RU2737518C1 - Kinematic sensor of aerodynamic angle and true air speed - Google Patents
Kinematic sensor of aerodynamic angle and true air speed Download PDFInfo
- Publication number
- RU2737518C1 RU2737518C1 RU2019114938A RU2019114938A RU2737518C1 RU 2737518 C1 RU2737518 C1 RU 2737518C1 RU 2019114938 A RU2019114938 A RU 2019114938A RU 2019114938 A RU2019114938 A RU 2019114938A RU 2737518 C1 RU2737518 C1 RU 2737518C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- receivers
- angle
- outputs
- aerodynamic angle
- aerodynamic
- Prior art date
Links
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 35
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 230000010365 information processing Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 28
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 6
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
- G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
- G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения величины (модуля) и угла направления вектора скорости подвижного объекта относительно окружающей воздушной среды и может быть использовано в датчике аэродинамического угла (угла атаки или скольжения) и истинной воздушной скорости летательного аппарата, в частности самолета.The invention relates to the field of instrumentation, in particular to devices for measuring the magnitude (module) and the angle of direction of the velocity vector of a moving object relative to the surrounding air and can be used in the sensor of the aerodynamic angle (angle of attack or slip) and the true airspeed of an aircraft, in particular aircraft.
Известны устройства для измерения величины и угла направления вектора скорости газового (воздушного) потока, реализующие аэродинамический метод измерения (Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. Приемники давления и скоростного напора). М.: Машиностроение, 1972. 332 с.) - [1]; (Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения. Методы и приборы. М.: Наука, 1964. 636 с.) - [2].Known devices for measuring the magnitude and angle of the direction of the velocity vector of the gas (air) flow, which implement the aerodynamic method of measurement (Petunin AN Methods and techniques for measuring the parameters of the gas flow. Receivers of pressure and velocity head). M .: Mechanical Engineering, 1972. 332 p.) - [1]; (Gorlin SM, Slezinger II Aeromechanical measurements. Methods and instruments. Moscow: Nauka, 1964. 636 pp.) - [2].
В таких устройствах в контролируемый набегающий воздушный поток вносится приемник давлений, например, в виде сферического или цилиндрического тела, который воспринимает полное и статическое давления набегающего воздушного потока, по которым определяется величина (модуль) вектора скорости набегающего воздушного потока. Этот же приемник воспринимает давления, несущие информацию об угловом положении вектора скорости набегающего воздушного потока относительно оси приемника давлений, по которым определяются угол направления вектора скорости набегающего воздушного потока. Величина угла направления вектора скорости набегающего воздушного потока однозначно определяют аэродинамический угол и истинную воздушную скорость летательного аппарата, а частности самолета.In such devices, a pressure receiver is introduced into the controlled incoming air flow, for example, in the form of a spherical or cylindrical body, which perceives the total and static pressure of the incoming air flow, which determines the magnitude (modulus) of the incoming air flow velocity vector. The same receiver senses pressures that carry information about the angular position of the incoming air flow velocity vector relative to the pressure receiver axis, which are used to determine the direction angle of the incoming air flow velocity vector. The value of the angle of direction of the velocity vector of the incoming air flow uniquely determine the aerodynamic angle and the true airspeed of the aircraft, in particular the aircraft.
Применение таких устройств для измерения величины (модуля) и аэродинамического угла (угла атаки или скольжения) вектора воздушной скорости летательного аппарата, в частности самолета, связано с методическими и инструментальными погрешностями восприятия, передачи, преобразования и обработки амплитудных пневматических информативных сигналов (давлений, перепадов давлений, температуры), обусловленных изменением состояния окружающей воздушной среды (плотности, атмосферного давления и температуры, влажности, загрязнению и т.п.), а также с аддитивными и мультипликативными погрешностями амплитудных измерений используемых датчиков давлений, перепадов давлений, температуры, связанных с дрейфом нуля и изменением чувствительности датчиков первичной информации. Возможность засорения, замерзания, попадания пыли и влаги в отверстия приемников для забора статического и полного давлений и давлений, определяющих угол направления набегающего воздушного потока, снижают надежность работы аэрометрического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости.The use of such devices for measuring the magnitude (modulus) and aerodynamic angle (angle of attack or slip) of the airspeed vector of an aircraft, in particular an aircraft, is associated with methodological and instrumental errors in the perception, transmission, conversion and processing of amplitude pneumatic informative signals (pressures, pressure drops , temperature) caused by changes in the state of the surrounding air environment (density, atmospheric pressure and temperature, humidity, pollution, etc.), as well as with additive and multiplicative errors in amplitude measurements of the used pressure sensors, pressure drops, temperature associated with zero drift and changing the sensitivity of the primary information sensors. The possibility of clogging, freezing, dust and moisture ingress into the openings of the receivers for sampling static and total pressures and pressures that determine the angle of direction of the incoming air flow, reduce the reliability of the aerometric sensor of the aerodynamic angle and true airspeed.
Известно устройство для измерения угла направления и скорости набегающего воздушного потока, построенное на основе вихревого метода, в котором используется эффект образования и периодического срыва вихрей за плохообтекаемыми телами, например клиновидными (Патент РФ на изобретение №2506596, МПК G01P 5/00. Опубл. 10.02.2014. Бюл. №4) - [3].Known device for measuring the angle of direction and speed of the incoming air flow, built on the basis of the vortex method, which uses the effect of formation and periodic breakdown of vortices behind bluff bodies, such as wedge-shaped (RF patent for invention No. 2506596, IPC G01P 5/00. Publ. 10.02 .2014. Bull. No. 4) - [3].
В таком устройстве, предназначенном для одновременного измерения аэродинамического угла и истинной воздушной скорости, в набегающем воздушном потоке устанавливаются два клиновидных тела своими основаниями встречно набегающему воздушному потоку. При этом основания клиновидных тел имеют одинаковые размеры и расположены ортогонально друг другу. На тыльных поверхностях клиновидных тел расположены каналы регистрации частот вихреобразования за телами, включающие приемники пульсаций давлений на тыльных поверхностях, связанные со схемами регистрации частот, которые измеряют частоты вихреобразования за клиновидными телами. Схемы регистрации частот подключены ко входу вычислителя, на выходе которого формируются значения аэродинамического угла и истинной воздушной скорости в соответствии с разработанными алгоритмами.In such a device designed for simultaneous measurement of the aerodynamic angle and true airspeed, two wedge-shaped bodies are installed in the incoming air flow with their bases opposite to the oncoming air flow. In this case, the bases of the wedge-shaped bodies have the same dimensions and are located orthogonal to each other. On the rear surfaces of the wedge-shaped bodies there are channels for registering the frequencies of vortex formation behind the bodies, including receivers of pressure pulsations on the rear surfaces, connected with frequency registration schemes that measure the frequencies of vortex formation behind the wedge-shaped bodies. Frequency registration circuits are connected to the input of the calculator, at the output of which the values of the aerodynamic angle and true airspeed are formed in accordance with the developed algorithms.
Такой вихревой датчик аэродинамического угла и истинной воздушной скорости имеет один неподвижный приемник информации набегающего воздушного потока. В качестве первичных информативных сигналов используются частоты вихреобразования, выделение, преобразование и обработка которых осуществляется с малыми погрешностями. Однако устойчивое вихреобразование за телами, в том числе клиновидными, возникают в ограниченном диапазоне скоростей набегающего воздушного потока и в ограниченном диапазоне угла направления потока, что ограничивает диапазоны измерения аэродинамического угла значением ±20…25°, истинной воздушной скорости - в диапазоне от 50 до 600…800 км/ч.Such a vortex sensor of the aerodynamic angle and true airspeed has one fixed receiver of the incoming air flow information. Vortex frequencies are used as primary informative signals, the extraction, transformation and processing of which is carried out with small errors. However, stable vortex formation behind bodies, including wedge-shaped bodies, occurs in a limited range of oncoming air flow velocities and in a limited range of the flow direction angle, which limits the measurement range of the aerodynamic angle to ± 20 ... 25 °, true air speed in the range from 50 to 600 … 800 km / h.
