Друзья, всем привет. В данной статье я поведаю о том, как студент может спроектировать и изготовить устройство для проверки аэрометрических приборов. Да, да, речь пойдёт о дипломном проекте, сданном мной в далёком 2010.
В понятие «авиационные приборы» включают различные группы приборов, важнейшими из которых являются пилотажно-навигационные, а также приборы контроля работы силовой установки и других систем самолета. Пилотажно-навигационные приборы, в свою очередь, включают в себя аэрометрические приборы, пилотажные гироскопические приборы, навигационные устройства и системы. В процессе своего развития и совершенствования курсовые и навигационные системы выделились в отдельный класс авиационных приборов и измерительных систем. Показания аэрометрических, пилотажных гироскопических приборов, приборов контроля работы силовых установок непосредственно влияют на безопасность полетов. К ним предъявляются особые требования по надежности выдачи информации в аварийных условиях.
Механические аэрометрические приборы являются полностью автономными, так как для их работы не требуется дополнительного питания, именно для определения погрешностей измерения таких приборов и был спроектирован и изготовлен тестер аэрометрических приборов.
Назначение тестера
Цифровой тестер предназначен для проверки следующих аэрометрических приборов:
баровысотомеров;
указателей приборной скорости;
указателей числа Маха;
вариометров.
Немного о датчиках
Приборы, предназначенные для измерения давления называются манометрами. По назначению авиационные манометры делят на манометры, измеряющие абсолютное давление, разность давлений (дифференциальные) и отношение двух давлений.
Дифференциальные манометры – прибор для измерения перепада давлений. Применяется также для измерения уровня жидкостей или их расхода.
Манометры абсолютного давления (моновакууметры) (от греческого слова manos — редкий, неплотный, разрежённый) — прибор, измеряющий давление жидкости или газа, применяются для измерения давления во всасывающих системах.
Манометры отношения давлений служат для контроля степени сжатия газов в различных ступенях газотурбинных двигателей и др.
На рынке встречается много различных датчиков давления с различными характеристиками. Мой выбор пал на пьезорезонансные датчики производства Freescale. Датчики будут использоваться двух типов: для измерения абсолютного давления (двух диапазонов для вакуума и избыточного давления) и датчик для измерения дифференциального давления (разность).
![Датчики и их кратуие характеристики Датчики и их кратуие характеристики](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/013/144/69b/01314469baf17782c9408b7bed581aec.png)
Разрешающая способность полупроводниковых датчиков давления не отмечена в спецификациях фирм-производителей (Motorola, Honeywell). Считается, что ограничение на разрешающую способность накладывается только электроникой.
Структурная схема
![ПК – персональный компьютер с установленным на него программным обеспечением. ДД – датчики давления, ПС – плата сопряжения, служит для приёма сигналов с датчиков давления, передачи их в ПК, а также приём данных с ПК и управление сервомеханизмами. Сервомеханизмы служат для открытия или закрытия клапанов, которые, в свою очередь, изменяют давление. ПК – персональный компьютер с установленным на него программным обеспечением. ДД – датчики давления, ПС – плата сопряжения, служит для приёма сигналов с датчиков давления, передачи их в ПК, а также приём данных с ПК и управление сервомеханизмами. Сервомеханизмы служат для открытия или закрытия клапанов, которые, в свою очередь, изменяют давление.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/8e2/807/284/8e2807284748bae4c4788cd8c66ddb0c.png)
На специальное программное обеспечение через плату сопряжения с датчиков давлени поступает информация как было бы ни странно, но о давлении, шок ! Программа пересчитывает это давление в зависимости от целоевого давления и формирует управляющий сигнал для открытия или закрытия клапана. Цикл повторяется.
Функциональная схема
На функциональной схеме показаны основные блоки и взаимосвязи между ними.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c9b/253/70e/c9b25370ea882ad6022f8fccd5882a13.png)
Плата сопряжения
Плата сопряжения служит для приёма данных с датчиков давления, отправки управляющих сигналов на сервоприводы, а также обеспечивает двустороннюю связь с ПК.
Выход с датчиков – аналоговый сигнал 0-5В, следовательно, сначала его необходимо «оцифровать». Для этого нужен аналогово – цифровой преобразователь (АЦП). В данной плате АЦП (10 бит) реализован программно на базе микроконтроллера PIC16F873A. Помимо приёма данных с датчиков микроконтроллер передаёт оцифрованный сигнал на ADM232. С платой сопряжения помог мой друг.
