DE69222172T2

DE69222172T2 - Anstellwinkelsensor basierend auf dem umgekehrten verhältnis von druckunterschieden

Info

Publication number: DE69222172T2
Application number: DE69222172T
Authority: DE
Inventors: Floyd Hagen
Original assignee: BF Goodrich Corp
Current assignee: Goodrich Corp
Priority date: 1991-08-08
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2012-07-15
Also published as: EP0597899B1; US5205169A; DE69222172D1; WO1993003326A1; EP0597899A4; EP0597899A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erweiterung des Nutzbereichs von direkten Messungen des Anstellwinkels mit unbeweglichen Sensoren.
Bei gegenwartigen unbeweglichen Druck-Anstellwinkelsensoren wird ein Verhältnis von zwei gemessenen oder erfaßten Druckdifferenzen zur Bestimmung des Anstellwinkels verwendet. Ein hemisphärischer Endsensor ist im US-A-3,318,146 beschrieben. Sowohl der Anstellwinkel als auch der Driftwinkel werden aus den an fünf Öffnungen auf dem Ende vorhandenen Drucksignalen berechnet.
Staudüsen mit einer scharfen Spitze und Erfassungsöffnungen für den Anstellwinkel sind in den US-A-4,096,744 und 4,378,696 gezeigt. Diese Patente zeigen Fühler, die zur Bestimmung des Anstellwinkels verwendete Differenzdrücke liefern. Im Patent '696 wird eine Kombination aus Differenzdruck an zwei Öffnungen, gemessenem Pitotdruck und gemessenem statischem Druck verwendet. Im Patent '744 werden der gemessene Pitotdruck, der Druck an einer der für den Anstellwinkel empfindlichen Öffnungen und der gemessene Staudruck für die Berechnungen verwendet. Bei beiden Fühlern beruht die Messung des Anstellwinkels jedoch auf Druckdifferenzen, die, während sie in der Lage sind, den Anstellwinkel bei den meisten normalen Anstellwinkeln zuverlässig zu messen, bei der Messung von extrem hohen Winkeln Einschränkungen aufweisen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei denen Differenzdruckmessungen von geeignet angeordneten Winkelerfassungs-Öffnungen auf einem Fühler zur Bestimmung des Anstellwinkels auf einem Fühler verwendet werden. Für einen weiten Bereich von Winkeln von einer Bezugsposition oder einem Nullwinkel ist die Berechnung ein Verhältnis aus dem gemessenen Differenzdruck (P&sub1;-P&sub2;) geteilt durch den gemessenen Staudruck (qcm). Da Anstellwinkel vom Nullbezug aus wesentlich zunehmen, wird die Größe qcm, der gemessene Staudruck, annähernd Null. Die vorliegende Erfindung weist das Umkehren der Größe oder des Verhältnisses auf, die/das zur Berechnung verwendet wird, wenn der normale Nenner noch eine zuverlässige Zahl ist. Die Differenzdruckgröße wird dann der Nenner oder der Divisor, und der gemessene Staudruck wird der Zähler des Verhältnisses.
Die Umkehrung des Verhältnisses kann durch Verwendung einer Vergleichsvorrichtung ausgeführt werden, die zwischen dem ersten und dem zweiten Verhältnis umschaltet, wenn die Größe oder der Wert des gemessenen Staudrucks einen gewünschten Wert erreicht. Ein Schaltwert liegt vor, wenn das Verhältnis einen Wert von 1,0 erreicht. Sobald das normale Verhältnis umgekehrt ist, liefern die erfaßten Drucksignale weiterhin ein verwendbares Anstellwinkelsignal bis zu etwa ± 80º.