Известны устройства для измерения аэродинамического угла и истинной воздушной скорости подвижного объекта, реализующие меточный метод измерения, при котором в набегающий воздушный поток вносится метка и с помощью регистраторов контролируется скорость и направление (траекторию) движения метки совместно с потоком (Патент США №2872609, кл 73-180. 1959) - [4]; (Заявка Японии №49 - 622, G01C 17/26, 1972) - [5], (Авторское свидетельство №735065 СССР, G01C 21/12. 1980) - [6].Known devices for measuring the aerodynamic angle and true airspeed of a moving object, implementing the marking method of measurement, in which a mark is introduced into the incoming air flow and the speed and direction (trajectory) of the mark movement together with the flow are controlled with the help of recorders (US Patent No. 2872609, class 73 -180. 1959) - [4]; (Japanese Application No. 49 - 622, G01C 17/26, 1972) - [5], (USSR Inventor's Certificate No. 735065, G01C 21/12. 1980) - [6].
За прототип взят меточный датчик аэродинамического угла и воздушной скорости (Патент РФ на изобретение №2445634, МПК G01P 5/00, G01P 5/18, G01C 21/12. Опубл. 20.03.2012. Бюл. №8) - [7].For the prototype was taken the mark sensor of the aerodynamic angle and airspeed (RF patent for invention No. 2445634, IPC G01P 5/00, G01P 5/18, G01C 21/12. Publ. 03/20/2012. Bul. No. 8) - [7].
Такое устройство-прототип содержит генератор ионных меток, систему приемных электродов (приемников параметров набегающего воздушного потока), канал регистрации ионных меток, измерительную схему, вычислительное устройство обработки и формирования выходных сигналов. Система приемных электродов выполнена в виде круглых металлических пластин, которые расположены на одинаковом расстоянии по окружности с центром в точке генерации ионной метки и установлены непосредственно под отверстием металлической пластины-маски, закрепленной на диэлектрической плате. Приемные электроды соединены со входами предварительных усилителей канала регистрации ионных меток. Выходы предварительных усилителей через аналоговые ключи (коммутаторы) и сумматоры подключены ко входам дифференциальных усилителей канала регистрации ионных меток.Such a prototype device contains a generator of ion marks, a system of receiving electrodes (receivers of parameters of an incoming air flow), a channel for registering ion marks, a measuring circuit, a computing device for processing and generating output signals. The system of receiving electrodes is made in the form of round metal plates, which are located at the same distance around the circumference with the center at the point of generation of the ion label and are installed directly under the hole of the metal plate-mask fixed on the dielectric board. The receiving electrodes are connected to the inputs of the preamplifiers of the ion mark registration channel. The outputs of the preamplifiers are connected via analog switches (switches) and adders to the inputs of the differential amplifiers of the ion mark registration channel.
В меточном датчике аэродинамического угла и истинной воздушной скорости измерительная схема выполнена в виде канала определения рабочего сектора измеряемого угла, являющегося каналом грубого отсчета, канала точного измерения угла и канал измерения воздушной скорости, подключенных ко входу вычислительного устройства, выходы которого являются цифровыми выходами по аэродинамическому углу и истинной воздушной скорости.In the marking sensor of the aerodynamic angle and true airspeed, the measuring circuit is made in the form of a channel for determining the working sector of the measured angle, which is a coarse readout channel, a channel for accurate angle measurement and an airspeed measurement channel connected to the input of a computing device, the outputs of which are digital outputs for the aerodynamic angle and true airspeed.
В меточном датчике аэродинамического угла и воздушной скорости канал определения рабочего сектора измеряемого угла (канала грубого отсчета) выполнен в виде четырех идентичных каналов, соответствующих одному из четырех рабочих секторов диапазона измерения аэродинамического угла, каждый из которых включает в себя два сумматора, на вход первого из которых подключены выходы нечетных модулей предварительных усилителей данного рабочего сектора, а на вход второго сумматора подключены выходы четных модулей предварительных усилителей данного рабочего сектора измеряемого угла, при этом выходы сумматоров каждого из четырех идентичных каналов подключены ко выходам дифференциальных усилителей, выходы которых через коммутаторы подключены ко входу вычислительного устройства.In the marking sensor of the aerodynamic angle and airspeed, the channel for determining the working sector of the measured angle (coarse readout channel) is made in the form of four identical channels corresponding to one of the four working sectors of the aerodynamic angle measurement range, each of which includes two adders, to the input of the first of of which the outputs of the odd preamplifier modules of this working sector are connected, and the outputs of the even preamplifier modules of this working sector of the measured angle are connected to the input of the second adder, while the outputs of the adders of each of the four identical channels are connected to the outputs of the differential amplifiers, the outputs of which are connected through switches to the input computing device.
В меточном датчике аэродинамического угла и воздушной скорости канал точного измерения угла выполнен в виде двух идентичных параллельных каналов преобразования, первый из которых подключен к выходам четных модулей предварительных усилителей этого канала, формирующих информативный сигнал, величина которого имеет синусоидальную зависимость от измеряемого угла, а второй канал преобразования подключен к выходам нечетных модулей предварительных усилителей, формирующих информативный сигнал, величина которого имеет косинусоидальную зависимость от измеряемого угла, при этом канал преобразования, формирующий синусоидальную зависимость от измеряемого угла включает два сумматора, входы первого из них подключены к выходам четных модулей предварительных усилителей, формирующих синусоидальную зависимость от измеряемого угла со знаком плюс, а входы второго сумматора подключены к выходам четных модулей предварительных усилителей, формирующих синусоидальную зависимость от измеряемого угла со знаком минус, а канал преобразования, формирующий косинусоидальную зависимость от измеряемого угла, включает два сумматора, входы первого из них подключены к выходам нечетных модулей предварительных усилителей, формирующих косинусоидальную зависимость от измеряемого угла со знаком плюс, а входы второго сумматора подключены к выходам нечетных модулей предварительных усилителей, формирующих косинусоидальную зависимость от измеряемого угла со знаком минус, причем выходы сумматоров каждого из идентичных параллельных каналов преобразования подключены ко входам дифференциальных усилителей, выходы которых подключены ко входам программируемых усилителей, управляющие входы которых подключены к вычислительному устройству, а выходы программируемых усилителей через интеграторы и аналого-цифровые преобразователи подключены ко входу вычислительного устройства, который также управляет запуском аналого-цифровых преобразователей, причем выходы программируемых усилителей через компараторы соединены с вычислительным устройством.In the marking sensor of the aerodynamic angle and airspeed, the channel for accurate measurement of the angle is made in the form of two identical parallel conversion channels, the first of which is connected to the outputs of the even preamplifier modules of this channel, which form an informative signal, the value of which has a sinusoidal dependence on the measured angle, and the second channel conversion is connected to the outputs of the odd preamplifier modules that form an informative signal, the value of which has a cosine dependence on the measured angle, while the conversion channel that forms a sinusoidal dependence on the measured angle includes two adders, the inputs of the first of them are connected to the outputs of the even preamplifier modules that form sinusoidal dependence on the measured angle with a plus sign, and the inputs of the second adder are connected to the outputs of the even preamplifier modules, which form a sinusoidal dependence on the measured angle with a min sign must, and the conversion channel, which forms the cosine dependence on the measured angle, includes two adders, the inputs of the first of them are connected to the outputs of the odd preamplifier modules that form the cosine dependence on the measured angle with a plus sign, and the inputs of the second adder are connected to the outputs of the odd preamplifier modules , forming a cosine dependence on the measured angle with a minus sign, and the outputs of the adders of each of the identical parallel conversion channels are connected to the inputs of differential amplifiers, the outputs of which are connected to the inputs of programmable amplifiers, the control inputs of which are connected to a computing device, and the outputs of the programmable amplifiers through integrators and analog -digital converters are connected to the input of the computing device, which also controls the start of the analog-to-digital converters, and the outputs of the programmable amplifiers are connected to the computing through comparators th device.
В меточном датчике аэродинамического угла и воздушной скорости сигнал, поступающий от вычислительного устройства на управляющий вход программируемых усилителей канала точного измерения угла, формируется вычислительным устройством по сигналам, поступающим с выходов аналого-цифровых преобразователей двух идентичных параллельных каналов преобразования, в соответствии с алгоритмомIn the mark sensor of the aerodynamic angle and airspeed, the signal coming from the computing device to the control input of the programmable amplifiers of the precise angle measurement channel is formed by the computing device according to the signals coming from the outputs of the analog-to-digital converters of two identical parallel conversion channels, in accordance with the algorithm
(Asinα)2+(Acosα)2=A2(sin2α+cos2α)=A2,(Asinα) 2 + (Acosα) 2 = A 2 (sin 2 α + cos 2 α) = A 2 ,
где А - величина (амплитуда) выходных сигналов предварительных усилителей, формирующих синусоидальную и косинусоидальную зависимости от измеряемого угла α.where A is the value (amplitude) of the output signals of the preamplifiers, which form a sinusoidal and cosine dependence on the measured angle α.
