Датчик температуры торможения

Датчик температуры торможения воздушного потока применяется на летательных аппаратах для определения температуры наружного воздуха, в том числе для использования его информации в СВС. Приборы, измеряющие температуру, в общем случае называются термометрами. На борту летательного аппарата они применяются для измерения температуры масла, охлаждающей жидкости цилиндров, карбюратора, выходящих газов реактивного двигателя, температуры торможения воздушного потока.

Коротко рассмотрим методы измерения температуры: объемный, манометрический, термоэлектрический, терморезистивный [13-14].

Объемный метод измерения температуры основан на тепловом расширении различных тел (измерение объема). По этому методу строятся дилатометрические, биметаллические и жидкостные термометры.

Манометрический метод измерения температуры основан на тепловом изменении давления газа (или пара) внутри замкнутого объема. По этому методу действуют газовые и парожидкостные термометры.

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на возникновении контактного потенциала между двумя контактирующими между собой разнородными проводниками (полупроводниками) при разности температур свободных и рабочего концов этих проводников.

Терморезистивный – метод измерения температуры основан на изменении электрического сопротивления металлов или полупроводников при изменении температуры.

Для измерения температуры торможения воздушного потока наиболее широкое применение нашел терморезистивный метод (метод термосопротивлений).

Рис. 4.4. Принципиальная схема терморезистивного датчика температуры торможения: 1 – камера торможения потока; 2 – терморезистор; 3 – электропровода

Чувствительным элементом в этом датчике является проволочный или полупроводниковый терморезистор, величина которого зависит от температуры. В общем эта зависимость нелинейная. Для изготовления проволочных терморезисторов применяют чистые металлы, так как они имеют большее значение температурного коэффициента, чем сплавы металлов. Таким металлом является платина. Удельное сопротивление этого металла равно 0,0981 Ом·мм²/м, средний температурный коэффициент электрического сопротивления для интервала 0 – 100 ^оС равен 3,91·10^-3 1/град, температурный интервал измерения от – 250 до 1250 ^оС.

В диапазоне температур от – 200 до 0 ^оС платиновый терморезистор имеет следующую зависимость сопротивления R от температуры Q:

, (4.1)

а в диапазоне от 0 до 600 ^оС

, (4.2)

где А = 3,9692·10^-3 1/град; В = -5,8290·10^-7 1/град²; С = -4,3303·10^-12 1/град⁴; R_o – сопротивление при Q = 0 ^оС.

Полупроводниковые терморезисторы имеют обратную зависимость R от Q: с увеличением температуры сопротивление уменьшается по экспоненциальному закону:

, (4.3)

где Т – абсолютная температура; А и В – коэффициенты, зависящие от материала и размеров терморезистора. Их существенным недостатком является малый диапазон измерения температуры, который лежит в пределах от 120 до 180 ^оС, и существенно нелинейная статическая характеристика.

Характерным представителем датчиков температуры торможения воздушного потока является серийный датчик П-104 (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Внешний вид датчика температуры торможения П-104	Рис. 4.6. Принципиальная схема датчика температуры торможения П-104: 1 – проволочный термочувствительный элемент; 2 – камера торможения (приемник температуры); 3 – стойка; 4 – фланец; 5 – электрический соединитель

Датчик П-104 предназначен для измерения температуры торможения потока воздуха и выдачи электрических сигналов, пропорциональных температуре заторможенного потока воздуха, в системы воздушных сигналов и системы регулирования двигателей.

Термочувствительный элемент представляет собой цилиндрическую катушку, на которой бифилярно намотаны две независимые друг от друга спирали из платиновой проволоки диаметром 0,04 мм. Кинетическая энергия движущегося потока в датчике превращается в тепловую энергию с коэффициентом полезного действия, равным 98 %. Рабочая температура датчика в диапазоне от –60 до 300 ^оС, номинальное сопротивление R_o = 100 Ом, масса датчика 0,25 кг.

