RU2796818C1

RU2796818C1 - Measurement of the parameters of the ambient and ram air streams on aircraft

Info

Publication number: RU2796818C1
Application number: RU2022133891A
Authority: RU
Inventors: Иван Васильевич Антонец; Руслан Андреевич Борисов; Алексей Александрович Милашкин; Лилия Ауфатовна Нигматуллина; Геннадий Михайлович Горшков
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2023-05-29

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: device contains a housing, which has two openings communicating with the measured medium, and inside which there is an aneroid sensitive element formed by the upper and lower membranes, which are tightly attached to the housing with formation of an airless gap between them. In this case, two openings of the housing are located respectively above and below the gap, one radiation source and one optical ruler are installed, rigidly attached to the side wall of the housing. In addition, shutters with slots of a certain shape are installed in the geometric centres of the upper and lower membranes with an offset relative to each other, and the geometric centres of the study source, the optical ruler and the slots of the shutters are located on the same axis.

EFFECT: invention can be used to measure the height and speed of aircraft, as well as angles of attack, based on the use of the aerometric method

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть использовано для определения параметров, окружающего и набегающего воздушных потоков, воздействующих на летательный аппарат – статического, а также полного давлений или угла атаки.The invention relates to devices for measuring technology and can be used to determine the parameters of ambient and incoming air flows acting on an aircraft - static, as well as full pressure or angle of attack.

Наибольший интерес (Реализация аэродинамического измерителя углов атаки и скольжения для беспилотного летательного аппарата. К.С. Жуков, НИИ ИСУ МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2013г.)вызывают зондовые аэродинамические датчики углов атаки и скольжения. Параметры набегающего потока в этих приборах вычисляются по значению давлений, снимаемых в определенных точках трубки приемника воздушного давления (зонда). Системы, построенные на основе зондов, позволяют вычислять все параметры набегающего потока и производные от их величины: углы атаки и скольжения, скоростной напор, статическое давление, барометрическую высоту и т. п. Вследствие своего конструктивного исполнения такой датчик, являясь, по сути, усовершенствованной версией приемника воздушного давления, может быть установлен практически в любое место носовой части аппарата.Of greatest interest (Implementation of an aerodynamic angle of attack and slip angle meter for an unmanned aerial vehicle. K.S. Zhukov, Research Institute of ISU MSTU named after N.E. Bauman, Moscow, 2013) is caused by probe aerodynamic sensors of angles of attack and slip. The parameters of the oncoming flow in these devices are calculated from the value of the pressures taken at certain points of the tube of the air pressure receiver (probe). Systems built on the basis of probes make it possible to calculate all the parameters of the oncoming flow and their derivatives: angles of attack and slip, velocity head, static pressure, barometric height, etc. Due to its design, such a sensor, being, in fact, an improved version of the air pressure receiver, can be installed almost anywhere in the bow of the device.

Известен (Патент США № 4,378,696 от 5 апреля 1983г.; G01C 21/00; G01P 5/165) датчик давлений для определения воздушной скорости, высоты полета и угла атаки. Устройство является зондом, который может иметь три отдельных набора измерительных портов, обеспечивающих измерение давлений для получения точных значений статического давления, полного давления и угла атаки.Known (US Patent No. 4,378,696 dated April 5, 1983; G01C 21/00; G01P 5/165) pressure sensor for determining airspeed, flight altitude and angle of attack. The device is a probe that can have three separate sets of measurement ports that provide pressure measurements for accurate static pressure, total pressure, and angle of attack.

Порты разнесены в осевом направлении вдоль осевой поверхности осесимметричного зонда. При нулевом угле атаки разность давлений в портах давления, чувствительных к углу атаки, будет равна нулю, поскольку они расположены на одинаковом расстоянии от переднего конца зонда и на противоположных сторонах его поверхности. По мере того, как угол атаки увеличивается или уменьшается, перепад давления, измеряемый между этими отверстиями, будет изменяться, и эта измеренная разница используется для определения угла атаки (или бокового скольжения).The ports are axially spaced along the axial surface of the axisymmetric probe. At zero angle of attack, the pressure difference in the pressure ports sensitive to the angle of attack will be zero, since they are located at the same distance from the front end of the probe and on opposite sides of its surface. As the angle of attack increases or decreases, the differential pressure measured between these holes will change and this measured difference is used to determine the angle of attack (or side slip).

