete logische Signal
zu liefern, wenn der entsprechende erste Kabinendruck unter dem
minimalen Druckwert liegt.
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Vorzugsweise
ist die primäre
Steuerung ferner verbunden, um ein Atmosphärendrucksignal zu empfangen,
das den Atmosphärendruck
repräsentiert,
und nach Empfang davon betriebsbereit, (i) die Druckdifferenz zwischen
dem Flugzeugkabinendruck zu bestimmen und (ii) die Verwendung des
dritten Kabinendrucks auf der Grundlage der Bestimmung, wann mindestens
zwei der gefühlten
Kabinendrücke unter
dem minimalen Druckwert liegen, zu sperren, und wobei das System
ferner Folgendes umfasst:
einen Differenzdrucksensor, der geeignet
ist, um eine Druckdifferenz zwischen dem Flugzeugkabinendruck und
dem Atmosphärendruck
zu fühlen
und ein Differenzdrucksignal zu liefern, das diesen repräsentiert;
eine
sekundäre
Steuerung, die verbunden ist, um das Differenzdrucksignal zu empfangen,
und nach Empfang davon betriebsbereit ist, ein Höhengrenz-Sperrbefehlssignal zu liefern, wenn
der Differenzdruck ein vorbestimmtes Ausmaß überschreitet;
einen steuerbaren
Schalter, der verbunden ist, um den Höhensperrbefehl zu empfangen,
und nach Empfang davon betriebsbereit ist, um zu verhindern, dass
das zweite analoge diskrete logische Kabinenhöhengrenzsignal an die primäre Steuerung
geliefert wird.
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Vorzugsweise
umfasst das System ferner Folgendes:
ein Auslassventil, das
verbunden werden kann, um die primären Ventilbefehlssignale zu
empfangen, und nach Empfang davon betriebsbereit ist, um sich zwischen
mindesten einer offenen Position und einer geschlossenen Position
zu bewegen.
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Andere
unabhängige
Merkmale und Vorteile des bevorzugten Systems und Verfahrens zur
Kabinendruckregelung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich,
die die Prinzipien der Erfindung beispielhaft darstellen.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
funktionelles Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Systems
zur Flugzeugkabinendruckregelung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Übersicht
eines physikalischen Ausführungsbeispiels
eines Auslassventils, das in dem System aus 1 benutzt
werden kann;
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3 eine
Querschnittsansicht eines Abschnitts des beispielhaften Auslassventils
aus 1;
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4 eine
Querschnittsansicht in Nahaufnahme einer beispielhaften Betätigungsanordnung, die
mit dem Auslassventil benutzt werden kann, das in 2 und 3 dargestellt
ist;
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5 ein
funktionelles Blockdiagramm einer beispielhaften Steuereinheit,
die benutzt werden kann, um das in 1 dargestellte
System umzusetzen; und
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6 ein
funktionelles Blockdiagramm einer Messgeräte- und Steuerschaltung, die
benutzt werden kann, um die Steuereinheit anzuwenden, die in 5 dargestellt
ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende ausführliche
Beschreibung der Erfindung ist rein beispielhafter Natur und soll
die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung
nicht einschränken.
Darüber
hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine Theorie gebunden
zu sein, die in dem vorstehenden Allgemeinen Stand der Technik vorgestellt
wurde oder in der folgenden ausführlichen
Beschreibung der Erfindung vorgestellt werden wird.
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Mit
Bezug auf die Beschreibung und zunächst auf 1 ist
ein funktionelles Blockdiagramm eines beispielhaften Systems zur
Flugzeugkabinendruckregelung 100 und seine Verbindungen
mit bestimmten anderen Flugzeugsystemen dargestellt. In der dargestellten
Ausführungsform
weist das System 100 zwei unabhängige Steuereinheiten 102 (102-1, 102-2),
zwei unabhängige
Auslassventile 104 (104-1, 104-2), zwei
unabhängige Überdruck-Ablassventile 106 (106-1, 106-2)
und ein einziges Unterdruck-Ablassventil 108 auf. Bevor
die Beschreibung des Systems 100 fortgesetzt wird, wird
darauf hingewiesen, dass die beschriebene Ausführungsform bloß beispielhaft
ist und dass das System 100 mit einer einzigen Steuereinheit 102,
einem einzigen Auslassventil 104 und einem einzigen Überdruck-Ablassventil 106 umgesetzt
werden könnte
und dennoch immernoch alle Anforderungen der Zulassungsstelle erfüllt.
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Die
Steuereinheiten 102 sind als redundante Zweikanalsteuerungen
ausgeführt,
wobei jede eine primäre
Steuerung 110 und eine sekundäre Steuerung 112 aufweist.
Die primäre 110 und
die sekundäre 112 Steuerung,
die vorzugsweise von getrennten unabhängigen Leistungsquellen angetrieben
werden und vorzugsweise physikalisch voneinander getrennt sind,
weisen jeweils eine Messgeräte-
und Steuerschaltung 114 und eine Ventilsteuerschaltung 116 auf.
Wie nachstehend ausführlicher
beschrieben werden wird, weisen die Messgeräte- und Steuerschaltungen 114 jeweils
redundante, unterschiedliche Drucksensoren (in 1 nicht
dargestellt) auf. Wie ebenfalls nachstehend ausführlicher beschrieben werden
wird, weisen die Messgeräte-
und Steuerschaltungen 114 in den primären Steuerungen 110 unterschiedliche
Absolutdrucksensoren auf, die jeweils konfiguriert sind, um den
Kabinendruck zu fühlen,
und die Messgeräte-
und Steuerschaltungen 114 in den sekundären Steuerungen 112 weisen
einen Absolutdrucksensor, der konfiguriert ist, um den Kabinendruck
zu fühlen,
und einen unterschiedlichen Differenzdrucksensor auf, der konfiguriert
ist, um den Kabinen-zu-Atmosphäre-Differenzdruck
zu fühlen. Folglich
sind, wie in 1 dargestellt, die primären Steuerungen 110 mit
der Flugzeugkabine 122 verbunden und die sekundären Steuerungen
sind sowohl mit der Flugzeugkabine 122 als auch der Atmosphäre 124 verbunden.