Как видно из формул (4.1) и (4.2) характеристика термочувствительного элемента нелинейна во всех диапазонах измеряемых температур. Для ответственных датчиков пользуются гостированными характеристиками. Конкретно характеристика П-104 соответствует требованиям ГОСТ 6651-78 [35]. Погрешность датчика П-104 при конкретной температуре подсчитывается по формуле

. (4.4)

В американском стандарте АРИНК-706 приводится следующая зависимость электрического сопротивления от температуры

,

где Q – температура в ^оС; R_о – сопротивление при температуре 0 ^оС; равное 500 Ом; А = 0,003832; В = 1,81; С = 0,1 для Q ниже 0 ^оС; С = 0,0 – для Q выше 0 ^оС. Материал чувствительного элемента платина.

Процесс измерения температуры торможения, таким образом, сводится к измерению электрического сопротивления. При этом основной схемой измерения является мост Уитстона.

Температура наружного воздуха рассчитывается по формуле [13]

, (4.5)

где Т_Н – истинная температура наружного, невозмущенного потока; ΔТ_дин – динамическая добавка к температуре, равная

, (4.6)

где v_ист – истинная воздушная скорость в м/с.

ГОСТ 25431-82 устанавливает следующую зависимость через число Маха

, (4.7)

где не учитывается коэффициент качества датчика температуры торможения.

С учетом же этого коэффициента качества формула (4.7) примет вид

, (4.8)

где Т_Н и Т_Т в ^оС, N – коэффициент качества датчика Т_Т , равный отношению температуры терморезистора (чувствительного элемента) датчика к истинной температуре торможения:

. (4.9)

Формула (4.8) используется в СВС-72, СВС-85, которые берут сигналы от датчиков температуры П-69-2М, П-69-4, у которых N = 0,996.

В стандарте АРИНК-706 для дозвуковой СВС рекомендуется следующая формула для определения температуры наружного воздуха

, (4.10)

где

, (4.11)

а Δt_n – поправка на ошибку температуры торможения, обусловленную сопротивлением электропроводов на участке между датчиком и вычислителем [30]

, (4.12)

где 2r – сопротивление проводов; a' – их температурный коэффициент; a – коэффициент терморезистора датчика; R – сопротивление терморезистора; Δt' – изменение температуры проводов. В формуле (4.11) под М_С подразумевается число Маха, скомпенсированное по аэродинамической ошибке восприятия давления Р_ст.

Датчики давления

Датчики давления СВС предназначены для восприятия полного давления Р_п, статического давления Р_ст и преобразования их в электрические сигналы, поступающие в вычислитель в удобной форме с целью вычисления параметров движения летательного аппарата.

Как уже было сказано, датчики давления относятся к датчикам первичной информации для СВС. Параметры движения являются однозначными функциями статического и полного давлений. Датчики давлений во многом определяют метрологические и технологические характеристики СВС, такие как точность, диапазоны измерения, надежность, долговечность, габаритные размеры, качество выходной информации системы и удобство обслуживания в эксплуатации. В связи с этим специалисты авиационной науки и техники датчикам давления уделяют особое внимание. Это требует больших материальных затрат, так как эти датчики обладают сверхвысокими метрологическими характеристиками и стоят на авиационном рынке дорого, порядка 50 тысяч долларов за один датчик.

Разработкой авиационных датчиков давлений занимаются фирмы: УКБП, Восход (Россия); Роземаунт (Rosemount Engineering), Сперри (Sperry Rand. Corp.), Хонеувелл (Honeywell Corp.) – США; Солатрон (Solatron Transducer Ltd.), Маркони (Marconi Avionics) – Англия; Кроузет (Crouzet), Бадин-Кроузет (Badin-Crouzet), Жежер (Jaeger) – Франция и многие другие. Эти фирмы разрабатывают и поставляют высокоточные датчики и СВС для установки их на гражданских, военных самолетах, вертолетах и других летательных аппаратах.

Работы по совершенствованию датчиков давлений ведутся в следующих направлениях.

1. Повышение точности измерения в условиях работы при всех дестабилизирующих факторах (вибрация, удары, ускорения, температура …). Лучшие образцы датчиков имеют погрешность, не превышающую 0,01 – 0,02 % от диапазона измерения. Такая высокая точность к датчикам предъявляется в связи с необходимостью вычислений параметров движения на уровне международных требований.

2. Повышение стабильности информации по времени, что означает способность сохранять первоначальные тарировки датчиков в течение длительного времени.

3. Расширение диапазонов измерения. Особую трудность составляют измерения околонулевых значений наряду с измерениями больших давлений.

