Датчики углового ускорения 5 страница

Обобщенная схема измерения расходов топлива при летных испытаниях представлена на рис. 4.

Рис. 4. Методы и средства измерения расхода топлива при летных испытаниях.

В практике летных испытаний применяется комплекс измерительной аппаратуры, в состав которого входят датчики объемного расхода и датчики плотности топлива, автономные СУ, нормализующие электрические сигналы датчиков в аналоговую форму или частоту. Аналоговые сигналы по напряжению регистрируются аппаратурой точной магнитной записи, а по току – светолучевыми осциллографами. Частотные сигналы в виде последовательности импульсов с выходов частотомеров или счетных устройств регистрируются соответствующими каналами аппаратуры точной магнитной записи.

Известное применение при летных испытаниях получили штатные расходомеры топлива, устанавливаемые в магистралях низкого давления. Комплект расходомера состоит обычно из турбинного датчика, вторичного преобразователя и визуального прибора. Выходные сигналы датчиков преобразуются, например, с помощью тиратронного или магнитного преобразователей в соответственно однополярные и двуполярные импульсы. Эти сигналы поступают на визуальный прибор и могут регистрироваться аппаратурой точной магнитной записи и светолучевым осциллографом. Однако для сохранения надежности работы штатного расходомера должно быть введено ограничение потребляемого экспериментальной аппаратурой тока величиной не более 0,5 мА. Для этого предусмотрено специальное согласующее устройство, способное работать с различными штатными расходомерами. Амплитуда импульсов выходного электрического сигнала согласующего устройства такова, что они могут регистрироваться с помощью частотомеров (мгновенный расход) или счетных устройств (интегральный расход) аппаратуры точной магнитной записи, а также светолучевым осциллографом.

Для измерения расходов топлива в высоконапорных магистралях применяется турбинный датчик, имеющий в отличие от датчиков штатных расходомеров меньшие габаритные размеры, обладающий более высоким допустимым значением давления и соответственно большим перепадом давления на датчике. Выходной сигнал датчика имеет синусоидальную форму. При измерении мгновенных значений расхода топлива частота сигнала датчика преобразуется с помощью согласующего устройства в ток (0...2 мА) или напряжение (О...6 В). Согласующее устройство имеет встроенный блок калибровки измерительного тракта сигналами частотой 400 и 100 Гц. Эти сигналы берутся от штатной бортовой сети переменного тока напряжением 115 В, частотой 400 Гц. Периодичность калибровок и длительность их следования формируются специальной схемой согласующего устройства. Калибровочные сигналы и линейная зависимость выходных сигналов от частоты сигналов датчика (предельная частота 500 Гц) позволяют создавать программы автоматизированной обработки при работе с аппаратурой точной магнитной записи или легко расшифровывать записи осциллограмм.

В некоторых случаях для регистрации сигналов турбинных датчиков с помощью аппаратуры точной магнитной записи выходной сигнал датчика должен быть преобразован в сигнал частоты следования однополярных положительных импульсов. С этой целью применяется специальное согласующее устройство.

Известное применение получил расходомер топлива, специализированный для летных испытаний. Он позволяет измерять мгновенные значения объемных и массовых расходов топлива. При этом выдаются электрические сигналы в виде частоты следования импульсов (f_mах = 1000 Гц), напряжения (U_max = 6 В), постоянного тока (I_max = 2 мА). Для измерения интегральных значений объемных и массовых расходов сигналы формируются в виде последовательности импульсов частотой до 2, 4 и 16 Гц, а также частоты в пределах до 1000 Гц. Структурная схема измерительного канала расходомера приведена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема измерительного канала расходомера топлива
для летных испытаний