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Die
Messgeräte-
und Steuerschaltungen 114 in jeder Steuerung 110, 112 kommunizieren
auch mit der Flugzeugavionikprüffolge 120 über zum
Beispiel ARINC-429,
analoge und/oder diskrete Eingangs/Ausgangssignale. Auf der Grundlage
der Signale, die von der Avionikprüffolge 120 empfangen werden,
sowie der Signale, die von den oben erwähnten Sensoren geliefert werden,
berechnen die Messgeräte-
und Steuerschaltungen 114 in jeder Steuerung 110, 112,
vorzugsweise unter Verwendung unterschiedlicher Anwendungssoftware,
die Kabinendrucklogik, liefern verschiedene Alarm-, Anzeige-, Warn-
und/oder Steuersignale und liefern angemessene Betätigungssteuersignale
zu den entsprechenden Ventilsteuerschaltungen 116.
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Die
Ventilsteuerschaltungen 116 in jeder Steuerung 110, 112 empfangen
die Betätigungssteuersignale,
die von den entsprechenden Messgeräte- und Steuerschaltungen 114 geliefert
werden. Als Reaktion auf die Betätigungssteuersignale,
die vorzugsweise sowohl die Geschwindigkeitsinformation als auch
die Richtungsinformation aufweisen, liefern die Ventilsteuerschaltungen 116 Ventilbefehlssignale
an das entsprechende Auslassventil 104, um dadurch die
Position des jeweiligen Auslassventils 104 zu steuern und
dadurch den Kabinendruck zu modulieren. Die Ventilsteuerschaltungen 116 können auch manuell
durch eine manuelle Steuertafel 126 gesteuert werden. Falls
verwendet, deaktiviert die manuelle Steuertafel 126 die
automatische Kabinendrucksteuerfunktion, die in den Messgeräte- und
Steuerschaltungen 114 ausgeführt wird, und liefert vorzugsweise Betätigungssteuersignale
an die Ventilsteuerschaltungen 116 in sowohl den primären 110 als
auch den sekundären 112 Steuerungen.
Als Alternative wird man zu schätzen
wissen, dass sie die Betätigungssteuersignale
nur an eine der Steuerungen 110 oder 112 liefern
könnte.
In jedem Fall bewirken die Betätigungssteuersignale,
die von der manuellen Steuertafel 126 geliefert werden,
vorzugsweise, dass die Ventilsteuerschaltungen 116 das
jeweilige Auslassventil 104 in der befohlenen Richtung
bei einer konstanten Geschwindigkeit bewegen.
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Die
Auslassventile 104 sind vorzugsweise auf einem Flugzeugschott 128 befestigt
und jedes weist einen Ventilkörper 130,
ein Ventilelement 132, ein primäres Betätigungselement 134 und
ein sekundäres
Betätigungselement 136 auf.
Der Ventilkörper 130 weist
einen Strömungsdurchlass 138 auf,
der dadurch derart verläuft,
dass, wenn das Auslassventil 104 auf dem Flugzeugschott 128 befestigt
ist, der Strömungsdurchlass 138 mit
der Flugzeugkabine 122 und der Außenatmosphäre 124 in Fluidverbindung
steht. Das Ventilelement 132 ist auf dem Ventilkörper 130 beweglich
befestigt und erstreckt sich in den Strömungsdurchlass 138.
Das Ventilelement 132 kann zwischen einer offenen Position,
in der die Flugzeugkabine 122 und die Außenatmosphäre 124 in Fluidverbindung
stehen, und einer geschlossenen Position, in der die Flugzeugkabine 122 von
der Außenatmosphäre abgedichtet
ist, bewegt werden.
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Das
primäre 134 und
das sekundäre
Betätigungselement 136 sind
beide mit dem Ventilelement 132 verbunden und positionieren
das Ventilelement 132 in eine befohlene Position, um dadurch
den Kabinendruck zu steuern. Hierzu sind das primäre 134 und
das sekundäre 136 Betätigungselement
verbunden, um Ventilbefehlssignale zu empfangen, die von den Ventilsteuerschaltungen 116 in
den entsprechenden primären 110 und
sekundären 112 Steuerungen geliefert
werden. Als Reaktion auf die gelieferten Ventilbefehlssignale bewegt
das geeignete Betätigungselement,
und zwar entweder das primäre 134 oder
das sekundäre 136 Betätigungselement
(oder beide), das Ventilelement 132 in die befohlene Position.
Man wird zu schätzen
wissen, dass das Auslassventil 104 in jeder beliebigen
von zahlreichen Konfigurationen umgesetzt sein kann. Mit Bezug auf 2 bis 4 wird
nun eine bestimmte physikalische Umsetzung beschrieben.
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Mit
Bezug zunächst
auf 2 ist zu sehen, dass der Ventilkörper 130 vorzugsweise
eine zylindrisch geformte Leitung ist, die konfiguriert ist, um
auf dem Flugzeugschott 128 befestigt zu werden, und eine
zylindrische innere Oberfläche 202 aufweist,
die den Strömungsdurchlass 138 bildet.
Das Ventilelement 132 weist eine Drosselklappe 204 auf,
die in dem Strömungsdurchlass 138 befestigt
ist. Wie deutlicher in 3 dargestellt, ist die Drosselklappe 204 mit
zwei Wellen, nämlich
einer Stützwelle 302 und
einer Antriebswelle 304 verbunden. Die Stützwelle 302 ist
innerhalb eines Gehäuses 306 durch
eine erste Lageranordnung 308 drehbar befestigt und mit
einer Torsionsfeder 310 verbunden, die auch in dem Gehäuse 306 befestigt
ist. Die Torsionsfeder 310 ist konfiguriert, um eine Vorspannkraft
zu der Stützwelle 302 zu
liefern, die die Drosselklappe 204 in die geschlossene
Position vorspannt. Die Antriebswelle 304 ist in einem
Gehäuse 314 durch
eine zweite Lageranordnung 316 drehbar befestigt und ist
mit einer Betätigungselementabtriebswelle 318 verbunden,
die eine Antriebskraft von einer Betätigungselementanordnung 320 empfängt.
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Die
Betätigungselementanordnung 320 weist
sowohl das primäre
Betätigungselement 134 als
auch das sekundäre
Betätigungselement 136 auf. In
der dargestellten Ausführungsform
sind das primäre 134 und
das sekundäre 136 Betätigungselement jeweils
dreiphasige, vierpolige, bürstenlose
Gleichstrommotoren mit Dauermagnet. Man wird zu schätzen wissen,
dass dieses nur beispielhaft ist und dass die Betätigungselemente 134, 136 als
Gleichstrommotoren mit Bürsten
oder als jede beliebige von zahlreichen Wechselstrommotorarten konfiguriert
sein könnten.
