УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА

Полезная модель относится к температурным измерениям и предназначено для использования в информационных комплексах высотно-скоростных параметров и системах регулирования двигателя самолета.
Известно устройство (№1508718) для измерения температуры торможения воздуха при полете самолета, которое содержит датчик статического давления воздуха, датчик числа М полета, датчик местного угла атаки, датчик температуры торможения воздуха и потребители информации. Устройство также имеет: четыре усилителя, три вычитателя, три умножителя, два сумматора, сглаживающий фильтр, состоящий из последовательно включенных вычитателя, усилителя и интегратора, четыре функциональных преобразователя и источник опорных напряжений, выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего вычитателей. При этом выходы датчика давления воздуха и датчика числа М полета, через первый и второй функциональные преобразователи соответственно, соединены с входами первого сумматора, выход которого через последовательно соединенные первый усилитель и третий функциональный преобразователь подключен к первому входу первого умножителя, второй вход которого соединен с выходом второго вычитателя. Выход датчика местного угла атаки через второй усилитель подключен ко второму входу первого вычитателя, выход которого через последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь и третий усилитель подключен ко второму входу второго вычитателя, а выход датчика температуры торможения воздуха соединен с первыми входами второго и третьего умножителей, вторые входы которых подключены соответственно ко второму входу третьего вычитателя, соединенному через усилитель с выходом первого умножителя и выходу третьего вычитателя. Причем, выход третьего умножителя соединен через сглаживающий фильтр с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго умножителя, а выход соединен с потребителями информации.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения.
Задачей полезной модели является повышении точности измерения температуры наружного воздуха.
Достигается это путем компенсации динамической и флюктуационной погрешностей датчика.
На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения температуры наружного воздуха на высоте полета самолета.
Устройство содержит датчик 1 числа М полета, потребители информации 2, датчик 3 температуры торможения воздуха, функциональный преобразователь 4, первый делитель 5, аналоге - цифровой преобразователь 6, первый блок вычитания 7, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 умножители, постоянное запоминающее устройство 12 (ПЗУ), первый сумматор 13, первый элемент задержки 14, второй сумматор 15, второй блок вычитания 16, первый усилитель 17, второй делитель 18, третий сумматор 19, второй элемент задержки 20, четвертый сумматор 21, пятый сумматор 22, третий элемент задержки 23, шестой сумматор 24, пятый умножитель 25, второй усилитель 26, четвертый элемент задержки 27, датчик 28 вертикальной скорости, седьмой сумматор 29 и пятый элемент задержки 30.
Структурная схема устройства построена на следующем принципе. На выходе делителя 5 формируется сигнал температуры наружного воздуха , связанный с сигналом температуры торможения воздуха  на выходе датчика температуры торможения, зависимостью:
где N=const - коэффициент качества приемника датчика температуры торможения воздуха;
2
N·(l+0,2M) - зависимость, решаемая функциональным преобразователем датчика температуры наружного воздуха по сигналам датчика числа М полета.
Д
Ф
Сигнал  содержит динамическую ΔТ и флюктуационную ΔТ погрешности, т.е.
H
где T - истинное значение температуры наружного воздуха.
Для их компенсации в устройстве осуществляется фильтрация по теореме Калмана, в дискретном виде описываемая уравнениями
где ; ;
где  и  - оценки истинной (выходной сигнал устройства) и запаздывающей температур воздуха;
- прогноз запаздывающей температуры воздуха;
- сигнал датчика температуры воздуха;
- сигнал датчика вертикальной скорости;
и β - оценка истинного и стандартного значения градиента температуры воздуха по высоте;
0
и ε - оценка истинного и начального значения постоянных времени запаздывания датчика температуры воздуха;
и  - оценки отклонений истинных значений соответствующих параметров от начальных значений;
i - номер цикла вычислений;
Т - дискретность вычислений (с).
1
4
Коэффициенты K-K устройства определяются по результатам моделирования и аппроксимируются зависимостями вида
где , ,  - константы;
i
M - текущее значение числа М полета, поступающее от датчика числа М.
Устройство работает следующим образом.
2
Сигнал датчика числа М полета 1 подается на функциональный преобразователь 4, на выходе которого формируется сигнал функциональной зависимости N·(1+0,2M), поступающий на второй вход делителя 5, на первый вход которого подается сигнал  датчика 3 температуры торможения воздуха.
