RU2762543C1

RU2762543C1 - Static and full pressure sensor

Info

Publication number: RU2762543C1
Application number: RU2020138917A
Authority: RU
Inventors: Иван Васильевич Антонец; Руслан Андреевич Борисов; Геннадий Михайлович Горшков; Лилия Ауфатовна Нигматуллина
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-12-21

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to control and measuring equipment for measuring the altitude and flight speed of aircrafts based on the use of an aerometric method. A static and full pressure sensor contains a case with two holes communicating with the measured medium, inside which an aneroid sensing element is placed, in the form of upper and lower main membranes, in geometric rigid centers of which holes are made, a radiation source mounted on a rack, and two shutters with slots, as well as two optical rulers, and additionally: two racks, a radiation source mounted on a rack, upper and lower pressure gauge boxes, which are hermetically attached, along the perimeter of rigid centers having holes, to inner sides, relatively to a gap of rigid centers of main membranes, while holes of main membranes and additional pressure gauge boxes coincide, shutters with slots are attached to outer sides of rigid centers without holes of the upper and lower pressure gauge boxes, racks of radiation sources, as well as two additional racks, on which two optical rulers are mounted, are attached to the sensor case.

EFFECT: increase in the sensitivity and accuracy of pressure measurement both in altitude and in the flight speed of the aircraft.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно - измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода.The invention relates to instrumentation and can be used to measure the height and speed of aircraft based on the use of the aerometric method.

Известно устройство (а.с. №643763, Бюл. №3, 1979 г.). Предлагаемые мембранные коробки используются в приборах, которые подвержены односторонним перегрузкам внешним давлением. К недостаткам предлагаемых мембранных коробок следует отнести то обстоятельство, что точность измерения нелинейно изменяющегося давления (статического или полного, в результате полета воздушного судна, давлений) определяется точностью лишь одной мембраны, т.к. другая - играет роль лишь ограничителя перемещений.The known device (and.with. No. 643763, Bul. No. 3, 1979). The offered diaphragm boxes are used in devices that are subject to one-sided overload by external pressure. The disadvantages of the proposed membrane boxes include the fact that the measurement accuracy of nonlinearly changing pressure (static or total pressure as a result of the aircraft flight) is determined by the accuracy of only one membrane, since the other plays the role of only a displacement limiter.

Известно также устройство (а.с. №1370466, Бюл. №4, 1988 г.). В устройстве две, жестко соединенные по контуру мембраны, образуют замкнутую полость. Здесь также практически не возможно повысить точность измерения нелинейно изменяющегося давления, т.к. мембраны работают одновременно, как один упругий элемент.Also known device (and.with. No. 1370466, Bul. No. 4, 1988). In the device, two membranes rigidly connected along the contour form a closed cavity. Here it is also practically impossible to increase the measurement accuracy of the nonlinearly varying pressure, since membranes work simultaneously as one elastic element.

В частотных преобразователях давления [Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы: учебное пособие в 2 ч. / сост. Е.В. Антонец, В.И. Смирнов, Г.А. Федосеева. - Ч. 1. - Ульяновск: УВАУ ГА, 2007. - 119 с.], получивших в настоящее время наибольшее распространение, изменение измеряемого давления (или разности давлений) вызывает изменение частоты колебаний чувствительного элемента (ЧЭ), в качестве которых используются натянутая струна, тонкостенный цилиндрический резонатор и тому подобные элементы. Изменение частоты колебаний ЧЭ приводит к изменению частоты выходного сигнала преобразователя. Однако, частотный датчик имеет равную чувствительность во всем диапазоне измерения давления, что, при нелинейном характере изменения давления, существенно влияет на точность измерений.In frequency converters of pressure [Aviation instruments and flight and navigation systems: a tutorial in 2 hours / comp. E.V. Antonets, V.I. Smirnov, G.A. Fedoseev. - Part 1. - Ulyanovsk: UVAU GA, 2007. - 119 p.], Which are currently the most widespread, a change in the measured pressure (or pressure difference) causes a change in the vibration frequency of the sensitive element (SE), which are used as a stretched string , a thin-walled cylindrical resonator and the like. A change in the frequency of oscillations of the SE leads to a change in the frequency of the output signal of the transducer. However, the frequency sensor has the same sensitivity over the entire pressure measurement range, which, with a non-linear nature of the pressure change, significantly affects the measurement accuracy.

