JP3628711B2 - 圧力変換器出力を線形化する回路を備えたエアデータ測定システム - Google Patents

Description

発明の背景
1.発明の分野
この発明は、エアデータ測定システムに関し、さらに詳しくは、圧力変換器と、航空機の対気速度に関連して圧力変換器のアナログ出力を線形化する回路とを有するエアデータ測定システムに関する。
2.関連技術の説明
航空機の対気速度を決めるためには、航空機の外側の気流の衝撃圧力Qcを測定する必要がある。衝撃圧力は対気流のトータル又はピトー（Pitot）圧力と静的圧力との間の差として定義される。それは対気速度で指数関数的に変わり、次のごとく表せる；
Qc＝Ps^＊(((１＋(0.2^＊(As/S)^２))^3.5)−１)
ここで、Ps＝海上での圧力；
As＝対気速度；及び
Ss＝音速
衝撃圧力は、圧抵抗ブリッジを装着した可撓性ダイアフラムを介して差動圧力変換器によって通常測定される。その変換器は、ダイアフラムの変形に対応して電圧信号を発生すべく形成されている。可撓性ダイアフラムの物理的な変形特性により、圧力変換器はその弾性変形範囲のすみずみの圧力に線形的に比例する電圧信号を作成することができない。従って、製造者は、電圧信号が圧力範囲、すなわちダイアフラムの弾性変形範囲内に相対的に入る圧力範囲に線形的に比例する１つの範囲を特定する。圧力の完全な範囲を正確に測定するためには、ユーザはしばしば異なる線形作動範囲を持つ多数の圧力変換器を用いる。しかしながら、この解決策はエアデータ測定システムのコストと複雑さを増す。
線形の拡張範囲を持つ、すなわち圧力の拡張範囲を越える変形に線形的に関連した電圧信号を発生できる、従来の圧力変換器があるが、それらは高価であり、従って商業用途を限定されている。これらの圧力変換器はまた、オフセット・エラーの大きさが変換器の圧力範囲に直接比例するので、比較的大きなオフセット・エラーを有し好ましくない。さらに、衝撃圧力Ｑが対気速度により指数関数的に変わるので、差動圧力変換器は低い対気速度で低い電圧信号を作成する。これらの低い電圧信号は測定システムのノイズに影響されやすく、それによって低い対気速度の測定を不正確にする。従ってユーザはしばしば高価でかつ高い感度の圧力変換器を低い対気速度範囲用に使用する。
依って、航空機の対気速度の全差動範囲に対する低いコストの圧力変換器を用い、かつ高対気速度のみならず低対気速度に対する高度に正確な圧力測定を提供するエアデータ測定システムが必要である。
発明の要旨
この発明の目的は、単一の圧力変換器を使用する航空機の対気速度の全範囲を越えるエア圧力を正確に測定する低コストのエアデータ測定システムを提供することである。
この発明のもう１つの目的は、単一の圧力変換器を使用する航空機の対気速度の拡張範囲（extended airspeed range）を越えるエア圧力を正確に測定する低コストのエアデータ測定システムを提供することである。
この発明の更にもう１つの目的は、低い対気速度では圧力変換器の感度を自動的に増大させ、高い対気速度では圧力変換器の感度を減じる回路を提供することである。
この発明の更にもう１つの目的は、対気速度の全作動範囲に対して高感度の圧力変換器を用いて変換器のオフセット・エラー（offset error）を最小にできるようにすることである。
好ましい実施態様によれば、エアデータ測定システムは、航空機の外側のエア圧力を感知する装置と、可撓性ダイアフラムに装着された圧抵抗ブリッジ（piezoresistive bridge）を有する圧力変換器とを含む。圧抵抗ブリッジはダイアフラム、従ってブリッジに供給された感知エア圧力に応答して変わる電気抵抗を有する。システムはまた、圧抵抗ブリッジに励起電流を供給しその大きさを変えるために圧力変換器に作動的に接続された電流源を含む。更に含まれるのは、圧抵抗ブリッジの電気抵抗の変化を感知し、感知エア圧力に対応して圧抵抗ブリッジから信号を出力するために、圧力変換器に接続された出力装置である。電流源手段は低対気速度で変換器の感度を増大させ、高対気速度で変換器の感度を減ずるように、出力装置の出力信号に応答してブリッジへの励起電流を変える。
