Виды и принцип работы альтиметра

Рис. 1.3.  Внешний вид высотомера ВД-17

Рис. 1.1 Кинематическая схема высотомера ВД-17 1- анероидные коробки; 2,3- центры; 4 -  биметаллический валик  5, 6 – штифты 7, 8- тяги; 9-переходная  ось; 10-зубчатый сектор; 11 – биметаллическая  пластинка; 12, 13 - стойки; 14 - пружинный  противовес; 15 - пружина; 16 – регулировочный  винт; 17-25 - шестерни; 26 - волосок; 27, 28 - оси; 29, 30 - стрелки; 31 - коробок; 32 - шкала барометрического  давления; 33 - головка кремальеры.

При изменении высоты полета изменяется давление воздуха, окружающего  самолет. Изменение давления через  штуцер в корпусе передается во внутреннюю полость прибора, в результате чего происходит деформация коробок блока, вызывающая перемещение верхнего центра 2. Это перемещение посредством тяги 7 и шестерен передается на большую стрелку прибора 29 и при помощи шестеренчатого перебора - на малую стрелку 30.

Рис. 1.4. Кинематическая схема высотомера ВД-20

 

1,2- блок анероидных коробок; 3 - неподвижный центр блока коробок; 4 - подвижный центр блока коробок; 5, 25 - температурные компенсаторы; 6 - тяга; 7 - промежуточный валик; 8 - зубчатый  сектор; 9, 11, 14 - трибки; 10, 15, 16, 17-шестерни; 12-большая стрелка; 13 - внешняя шкала; 18 - малая стрелка; 19-кремальера; 20-шкала давлений; 21, 22 - индексы; 23 - подвижное основание; 24 - пружинный балансир оси 9, сектора 10

Большая стрелка прибора  показывает по шкале высоту полета самолета в метрах. Эта стрелка  делает полный оборот при изменении  высоты на 1000 м. Малая стрелка прибора показывает высоту полета в километрах. Она делает один полный оборот при изменении высоты на 10000м. При помощи кремальеры 33 в прибор можно вводить поправки на изменение барометрического давления. Погрешность прибора у земли ±20 м, а на высоте 17000м±300м.

Рассмотрим основные источники погрешностей барометрических высотомеров с металлическими чувствительными элементами, сравнивая их с высотомерами на базе кремниевых кристаллов. Барометрическим высотомерам с металлическими чувствительными элементами присущи инструментальные, аэродинамические и методические ошибки [9].

Инструментальные ошибки возникают вследствие несовершенства изготовления механизма высотомера, износа деталей и изменения упругих свойств чувствительного элемента. Они определяются в лабораторных условиях. По результатам лабораторной проверки составляются таблицы, в которых указываются значения инструментальных поправок для различных высот полета. В тоже время главные преимущества кремниевых датчиков по сравнению с аналогичными приборами на основе металлических мембран - это долговременная стабильность параметров. Однородный кристалл кремния является идеальным материалом для приема усилий благодаря своей сверх эластичности, не меняющейся даже при экстремальных нагрузках. Ему не свойственно по сравнению со стальными диафрагмами изменение формы после снятия усилия. Он либо сохраняет свою точную первоначальную геометрию, не зависимо от величины приложенного усилия, либо разрушается в случае предельно допустимой деформации [12]. 

Аэродинамические ошибки являются результатом неточного измерения атмосферного давления на высоте полета из-за искажения воздушного потока в месте его приема, особенно при полете на больших скоростях. Эти ошибки зависят от скорости полета, типа приемника воздушного давления и места его расположения. Этот вид ошибок не зависит от типа чувствительных элементов барометрического высотомера и ликвидируется различными конструкторскими решениями.

Методические ошибки обусловлены несовпадением фактического состояния атмосферы с данными, положенными в основу расчета шкалы высотомера: давление воздуха = 760 мм рт ст., температура = 15° С, температурный вертикальный градиент = 6,5° на 1000 м высоты.

