Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Электрооборудование.docx
Скачиваний:
20
Добавлен:
29.08.2019
Размер:
1.99 Mб
Скачать

Ионно – меточнный датчик аэродинамических углов

Совершенствование летно-технических характеристик самолетов и вертолетов, развитие и расширение области применения малоразмерных и беспилотных ЛА обуславливает необходимость пополнения арсенала средств измерения воздушно-скоростных параметров ЛА. При этом в зависимости от объекта применения они должны удовлетворять определенной совокупности требований по функциональным, метрологическим, эксплуатационным, конструктивно-компоновочным и другим характеристикам, которые не представляется возможным реализовать при использовании традиционных методов измерения, что определяет актуальность исследования и разработки новых принципов преобразования воздушно-скоростных параметров ЛА.

Проведенные поисковые исследования показали, что для измерения параметров вектора воздушной скорости с успехом может использоваться кинематический метод. Причем реализация данного метода на основе ионных меток (ИМ) является наиболее приемлемой в условиях, характерных для ЛА.

Принцип работы ионно-меточных преобразователей (ИМП) заключается в измерении скорости и угла направления траектории движения локальной ионизированной области (метки) набегающего воздушного потока. Предложенные принципы построения ионно-меточных измерителей параметров вектора воздушной скорости с распределенными в плоскости измерения регистрирующими элементами существенно расширяют функциональные возможности метода и позволяют преобразовывать как скорость, так и угол направления двумерных потоков в выходные сигналы в виде частоты, фазового сдвига, числа импульсов, цифрового кода, напряжения постоянного тока [ 1].

Анализ свойств меток потока различного типа и измерительных преобразователей на их основе показывает, что применительно к задачам измерения и эксплуатационным условиям характерным для многих объектов, в том числе ЛА, наиболее перспективны преобразователи на основе униполярных ионных меток. Последние представляет собой локальную область воздушного потока с повышенной концентрацией униполярных ионов, образующихся в результате кратковременного искрового разряда, производимого в набегающем потоке. Такая метка может быть сформирована в малом объеме потока, а ее газодинамические свойства практически не отличаются от свойств воздушной среды, что обеспечивает полное соответствие параметров движения метки характеристикам течения воздушного потока.

Важным преимуществом униполярных ионных меток является возможность их регистрации бесконтактным способом, а именно с помощью металлических электродов, на которых, за счет эффекта электростатической индукции при пролете заряженной метки наводится импульсный сигнал. При этом электроды могут быть изолированы от потока диэлектрическим материалом, что обеспечивает высокую надежность работы преобразователя при воздействии влаги, пыли и т.д.

Характерной конструктивной особенностью ионно-меточного ДАУ является отсутствие выступающих в поток элементов, при этом поверхность датчика может быть вписана в контур фюзеляжа или других элементов конструкции объекта, что упрощает его компоновку на борту ЛА и не вызывает нарушения его аэродинамических характеристик.

Отсутствие в цепи преобразования информативных сигналов неэлектрической природы существенно упрощает реализацию датчиков на основе использования достижений современной технологии производства электронной аппаратуры, обеспечивает повышение надежности, снижение массы, габаритов и себестоимости приборов.

По характеру информативного сигнала ионно-меточные ДАУ подразделяются на времяпролетные и амплитудные.

На рис.9 приведена схема времяпролетного ИМД воздушной скорости и угла атаки с двумя распределенными в плоскости измерения приемниками меток, один из которых выполнен кольцевым, а другой имеет форму спирали Архимеда .

