Методы измерения параметров в авиации

Первой основной задачей на начальной стадии проектирования (разработки) того или иного прибора авионики является вопрос выбора метода измерения подлежащего контролю параметра. В настоящее время для этих целей используются две основных группы методов.

1. Методы, при использовании которых измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в соответствующее изменение параметров электрических цепей, питаемых внешним источником э.д.с. При этом сигналы, получаемые от измеряемого объекта, служат только для управления энергией постороннего источника, включенного в электрическую цепь. Так как в данном случае основным является изменение параметров электрических цепей под действием сигнала от измеряемого объекта, то эти методы и соответственно датчики, производящие измерения с использованием этого метода, называются параметрическими.

К параметрическим методам относятся методы, основанные на изменении

сопротивления, емкости и индуктивности электрических цепей.

 

 

2. Методы, при использовании которых сигналы, получаемые от измеряемого

объекта, непосредственно преобразуются в электрические сигналы. При этом желаемый эффект преобразования может быть получен без использования посторонних источников э.д.с. Здесь основным является непосредственное преобразование сигналов различных видов в электрические сигналы (генерирование электрической энергии), поэтому они и соответственно датчики, производящие измерения с использованием этого метода,

называются генераторными.

К генераторным методам относятся электромагнитный, термоэлектрический,

пьезоэлектрический и другие методы.

 

В авиации применяются следующие методы измерения физических параметров:

- методы сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления резисторов от различных неэлектрических величин (температуры окружающей среды, давления, от деформации, длины резистора и т.д.). Используется датчиками температуры;

- емкостной метод, в основу которого положена известная зависимость емкости от диэлектрической постоянной диэлектрика, расстояния между электродами и эффективной

площадью электродов. Используется датчиками топливомера;

- индуктивный метод, в основу которого положено свойство катушки проводов изменять свое реактивное (индуктивное) сопротивление при изменении некоторых ее параметров, определяющих величину индуктивности, а именно – числа витков проводов

катушки, величины и площади воздушного зазора, длины средней линии и площади сечения сердечника, магнитной проницаемости воздуха и материала сердечника.

 

Используется датчиками давления и сигнализаторами топливомеров;

- магнитострикционный метод, основанный на использовании явлении

магнитострикции – изменения формы и размеров тела при намагничивании;

- фотоэлектрический метод, где используются различные электрические эффекты, возникающие при освещении некоторых материалов световыми лучами;

- ионизационный метод, основанный на использовании явления протекания

электрического тока через ионизированный газ. Используется датчиками

противопожарных систем;

- электрохимический метод, основанный на электрохимическом преобразовании неэлектрической величины в электрический сигнал;

- электромагнитный метод, основанный на прямом использовании закона

электромагнитной индукции. Используется датчиками оборотов;

- термоэлектрический метод, основанный на явлении термоэлектричества, которое заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников,

возникают токи, если спаи проводников имеют разные температуры.

 

Используется

датчиками температуры;

- пьезоэлектрический метод, основанный на использовании пьезоэлектрического эффекта и другие.

В зависимости от требований, которые предъявляются к характеристикам датчика относительно точности измерения параметра (величины погрешности измерения), диапазона измерения, его чувствительности, требований к конструкции датчика для использования в особых условиях эксплуатации, надежности, массе, объему и прочих

важных параметрах производится выбор метода измерения параметра, необходимого для работы системы и соответственно датчика, в основе которого лежит данный метод измерения, удовлетворяющей всем техническим требованиям эксплуатации.

 

Манометры

 

Манометры предназначены для измерения давлений воздуха, газов, топлива, масла в силовых установках и в отдельных бортовых системах (тормозная система, система запуска двигателей, система выпуска шасси и закрылков и т. д.) и составляют основу аэрометрических приборов, в которых по полному и статическому давлениям воздушного потока косвенно определяются высотно–скоростные параметры (Н, Vи, V, M).

За единицу давления принят Паскаль (1 Па= 1 Н/м2),

760 мм.рт.ст = 1013 Па.

По назначению авиационные манометры делят на манометры, измеряющие

абсолютное давление, разность давлений (дифференциальные) и отношение двух давлений.

Дифференциальные манометры используются для измерения избыточных давлений жидкостей и газов в различных отсеках авиационных двигателей (в топливной системе, системе смазки и др.). Диапазоны измерения от единиц до сотен кГс/см2.

По методам измерения давления манометры можно разделить на следующие группы:

- механические, в том числе жидкостные, весовые и пружинные;

- электромеханические, основанные на тех же принципах, что и механические, но

отличающиеся тем, что механический чувствительный элемент сочетается с

электрической дистанционной передачей;

 

- электрические, в том числе электронные, газоразрядные, радиоактивные,

тепловые и пьезорезисторные

Манометр для измерения разности между большим абсолютным давлением

контролируемой среды и абсолютным давлением окружающей среды называют манометром избыточного давления.

