ДАТЧИК СТАТИЧЕСКОГО И ПОЛНОГО ДАВЛЕНИЙ
STATIC AND FULL 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.
Известно устройство (а.с. №643763, Бюл. №3, 1979 г.). Предлагаемые мембранные коробки используются в приборах, которые подвержены односторонним перегрузкам внешним давлением. К недостаткам предлагаемых мембранных коробок следует отнести то обстоятельство, что точность измерения нелинейно изменяющегося давления (статического или полного, в результате полета воздушного судна, давлений) определяется точностью лишь одной мембраны, т.к. другая - играет роль лишь ограничителя перемещений.
Известно также устройство (а.с. №1370466, Бюл. №4, 1988 г.). В устройстве две, жестко соединенные по контуру мембраны, образуют замкнутую полость. Здесь также практически не возможно повысить точность измерения нелинейно изменяющегося давления, т.к. мембраны работают одновременно, как один упругий элемент.
В частотных преобразователях давления [Авиационные приборы и пилотажно-навигационные комплексы: учебное пособие в 2 ч. / сост. Е.В. Антонец, В.И. Смирнов, Г.А. Федосеева. - Ч. 1. - Ульяновск: УВАУ ГА, 2007. - 119 с.], получивших в настоящее время наибольшее распространение, изменение измеряемого давления (или разности давлений) вызывает изменение частоты колебаний чувствительного элемента (ЧЭ), в качестве которых используются натянутая струна, тонкостенный цилиндрический резонатор и тому подобные элементы. Изменение частоты колебаний ЧЭ приводит к изменению частоты выходного сигнала преобразователя. Однако, частотный датчик имеет равную чувствительность во всем диапазоне измерения давления, что, при нелинейном характере изменения давления, существенно влияет на точность измерений.
Известен барометрический высотомер (патент РФ №1426187, Бюл №16, 2005 г.), содержащий последовательно соединенные преобразователь давления в частоту импульсов тока, формирователь интервала счета, двоичный многоразрядный счетчик со входами предварительной установки и выходной регистр, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя интервала счета, генератор опорной частоты и схему И, первый и второй вход которой соединен соответственно с выходами генератора опорной частоты и формирователя интервала счета. Известно также устройство для измерения вертикальной скорости и высоты полета (патент №1292447 РФ, Бюл №16, 2005 г.).
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.
Прототипом предлагаемого датчика может служить датчик аэрометрических давлений (патент РФ №2684683, Бюл. №11, 2019 г.), использующий двухступенчатые упругие чувствительные элементы и оптический метод преобразования деформации, содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней основными мембранами, источник излучения, закрепленный на стойке, и две шторки с прорезями, закрепленные на той же стойке, а также две оптические линейки, отличающееся тем, что в геометрических центрах верхней и нижней основных мембран содержатся отверстия, которые с внешних сторон мембран, по отношению к зазору, перекрываются дополнительными верхней и нижней мембранами, герметично по периметру прикрепленными к внешним сторонам основных мембран, при этом оптические линейки прикреплены соответственно к верхней и нижней дополнительным мембранам и обращены к соответствующим прорезям шторок.
Недостатком данного устройства является то обстоятельство, что в нем дополнительные верхняя и нижняя мембраны, герметично по периметру прикреплены к внешним сторонам основных мембран. Это обстоятельство существенно влияет на параметры упругих характеристик основных мембран, т.к. разрушается структура материала по линии соединения мембран и, соответственно, снижается точность измерений давлений. Кроме того, значительно усложняется технологический процесс изготовления мембранных коробок.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание датчика статического и полного давлений.
Технический результат - повышение чувствительности и точности измерения давления и по высоте, и по скорости полета воздушного судна. Указанный технический результат достигается с тем, что в датчик давлений содержащий корпус, который имеет два отверстия, сообщающиеся с измеряемой средой и внутри которого размещен анероидный чувствительный элемент, образованный верхней и нижней основными мембранами, в геометрических (жестких) центрах которых выполнены отверстия, источник излучения, установленный на стойке, и две шторки с прорезями, а также две оптические линейки, имеющие активные поверхности, при этом в конструкцию датчика дополнительно введены: две стойки, источник излучения, установленный на стойке, а также верхняя и нижняя манометрические коробки, которые герметично по периметру жестких центров, имеющих отверстия, прикреплены к внутренним сторонам, по отношению к зазору, жестких центров основных мембран, при этом отверстия основных мембран и дополнительных манометрических коробок совпадают, шторки с прорезями прикреплены к внешним сторонам жестких центров без отверстий соответственно верхней и нижней манометрических коробок, причем стойки имеющегося и дополнительного источников излучения, а также две дополнительные стойки, на которых установлены две оптические линейки, прикреплены к корпусу датчика с возможностью прохождения световых потоков источников излучения через прорези в шторках на активные поверхности оптических линеек.