Рис.9. Принципиальная схема времяпролетного ионно-меточного датчика воздушной скорости и угла атаки

Источник меток в виде искрового разрядника 1, формирующий ионные метки с ярко выраженным электростатическим зарядом, размещен в геометрическом центре электродной системы и управляется генератором 2. Базовое расстояние R от разрядника до приемника 3 не зависит от угла  направления набегающего потока, а расстояние  до приемника 4 связано с измеряемым аэродинамическим углом  соотношением  = k. Алгоритм преобразования предусматривает формирование с помощью регистраторов 5 и 6 временных интервалов R и , соответствующих интервалам времени пролета ионной меткой базовых расстояний R и . Принимая, что в течение временных интервалов R и  скорость набегающего потока остается неизменной, величина (модуль) и направление (угол атаки) вектора воздушной скорости определяются из соотношений:

; . (1)

где k – крутизна спирали Архимеда.

В соответствии с соотношениями (1) схема обработки 7 формирует выходные сигналы Vвых и вых, пропорциональные параметрам вектора воздушной скорости .

По принципу работы времяпролетный ИМД относится к классу интегрирующих преобразователей. Процесс преобразования в двумерном времяпролетном ИМД описывается системой интегральных уравнений:

(2) Первое слагаемое второго уравнения (2) определяет длину радиуса-вектора, соответствующую осредненному за время значению угла траектории метки. Поэтому уравнения (2) можно записать в виде

Структурная схема (рис.2), отражающая процесс преобразования в двумерном ИМД, содержит два канала с подобными по функциональным свойствам элементарными преобразователями.

Цикл преобразования начинается в момент формирования метки. На схеме это соответствует моменту замыкания ключа Кл, через который измеряемая величина вектора скорости поступает на интегратор. В процессе движения метки осуществляется интегрирование - преобразование скорости ее движения в пройденный путь:

Рис.2. Структурная схема измерительного канала

двумерного ионно-меточного датчика

При достижении равенства R(t) = R0 нуль-орган НО1 формирует импульсный сигнал, который, воздействуя на формирователь импульса (ФИ), завершает цикл преобразования модуля вектора скорости. Длительность импульса на выходе ФИ характеризует величину осредненной скорости, воздействующей на ИМД в течение времени .

Канал преобразования угла отличается тем, что на входе нуль-органа НО2 задается величина , которая является функцией от . При этом длительность зависит как от скорости движения метки, так и от угла направления ее траектории.

Элементарные преобразователи, образующие структурную схему ИМД, характеризуются как пространственными, так и временными параметрами, отклонение которых от номинальных значений в общем случае приводит к погрешности преобразования. Тот факт, что временные задержки, возникающие при формировании метки и ее регистрации, на 3-4 порядка меньше времени пролета , позволяет пренебречь их влиянием при анализе погрешностей ИМД.

Характерным для меточных преобразователей является процесс интегрирования скорости движения метки. Очевидно, что этот этап преобразования будет осуществляться без погрешностей только в том случае, если в течение всего временного интервала скорость движения метки совпадает со скоростью измеряемого потока, т.е. отсутствует эффект проскальзывания. При этом определяющее значение имеет динамика формирования метки и ее инерционные свойства.

Сопоставительный анализ известных работ, посвященных исследованию инерционных свойств твердых и жидких частиц, используемых в качестве меток, дает основание считать, что ионная метка, как газообразная область с повышенной концентрацией ионов, имеет параметры, обеспечивающие ей пренебрежимо малую для данного приложения инерционность.

Таким образом, на основании приведенных оценок можно принять, что ионная метка формируется мгновенно и интегрирование скорости происходит с пренебрежимо малой погрешностью.

Из уравнения (2) следует, что точность преобразования скорости ИМД во многом определяется точностью нуль-органа НО1, который производит сравнение заданного значения с текущим значением . Абсолютная погрешность, возникающая при этом, =  , а ее относительное значение = / . Так как величина определяет крутизну преобразования скорости, то указанная погрешность ИМД носит мультипликативный характер, а ее значение определяется соотношением / . По закономерности проявления эта погрешность имеет как систематическую, так и случайную составляющие. Величина систематической погрешности определяется отклонением от номинального значения базового расстояния при изготовлении ИМД и при соответствующей технологии может быть сведена до уровня порядка 0,1% и менее. Значительную долю составляет случайная составляющая погрешности, которая возникает при регистрации ионной метки. Информативными параметрами при измерении угла траектории метки являются временные интервалы и , которые представляют собой результат преобразования базовых расстояний и 0. Погрешность, возникающая в процессе преобразования этих величин, приводит к инструментальной погрешности измерения угла :

( 3)

где - абсолютная погрешность преобразования .

