RU2785033C1

RU2785033C1 - Pressure sensor using optical method for information conversion

Info

Publication number: RU2785033C1
Application number: RU2022126991A
Authority: RU
Inventors: Иван Васильевич Антонец; Руслан Андреевич Борисов; Александр Викторович Кротов; Денис Александрович Насонов; Лилия Ауфатовна Нигматуллина; Геннадий Михайлович Горшков
Filing date: 2022-10-18
Publication date: 2022-12-02

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to control and measuring equipment and can be used for measuring the altitude and velocity of flight of aircraft based on the use of the aerometric method. Apparatus containing a body with an upper base and a lower base, wherein each of the bases has a hole in communication with the measured medium, and a radiation source located on a stand attached to the inner surface of the body, and two shutters with slits attached to the same stand, as well as two lines of photovoltaic receivers, additionally includes two manometric boxes, with a hole made in one of the rigid centres of each of said boxes, wherein the rigid centres of the manometric boxes with holes are attached tightly to the upper and lower bases of the body so that the holes in the bases and the boxes are matched, and the lines of the photovoltaic receivers are attached to the rigid centres of manometric boxes without holes and face the corresponding slits in the shutters.

EFFECT: higher sensitivity and accuracy of pressure measurement.

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 flight based on the use of the aerometric method.

Известен барометрический высотомер (авторское свидетельство СССР №1426187, заяв. 1987, МПК G01C 5/00; G01C 5/06, публ. 10.06.2005г.), содержащий последовательно соединенные преобразователь давления в частоту импульсов тока, формирователь интервала счета, двоичный многоразрядный счетчик с входами предварительной установки и выходной регистр, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя интервала счета, генератор опорной частоты и схему. И, первый и второй входы которой соединены соответственно с выходами генератора опорной частоты и формирователя интервала счета.A barometric altimeter is known (USSR author's certificate No. 1426187, bid. 1987, IPC G01C 5/00; G01C 5/06, publ. 06/10/2005), containing series-connected pressure converter to the frequency of current pulses, a counting interval shaper, a binary multi-digit counter with presetting inputs and an output register, the control input of which is connected to the output of the counting interval shaper, a reference frequency generator and a circuit. And, the first and second inputs of which are connected respectively to the outputs of the reference frequency generator and the shaper of the counting interval.

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 frequency stability of the supply voltage and sensitivity to mechanical vibrations; the appearance of temperature errors in the sensor and relatively large energy costs caused by the presence of a special electromagnetic oscillation exciter; constant deviation of the metrological characteristics of the elastic element, determined by a large number of oscillations.

Известно также устройство для измерения барометрических вертикальной скорости и высоты полета (Патент РФ №1292447 Кл. G01P 3/489, 10.06.2005 г.), содержащее барометрический высотомер, подключенный выходом к первому входу первого вычитателя непосредственно и ко второму входу первого вычитателя через последовательно соединенные первый, второй и третий элементы задержки, второй вычитатель, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента задержки, вторым входом к выходу второго элемента задержки и выходом к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого вычитателя, и выходные шины.It is also known a device for measuring barometric vertical speed and flight altitude (RF Patent No. 1292447 Cl. G01P 3/489, 10.06.2005), containing a barometric altimeter, connected output to the first input of the first subtractor directly and to the second input of the first subtractor through series the connected first, second and third delay elements, the second subtractor connected by the first input to the output of the first delay element, the second input to the output of the second delay element and the output to the first input of the first adder connected by the second input to the output of the first subtractor, and output tires.

Данное устройство обладает, по сравнению с предыдущим, более высокой точностью измерений за счет уменьшения динамической и флуктуационной погрешностей, однако ему также присущи все вышеперечисленные недостатки частотных преобразователей давления.This device has, in comparison with the previous one, a higher measurement accuracy due to a decrease in dynamic and fluctuation errors, however, it also has all the above disadvantages of frequency pressure converters.

Прототипом предлагаемого датчика может служить датчик давления, использующий оптический метод преобразования информации (Патент РФ 2653596 МПК G01L 7/00 (2006.01), 2018), содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный двумя мембранами. В устройство дополнительно введены источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки со щелями, закрепленные на той же стойке, а также две фотоприемные линейки, причем мембраны чувствительного элемента разделены на верхнюю и нижнюю и герметично по периметру прикреплены к корпусу, образуя безвоздушный зазор, при этом отверстия корпуса расположены выше и ниже зазора, стойка размещена внутри зазора и прикреплена к корпусу, а фотоприемные линейки, также размещенные в зазоре, прикреплены соответственно к верхней и нижней мембранам и обращены к соответствующим щелям шторок.The prototype of the proposed sensor can be a pressure sensor using the optical method of information conversion (RF Patent 2653596 IPC G01L 7/00 (2006.01), 2018), containing a housing that has two holes that communicate with the measured medium and inside which is placed an aneroid sensitive element formed by two membranes. The device additionally includes a radiation source mounted on a stand, and two curtains with slots fixed on the same stand, as well as two photodetector lines, the membranes of the sensitive element being divided into upper and lower and hermetically attached to the body along the perimeter, forming an airless gap, in this case, the openings of the body are located above and below the gap, the rack is placed inside the gap and attached to the body, and the photodetector lines, also placed in the gap, are attached to the upper and lower membranes, respectively, and face the corresponding slots of the shutters.