Текст прошивки для PIC16F873A, принимающей данные с датчиков и её толкование:
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d6e/b3c/f83/d6eb3cf8381316be201ee86518dc0ddb.png)
Сервопривод управляется импульсами с периодом 20 мс и длительностью от 0,8 до 2,2 мс (два крайних положения). Помимо управления сервоприводами микроконтроллер принимает данные с СОМ-порта через микросхему ADM232.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3d7/3c6/a19/3d73c6a19862e61f16a21a00e519b1c1.png)
Длительность импульса определяется минимально возможной длительностью для данной частоты генератора (в нашем случае при частоте 4 МГц это 10 мкс).
Обе прошивки пишутся в программе Pic Basic. После написания они компилируются, создаётся так называемый HEX-файл. Он есть ничто иное, как прошивка в шестнадцатеричном коде.
После этого микроконтроллер устанавливается в кроватку программатора (если нет специального вывода на плате), программатор подключается к COM-порту ПК. Запускаем программу IC-PROG, в ней открываем созданный HEX-файл, выбираем тип контроллера и нажимаем «программировать микросхему». Спустя 30-50 сек запись программы закончится.
![Принципиальная схема платы Принципиальная схема платы](https://habrastorage.org/getpro/habr/conversation/805/444/542/805444542021dedf9297350c671a44f0.jpg)
![Фото готовой платы Фото готовой платы](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/76b/8a8/ba6/76b8a8ba6e293080e7f40709a4b387fa.png)
![С обратной стороны С обратной стороны](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c87/7a9/8ce/c877a98cedf623a7569e1e41bc362f45.png)
Плата датчиков давления
Датчики давления можно было бы закрепить и на плате сопряжения, но в таком случае плата стала бы сложнее, возник бы вопрос с размещением платы и поиском ошибок. Опыта же нет) Поэтому, для датчиков создана своя отдельная плата, которая подключается к плате сопряжения посредством шлейфа. Схемы подключения датчиков надо брать из Datasheet по конкретному датчику.
![Принципиальная схема датчиков давления Принципиальная схема датчиков давления](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/caf/ee3/8ed/cafee38ed2fb72b3d45167df9884e00a.png)
![Готовая плата Готовая плата](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/1a2/05b/c12/1a205bc12109c165eab6a96c8d971a8b.png)
Распределитель давлений и общая компоновка
В основе распределителя давлений лежат стандартные воздушные (аквариумные) краны и рулевые машинки марки Hitec HS-311. Распределитель выполнен на жёсткой плате, на которой закреплено 6 рулевых машинок и колодка, в которую зажато 6 кранов. В стандартном исполнении плечо у ручки крана составляло 20 мм, возникла необходимость увеличить до 55 мм. Для этого использованы удлинители. В итоге получили: плечо у рулевой машинки 8 мм, у крана 55 мм.
![Вид на распределитель сверху Вид на распределитель сверху](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/495/c4b/a54/495c4ba54647a60eaf513204110c4176.png)
![Вид на распределитель справа Вид на распределитель справа](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/447/07f/a84/44707fa848c70686f1f8e68c0b5c764c.png)
Потом всё устанавливается в ящик, получается что-то такое.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0f7/a3e/069/0f7a3e069ecd428a2e66ce5b3c739e8c.png)
Расчётная часть
Напряжение на выходе с преобразователя (L7805CV) V=5,05 В. Разрядность аналого-цифрового преобразователя составляет n=10 бит (дискретность 1024). Определим дискретность по измеряемому напряжению по формуле:
![где V – напряжение источника, n – дискретность АЦП. где V – напряжение источника, n – дискретность АЦП.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f0f/f7d/104/f0ff7d10401222438859ecb46eca9921.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/afa/130/d1f/afa130d1fb097171de074ab763756fd6.png)
Передаточная функция датчиков давления (MPX4115A) имеет вид:
![где PE (Pressure Error) – ошибка датчика давления (1,5 кПа), TF (Temp. Factor) – ошибка, вызванная температурой (в диапазоне 0 до 85 оС коэффициент TF равен 1), Vout – напряжение на выходе датчика, V – напряжение источника, P – измеряемое давление. где PE (Pressure Error) – ошибка датчика давления (1,5 кПа), TF (Temp. Factor) – ошибка, вызванная температурой (в диапазоне 0 до 85 оС коэффициент TF равен 1), Vout – напряжение на выходе датчика, V – напряжение источника, P – измеряемое давление.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/12a/729/a99/12a729a99914a5063fb1adb96cd06fdc.png)
С другой стороны,
![, где N – число переданное с АЦП. Т.к. нам интересна обратная задача, то преобразуем передаточную функцию датчика MPX4115A (коэффициент TF опустим): , где N – число переданное с АЦП. Т.к. нам интересна обратная задача, то преобразуем передаточную функцию датчика MPX4115A (коэффициент TF опустим):](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/dd7/02d/207/dd702d20793e2b51bc43d9d8031c5dae.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6a0/eb2/fc4/6a0eb2fc4a7ff714cd1a2465718b13b9.png)
Потому, как, для измерения высоты, например, используется изменение давления, то ошибку PE можно не брать в расчёт.
