Вариант 4

В вариометре чувствительный элемент работает как на расширение, так и на сжатие. В связи с этим, у кривошипно-шатунного механизма, преобразующего поступательное движение жесткого центра манометрической коробки во вращательное движение оси сектора, начальное положение (соответствует горизонтальному полету, Vy = 0) должно быть таким, чтобы плечо и тяга (кривошип и шатун) были взаимно перпендикулярны. Плечо (кривошип) для устойчивой работы механизма должно быть не менее 3,5, 4 мм, принимаем значение 4 мм. Тягу делают не менее 16 мм, принимаем длину тяги 16 мм. Дезаксиал (эксцентриситет) должен быть примерно равным плечу, принимаем его равным 4 мм. Теперь можем определить полный угол поворота кривошипа по формуле sin (α) = w / а, где, а — плечо (кривошип) механизма, откуда α = arcsin (w0 / a) = arcsin (0,93 мм / 4мм) = arcsin (0,23 261) = 13,4510.

Следовательно, передаточное отношение пары сектор — трибка равно i = φ / α = 1800 / 13,4510 = 13,38, такое отношение относится к разрешенным значениям (обычно берут не более 15), поэтому выбранные выше параметры считаем правильными. Обычно модуль сектора и трибки принимают равным m = 0,15, а число зубьев трибки — не менее 12, принимаем zт = 12. Выбираем радиус колёс: rт = 3 mm; rс = 3· 13,38 = 40.14 mm.

4. Расчет потенциометра.

Расчет параметров потенциометрической передачи производят исходя из условия максимума синхронизирующего момента [1, 112]. Этому условию соответствует R1 = 0,547 u2 / (30Р), где R1 — сопротивление датчика потенциометра на 10, u — напряжение в цепи, Р — максимальная мощность, потребляемая передачей. В бортовой сети для питания авиационного оборудования используется электрический ток напряжением 36 В частотой 400Гц, u = 36 В. В качестве Р выбираем характерное для потенциометров значение мощности Р = 5 Вт, тогда R1 = 0,547 362 / (30*5) = 4,73 Ом, полное сопротивление потенциометра Rпол = R1 *180 = 850 Ом. Соответствующее условию расчета потенциометрической передачи сопротивление катушки приемника равно R2 = R1 / 2 0,5 = 3,33 Ом.

2.

3. Расчет статических погрешностей.

Статическая погрешность измерений — погрешность результата измерений, свойственная условиям статического измерения, то есть при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах приборов и преобразователей.

Статические погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные. Аддитивной погрешностью называется погрешность, постоянная в каждой точке шкалы. Мультипликативной погрешностью называется погрешность, линейно возрастающая или убывающая с ростом измеряемой величины. Различать аддитивные и мультипликативные погрешности легче всего по полосе погрешностей. Если абсолютная погрешность не зависит от значения измеряемой величины, то полоса определяется аддитивной погрешностью (рис. а). Иногда аддитивную погрешность называют погрешностью нуля.

а б Если постоянной величиной является относительная погрешность, то полоса погрешностей меняется в пределах диапазона измерений и погрешность называется мультипликативной (рис. б).

Для нахождения мультипликативной погрешности составим общее уравнение преобразования спроектированного прибора. Подставляя последовательно позвенно данные в уравнения их преобразования получим :

Далее определяем параметры, изменяющиеся в эксплуатации, — это высота полета, влияющая через показатель МСА на n и R. При Vy = const находим частные производные от общей функции преобразования по этим параметрам и их сумму. В нашем случае, поскольку такой параметр один, то ситуация несколько упрощается :

Для определения аддитивной погрешности используем функциональную схему прибора, рассмотренную в п. 1.3 и чувствительности звеньев, рассмотренные в п. 2.

1. Общая аддитивная погрешность прибора будет определяться суммой всех аддитивных погрешностей звеньев, усиливаемых или ослабляемых через показатели чувствительности последующих в цепи звеньев :

Здесь Δа1 — аддитивная погрешность корпуса вариометра (погрешность выдерживания его размеров, а через них и внутреннего объема ?, погрешность выдерживания размеров D и l капилляра), Δа2 — аддитивная погрешность манометрической коробки (погрешность жесткости коробки b), Δа3 — аддитивная погрешность передаточного кривошипно-шатунного механизма (погрешность выдерживания размеров плеч), Δа4 — аддитивная погрешность множительного механизма зубчатой передачи (погрешность изготовления зубьев передачи), Δа5 — аддитивная погрешность потенциометра (погрешность выдерживания закона изменения сопротивления при повороте подвижной части потенциометра), Δа6 — аддитивная погрешность приемника потенциометрической передачи (погрешность выдерживания сопротивлений катушек).