Darüber
hinaus wird man zu schätzen
wissen, dass der primäre 134 und
der sekundäre 136 Motor
mit der Antriebswelle 304 in jeder beliebigen von zahlreichen
Arten und Weisen verbunden sein könnten. In der dargestellten
Ausführungsform
sind der primäre 134 und
der sekundäre 136 Motor
jedoch durch ein Planetendifferenzialgetriebe 322 mit der Antriebswelle 304 verbunden.
Mit Bezug auf 4 wird das Planetendifferenzialgetriebe 322 nun
der Vollständigkeit
halber kurz beschrieben.
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Wie
in 4 dargestellt, weisen der primäre 134 und der sekundäre 136 Motor
jeweils eine Ritzelabtriebswelle 402 (402-1, 402-2)
auf. Die Ritzelabtriebswellen 402 greifen jeweils in ein
Stirnradgetriebe 404 (404-1, 404-2) ein,
das wiederum mit einem Schneckengetriebe 406 (406-1, 406-2)
verbunden ist, und treiben es somit an. Das Schneckengetriebe 406-1,
das von dem primären
Motor 134 angetrieben wird, greift in ein Kombinationsgetriebe 410 (in
Phantomdarstellung eingekreist) ein, das ein äußeres Schneckenrad 408 und
einen inneren Zahnkranz 412 aufweist. Das Schneckenrad 408 greift
in das Schneckengetriebe 406-1 ein und wird somit davon
angetrieben und der innere Zahnkranz 412 greift in drei Planetengetriebe 414a–c (nur
zwei dargestellt) ein, die als ein Planetenübersetzungsgetriebe 420 konfiguriert
sind, und wird somit davon angetrieben.
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Das
Schneckengetriebe 406-2, das von dem sekundären Motor 136 angetrieben
wird, treibt auch ein Schneckenrad 416 an. Dieses Schneckenrad 416 ist
mit einem Getrieberad 418 verbunden, das als das Hauptritzel
für das
Planetenübersetzungsgetriebe 420 fungiert.
Das Planetenübersetzungsgetriebe 420 kann
von dem primären
Motor 134, dem sekundären Motor 136 oder
sowohl dem primären 134 als
auch dem sekundären 136 Motor
gleichzeitig angetrieben werden. In dem letztgenannten Fall summiert
das Planetenübersetzungsgetriebe 420 die
Geschwindigkeiten beider Motoren 134, 136 auf
eine resultierende Drehausgangsgeschwindigkeit.
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Neben
den Planetengetrieben 414a–c weist das Planetenübersetzungsgetriebe 420 ein
Trägerrad 422 auf,
das mit noch einem anderen Getrieberad 424 verbunden ist.
Dieses letztgenannte Getrieberad 424 fungiert als das Hauptritzel
für ein
Planetenabtriebsuntersetzungsgetriebe 426 (das auch in
Phantomdarstellung eingekreist ist) und treibt dieses folglich an.
Der äußere Zahnkranz 428 des
Planetenabtriebsgetriebes 426 ist drehsicher befestigt.
Folglich dreht sich das Planetenabtriebsgetriebe- Trägerrad 432,
während
die Planetengetriebe 430-1, 430-2 des Abtriebsgetriebes 426 von
dem Getrieberad 424 gedreht werden. Das Planetenabtriebsgetriebe-Trägerrad 432 ist
mit der Betätigungsabtriebswelle 318 verbunden,
die wiederum mit der Drosselklappenantriebswelle 304 verbunden
ist. Folglich wird die Antriebskraft, die entweder von dem primären 134 oder sekundären 136 Motor
oder von beiden geliefert wird, auf die Drosselklappe 204 übertragen,
um dadurch die Drosselklappe 204 in die befohlene Position
zu bewegen.
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Wie
in 4 dargestellt, weist jedes Auslassventil 104 einen
Ventilpositionssensor 434 und einen Satz Endsensoren 436 auf.
Der Ventilpositionssensor 434 kann jeder beliebige von
zahlreichen Positionssensortypen sein, ist jedoch in der dargestellten
Ausführungsform
ein Zweikanalpotentiometer. Jeder Potentiometerkanal empfängt eine
Erregungsspannung von entweder der primären 110 oder der sekundären Steuerung 112 in
der entsprechenden Steuereinheit 102 und liefert ein Ventilpositions-Rückkopplungssignal
an die gleiche Steuerung, die das Erregungssignal liefert.
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Die
Endsensoren 436 werden benutzt, um zu fühlen, wann das Auslassventil 104 seine
vollständig geschlossene
Position und seine vollständig
geöffnete
Position erreicht hat. Die Anzahl und Art von Sensoren, die für die Endsensoren 436 benutzt
werden, kann variieren, jedoch weist jedes Auslassventil 104 in
der dargestellten Ausführungsform
vier Hall-Sensoren (nur zwei dargestellt) auf, wobei zwei Sensoren 436 mit
jeder Steuerung 110, 112 in der zugehörigen Steuereinheit 102 verbunden
sind. Folglich wird ein Sensor in jeder Steuerung 110, 112 benutzt,
um die vollständig
geschlossene Position zu fühlen,
und ein Sensor wird in jeder Steuerung 110, 112 benutzt,
um die vollständig
geöffnete
Position zu fühlen.
Wie bei dem Ventilpositionssensor 434 empfängt jeder
Endsensor 436 eine Erregungsspannung von entweder der primären 110 oder
der sekundären
Steuerung 112 in der jeweiligen Steuereinheit 102 und
liefert ein angemessenes diskretes Endsignal an die gleiche Steuerung,
die das Erregungssignal bereitstellt.
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Mit
erneutem Bezug auf 1 wurde festgestellt, dass das
dargestellte System zur Kabinendruckregelung 100 zwei unabhängige Überdruck-Ablassventile 106 und
ein Unterdruck-Ablassventil 108 aufweist. Die Überdruck-Ablassventile 106 und
das Unterdruck-Ablassventil 108 sind ähnlich wie die Auslassventile 104 jeweils
auf dem Flugzeugschott 128 befestigt. Bekanntermaßen sind
die Überdruck-Ablassventile 106 jeweils
konfiguriert, um normal geschlossen zu werden und sich in eine offene Position
zu bewegen, wenn der Kabinen-zu-Atmosphäre-Differenzdruck einen vorbestimmten Wert überschreitet,
um dadurch den Kabinen-zu-Atmosphäre-Differenzdruck einzuschränken. Das
Unterdruckablassventil 108 ist, wie auch allgemein bekannt,
konfiguriert, um sich normal zu schließen und in eine offene Position
zu bewegen, wenn der Atmosphärendruck
den Kabinendruck um einen vorbestimmten Umfang überschreitet, um dadurch den Druck über das
Flugzeugschott 128 auszugleichen.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass eine Beschreibung der spezifischen Struktur der Überdruck-Ablassventile 106 und
des Unterdruck-Ablassventils 108 nicht benötigt wird,
um die vorliegende Erfindung zu ermöglichen oder vollständig zu
offenbaren. Aus diesem Grund wird eine ausführliche Beschreibung dieser
Bauteile nicht weiter bereitgestellt. Darüber hinaus kann, wie oben erwähnt, das
System 100 in Übereinstimmung
mit den Anforderungen der Zulassungsstellen mit nur einem einzigen Überdruck-Ablassventil 106 und
ohne Unterdruck-Ablassventil 108 ausgeführt werden. Dies beruht teilweise auf
der Tatsache, dass die Steuereinheiten 102, wie nachstehend ausführlicher
beschrieben werden wird, vorzugsweise konfiguriert sind, um sowohl Überdruck-
als auch Unterdruck-Ablassfunktionen auszuführen. Außerdem können eines oder beide Überdruck-Ablassventile
konfiguriert sein, um eine Unterdruck-Ablassfunktion auszuführen.