Другие выходные данные полного давления и статического давления получаются посредством двух дополнительных измерений давления. Конструкция портов полного и статического давления не зависит от конструкции портов измерения угла атаки. Other total pressure and static pressure outputs are obtained from two additional pressure measurements. The design of the total and static pressure ports is independent of the design of the angle of attack ports.

Известен барометрический высотомер (авторское свидетельство СССР № 1426187, заяв.1987, МПК G01C5/00; G01C5/06, 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, application 1987, IPC G01C5 / 00; G01C5 / 06, 10.06.2005), containing series-connected pressure converter to the frequency of current pulses, a counting interval generator, 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, 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 shaper.

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 vibrations.

Известен датчик давлений, использующий оптический метод преобразования информации (Патент РФ 2653596 МПК G01L7/00(2006.01), 2018), содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный двумя мембранами, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки с прорезями, 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 прорезям шторок.A pressure sensor is known that uses an optical method of information conversion (RF Patent 2653596 IPC G01L7 / 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, which differs by the fact that the device additionally includes a radiation source fixed on a stand, and two shutters with slots fixed on the same stand, as well as two photodetector lines, moreover, the membranes of the sensitive element are divided into upper and lower and are hermetically attached to the body along the perimeter, forming airless gap, wherein the body openings 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.

Данное устройство лишено вышеперечисленных недостатков аналогов: высокая чувствительность фотоприемного устройства 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.This device is devoid of the above disadvantages of analogues: the high sensitivity of the photodetector requires minimal deformation of the elastic element, which will allow you to get rid of a number of errors: residual deformation, nonlinearity, elastic imperfections of the material, temperature fluctuations, from the effects of linear accelerations, from the effects of vibrations, from changes in the properties of the 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.

К недостаткам данного устройства можно отнести ряд факторов, влияющих на точность измерения. Информация о текущей координате оптического пятна вдоль оси фотоприемной линейки формируется дискретно, с периодом, равным периоду опроса всех пикселей фотоприемной линейки. Для повышения точности измерений необходимо уменьшать период опроса, однако это ограничивается техническими возможностями используемой фотоприемной линейки. Кроме того, точность измерений в значительной степени зависит от геометрических размеров пикселей фотоприемного устройства, так как перемещение геометрического центра мембраны эквивалентно перемещению оптического пятна на поверхности фотоприемного устройства. А также установленные на верхней и нижней мембранах фотоприемные линейки с подходящими к ним проводами приводят к увеличению массы и габаритных размеров жесткого центра мембран. Это приводит к снижению их динамической устойчивости. The disadvantages of this device include a number of factors that affect the measurement accuracy. Information about the current coordinate of the optical spot along the axis of the photodetector line is formed discretely, with a period equal to the period of polling all pixels of the photodetector line. To improve the measurement accuracy, it is necessary to reduce the polling period, but this is limited by the technical capabilities of the photodetector array used. In addition, the accuracy of measurements largely depends on the geometric dimensions of the pixels of the photodetector, since the movement of the geometric center of the membrane is equivalent to the movement of the optical spot on the surface of the photodetector. As well as photodetector lines mounted on the upper and lower membranes with wires suitable for them lead to an increase in the mass and overall dimensions of the rigid center of the membranes. This leads to a decrease in their dynamic stability.

Задачей предлагаемого изобретения является создание измерителя параметров окружающего и набегающего воздушных потоков на летательных аппаратах.The objective of the invention is to create a meter for the parameters of the ambient and incoming air flows on aircraft.

Технический результат – упрощение конструкции и повышение надежности измерителя высоты и скорости полета воздушного судна или углов атаки, с одновременным уменьшением массогабаритных параметров и энергопотребления устройства.EFFECT: simplification of the design and increase in the reliability of the height and speed meter of the aircraft flight or angles of attack, with a simultaneous decrease in the weight and size parameters and power consumption of the device.