Манометр для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля, называется манометром абсолютного давления (барометр земной атмосферы).

Манометр для измерения разности между абсолютным давлением окружающей среды и меньшим абсолютным давлением контролируемой среды называется вакуумметром.

 

Наряду с манометрами и манометрическими пилотажно-навигационными ИУ, информация которых воспринимается и обрабатывается человеком, на летательных аппаратах широко применяются сигнализаторы и датчики давлений, преобразующие давление в электрический сигнал, используемый в системах автоматического управления и в вычислительных устройствах. Датчики давления входят также составной частью в комплект электрических дистанционных манометров. Сигнализаторы давлений включают

электрический сигнал при выходе измеряемого давления за допустимые для нормальной работы двигателя пределы.

 

В механических манометрах измеряемое давление или разность давлений

определяется по деформации упругого чувствительного элемента УЧЭ. В зависимости от типа УЧЭ манометры подразделяется на мембранные (см.рис 32), трубчато-пружинные (см.рис 33) и т.д.

 

 

Рисунок 32. Мембранные УЧЭ

 

 

К электромеханическим манометрам относят такие, в которых деформация

чувствительного элемента или усилие преобразуется в электрический сигнал с помощью преобразователя. В таких манометрах используются схемы с преобразователями прямого действия и схемы с силовой компенсацией. В схемах прямого действия применяют пьезоэлектрические, полупроводниковые, магнитоупругие и угольные преобразователи. В

схемах с силовой компенсацией усилие УЧЭ уравновешивается силой компенсирующего устройства.

 

 

                                 Рисунок 33. Пружинные УЧЭ

 

Деформационные и электромеханические манометры измеряют давление от единиц Паскалей до десятков мега Паскалей.

В электрических манометрах используется зависимость физических свойств

чувствительного элемента от приложенного давления. Одно из достоинств – отсутствие подвижных частей.

 

К таким манометрам относятся:

– манометры сопротивления, в которых давление определяется значением

электрического сопротивления;

– манометры ионизационные, в которых давление определяется по значению

ионного тока;

– тепловые манометры, в которых используется зависимость теплопроводности газа от давления;

– электроразрядные манометры, принцип действия которых основывается на

зависимости параметров электрического разряда в разряженном газе от давления;

– манометры с электрическим частотным преобразователем, выдающим сигнал в функции от частоты собственных колебаний резонатора, зависящей от разности давлений.

К манометрам также относятся сигнализаторы заданной величины давления или заданного отношения двух давлений.

В авиации широко используется деформационные, электрические манометры и электрические с частотным преобразователем.

 

Авиационные манометры должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- допустимые погрешности при нормальных условиях не должны превышать при

измерении давления топлива ± 3%, при измерении давления масла ± 4%;

Авиационные термометры

Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами. В качестве принципа работы термометров можно использовать любой физический

процесс, в котором температура однозначно связана с какой-либо легко определяемой величиной (например, изменение объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС и т.д.). Температуры тел – уровни их внутренних энергий – определяют интенсивность теплообмена между ними и указывают направление передачи тепловой энергии от более нагретого к менее нагретому телу.

Общее определение понятия температуры можно сформулировать следующим образом. Температура – статистически формирующаяся теплодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела. Носителями внутренней энергии являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергия которых определяет температуру.

 

В пространстве с крайне разреженной атмосферой температура не может быть определена статистическим распределением скоростей движения молекул. В этих условиях статистические соотношения неприменимы. Температура такого пространства определяется мощностью пронизывающих его потоков лучистой энергии. За его температуру принимают температуру абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.

Не имеет физического смысла понятие температуры в некоторой точке данного тела. Можно говорить только о температуре, характеризующей состояние вещества внутри некоторого объема тела, точнее, тела конечной массы.

 

Необходимость сопоставления результатов измерения температур в разных странах заставила искать пути создания международного эталона.

Первой попыткой в этом направлении было утверждение в 1889г. на Международной конференции по мерам и весам в качестве международного эталона температуры водородного газового термометра постоянного объема.

В качестве основных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении, которым приписаны числовые значения соответственно 0 и 100 с делением основного интервала на 100 равных частей. Числовым значениям измеренных "водородных" температур приписывался знак °С.

 

Авиация нуждается в надежных методах измерений температур, выходящих далеко за пределы интервала (0÷100) °С и обладающих более высокой точностью, чем газовый термометр. В 1933 г. на 8-й Генеральной конференции было утверждено Положения об Международной практической температурной шкале МПТШ-27.

МПТШ должна быть установлена таким образом, чтобы легко и просто было

воспроизводить и определять любую температуру по МПТШ с точностями более высокими, чем по термодинамической шкале. В МПТШ-68 используются как международные практические температуры Кельвина (символ T68), так и международные практические температуры Цельсия (символ t68). Соотношение между Т68 и t68 такое же,

как между Т и t, т.е. Т68 К = t68 °С + 273,15.