Сущность изобретения поясняется схемой устройства представленного на чертеже. Устройство содержит корпус 1 с двумя отверстиями, соответственно для измерения статического (Рст) и полного (Рполн) давлений. Мембраны 2 и 3 упругого чувствительного элемента (анероидной коробки) разнесены по высоте, образуя зазор, из которого выкачан воздух, и герметично по периметру прикреплены к корпусу 1. В геометрических (жестких) центрах мембран 2 и 3 выполнены отверстия, которые с внутренних сторон мембран, по отношению к зазору, совпадают с отверстиями дополнительных верхней 4 и нижней 5 манометрических коробок, герметично по периметру жестких центров, имеющих отверстия, прикрепленных к внутренним сторонам жестких центров основных мембран. Дополнительные манометрические коробки имеют меньшую, по сравнению с мембранами, жесткость, а, следовательно, большую чувствительность.
Внутри безвоздушного зазора к стойкам 6 и 7 прикреплены две оптические линейки 8 и 9. Два источника излучений 10 и 11 установлены на стойках, соответственно 12 и 13. К внешним сторонам жестких центров, без отверстий, дополнительных мембранных коробок 4 и 5, прикреплены шторки 14 и 15 с прорезями соответственно 16 и 17. Световые потоки от источников излучения, проходя через соответствующие прорези шторок, попадают на активные поверхности оптических линеек.
Работа датчика осуществляется следующим образом. В исходном состоянии основные мембраны 2 и 3 и дополнительные мембранные коробки 4 и 5 упругих чувствительных элементов занимают определенное положение. Оптическая энергия от источников излучения 10 и 11 через прорези 16 и 17 шторок 14 и 15 попадает в виде оптических пятен на активные поверхности оптических линеек 8 и 9.
В оптических линейках отдельные фоточувствительные элементы (пиксели) расположены вдоль одной координаты. Принцип работы данных устройств заключается в формировании внутри каждого пикселя электрического сигнала, пропорционального поглощенной им оптической энергии. Достигается это благодаря фоточувствительному р-n переходу (как и в обычном фотодиоде), через который происходит разряд конденсатора оптического элемента. Чем больше будет оптическая мощность светового пятна, попадающего на пиксель, тем больше будет ток фотодиода и, следовательно, тем быстрее будет разряжаться конденсатор. В конце цикла измерения происходит считывание остаточного заряда конденсаторов пикселей.
При изменении статического (Рст) и (или) полного (Рполн) давлений мембраны 2, 3, а также манометрические коробки 4 и 5 деформируются, при этом шторки 14 и 15, прикрепленные к мембранным коробкам, смещаются, вызывая перемещения оптических пятен, сформированных источниками излучения и прорезями шторок, по активным поверхностям оптических линеек.
Суммарное перемещение мембранных коробок, имеющих максимально высокую чувствительность, и основных мембран, имеющих относительно низкую чувствительность, позволяет с заданной точностью осуществить измерение давления при нелинейном характере его изменения. При последовательном опросе пикселей на выходе оптических многоэлементных устройств будет формироваться электрический сигнал, у которого изменение амплитуды во времени отображает распределение оптической мощности в пространстве оптического устройства. Иными словами, на выходе оптических устройств будут формироваться цифровые сигналы пропорциональные соответственно статическому и полному давлениям.
Предлагаемое устройство, обладая всеми достоинствами прототипа, за счет введения манометрических коробок позволяет значительно повысить точность измерения нелинейно изменяющегося давления (статического и полного) во всем диапазоне его измерения. Предлагаемый датчик имеет высокую устойчивость к вибрациям. Кроме того, крепление манометрических коробок к упругим мембранам осуществляется по жестким центрам, при этом их упругие характеристики практически не меняются, а технологический процесс крепления значительно упрощается.
Для расчета аэрометрических параметров: относительной барометрической высоты, приборной скорости, истинной воздушной скорости, вертикальной скорости, отклонения от заданной высоты и числа Маха - в вычислитель непрерывно должна поступать следующая информация: Рст - статическое давление, Рполн - полное давление, Ро - давление, относительно которого измеряется высота (выставляется вручную), Тт - температура заторможенного набегающего воздушного потока. Очевидно, что предлагаемый датчик давления совместно с датчиком температуры, позволяет определить все перечисленные аэрометрические параметры.