Суммарная статическая погрешность определяется как сумма аддитивной и мультипликативной погрешностей ΔY = ΔYм + ΔYа. Методами теории вероятностей отсюда можно определить числовые характеристики распределения суммарной погрешности, такие как математическое ожидание M[ΔY] = M[ΔYм] + M[ΔYa], среднеквадратическое отклонение σ[ΔY] =

(σ2[ΔYa] + σ2[ΔYм])0,5 и допустимый интервал истинного значения суммарной погрешности M[ΔY] - 3 σ[ΔY] < ΔYист < M[ΔY] + 3 σ[ΔY] при доверительной вероятности Р = 0,997, получаемый в предположении, что закон распределения ΔY — нормальный (что в данном случае обоснованно, поскольку, как мы видим, величина ΔY складывается из большого количества независимых случайных величин примерно одного порядка).

Отсюда можно получить приведенную погрешность γп = +/- 3 σ[ΔY] /Yмax *100%.

Для того, чтобы воспользоваться этим методом, необходимо знать законы распределения случайных величин отдельных звеньев, составляющих суммарную погрешность. В силу отсутствия таких данных в нормативной и справочной документации, а также невозможности определить их расчетным путем, реализация этого пути не представляется возможной. Оценить статическую погрешность прибора можно более традиционным путем, основываясь на погрешностях отдельных звеньев. Поскольку погрешность изготовления каждого звена лежит в пределах 1…1,5% (традиционные схемы, отработанная технология, контроль производства), то суммарная погрешность лежит в пределах 6…9% ((1+Δi)6), что соответствует требованию по статической погрешности к разрабатываемому прибору.

2.

4. Исследование и расчет динамических погрешностей.

Динамическая погрешность измерений — погрешность результата измерений, свойственная условиям динамического измерения. Динамическая погрешность появляется при измерении переменных величин и обусловлена инерционными свойствами средств измерений. Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средства измерений в динамических условиях и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени.

Для определения динамической погрешности разработанного прибора определим его передаточную функцию, используя функциональную схему прибора, рассмотренную в п. 1.3 и передаточные функции звеньев, рассмотренные в п. 2.

1. :

Сравнивая две схемы, показанные ниже приводим к выводу :

Δg (p) = [W (p) — S]X (p) = WΔ(p)X (p), где

W (p) — суммарная передаточная функция прибора,

S — суммарная чувствительность прибора,

X (p) — входной сигнал,

WΔ(p) — передаточная функция для динамической погрешности.

Отсюда получаем :

где T1 — постоянная времени вариометра.

Пользуясь свойствами корреляционной функции, находим спектральную плотность входящего сигнала Sx (w) [2, 45]:

Теперь, зная передаточную функцию для динамической ошибки WΔ(p) / S, находим спектральную плотность динамической ошибки Sd (w) :

По известной функции спектральной плотности динамической ошибки находим ее дисперсию Ddg и среднеквадратичное отклонение σdg = Ddg 0,5:

Подставляя в эту формулу различные значения постоянной времени вариометра, характеризующей его запаздывание по времени с определением истинной вертикальной скорости ЛА, получаем следующую зависимость, указанную в таблице :

Постоянная времени вариометра Т1, с СКО динамической ошибки σdg, м/с Приращение СКО σdg, м/с 1 0,982 2 1,162 0,18 3 1,248 0,086 4 1,299 0,051 5 1,333 0,034 6 1,357 0,024 100 1,49 1000 1,499 10 000 1,5

Видно, что зависимость σdg от Т1 с ростом Т1 выполаживается и максимальная σdg составляет 1,5 м/с. Следовательно, предельное значение динамической погрешности составит :

γdg = +/- 3 σdg / Vyмакс · 100% = +/- 3· 1,5 м/с / 50м/с · 100% = +/- 9%

2.

5. Разработка вторичного устройства.

Второй частью работы является разработка ССИ — вторичного устройства, преобразующего информацию от датчика давления в код. Требуется также найти минимальную длительность периода опроса Tmin, если N = 100, δ = δд / 2, х̇max = 0,01 1/с.

Система сбора информации (ССИ) является частью измерительно-вычислительных комплексов ЛА, предназначенных для регистрации параметров полета. Существуют комплексы регистрирующей аппаратуры для летных испытаний (типа Гамма) и для регистрации параметров полета — состояния агрегатов ЛА и действий экипажа (типа МСРП). В состав аппаратуры регистрации, кроме ССИ, входит устройство обработки информации и преобразования ее в форму, пригодную для записи на магнитный носитель. Для обработки информации используется ЭВМ, а запись на носитель информации производится в цифровой форме. Структурная схема ССИ датчиков аналоговых сигналов представлена ниже :

Датчики первичной информации D1 … DN имеют выходной сигнал в виде напряжения постоянного тока в заданном диапазоне. Сигналы с датчиков поочередно, в определенной последовательности, подключаются с помощью коммутатора К к нормализатору Н. Нормализатор представляет собой усилитель с программируемым коэффициентом передачи, обеспечивающим приведение диапазона сигнала любого датчика к единому нормированному диапазону. Сигнал с нормализатора поступает на аналогово-цифровой преобразователь АЦП, с которого выдается код, числовое значение которого пропорционально сигналу соответствующего датчика. Далее сигнал поступает на устройство обработки или хранения информации. Работа системы обеспечивается блоком программного управления БПУ, вырабатывающим сигналы адресации датчиков, переключения коэффициентов усиления нормализатора, запуска и опроса АЦП.