4. Повышение надежности датчиков. Некоторые зарубежные фирмы рекламируют среднюю наработку на отказ порядка 40 000 часов (фирма Кроузет, датчик типа 5-1).

5. Уменьшение потребляемой мощности. В данном вопросе используются преимущества полупроводниковой технологии, на базе которой разрабатываются полупроводниковые датчики. У лучших образцов потребляемая мощность составляет 2 – 5 Вт.

6. Совершенствование чувствительных к давлению элементов датчиков. Резкое улучшение чувствительных элементов стало возможным благодаря освоению полупроводниковых материалов, заменивших металлы –бронзу, сталь. Таким полупроводником является кремний. Применение кремния позволяет разработать чувствительные элементы с малыми габаритами, с высокой чувствительностью, надежностью и стабильностью, повышенной виброустойчивостью из-за малой подвижной массы, высоким сроком службы. Особенно принципиальное значение применения полупроводниковых материалов для изготовления чувствительных элементов имеет их сочетание с бурным развитием микроэлектроники и микропроцессорной техники. Это позволило изготавливать эти элементы на основе технологии интегральных схем, когда весь датчик состоит из чипа. Давление воспринимается кристаллом с толщиной порядка 0,25 мм и площадью от 0,8 до 0,1 м² (в зависимости от диапазона измерения). Примером таких датчиков является датчик ST3000 фирмы Хонеувелл с погрешностью ± 0,1 % от диапазона.

7. Применение в датчиках давлений микропроцессоров, микроэлектроники в целом с целью перехода от аналоговых датчиков к цифровым. Благодаря встраиванию в датчик электронного блока информация по давлению не только преобразуется в электрический сигнал, но и обрабатывается до удобной для СВС формы цифрового сигнала.

Для более удобного исследования отдельных датчиков их целесообразно представить в виде трехблочной схемы (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Структурная схема датчика давления: Р – измеряемое давление; 1 –первичный преобразователь; 2 – вторичный преобразователь; 3 – блок обработки сигналов; Х – перемещение; U ‑ электрический сигнал

В мировой практике авиаприборостроения наиболее широкое применение находят следующие группы датчиков давления: потенциометрические, индуктивные, емкостные, вибрационно-частотные, компенсационные, тензометрические.

Следует обратить внимание на то, что наименование датчика определяется типом второго звена в структурной схеме (рис. 4.7), или способом восприятия полезной информации первичного преобразователя.

Рис. 4.8. Плоская упругая мембрана: R – радиус, h – толщина

Рис. 4.9. Мембранная коробка: 1 – упругая часть коробки; 2 – верхний подвижный центр; 3 – нижний неподвижный центр

Общим для всех групп датчиков давления является наличие первичного преобразователя (чувствительного элемента по давлению), который преобразует измеряемое давление в перемещение. Исключение составляет компенсационный датчик, первичный преобразователь измеряемое давление преобразует в силу. Чаще всего в качестве первичного преобразователя применяются плоская упругая мембрана (рис. 4.8), мембранная коробка (рис. 4.9) и сильфон (набор специальных мембранных коробок).

Рис. 4.10. Характеристика упругого преобразователя давления: 1 – нелинейная; 2 – линейная; Q – угол наклона	Рис. 4.11. Петля гистерезиса

В любом датчике давления самым ответственным элементом конструкции является его чувствительный элемент. Основными статическими характеристиками любого упругого чувствительного элемента являются:

- зависимость перемещения x от давления

, (4.13)

- зависимость тягового усилия F от давления

. (4.14)

На рис. 4.10 приведены тяговые характеристики позиционного ЧЭ по уравнению (4.13). Зависимость тягового усилия по давлению в соответствии с уравнением (4.14) можно считать пропорциональной:

,

где S_эф – эффективная площадь сильфона.

Сущность уравнения (4.13) не меняется и для вибрационно-частотного датчика давления, выходом чувствительного элемента которого является тоже перемещение, но в виде колебаний. Любой упругий чувствительный элемент должен работать только в пределах закона Гука, когда сила упругости прямо пропорциональна изменению перемещения материала.

Основными погрешностями упругих ЧЭ является упругое последействие, гистерезис и температурная погрешность [13].