На выходе делителя 5 формируется сигнал датчика температуры наружного воздуха  как отношения , поступающий через аналого-цифровой преобразователь 6 на первый вход первого блока вычитания 7, на второй вход которого с выхода второго сумматора 15 подается сигнал прогноза запаздывающей температуры , . На выходе блока вычитания 7 формируется сигнал , содержащий только флюктуационную составляющую погрешности датчика
3i
4i
2i
1i
Этот сигнал поступает на первые входы умножителей: первого 8, второго 9, третьего 10 и четвертого 11, на вторые входы которых с выхода постоянного запоминающего устройства 12, управляемого по сигналам датчика числа М полета, подаются сигналы, пропорциональные соответственно коэффициентам K, K, K и K.
Указанные коэффициенты подбираются таким образом, чтобы формируемые устройством выходной сигнал  и внутренние сигналы ,  и  не содержали флюктуационной погрешности, чтобы в цепях формирования указанных параметров, представляющих собой электрические фильтры, проходили полезные сигналы, а высокочастотные флюктуационные погрешности подавлялись в точках формирования параметров:
на выходе второго сумматора 15 (прогноз );
на выходе четвертого сумматора 21 (постоянная времени );
на выходе шестого сумматора 24 (градиент );
на выходе седьмого сумматора 29 (выходной сигнал )
3i
С выхода первого умножителя 8 сигнал K поступает на первый вход первого сумматора 13, на второй вход которого подается с выхода второго сумматора 15 сигнал прогноза запаздывающей температуры .
На выходе сумматора 13 формируется сигнал оценки запаздывающей температуры , который подается на первый элемент задержки 14, с выхода которого задержанный на такт вычислений сигнал оценки запаздывающей температуры  поступает на первые входы второго сумматора 15 и второго блока вычитания 16, на второй вход которого с выхода пятого элемента задержки 31 подается задержанный на такт вычислений сигнал оценки температуры наружного воздуха . Разностный сигнал задержанных значений оценок истинной и запаздывающих температур  через первый усилитель 17 с коэффициентом усиления Т подается на первый вход второго делителя 18.
0
На второй вход делителя 18 с выхода четвертого сумматора 21 подается задержанный на такт вычислений сигнал оценки постоянной времени  датчика 3 температуры воздуха, сформированный на входе сумматора 21 как сумма начального значения ε, поступающего с пятого выхода ПЗУ 12 и задержанной оценки  приращения постоянной времени с выхода второго элемента задержки 20, связанного своим входом с выходом третьего сумматора 19. На входе третьего сумматора 19 формируется оценка приращения постоянной времени  как сумма задержанного сигнала  с выхода второго элемента задержки 20 и произведения невязки на коэффициент  с выхода второго умножителя 9.
С выхода второго делителя 18 сигнал отношения разности задержанных оценок температур к задержанному значению постоянной времени  подается на второй вход сумматора 15, на выходе которого формируется сигнал прогноза запаздывающей температуры .
y
0
Сигнал V датчика 28 вертикальной скорости через четвертый элемент задержки 27 и второй усилитель 26 с коэффициентом усиления "1" поступает на второй вход пятого умножителя 25, на первый вход которого с выхода шестого сумматора 24 подается сигнал задержанного значения оценки температурного градиента воздуха по высоте , сформированный на его входе как сумма стандартного значения градиента β, поступающего с шестого выхода ПЗУ 12 и оценки задержанного значения  приращения градиента с выхода третьего элемента задержки 23, связанного своим входом с выходом пятого сумматора 22, на входе которого формируется оценка приращения градиента  как сумма сигналов:  - с выхода третьего элемента задержки 23 и сигнала  в выхода третьего умножителя 10.
На выходе пятого умножителя 25 формируется сигнал приращения температуры воздуха , за счет приращения высоты  за один цикл Т работы устройства, поступающий на второй вход седьмого сумматора 29, на первый вход которого с выхода четвертого умножителя 11 подается сигнал , а на выходе формируется сигнал оценки температуры наружного воздуха , поступающий на потребители информации 2 и через пятый элемент задержки 30 - на третий вход сумматора 29 и на второй вход второго блока вычитания 16.
y
Основным управляющим сигналом в данном устройстве является сигнал вертикальной скорости V, формирующий сигнал температуры наружного воздуха в виде суммы
,
а сигнал  - датчика температуры наружного воздуха корректирует эту зависимость с помощью сигнала .
При равенстве истинного значения температуры и его оценки  сигнал  содержит только флюктуационную составляющую погрешности , так как разность динамической погрешности и ее оценки равна нулю
Если температуры не равны , то не равна нулю и разность  и в цепи формирования параметров , ,  и  будут поступать корректирующие сигналы , где j=1,4 до тех пор, пока не будет выполняться равенство .
С помощью данного устройства на 20-30% повышается точность измерения температуры наружного воздуха.