この発明の他の目的及び特徴は、添付の図面に関連して考慮された次の詳細な説明から明らかになろう。しかしながら、その図面は、図示の目的にのみデザインされたものであって、この発明の限定の定義としてではなく、この発明の参照は添付された請求の範囲に対してなされるべきであることを理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
図面において、同様の参照記号は次の数図を通じて類似の要素を示す：
図１は、この発明のエアデータ測定システムの好ましい実施態様を略図で示し、
図２は、この発明の線形化回路の好ましい実施態様の概略図であり；
図３は、図２の線形化回路の実施態様のいくつかのパラメータをグラフで示し；
図４は、この発明のエアデータ測定システムのもう１つの実施態様の回路図である。
現在の好ましい実施態様の詳細な説明
図１を詳細に参照すると、この発明による航空機の対気速度を測定するエアデータ測定システムの現在の好ましい実施態様が示されている。図１を詳細に参照すると、この発明による航空機の対気速度を測定するエアデータ測定システムの現在の好ましい実施態様が示されている。システム10は、航空機の外側の気流の静的およびピトー（又はトータル）圧力P₁とP₂に連通する一対の圧力ポート（図示しない）に接続された差動圧力変換器14を含む。圧力変換器14は、例えばEGアンドＧ社のICセンサ・型番1210A−002のように、可撓性ダイアフラムと、その電気抵抗が測定圧力（つまりP₁とP₂の差）によって変化し、かつ、その感度が通過する励起電流（I_x）によって変化する圧抵抗ブリッジとを含むことが好ましい。システム10はまた、圧力変換器14の温度を感知する温度センサ16と、例えば中央処理ユニット（CPU）25による好適なヒータ制御器および特定温度範囲内に圧力変換器14の温度を調整又は維持するヒータ電源に接続されるヒータ18とを含む。参照電圧源22は温度センサ16に電圧信号を供給する。
エアデータ測定システム10は、参照電圧源22から参照電圧信号V_refを受け取って圧力変換器14への励起電流I_xを生成する線形化回路20を含む。線形化回路20は、変換器14によって感知される衝撃圧力に対応する圧力指示信号E_outを出力する。システム10はまた、アナログ圧力指示信号E_outを、CPU25により処理するデジタル信号E'_outに変換するアナログ／デジタル変換器24を含んでもよい。CPU25は、E'_outを含む多くのパラメータと、温度センサからの温度測定信号（Temp）と、圧力変換器14の温度影響を補正するためのEEROM12からの適当な較正定数とに基づいて、航空機の対気速度を計算する。
以下に述べるように、線形化回路20によって与えられる励起電流I_xは自動的に調整でき、航空機の対気速度に対して変換器の感度を変化させる。この特徴により、航空機の対気速度の全作動範囲用として、ユーザが約2psiつまり４インチHgの小さな線形圧力範囲を有する低価格圧力変換器を使用できることは、好都合である。
図２は圧力変換器14の圧抵抗ブリッジ26と、線形化回路20の好ましい実施態様とを概略的に示す。圧抵抗ブリッジ26は抵抗R₁、R₂、R₃およびR₄と接合点28、30、32および34を含む。線形化回路20は、好ましくは、非反転入力38、反転入力40および極めて大きい増幅ゲインK₁（これは理想的には無限大であるが、例えば100,000に設定できる）を有するオペアンプ36を含む。非反転入力38は、参照電圧源22に接続されて参照電圧信号V_ref（例えば2.5ボルト）を受け、反転入力40は接合点42を介してブリッジ26のノード32へ接続される。アンプ36の出力はブリッジ26のノード28に接続される。感知抵抗Ｒ _ｓは、その一端が接合点42に接続され、他端が接地される。回路20はまた、非反転入力46,反転入力48および増幅ゲインK₂（例えば、K₂＝100）を有する差動アンプ44を含む。非反転入力46はブリッジ26のノード34に接続され、反転入力48はブリッジ26のノード30に接続されて、ノード30と34の電位差に比例し、かつ、ダイアフラムと圧抵抗ブリッジ26とに与えられる圧力に対応する圧力指示信号E_outを出力する。回路20は、一端が接合点42に他端が差動アンプ44の出力に接続されたフィードバック抵抗R_fさらに含む。