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Mit
Bezug auf 5 wird eine ausführlichere Beschreibung
einer Ausführungsform
einer der Steuereinheiten 102 und insbesondere eine ausführlichere
Beschreibung der primären 110 und
sekundären 112 Steuerungen
der Steuereinheit bereitgestellt. Die primäre 110 und die sekundäre 112 Steuerung
in jeder Steuereinheit 102 weisen, wie oben erwähnt, jeweils
eine Messgeräte-
und Steuerschaltung 114 und eine Ventilbetätigungs-Steuerschaltung 116 auf.
Die Messgeräte-
und Steuerschaltungen 114 in jeder Steuerung 110, 112 weisen
zwei Drucksensoren – einen
primären
Drucksensor 502-P (502-P1, 502-P2) und
einen sekundären
Drucksensor 502-S (502-S1, 502-S2) und
eine Steuerschaltung 504 (504-1, 504-2)
auf. In der primären
Steuerung 110 sind der primäre und der sekundäre Drucksensor 502-P1, 502-S1 beide
Absolutdrucksensoren, die konfiguriert sind, um den Flugzeugkabinendruck
zu fühlen
und Kabinenducksignale zu liefern, die diesen repräsentieren.
Wie oben angedeutet, sind die Drucksensoren 502-P1, 502-S1 der
primären
Steuerung unterschiedliche Drucksensoren. Das heißt, die
Drucksensoren 502-P1, 502-S1 des primären Kanals
unterscheiden sich entweder in physikalischer oder in funktioneller
Hinsicht oder in beiderlei Hinsicht voneinander. In der dargestellten
Ausführungsform
unterscheiden sich die Drucksensoren 502-P1, 502-S1 der
primären
Steuerung sowohl physikalisch als auch funktionell insofern voneinander,
als der primäre Sensor 502-P1 ein
quarzartiger kapazitiver Drucksensor ist und der sekundäre Sensor 502-S1 ein Drucksensor
der Piezowiderstandsart ist.
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In
der sekundären
Steuerung 112 unterscheiden sich der primäre und der
sekundäre
Drucksensor 502-P2, 502-S2 vorzugsweise sowohl
physikalisch als auch funktionell insofern voneinander, als der
primäre
Sensor 502-P2 ein quarzartiger kapazitiver Sensor ist und
der sekundäre
Sensor 502-S2 ein Drucksensor der Piezowiderstandsart ist.
Neben dieser Unterschiedlichkeit ist der primäre Sensor 502-P2 als
ein Differenzdruck (D/P)-Sensor ausgeführt, der konfiguriert ist,
um den Kabinen-zu-Atmosphäre-Differenzdruck zu
fühlen
und ein Differenzdrucksignal zu liefern, das diesen repräsentiert,
und der sekundäre
Sensor 502-S2 ist als ein Absolutdrucksensor ausgeführt, der
konfiguriert ist, um den Kabinendruck zu fühlen und ein Kabinendrucksignal zu
liefern, das diesen repräsentiert.
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Wenngleich
sich der primäre
und der sekundäre
Drucksensor 502-P, 502-S in der primären und sekundären Steuerung 110, 112 sowohl
physikalisch als auch funktionell voneinander unterscheiden, wird man
zu schätzen
wissen, dass sich der primäre
und der sekundäre
Drucksensor 502-P, 502-S in der gleichen Steuerung 110, 112 physikalisch
voneinander unterscheiden, jedoch funktionell ähnlich sein könnten. Zum
Beispiel könnten
der primäre
und der sekundäre
Sensor 502-P, 502-S in der gleichen Steuerung 110, 112 die
gleiche allgemeine Art von Sensoren (zum Beispiel beides Quarzsensoren)
sein, die in physikalischer Hinsicht unterschiedlich gebaut sind. Man
wird außerdem
zu schätzen
wissen, dass die oben erwähnten
Sensorarten bloß beispielhaft
sind und dass der primäre
und der sekundäre
Sensor 502-P, 502-S in der gleichen Steuerung 110, 112 mittels
anderer Sensorarten ausgeführt
sein könnten, einschließlich, jedoch
nicht beschränkt
auf Drucksensoren, optische Sensorarten und thermische Sensorarten,
sofern sich die Sensorarten physikalisch und/oder funktionell voneinander
unterscheiden.
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Die
Drucksignale aus den Drucksensoren 502-P, 502-S in
den Messgeräte-
und Steuerschaltungen 114 sowohl der primären 110 als
auch der sekundären 112 Steuerung
werden an die Steuerschaltungen 504 in jeder Steuerung
geliefert und geeignet davon verarbeitet. Die Steuerschaltung 504-1 der
primären
Steuerung und die Steuerschaltung 504-2 der sekundären Steuerung
sind vorzugsweise physikalisch identisch, wenngleich jede unterschiedliche Funktionen
ausführen
kann, die weiter unten ausführlicher
beschrieben werden. Mit Bezug auf 6 wird nun
eine ausführlichere
Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform jeder Steuerschaltung 504 bereitgestellt.