После элементарных преобразований соотношение (3) приводится к виду:

С учетом того, что , а , погрешность измерения определяется выражением

Поскольку на практике обеспечивается , то в соответствии с биноминальной теоремой получим выражение

в котором пренебрегли произведением квадрата малой величины на угол , т.е. .

Из полученного выражения видно, что погрешность измерения включает в себя аддитивную и мультипликативную составляющие, которые можно представить в виде:

(4)

Отсюда следует, что величина аддитивной составляющей определяется в основном первым слагаемым выражения (4), т.е. погрешностью преобразования радиуса-вектора , так как второе слагаемое представляет собой произведение малых величин. Мультипликативная составляющая зависит от . При этом обе составляющие обратно пропорциональны коэффициенту k, характеризующему крутизну спирали Архимеда.

Используя полученные соотношения, можно определить требования к точности преобразования базовых расстояний 0 и при заданных допустимых значениях погрешностей , , коэффициенте k и , при котором погрешность будет максимальной

При подстановке в эти выражения значений: k = 0,002 м/град, = 0,1 м; = = 0,1 угловых градусов, получим допустимые значения погрешности преобразования = 2·10 –4 м и = 0,2%. Следует заметить, что данное значение погрешности можно обеспечить соответствующим выбором величины радиуса R0. Так при абсолютной погрешности преобразования =2·10 –4 м радиус R0 должен быть не меньше 0,1м. Но увеличение базового расстояния приводит к возрастанию габаритов электродной системы, а следовательно, и преобразователя в целом. Кроме того, при этом увеличивается время пролета метки до приемных электродов, что приводит к снижению уровня сигнала на них в диапазоне малых скоростей. Поэтому с целью уменьшения габаритов и расширения диапазона скоростей целесообразно добиваться повышение точности за счет уменьшения погрешности .

Основным недостатком времяпролётных ДАУ является сравнительно большая площадь размещения приемных электродов, что ограничивает использование этих ДАУ на ЛА.

Преобразование угла направления потока в амплитудных ДАУ основано на зависимости амплитудных параметров наведенного сигнала на приемном электроде от траектории движения метки. При этом, в отличии от времяпролетных ДАУ, появляется возможность существенно расширить диапазон измерения, используя электродную систему с малыми габаритами и простой конструкцией.

Схема преобразования информативных сигналов амплитудного ионно-меточного ДАУ (рис.1) включает в себя электродную систему и схемы преобразования П1 и П2 импульсных наведенных сигналов, амплитудные параметры которых связаны функциональной зависимостью с углом направления траектории метки. Характер этой зависимости определяется характером углового распределения максимального значения потенциала поля взаимодействия (ПВ) ионной метки с приёмным электродом вдоль траектории движения метки

,

где - амплитуда наведенного на приемном электроде заряда; - заряд ионной метки; - время пролета метки до точки с максимальным значением ПВ.

U()

Рис. 1. Схема преобразования информативного сигнала амплитудного ионно-меточного ДАУ

С учетом влияния внешней аддитивной помехи сигнал, поступающий с приемного электрода, может быть представлен в виде .

Уменьшение влияния внешней помехи на процесс преобразования достигается использованием дифференциальной схемы преобразования сигнала. Выходной сигнал дифференциальной схемы описывается выражением

( 1 )

где и - выходные сигналы преобразователей П1 и П2; - коэффициент преобразования; - распределение разности потенциалов ПВ первого и второго электродов.