В меточном датчике аэродинамического угла и воздушной скорости канал измерения воздушной скорости выполнен в виде двух компараторов, входы которых подключены к выходам программируемых усилителей канала точного измерения аэродинамического угла, а выходы, являющиеся выходом по времени пролета ионной метки расстояния от точки генерации ионной метки до окружности с приемными электродами, подключены к вычислительному устройству.In the aerodynamic angle and airspeed marker, the airspeed measurement channel is made in the form of two comparators, the inputs of which are connected to the outputs of the programmable amplifiers of the channel for accurate measurement of the aerodynamic angle, and the outputs, which are the output by the time of flight of the ionic mark, the distance from the point of receiving electrodes are connected to a computing device.
На фиг. 1 приведена функциональная схема меточного датчика аэродинамического угла и воздушной скорости. На фиг. 2 показана конструктивная схема системы приемных электродов. На фиг. 3 показан принцип формирования синусоидального и косинусоидального информативных сигналов с помощью дискретных приемных электродов. На фиг. 4 приведена структурно-функциональная схема канала определения рабочего сектора измеряемого аэродинамического угла (канала грубого отсчета). На фиг. 5 приведена структурно-функциональная схема канала точного измерения аэродинамического угла и канала воздушной скорости.FIG. 1 shows a functional diagram of the aerodynamic angle and airspeed sensor. FIG. 2 shows a structural diagram of the receiving electrode system. FIG. 3 shows the principle of the formation of sinusoidal and cosine informative signals using discrete receiving electrodes. FIG. 4 shows the structural and functional diagram of the channel for determining the working sector of the measured aerodynamic angle (rough reading channel). FIG. 5 shows the structural and functional diagram of the channel for precise measurement of the aerodynamic angle and the airspeed channel.
Функциональная схема меточного датчика аэродинамического угла и воздушной скорости (фиг. 1) содержит плату 1 с системой приемных электродов ПЭ в виде круглых металлических пластин, расположенных на одинаковом расстоянии по окружности радиусом R с центром в точке 0 генерации ионной метки. Приемные электроды соединены со входами предварительных усилителей ПУ канала регистрации ионных меток, расположенных в блоке предварительных усилителей БПУ. Приемные электроды выполнены совместно с предварительными усилителями в виде автономных модулей, имеющих экранирующий корпус, расположенных в БПУ. Выходы блока предварительных усилителей подключены ко входу канала точного измерения угла (канал точного измерения аэродинамического угла), ко входу канала измерения воздушной скорости и ко входу определения рабочего сектора измеряемого аэродинамического угла (канал грубого отсчета). Выходы всех указанных каналов подключены ко входу вычислительного устройства ВУ, выходы которого являются цифровыми кодами по аэродинамическому углу Nα и по воздушной скорости NV.The functional diagram of the aerodynamic angle and airspeed marker sensor (Fig. 1) contains a
На выходе вычислительного устройства ВУ также формируется выходной сигнал Fгм, который является управляющим входом генератора меток ГМ и задает частоту генерации ионных меток и начало цикла измерения аэродинамического угла и воздушной скорости.At the output of the VU computing device, the output signal F hm is also generated, which is the control input of the GM mark generator and sets the frequency of generation of ion marks and the beginning of the cycle for measuring the aerodynamic angle and air speed.
Конструктивно систему приемных электродов с точки зрения технологической воспроизводимости целесообразно выполнить на основе металлической маски (фиг. 2). Маска представляет собой тонкую металлическую пластину, на которой имеются отверстия, расположенные на одинаковом расстоянии l по окружности радиусом R. Под маской находится диэлектрическая плата с приемными электродами ПЭ, которые располагаются непосредственно под отверстиями металлической маски.Structurally, the system of receiving electrodes from the point of view of technological reproducibility is expedient to be made on the basis of a metal mask (Fig. 2). The mask is a thin metal plate on which there are holes located at the same distance l along a circle with a radius R. Under the mask there is a dielectric board with PE receiving electrodes, which are located directly under the holes of the metal mask.
Данная конструкция системы приемных электродов является достаточно простой для реализации и позволяет обеспечить высокую точность формирования синусоидальных и косинусоидальных угловых характеристик информативных сигналов приемных электродов (фиг. 3). Форма угловой характеристики многоэлементной электродной системы определяется формой характеристики отдельного дискретного приемного электрода, взаимным расположением электродов и схемой подключения их к предварительным усилителям канала регистрации ионных меток (фиг. 3).This design of the system of receiving electrodes is simple enough to implement and allows for high accuracy of the formation of sinusoidal and cosine angular characteristics of the informative signals of the receiving electrodes (Fig. 3). The shape of the angular characteristic of the multi-element electrode system is determined by the shape of the characteristic of a separate discrete receiving electrode, the mutual arrangement of the electrodes and the circuit for connecting them to the preamplifiers of the ion label registration channel (Fig. 3).
Задачей синтеза угловой характеристики приемных электродов является нахождение конструктивных параметров маски, обеспечивающих формирование синусоидальных и косинусоидальных угловых характеристик.The task of synthesizing the angular characteristics of the receiving electrodes is to find the design parameters of the mask that ensure the formation of sinusoidal and cosine angular characteristics.
Предлагаемый меточный датчик аэродинамического угла и воздушной скорости включает два канала измерения аэродинамического угла - канал определения номера i рабочего сектора α0 измеряемого угла, являющийся каналом грубого отсчета, и канал точного измерения угла α0 в пределах i рабочего сектора.The proposed marking sensor of the aerodynamic angle and airspeed includes two channels for measuring the aerodynamic angle - the channel for determining the number i of the working sector α 0 of the measured angle, which is a rough readout channel, and the channel for accurate measurement of the angle α 0 within the i working sector.
Канал определения рабочего сектора измеряемого угла (канал грубого отсчета) (фиг. 4) выполнен в виде четырех идентичных каналов, соответствующих одному из четырех рабочих секторов диапазона изменения измеряемого аэродинамического угла, каждый i-ый идентичный канал включает в себя два сумматора СУМ, входы которых подключены к выходам предварительных усилителей ПУ своего сектора (например, к выходам предварительных усилителей ПУ с номерами №, указанными на фиг. 4), выходы сумматоров СУМ подключены ко входу дифференциального усилителя ДУi, выход которого соединен со входом компаратора Ki, выход которого является выходом i-го рабочего сектора и свидетельствует о попадании (или отсутствии) траектории движения ионной метки в i-ый рабочий сектор и подключен к вычислительному устройству ВУ.The channel for determining the working sector of the measured angle (coarse readout channel) (Fig. 4) is made in the form of four identical channels corresponding to one of the four working sectors of the range of variation of the measured aerodynamic angle, each i-th identical channel includes two summers SUM, the inputs of which connected to the outputs of the preamplifiers of the PU of their sector (for example, to the outputs of the preamplifiers PU with the numbers No. indicated in Fig. 4), the outputs of the summators SUM are connected to the input of the differential amplifier DU i , the output of which is connected to the input of the comparator K i , the output of which is the output of the i-th working sector and indicates the hit (or absence) of the trajectory of the ion tag in the i-th working sector and is connected to the computing device WU.
Канал точного измерения аэродинамического угла (фиг. 5) выполнен в виде двух идентичных параллельных каналов преобразования, первый из которых подключен к выходам четных модулей предварительных усилителей ПУ (например, к выходам предварительных усилителей ПУ с номерами, указанными на фиг. 5), формирующих информативный сигнал, величина которого имеет синусоидальную зависимость от измеряемого угла, а второй параллельный канал преобразования подключен к выходам нечетных модулей предварительных усилителей ПУ (например, к выходам предварительных усилителей ПУ с номерами №, указанными на фиг. 5), формирующих информативный сигнал, величина которого имеет косинусоидальную зависимость от измеряемого угла.The channel for accurate measurement of the aerodynamic angle (Fig. 5) is made in the form of two identical parallel conversion channels, the first of which is connected to the outputs of the even PU preamplifier modules (for example, to the outputs of the PU preamplifiers with the numbers indicated in Fig. 5), which form an informative a signal, the value of which has a sinusoidal dependence on the measured angle, and the second parallel conversion channel is connected to the outputs of the odd PU preamplifier modules (for example, to the outputs of the PU preamplifiers with numbers No. indicated in Fig. 5), which form an informative signal, the value of which has cosine dependence on the measured angle.
