Датчик аэрометрических давлений
AEROMETRIC PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода.
Известен барометрический высотомер (авторское свидетельство СССР №1426187, заяв. 1987, МПК G01C 5/00; G01C 5/06, публ. 10.06.2005 г.), 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.
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.
Известно также устройство для измерения барометрических вертикальной скорости и высоты полета (Патент РФ №1292447 Кл. G01P 3/489, 10.06.2005 г.], содержащее барометрический высотомер, подключенный выходом к первому входу первого вычитателя непосредственно и ко второму входу первого вычитателя через последовательно соединенные первый, второй и третий элементы задержки, второй вычитатель, подсоединенный первым входом к выходу первого элемента задержки, вторым входом к выходу второго элемента задержки и выходом к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого вычитателя, и выходные шины.
Данное устройство обладает, по сравнению с предыдущим, более высокой точностью измерений за счет уменьшения динамической и флуктуационной погрешностей, однако ему также присущи все вышеперечисленные недостатки частотных преобразователей давления.
Известно весоизмерительное устройство (Патент РФ 177302 на полезную модель), в котором величина деформации упругого элемента определяется по величине смещения светового пятна по фоточувствительной поверхности фотоприемной линейки. При этом световое пятно формируется с помощью щели в шторке, жестко связанной с упругим элементом и расположенной между неподвижными источником излучения и фотоприемной линейкой.
В данном техническом решении, как и в предыдущем случае, отсутствует возможность повышения точности измерения, ограниченной периодом опроса фотоприемной линейки.
Прототипом предлагаемого датчика может служить датчик давлений, использующий оптический метод преобразования информации (Патент РФ 2653596 МПК G01L 7/00 (2006.01), 2018), содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный двумя мембранами. В устройство дополнительно введены источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки со щелями, 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 щелям шторок.
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 повышение точности измерений необходимо уменьшать период опроса, однако это ограничивается техническими возможностями используемой фотоприемной линейки. Кроме того, 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.
Техническая задача изобретения состоит в повышении точности измерения.
Поставленная задача решена заявляемым изобретением. Заявляется:
Датчик аэрометрических давлений, 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, внутри зазора размещены источник оптического излучения, две фотоприемные линейки и стойка, прикрепленная к корпусу, отличающийся тем, что
- введен второй источник оптического излучения и оба источника жестко прикреплены к корпусу,
- фотоприемные линейки жестко закреплены на стойке напротив источников излучения,
- к центрам верхней и нижней мембран жестко прикреплены соответствующие шторки с n щелями, при этом шторки расположены перед фоточувствительной областью соответствующей фотоприемной линейки,
- выходы двух фотоприемных линеек через АЦП соединены с соответствующими двумя входами микроконтроллера, первый и второй управляющие выходы которого соединены с двумя входами управления обеих фотоприемных линеек, а второй управляющий выход микроконтроллера также соединен с входом управления обоих АЦП,
- выход микроконтроллера соединен с входом устройства регистрации аэрометрических давлений.
Изобретение поясняется фигурой 1, на которой представлена функциональная схема датчика аэрометрических давлений, и фигурами 2 и 3, поясняющими обработку сигналов датчика и принцип его работы.
Устройство содержит корпус 1 с двумя отверстиями, соответственно для измерения статического [Рст] и полного [Рполн] давлений, причем отверстия 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. Внутри безвоздушного зазора, симметрично относительно мембран 2 и 3 расположена стойка 4, жестко закрепленная на боковой стенке корпуса 1. Сверху и снизу относительно стойки 4 к боковой стенке корпуса 1 жестко закреплены источники оптического излучения 9 и 10. Напротив источников излучения 9 и 10 расположены фотоприемные линейки 5 и 6, жестко закрепленные на стойке 4. К центрам верхней 2 и нижней 3 мембран жестко закреплены шторки 7 и 8, соответственно, с n щелями. При этом шторка 7 расположена перед фоточувствительной областью фотоприемной линейки 5, шторка 8 расположена перед фоточувствительной областью фотоприемной линейки 6, а фоточувствительные области фотоприемных линеек расположены вдоль направления перемещения шторок при изменении измеряемых давлений. Выход фотоприемной линейки 5 соединен с входом АЦП 11, а выход фотоприемной линейки 6 - с входом АЦП 12. Выходы АЦП 11 и АЦП 12 соединены с первым и вторым входами микроконтроллера 13, первый и второй управляющие выходы которого соединены с двумя входами управления обоих фотоприемных линеек, а второй управляющий вход также соединен с входами управления обоих АЦП. Выход микроконтроллера соединен с входом устройства регистрации аэрометрических давлений 14.