Указанный технический результат достигается тем, что измеритель параметров окружающего и набегающего воздушных потоков содержит корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней мембранами, которые герметично прикреплены к корпусу с образованием безвоздушного зазора между ними, при этом два отверстия корпуса расположены соответственно выше и ниже зазора.The specified technical result is achieved by the fact that the meter for the parameters of the ambient and incoming air flows contains a housing that has two openings communicating with the measured medium and inside which an aneroid sensitive element is placed, formed by the upper and lower membranes, which are hermetically attached to the housing with the formation of an airless gap between them, while the two holes of the body are located respectively above and below the gap.

Отличительной особенностью является то, что внутри зазора размещены лишь один источник излучения и одна оптическая линейка, жестко прикрепленные к боковой стенке корпуса, кроме того, в геометрических центрах верней и нижней мембран со смещением, по отношению друг к другу, установлены шторки с прорезями определенной формы, причем геометрические центры источника изучения, оптической линейки и прорезей шторок расположены на одной оси.A distinctive feature is that only one radiation source and one optical ruler are placed inside the gap, rigidly attached to the side wall of the housing, in addition, shutters with slots of a certain shape are installed in the geometric centers of the upper and lower membranes with an offset relative to each other. , and the geometric centers of the source of study, the optical ruler and the slots of the shutters are located on the same axis.

Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

на фиг. 1 представлена схема конструкции измерителя параметров,in fig. 1 shows the design diagram of the parameter meter,

окружающего и набегающего воздушных потоков, ambient and incoming air currents,

на фиг. 1а -конструкция шторки с прорезью в форме прямоугольника, вытянутого в вертикальном направлении, in fig. 1a - curtain design with a slot in the form of a rectangle elongated in the vertical direction,

на фиг. 1б – конструкция шторки с прорезью П – образной формы.in fig. 1b - design of a curtain with a U-shaped slot.

Устройство содержит корпус 1 с двумя отверстиями, соответственно для измерения статического (Р_ст) и полного (Р_полн) давлений. Подача воздушных давлений от верхнего (Р_в) и нижнего (Р_н) приемных отверстий, которые соединены с приемным осесимметричным зондом полусферической формы, позволяет осуществить измерение углов атаки. Отверстия в корпусе расположены выше и ниже зазора, образованного мембранами 2 и 3. Мембраны 2 и 3 анероидного чувствительного элемента разнесены по высоте, образуя зазор, из которого выкачан воздух, и герметично по периметру прикреплены к корпусу. К боковой стенке корпуса 1 внутри зазора, образованного мембранами 2 и 3 , жестко прикреплен источник излучения 4 оптического луча .К той же боковой стенке корпуса 1 прикреплена оптическая линейка 5, а в геометрических центрах верхней 2 и нижней 3 мембран установлены шторки 6 и 7 с прорезями определенной формы и со смещением по отношению друг к другу. Форма прорезей, в частности, может иметь или П – образную (фиг.1б) форму, или (фиг.1а) форму вытянутого в вертикальном направлении прямоугольника. В первом случае, прорези верхней 6 и нижней 7 шторок обращены по отношению друг к другу открытыми сторонами, но боковые стороны всегда перекрывают друг друга. Во втором случае, прямоугольные прорези верхней 6 и нижней 7 шторок располагаются плоскопараллельно, образуя щель заданного размера. The device contains a housing 1 with two holes, respectively, for measuring static (R _article ) and full (R _full ) pressure. The supply of air pressure from the upper (P _in ) and lower (P _n ) receiving holes, which are connected to the receiving axisymmetric hemispherical probe, allows you to measure the angles of attack. Holes in the housing are located above and below the gap formed by the membranes 2 and 3. The membranes 2 and 3 of the aneroid sensing element are spaced apart in height, forming a gap from which the air is pumped out, and are hermetically attached to the housing along the perimeter. An optical beam radiation source 4 is rigidly attached to the side wall of the housing 1 inside the gap formed by the membranes 2 and 3. An optical ruler 5 is attached to the same side wall of the housing 1, and shutters 6 and 7 are installed in the geometric centers of the upper 2 and lower 3 membranes. slots of a certain shape and with an offset relative to each other. The shape of the slots, in particular, may have either a U-shaped (fig.1b) shape, or (fig.1a) the shape of a rectangle elongated in the vertical direction. In the first case, the slots of the upper 6 and lower 7 shutters face each other with open sides, but the sides always overlap each other. In the second case, the rectangular slots of the upper 6 and lower 7 shutters are plane-parallel, forming a slot of a given size.