Канал преобразования, формирующий синусоидальную зависимость от измеряемого угла, включает два сумматора СУМ. Входы первого из них СУМ +sin подключены к выходам четных модулей предварительных усилителей ПУ, формирующих синусоидальную зависимость от измеряемого угла со знаком плюс (+sin) (например, к выходам предварительных усилителей ПУ с номерами №, указанными на фиг. 5). Входы второго сумматора СУМ -sin подключены к выходам четных модулей предварительных усилителей ПУ, формирующих синусоидальную зависимость от измеряемого угла со знаком минус (-sin) (например, к выходам предварительных усилителей ПУ с номерами №, показанными на фиг. 5).The conversion channel, which forms a sinusoidal dependence on the measured angle, includes two SUM adders. The inputs of the first of them SUM + sin are connected to the outputs of the even preamplifier modules PU, forming a sinusoidal dependence on the measured angle with a plus sign (+ sin) (for example, to the outputs of the preamplifiers PU with the numbers No. indicated in Fig. 5). The inputs of the second adder SUM -sin are connected to the outputs of the even preamplifier modules PU, forming a sinusoidal dependence on the measured angle with a minus sign (-sin) (for example, to the outputs of the preamplifiers PU with numbers No. shown in Fig. 5).
Второй параллельный канал преобразования, формирующий косинусоидальную зависимость от измеряемого угла, включает два сумматора СУМ. Входы первого из них СУМ +cos подключены к выходам нечетных модулей предварительных усилителей ПУ, формирующих косинусоидальную зависимость от измеряемого угла со знаком плюс (+cos) (например, к выходам предварительных усилителей ПУ с номерами №, показанными на фиг. 5). Входы второго сумматора СУМ -cos подключены к выходам нечетных модулей предварительных усилителей ПУ, формирующих косинусоидальную зависимость от измеряемого угла со знаком минус (-cos) (например, к выходам предварительных усилителей ПУ с номерами №, показанными на фиг. 5).The second parallel conversion channel, which forms a cosine dependence on the measured angle, includes two SUM adders. The inputs of the first of them SUM + cos are connected to the outputs of the odd preamplifier modules PU, forming a cosine dependence on the measured angle with a plus sign (+ cos) (for example, to the outputs of the preamplifiers PU with the numbers No. shown in Fig. 5). The inputs of the second adder SUM -cos are connected to the outputs of the odd preamplifier modules PU, forming a cosine dependence on the measured angle with a minus sign (-cos) (for example, to the outputs of the preamplifiers PU with numbers No. shown in Fig. 5).
Выходы сумматоров СУМ каждого из параллельных каналов преобразования подключены ко входам дифференциальных усилителей ДУ1 и ДУ2, выходы которых подключены ко входам программируемых усилителей УП1 и УП2, управляющие входы которых подключены к выходу АРУ (автоматическое регулирование усиления) вычислительного устройства ВУ. Выходы программируемых усилителей через интеграторы ИHTsin и ИHTcos и аналого-цифровые преобразователи АЦПsin и AЦПcos подключены ко входу вычислительного устройства ВУ, который также управляет запуском аналого-цифровых преобразователей АЦПsin и AЦПcos.The outputs of the SUM adders of each of the parallel conversion channels are connected to the inputs of the differential amplifiers DU1 and DU2, the outputs of which are connected to the inputs of the programmable amplifiers UP1 and UP2, the control inputs of which are connected to the AGC (automatic gain control) output of the VU computing device. The outputs of the programmable amplifiers through the integrators IHTsin and IHTcos and analog-to-digital converters ADCsin and ADCcos are connected to the input of the computing device VU, which also controls the start of the analog-to-digital converters ADCsin and ADCcos.
Сигнал АРУ (автоматическое регулирование усиления), поступающий от вычислительного устройства ВУ на управляющие входы программируемых усилителей УП1 и УП2 канала точного измерения аэродинамического угла, формируется вычислительным устройством ВУ по сигналам, поступающим с выходов аналого-цифровых преобразователей АЦПsin и AЦПcos идентичных параллельных каналов преобразования в соответствии с алгоритмомThe AGC signal (automatic gain control), coming from the computing device VU to the control inputs of the programmable amplifiers UP1 and UP2 of the channel for accurate measurement of the aerodynamic angle, is generated by the computing device VU according to the signals received from the outputs of the analog-to-digital converters ADCsin and ADCcos of identical parallel conversion channels in accordance with with algorithm
(Asinα)2+(Acosα)2=A2(sin2α+cos2α)=A2,(Asinα) 2 + (Acosα) 2 = A 2 (sin 2 α + cos 2 α) = A 2 ,
где A - величина (амплитуда) выходных сигналов предварительных усилителей, формирующих синусоидальную и косинусоидальную зависимости от измеряемого угла а.where A is the value (amplitude) of the output signals of the preamplifiers, which form a sinusoidal and cosine dependence on the measured angle a.
Канал измерения воздушной скорости (фиг. 5) выполнен в виде двух компараторов К1 и К2, входы которых подключены к выходам программируемых усилителей УП1 и УП2 канала точного измерения аэродинамического угла, выходы компараторов К1 и К2, являющиеся выходом по времени τх пролета ионной меткой расстояния R от точки генерации ионной метки до окружности с приемными электродами (фиг. 1), подключены к вычислительному устройству ВУ, выход которого NV пропорционален воздушной скорости The airspeed measurement channel (Fig. 5) is made in the form of two comparators K1 and K2, the inputs of which are connected to the outputs of the programmable amplifiers UP1 and UP2 of the channel for accurate measurement of the aerodynamic angle, the outputs of the comparators K1 and K2, which are the output in time τx of the flight with an ionic distance marker R from the point of generation of the ion label to the circle with the receiving electrodes (Fig. 1), are connected to the computing device VU, the output of which N V is proportional to the air speed
Меточный датчик аэродинамического угла и воздушной скорости работает следующим образом.The aerodynamic angle and airspeed mark sensor works as follows.
Меточный датчик аэродинамических углов и воздушной скорости устанавливается на летательном аппарате таким образом, чтобы плата 1 с системой приемных электродов ПЭ (фиг. 1) находилась в плоскости изменения аэродинамического угла α вектора воздушной скорости. Цикл измерения начинается с подачи с выхода вычислительного устройства ВУ сигнала Fгм. В соответствии с сигналом Fгм генератор метки ГМ выдает импульс высоковольтного напряжения на разрядник, установленный в точке 0 генерации ионной метки. За счет искрового разряда разрядника в точке 0 образуется ионизированная область - ионная метка с явно выраженным электростатическим зарядом qм. Заряженная ионная метка перемещается совместно с набегающим воздушным потоком и приобретает его параметры движения - скорость V и направление α относительно оси симметрии системы приемных электродов ПЭ. При перемещении ионной метки совместно с набегающим воздушным потоком заряженная ионная метка пролетает вблизи приемных электродов и наводит (индуцирует) на них электрические заряды, величина которых зависит от расстояния ионной метки от приемного электрода и углового положения а траектории движения ионной метки.The mark sensor of aerodynamic angles and airspeed is installed on the aircraft in such a way that the
За счет выбора конструктивных параметров системы приемных электродов (фиг. 2) с помощью четных приемных электродов, например №№4, 8, 12, 16, формируются положительные полуволны (+sinα) синусоидальных угловых характеристик информативных сигналов U(α) (фиг. 3) на выходе четных предварительных усилителей, например, ПУ №№4, 8, 12, 16 (фиг. 5). С помощью четных приемных электродов, например, №№2, 6, 10, 14, формируются отрицательные полуволны (-sinα) синусоидальных угловых характеристик информативных сигналов U(α) (фиг. 3) на выходе четных предварительных усилителей, например, ПУ №№2, 6, 10, 14 (фиг. 5).By choosing the design parameters of the system of receiving electrodes (Fig. 2) with the help of even receiving electrodes, for example Nos. 4, 8, 12, 16, positive half-waves (+ sinα) of sinusoidal angular characteristics of informative signals U (α) are formed (Fig. 3 ) at the output of even preamplifiers, for example,
С помощью нечетных приемных электродов, например, №№1, 5, 9, 13, формируются положительные полуволны (+cosα) косинусоидальных угловых характеристик информативных сигналов U(α) на выходе нечетных предварительных усилителей, например, ПУ №№1, 5, 9, 13 (фиг. 5). С помощью нечетных приемных электродов, например, №№3, 7, 11, 15, формируются отрицательные полуволны (-cosα) косинусоидальных угловых характеристик информативных сигналов U(α) на выходе нечетных предварительных усилителей, например, ПУ №№3, 7, 11, 15 (фиг. 5).With the help of odd receiving electrodes, for example, No. 1, 5, 9, 13, positive half-waves (+ cosα) of the cosine angular characteristics of informative signals U (α) are formed at the output of odd preamplifiers, for example, PU No. 1, 5, 9 , 13 (Fig. 5). With the help of odd receiving electrodes, for example, No. 3, 7, 11, 15, negative half-waves (-cosα) of the cosine angular characteristics of informative signals U (α) are formed at the output of odd preamplifiers, for example, PU No. 3, 7, 11 , 15 (Fig. 5).