1
3
5
6
5
6
3
3
5
Работа устройства при измерении статического давления осуществляется следующим образом. В исходном состоянии мембрана 2 анероидного чувствительного элемента занимает определенное положение. Оптическое излучение U от источника 9 падает на шторку 7. Прошедшее через n щелей в шторке 7 излучение формирует на фоточувствительной поверхности фотоприемной линейки 5 n световых пятен размером в несколько элементов (пикселей) фотоприемной линейки. Фотоприемная линейка 5 работает таким образом, что преобразует пространственное распределение падающей на ее поверхность оптической мощности в периодический изменяющийся во времени электрический сигнал U. Это обеспечивается подачей на фотоприемную линейку 5 управляющих сигналов U, U от микроконтроллера. Управляющий сигнал U задает период последовательного опроса всех элементов фотоприемной линейки приемника оптического излучения 4, а сигнал U задает период опроса каждого отдельного элемента (пикселя) фотоприемной линейки. Амплитуда электрического сигнала U на выходе фотоприемной линейки 5 в каждый момент времени пропорциональна оптической мощности, падающей на опрашиваемый в данный момент пиксель. В результате на выходе фотоприемной линейки 5 формируется периодический электрический сигнал U, в котором пространственному распределению оптической мощности в пределах фоточувствительной поверхности фотоприемной линейки 5 ставится в соответствие распределение во времени амплитуды электрического сигнала в пределах периода сигнала U. Амплитуды сигналов с n пикселей, на которые попадает излучение, прошедшее через n щелей в шторке 7, будут иметь локальные максимумы.
3
6
7
5
Выходной сигнал U фотоприемной линейки 5 поступает на АЦП 11, осуществляющий преобразование амплитуды сигнала с каждого пикселя фотоприемной линейки в соответствующий амплитуде цифровой код. Для синхронизации моментов выборки АЦП с работой фотоприемной линейки на управляющий вход АЦП подается сигнал U. Массив значений амплитуд сигналов с пикселей фотоприемной линейки с выхода АЦП 11 в виде сигнала U поступает на вход микроконтроллера 13. Программное обеспечение микроконтроллера обрабатывает массив данных, полученных за один период сигнала U. Задача обработки - вычислить значения координат п световых пятен на поверхности фотоприемной линейки.
max_n
Для вычисления координат светового пятна можно использовать так называемый центроид метод, обеспечивающий вычисление координаты центра тяжести изображения светового пятна. Алгоритм, реализующий данные вычисления, может быть реализован следующим образом. Вначале определяются номера n пикселей N, амплитуда сигнала с которых соответствует локальным максимумам в пределах каждого из n световых пятен на фоточувствительной поверхности фотоприемной линейки. Затем выделяется область из М/2 пикселей до и М/2 пикселей после максимума. И для данной области осуществляется вычисление координаты максимума сигнала, выраженное в номере пикселя, по формуле
n
i
max_n
где MAX - координата максимума n-го светового пятна на фотоприемной линейке, A - амплитуда сигнала с i-го пикселя в окрестностях n-го пятна, N - номер пикселя, амплитуда с которого в пределах n-го пятна максимальна. Количество пикселей М/2 выбирается таким образом, чтобы охватить все пиксели вокруг локального максимума, амплитуда сигнала с которых заметно превышает начальный (темновой) уровень.