Bei vielen Sensorkonstruktionen nähert sich der gemessene Staudruck im Bereich von 65º Null. Das Auswählen des Umschaltpunkts für die Umkehrung des Verhältnisses, wobei der gemessene Staudruck ein Zähler und der Differenzdruck bei einem ganzzahligen Wert des gemessenen Staudrucks der Nenner wird, gewährleistet, daß das Ausgangs-Anstellwinkelsignal über einen größeren Bereich zuverlässig bleibt.
Die Erweiterung des Bereichs von zuverlässigen Anstellwinkel- Messungen unter Verwendung von pneumatischen Signalen wird zunehmend wichtiger und ist seit der Entwicklung von Fühlern in den 60er Jahren, wie z.B. dem im Patent 3,318,146 gezeigten, eines der angestrebten Ziele. Die vorliegende Erfindung schafft eine einfache, zuverlässige Vorrichtung, um die erforderlichen Auslesewerte ohne komplizierte Hardware oder Software zu erhalten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht eines auf Streben gelagerten Luftdaten- Erfassungsfühlers, der zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Anstellwinkels verwendbare Erfassungsöffnungen aufweist;
Fig. 2 eine Vorderansicht des Fühlers aus Fig. 1;
Fig. 3 eine bruchstückartige vergrößerte Vorderansicht des Fühlers aus Fig. 1;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die eine Skizze einer Druckdifferenz zwischen zwei Öffnungen enthält, die in gegenüberliegenden Richtungen liegen und in der Ebene Achsen aufweisen, in der der Anstellwinkel gemessen wird;
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die eine Skizze von gemessenen Staudruckänderungen innerhalb des Sensor-Anstellwinkelbereichs enthält;
Fig. 6 eine graphische Darstellung, die eine Skizze eines Anstellwinkelsignals für einen Fühler der in Fig. 1 gezeigten Art mit der erfindungsgemäßen Umkehrfunktion enthält; und
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Meßgeräteausrüstung, die mit dem Fühler aus Fig. 1 zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ein typischer Fühler zur Erfassung von Luftdaten-Parametern ist bei 10 gezeigt und weist im allgemeinen die in den US-Patenten 3,318,146 und 4,836,019 beschriebene Art auf. Der gezeigte Fühler weist die allgemeine Art auf, die verwendet wird, um die in den in den Zeichnungen enthaltenen Skizzen oder graphischen Darstellung gezeigten Informationen zu erhalten. Fig. 1 soll jedoch nicht wiedergeben, daß das bestimmte offenbarte Verhältnis von Strebenlänge zur Rohrlänge bei dem Betrieb verwendet wurde, der die Skizzenergebnisse liefert, oder daß die bestimmte in Fig. 1 gezeigte Strebe dieselbe war. Fig. 1 ist ein veranschaulichendes Beispiel für die Fühlerart, die mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Der Fühler 10 weist eine Strebe oder einen Stützabschnitt 13 und einen zylindrischen Abschnitt 14 auf, der durch die Strebe abgestützt wird. Der zylindrische Abschnitt 14 ist ein Rohr, das ein verjüngtes Ende 15 aufweist, obgleich das vordere Ende ein hemisphärisches Kopfende sein könnte, wie es beim Sensor oder Fühler aus dem US-A 3,318,146 gezeigt ist.