Известен барометрический высотомер (патент РФ №1426187, Бюл №16, 2005 г.), содержащий последовательно соединенные преобразователь давления в частоту импульсов тока, формирователь интервала счета, двоичный многоразрядный счетчик со входами предварительной установки и выходной регистр, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя интервала счета, генератор опорной частоты и схему И, первый и второй вход которой соединен соответственно с выходами генератора опорной частоты и формирователя интервала счета. Известно также устройство для измерения вертикальной скорости и высоты полета (патент №1292447 РФ, Бюл №16, 2005 г.).Known barometric altimeter (RF patent No. 1426187, Bulletin No. 16, 2005), containing a series-connected pressure transducer in the frequency of current pulses, a shaper of the counting interval, a binary multi-digit counter with preset inputs and an output register, the control input of which is connected to the output of the shaper the counting interval, the reference frequency generator and the AND circuit, the first and second inputs of which are connected, respectively, to the outputs of the reference frequency generator and the counting interval generator. There is also known a device for measuring vertical speed and flight altitude (patent No. 1292447 RF, Bullet No. 16, 2005).

Существенными недостатками частотных преобразователей давления являются: высокая зависимость от стабильности частоты питающего напряжения и чувствительность к механическим вибрациям; появление температурных погрешностей датчика и относительно большие энергетические затраты, вызванные наличием специального электромагнитного возбудителя колебаний; постоянный уход метрологических характеристик упругого элемента, определяемый большим числом колебаний.Significant disadvantages of frequency converters of pressure are: high dependence on the stability of the frequency of the supply voltage and sensitivity to mechanical vibrations; the appearance of temperature errors of the sensor and relatively large energy costs caused by the presence of a special electromagnetic exciter of oscillations; constant drift of the metrological characteristics of an elastic element, determined by a large number of vibrations.

Прототипом предлагаемого датчика может служить датчик аэрометрических давлений (патент РФ №2684683, Бюл. №11, 2019 г.), использующий двухступенчатые упругие чувствительные элементы и оптический метод преобразования деформации, содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней основными мембранами, источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки с прорезями, закрепленные на той же стойке, а также две оптические линейки, отличающееся тем, что в геометрических центрах верхней и нижней основных мембран содержатся отверстия, которые с внешних сторон мембран, по отношению к зазору, перекрываются дополнительными верхней и нижней мембранами, герметично по периметру прикрепленными к внешним сторонам основных мембран, при этом оптические линейки прикреплены соответственно к верхней и нижней дополнительным мембранам и обращены к соответствующим прорезям шторок.The prototype of the proposed sensor can be an aerometric pressure sensor (RF patent No. 2684683, Bull. No. 11, 2019), using two-stage elastic sensing elements and an optical deformation conversion method, containing a housing that has two holes communicating with the measured medium and inside which there is an aneroid sensitive element formed by the upper and lower main membranes, a radiation source fixed on the rack, and two shutters with slots fixed on the same rack, as well as two optical rulers, characterized in that the geometric centers of the upper and lower main membranes contain holes, which on the outer sides of the membranes, in relation to the gap, are closed by additional upper and lower membranes, hermetically attached to the outer sides of the main membranes, hermetically along the perimeter, while the optical rulers are attached respectively to the upper and lower additional membranes and facing the corresponding slots of the shutters.

