Коррекция погрешностей восприятия статического давления

Погрешность восприятия статического давления (Р_ст) складывается из погрешности изолированного приемника и дополнительных погрешностей, связанных с искажениями воздушного потока в том месте фюзеляжа, где установлен приемник статического давления (рис. 3.11). Согласно НЛГС и американскому стандарту ТsO-C16 инструментальная погрешность изолированного приемника статического давления не должна превышать ~ 0,05q в диапазоне измеряемых скоростей. Например, при скорости полета 100 км/ч погрешность должна быть не более 0,2 мм рт. ст.; при скорости 400 км/ч – 0,8 мм рт. ст.; при скорости 500 км/ч – 1 мм рт. ст.; при скорости 600 км/ч – 1,2 мм рт. ст.; при скорости 800 км/ч – 1,5 мм рт. ст.

При установке приемника Р_ст погрешность может возрасти до недопустимых величин. Для гражданских самолетов допустимая суммарная погрешность приемника Р_ст в переводе на скорость полета не должна превышать 10 км/ч [4]. Достигается приемлемая точность по давлению Р_ст путем выноса приемника за пределы фюзеляжа при скорости полета М > 0,95 или путем инструментальной коррекции при полете со скоростями М ≤ 0,95.

Наиболее распространенными являются два метода коррекции этой погрешности: 1 – коррекция в механическом указателе высоты или в системе СВС и 2 – аэродинамическая коррекция непосредственно в самом приемнике Р_ст.

Для первого случая коррекции каждый приемник Р_ст должен иметь тарировочную таблицу поправок на конкретном самолете. Простейшим случаем коррекции погрешностей по Р_ст является поправка показаний барометрического высотомера по таблице, которая находится в поле зрения каждого пилота.

Самым привлекательным методом является коррекция за счет конструктивных мер в самом приемнике и установке его в том месте фюзеляжа, где помехи известны и минимальны (см. рис. 2.11, рис. 2.12, рис. 3.14).

Коррекция погрешности восприятия Р_ст в современных СВС осуществляется следующим образом. В память цифрового вычислителя вводятся стандартные характеристики ΔР_ст = f(M).

Рис. 4.35. Стандартная зависимость погрешности приемника статического давления на борту самолета

Согласно нормам АРИНК-706 в дозвуковых СВС должно быть 16 стандартных характеристик, что и сделано в СВС-85 для гражданских российских самолетов. При этом к стандартным характеристикам предъявляются следующие требования:

1 – погрешность приемника Р_ст зависит либо от числа М, либо от отношения Р_д/ Р_ст;

2 – при значении М ≤ 0,2 погрешность ΔР_ст ≈ 0;

3 – максимальное значение погрешности при М = 1 должно быть не более 0,04q;

4 – характеристика ΔР_ст = f(М) должна быть достаточно плавной, без перегибов;

5 – погрешность после коррекции по высоте полета должна быть не более 1,5 м при Н = 7500 м;

6 – смена характеристики производится изготовителем СВС по запросу заказчика после удовлетворения требований к ней.

В СВС с аэродинамической коррекцией могут быть точные и загрубленные каналы по выходным параметрам. Приведенные выше формульные зависимости первичных параметров и параметров движения видоизменяются: дополнительно появляются зависимости, в которых учитывается скомпенсированное значение Р_ст. Вводятся символы: с – скомпенсированный, нс – нескомпенсированный параметр.

Математическая модель современной СВС в общем виде следующая.

– (4.29)

скомпенсированное полное значение;

– (4.30)

нескомпенсированный скоростной напор;

– (4.31)

скомпенсированный скоростной напор;

– (4.32)

скомпенсированная индикаторная скорость при v_инд.с ≤ a_o;

– (4.33)

нескомпенсированное отношение давлений Р_п и Р_ст;

– (4.34)

скомпенсированное отношение давлений Р_п и Р_ст;

– (4.35)

нескомпенсированное отношение давлений Р_д и Р_ст;

– (4.36)

скомпенсированное отношение давлений Р_д и Р_ст;

– (4.37)

скомпенсированная температура торможения;

– (4.38)

скомпенсированная температура наружного воздуха;

– (4.39)

нескомпенсированная истинная скорость;

–

скомпенсированная истинная скорость;

– (4.40)

зависимость скомпенсированного давления P_д от скомпенсированной истинной скорости.

Здесь приняты обозначения: a – скорость звука, a_о – значение скорости звука при нормальных условиях по стандартной атмосфере, k – отношение теплоемкостей, Р_{ст о} – нормальное атмосферное давление.

До полной математической модели СВС согласно структурным схемам рис. 4.1 и рис. 4.3 тут не хватает математических моделей α_ист и β_ист , которые рассматриваются в шестой главе.

В связи с тем, что при измерении давления имеют дело с силами, то компенсационную схему называют схемой силовой компенсации. Возможно осуществление множества разновидностей схем и конструкций, построенных на данной схеме, однако все они содержат элементы общего назначения: чувствительный элемент – сильфон 1, нуль-орган 2, усилитель 3, обратную связь (эталон) 4, выходное устройство 5.