そのように接続されると、当業者であれば直ちに理解することであるが、電圧信号E_outと、R_fとR_sの抵抗値とは、ブリッジ26を通過する励起電流I_xの量に影響を及ぼし、それによって、ブリッジ26の感度に影響を及ぼす。実際、励起電流I_xは、圧力指示電圧信号E_outによって変化し、I_xはE_out＝０のときに最大となり、その後E_outが増大するにつれてI_xは減少する。これは概念的に次のように説明できる。アンプ36は、接合点42をV_refに保持しようとするとき、接合点42からの電流を感知する。従って、E_outがV_refより小さいとき、I_xの一部は必然的にR_fを介して漏れる。そこでR_sの両端にV_refを維持するために、アンプ36はブリッジ26を介してI_xを増大させねばならず、それによってブリッジ26の感度を増大させる。一方、E_outがV_refより大きい時には、電流は差動アンプ44からR_fとR_sを介して流れる。この電流I_xに対する要求を減じ、接合点42をV_refに維持する。従って、それに応じてオペアンプ36はブリッジ26を通る電流I_xを減じ、それによって、ブリッジ26の感度を減じる。
この実施態様においては、V_refはE_outの大きさがV_refを超えるときI_xの大きさが減少するようなI_xを調整するためのしきい値のように見えるかもしれない。E_outの大きさがV_refより小さくなると、I_xの大きさが増大する。
従って、この発明によれば、線形化回路20は、都合のよいことに、低い対気速度（低いE_outに対応する）においてブリッジ26を通る励起電流Ixを増大させ、それによって低い対気速度における変換器14の感度を増大させる。逆に、線形化回路20が励起電流を減ずる時、高い対気速度（高いE_outに対応する）において変換器14の感度は減少する。
変換器14にそのような調整を与えることは特に利点であるが、それは上述の式で示したように衝撃圧力Q_cが航空機の対気速度によって指数関数的に変化するからである。その式により、低い対気速度において、圧力の小さい変化は、指示される対気速度の大きい変化に対応し、一方、高い対気速度においては、圧力の小さい変化は対気速度のきわめて小さい変化に対応する。従って、この発明によれば、線形化回路20は、高測定感度、低い対気速度における精度、および高い対気速度における低測定感度を提供する。
この発明は、航空機の対気速度の全作動範囲用として唯一の低コスト圧力変換器を利用できるエアデータ測定システムを提供する。圧力変換器は狭い特定の線形範囲（例えば２インチHg）を有し、高い可撓性を有するダイヤフラム等により圧力単力単位当たり比較的高い電圧信号を出力することが好ましい。但し、注意すべきことは、選択した変換器は十分に堅牢で、圧力の所定範囲の下で作動したときに永久変形しないことが好ましい。
都合のよいことには、エアデータシステム10による圧力測定の精度と信頼性は少なくとも次の点で従来のシステムより十分に改良されている。（１）その出力が線形化回路によって増幅される高感度変換器の使用による低い対気速度の測定、および（２）圧力変換器の特定の圧力範囲のパーセンテージであるオフセット・エラー（つまり、特定の圧力範囲が小さい程、オフセット・エラーが小さくなる）。
１つの特別な実施態様においては、エアデータシステム10の要素は、次の特定の値を有する。
圧力変換器（14）の線形圧力範囲＝4.072インチHg
圧力変換器出力感度＝0.050VFS（フルスケール）
差動アンプ（44）のゲイン＝100
オペアンプ（36）のゲイン＝100,000
R_sの抵抗値＝3,000Ω
R_fの抵抗値＝3,700Ω
V_ref＝2,500V