Недостатком данного устройства является то обстоятельство, что в нем дополнительные верхняя и нижняя мембраны, герметично по периметру прикреплены к внешним сторонам основных мембран. Это обстоятельство существенно влияет на параметры упругих характеристик основных мембран, т.к. разрушается структура материала по линии соединения мембран и, соответственно, снижается точность измерений давлений. Кроме того, значительно усложняется технологический процесс изготовления мембранных коробок.The disadvantage of this device is the fact that in it additional upper and lower membranes are hermetically attached along the perimeter to the outer sides of the main membranes. This circumstance significantly affects the parameters of the elastic characteristics of the main membranes, since the structure of the material along the membrane connection line is destroyed and, accordingly, the accuracy of pressure measurements decreases. In addition, the manufacturing process of membrane boxes is significantly complicated.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание датчика статического и полного давлений.The technical problem of the present invention is to create a static and total pressure sensor.

Технический результат - повышение чувствительности и точности измерения давления и по высоте, и по скорости полета воздушного судна. Указанный технический результат достигается с тем, что в датчик давлений содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней основными мембранами, в геометрических (жестких) центрах которых выполнены отверстия, источник излучения, установленный на стойке, и две шторки с прорезями, а также две оптические линейки, имеющие активные поверхности, при этом в конструкцию датчика дополнительно введены: две стойки, источник излучения, установленный на стойке, а также верхняя и нижняя манометрические коробки, которые герметично по периметру жестких центров, имеющих отверстия, прикреплены к внутренним сторонам, по отношению к зазору, жестких центров основных мембран, при этом отверстия основных мембран и дополнительных манометрических коробок совпадают, шторки с прорезями прикреплены к внешним сторонам жестких центров без отверстий соответственно верхней и нижней манометрических коробок, причем стойки имеющегося и дополнительного источников излучения, а также две дополнительные стойки, на которых установлены две оптические линейки, прикреплены к корпусу датчика с возможностью прохождения световых потоков источников излучения через прорези в шторках на активные поверхности оптических линеек.EFFECT: increased sensitivity and accuracy of pressure measurement both in height and in flight speed of the aircraft. The specified technical result is achieved so that the pressure sensor contains a housing that has two holes communicating with the measured medium and inside which there is an aneroid sensitive element formed by the upper and lower main membranes, in the geometric (rigid) centers of which holes are made, the radiation source mounted on a rack, and two shutters with slots, as well as two optical rulers with active surfaces, while the sensor design additionally includes: two racks, a radiation source mounted on a rack, as well as upper and lower manometric boxes, which are hermetically sealed against perimeter of rigid centers with holes are attached to the inner sides, with respect to the gap, of the rigid centers of the main membranes, while the holes of the main membranes and additional gauge boxes coincide, curtains with slots are attached to the outer sides of the rigid centers without holes, respectively, of the upper and lower gauge x boxes, moreover, the racks of the existing and additional radiation sources, as well as two additional racks, on which two optical rulers are installed, are attached to the sensor body with the possibility of passing the light fluxes of the radiation sources through the slots in the shutters to the active surfaces of the optical rulers.

Сущность изобретения поясняется схемой устройства представленного на чертеже. Устройство содержит корпус 1 с двумя отверстиями, соответственно для измерения статического (Рст) и полного (Рполн) давлений. Мембраны 2 и 3 упругого чувствительного элемента (анероидной коробки) разнесены по высоте, образуя зазор, из которого выкачан воздух, и герметично по периметру прикреплены к корпусу 1. В геометрических (жестких) центрах мембран 2 и 3 выполнены отверстия, которые с внутренних сторон мембран, по отношению к зазору, совпадают с отверстиями дополнительных верхней 4 и нижней 5 манометрических коробок, герметично по периметру жестких центров, имеющих отверстия, прикрепленных к внутренним сторонам жестких центров основных мембран. Дополнительные манометрические коробки имеют меньшую, по сравнению с мембранами, жесткость, а, следовательно, большую чувствительность.The essence of the invention is illustrated by the diagram of the device shown in the drawing. The device contains a housing 1 with two holes, respectively, for measuring static (Pst) and total (Ptot) pressures. Membranes 2 and 3 of the elastic sensitive element (aneroid box) are spaced apart in height, forming a gap from which air is pumped out, and are hermetically attached to the body 1 along the perimeter. In the geometric (rigid) centers of membranes 2 and 3, holes are made, which are on the inner sides of the membranes , in relation to the gap, coincide with the holes of the additional upper 4 and lower 5 gauge boxes, hermetically sealed along the perimeter of rigid centers with holes attached to the inner sides of the rigid centers of the main membranes. Additional gauge boxes are less rigid than diaphragms and therefore more sensitive.