Работа устройства при измерении, например, статического давления (Р_ст) или давления от верхнего (Р_в) отверстия осесимметричного зонда полусферической формы, осуществляется следующим образом. В исходном состоянии мембрана 2 анероидного чувствительного элемента занимает определенное положение. Оптический луч U_, сформированный источником излучения 4 оптического луча, через прорези шторок 6 и 7 определенной формы попадает на оптическую линейку 5.При этом формируется оптическое пятно на фоточувствительной поверхности оптической линейки 5 размером в несколько элементов (пикселей). The operation of the device when measuring, for example, static pressure (P _st ) or pressure from the upper (P _in ) hole axisymmetric probe hemispherical shape, is as follows. In the initial state, the membrane 2 of the aneroid sensing element occupies a certain position. The optical beam U _formed by the radiation source 4 of the optical beam, through the slots of the shutters 6 and 7 of a certain shape, falls on the optical ruler 5. In this case, an optical spot is formed on the photosensitive surface of the optical ruler 5 several elements (pixels) in size.

В оптической линейке 5 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 элемента оптической линейки. 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 optical line 5 separate 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 capacitor of the optical line element 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.

Изменение статического давления (Р_ст) (или Р_в) способствует перемещению геометрического центра мембраны 2 со шторкой 6 на величину w, что способствует смещению оптического пятна по фоточувствительной поверхности оптической линейки 5 на величину S. В то же время, при последовательном опросе пикселей на выходе оптической линейки 5 будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве оптической линейки 5 от воздействия на нее оптического пятна. Тогда, в случае П–образной формы прорезей, первый «сверху» освещенный пиксель будет соответствовать значению статического давления или давлению от верхнего отверстия осесимметричного зонда полусферической формы. В случае, когда прорезь имеет форму вытянутого в вертикальном направлении прямоугольника, первый «снизу» освещенный пиксель будет соответствовать значению статического давления или давлению от верхнего отверстия осесимметричного зонда полусферической формы.The change in static pressure (P _st ) (or P _in ) contributes to the displacement of the geometric center of the membrane 2 with the shutter 6 by the value w , which contributes to the shift of the optical spot along the photosensitive surface of the optical ruler 5 by the value S. At the same time, when sequentially polling pixels on At the output of the optical line 5, an electrical signal will be formed, in which the change in amplitude over time reflects the distribution of optical power in the space of the optical line 5 from the impact of the optical spot on it. Then, in the case of U-shaped slits, the first “top” illuminated pixel will correspond to the static pressure value or pressure from the upper hole of the hemispherical axisymmetric probe. In the case when the slot has the shape of a vertically elongated rectangle, the first "bottom" illuminated pixel will correspond to the static pressure value or pressure from the upper hole of the hemispherical axisymmetric probe.

Вычисление полного давления (Р_полн) или давления от нижнего (Р_н) полусферического насадка происходит аналогично описанному выше процессу вычисления статического давления. Изменение полного давления способствует перемещению геометрического центра мембраны 3 со шторкой 7, тем самым изменяя направление луча U. Луч U, изменяя свое направление, смещает оптическое пятно по фоточувствительной поверхности оптической линейки 5. Тогда, в случае П–образной формы прорезей, первый «снизу» освещенный пиксель будет соответствовать значению полного давления или давлению от нижнего отверстия осесимметричного зонда полусферической формы. В случае, когда прорезь имеет форму вытянутого в вертикальном направлении прямоугольника, первый «сверху» освещенный пиксель будет соответствовать значению полного давления или давлению от нижнего отверстия осесимметричного зонда полусферической формы.Calculation of the total pressure (P _full ) or pressure from the lower (P _n ) hemispherical nozzle is similar to the above-described process of calculating the static pressure. A change in the total pressure contributes to the movement of the geometric center of the membrane 3 with a shutter 7, thereby changing the direction of the beam U. The beam U, changing its direction, shifts the optical spot along the photosensitive surface of the optical ruler 5. Then, in the case of a U-shaped slit, the first “from below » the illuminated pixel will correspond to the total pressure value or the pressure from the bottom hole of the axisymmetric hemispherical probe. In the case when the slot has the shape of a vertically elongated rectangle, the first “top” illuminated pixel will correspond to the total pressure value or pressure from the bottom hole of the hemispherical axisymmetric probe.