Методические ошибки включают три составляющие. Первая – барометрическая  ошибка. В полете барометрический  высотомер измеряет высоту относительно того, уровня, давление которого установлено  на шкале. Он не учитывает изменение  давления по маршруту. Обычно атмосферное  давление в различных точках земной поверхности в один и тот же момент неодинаковое. Поэтому истинная высота будет изменяться в зависимости  от распределения атмосферного давления у Земли. При падении атмосферного давления по маршруту истинная высота будет увеличиваться, при повышении  давления - уменьшаться, т. е. возникает  барометрическая ошибка, обусловленная  непостоянством атмосферного давления у Земли. Ошибка Н_бар учитывается следующим образом: перед вылетом - установкой стрелок высотомера на нуль; перед посадкой - установкой на высотомере давления аэродрома посадки; при расчете высот - путем учета поправки на изменение атмосферного давления. В случае кремниевых датчиков давления установка на ноль и корректировка происходит автоматически.

Причиной второй составляющей методической ошибки Н_темп является несоответствие фактического распределения температуры воздуха с высотой стандартным значениям, принятым в расчете механизма высотомера. Температурная ошибка особенно опасна при полетах на малых высотах и в горных районах в холодное время года. В практике считают, что для малых высот каждые 3° отклонения фактической температуры воздуха от стандартной вызывают ошибку, равную 1% измеряемой высоты [9]. Обычно методическая температурная поправка учитывается с помощью навигационной линейки НЛ-10М или навигационного расчетчика НРК-2. Чувствительность, смещение (выходное напряжение при нулевом давлении на диафрагму) и диапазон выходных напряжений микромеханических датчиков давления сильно зависят от температуры, что привело к разработке термокомпенсированных приборов, причем термокомпенсация реализуется как приборно, так и алгоритмически. Так фирма Motorola для температурной компенсации использует напыленные вакуумным способом пленочные резисторы, которые подстраивают лазером для получения необходимых характеристик датчика давления. При этом в температурном диапазоне 0 - 80 °C погрешность измерения давления обеспечивается в пределах ±1% и ±2% в температурном диапазоне -50÷+125° С [12]. 

Третья составляющая - возникает  потому, что высотомер в продолжение  всего полета указывает высоту не над пролетаемой местностью, а  относительно уровня изобарической  поверхности, атмосферное давление которого установлено на приборе. Чем  разнообразнее рельеф пролетаемой  местности, тем больше будут расходиться  показания высотомера с истинной высотой.

Другим преимуществом  кремниевых сенсоров является более высокая чувствительность. Это параметр почти в сто раз выше, чем у классических тензопреобразователей с металлической диафрагмой, на которую напылен тензорезистивный слой. Третье преимущество - более высокая точность и линейность характеристики преобразования «давление-напряжение». Сцепление пьезорезисторов измерительного моста с кремниевой диафрагмой на молекулярном уровне позволяет исключить погрешности, связанные с передачей деформации.

Решающим же преимуществами полупроводниковых датчиков является компактность, невысокая стоимость (при серийном производстве), высокая надежность и простота эксплуатации.

Итак, электронный высотомер  на основе микромеханических датчиков давления (смотри рис. 4.5) по сравнению  с высотомерами на основе металлических  чувствительных элементов имеет  огромное количество преимуществ, в  том числе: устойчивость к вибрации и ударам, возможность автоматической установки на ноль, возможность автоматической корректировки, прямой интерфейс с  электронной системой навигации  [11].

Рис. 1.5. Кремниевый датчик давления компании Intersema

 

 

1.2.4 Теория барометрических высотомеров

 

Барометрический высотомер  представляет собой манометр абсолютного  давления.

Чувствительным элементом  прибора является анероид - мембранная коробка 1, из которой откачен воздух. Анероид помещен в герметичном  корпусе 2, который сообщается трубопроводом 3 с приемником статического давления 4, расположенным вне самолета.

Особенностью данной конструкции  является спаренный блок чувствительных элементов, состоящий из двух анероидов 1, каждый из которых через кривошипно-шатунную передачу 2 и зубчатый сектор 3 связан с общей трубкой 4. Полезные вращающие моменты секторов, обусловленные изменением давления, суммируются, а вредные моменты, вызванные влиянием неуравновешенных масс анероидов, взаимно компенсируются. Анероиды укреплены на плоских пружинящих пластинах 5, опирающихся на биметаллические стержни 6, выполняющие роль температурных компенсаторов 1-го рода. Температурные компенсаторы 2-го рода выполнены в виде биметаллических пластин 7, которые при изгибе изменяют плечо кривошипно-шатунной передачи.