В состав его входят турбинный датчик объемного расхода в комплекте с двумя автономными согласующими устройствами и плотномер топлива. Согласующие устройства преобразуют частоту датчика в десятиразрядный код, который затем преобразуется в аналоговый сигнал или/и в низкочастотную последовательность импульсов. Плотномер измеряет плотность углеводородистых топлив для коррекции показаний по плотности в расходомере. Плотномер содержит частотный датчик с вибрирующим цилиндром и вторичный преобразователь. Колебания цилиндра в требуемой моде возбуждаются с помощью пьезоэлектрической системы, состоящей из возбудителей и приемников. Они расположены на стенках вибрирующего цилиндра по взаимно перпендикулярным направлениям, что предотвращает прямую связь между ними. Преобразователь осуществляет режим автоколебаний вибрирующего цилиндра датчика и преобразует сигнал датчика в двенадцатиразрядный параллельный двоичный код, пропорциональный плотности топлива. Этот код плотности поступает, в свою очередь, на преобразователи, где для измерения массового расхода топлива осуществляется перемножение кода объемного расхода топлива и кода плотности.

Другим способом измерения массового расхода является применение известных объемных расходомеров с контролем температуры топлива и введением соответствующих поправок на изменение плотности топлива. Внедряются в практику летных испытаний датчики расходомеров с автоматической коррекцией плотности топлива. Инструментальные погрешности датчиков расхода топлива складываются из погрешности от нагрузки крыльчатки, погрешности измерения ее угловой скорости тахометрическим узлом и др. Погрешность частотного датчика плотности определяется, в основном, нелинейностью градуировочной характеристики. Доминирующей составляющей погрешностей датчиков расхода является методическая погрешность, возникающая вследствие изменения плотности топлива при изменении температуры или сорта топлива. Температурная погрешность в диапазоне ± 60⁰С достигает 5...10%. Погрешность при замене сорта топлива может достичь 5...6%.

Указанные погрешности учитываются поправочными графиками.

Монтаж расходомеров следует осуществлять в соответствии с инструкцией по эксплуатации и техническому обслуживанию. Датчики устанавливаются либо во всасывающей, либо в нагнетающей линиях топливной системы так, чтобы направление потока топлива совпадало с направлением стрелки на корпусе датчика. Желательно датчики устанавливать во всасывающей линии, снижающей возможность подтекания топлива и обеспечивающей безопасность установки. Частотный датчик плотности рекомендуется устанавливать вертикально при потоке топлива сверху вниз. Это уменьшает эрозию и возможность осаждений на стенках чувствительного элемента, а также способствует всплытию пузырьков. Датчик устанавливается на специальной площадке, крепление ее к элементам конструкции самолета должно быть упругим. В отдельных случаях допускается жесткое крепление.

Лекция 11.

Тема: СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ИНФОРМАЦИИ

1. СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Большое разнообразие задач измерения физических величин и обилие конкретных особенностей летного эксперимента обусловили создание большого арсенала аналоговых и частотных датчиков, основанных на целом ряде методов преобразования. Преобразование различных видов электрических сигналов датчиков и нормирование их по диапазонам, удобным для последующей регистрации, осуществляется с помощью измерительных усилителей. Их в практике летных испытаний часто называют согласующими устройствами. Согласующее устройство в комплекте с датчиками и, в случае необходимости, автономными вспомогательными устройствами (например, блоком питания, коммутатором электрических сигналов датчиков) называют измерительной аппаратурой. В свою очередь, совокупность нескольких комплектов измерительной аппаратуры с одним или несколькими регистрирующими устройствами, соединенных между собой каналами связи, называют измерительной системой, которая часто называется бортовой системой измерений.

В ряде видов летных испытаний (например, испытания самолета на прочность) измерение исследуемых параметров связано с усилением входных электрических сигналов весьма низкого уровня. Самолет является источником мощных помех. Поэтому решающим фактором при летных испытаниях является обеспечение электромагнитной совместимости согласующих устройств с объектом исследований, что требует высокой помехозащищенности, сочетающейся с необходимой чувствительностью и точностью измерений. Важным фактором является также многоканальность, а отсюда и требование минимизации габаритных размеров при максимальных удобствах эксплуатации. Поскольку в практике летных испытаний наиболее распространены датчики, имеющие аналоговые и частотные выходы, а аппаратура точной магнитной записи имеет аналоговые, частотные и цифровые входы, основными методами преобразования в согласующих устройствах являются соответственно: аналоговые, частотные, аналого–цифровые и частотно–цифровые методы преобразования (рис. 1).