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Jede
Steuerschaltung 504 weist zwei Signalaufbereitungsschaltungen – eine digitale
Signalaufbereitungsschaltung 602 und eine analoge Signalaufbereitungsschaltung 604 –, eine
Analog-Digital-Umwandler
(A/D)-Schaltung 606, einen Prozessor 608 und eine
diskrete Signalverarbeitungsschaltung 610 auf. Die digitale 602 und
die analoge 604 Signalaufbereitungsschaltung empfangen
die Drucksignale, die von den jeweiligen primären 504-P1, 504-P2 und
sekundären 504-S1, 504-S2 Drucksensoren
geliefert werden, und bereiten die Drucksignale zur weiteren Verarbeitung
angemessen auf. Folglich sind die Drucksignale, die zu der digitalen 602 und
der analogen 604 Signalaufbereitungsschaltung in der primären Steuerung 110 geliefert
werden, in der dargestellten Ausführungsform beide Absolutdrucksignale
und die Drucksignale, die zu der digitalen 602 und der
analogen 604 Signalaufbereitungsschaltung in der sekundären Steuerung 112 geliefert werden,
sind jeweils ein Differenzdruck- und ein Absolutdrucksignal.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist die digitale Signalaufbereitungsschaltung 602 ein Frequenz-zu-Digital (F-zu-D)-Wandler,
der als eine programmierbare logische Vorrichtung (PLD) ausgeführt ist;
allerdings wird man zu schätzen
wissen, dass sie als jede beliebige von zahlreichen anderen Arten
von digitalen Signalaufbereitungsschaltungen ausgeführt sein
kann. Die analoge Signalaufbereitungsschaltung 604 weist
zumindest in der dargestellten Ausführungsform eine analoge Verstärkerschaltung
mit Neigung, Versatz und Temperaturausgleichsschaltung auf, die
ein Gleichstrom (DC)-Signal liefert, das zu dem gefühlten Kabinendruck
proportional ist. Man wird zu schätzen wissen, dass die dargestellte
digitale 602 und die analoge 604 Signalaufbereitungsschaltung
für eine
bestimmte physikalische Ausführungsform
nur beispielhaft sind und dass auch andere Arten von digitalen und
analogen Signalaufbereitungsschaltungen benutzt werden könnten, um
eine angemessene Signalaufbereitung für die primären 504-P und sekundären 504-S Sensoren
bereitzustellen.
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Mit
Bezug auf die restliche Schaltung ist nun zu sehen, dass das aufbereitete
analoge Drucksignal, das von der analogen Signalaufbereitungsschaltung 604 geliefert
wird, zu der A/D-Schaltung 606 geliefert wird und auch über einen
Pufferverstärker 609 und
einen Eingangs-/Ausgangs-(I/O)-Verbinder 611 direkt zu
der Avionikprüffolge 120,
die in 6 nicht dargestellt ist, geliefert werden kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass das aufbereitete analoge Drucksignal
auch zu der diskreten Signalverarbeitungsschaltung 610 geliefert
wird, die weiter unten erläutert
wird. Die A/D-Schaltung 606 empfängt das
aufbereitete analoge Drucksignal von der analogen Signalaufbereitungsschaltung 604 und
wandelt das analoge Kabinendrucksignal in herkömmlicher Weise in ein entsprechendes
digitales Signal um. Die A/D-Schaltung 606 kann
jede beliebige von zahlreichen A/D-Schaltungen sein, die im Stand der Technik
zur Bereitstellung dieser Funktionalität bekannt sind. Es wird außerdem darauf
hingewiesen, dass die A/D-Schaltung 606 ein
getrenntes Schaltungselement sein kann oder dass sie ein Bestandteil
des Prozessors 608 sein kann, dessen Funktion nun beschrieben
werden wird.
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Der
Prozessor 608 empfängt
die digitalen Druck- und/oder Differenzdrucksignale, die von der digitalen
Signalaufbereitungsschaltung 602 und der A/D-Schaltung 606 geliefert
werden. Der Prozessor 608 in der primären Steuerung 110 empfängt auch ein
digitales Signal, das die Flugzeughöhe 613 von einer externen
Quelle wie zum Beispiel der Flugzeugavionikprüffolge 120 repräsentiert.
Der Prozessor 608 in der sekundären Steuerung 112 kann
gegebenenfalls auch das digitale Signal empfangen, das die Flugzeughöhe 613 repräsentiert.
In jedem Fall verarbeitet der Prozessor 608 dann unter
Verwendung von Software, die entweder extern oder in einem Bordspeicher
gespeichert ist, die digitalen Druck- und/oder Differenzdrucksignale,
um die Alarm-, Anzeige- und Steuersignale, die zur Erfüllung der
Flugzeugzulassungsanforderungen notwendig sind, sowie zusätzliche
Anzeigesignale, die nicht spezifisch zur Erfüllung der Zulassungsanforderungen
benötigt
werden, zu liefern. Wie nun beschrieben werden wird, können die
spezifischen Alarm-, Anzeige- und Steuersignale, die von dem Prozessor 608 geliefert
werden, in Abhängigkeit
davon variieren, ob der Prozessor 608 in der primären Steuerung 110 oder
der sekundären
Steuerung 112 vorhanden ist.
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In
der primären
Steuerung 110 bestimmt der Prozessor 608 mit Hilfe
des Drucksignals, das von seinem primären 502-P1 und dem
sekundären 502-S1 Drucksensor
geliefert wird, und mit Hilfe des Flugzeughöhensignals 613 einen
primären
und einen sekundären
Kabinendruck (Pc Primär, Pc Sekundär), die
Kabinendruck-Änderungsrate
und den Atmosphärendruck
(Pa). Auf der Grundlage dieser Drücke bestimmt
der Prozessor 608 auch die Kabinenhöhe, die Kabinenhöhen-Änderungsrate und den Kabine-zu-Atmosphäre-Differenzdruck. Neben
diesen Signalen erzeugt der Prozessor 608 auch verschiedene
diskrete logische Signale. Zu den diskreten logischen Signalen gehören, ohne
darauf beschränkt
zu sein, ein Kabinenhöhenwarnsignal 614,
ein Sauerstoffentfaltungssignal 616 und ein Kabinenhöhengrenzsignal 618.
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In
der sekundären
Steuerung 112 bestimmt der Prozessor 608 mit Hilfe
der Differenzdrucksignale, die von seinem primären Drucksensor 502-P2 geliefert
werden, mindestens den Kabinen-zu-Atmosphäre-Differenzdruck (ΔPc/a).
Falls gewünscht,
kann der Prozessor 608 auch das Drucksignal benutzen, das
von seinem sekundären
Drucksensor 502-S2 geliefert wird, um den Kabinendruck
(Pc Sekundär) zu bestimmen, und dieses
liefern. Außerdem
kann, wie oben erwähnt,
der Prozessor der sekundären
Steuerung in einigen Ausführungsformen
auch das Flugzeughöhensignal 613 empfangen.