Выходные сигналы предварительных усилителей ПУ блока предварительных усилителей БПУ (фиг. 1) подаются на входы канала определения рабочего сектора (канал грубого отсчета) измеряемого аэродинамического угла, канал точного измерения аэродинамического угла и канал измерения воздушной скорости. Выходные сигналы указанных каналов подаются на входы вычислительного устройства ВУ, который по результатам обработки входной информации выдает цифровые коды Nα, NV по измеряемому аэродинамическому углу α и воздушной скорости VB.The output signals of the preamplifiers PU of the preamplifier unit BPU (Fig. 1) are fed to the inputs of the channel for determining the working sector (coarse counting channel) of the measured aerodynamic angle, the channel for accurate measurement of the aerodynamic angle and the channel for measuring the airspeed. The output signals of these channels are fed to the inputs of the computing device VU, which, based on the results of processing the input information, issues digital codes N α , N V according to the measured aerodynamic angle α and air speed V B.
При работе канала определения рабочего сектора измеряемого аэродинамического угла (фиг. 5) выходные сигналы предварительных усилителей ПУ подаются на четыре идентичных канала, соответствующих одному из четырех рабочих секторов диапазона изменения измеряемого аэродинамического угла. Каждый i-ый из четырех идентичных каналов включает в себя сумматоры СУМ, дифференциальные усилители ДУ и компараторы К. На входы сумматоров, подключенных к неинвертирующему (положительному) входу каждого i-го дифференциального усилителя ДУi подаются сигналы от предварительных усилителей ПУ, подключенных к приемным электродам, расположенным в пределах i-го рабочего сектора диапазона измерения аэродинамического угла. Остальные приемные электроды подключены к предварительным усилителям, выходы которых подаются на вход сумматора, выходные сигналы которого подключены к инвентирующему (отрицательному) входу дифференциального усилителя ДУi.During operation of the channel for determining the working sector of the measured aerodynamic angle (Fig. 5), the output signals of the PU preamplifiers are fed to four identical channels corresponding to one of the four working sectors of the range of variation of the measured aerodynamic angle. Each i-th of four identical channels includes summers SUM, differential amplifiers DU and comparators K. To the inputs of adders connected to the non-inverting (positive) input of each i-th differential amplifier DU i signals are fed from the preamplifiers PU connected to the receiving electrodes located within the i-th working sector of the aerodynamic angle measurement range. The rest of the receiving electrodes are connected to preamplifiers, the outputs of which are fed to the input of the adder, the output signals of which are connected to the inventory (negative) input of the differential amplifier DU i .
При движении ионной метки в пределах i-го рабочего сектора выходной сигнал i-го дифференциального усилителя ДУi будет положительным в пределах всего рабочего сектора. При выходе траектории движения ионной метки за пределы i-го рабочего сектора выходной сигнал i-го дифференциального усилителя ДУi изменяет знак на противоположный. Следовательно, положительный знак на выходе дифференциального усилителя ДУi свидетельствует о попадании траектории движения ионной метки в i-ый рабочий сектор.When the ion tag moves within the i-th working sector, the output signal of the i-th differential amplifier DU i will be positive within the entire working sector. When the trajectory of movement of the ion tag goes beyond the i-th working sector, the output signal of the i-th differential amplifier DU i changes sign to the opposite. Consequently, the positive sign at the output of the differential amplifier DU i indicates that the trajectory of the ion tag has entered the i-th working sector.
При положительном знаке выходного сигнала дифференциального усилителя ДУi происходит срабатывание компаратора Ki, на выходе которого формируется сигнал (признак) попадания траектории ионной метки в сектор i, который подается на вход и фиксируется вычислительным устройством.When the positive sign of the output of the differential amplifier i control signal is triggered comparator K i, whose output signal is generated (character) hit the ion trajectory labels in sector i, which is input to and fixed computing device.
При выходе траектории движения ионной метки за пределы i-го рабочего сектора, она попадает в другой, например в (i+1) сектор, что приведет к пропаданию сигнала (признака) i-го рабочего сектора и появлению сигнала (признака) (i+1)-го рабочего сектора.When the trajectory of movement of the ion tag leaves the i-th working sector, it enters another, for example, (i + 1) sector, which will lead to the disappearance of the signal (feature) of the i-th working sector and the appearance of the signal (feature) (i + 1) th working sector.
При работе точного канала измерения аэродинамического угла реализуется интерполяционный метод преобразования и обработки информативных сигналов U(α), формируемых на выходе предварительных усилителей блока предварительных усилителей БПУ (фиг. 1).When the precise channel for measuring the aerodynamic angle is operating, an interpolation method for converting and processing informative signals U (α) generated at the output of the pre-amplifiers of the block of pre-amplifiers BPU is implemented (Fig. 1).
Выходные сигналы четных предварительных усилителей ПУ №№4, 8, 12, 16 (фиг. 5), формирующих положительную полуволну (+sinα) информативного сигнала U(α), и выходные сигналы четных предварительных усилителей ПУ №№2, 6, 10, 14, формирующих отрицательную полуволну (-sinα) информативного сигнала U(α), подаются на входы сумматоров СУМ+sin и СУМ-sin, выходы которых подаются на вход дифференциального усилителя ДУ1, на выходе которого формируются обе полуволны синусоидальной зависимости угловой характеристики i-го рабочего сектора диапазона измерения измеряемого аэродинамического угла, который поступает на вход программируемого усилителя УП1, в котором нормируется по амплитуде с помощью сигнала управления АРУ, поступающего от вычислительного устройства. Пронормированный по амплитуде сигнал Asinα через интегратор ИHTsin, выполняющий функции фильтра нижних частот, очищается от пульсационных помех и подается на вход аналого-цифрового преобразователя AЦПsin, выходной сигнал в виде цифрового кода Nsinα, пропорционального Asinα, подается на вычислительное устройство ВУ.The output signals of the even preamplifiers PU No. 4, 8, 12, 16 (Fig. 5), forming a positive half-wave (+ sinα) of the informative signal U (α), and the output signals of the even preamplifiers PU No. 2, 6, 10, 14, forming a negative half-wave (-sinα) of the informative signal U (α), are fed to the inputs of the SUM + sin and SUM-sin adders, the outputs of which are fed to the input of the differential amplifier DU1, at the output of which both half-waves of the sinusoidal dependence of the angular characteristic of the i-th the working sector of the measuring range of the measured aerodynamic angle, which is fed to the input of the programmable amplifier UP1, in which it is normalized in amplitude using the AGC control signal coming from the computing device. The amplitude-normalized signal Asinα through the integrator IHTsin, which performs the functions of a low-pass filter, is cleared of ripple noise and fed to the input of the analog-to-digital converter ADCsin, the output signal in the form of a digital code N sinα proportional to Asinα is fed to the computing device VU.