Из соотношения (1) следует, что статическая характеристика дифференциальной схемы определяется характером распределения , которое зависит от формы электродов, взаимного их расположения и других конструктивных параметров электродной системы.

На практике представляет интерес электродная система, состоящая из идентичных электродов, расположенных на одинаковом удалении от точки ввода метки и симметрично относительно некоторой базовой оси. Если траектория метки совпадает с базовой осью, т.е. , то амплитуды наведенных зарядов на электродах будут иметь одинаковые значения в силу равенства . Разностный сигнал, в этом случае, имеет нулевое значение и не зависит от величины заряда метки:

.

Отклонения траектории метки в ту или иную сторону от базовой оси вызывает соответствующее изменение величины и знака разностного сигнала.

Таким образом, статическая характеристика дифференциального амплитудного регистратора имеет симметричную форму относительно нулевой точки, положение которой стабильно на оси углов.

Величина заряда метки определяет крутизну статической характеристики, а его нестабильность и изменение в рабочем диапазоне скоростей вызывает мультипликативную погрешность, которая имеет систематическую составляющую, обусловленную рекомбинацией ионов, и случайную составляющую, возникающую из-за различных флуктуационных процессов при генерации и эволюции метки.

Таким образом, анализ канала формирования информативного сигнала амплитудного ДАУ показывает, что ее функция преобразования подвержена влиянию заряда и размеров метки, которые зависят от скорости потока и ряда других факторов, имеющих случайный характер. Для обеспечения инвариантности результата измерения к вариациям крутизны характеристики дифференциальной схемы ДАУ предлагается двухканальная структура построения датчика (рис.2). Использование коммутируемой электродной системы позволяет за счет поддиапазонного преобразования расширить диапазон измерения до необходимых пределов.

Функциональная схема ДАУ состоит из двух электродных систем 1 и 2, которые состоят из ряда отдельных электродов, включенных с помощью коммутирующих элементов в последовательную цепь. Электродные системы связанны с каналами

преобразования КП1, КП2 и КП3, КП4 амплитудных параметров индуцированных сигналов. Выходные сигналы , и , поступают на блок вычисления БВС, алгоритм работы которого предусматривает нахождение разностей и . Таким образом, схема ДАУ состоит из двух дифференциальных каналов преобразования информативных сигналов.

На рис.3 приведена типичная зависимость и . Эти зависимости имеют линейный характер в диапазоне углов и смещены относительно друг друга на фиксированный угол . При условии, что коэффициенты преобразования каналов идентичны, графики зависимостей 1 и 2 в диапазоне параллельны друг другу. Это выполняется при одновременном измерении амплитудных параметров сигнала на всех каналах и не зависит от величины заряда метки и ее размеров. Изменение этих параметров метки вызовет одновременное изменение крутизны характеристик 1 и 2, при этом они останутся параллельными в пределах линейного участка.

Специфическим элементом рассматриваемого типа ДАУ является электродная система, которая состоит из ряда отдельных электродов, включенных с помощью коммутирующих элементов (ключей) в последовательную цепь. Элементы электродной системы 1 размещены между электродами системы 2, таким образом, что они имеют смещение относительно друг друга на постоянный угол .

В рабочем режиме в каждом канале все ключи, кроме одного, замкнуты. При этом электроды, расположенные по обе стороны разомкнутого ключа, оказываются подключенными к соответствующим каналам преобразования КП, на выходе которых формируется сигнал, амплитуда которого зависит от положения траектории ионной метки относительно разомкнутого участка электродной системы. Управление ключами осуществляется блоком управления БУК, который, в свою очередь, управляется от БВС.

Рассмотренные свойства схемы ДАУ позволяют реализовать алгоритм преобразования, инвариантный к воздействию дестабилизирующих факторов, связанных с параметрами метки. Для текущего значения величины угла направления траектории метки разностный сигнал с первого канала соответствует длине катета ВС прямоугольного треугольника АВС (рис.3). На выходе второго канала разностный сигнал соответствует длине катета СD треугольника СЕD.