В итоге, границы светового пятна, образованного прорезями заданной формы для верхней 6 и нижней 7 шторок, будут перемещаться по фоточувствительной поверхности оптической линейки 5. Цифровой код на выходе оптической линейки 5 будет изменяться пропорционально смещению границ светового пятна и, соответственно, пропорционально приложенным к упругим элементам измеряемым давлениям.As a result, the boundaries of the light spot formed by cuts of a given shape for the upper 6 and lower 7 shutters will move along the photosensitive surface of the optical ruler 5. The digital code at the output of the optical ruler 5 will change in proportion to the displacement of the light spot boundaries and, accordingly, in proportion to those applied to the elastic elements of measured pressures.

Предлагаемый измеритель параметров окружающего и набегающего воздушных потоков, обладая всеми достоинствами и функциональными возможностями прототипа, имеет в своем составе лишь один излучатель и одну оптическую линейку (у прототипа их по две), что повышает надежность измерителя. Кроме того, предлагаемое решение позволяет использовать измеритель для вычисления угла атаки.The proposed meter for the parameters of the ambient and incoming air flows, having all the advantages and functionality of the prototype, has only one emitter and one optical line (the prototype has two), which increases the reliability of the meter. In addition, the proposed solution allows the use of a meter to calculate the angle of attack.

Расчет аэрометрических параметров: относительной барометрической высоты, приборной скорости, истинной воздушной скорости, вертикальной скорости, отклонения от заданной высоты, числа Маха и угла атаки - в вычислитель непрерывно должна поступать следующая информация: Р_ст- статическое давление (или Р_в), Р_полн - полное давление (или Р_н), Р_о - давление, относительно которого измеряется высота (выставляется вручную), Т_т - температура заторможенного набегающего воздушного потока. Очевидно, что предлагаемый датчик давления совместно с датчиком температуры, позволяет определить все перечисленные аэрометрические параметры.Calculation of aerometric parameters: relative barometric altitude, indicated speed, true airspeed, vertical speed, deviation from the given altitude, Mach number and angle of attack - the following information must continuously enter the calculator: P _st - static pressure (or P _in ), P _total - total pressure (or P _n ), P _o - pressure relative to which the height is measured (set manually), T _t - 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

Измеритель параметров окружающего и набегающего воздушных потоков на летательных аппаратах, содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой, и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней мембранами, которые герметично прикреплены к корпусу с образованием безвоздушного зазора между ними, при этом два отверстия корпуса расположены соответственно выше и ниже зазора, отличающийся тем, что внутри зазора размещены лишь один источник излучения и одна оптическая линейка, жестко прикрепленные к боковой стенке корпуса, кроме того, в геометрических центрах верхней и нижней мембран со смещением, по отношению друг к другу, установлены шторки с прорезями определенной формы, причем геометрические центры источника изучения, оптической линейки и прорезей шторок расположены на одной оси. Measuring instrument for the parameters of ambient and incoming air flows on aircraft, containing a housing that has two holes communicating with the medium being measured, and inside which an aneroid sensitive element is placed, formed by upper and lower membranes, which are hermetically attached to the housing with the formation of an airless gap between them, at the same time, two openings of the housing are located respectively above and below the gap, characterized in that only one radiation source and one optical ruler are located inside the gap, rigidly attached to the side wall of the housing, in addition, in the geometric centers of the upper and lower membranes with an offset, with respect to to each other, shutters with slots of a certain shape are installed, and the geometric centers of the study source, the optical ruler and the slots of the shutters are located on the same axis.