По другому идентичному параллельному каналу преобразования (фиг. 5) с помощью сумматоров СУМ+cos и СУМ-cos, подключенных к выходам нечетных предварительных усилителей ПУ №№1, 5, 9, 13 и ПУ №№3,7, 11, 15 и дифференциального усилителя ДУ2, программируемого усилителя УП2, интегратора ИHTcos и аналого-цифрового преобразователя AЦПcos формируется цифровой код Ncosα, пропорциональный Acosα, который подается на вычислительное устройство.On another identical parallel conversion channel (Fig. 5) using the summators SUM + cos and SUM-cos connected to the outputs of the odd
Цифровые сигналы, пропорциональные Asinα и Acosα, обрабатываются в вычислительном устройстве, на выходе которого выдается цифровой код Nαт, связанный значением αр измеряемого аэродинамического угла точного канала соотношением Digital signals proportional to Asinα and Acosα are processed in a computing device, at the output of which a digital code N αt is issued , associated with the value of α p of the measured aerodynamic angle of the exact channel by the ratio
С учетом попадания траектории ионной метки в i-ый грубый канал текущее значение измеряемого аэродинамического угла определяется какTaking into account the hit of the trajectory of the ion mark in the i-th coarse channel, the current value of the measured aerodynamic angle is determined as
α=iαo+αр,α = iα o + α р ,
где αo - угол, охватывающий рабочий сектор грубого канала отсчета (при i=4, αo=90°); i - номер рабочего сектора (i=1,4).where α o - the angle covering the working sector of the coarse reference channel (at i = 4, α o = 90 °); i is the number of the working sector (i = 1.4).
При работе канала измерения воздушной скорости (фиг. 5) используются выходные сигналы программируемых усилителей УП1 и УП2 канала точного измерения аэродинамического угла, которые подаются на входы компараторов К1 и К2, порог срабатывания которых настроен на значение нормируемой амплитуды А синусоидальных и косинусоидальных угловых характеристик Asinα и Acosα. При достижении уровня А выходных сигналов программируемых усилителей УП1 и УП2, что соответствует моменту времени τх пролета ионной меткой расстояния R от точки генерации ионной метки до окружности с приемными электродами, происходит срабатывание компараторов К1 и К2 и формирование интервала времени τV вычислительном устройстве ВУ. В соответствии с интервалом времени τV в вычислительном устройстве вырабатывается цифровой код NV, пропорциональный величине воздушной скорости During the operation of the airspeed measurement channel (Fig. 5), the output signals of the programmable amplifiers UP1 and UP2 of the channel for accurate measurement of the aerodynamic angle are used, which are fed to the inputs of the comparators K1 and K2, the threshold of which is set to the value of the normalized amplitude A of sinusoidal and cosine angular characteristics Asinα and Acosα. When the level A of the output signals of the programmable amplifiers UP1 and UP2 is reached, which corresponds to the time moment τ x of the ion mark 's passage of the distance R from the point of generation of the ion mark to the circle with the receiving electrodes, the comparators K1 and K2 are triggered and the time interval τ V is formed by the computing device VU. In accordance with the time interval τ V in the computing device, a digital code N V is generated, proportional to the value of the air speed
Цифровые коды Nα и NV подаются на средства отображения информации к другим потребителям.Digital codes N α and N V are supplied to the means of displaying information to other consumers.
Однако устройство-прототип, меточный датчик аэродинамического угла и воздушной скорости, имеет ряд недостатков, связанных с большим числом приемных электродов и сложностью измерительной схемы, осуществляющих регистрацию траектории и скорости движения ионной метки, формируемой генератором и искровым разрядником, выделение и преобразование электрических зарядов, наводимых ионной меткой на регистрирующих электродах, а также со сложными алгоритмами и программным обеспечением вычислительного устройства, осуществляющего обработку информации и формирование выходных цифровых сигналов по аэродинамическому углу и истинной воздушной скорости. Кроме того, многоканальная измерительная схема, осуществляющая регистрацию, преобразование и предварительную обработку амплитудных измерительных сигналов обусловливает жесткие требования к идентичности и стабильности измерительных каналов, являются причиной аддитивных и мультипликативных погрешностей измерения. Их снижение приводит к необходимости тщательного подбора элементов измерительных каналов, введения корректирующих звеньев, что усложняет производство и увеличивает стоимость датчика. Все это сдерживает широкое применение меточного датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости на самолетах и других летательных аппаратах.However, the prototype device, an aerodynamic angle and airspeed marker sensor, has a number of disadvantages associated with a large number of receiving electrodes and the complexity of the measuring circuit that records the trajectory and speed of movement of the ion marker formed by the generator and spark gap, separates and converts electric charges induced an ion mark on the recording electrodes, as well as with complex algorithms and software of a computing device that processes information and generates output digital signals for the aerodynamic angle and true airspeed. In addition, the multichannel measuring circuit performing registration, conversion and preprocessing of amplitude measuring signals imposes stringent requirements on the identity and stability of measuring channels, and is the cause of additive and multiplicative measurement errors. Their reduction leads to the need for a careful selection of the elements of the measuring channels, the introduction of correcting links, which complicates the production and increases the cost of the sensor. All this hinders the widespread use of the aerodynamic angle and true airspeed sensor on airplanes and other aircraft.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении конструкции, снижении стоимости и повышении точности измерения за счет существенного сокращения числа приемников для регистрации параметров набегающего воздушного потока, уменьшения числа измерительных каналов и упрощения измерительной схемы и вычислительного устройства обработки информации и формирования выходных сигналов и, как следствие, обеспечение конкурентоспособности применения на летательных аппаратах, в том числе на самолетах различного класса и назначения кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости, реализующего кинематический метод измерения, в котором для измерения кинематических параметров движения летательного аппарата (аэродинамического угла и истинной воздушной скорости) контролируются и определяются непосредственно кинематические параметры набегающего воздушного потока.The technical result to be achieved by the claimed invention is to simplify the design, reduce the cost and increase the measurement accuracy by significantly reducing the number of receivers for recording the parameters of the incoming air flow, reducing the number of measuring channels and simplifying the measuring circuit and computing device for processing information and generating output signals and, as a consequence, ensuring the competitiveness of the application on aircraft, including aircraft of various classes and the purpose of the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed, which implements the kinematic measurement method, in which to measure the kinematic parameters of the aircraft movement (aerodynamic angle and true airspeed), the kinematic parameters of the incoming air flow are controlled and determined directly.
Технический результат достигается следующим.The technical result is achieved as follows.
В кинематическом датчике аэродинамического угла и истинной воздушной скорости, содержащем плату с приемниками, регистрирующими параметры набегающего воздушного потока, измерительную схему, устройство обработки и формирования выходных сигналов, новым является то, что приемники выполнены в виде двух совмещенных пар пьезоэлектрических излучателей-приемников ультразвуковых колебаний по направлению набегающего воздушного потока и против него, установленных ортогонально друг к другу под углом Θ0=45° к оси платы, относительно которой отсчитывается значение измеряемого аэродинамического угла, при этом выходы пьезоэлектрических излучателей через элементы измерительной схемы - модуляторы подключены к генератору синусоидальных колебаний высокой частоты, а пьезоэлектрические приемники - через усилители и детекторы измерительной схемы подключены ко входам двух схем вычитания частот, на выходе которых формируются разности частот пар приемников, воспринимающих ультразвуковые колебания в противоположных направлениях, выходы схем вычитания подключены ко входу устройства обработки и формирования выходных сигналов, выполненного в виде вычислителя, выходы которого являются цифровыми выходами по аэродинамическому углу α и истинной воздушной скорости VB, определяемые в соответствии с алгоритмамиIn the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed, which contains a board with receivers that register the parameters of the incoming air flow, a measuring circuit, a device for processing and generating output signals, the new thing is that the receivers are made in the form of two combined pairs of piezoelectric emitters-receivers of ultrasonic vibrations according to the direction of the oncoming air flow and against it, mounted orthogonally to each other at an angle Θ 0 = 45 ° to the board axis, relative to which the measured aerodynamic angle is measured, while the outputs of the piezoelectric emitters through the elements of the measuring circuit - modulators are connected to a high frequency sinusoidal oscillator , and piezoelectric receivers are connected through amplifiers and detectors of the measuring circuit to the inputs of two frequency subtraction circuits, at the output of which the frequency differences of pairs of receivers are formed, which perceive ultrasonic vibrations in the opposite direction. in the right directions, the outputs of the subtraction circuits are connected to the input of the device for processing and generating output signals, made in the form of a calculator, the outputs of which are digital outputs for the aerodynamic angle α and true airspeed V B , determined in accordance with the algorithms
где L - расстояние между пьезоэлектрическими излучателями и приемниками ультразвуковых колебаний; и - частоты ультразвуковых колебаний, воспринимаемые парами приемников в противоположных направлениях.where L is the distance between piezoelectric emitters and receivers of ultrasonic vibrations; and - the frequencies of ultrasonic vibrations perceived by pairs of receivers in opposite directions.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 6.The essence of the invention is illustrated in FIG. 6.
На фиг. 6 приведена функциональная схема кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости.FIG. 6 shows a functional diagram of the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed.