Внутри безвоздушного зазора к стойкам 6 и 7 прикреплены две оптические линейки 8 и 9. Два источника излучений 10 и 11 установлены на стойках, соответственно 12 и 13. К внешним сторонам жестких центров, без отверстий, дополнительных мембранных коробок 4 и 5, прикреплены шторки 14 и 15 с прорезями соответственно 16 и 17. Световые потоки от источников излучения, проходя через соответствующие прорези шторок, попадают на активные поверхности оптических линеек.Inside the airless gap, two optical rulers 8 and 9 are attached to racks 6 and 7. Two radiation sources 10 and 11 are installed on racks, respectively 12 and 13. To the outer sides of rigid centers, without holes, additional membrane boxes 4 and 5, curtains 14 are attached and 15 with slots 16 and 17, respectively. Light fluxes from the radiation sources, passing through the corresponding slots of the shutters, fall on the active surfaces of the optical lines.

Работа датчика осуществляется следующим образом. В исходном состоянии основные мембраны 2 и 3 и дополнительные мембранные коробки 4 и 5 упругих чувствительных элементов занимают определенное положение. Оптическая энергия от источников излучения 10 и 11 через прорези 16 и 17 шторок 14 и 15 попадает в виде оптических пятен на активные поверхности оптических линеек 8 и 9.The sensor works as follows. In the initial state, the main membranes 2 and 3 and additional membrane boxes 4 and 5 of the elastic sensitive elements occupy a certain position. Optical energy from radiation sources 10 and 11 through the slots 16 and 17 of the shutters 14 and 15 falls in the form of optical spots on the active surfaces of the optical lines 8 and 9.

В оптических линейках отдельные фоточувствительные элементы (пиксели) расположены вдоль одной координаты. Принцип работы данных устройств заключается в формировании внутри каждого пикселя электрического сигнала, пропорционального поглощенной им оптической энергии. Достигается это благодаря фоточувствительному р-n переходу (как и в обычном фотодиоде), через который происходит разряд конденсатора оптического элемента. Чем больше будет оптическая мощность светового пятна, попадающего на пиксель, тем больше будет ток фотодиода и, следовательно, тем быстрее будет разряжаться конденсатор. В конце цикла измерения происходит считывание остаточного заряда конденсаторов пикселей.In optical rulers, individual photosensitive elements (pixels) are located along one coordinate. The principle of operation of these devices lies in the formation of an electric signal inside each pixel, proportional to the optical energy absorbed by it. This is achieved due to the photosensitive pn junction (as in a conventional photodiode), through which the capacitor of the optical element is discharged. The higher the optical power of the light spot falling on the pixel, the higher the photodiode current and, therefore, the faster the capacitor will discharge. At the end of the measurement cycle, the residual charge of the pixel capacitors is read.

При изменении статического (Рст) и (или) полного (Рполн) давлений мембраны 2, 3, а также манометрические коробки 4 и 5 деформируются, при этом шторки 14 и 15, прикрепленные к мембранным коробкам, смещаются, вызывая перемещения оптических пятен, сформированных источниками излучения и прорезями шторок, по активным поверхностям оптических линеек.When the static (Pst) and (or) total (Ptot) pressures change, membranes 2, 3, as well as gauge boxes 4 and 5 are deformed, while curtains 14 and 15 attached to the membrane boxes are displaced, causing displacement of optical spots formed by sources radiation and shutter slots, along the active surfaces of optical lines.