R_fとR_sの上記抵抗値は、圧力指示信号E_outが対気速度の範囲、例えば約０〜約500ノットにわたってほぼ線形化されるように選ばれる。この実施態様の性能は、対気速度（A/S）の関数としての次のパラメータによって立証される。（１）線形化回路20のシステムゲインとして見なすことができる正規化されたゲイン（つまり、E_out/衝撃圧力）対A/S、（２）回路20の線形化アンプ出力（つまり、E_out対A/S）、および（３）衝撃圧力として対気速度の関数として表される、線形化回路20がない場合のアンプ出力（つまり、Q_c対A/S）。これらのパラメータは図３のグラフで示される。正規化ゲイン（曲線100）の値は左側の縦軸に沿って示され、線形化アンプの出力（曲線102）と線形化なしのアンプ出力（曲線104）の値は、右側の縦軸に示されている。予想されるように、この実施態様の正規化ゲイン（曲線100）は、低い対気速度で最も高く、高い対気速度で最も低い。さらに、線形化アンプの出力（曲線102）つまりE_outは、対気速度に対してほぼ線形である。一方、線形化なしのアンプ出力を示す曲線104は、対気速度に対して指数関数的に変化し、その値は対気速度の全範囲（端の点を除く）について曲線102の値よりも一貫して低い。
前述の開示から明らかであるが、当業者であれば、対気速度の異なる差動範囲を必要とする商用や軍用など様々な用途に対してR_fとR_sについて容易に適当な抵抗値を選択して線形化回路20を調整するであろう。
図４はこの発明の好ましい実施態様の回路図である。この実施態様は、圧力変換器14,ヒータ18、温度センサ16、線形化回路20、参照電圧源22,および圧力変換器14用の所定較正定数を有するEEROM12を備える。この実施態様では、抵抗R_SとR_fは、実質的に同じ物理的特性を有し、R_sのR_fに対する比が時間の経過やある温度範囲にわたって実質的に同じに維持されるように、同じ抵抗のネットワークRN1によりグループ化されている。
この発明のエアデータ測定システムは、対気速度の測定以外に広い多様な使用用途に適する。エアデータ測定システム10は、例えば、航空機の対気速度の測定の代わりに、航空機の外側の大気圧を測定する静圧変換器のみを採用し、航空機の圧力又は気圧高度を決定するようにしてもよい。
オペアンプ36とフィードバック抵抗R_fの代わりにフィードバック・コントローラ（図示しない）と制御可能電流源（図示しない）を用いることもまた、この発明の範囲内である。フィードバック・コントローラは差動アンプ44の出力と、ブリッジ26へ電流I_xを供給する制御可能電流源とに接続される。フィードバック・コントローラは、デジタル又はアナログでもよく、例えばE_outを一組の所定のしきい値と比較することによってE_outを解析し、制御可能電流源によって出力される適当な励起電流I_x（特定のしきい値に対応する）を決定する。
従って、好ましい実施態様に適用されるこの発明の基本的な新しい特徴が示され、説明され、指摘されたが、説明した装置の形式や詳細およびその動作における種々の省略や代用や変更は、この発明の精神から離れることなく当業者によってなされることは、理解されるであろう。例えば、同じ結果を達成するために実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行する全ての組み合わせのこれらの要素および／又は方法がこの発明の範囲内にあることは、明白に意図されたものである。従って、この発明は、ここに添付されたクレームの範囲によって示されるようにのみ限定される。

Claims (6)

1. 航空機の外側のエア圧力を感知する手段と；
   前記感知手段からの感知エア圧力に連通して圧抵抗ブリッジを含み、前記圧抵抗ブリッジが、上流端および下流 端と、これらの上流端および下流端の間に延びる第１お よび第２抵抗分枝部とを有し、各第１および第２抵抗分 枝部が感知エア圧力に応答して変わる電気抵抗を持ち、 さらに分岐点を持つ圧力変換器と；
   前記圧抵抗ブリッジの上流端および下流端にそれぞれ作 動的に接続され、前記圧抵抗ブリッジに励起電流を供給しその大きさを変える出力端および入力端を有する励起電流源手段と；
   前記圧抵抗ブリッジの前記第１および第２抵抗分枝部の 分岐点の少なくとも一つに接続され、前記圧抵抗ブリッジの電気抵抗の変化を感知する入力端を持ち、さらに感 知エア圧力に対応する出力信号を生じさせる出力端を含 む出力手段と、