Рис. 1. Классификация согласующих устройств для летных испытаний.

Согласующие устройства, основанные на аналоговых методах преобразования, являются традиционными, наиболее отработанными и поэтому более многочисленными. Ниже рассмотрены варианты построения аналоговых согласующих устройств.

Усилитель переменного тока предназначен для преобразования малых токов в напряжение. Помехоустойчивость его низкая, из-за этого мал динамический диапазон. Основное достоинство – простота схемы.

Усилитель заряда обеспечивает изменение выходного напряжения пропорционально изменению электрического заряда, приходящего на его вход.

Обе схемы усилителей широко применяются для усиления соответствующих сигналов от пьезоэлектрических датчиков виброускорений и давлений. Причем усилитель заряда резко уменьшает погрешности измерения, вызываемые нестабильностью емкости соединительной линии. Применение дополнительного входного каскада на транзисторах и конденсаторах цепи обратной связи с малыми утечками позволяет строить усилители заряда с нижней частотой полосы пропускания в десятые доли герца. Усилители заряда находят применение также в сочетании с другими датчиками, имеющими в качестве выходной величины электрический заряд, например, с конденсаторными микрофонами, измеряющими уровни звуковых давлений.

Усилители с модуляцией и демодуляцией сигнала усиливают медленноменяющееся напряжение в переменное с последующим усилением и фазочувствительным выпрямлением этого напряжения. По такой схеме построены некоторые низкочастотные тензометрические согласующие устройства. Схема проста в реализации. Однако ей присуща слабая помехозащищенность и значительные помехи. Поэтому подобные усилители не получили широкого применения.

Сравнительно помехоустойчивыми являются согласующие устройства, построенные на усилителях с гальванически развязанными цепями питания и усилителях с дифференциальным входом. Гальваническая развязка – весьма эффективный метод борьбы с помехой общего вида. Усилители с дифференциальным входом в интегральном исполнении позволяют более простыми путями решить задачу повышения помехоустойчивости согласующих устройств. Подобные усилители получили применение для измерения статодинамических процессов. При больших коэффициентах усиления эти методы преобразования можно применять для измерения динамических процессов. К недостаткам этих методов следует отнести наличие помехи нормального вида.

Наиболее широко применяется в согласующих устройствах метод дискретной фильтрации сигнала. Он основан на получении дискретных выборок полезного сигнала и их суммирования с весовыми коэффициентами. В зависимости от выбора веса и числа суммируемых дискретных значений, можно подавить как низкие, так и верхние частоты, получить тот или иной порядок фильтра. Результирующий сигнал состоит из собственно полезного сигнала и четных гармоник помех. Основная и все нечетные гармоники помех оказываются полностью подавленными. Принцип построения согласующего устройства следующий. Датчики, включенные в схему измерительного моста, питаются напряжением прямоугольной формы, этим самым меняется знак коэффициентов. Сигнал разбаланса моста усиливается, величины коэффициентов устанавливаются в блоке масштабных коэффициентов. Далее осуществляется суммирование выборок. В фильтре нижних частот отфильтровываются оставшиеся четные гармоники помехи и выделяется спектр полезного сигнала. К достоинствам таких согласующих устройств следует отнести, в первую очередь, повышенную помехоустойчивость к разного рода помехам (в том числе от электрочасов, включения приборного оборудования, помех бортсети и т.д.). Аддитивная составляющая погрешности (дрейф нуля) не превышает 0,3... 0,5%.

Этот метод можно распространить на более совершенную процедуру усреднения, построенную на применении интегрирования.

В практике летных испытаний известное применение получили согласующие устройства с аналого–цифровыми преобразователями. Предполагается, что аналоговый сигнал непрерывен и подключен к входным шинам на время, достаточное для выполнения операции аналого–цифрового преобразования с требуемой точностью. Некоторые из них основаны на тестовых переходных процессах в измерительных цепях и, в частности, на основе метода постоянной времени. Сущность метода заключается в том, что постоянная времени измерительной цепи, содержащей, например, терморезистор и образцовый конденсатор, преобразуется во временной интервал, заполняющийся стандартной частотой. Временной интервал преобразуется далее в цифровой код. Они линейно и однозначно связаны с сопротивлением терморезистора. Величина временного интервала не зависит от напряжения питания измерительной цепи. Эти свойства являются одним из основных достоинств метода сравнения и его реализации в виде самобалансирующегося моста. Метод позволяет обеспечить высокую точность преобразования. Погрешность в рабочих условиях применения не превышает дискретности, т.е. 0,1%. Широкое применение получили способы отбора измерительных и управляющих сигналов от штатных аналого–цифровых преобразователей в последовательном двенадцатиразрядном коде.