Упругое последействие проявляется как погрешность в виде запаздывания информации от скорости нарастания давления. Гистерезис проявляется в неоднозначности выходной информации при увеличении и уменьшении давления (рис. 4.11). Обе эти погрешности вызываются внутренними трениями материала ЧЭ.

Температурная погрешность ЧЭ вызывается изменением модуля упругости его материала при изменении температуры. Чем больше температурный коэффициент материала, тем больше температурная погрешность ЧЭ.

Для изготовления металлических ЧЭ чаще всего применяются бронза (например, берилиевая БрБ2-2,5) и сталь нержавеющая (1Х18Н9Т). Конкретно для СВС применяются упругие чувствительные элементы манометрического и анероидного типов, в принципе действия которых лежит упругая деформация материала под действием разности давлений (когда на выходе перемещение) или возникновение сосредоточенной силы под действием разности давлений (в сильфонах).

Потенциометрический датчик

Конструкция, материал, габаритные размеры ЧЭ сильно зависят от вторичного преобразователя (рис. 4.7). В потенциометрическом датчике давления часто применяется мембранная коробка в качестве ЧЭ с достаточно большими габаритами (40 – 60 мм). Принцип действия этого датчика построен на изменении электрического сопротивления в зависимости от длины металлического проводника при перемещении щетки по поверхности проводника.

Рис. 4.12. Потенциометрический преобразователь	Рис. 4.13. Элементы потенциометра: 1 – щетка; 2 – провод; 3 – изоляция; 4 – каркас

На рис. 4.12 представлена принципиальная схема потенциометрического преобразователя перемещения x в электрическую величину U. Для изготовления потенциометра используется тонкая проволока, намотанная в один ряд на изоляционный каркас (рис. 4.13). Материалом проволоки может быть константан, платина, сплавы платины и серебра. Щетка изготавливается из платины, золота, серебра. Потенциометры могут быть линейными, нелинейными и функциональными.

Основными погрешностями потенциометрических датчиков являются витковая погрешность и погрешность от трения.

Рис. 4.14. Типовая характеристика потенциометра: ΔRx – цена одного витка; Δx – порог по перемещению

На рис. 4.14 приведена характеристика проволочного потенциометра, которая имеет вид лесенки. Пока щетка не передвинется на один виток Δx, изменения сопротивления не происходит. Так образуется витковая погрешность потенциометра, которая численно равна:

, (4.15)

где w – число витков потенциометра.

Погрешность от трения потенциометрического датчика давления вызывается трением щетки о провод, которое через механизм датчика приводится к неподвижному центру упругого чувствительного элемента, отнимая часть полезного перемещения.

С целью повышения точности датчика необходимо увеличивать число витков путем уменьшения диаметра проволоки и длины полезной части намотки. В свою очередь это требует увеличения полезного перемещения ЧЭ, что влечет за собой увеличение габаритов его. Бесконечно тонким провод быть не может (обычно 0,03 – 0,04 мм).

Уменьшение погрешности от трения можно достичь опять же за счет увеличения габаритов ЧЭ. Все это приводит к трудно разрешимому противоречию с миниатюризацией габаритно массовых параметров датчика. Для устранения витковой погрешности иногда применяют безвитковые потенциометры, когда вместо проволоки на каркас наносится токопроводящая масса. До допустимой величины витковую погрешность можно свести путем применения многооборотного потенциометра, например, двадцати оборотного, как это сделано в СВС-72.

В силу простоты потенциометрических датчиков, их относительно низкой стоимости они нашли широкое применение в авиации. Например, датчик ДАС в нескольких модификациях по диапазону до сих пор применяется в аварийных самописцах самолетов. Их вес 1,5 кг и погрешность порядка 2 % от диапазона.

Привлекательность свойств потенциометрических датчиков, недостаточная освоенность других типов, например, полупроводниковых датчиков, побуждали многие фирмы мира к их совершенствованию. Большую и дорогостоящую работу по совершенствованию потенциометрических датчиков провела американская фирма Serkonic Instruments, Inc. На разработку датчика L-113 она затратила около 50000 долларов. Один датчик стоил 400 долларов, вес его 50 грамм, погрешность 1 % от диапазона, проволока потенциометра из платинового сплава, механизм датчика безлюфтовый ленточный. В других моделях датчика эта фирма достигла разрешающую способность 0,3 % при точности 1 % от диапазона измерения. Были применены различными фирмами многие технические решения: ленточная безлюфтовая передача, сверхтонкий провод, безвитковый пленочный или угольный потенциометр, лучшие материалы для провода и щетки, чувствительные элементы из лучших материалов и в виде плоских мембран, и в виде коробок, и в виде трубок Бурдона.