Коммутатор в ССИ представляет собой микросхему, содержащую электронные ключи. В качестве коммутатора, например, можно использовать мультиплексор 564 КП2. Эта микросхема эквивалентна обычному контактному переключателю, в котором входы D0… D7 замыкаются с выходом Q. При этом управление осуществляется кодом, подаваемым на адресные выводы А3, А2, А1. Микросхема отличается малым потреблением тока порядка 0,1 мк

А, временем управления не более 0,4 мкс, напряжением питания 3…5 В.

Нормализатор в ССИ представляет собой масштабирующий усилитель с переменным коэффициентом передачи. Простейшим вариантом является схема :

Аналого-цифровой преобразователь может быть реализован с помощью одной микросхемы, например К1113ПВ. Она представляет собой десятиразрядный АЦП последовательного приближения. Микросхема характеризуется функциональной полнотой, для работы необходимы лишь источники питания и несколько резисторов для регулировки. Основные параметры: δ = 0,1%, tпрб = 30 мкс, Iпот = 30 мА, Rвх = 10кОм. Напряжение питания 5 В и -15 В.

Блок программного управления может быть реализован непосредственно с помощью микро

ЭВМ, которая по заданной программе будет высылать на коммутатор, нормализатор и АЦП управляющие сигналы. Уровень быстродействия современных ЭВМ позволяет для каждого сигнала ввода-вывода затрачивать времени не более 1…3 мкс.

Возникновение динамических погрешностей ССИ обусловлено дискретизацией процесса измерения. Каждый параметр Х измеряется в некоторые моменты времени, с периодом опроса Т, при этом, если Хмакс — наибольшая скорость изменения параметра, то погрешность измерения не превышает δд < ẋмакс · Т. Период опроса зависит от числа параметров N, а также от времени преобразования tпр, которое является суммой времени преобразования всех блоков ССИ. Эти данные берутся по паспортным данным. В нашем случае tпр = t1+t2+t3 (коммутатор, нормализатор, АЦП) = 70 мкс. Период опроса T = N· tпр = 100· 70мкс = 7мс. Если допустимая погрешность δ = δд / 2 = 0,1% = 0,001, а максимальная безразмерная скорость изменения параметра ẋмакс, то допустимый период опроса Tдоп < δ / ẋмакс = 0,001 / 0,01с = 0,1с. Исходя из двух этих величин выбираем для повышения точности (но за счет избыточности) Tmin = 7мс.

Заключение

.

В курсовой работе произведены разработка конструкции и расчет характеристик канала измерения вертикальной скорости ЛА, включающего прибор для измерения вертикальной скорости (вариометр), потенциометр и построенную на его основе потенциометрическую передачу, а также ССИ — вторичное устройство, преобразующее информацию от прибора-измерителя в код.

Проведенная метрологическая экспертиза технического задания на работу выявила недостаточно полное указание условий эксплуатации разрабатываемого канала информации. Доопределение условий эксплуатации было произведено на основе анализа эксплуатационных характеристик существующих конструкций.

В качестве прототипа для разработки конструкции вариометра обосновано применение типовой конструкции вариометров серии ВАР. С ее использованием произведен расчет основных элементов разрабатываемого вариометра. Показано, что выполнение основных функциональных требований к нему обеспечивается путем установки двух капилляров длиной 55,2 мм и диаметром 0,459 мм каждый.

Построенная функциональная схема прибора позволила определить статическую и динамическую передаточные функции разработанного вариометра, и с их использованием, — статическую и динамическую погрешности измерения вертикальной скорости ЛА. Показано, что статическая погрешность не превосходит заданной величины 10%. Показано, среднеквадратическое отклонение динамической ошибки примерно равно 1,2 м/с, а предельное значение динамической погрешности составляет +/- 9%.

Предложена схема ССИ — вторичного устройства, преобразующего информацию от прибора-измерителя в код, определено, что минимальная длительность периода его опроса составляет 7 мс.

Список литературы

Боднер В. А. Авиационные приборы. М.: Машиностроение, 1969 г.

Воробьев В.Г., Глухов В. В., Кадышев И. К. Авиационные приборы. М.: Машиностроение, 1982 г.

Браславский Д. А. Приборы и датчики летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1970 г.

Антипов Е.Ф., Жукова Н. М. Детали авиационных приборов. Изд. 2-е М.: Машиностроение, 1966 г.

Дорофеев А.Д. и др. Методическое руководство по курсовому проектированию по дисциплине «Информационно-измерительные комплексы и системы ЛА», Л., 1990 г.