Das Rohr 14 weist eine Mittelachse auf, die vorzugsweise zu der Bezugs-Längsachse des Luftfahrzeugs ausgerichtet ist oder sich in einem bekannten Verhältnis zu dieser befindet. Eine nach vorne gerichtete Öffnung 16 ist mittig auf der Mittelachse angeordnet und befindet sich am hinteren Ende. Auf dem Endabschnitt 15 gibt es vier weitere Erfassungsöffnungen, die eine erste Öffnung 20 und eine zweite Öffnung 21 aufweisen, die so ausgebildet sind, daß ihre Achsen auf einer gemeinsamen Ebene liegen, die durch die Längsachse des Rohrabschnitts 14 verläuft. Diese Ebene ist im allgemeinen parallel zur Lagerfläche 12.
Die dritte und vierte Öffnung 23 und 23 sind manchmal im Endabschnitt 15 vorgesehen, und ihre Achsen liegen auf einer Ebene, die durch die Längsachse des Rohrabschnitts 14 und senkrecht zur Ebene der Achsen der Öffnungen 20 und 21 verläuft. Die Achsen der Öffnungen 22 und 23 liegen in einer Ebene, die bei 25 angezeigt ist und im allgemeinen senkrecht zur Lagerfläche 12 ist. Jede der Öffnungen, einschließlich der Öffnung 16, ist so mit einer separaten druckführenden Leitung verbunden, daß die Drücke einzeln zu den gewünschten Sensoren geleitet werden können. Solche Leitungen sind im allgemeinen bei 30, 31 und 33 in Fig. 1 gezeigt.
Darüberhinaus sind die an den jeweiligen Öffnungen erfaßten Drücke mit P&sub1; (Öffnung 20), P&sub2; (Öffnung 21) bezeichnet, Pm ist ein gemessener statischer Druck. Pm kann ein Mittelwert des an den Öffnungen 20 und 21 erfaßten Drucks oder der Mittelwert des an den Öffnungen 22 und 23 erfaßten Drucks sein oder kann ein separater auf dem Sensor gemessener statischer Druck sein. Pt'm ist der gemessene Pitotdruck, der an der Öffnung 16 gemessen wird. Alle Luftdaten-Sensoren in den Patenten gemäß dem Stand der Technik, die im Hintergrund der Erfindung erwähnt wurden, leiten einen Anstellwinkel unter Verwendung eines grundlegenden Verhältnisses von zwei Druckdifferenzen (P&sub1; - P&sub2;) / (P&sub3; - P&sub4;) ab. P&sub3; und P&sub4; sind in den vorliegenden Zeichnungen nicht bezeichnet, aber P&sub3; ist genauso groß wie der Druck Pt'm, der in der vorliegenden Anmeldung angezeigt ist, und P&sub4; des Verhältnisses gemäß dem Stand der Technik ist genauso groß wie die Pm-Messung in diesem Fall.
Es ist offensichtlich, daß sich (P&sub1; - P&sub2;), der Zähler in der Gleichung oder in dem Verhältnis, mit dem Anstellwinkel ändert. Ein in Fig. 4 gezeigtes Beispiel ist eine typische Kurve, wenn (P&sub1; - P&sub2;) durch den tatsächlichen Staudruck (qc) im Gegensatz zum gemessenen Staudruck qcm = (Pt'm - Pm) geteilt wird. Der tatsächliche Staudruck, qc, ist für alle Anstellwinkel bei jeder unterschiedlichen Machzahl eine Konstante.
Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, zeigt das Verhältnis (P&sub1; - P&sub2;) /qc eine große Empfindlichkeit für Anstellwinkel bis etwa ±70º und pendelt sich dann ein (wird weniger empfindlich) und beginnt abzunehmen, wenn sich der Anstellwinkel 90º nähert. Der Differenzdruck im Nenner (P3 - P&sub4;) der Gleichung gemäß dem Stand der Technik ändert sich ebenfalls mit dem Anstellwinkel. In Fig. 5 ist eine Skizze gezeigt, in der der Differenzdruck (P&sub3; - P&sub4;) oder (Pt'm - Pm) mit qcm oder gemessener Staudruck bezeichnet ist. Man erhält ihn im wesentlichen durch Subtrahieren des gemessenen statischen Drucks Pm vom gemessenen Pitotdruck Pt'm. Die Skizze gemäß Fig. 5 wird abgeleitet, wenn qcm durch qc geteilt wird, und zeigt eine große Anstellwinkel- Empfindlichkeit, die bei plus oder minus 80º Anstellung auf etwa -1,0 abnimmt. Die Druckdifferenz im Zähler verläuft bei einem Anstellwinkel von etwa 65º durch Null.