Однако достичь лучших результатов по точности, чем 0,5 – 1 %, не удалось. Кроме низкой точности потенциометрические датчики обладают невысокой надежностью из-за наличия скользящего контакта в паре намотка-щетка.

Индуктивный датчик давления

Индуктивный датчик принципиально отличается от потенциометрического вторичным преобразователем, в качестве которого в нем применяется индуктивный преобразователь перемещения в напряжение переменного тока. Индуктивные датчики давления успешно конкурируют на международном рынке из-за своей простоты, высокого выходного сигнала и надежности, особенно для измерения переменного давления в диапазоне до 1000 Гц.

Принцип действия индуктивного преобразователя основан на изменении коэффициента самоиндукции дросселя вследствие изменения воздушного зазора магнитопровода при перемещении якоря или сердечника относительно обмотки. Коэффициент самоиндукции дросселя определяется выражением

, (4.16)

где ω – число витков обмотки; R_o – магнитное сопротивление воздушного зазора; R_ж – магнитное сопротивление магнитопровода.

Из формулы (4.16) видно, что коэффициент самоиндукции зависит от трех параметров – ω, R_o и R_ж. При изменении любого параметра из этих трех меняется общее сопротивление катушки с сердечником.

В зависимости от способов изменения индуктивности и полного сопротивления катушек индуктивные преобразователи разделяются на преобразователи с переменным сопротивлением воздушного зазора, с переменным сопротивлением магнитопровода и с переменным числом витков.

Рис. 4.15. Индуктивный преобразователь перемещения: δ – зазор; 1 – сердечник; 2 – якорь	Рис. 4.16. Зависимость коэффициента самоиндукции от зазора

На рис. 4.15 представлена принципиальная схема индуктивного преобразователя с переменным воздушным зазором, а на рис. 4.16 показана его характеристика.

В мировой практике авиаприборостроения наибольшее применение нашли индуктивные преобразователи с переменным воздушным зазором различных конструкций, в том числе дифференциальные. Как и многие другие индуктивные преобразователи обрабатываются с помощью уравновешенного моста (рис. 4.18).

К положительным свойствам индуктивных датчиков относятся высокая надежность и практически неограниченная долговечность из-за отсутствия контактного трения; высокая чувствительность, что позволяет измерять перемещения до 0,001 мм. К недостатку индуктивного преобразователя следует отнести механическое воздействие его на первичный преобразователь (ЧЭ), с которым связан якорь, который может притягиваться к сердечнику.

Рис. 4.17. Индуктивный преобразователь дифференциальный	Рис. 4.18. Мостовая схема подключения индуктивных преобразователей

Лучшие образцы индуктивных датчиков давления зарубежных и отечественных фирм имеют следующие характеристики: основная погрешность ± 0,5 % от диапазона, гистерезис ± 0,1 %, рабочий диапазон частоты измерения давления 0 – 1000 Гц, масса 100 – 150 грамм, выходной сигнал 0 – 5 вольт.

Емкостный датчик давления

Емкостный датчик давления отличается вторичным преобразователем, который представляет собой воздушный конденсатор, одна из пластин которого неподвижна, а вторая перемещается под действием первичного упругого преобразователя.

Принцип действия емкостного преобразователя перемещения в напряжение основан на изменении емкости конденсатора при изменении взаимного положения электродов.

. (4.17)

Емкость плоского конденсатора равна (в фарадах)

, (4.18)

где ε – диэлектрическая проницаемость среды (воздуха) между пластинами конденсатора в фарад/см; δ – расстояние между пластинами в см; ε = ε_о· ε', где ε_о·= 8,86·10^-4 фарада/см – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; ε' – относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Из формулы (4.18) видно, что изменения величины емкости можно достичь путем изменения одной из величин ε, S и δ. В малогабаритных, высокоточных авиационных датчиках давления чаще всего изменяется расстояние между пластинами.