Суммарное перемещение мембранных коробок, имеющих максимально высокую чувствительность, и основных мембран, имеющих относительно низкую чувствительность, позволяет с заданной точностью осуществить измерение давления при нелинейном характере его изменения. При последовательном опросе пикселей на выходе оптических многоэлементных устройств будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве оптического устройства. Иными словами, на выходе оптических устройств будут формироваться цифровые сигналы пропорциональные соответственно статическому и полному давлениям.The total movement of the membrane boxes with the highest possible sensitivity and the main membranes, which have a relatively low sensitivity, makes it possible to measure pressure with a given accuracy with a nonlinear nature of its change. When the pixels are sequentially polled at the output of the optical multi-element devices, an electrical signal will be formed, in which the change in amplitude with time reflects the distribution of optical power in the space of the optical device. In other words, digital signals proportional to the static and total pressures, respectively, will be generated at the output of the optical devices.

Предлагаемое устройство, обладая всеми достоинствами прототипа, за счет введения манометрических коробок позволяет значительно повысить точность измерения нелинейно изменяющегося давления (статического и полного) во всем диапазоне его измерения. Предлагаемый датчик имеет высокую устойчивость к вибрациям. Кроме того, крепление манометрических коробок к упругим мембранам осуществляется по жестким центрам, при этом их упругие характеристики практически не меняются, а технологический процесс крепления значительно упрощается.The proposed device, possessing all the advantages of the prototype, due to the introduction of manometric boxes, can significantly increase the measurement accuracy of nonlinearly varying pressure (static and total) in the entire range of its measurement. The proposed sensor is highly resistant to vibration. In addition, the manometric boxes are attached to the elastic membranes along rigid centers, while their elastic characteristics practically do not change, and the fastening process is greatly simplified.

Для расчета аэрометрических параметров: относительной барометрической высоты, приборной скорости, истинной воздушной скорости, вертикальной скорости, отклонения от заданной высоты и числа Маха - в вычислитель непрерывно должна поступать следующая информация: Рст - статическое давление, Рполн - полное давление, Ро - давление, относительно которого измеряется высота (выставляется вручную), Тт - температура заторможенного набегающего воздушного потока. Очевидно, что предлагаемый датчик давления совместно с датчиком температуры, позволяет определить все перечисленные аэрометрические параметры.To calculate aerometric parameters: relative barometric altitude, indicated airspeed, true airspeed, vertical speed, deviations from the set altitude and Mach number, the following information must be continuously fed to the calculator: Pst - static pressure, Ptot - total pressure, Po - pressure, relative of which the height is measured (set manually), Тт is the temperature of the decelerated incoming air flow. It is obvious that the proposed pressure sensor, together with a temperature sensor, makes it possible to determine all of the above aerometric parameters.

Claims

A static and total pressure sensor containing a housing that has two holes communicating with the measured medium and inside which an aneroid sensitive element is located, formed by the upper and lower main membranes, in the geometric rigid centers of which holes are made, a radiation source mounted on a rack, and two shutters with slots, as well as two optical rulers with active surfaces, characterized in that the sensor design additionally includes: two stands, a radiation source mounted on a stand, as well as upper and lower manometric boxes, which are hermetically sealed along the perimeter of rigid centers with holes are attached to the inner sides, with respect to the gap, of the rigid centers of the main membranes, while the holes of the main membranes and additional gauge boxes coincide, curtains with slots are attached to the outer sides of the rigid centers without holes, respectively, of the upper and lower gauge boxes, moreover, stand ki of the existing and additional radiation sources, as well as two additional stands, on which two optical rulers are installed, are attached to the sensor body with the possibility of passing the light fluxes of the radiation sources through the slots in the shutters to the active surfaces of the optical rulers.