К недостаткам данного устройства можно отнести ряд факторов, влияющих на точность измерения. Для преобразования воздушного давления в физическое перемещение используется мембрана, жестко заделанная по контуру в корпус датчика. Ограничение величины максимального перемещения мембраны, связанное с проявлением упругих несовершенств материала этой мембраны, снижает чувствительность датчика давлений с одиночной мембраной. Кроме того, невозможность обеспечения равных напряжений в стыках, обеспечивающих герметичную заделку мембраны в корпус датчика, приводит к появлению радиального смещения и дополнительных инструментальных погрешностей. The disadvantages of this device include a number of factors that affect the measurement accuracy. To convert air pressure into physical movement, a membrane is used, which is rigidly embedded along the contour into the sensor housing. Limiting the value of the maximum displacement of the membrane, associated with the manifestation of elastic imperfections in the material of this membrane, reduces the sensitivity of the pressure sensor with a single membrane. In addition, the impossibility of providing equal stresses in the joints, which ensure hermetic sealing of the membrane into the sensor body, leads to the appearance of radial displacement and additional instrumental errors.

Задачей изобретения является разработка датчика давления, использующего оптический метод преобразования информации.The objective of the invention is to develop a pressure sensor using an optical method of information conversion.

Технический результат изобретения состоит в повышении чувствительности и точности измерения воздушных давлений.The technical result of the invention is to increase the sensitivity and accuracy of air pressure measurement.

Технический результат достигается тем, что датчик давления содержит корпус с верхним и нижним основаниями, каждое из которых имеет отверстие, сообщающееся с измеряемой средой, а также источник излучения, расположенный на стойке, прикрепленной к внутренней поверхности корпуса и две шторки с прорезями, прикрепленные к той же стойке, а также две линейки фотоэлектронных приемников. The technical result is achieved by the fact that the pressure sensor contains a housing with upper and lower bases, each of which has an opening communicating with the measured medium, as well as a radiation source located on a stand attached to the inner surface of the housing and two curtains with slots attached to that the same rack, as well as two lines of photoelectronic receivers.

Особенностью является то, что в устройство дополнительно введены две манометрические коробки, один из жестких центров каждой из которых имеет отверстие, причем жесткие центры манометрических коробок, имеющие отверстия, герметично прикреплены к верхнему и нижнему основаниям корпуса так, что отверстия оснований и коробок совпадают, а линейки фотоэлектронных приемников прикреплены к не содержащим отверстий жестким центрам манометрических коробок и обращены к соответствующим прорезям шторок.A special feature is that two manometric boxes are additionally introduced into the device, one of the rigid centers of each of which has a hole, and the rigid centers of the manometric boxes having holes are hermetically attached to the upper and lower bases of the housing so that the holes of the bases and boxes coincide, and arrays of photoelectric receivers are attached to the non-perforated rigid centers of the gauge boxes and face the corresponding shutter slots.

Сущность изобретения поясняется схемой устройства, представленного на чертеже. The essence of the invention is illustrated by a diagram of the device shown in the drawing.

Устройство содержит корпус 1 с верхним 2 и нижним 3 основаниями, которые выполнены с отверстиями, соответственно 4 - для измерения статического (Рст) и 5 - полного (Рполн) давлений. В качестве упругих чувствительных элементов использованы манометрические коробки 8, каждая из которых представляет собой замкнутую металлическую полость, образованную двумя спаянными между собой по краям круглыми гофрированными мембранами. Для увеличения прогиба мембраны гофры выполнены в виде концентрических волн. В центральной части манометрическая коробка 8 имеет жесткие центры, из которых один без отверстия - подвижный, а другой с отверстием - неподвижный. Манометрические коробки 8, содержащие жесткие центры с отверстиями 9, герметично прикреплены соответственно к верхнему 2 и нижнему 3 основаниям корпуса 1 так, что отверстия оснований и жестких центров мембран совпадают. Манометрические коробки 8 разнесены по высоте, образуя зазор, из которого выкачан воздух. Внутри датчика, к боковой стенке корпуса 1 прикреплен источник излучения 6 и две шторки 7 с прорезями. Две линейки фотоэлектронных приемников 10 крепятся соответственно к жестким центрам манометрических коробок 8, не содержащим отверстий. Оптические пятна, сформировавшиеся с помощью прорезей в шторках, попадают на светочувствительные поверхности линеек фотоэлектронных приемников.The device comprises a housing 1 with top 2 and bottom 3 bases, which are made with holes, respectively 4 - for measuring static (Pst) and 5 - full (Ptotal) pressure. Manometric boxes 8 are used as elastic sensitive elements, each of which is a closed metal cavity formed by two round corrugated membranes welded together at the edges. To increase the deflection of the membrane, the corrugations are made in the form of concentric waves. In the central part, the manometric box 8 has rigid centers, of which one without a hole is movable, and the other with a hole is fixed. Gauge boxes 8, containing rigid centers with holes 9, are hermetically attached to the upper 2 and lower 3 bases of the body 1, respectively, so that the holes of the bases and the rigid centers of the membranes coincide. Gauge boxes 8 are spaced apart in height, forming a gap from which air is pumped out. Inside the sensor, a radiation source 6 and two shutters 7 with slots are attached to the side wall of the housing 1. Two lines of photoelectronic receivers 10 are attached respectively to the rigid centers of manometric boxes 8, which do not contain holes. Optical spots, formed with the help of slits in the shutters, fall on the light-sensitive surfaces of the lines of photoelectronic receivers.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is carried out as follows.