Если сравнить структурную схему компенсационного датчика со структурной схемой позиционного датчика давления (рис. 4.29), то увидим принципиальную разницу между ними. В компенсационной схеме большее число элементов охвачено основной обратной связью. Полное уравнение схемы рис. 4.28 имеет вид [39]

. (4.25)

Установившееся значение выходной величины y_1О имеет вид (t → ∞)

. (4.26)

Полное уравнение движения по схеме рис. 4.29 имеет вид

, (4.27)

k22

Рис. 4.29. Структурная схема электромеханического датчика давления, построенного на схеме с использованием хода чувствительного элемента 1 – чувствительный элемент, 2 – вторичный преобразователь, 3 – усилитель с двигателем, 4 – основная обратная связь (электрическая), 5 – выходное устройство

а установившееся значение выходной величины y_2О:

. (4.28)

Сравнивая уравнения (4.26) и (4.28), находим свойство схемы силовой компенсации, заключающееся в том, что в ней на результат измерения влияет меньшее число элементов. Параметры нуль - органа в линейном приближении не оказывают влияния на точность измерения. Практически это свойство тем точнее реализуется, чем больше модель датчика приближается к линейной. В идеальном случае это значит, что в измерительной цепи датчика не должно быть элементов с зоной нечувствительности, а замкнутая цепь следящей системы должна быть астатической.

Устройство нуль - органа работает практически с незначительными перемещениями (в одной точке) в пределах своей характеристики. В связи с этим элементы следящей системы можно подобрать более точно, и работает она более точно. Это второе свойство компенсационной схемы.

В схеме же рис. 4.29 характеристики вторичного преобразователя 2 существенно влияют на качество измерения, как было показано выше.

В позиционной схеме рис. 4.29 чувствительный элемент выполняет очень сложную функцию – принимает информацию об изменении давления и преобразует ее в перемещение нужной величины. Он является сложным преобразователем и движителем одновременно. От него требуются характеристики: высокая чувствительность, отсутствие гистерезиса, стабильность во времени.

Функции чувствительного элемента в компенсационной схеме проще – преобразовывать давление в силу, не совершая значительных перемещений рабочего центра. Идеально – это поршень без трения. Такие задачи, как передавать информацию в решающее устройство в виде перемещения, стабильность во времени, иметь малый гистерезис в этой схеме переносится на элемент обратной связи (механическая пружина, электромагнит). В этом заключается третье свойство компенсационной силовой схемы.

На рис. 4.30 и рис. 4.31 приведены принципиальная и конструктивная схемы компенсационного датчика давления с механической точеной высокоточной пружиной в качестве эталона силы, который был разработан и изготовлен УКБП.

Новизна этого датчика заключается в том, что с целью повышения виброустойчивости, точеная пружина выполнена с витками переменной жесткости.

Рис. 4.30. Принципиальная схема компенсационного датчика давления:

1 – чувствительный элемент, 2 – нуль-орган, 3 – усилитель с двигателем, 4 – пружина, 5 – выходное устройство, 6 – винты, 7 – редуктор, 8 – противовес, 9 – шарнир, 10 – упор

В современных датчиках давления для СВС в качестве эталона силы применяется катушка с намоткой, помещенная в поле постоянного магнита (рис. 4.32). Чувствительным элементом является сильфон. Измеряемое давление поступает в сильфон, вызывает незначительную деформацию, коромысло 7 поворачивается, изменяется индуктивное сопротивление катушек 1, включенных в схему моста. Сигнал разбаланса поступает в усилитель-демодулятор 2, усиливается и поступает в виде постоянного тока в катушку 4, жестко связанную с коромыслом 7. Взаимодействие электрического тока катушки 4 с полем магнита 3 приводит к появлению силы, которая уравновешивает силу сильфона 6. Катушки нуль-органа 1 включены противоположно действию силы сильфона.

При малых деформациях сильфона его жесткость практически постоянна, а значит ток, протекающий в катушке 4, пропорционален измеряемому давлению. Выходным сигналом датчика является напряжение постоянного тока, снимаемое с резистора 5, который включен последовательно с намоткой катушки 4.

Рис. 4.31. Конструктивная схема компенсационного датчика давления

Рис. 4.32. Принципиальная схема компенсационного датчика давления: 1 – нуль-орган; 2 – усилитель; 3 – постоянный магнит; 4 – силовая катушка; 5 – резистор; 6 – сильфон; 7 – коромысло; 8 – безлюфтовый упругий шарнир

Датчиками давления для СВС на схеме силовой компенсации занимаются несколько известных в мире фирм. Но наибольших результатов достигла французская фирма Кроузет (Crouzet). Ее датчики давления типа 43 и 44 для измерения статического и дифференциального давлений имеют следующие характеристики: погрешность от диапазона ± 0,01 %, разрешающая способность 0,00075 мм рт. ст., гистерезис менее 0,0075 мм рт. ст., напряжение питания ± 15 В, потребляемая мощность 1 – 2 Вт, масса 0,26 кг, габаритные размеры .

К недостаткам компенсационных датчиков давления в целом следует отнести то, что выходным сигналом ее является непрерывный аналоговый сигнал. Для его использования в цифровых СВС требуется применение дополнительно высокоразрядного АЦП, что приводит к потере точности и удорожанию системы.