В программу Esato (я так назвал программу) посредством интерфейса RS232 передаются значения напряжений с выходов датчиков. Поэтому, их необходимо преобразовать в вид, понятный человеку (в давление с размерностью).
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/abc/fba/4d4/abcfba4d435035bebd83fd89e006c9b7.png)
заметим, что
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/0be/42c/18a/0be42c18a30f8f2b5ff5d4055ad51026.png)
тогда получим
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b92/c8d/572/b92c8d572740bffc88091fc192fd12c7.png)
очевидно, что показание давления не зависят от напряжения источника питания. Аналогично получим формулу для расчёта давления для датчика MPX4250A и MPX5100DP.
Для MPX4250A:
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6e5/16b/dc0/6e516bdc0947a45e4f0d8453836d2dd3.png)
Для MPX5100DP:
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a42/814/6c4/a428146c45e0c6f06ce44ed2cd82bc00.png)
Баровысотомер (проверяемый прибор, имеется в виду) оттарирован по параметрам стандартной атмосферы. Для того чтобы можно было задавать значения высоты вне зависимости от сетки стандартной модели атмосферы необходимо получить формульное выражение зависимостей. Для этого в Excel построим график по точкам из таблицы, нарисуем линию тренда и получим формульное выражение для этой линии.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/476/ff3/d50/476ff3d5083d0ea16056e08012736d34.png)
![График стандартной атмосферы. R2 – достоверность аппроксимации, y – высота (м), x – давление (кПа), у – высота, м. График стандартной атмосферы. R2 – достоверность аппроксимации, y – высота (м), x – давление (кПа), у – высота, м.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/94c/11b/a9b/94c11ba9b8c0bbc51d1cde20f2d2858f.png)
Для определения скорости одной формулы недостаточно, вследствие сжимаемости воздуха. Поэтому, для расчёта будут использоваться две формулы, на два диапазона скоростей: от 0 до скорости звука, свыше скорости звука. (вообще, надо на три диапазона делить, т.к. влияние сжимаемости проявляется уже 400 км/ч).
Для скорости от 0 до скорости звука:
![где V – скорость полёта, – плотность воздуха (1,215 кг/м3). где V – скорость полёта, – плотность воздуха (1,215 кг/м3).](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/38d/469/7c4/38d4697c482a651d77ddc751d83be614.png)
Для скорости, превышающей скорость звука:
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/7aa/bf3/ed2/7aabf3ed2fbad056dc4377d238ea1d26.png)
Формула для вычисления числа маха:
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4c3/6b9/667/4c36b9667ee3b8ad97feee45ace8d879.png)
Конец первой части.
Во второй части я расскажу о том, как я разрабатывал программное обеспечение на LabView. Этот этот язык программирования выбрал , потому как у него, как мне показалось, малый порог вхождения. Также покажу как работает установка, как происходит проверка приборов.
REPISOT
Судя по фото, из-за гнутых тяг силы приложены не в плоскости вращения рычага сервопривода, что не есть хорошо.
Sergiv Автор
Да, согласен. Но, с другой стороны, усилие, которое необходимо для того, чтобы сдвинуть кран крайне мало (плечо большое на кране и момент "никакой")