В исходном состоянии манометрические коробки 8 занимают определенное положение. Оптическая энергия от источника излучения 6 через прорези шторок 7 попадает в виде оптических пятен на фотоприемные линейки 10, прикрепленные к жестким центрам манометрических коробок 8. В линейках фотоэлектронных приемников 10 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 p-n переходу (как и в обычном фотодиоде), через который происходит разряд конденсатора фотоэлемента. Чем больше будет оптическая мощность, попадающая 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 the initial state, the manometric boxes 8 occupy a certain position. The optical energy from the radiation source 6 through the slots of the shutters 7 enters in the form of optical spots on the photodetector lines 10 attached to the rigid centers of the manometric boxes 8. In the lines of photoelectronic receivers 10, individual photosensitive elements (pixels) are located along one coordinate. The principle of operation of these devices is to form an electrical signal inside each pixel proportional to the optical energy absorbed by it. This is achieved thanks to a photosensitive p-n junction (as in a conventional photodiode), through which the photocell capacitor is discharged. The greater the optical power that hits the pixel, the greater the photodiode current will be 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 манометрические коробки 8 деформируются, при этом линейки фотоэлектронных приемников 10, прикрепленные к жестким центрам, не содержащим отверстий, манометрических коробок 8, смещаются, вызывая смещения на них оптических пятен от источника излучения 6 через прорези шторок 7. При последовательном опросе пикселей на выходе линеек фотоэлектронных приемников 10 будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве линеек фотоэлектронных приемников 10. Иными словами, на выходе линеек фотоэлектронных приемников 10 будут формироваться цифровые сигналы пропорциональные соответственно статическому (Рст) и полному (Рполн) давлениям .When the static (Рst) and (or) total (Рtot) pressures change, the manometric boxes 8 are deformed, while the lines of photoelectronic receivers 10 attached to rigid centers that do not contain holes, manometric boxes 8, are displaced, causing displacement of optical spots on them from the source radiation 6 through the slots of the shutters 7. When the pixels are sequentially polled at the output of the lines of photoelectronic receivers 10, an electrical signal will be generated, in which the change in amplitude over time reflects the distribution of optical power in the space of the lines of photoelectronic receivers 10. In other words, at the output of the lines of photoelectronic receivers 10, digital signals proportional to static (Pst) and total (Ptotal) pressures respectively.

Предлагаемое устройство лишено вышеперечисленных недостатков аналогов: высокая чувствительность линейки фотоэлектронных приемников требует минимальной деформации упругого элемента, что позволит избавиться от целого ряда погрешностей: остаточной деформации, нелинейности, упругих несовершенств материала, температурных колебаний, от воздействия линейных ускорений, от воздействия вибраций, от изменения свойств материала с течением времени и т.п. Бесконтактный съем информации и работа информационной системы в условиях вакуума значительно повысят эффективность процессов измерения. Отметим также значительное уменьшение энергопотребления.The proposed device is devoid of the above disadvantages of analogues: the high sensitivity of the line of photoelectronic receivers requires a minimum deformation of the elastic element, which will allow you to get rid of a number of errors: permanent deformation, nonlinearity, elastic imperfections of the material, temperature fluctuations, from the effects of linear accelerations, from the effects of vibrations, from changes in properties material over time, etc. Non-contact information retrieval and operation of the information system in vacuum conditions will significantly increase the efficiency of measurement processes. We also note a significant reduction in power consumption.

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, deviation from a given altitude and Mach number, the following information must continuously enter the computer: Pst - static pressure, Ptot - total pressure, Po - pressure, relative which the height is measured (set manually), Tt is the temperature of the retarded incoming air flow. Obviously, the proposed pressure sensor, together with the temperature sensor, allows you to determine all of the listed aerometric parameters.

Claims

Pressure sensor using an optical information conversion method, containing a housing with upper and lower bases, each of which has an opening communicating with the measured medium, as well as a radiation source located on a stand attached to the inner surface of the body, and two slotted curtains attached to the same stand, as well as two rulers photoelectronic receivers, characterized in that two manometric boxes are additionally introduced into the device, one of the rigid centers of each of which has a hole, and the rigid centers of the manometric boxes having holes are hermetically attached to the upper and lower bases of the housing so that the holes of the bases and boxes coincide , and arrays of photoelectric receivers are attached to the non-perforated rigid centers of the gauge boxes and face the corresponding shutter slots.