n
Таким образом, в результате вычислений в памяти микроконтроллера будет содержаться n значений MAX, соответствующих исходному значению координат световых пятен. При изменении статического (Pcm) давления мембрана 2 анероидного чувствительного элемента деформируются, в результате чего происходит перемещение всех световых пятен, пропорциональное изменению давления. Вычисление по формуле (1) новых значений координат световых пятен позволяет определить изменение статического давления по величине смещения мембраны 2 относительно исходного значения:
n
n
n
n
n
где ΔPcm(t) - текущее значение изменения статического давления, определенное смещению n-го пятна, MAX(t) - координата максимума n-го светового пятна на фотоприемной линейке в текущий момент времени t, MAX(0) - исходное значение координаты n-го светового пятна, k - калибровочный коэффициент, связывающий координаты n-го пятна, выраженное в пикселях, с изменением статического давления. С учетом того, что расстояние между шторкой 7 и фотоприемной линейкой 5 намного меньше, чем расстояние между шторкой 7 и источником излучения 9, значения калибровочных коэффициентов k для всех n световых пятен в первом приближении можно считать равными. Для повышения точности измерения смещения мембраны предлагается усреднять результаты измерения изменения давления, полученные для всех n пятен:
4
8
Вычисление полного давления происходит аналогично описанному выше процессу вычисления статического давления. При этом изменение полного давления приводит к перемещению шторки 8 и перемещению световых пятен по фотоприемной линейке 6. Выходной сигнал U с фотоприемной линейки 6 поступает на АЦП 12. Результат измерения амплитуды сигнала с пикселей фотоприемной линейки 6 в виде цифрового кода U поступает на вход микроконтроллера 13.
9
Вычисляемые в режиме реального времени значения статического и полного давления позволяют вычислить все основные аэрометрические параметры. Для этого необходимо дополнительно ввести в микроконтроллер информацию о температуре воздуха и давление на уровне земли. Вычисленные в микроконтроллере значения аэрометрических параметров в виде сигнала U поступают на устройство регистрации аэрометрических давлений 14.
Максимальное количество световых пятен, используемых для повышения точности измерения смещения мембран, ограничено следующими требованиями:
- соседние световые пятна не должны накладываться друг на друга;
- перемещение шторки не должно приводить к выходу световых пятен за пределы фоточувствительной области фотоприемной линейки.
Фоточувствительная область современных фотоприемных линеек содержит 1000 и более пикселей. Если принять, что диапазон перемещения мембраны составляет половину длины фоточувствительной области, а изображение каждого светового пятна занимает около 20 пикселей, видим, что количество щелей в шторке (световых пятен) может достигать 20 и более.
Изобретение обеспечивает достижение следующих технических результатов:
1) применение шторок с n щелями позволяет сформировать на фотоприемной линейке n световых пятен, перемещающихся пропорционально изменению измеряемого давления. Благодаря этому за один период опроса фотоприемной линейки удается получить n независимых значений измеряемого давления и, усреднив результат, повысить точность измерения примерно в  раз;
2) отсутствие на шторках 7 и 8 дополнительных элементов (излучателей и фотоприемных линеек), улучшает динамические свойства датчика;
5
6
3) внешние механические воздействия на датчик могут привести к смещениям фотоприемных линеек 5 и 6 относительно шторок 7 и 8. В связи с тем, что фотоприемные линейки крепятся на общей стойке 4, подобные смещения будут приводить к синфазным изменениям в измеренных значениях статического и полного давления. Синхронный режим работы фотоприемных линеек (благодаря использованию общих управляющих сигналов U и U от микроконтроллера) позволяет обнаружить подобные синфазные составляющие в выходных сигналах и программно минимизировать их влияние на точность измерения давлений.
Изобретение осуществляется с использованием известных средств измерения и передачи электрических сигналов: аналого-цифровых преобразователей (АЦП), микроконтроллера и компьютера, выполняющего функцию устройства регистрации аэрометрических давлений.