Falls dem so ist, kann der Prozessor 608 auch den Atmosphärendruck
(Pa) bestimmen. Folglich kann der Prozessor 608 der
sekundären
Steuerung 112 ähnlich
wie der Prozessor 608 in der primären Steuerung 110 in
einigen Ausführungsformen
auch die Kabinenhöhe
und die Kabinenhöhen-Änderungsrate
bestimmen und kann außerdem,
falls gewünscht,
verschiedene diskrete logische Signale erzeugen, zum Beispiel das Kabinenhöhenwarnsignal 614 und
das Sauerstoffentfaltungs-Steuersignal 616.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist zu sehen, dass das Kabinenhöhenwarnsignal 614 und das
Sauerstoffentfaltungssignal 616, die von dem Prozessor 608 erzeugt
werden, an die diskrete Signalverarbeitungsschaltung 610 geliefert
werden. Wie weiter unten ausführlicher
beschrieben werden wird, wird jedoch das Kabinenhöhengrenzsignal 618,
das von dem Prozessor 608 nur in der primären Steuerung 110 erzeugt
wird, an eine andere Schaltung geliefert, die benutzt wird, um eine
Kabinenhöhengrenzfunktion
auszuführen.
Die Kabinenhöhengrenzfunktion
und die Schaltung, die zur Ausführung
dieser Funktion benutzt wird, werden weiter unten ausführlicher
beschrieben. Vorher wird jedoch nun die diskrete Signalverarbeitungsschaltung
beschrieben.
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Die
diskrete Signalverarbeitungsschaltung 610 empfängt das
aufbereitete analoge Drucksignal von der analogen Signalaufbereitungsschaltung 604 und
mindestens einige der diskreten logischen Signale von dem Prozessor 608 und
liefert verschiedene diskrete logische Ausgangssignale 622, 624, 626 an die
Flugzeugavionikprüffolge 120 über den
I/O-Verbinder 611. Die diskrete Signalverarbeitungsschaltung 610 wird
auch benutzt, um ein analoges diskretes Höhengrenzsignal 628-1, 628-2 bereitzustellen, das
auf dem Druck beruht, der jeweils von dem sekundären Drucksensor 502-S1 oder 502-S2 gefühlt wird.
Dieses diskrete Signal 628 wird nicht an die Avionikprüffolge 120,
sondern an die oben erwähnte Schaltung
geliefert, die benutzt wird, um die Kabinenhöhengrenzfunktion auszuführen. In
der dargestellten Ausführungsform
weist die diskrete Signalverarbeitungsschaltung 610 mehrere
Komparatorschaltungen 632, mehrere logische ODER-Schaltungen 634 und
mehrere Umkehrpufferverstärkerschaltungen 636 auf.
Eine jeder dieser Schaltungen wird benutzt, um jedes der diskreten
logischen Signale 622, 624, 626 zu erzeugen,
die an die Avionikprüffolge 120 geliefert
werden, wohingegen nur eine Komparatorschaltung 632 benutzt
wird, um das analoge diskrete Höhengrenzsignal 628 zu
erzeugen.
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Wie
dargestellt, weist jede Komparatorschaltung 632 mindestens
zwei Eingangsanschlüsse
auf, wobei ein Eingangsanschluss verbunden ist, um das aufbereitete
analoge Drucksignal zu empfangen, und der andere Eingangsanschluss
mit einem variablen Spannungsteiler 623 verbunden ist,
der auf einen vorbestimmten Spannungssollwert eingestellt ist. Jede
Komparatorschaltung 632 arbeitet in gleicher Weise. Das
heißt,
wenn die Größe des aufbereiteten analogen
Drucksignals geringer als der gegebene Spannungssollwert ist, gibt
die Komparatorschaltung 632 ein logisches hohes Signal
aus, und anderenfalls gibt sie ein logisches niedriges Signal aus.
Der Ausgang jeder Komparatorschaltung 632 ist mit einer
der logischen ODER-Schaltungen 634 verbunden.
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Ähnlich den
Komparatorschaltungen 632 weist jede logische ODER-Schaltung 634 mindestens
zwei Eingangsanschlüsse
auf. Wie oben erwähnt,
ist einer der Eingangsanschlüsse
mit dem Ausgang einer der Komparatorschaltungen 632 verbunden.
Der andere Eingangsanschluss ist verbunden, um eines des diskreten
Signale zu empfangen, die von dem Prozessor 608 geliefert
werden. Wie im Allgemeinen bekannt, gibt eine logische ODER-Schaltung
ein logisches hohes Signal aus, wenn eine oder mehrere ihrer Eingänge hoch
sind, und gibt ein logisches niedriges Signal aus, nur wenn alle
ihre Eingänge
niedrig sind. Folglich gibt jede logische ODER-Schaltung 634 in
der dargestellten Ausführungsform
ein logisches hohes Signal aus, wenn entweder ihre entsprechende
Komparatorschaltung 632 ein hohes Signal ausgibt oder das
diskrete Signal, das von dem Prozessor 608 an sie geliefert
wird, ein hohes Signal ist. Der Ausgang jeder logischen ODER-Schaltung 634 ist
mit dem Eingang eines der Umkehrpufferverstärker 636 verbunden,
der den Ausgang der logischen ODER-Schaltung umkehrt und dieses
umgekehrte diskrete logische Signal über den I/O-Verbinder 611 an
die Avionikprüffolge 120 liefert.
Es wird darauf hingewiesen, dass die diskreten Ausgänge und
die analogen diskreten Ausgänge (das
heißt,
die Ausgänge
der Komparatorschaltung 632) des Prozessors 608 an
die Avionikprüffolge 120 getrennt
geliefert werden könnten
statt die Signale logisch zusammen zu ODERn. Allerdings wird durch das
logische ODERn der Signale ein einziger Ausgang für jedes
diskrete Signal benutzt, was für
die Gesamtverdrahtung in dem Flugzeug eine Einsparung bedeutet.
Darüber
hinaus wird man zu schätzen wissen,
dass die Pufferverstärker 636 je
nach der ausgeführten
Logik entweder hochseitige Treiber oder niederseitige Treiber sein
könnten.
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Mit
erneutem Bezug auf 5 ist zu sehen, dass die Ventilbetätigungs-Steuerschaltungen 116 in jeder
Steuerung 110, 112 eine Motorsteuerschaltung 506,
eine Überwachungsschaltung 508,
eine Umkehrabschaltschaltung 512 und eine Umkehrschaltung 514 aufweisen.