Частотный метод преобразования основан на образовании и формировании последовательности импульсов, частота следования которых пропорциональна измеряемому параметру. Согласующие устройства с частотными методами преобразования являются базовыми высокоточными преобразователями частотной информации при измерении, в основном, частоты вращения ротора газодинамического двигателя и расхода топлива.

Структурная схема измерительной аппаратуры базируется на максимальном приближении согласующих устройств к датчикам физических величин, что позволяет сокращать линии связи и передавать информацию по минимальному числу проводов. Информативность измерений обеспечивается путем применения коммутаторов электрических сигналов с параллельными и последовательными каналами коммутации.

Конструктивные решения согласующих устройств определяются, в основном, задачами измерений и элементной базой. Поэтому согласующие устройства в конструктивном и технологическом отношениях могут быть разделены на два класса:

· согласующие устройства, построенные на микроэлектронных функциональных узлах – интегральных микросхемах, закрепленных и скоммутированных на основании – печатной плате,

· согласующие устройства, выполненные на автономных функциональных узлах – микросборках. Последние конструктивно выполняются в герметичном корпусе, в котором, чаще на тонкопленочной плате, смонтированы пассивные и активные бескорпусные элементы.

Оценка работоспособности согласующих устройств в полете основана на автоматическом контроле и идентификации статических и динамических характеристик. Некоторые модели измерительной аппаратуры охвачены сквозным контролем метрологических характеристик.

2. БОРТОВЫЕ СИСТЕМЫ РЕГИСТРАЦИИ

Бортовые системы регистрации в комплекте с источниками первичной информации и согласующими устройствами определяют облик бортовой измерительной системы и структуру информационно–измерительной системы в целом. Регистрирующие устройства по функциональному принципу построения можно разделить на четыре класса:

· самописцы,

· приборы с оптической записью (светолучевые осциллографы и комбинированные оптические самописцы),

· аппаратура точной магнитной записи,

· радиотелеметрические системы.

В зависимости от задач летных испытаний имеет место раздельное (одиночное или групповое) применение систем фотографической и магнитной записи или их любая комбинация (совмещение).

2.1. ТРЕБОВАНИЯ К НАКОПИТЕЛЯМ ИНФОРМАЦИИ

Полученная от датчиков и преобразованная на борту информация регистрируется, т.е. наносится каким-либо физическим способом на носитель информации с целью сохранения, накопления и последующей обработки. Так как регистрация представляет, по существу, последний этап в процессе измерений, то рабочие и эксплуатационные характеристики регистрирующих устройств должны быть достаточно стабильными с тем, чтобы достоверность полученной информации сохранялась.

Вне зависимости от типа носителя информации к регистрирующим устройствам предъявляется ряд требований:

· обеспечение одновременной регистрации информации от большого количества каналов информации;

· отсутствие взаимовлияния каналов и возможность установления принадлежности записанной информации тому или иному информационному каналу;

· синхронизация многоканальной информации, т.е. точная привязка зарегистрированной информации к моменту времени;

· достаточно высокое быстродействие для обеспечения записи высокоинформативных потоков;

· возможность изменения времени (скорости) записи в зависимости от информативности потока данных;

· обеспечение сохранности записанной информации при воздействии различных помех (световых, электромагнитных и т.п.);

· сохранение работоспособности при воздействии различных дестабилизирующих факторов при их изменении в полных диапазонах.