Рис. 4.19. Емкостный преобразователь: 1 – кварцевые диафрагмы; 2 – пластины конденсаторов; 3 – металлическое покрытие

К особенностям емкостного преобразователя относятся: простота конструкции, высокие динамические характеристики. В связи с этим емкостные датчики часто применяют для измерения высокочастотных процессов изменения давлений. Емкостный преобразователь необходимо защищать от паразитных емкостей и всевозможных посторонних электрических наводок, так как к ним сильно восприимчив. Такой преобразователь показан на рис. 4.19. В нем обе диафрагмы изготовлены из кварца, пластины конденсаторов напылены на внутренних сторонах диаграмм. Для исключения образования паразитных емкостей на внешние поверхности диафрагм 1 нанесены тонкопленочные металлические покрытия 3. Для еще более надежной защиты преобразователя от всевозможных помех, в том числе от загрязнения пластин и пространства между ними, кварцевые диафрагмы герметично соединяют между собой, образуя анероидную коробку. Кварцевые мембраны гарантируют стабильность размеров, минимальный гистерезис и полное отсутствие структурной усталости. Одна диафрагма является рабочей, непосредственно воспринимающей измеряемое давление, другая диафрагма выполняет роль опорной. Под действием давления рабочая диафрагма прогибается внутрь, вызывая увеличение емкости.

Для получения выходного электрического сигнала емкость подключают в схему моста или генератора датчика. При изменении давления на входе датчика изменяется емкость и на выходе образуется напряжение в виде непрерывной величины, либо в виде частоты от генератора. Частотный сигнал, пропорциональный давлению, преобразуется в цифровой сигнал, который с выходного регистра, например, выдается потребителю в двоичном параллельном или последовательном коде (иногда то и другое).

На рис. 4.20 приведена одна из возможных функциональных схем емкостного датчика давления. Примерно по такой схеме фирмой Коретт (Corrett Corp) США разработан базовый емкостный датчик давления, который в модификациях измеряет абсолютное давление (Р_ст) в диапазоне от 0 до 3400 мбар (2550 мм рт. ст.) и дифференциальное давление в диапазоне от 0 до 405 мбар (303,75 мм рт. ст.). Этот датчик имеет характеристики: основная погрешность ± 0,01 % от диапазона, суммарная погрешность ± 0,025 %, гистерезис по давлению не более 0,025 мм рт. ст., разрешающая способность ± 0,00019 % от диапазона, диапазон температур от – 54 до 110 ^оС, диапазон рабочих частот от 0 до 1500 Гц, напряжение питания 115/230 Гц, масса 0,56 кг, габаритные размеры . Этот датчик нашел широкое применение на летательных аппаратах, в том числе на стратегическом бомбардировщике В-1, истребителях F-14, крылатых ракетах и самолетах в составе вычислителей СВС.

Рис. 4.20. Функциональная схема емкостного датчика давления:

Р – давление; 1 – рабочая диафрагма; 2 – конденсатор; 3 – буферный усилитель; 4 – 20‑разрядный счетчик; 5 – эталонное тактовое устройство 375 кГц; 6 – 20‑разрядный параллельно-последовательный сдвиговый регистр; 7 – двоичный выход при параллельном действии; 8 – двоичный выход при последовательном действии

Необходимо обратить внимание на преимущества частотного выходного сигнала датчика давления как носителя информации:

1. Частотный выходной электрический сигнал обладает высокой помехозащищенностью, так как бывает достаточным сохранить отличие уровней сигналов, соответствующих "единице" и "нулю".

2. Частотный сигнал легко обрабатывается вычислителем (перевод в код) без дополнительных потерь.

3. Слабая зависимость от колебаний питающих напряжений, так как частотный сигнал не теряет свое назначение при изменении напряжения вплоть до 50 %.

4. Частотный сигнал легко измеряется, хорошо интегрируется во времени, что повышает точность. Идеальным интегратором электрических импульсов является счетчик с неограниченным временем интегрирования. Пределом измерения является емкость электрического счетчика.

5. В целом позволяет достичь высокую точность датчика давления порядка 0,01 – 0,02 % от измеряемой величины.