   前記励起電流源手段の入力端と前記出力手段の出力端と に接続され、前記励起電流源手段が、前記出力信号の大 きさが予め選択された値以下のときには前記圧抵抗ブリ ッジへの前記励起電流を増大させ、前記出力信号の大き さが予め選択された値以上のときには前記圧抵抗ブリッ ジへの前記励起電流を減少させるフィードバック手段と
   を備えた航空機用エアデータ測定システム。
2. 前記感知エア圧力が、ピトー圧と静的圧力との差である請求の範囲１のエアデータ測定システム。
3. 前記出力手段が、出力、反転入力及び非反転入力を有する差動アンプと、前記差動アンプが感知エア圧力に対応して電圧信号を出力するように、前記差動 アンプの前記反転入力及び非反転入力を前記圧抵抗ブリ ッジの前記分岐点に接続する手段とを含む請求の範囲１のエアデータ測定システム。
4. 前記励起電流源手段が、
   参照電圧信号を供給する手段と；
   出力と、反転及び非反転入力とを有するオペアンプであって、前記非反転入力を前記参照電圧供給手段に接続す る手段と、前記反転入力を前記圧抵抗ブリッジの下流端 に接続する手段と、前記オペアンプの出力を前記圧抵抗 ブリッジの下流端に接続する手段とを有し、さらに反転及び非反転入力が実質的に同一電圧となるように極めて大きなゲインを有するオペアンプとを含み；
   前記フィードバック手段が、
   第１端及び第２端を有する感知抵抗であって、前記感知 抵抗の第１端を前記圧抵抗ブリッジの下流端及び前記オペアンプの前記反転入力に接続する手段を有する感知抵 抗と、
   励起電流が前記圧抵抗ブリッジの上流端から下流端に流 れるように前記感知抵抗の第２端を接地に接続する手段 と；
   前記差動アンプの前記出力に接続された第１端と、前記 オペアンプからの励起電流が前記差動アンプの前記出力に応答して変わるように前記感知抵抗の前記第１端に接続された第２端とを有するフィードバック抵抗とを含む
   請求の範囲４のエアデータ測定システム。
5. 前記励起電流源手段が参照電圧を持ち、前 記出力信号の予め選択された値がその参照電圧に等しい 請求の範囲１のエアデータ測定システム。
6. 予め選択された参照電圧を提供する参照電圧源と；
   エア圧力を感知する圧抵抗ブリッジを含む圧力変換器で あって、前記圧抵抗ブリッジが、上流端および下流端と これらの上流端および下流端の間に延びる第１および第 ２抵抗分枝部とを有し、これらの第１および第２抵抗分 枝部のそれぞれが前記感知エア圧力により変わる電気抵 抗を持ち、さらに分岐点を持つ圧力変換器と；
   前記圧抵抗ブリッジへの励起電流を発生させるオペアン プであって、出力と、反転及び非反転入力と、この非反 転入力を前記参照電圧源に接続する手段と、前記オペア ンプの出力を前記圧抵抗ブリッジの上流端に接続する手 段とを有し、さらに反転及び非反転入力が実質的に同一の電圧になるように極めて大きなゲインを有するオペアンプと；
   出力と、反転及び非反転入力とを有する差動アンプであって、前記差動アンプの前記反転及び非反転入力を前記 圧抵抗ブリッジの分岐点に接続する手段を有し、さらに前記圧抵抗ブリッジの電気抵抗の変化に対応して出力信 号を発生させる差動アンプと；
   第１端及び第２端を有する感知抵抗であって、前記感知 抵抗の第１端を前記圧抵抗ブリッジの下流端と前記オペアンプの前記反転入力とに接続する手段と、前記感知抵 抗の前記第２端を接地に接続する手段とをさらに有する感知抵抗と；
   第１端及び第２端を有するフィードバック抵抗であって、前記フィードバック抵抗の第１端を前記差動アンプ の前記出力に接続する手段と、前記オペアンプから前記 圧抵抗ブリッジの上流端への励起電流が前記作動アンプの前記出力信号により変わるように、前記フィードバッ ク抵抗の第２端を前記感知抵抗の第１端に接続する手段 とをさらに有するフィードバック抵抗と
   からなる、圧力変換器の出力を線形化する回路。

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