Während sich die in Fig. 5 gezeigte Kurvenform bei jedem der verschiedenen Sensoren ändert, gibt es während des Betriebs von Hochleistungs-Luftfahrzeugen einen Anstellwinkel, wenn der Zähler qcm durch Null verläuft. Wenn qcm gleich Null ist, wird das Anstellwinkel-Signal (P&sub1; - P&sub2;) /qcm undefiniert. Dies schränkt den brauchbaren Anstellwinkelbereich ein, den der Sensor anzeigt.
Es hat sich jedoch herausgestellt, daß, wenn das normale Anstellwinkel-Verhältnis (P&sub1; - P&sub2;) /qcm zu qcm/ (P&sub1; - P&sub2;) umgekehrt wird, wenn sich der Nenner qcm Null nähert, der brauchbare Anstellwinkel-Bereich beachtlich ausgedehnt werden kann. Ein Beispiel für diese Verhältnis ist in Fig. 6 gezeigt. In diesem Fall wird das (P&sub1; - P&sub2;) /qcm-Verhältnis umgekehrt, wenn das Verhältnis den Wert 1,0 (positiv oder negativ) erreicht, der bei der Meßfühlerart, die die in Fig. 6 gezeigten Daten lieferte, bei einem Anstellwinkel von etwa ± 48º und bei Mach 0,3 auftritt. Das umgekehrte Verhältnis qcm/ (P&sub1; - P&sub2;) liefert vom Umkehrpunkt bis etwa ± 80º Anstellwinkel weiterhin einen brauchbaren Bereich des Anstellwinkel-Signals. Das normale Verhältnis wird im Bereich A, der bei 37 angezeigt ist, verwendet. Bei Winkeln, bei denen das Verhältnis umgekehrt wird, ändert die graphische Skizzendarstellung 38 die Richtung, wie bei 38A und 38B, für die beiden Bereiche B, die bei 39A und 39B gezeigt sind, obgleich der Anstellwinkel weiterhin in derselben Richtung zunimmt (positive Winkel bei Bereich 38B und negative Winkel bei Bereich 38A). Die Kurve kann sich bei Winkeln mit extrem hohen Werten, zum Beispiel 80º und darüber, wieder umkehren. Die Machzahl beinflußt die Kurvenform insbesondere bei hohen Anstellwinkeln, aber dies kann in einem vorgesehenen Luftdaten-Computer kompensiert werden.
Die verwendete Sensor- oder Meßfühlerkonstruktion ist in der Anstellwinkel-Ebene symmetrisch. Die Größe (P&sub1; - P&sub2;) ist bei negativen Anstellwinkeln negativ, aber weist, abgesehen davon, daß das Vorzeichen der Druckdifferenz umgekehrt ist, dieselben absoluten Größen wie bei positiven Anstellwinkeln auf. Bei Verwendung in Steuerfunktionen eines Luftfahrzeugs kann das Vorzeichen der Druckdifferenz (P&sub1; - P&sub2;) verwendet werden, um zu bestimmen, ob der Anstellwinkel positiv oder negativ ist.
Unter Verwendung der in den graphischen Darstellungen und insbesondere in Fig. 6 gezeigten Informationen, wird die in Fig. 7 gezeigte Meßgeräteausrüstung zur Ausführung der Umkehrfunktion verwendet. Der Anstellwinkelsensor ist in dieser Zeichnung bei 30 gezeigt und weist Druckleitungen 31, 32, 33, 34 und 35 auf, die die einzelnen Drucksignale leiten. Drucksensoren, die schematisch bei 38 gezeigt sind, sind entweder zur Durchschnittsbildung von Staudrücken auf einen Sensor oder zum Subtrahieren (Differenzsensor) der Drücke vorgesehen, wie es für die Verhältnisgrößen benotigt wird. Das Signal aus der Pitotdruck-Öffnung, Pt'm, und die Pm-Signale werden entlang von Leitungen 40 bzw. 42 einer Subtraktionsvorrichtung 44 zugeführt, die entlang einer Leitung 45 ein Ausgangssignal erzeugt, das qcm wiedergibt. Dies ist eine gemessene Größe.