При этом накопители должны иметь минимальные вес и объем. К регистрирующим устройствам могут быть дополнительно предъявлены и другие требования с учетом специфики их будущей эксплуатации. Так, регистраторы, применяемые в исследованиях катапультных установок, должны сохранять работоспособность и обеспечивать запись информации при действии очень больших перегрузок, превышающих в 5 – 10 раз перегрузки, действующие на самолет.

Все регистрирующие устройства снаряжаются и проверяются на борту. В полете ими дистанционно управляет летчик, включая только механизм протяжки носителя. Если на борту находится экспериментатор, то возможна и перезарядка накопителя и управление им с пульта экспериментатора.

2.2. САМОПИСЦЫ

Самописцы относятся к первому поколению регистраторов, которые используются для записи на борту. В состав самописцев входят датчики физических величин. Носителем информации служит калька, телефонная бумага, бумага со спецпокрытием или бумага, покрытая сажей. Ширина бумаги 30 – 100 мм, запас 10 – 30 м.

В зависимости от конструкции и назначения прибора электрические схемы самописцев включают следующие потребители: электродвигатель, электромагнит, биметаллическое реле и спираль обогрева, электродвигатели гиромоторов.

2.3. СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Светолучевые осциллографы широко применяются для регистрации параметров летательных аппаратов и их систем. Они представляют собой измеритель тока магнитоэлектрического типа. Основным элементом его является гальванометр (рамка), установленный в блоке постоянного магнита. Угол поворота рамки, являющийся мерой тока, преобразуется с помощью оптической системы в линейное перемещение светового пятна, которое регистрируется на непрерывно движущейся фотографической ленте. Основными достоинствами светолучевых осциллографов являются: возможность непосредственной регистрации низкочастотных (до 100 Гц) сигналов низкого уровня (милливольтовых сигналов, например, тензорезисторов, терморезисторов, термопар), а также сравнительные простота и оперативность получения предварительной информации. Недостатками светолучевых осциллографов являются весьма сложная процедура перевода информации с осциллограмм на машинный язык, низкая информативность и практически трудная реализация длительной регистрации высокочастотных процессов.

Статическая погрешность светолучевых осциллографов составляет 1%. Динамическая погрешность определяется, в основном, неравномерностью амплитудно–частотной характеристики гальванометра, включенного в рабочую измерительную цепь. Применение светолучевых осциллографов осуществляется в соответствии с их тактико–техническими данными и рекомендациями, изложенными в инструкции по эксплуатации.

Комбинированные оптические самописцы наряду с гальванометрами для записи токов и напряжений содержат встроенные тахометрические узлы, а также пневмоузлы для измерения и регистрации высоты и скорости полета летательного аппарата.

С помощью магнитоэлектрических осциллографов световым лучом на фотобумаге записываются амплитудные значения тока по времени. Информация, записанная на фотобумаге, называется осциллограммой. На одной осциллограмме может быть записано одновременно в виде кривых несколько сигналов с датчиков. Чувствительным элементом осциллографа являются вибраторы (гальванометры, шлейфы). В осциллографе может быть от 3 до 36 вибраторов. В практике летных испытаний наибольшее распространение получили 12– и 20-канальные осциллографы. Для отличия линий записи от каждого вибраторов на осциллограмме с черно-белым изображением делаются отметки линий с помощью механизма разметки шлейфов. На осциллограммах с цветным изображением перед каждым вибратором ставится свой светофильтр. Следует отметить, что цветная осциллография применяется реже из-за более сложной химической обработки фотобумаги.

Осциллографы имеют несколько скоростей протяжки фотобумаги; иногда 4 – 16 ступеней. При этом обеспечивается скорость протяжки 2,5 – 2500 мм/с, а при наличии барабанной кассеты – до 10000 мм/с (на длине 400 мм).

В осциллографах ширина бумаги составляет 100, 120, 190 и 200 мм, длина - 20 или 30 м. В малогабаритных осциллографах ширина кинопленки 35 мм, длина – 6 – 10 м. Основные характеристики некоторых осциллографов приведены в таблице 1.

После завершения полета бумага подвергается проявлению и фиксации. Осциллограмма сохраняет качество продолжительное время (до нескольких лет) и может использоваться для обработки многократно.

Таблица 1.