Здесь 1 - плата с приемниками, регистрирующими параметры набегающего воздушного потока; 2 - генератор синусоидальных колебаний высокой частоты; 3 и 4 - две пары совмещенных пьезоэлектрических излучателей-приемников ультразвуковых колебаний И1-П1, И1'-П1' и И2-П2, И2'-П2'; 5 - модуляторы; 6 - усилители; 7 - детекторы; 8 - схемы вычитания частот; 9 - вычислитель.Here 1 is a board with receivers registering the parameters of the incoming air flow; 2 - high frequency sinusoidal oscillator; 3 and 4 - two pairs of combined piezoelectric emitters-receivers of ultrasonic vibrations I1-P1, I1'-P1 'and I2-P2, I2'-P2'; 5 - modulators; 6 - amplifiers; 7 - detectors; 8 - frequency subtraction circuits; 9 - calculator.
Функциональная схема кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости (фиг. 6) содержит плату с элементами регистрации параметров набегающего воздушного потока 1. На внешней поверхности платы обтекаемой набегающим воздушным потоком, установлены две совмещенные пары пьезоэлектрических излучателей-приемников 3 и 4 ультразвуковых колебаний, установленных ортогонально друг к другу под углом Θ0=45° к оси платы 1, относительно которой отсчитывается значение аэродинамического угла. Излучатели И1 и И2 обеспечивают излучение ультразвуковых колебаний по направлению набегающего воздушного потока, а излучатели И1' и И2' - против направления потока. Приемники П1 и П2 воспринимают ультразвуковые колебания, распространяющиеся по направлению набегающего воздушного потока, а приемники П1' и П2' - против направления потока.The functional diagram of the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed (Fig. 6) contains a board with elements for recording the parameters of the
Выходы пьезоэлектрических излучателей И1, И2 и И1' и И2', через установленные на стойках на внутренней стороне платы 1, элементы измерительной схемы - модуляторы M1, М2 и M1' и М2' подключены к генератору 2 (Г) синусоидальных колебаний высокой частоты и к выходам детекторов Д1, Д2 и Д1' и Д2'. Пьезоэлектрические приемники П1 и П1' через усилители У1 и У1', детекторы Д1 и Д1' подключены к схеме вычитания частот СВ1, на выходе которой формируется разность частот ƒ1 и ультразвуковых колебаний, воспринимаемые приемниками П1 и П1' по направлению набегающего воздушного потока. Аналогично пьезоэлектрические приемники П2 и П2' через усилители У2 и У2', детекторы Д2 и Д2' подключены к схеме вычитания частот СВ2, на выходе которой формируется разность частот ƒ2 и ультразвуковых колебаний, воспринимаемые приемниками П2 и П2' против направления набегающего воздушного потока.The outputs of piezoelectric emitters I1, I2 and I1 'and I2', through the elements of the measuring circuit - modulators M1, M2 and M1 'and M2', installed on the racks on the inner side of the
Выходы схем вычитания частот СВ1 и СВ2 подключены ко входу вычислителя, осуществляющего обработку сигналов Δƒ1 и Δƒ2 определение аэродинамического угла α и истинной воздушной скорости VB, в соответствии с алгоритмамиThe outputs of the frequency subtraction circuits CB1 and CB2 are connected to the input of the calculator, which processes the signals Δƒ 1 and Δƒ 2 to determine the aerodynamic angle α and the true airspeed V B , in accordance with the algorithms
где L - расстояние между пьезоэлектрическими излучателями и приемниками ультразвуковых колебаний. На выходе вычислителя 9 формируются цифровые (кодовые) выходные сигналы Nα и кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости.where L is the distance between the piezoelectric emitters and receivers of ultrasonic vibrations. At the output of the
Кинематический датчик аэродинамического угла и истинной воздушной скорости устанавливается на летательном аппарате, в частности, на самолете таким образом, чтобы ось платы 1 с приемниками, регистрирующими вектор скорости V набегающего воздушного потока, была параллельна продольной оси летательного аппарата (самолета), а обтекаемая поверхность платы находилась в плоскости изменения измеряемого аэродинамического угла α. При необходимости, за счет установочного угла, изменяющего положение оси платы 1 относительно продольной оси летательного аппарата, можно изменять верхнюю и нижнюю границы диапазона измерения аэродинамического угла.The kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed is installed on an aircraft, in particular on an aircraft, so that the axis of the
При работе кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости генератор 2 создает синусоидальные колебания высокой частоты, которые через модуляторы 5 поступают на пьезоэлементы излучателей 3. Излучатели 3 посылают ультразвуковые колебания пьезоэлектрическим приемникам 4 под углом Θ0 к направлению вектора скорости V набегающего воздушного потока, а излучатели И1' и И2' - против направления набегающего воздушного потока.When the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed is operating, the
Работа измерительных каналов кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости основана на различии времени прохождения ультразвуковых колебаний от излучателей до приемников по направлению набегающего воздушного потока и против направления потока.The operation of the measuring channels of the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed is based on the difference in the transit time of ultrasonic vibrations from emitters to receivers in the direction of the incoming air flow and against the direction of the flow.
Применительно к совмещенным парам излучатели-приемники И1-П1, И1'-П1' и И2-П2, И2'-П2' интервалы времени t1, и t2, прохождения ультразвуковых колебаний от излучателей до приемников будут определяться соотношениямиWith regard to the combined pairs of emitters-receivers I1-P1, I1'-P1 'and I2-P2, I2'-P2' time intervals t 1 , and t 2 , the passage of ultrasonic vibrations from emitters to receivers will be determined by the ratios
где L - расстояние между излучателями И1, И1' и приемниками П1, П1' ультразвуковых колебаний; а - скорость распространения звука в воздухе.where L is the distance between the emitters I1, I1 'and the receivers P1, P1' of ultrasonic vibrations; a is the speed of sound propagation in air.
Как только первые электрические колебания, создаваемые на выходах пьезоэлектрических приемников П1, П1' и П2, П2', пройдя через усилители У1, У1' и У2, У2' и детекторы Д1, Д1' и Д2, Д2' поступают на модуляторы M1, M1' и М2, М2', работающие в триггерном режиме, модуляторы 5 закрывают проход колебаний от генератора 2 к пьезоэлектрическим элементам излучателей И1, И1' и И2, И2' и посылка ультразвуковых колебаний от излучателей 3 прекратится. Модуляторы M1, M1' и М2, М2' вновь открываются после того как последние ультразвуковые колебания первых пакетов достигнут пьезоэлектрических приемников П1, П1' и П2, П2'.As soon as the first electrical oscillations created at the outputs of piezoelectric receivers P1, P1 'and P2, P2', having passed through amplifiers U1, U1 'and U2, U2' and detectors D1, D1 'and D2, D2' enter the modulators M1, M1 'and M2, M2', operating in the trigger mode,
В результате между пьезоэлементами пары И1-П1 и И1'-П1' и пары И2-П2 и И2'-П2' будут проходить пакеты ультразвуковых колебаний с периодами следования 2Т1, и 2Т2, . На входы схемы вычитания СВ1 и схемы вычитания СВ2 будут поступать процессы с частотами ƒ1, и ƒ2, , определяемых соотношениямиAs a result, packets of ultrasonic vibrations with repetition periods 2T 1 will pass between the piezoelements of the pair I1-P1 and I1'-P1 'and the pair I2-P2 and I2'-P2', and 2T 2 , ... The inputs of the subtraction circuit CB1 and the subtraction circuit CB2 will receive processes with frequencies ƒ 1 , and ƒ 2 , defined by the relations
На выходах схем вычитания СВ1 и СВ2 формируются информативные сигналы измерительных каналов в виде разности и определяемые соотношениями видаAt the outputs of the subtraction circuits CB1 and CB2, informative signals of the measuring channels are formed in the form of a difference and defined by relations of the form
Представляя косинусы суммы и разности в видеRepresenting the cosines of the sum and the difference in the form
cos(Θ0+α)=cosΘ0 cosα+sinΘ0 sinα;cos (Θ 0 + α) = cosΘ 0 cosα + sinΘ 0 sinα;
cos(Θ0-α)=cosΘ0 cosα-sinΘ0 sinα,cos (Θ 0 -α) = cosΘ 0 cosα-sinΘ 0 sinα,
и принимая Θ0=45°, cos45°=sin45°=, получимand taking Θ 0 = 45 °, cos45 ° = sin45 ° = , we get
Сумма (Δƒ1+Δƒ2) и разность (Δƒ1-Δƒ2) будут определяться какThe sum (Δƒ 1 + Δƒ 2 ) and the difference (Δƒ 1 -Δƒ 2 ) will be determined as
Тогда аналитическое выражение для определения аэродинамического угла α в измерительных каналах кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости будет иметь видThen the analytical expression for determining the aerodynamic angle α in the measuring channels of the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed will have the form