Zusätzlich liefert eine Signal-Erzeugungsvorrichtung 47 entlang der Leitung 48 ein elektrisches Signal, das gleich dem Signal ist, das der ausgewählte Schaltwert des qcm-Signals entlang der Leitung 45 ist. Leitungen, die diese Signale leiten, sind mit den Eingängen einer Vergleichsvorrichtung 49 verbunden. In einem Zustand der Vergleichsvorrichtung 49 liefert ein Luftdatencomputer 52 eine Berechnung von (P&sub1; - P&sub2;) /qcm als ein Ausgangssignal. Das (P&sub1; - P&sub2;)-Signal wird entlang einer Leitung 54 dem Luftdatencomputer 52 zugeführt, und das qcm-Signal wird entlang einer Leitung 56 dem Luftdatencomputer 52 zugeführt.
Das "Auswahl"-Signal (Ausgangssignal der Vergleichsvorrichtung) auf einer Leitung 58, das normalerweise niedrig sein kann, wird hoch, wenn das Signal aus der qcm-Berechnungsschaltung den Schwellenwert überschreitet, wenn es sich auf Null zu bewegt. Die Signaländerung auf der Leitung 58 bewirkt, daß der Computer ein Ausgangssignal erzeugt, das entsprechend dem Verhältnis qcm/ (P&sub1; - P&sub2;) ausgewählt wird. Die Verhältnisse für die beiden Berechnungen aus dem Luftdatencomputer bei diesem speziellen Einsatz sind in den Kästen 62 bzw. 64 angezeigt. Die Erzeugung eines Divisions-Ausgangssignals aus Luftdatencomputern ist wohlbekannt. Es kann auch ein Machzahl-Faktor 66 zur Kompensation auf eine wohlbekannte Weise vorgesehen sein. Die Machzahl-Kompensation wird bei bestehenden Systemen verwendet.
Die Ausgangssignal-Anzeige eines Anstellwinkels auf einer Leitung 60 ist ein digitales oder analoges Signal, das gemäß der Skizze des in Fig. 6 gezeigten Ausgangssignals erzeugt werden würde, und durch Umschalten des Verhältnisses, wenn der Wert von (P&sub1; - P&sub2;) /qcm gleich ± 1 beträgt, wenn sich qcm auf Null zu bewegt, erhält man zuverlässige Ergebnisse.
In Fig. 6 verwendet der Bereich von ungefähr -48º Anstellwinkel bis +48º Anstellwinkel die/das bei 62 im Luftdatencomputer gezeigte Gleichung oder Verhältnis, und die bei 64 gezeigte Gleichung oder das bei 64 gezeigte Verhältnis wird zwischen Anstellwinkeln von -48º und -90º sowie von Anstellwinkel von +48º bis +90º verwendet. Der Schwellen- oder Schaltwert kann, abhängig von der Sensorkonstruktion, einen Anstellwinkel zwischen etwa 35º und 55º wiedergeben, und es werden noch zuverlässige Signale empfangen. Somit könnte der zur Erzeugung des Auswahlsignals verwendete Schwellenwert für den Umkehrbefehl angemessen skaliert und mit dem tatsächlichen Anstellwinkel- Ausgangssignal auf Leitung 60 verglichen werden.
Die Größe (P&sub1; - P&sub2;) /qcm ist etwas empfindlich für die Machzahl, und deshalb wird das die Verhältnisse wiedergebende Signal normalerweise bei höheren Anstellwinkeln mit einem die Machzahl wiedergebenden Faktor kompensiert. Den Kompensationsfaktor kann man durch Windkanaltests erhalten und als Kompensation im Luftdatencomputer vorsehen.
Deshalb werden über einen größeren Bereich von Anstellwinkeln als bisher brauchbare Anstellwinkel-Signale erzeugt.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Anstellwinkels über einen wesentlichen Bereich von Winkeln, die von einer Bezugsachse in entgegengesetzte Richtungen gemessen werden, die folgendes aufweist:

eine Vorrichtung zur Messung von Drücken, die sich als eine Funktion des Anstellwinkels ändern, und zur Erzeugung eines ersten Signals, das eine Funktion der Differenz derartiger Drücke ist;

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten Signals, das eine Funktion des gemessenen Pitotdrucks und eines gemessenen statischen Drucks ist;

eine Vorrichtung zur Bestimmung, wenn das zweite Signal einen ausgewählten Wert aufweist, der von Null verschieden ist;

eine Vorrichtung zur Schaffung eines Verhältnisses, das im wesentlichen gleich dem ersten Signal geteilt durch das zweite Signal ist; und

eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Umkehrung des Verhältnisses, wenn die Bestimmungsvorrichtung anzeigt, daß das zweite Signal gleich dem ausgewählten Wert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsvorrichtung eine Vergleichsvorrichtung aufweist, um ein vom Wert des zweiten Signals abhängiges Signal mit einem Schwellen-Bezugssignal zu vergleichen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal ein Signal aufweist, das zur Differenz zwischen zwei ausgewählten Drücken von Öffnungen proportional ist, die in der Meßebene des Anstellwinkels und auf gegenüberliegenden Seiten der Bezugsachse der Messung liegende Achsen aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung eines zweiten Signals eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Signals aufweist, das einen gemessenen Pitotdruck minus einen gemessenen Druck, der eine Funktion des statischen Drucks ist, anzeigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung des zweiten Signals eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Signals aufweist, das einen gemessenen Pitotdruck von einer Öffnung, die entlang einer Bezugsachse liegt und einer Strömung vorbei am Sensor, der die Öffnung aufweist, gegenüberliegt, minus ein Signal anzeigt, das den durchschnittlichen Druck anzeigt, der an Öffnungen gemessenen wird, die mittlere Achsen aufweisen, die auf einer Ebene liegen, die senkrecht zur Bezugsebene liegt und durch die Bezugsachse verläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung des zweiten Signals eine Vorrichtung zur Schaffung des gemessenen statischen Drucks als eine Funktion des Durchschnitts der Drücke aufweist, die zur Erzeugung des ersten Signals verwendet wird.

7. Verfahren zur Bestimmung des Anstellwinkels eines Luftfahrzeugs über einen weiten Bereich von Winkeln, die in entgegengesetzten Richtungen von einer Bezugsachse gemessen werden, das die folgenden Schritte aufweist:

Erzeugung eines Signals, das ein Verhältnis von zwei Druckgrößen wiedergibt, die für einen Anstellwinkel empfindlich sind, wobei sich ein Signal, das den Nenner des Verhältnisses wiedergibt, bei bestimmten Betriebs-Anstellwinkeln Null nähert;

Erzeugung eines Ausgangssignals, das das erstgenannte Verhältnis für einen Bereich von Anstellwinkeln wiedergibt;

Auswählen eines Bezugs-Schwellensignalwerts, der einen Wert des Nenners anzeigt, der von Null verschieden ist; und

Erzeugung eines Ausgangssignal, das auf einer Umkehrung des erstgenannten Verhältnisses basiert, wenn das Signal, das den Wert des Nenners des erstgenannten Verhältnisses anzeigt, den Schwellenwert überschreitet und sich auf Null zu bewegt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Nenner ein gemessenes Staudrucksignal aufweist, das von einem gemessenen Pitotdruck minus einem Druck, der an zwei Öffnungen in einer Ebene, die senkrecht zur Meßebene des Anstellwinkels liegt, gemittelt ist, abgeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert so ausgewählt wird, daß er einen Anstellwinkel von zwischen 35º und 55º wiedergibt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert so ausgewählt wird, daß er einen Anstellwinkel von im wesentlichen 48º wiedergibt.