Die Motorsteuerschaltungen 506 in jeder Steuerung 110, 112 empfangen
die Betätigungssteuersignale,
die von der entsprechenden Messgeräte- und Steuerschaltung 114 geliefert
werden, und liefern als Reaktion angemessene Umkehrsteuersignale.
Die Umkehrsteuersignale werden über
die zugehörigen
Motorüberwachungsschaltungen 508 an
die zugehörigen
Umkehrabschaltschaltungen 512 geliefert. In der dargestellten
Ausführungsform,
in der das primäre 134 und
das sekundäre 136 Betätigungselement
jeweils bürstenlose Gleichstrommotoren
sind, sind die Umkehrsteuersignale, die von den Motorsteuerschaltungen 506 geliefert
werden, Dreiphasen-Impulsbreitenmodulations (pulse width modulation
= PWM)-Steuersignale. Die Motorsteuerschaltungen 506 empfangen
auch Positionsrückkopplungssignale
von den zugehörigen
Motorkoordinatenwandlern und den oben erläuterten Ventilpositionssensoren 434.
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Als
Reaktion auf die Umkehrsteuersignale, die von den Motorsteuerschaltungen 506 geliefert werden,
liefern die Umkehrabschaltschaltungen 512 Gateantriebssignale
an die zugehörigen
Umkehrschaltungen 514. Die Umkehrschaltungen 514 liefern als
Reaktion auf die Gateantriebssignale die Ventilbefehlssignale je
nach Bedarf an das primäre 134 oder
das sekundäre 136 Betätigungselement
des Auslassventils. In der dargestellten Ausführungsform sind die Ventilbefehlssignale
Dreiphasen- Wechselstrommotor-Antriebssignale.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist zu sehen, dass die Betätigungssteuersignale,
die an die Motorsteuerschaltungen 506 geliefert werden,
und die Steuersignale, die von diesen geliefert werden, durch die
zugehörigen Überwachungsschaltungen 508 gehen.
Die Überwachungsschaltungen 508,
die in der dargestellten Ausführungsform
als programmierbare logische Vorrichtungen (PLDs) ausgeführt sind, überwachen
jeweils den Betrieb ihrer zugehörigen
Motorsteuerschaltung 506. Wenn eine Motorüberwachungsschaltung 508 bestimmt,
dass ihre zugehörige
Motorsteuerschaltung 506 nicht richtig funktioniert, deaktiviert
sie die zugehörige
Motorsteuerschaltung 506 und liefert ein Signal an die
Umkehrabschaltschaltung 512. Die Umkehrabschaltschaltung bewirkt
wiederum 512, dass die zugehörige Umkehrschaltung 514 abgeschaltet
wird. Folglich wird der Ausgang in der ausgeführten Steuerung vollständig abgeschaltet.
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Neben
der oben beschriebenen Überwachungsfunktion
weisen die Motorüberwachungsschaltungen 508 auch
einen eingebetteten Motorsteueralgorithmus auf. Der Algorithmus,
der ein relativ simpler Steueralgorithmus ist, kann von den Ventilbetätigungs-Steuerschaltungen 116 ausgeführt werden,
um die Position des Auslassventils 104 zu steuern. Die
Umstände,
unter denen die Motorüberwachungsschaltungen 508 den
eingebetteten Steueralgorithmus ausführen, werden weiter unten ausführlicher
erläutert.
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Das
oben beschriebene System zur Kabinendruckregelung 100 ist
nicht nur konfiguriert, um normale Flugzeugkabinendruck-Steuerfunktionen auszuführen, sondern
außerdem
konfiguriert, um verschiedene Schutzfunktionen auszuführen. Zum Beispiel ist
das System 100 konfiguriert, um eine Differenzüberdruck-Grenzfunktion,
eine Differenzunterdruck-Grenzfunktion und die oben erwähnte Kabinenhöhen-Grenzfunktion
auszuführen.
Die Art und Weise, auf welche diese Schutzfunktionen jeweils ausgeführt werden,
wird nun ausführlicher
beschrieben, wobei mit der Kabinenhöhen-Grenzfunktion begonnen
wird. Hierbei wird auf 5 und 6 zusammen
Bezug genommen.
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Wie
oben erwähnt,
stellt der Prozessor 608 in der Steuerschaltung 504 der
primären
Steuerung ein durch eine Software erzeugtes diskretes Höhengrenzsignal 618 bereit,
das auf dem Drucksignal beruht, das von seinem primären Drucksensor 502-P1 geliefert
wird, und die diskrete Signalverarbeitungsschaltung 610 liefert
ein analoges diskretes Höhengrenzsignal 628-1,
das auf dem Drucksignal ihres sekundären Drucksensors 502-S1 beruht.
Außerdem liefert
die diskrete Signalverarbeitungsschaltung 610 in der sekundären Steuerung 112 ein
analoges diskretes Höhengrenzsignal 628-2,
das auf dem Drucksignal beruht, das von ihrem sekundären Drucksensor 502-S2 geliefert
wird.
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Die
diskreten Höhengrenzsignale 618, 628-1 der
primären
Steuerung werden an die Ventilbetätigungs-Steuerschaltung 116 der primären Steuerung, die
Messgeräte-
und Steuerschaltung 114 der sekundären Steuerung und die Ventilbetätigungs-Steuerschaltung 116 der
sekundären
Steuerung geliefert. In ähnlicher
Weise wird das diskrete Höhengrenzsignal 628-2 der
sekundären
Steuerung an die Ventilbetätigungs-Steuerschaltung 116 der
sekundären
Steuerung, die Messgeräte-
und Steuerschaltung 114 der primären Steuerung und die Ventilbetätigungs-Steuerschaltung 116 der
primären
Steuerung geliefert. Wenn zwei der drei diskreten Höhengrenzsignale 618, 628-1, 628-2 anzeigen,
dass ein Höhengrenzzustand
existiert, wird die automatische Steuerung von der Messgeräte- und
Steuerschaltung 114 der primären Steuerung unterbrochen
und die primäre
und die sekundäre
Ventilbetätigungs-Steuerschaltung 116 liefern
gleichzeitig Ventilsteuersignale an das Auslassventil 104,
die bewirken, dass sich das Auslassventil 104 schließt.