Учитывая, что эти треугольники подобны, так как АВ параллельно ЕD, то ВС/СD = АС/СЕ.

Откуда находим, что . Подставляя в полученное выражение соответствующие параметры, получим значение угла

(4)

где - постоянное значение угла, соответствующее периоду электродной системы, величина которого определяется конструкцией электродов.

Таким образом, измеренная величина текущего угла будет равна

, где величина n определяется состоянием коммутатора. Для , изображенного на рис.2, n = 2.

Если в процессе измерения значение выйдет за пределы интервала , то БУК произведет соответствующую перекоммутацию электродной системы, что соответствует переходу на другой поддиапазон с номером .

Преимуществом рассмотренной схемы ДАУ является возможность преобразования в широком диапазоне углов, величина которого зависит только от числа поддиапазонов и не приводит к изменению общей структуры измерительной схемы. Это позволяет использовать базовые элементы (модули) для создания ряда ДАУ с различными диапазонами преобразования.

Для реализации рассмотренного алгоритма преобразования с минимальной погрешностью необходимо соблюдение следующих условий:

1. Линейность характеристики в поддиапазоне измерения.

2. Параллельность характеристик первого и второго каналов в пределах рабочего участка поддиапазона.

Рассмотрим возможности достижения указанных условий. Особенностью конструкции электродной системы является то, что она состоит из множества дискретных одинаковых по форме электродов. При этом формирование информативных сигналов , и , происходит в результате суммирования наведенных зарядов на электродах, подключенных к соответствующим каналам преобразования

( 5 )

где k - коэффициент преобразования. На рис.4. иллюстрируется принцип формирования статической характеристики с помощью коммутируемых дискретных электродов.

Рассмотрим факторы, влияющие на параллельность статических характеристик двух взаимно смещенных на угол измерительных каналов. При этом будем считать, что конструктивные параметры электродных систем в обоих каналах идентичны. Тогда не параллельность характеристик 1 и 2 (см. рис.3) может быть вызвана различными коэффициентами преобразования каналов.

Допустим, что отклонение коэффициента преобразования второго канала относительно первого составляет . Тогда значение угла , вычисленное в соответствии с (4), будет равно:

где .

Относительную погрешность, вызванную неидентичностью коэффициента преобразования, можно определить как

Из этого выражения видно, что при погрешность также стремится к нулю, но при она принимает максимальное значение

или при  1, .

Относительная погрешность, вызванная не идентичностью коэффициентов преобразования первого и второго каналов, по величине не превышает величину относительной не идентичности коэффициентов. Так, например, при = 3% и = 5 град., абсолютная погрешность в пределах поддиапазона не будет превышать =0,15 градусов.

Таким образом, рассмотренная схема ДАУ позволяет производить измерения с достаточной точностью, при этом, не предъявляются высокие требования к точности и стабильности каналов преобразования.

По результатам проведенных исследований и разработок создан экспериментальный образец ионно-меточного ДАУ (рис.7). Конструкция экспериментального образца выполнена в виде измерительного блока, в котором размещена электродная система, ключи коммутатора, предварительные усилители и генератор меток.

Рис. 7. Экспериментальный образец ионно-меточного ДАУ-М.

Обработка информативных сигналов, вычисление результата измерения и управление коммутатором электродной системы ДАУ-М осуществляется микроконтроллером расположенным в электронном блоке.

Метрологические исследования ДАУ проводились в аэродинамической трубе. В результате продувок экспериментального образца определена минимальная рабочая скорость, которая составила 10 м/с. Полученная статическая характеристика ДАУ изображена на рис.8.

В результате обработки данных, полученных при работе ДАУ-М в аэродинамической трубе, среднеквадратическая погрешность датчика равна 0,28 градусов во всем диапазоне измерения.