Сумма квадратов Δƒ1 2+Δƒ2 2 будет определяться соотношениемThe sum of squares Δƒ 1 2 + Δƒ 2 2 will be determined by the ratio
Тогда аналитическое выражение для определения величины истинной воздушной скорости VB=V в измерительных каналах кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости будет иметь видThen the analytical expression for determining the value of the true airspeed V B = V in the measuring channels of the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed will have the form
Полученные соотношения (5) и (6) определяют алгоритмы обработки информативных сигналов Δƒ1 и Δƒ2, которые подаются с выходов схем вычитания СВ1 и СВ2 на вход вычислителя 9. На выходе вычислителя 9 формируются выходные цифровые (кодовые) выходные сигналы и Nα кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости, которые подаются на средства отображения информации в систему автоматического управления и другим потребителям.The obtained relations (5) and (6) determine the algorithms for processing informative signals Δƒ 1 and Δƒ 2 , which are fed from the outputs of the subtraction circuits CB1 and CB2 to the input of the
Таким образом, кинематический датчик аэродинамического угла и истинной воздушной скорости для регистрации параметров набегающего воздушного потока использует только два приемника, выполненных в виде совмещенных пьезоэлектрических излучателей-приемников ультразвуковых колебаний. Измерительная схема кинематического датчика включает только два измерительных канала с частотными информативными сигналами, выделение, преобразование и обработка которых обеспечивается с меньшими погрешностями, чем аналоговые сигналы, что существенно упрощает ее реализацию. Весьма простые алгоритмы определения измеряемого аэродинамического угла и истинной воздушной скорости упрощают реализацию вычислителя, формирующего цифровые (кодовые) выходные сигналы кинематического датчика по аэродинамическому углу и истинной воздушной скорости. Все это упрощает конструкцию, снижает стоимость, повышает точность измерения и обеспечивает конкурентоспособность применения кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости на летательных аппаратах, в том числе самолетах различного класса и назначения.Thus, the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed for recording the parameters of the oncoming air flow uses only two receivers, made in the form of combined piezoelectric emitters-receivers of ultrasonic vibrations. The measuring circuit of the kinematic sensor includes only two measuring channels with frequency informative signals, the extraction, transformation and processing of which is provided with less errors than analog signals, which greatly simplifies its implementation. Quite simple algorithms for determining the measured aerodynamic angle and true airspeed simplify the implementation of a calculator that generates digital (code) output signals of the kinematic sensor for the aerodynamic angle and true airspeed. All this simplifies the design, reduces the cost, improves the measurement accuracy and ensures the competitiveness of the use of the kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed on aircraft, including aircraft of various classes and purposes.
Применение кинематического датчика аэродинамического угла и истинной воздушной скорости на летательных аппаратах, в том числе самолетах позволит повысить точность измерения аэродинамического угла и истинной воздушной скорости, что позволит повысить уровень безопасности полета, особенно на предельных режимах, улучшить качество пилотирования и обеспечить эффективность решения тактико-технических задач полета.The use of a kinematic sensor of the aerodynamic angle and true airspeed on aircraft, including airplanes, will improve the accuracy of measuring the aerodynamic angle and true airspeed, which will increase the level of flight safety, especially at extreme modes, improve the quality of piloting and ensure the effectiveness of the tactical and technical solution. flight tasks.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019114938A RU2737518C1 (en) | 2019-05-15 | 2019-05-15 | Kinematic sensor of aerodynamic angle and true air speed |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019114938A RU2737518C1 (en) | 2019-05-15 | 2019-05-15 | Kinematic sensor of aerodynamic angle and true air speed |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2737518C1 true RU2737518C1 (en) | 2020-12-01 |
Family
ID=73792375
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019114938A RU2737518C1 (en) | 2019-05-15 | 2019-05-15 | Kinematic sensor of aerodynamic angle and true air speed |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2737518C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2445634C2 (en) * | 2010-05-05 | 2012-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева | Label sensor for aerodynamic angle and air speed |
RU127473U1 (en) * | 2012-07-16 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" | VORTEX SENSOR OF AERODYNAMIC ANGLE AND TRUE AIR SPEED |
RU155826U1 (en) * | 2014-12-10 | 2015-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" | METHOD SENSOR FOR AERODYNAMIC ANGLE AND TRUE AIR SPEED |
WO2016164624A1 (en) * | 2015-04-07 | 2016-10-13 | Aspen Avionics, Inc. | System and method for angle of attack indication with no dedicated sensors and aircraft information |
US10118696B1 (en) * | 2016-03-31 | 2018-11-06 | Steven M. Hoffberg | Steerable rotating projectile |
-
2019
- 2019-05-15 RU RU2019114938A patent/RU2737518C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2445634C2 (en) * | 2010-05-05 | 2012-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева | Label sensor for aerodynamic angle and air speed |
RU127473U1 (en) * | 2012-07-16 | 2013-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" | VORTEX SENSOR OF AERODYNAMIC ANGLE AND TRUE AIR SPEED |
RU155826U1 (en) * | 2014-12-10 | 2015-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" | METHOD SENSOR FOR AERODYNAMIC ANGLE AND TRUE AIR SPEED |
WO2016164624A1 (en) * | 2015-04-07 | 2016-10-13 | Aspen Avionics, Inc. | System and method for angle of attack indication with no dedicated sensors and aircraft information |
US10118696B1 (en) * | 2016-03-31 | 2018-11-06 | Steven M. Hoffberg | Steerable rotating projectile |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Статья: "СТРУКТУРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОННО-МЕТОЧНЫХ ДАТЧИКОВ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ УГЛОВ И ВОЗДУШНОЙ СКОРОСТИ", ЧУМАРОВ А.Р., Ж. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. АВИАЦИОННАЯ ТЕХНИКА, номер 3, 2001, стр. 34-37. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4038870A (en) | Air movement measuring apparatus | |
GB2194058A (en) | Arrangement for contactless measurement of the volume flow or mass flow of a moving medium | |
EP0003095B1 (en) | Indicator apparatus for determining a distance of a supersonic projectile in relation to a target | |
Ganeev et al. | Ion-marking aerodynamic angle and airspeed sensor with logometric informative signals and interpolation processing scheme | |
RU2445634C2 (en) | Label sensor for aerodynamic angle and air speed | |
US6601447B1 (en) | Acoustic anemometer for simultaneous measurement of three fluid flow vector components | |
RU2737518C1 (en) | Kinematic sensor of aerodynamic angle and true air speed | |
RU191234U1 (en) | Kinematic sensor for aerodynamic angle and true airspeed | |
RU155825U1 (en) | ON-BOARD SYSTEM FOR MEASURING THE PARAMETERS OF THE WIND SPEED VECTOR AT THE PARKING, STARTING AND TAKEOFF AND LANDING MODES | |
JP2006300702A (en) | Revolution speed detector and rotating flying object | |
US3560973A (en) | Method and apparatus for passive mapping | |
US3797309A (en) | Method and apparatus for sensing the relative direction and velocity of movement of a body in a liquid or gas medium | |
RU99180U1 (en) | METHOD SENSOR OF AERODYNAMIC ANGLE AND AIR SPEED | |
US3745956A (en) | Self-guidance methods and devices for anti-submarine missiles | |
RU153990U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
CA1114481A (en) | System for providing angular deviation data for locating a transmitter | |
RU155826U1 (en) | METHOD SENSOR FOR AERODYNAMIC ANGLE AND TRUE AIR SPEED | |
RU206371U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
RU169800U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER | |
JP4287315B2 (en) | Position detection device using ultrasonic waves | |
RU2587389C1 (en) | Onboard system of measuring parameters of wind velocity vector at station, takeoff and landing helicopter | |
RU2580208C1 (en) | Label sensor for aerodynamic angle and true air speed | |
RU155830U1 (en) | METHOD SENSOR FOR AERODYNAMIC ANGLE AND TRUE AIR SPEED | |
US2677820A (en) | System for guiding dirigible craft | |
RU210598U1 (en) | ACOUSTIC ANEMOMETER |