Основные технические характеристики некоторых осциллографов
для летных испытаний

Шифр	Вибраторы	Фотобумага	Масса, кг	Габариты, мм х мм х мм
Количество	Собственная частота, Гц	Ширина, мм	Длина, м	Скорость протяжки, мм/с
K-20-21		60 – 6500			1; 25; 100; 250; 1000; 2500		470x280x240
К-20-22		60 – 6500		30*	1; 10; 25; 100; 250; 1000		480x291x281
K-12-21		30 – 1200			3; 12,5; 60; 250		205x185x330
K-9-2I		_–			25; 50; 100; 200; 400; 2400; 4800		230x320x445
K-10-51		–			0; 2; 0,5; 2,5; 12,5; 25; 125	10,5	342x189x156
I20C-1		120 – 270			10 – 100		375x260x230

* – можно применять ультрафиолетовую бумагу.

На осциллограмме (рис. 2) должна быть записана следующая информация, без которой ее обработка невозможна:

· площадка механических нулей «0 _мех» – такое состояние вибраторов, когда на их рамки не подано напряжение (вибраторы обесточены). На этой площадке должны быть линии от всех вибраторов с разметкой. Площадка «0 _мех» должна быть записана до и после полета. Разница в положения ординат вибраторов должна быть не более 2 – 3 мм;

· площадка электрических нулей «0 _эл» – такое состояние вибраторов, когда на их рамки подано напряжение и подключены датчики, но значения информационного параметра (параметров) принимаются за нулевые, например, нейтральное положение рулевых поверхностей, выпущенное положение шасси перед посадкой при исследовании его нагружения. На площадке «0 _эл» должны быть все вибраторы, а их положение должно быть таким, чтобы с учетом полярности напряжения и знака изменения параметра линия записи не выходила за обрез ленты. Площадка «0 _эл» должна быть записана до и после полета.

Рис. 2.

Если полет продолжительный, то площадка «0 _мех» должна быть записана и в середине полета.

Обработка осциллограммы заключается в определении значения физического параметра, записанного на ленту в любой момент испытаний, путем вычисления ординаты отклонения вибратора от какой-либо условной линии (базовая линия или линия нулей электрических и механических) и сопоставления этих отклонений с градуировочной зависимостью, по которой и находят количественное значение физического параметра.

При градуировке к измерительной схеме подается напряжение питания u_Т. Осциллограф укомплектован вибратором с чувствительностью . В полете эти параметры могут отличаться. Отклонения вибратора в полете и при градуировке, соответствующие одному значению физического параметра, вследствие линейности измерительных цепей связаны соотношением

,

откуда .

При обработке осциллограммы от базовой линии формула видоизменяется:

,

где – ордината записи в момент времени , измеренная от базовой линии, – ордината записи «0 _мех» в полете, измеренная от базовой линии, – ордината записи «0 _мех» при градуировании, измеренная от базовой линии.

Если вибратор в полете остается таким же, как и при градуировке, то можно принять, что . Если после градуировки вибратор вышел из строя, то полет можно выполнить с другим вибратором (без повторной градуировки). Для этого в осциллограф следует поставить вибратор примерно той же чувствительности (известной) и градуировку пересчитать. Повторную градуировку измерительной схемы можно выполнить после завершения всей программы.

При обработке от «0_эл» формула несколько упрощается:

,

значения и должны быть измерены от базовой линии.

Обработку осциллограмм следует начинать с расшифровки показаний вибратора, регистрирующего напряжение питания.

Лекция 12.

2.4. АППАРАТУРА ТОЧНОЙ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ

Аппаратура точной магнитной записи является основным средством регистрации измерительной информации при летных испытаниях авиационной техники. Этому способствуют достоинства магнитной записи, основными из которых являются:

· высокая точность преобразования электрических сигналов;

· относительная легкость реализации многоканальной системы регистрации;

· возможность многократного просмотра записанной информации без ухудшения ее качества и без предварительной обработки носителя;

· технологичность обработки результатов эксперимента на специализированных вычислительных системах;

· возможность длительного хранения информации и повторное использование носителя для записи на борту.

Дата добавления: 2014-01-04