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Wenngleich
die oben beschriebene Kabinenhöhen-Grenzfunktion
in jeder beliebigen von zahlreichen Arten und Weisen ausgeführt werden
kann, werden die diskreten Höhengrenzsignale 618, 628-1, 628-2 in der dargestellten
Ausführungsform
jeweils sowohl an die F-zu-D-Schaltungen 602 als auch an die
Motorüberwachungsschaltungen 508 in
der primären 110 und
der sekundären 112 Steuerung
geliefert. Wenn die F-zu-D-Schaltung 602 und
die Motorüberwachungsschaltung 508 in
der gleichen Steuerung 110 oder 112 beide bestimmen,
dass zwei der drei diskreten Höhengrenzsignale 618, 628-1, 628-2 anzeigen,
dass ein Höhengrenzzustand
vorliegt, unterbricht die Motorüberwachungsschaltung 508 alle Betätigungssteuersignale,
die von der zugehörigen Messgeräte- und
Steuerschaltung 114 geliefert werden, und befiehlt der
Motorsteuerschaltung 506, Umkehrsteuersignale zu liefern,
die bewirken, dass sich das Auslassventil 104 schließt. Wenn
die Motorsteuerschaltung 506 in entweder der primären 110 oder der
sekundären 112 Steuerung
nicht reagiert und der Höhengrenzzustand
fortbesteht, deaktiviert die Motorüberwachungsschaltung 508 die
Motorsteuerschaltung 506 und führt den oben erwähnten simplen
Motorsteueralgorithmus aus, um das Schließen des Auslassventils 104 zu
befehlen.
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Die
Steuereinheiten 102 führen
die Differenzüberdruck-
und Differenzunterdruck-Grenzfunktionen
mittels eines von zwei Verfahren aus. Das erste Verfahren wird angewendet,
wenn das System 100 mittels zwei unabhängiger Steuereinheiten 102-1, 102-2 umgesetzt
ist, wie in 1 dargestellt. Wenn bei dieser
Umsetzung ein Fehler in der primären Steuerung 110 der
aktiven Steuereinheit 102-1 (102-2) auftritt,
der dazu führt,
dass entweder eine Differenzüberdruck-
oder eine Differenzunterdruckgrenze erreicht wird, wird die inaktive
Steuereinheit 102-2 (102-1) aktiv, um die Steuerung
zu übernehmen
und den Überdruck
oder Unterdruck einzuschränken.
Wenn die vorher inaktive Steuereinheit 102-2 (102-1)
aktiviert wird, wird die vorher aktive Steuereinheit 102-1 (102-2) deaktiviert.
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Das
zweite Verfahren der Differenzdruckbegrenzung wird angewendet, wenn
das erste Verfahren den Zustand aus einem bestimmten Grund nicht korrigiert,
oder wenn das System 100 nur mit einer einzigen Steuereinheit 102 ausgeführt ist.
In jedem Fall weist die sekundäre
Steuerung 112 in der Steuereinheit 102, wie oben
erwähnt,
den Differenzdrucksensor 502-P2 auf, der den Kabinen-zu-Atmosphäre-Differenzdruck
direkt fühlt
und ein Differenzdrucksignal, das für diesen steht, an die Steuerschaltung 504-2 liefert.
Wenn die Steuerschaltung 504-2 in der sekundären Steuerung 112 bestimmt,
dass der Differenzdrucksensor (entweder Überdruck oder Unterdruck) eine
vorbestimmte Größe überschreitet,
liefert sie ein Signal an die primäre Steuerung 110,
um die Steuerung zu deaktivieren und liefert Betätigungssteuersignale an die
Ventilsteuerschaltung 116 der sekundären Steuerung, die bewirken
wird, dass sich das Auslassventil 104 öffnet, und dadurch den Differenzdruck
verringert.
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Man
wird zu schätzen
wissen, dass das Flugzeug, in dem das System zur Kabinendruckregelung 100 installiert
ist, einen Zustand erreichen könnte,
in dem die Kabinenhöhe über dem
Schwellenwert des Höhengrenzzustands
liegt. Folglich würde
die Kabinenhöhen-Grenzfunktion
dem Auslassventil 104 befehlen, sich zu schließen, wobei
es geschlossen bleiben würde,
bis der Kabinen-zu-Atmosphäre-Differenzdruck unter
einen vorbestimmten Wert verringert würde. Wenn jedoch der Flugzeug-zu-Kabinen-Differenzdruck gleichzeitig
die Differenzunterdruckgrenze überschreitet,
kann es wünschenswerter
sein, das Auslassventil 104 zu öffnen. Folglich könnte ein
potenzieller Konflikt zwischen diesen zwei Funktionen existieren.
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Um
den oben beschriebenen Konflikt zu verhindern, deaktivieren die
Steuereinheiten 102 die Kabinenhöhen-Grenzfunktion. Hierzu deaktiviert
die primäre
Steuerschaltung 504-1 das digitale Kabinenhöhengrenzsignal 618 mittels
einer Software. Da die analogen Kabinenhöhengrenzsignale jedoch nicht softwaregesteuert
sind, weisen die Steuereinheiten 102, wie in 5 dargestellt,
jeweils ein Höhengrenz-Deaktivierungsrelais 516 auf.
Das Relais 516 weist zwei gewöhnlich geschlossene Kontakte 518 auf,
die in Reihe in den Signalwegen angeordnet sind, durch die jedes
der analogen diskreten Höhengrenzsignale 628-1, 628-2 zwischen
der primären 110 und
der sekundären 112 Steuerung übertragen wird.
Die Position der Höhengrenz-Relaiskontakte 516 wird über ein
diskretes Höhengrenz-Deaktivierungssignal 522 gesteuert,
das von der Steuerschaltung 504-2 der sekundären Steuerung
geliefert wird. Wenn insbesondere der Kabinen-zu-Atmosphäre-Differenzdruck, der von
dem Differenzdrucksensor 502-P2 gefühlt wird, unter einem vorbestimmten
Wert liegt, liefert die Steuerschaltung 504-2 der sekundären Steuerung
das diskrete Höhengrenz-Deaktivierungssignal 626 an
das Relais 516. Als Reaktion öffnen sich die Höhengrenz-Relaiskontakte 518 und
die analogen diskreten Kabinenhöhengrenzsignale 628-1, 628-2 werden
nicht an die andere Steuerung 110, 112 geliefert.
Auf diese Weise wird die Kabinenhöhengrenzfunktion deaktiviert
und die Steuereinheit 102 kann das Auslassventil 104 öffnen.
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Wenngleich
die Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist,
wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden
können
und Entsprechungen durch Elemente davon ersetzt werden können, ohne
den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Außerdem können zur Anpassung an eine
bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material viele Modifikationen
an den Lehren der Erfindung vorgenommen werden, ohne den wesentlichen Schutzbereich
davon zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die bestimmte
Ausführungsform eingeschränkt sein,
die als die beste Art und Weise zur Ausführung dieser Erfindung offenbart
ist, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen einschließen, die
innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche liegen.