Другой особенностью данной конструкции является поворотный мультипликатор 8, включенный между выходной осью блока чувствительных элементов и выходной осью прибора. Мультипликатор увеличивает угол поворота основной (длинной) стрелки на столько, что она делает один оборот на каждые 1000 м. Дополнительный зубчатый редуктор приводит в движение еще две стрелки - вторую (короткую), делающую один оборот на 10 000 м и третью (индекс), один оборот которой составляет 100 000 м. Кроме того, мультипликатор связан зубчатой передачей с кремальерой 9 и шкалой 10 барометрического давления, наблюдаемой через окошко на циферблате 11. При вращении кремальеры поворачивается корпус 8 мультипликатора, благодаря чему осуществляется перевод стрелок и одновременно поворот шкалы барометрического давления. Стрелки прибора подходят к нулю, когда измеряемое давление становится равным давлению, которое выставлено на шкале барометрического давления.

Высотомер снабжен задатчиком высоты, выполненным в виде треугольного индекса, который можно передвигать с помощью ручки 12, расположенной за кремальерой 9. Наряду с высотомерами, индицирующими высоту полета, существуют датчики высоты, основанные на том же принципе и снабженные преобразователем, выдающим электрическое напряжение, зависящее от высоты полета.

1.3 Устройство и принцип работы датчика давления

1.3.1 Базовый корпус, кристалл

Рассмотрим подробнее  устройство и принцип работы датчиков давления. Кремниевые датчики  давления фирмы Motorola изготавливают двух видов: дифференциальные и абсолютные. Базовые корпуса датчиков абсолютного и дифференциального давлений идентичны (смотри рис. 1.12).

Рис. 1.12. Поперечные сечения базовых корпусов датчика абсолютного давления и дифференциального/относительного давления

Рассмотрим устройство базового корпуса подробнее (смотри рис. 4.13).

Рис. 1.13. Поперечные сечения базового корпуса датчика дифференциального давления

Основным элементом датчика  давления является кристалл, на котором расположена кремниевая диафрагма с чувствительным элементом - имплантированной тензорезистивной цепочкой - X-ducer. Разница между кристаллами датчиков дифференциального и абсолютного давления заключается в том, что у последнего нет отверстия в нижней - герметизирующей кремниевой пластине и полость, сформированная углублением, вытравленным в верхней пластине, и нижней пластиной содержит вакуум – опорное давление (смотри рис. 1.14). Кремниевый гель изолирует поверхность кристалла и соединительные проводники от повреждения твердыми частицами, которые могут оказаться в среде, передающей давление на диафрагму.

Рис. 1.14. Кристалл датчика абсолютного давления

Кристалл датчика давления серии МРХ расположен на кремниевом кристаллодержателе, который приклеен к корпусу датчика. Внутренняя полость заполнена кремнийорганической жидкостью - компаундом. Пластмассовый корпус закрыт крышкой из нержавеющей стали. В корпус впресованы внешние выводы, которые с помощью золотых проволочек соединяются с рамкой выводов 1-4 кристалла датчика давления.

1.3.2 Чувствительный элемент датчика X-ducer

1.3.2 Конструкция и физическая основа функционирования

Функционирование чувствительного  элемента микромеханического датчика  давления основывается на тензорезистивном эффекте.

Определение: Тензорезистивный эффект - изменение удельного электросопротивления твёрдого проводника (металла, полупроводника) в результате его деформации. Величина относительного изменения компонент тензора электросопротивления связана с тензором деформации через тензор четвёртого ранга : .

Определение: На практике пользуются понятием тензочувствительности , где  — относительное изменение длины образца под действием приложенной нагрузки в определённом направлении,  — относительное изменение удельного электросопротивления вдоль этого направления. В металлах порядка единицы, в полупроводниках (например, в Ge и Si) в десятки и сотни раз больше.

Тензорезистивный эффект связан с изменением межатомных расстояний при деформации, что влечёт за собой изменение структуры энергетических зон кристалла. Последнее обусловливает изменение концентрации носителей тока (электронов проводимости, дырок), их эффективной массы, перераспределение их между энергетическими максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне. Кроме того, деформация влияет на процессы рассеяния носителей (появление новых дефектов, изменение фононного спектра). Тензорезистивный эффект применяется в тензодатчиках сопротивлений, служащих для измерения деформаций.

Почти все фирмы, производящие датчики давления строят первичный преобразователь «давление-напряжение» по традиционной схеме моста Уинстона, имеющей несколько недостатков:

• схема   имеет 4 подбираемых резистора;
• необходима их подстройка ucer;
• необходимы сложные схемы температурной компенсации.