Информационно измерительная система самолета. Авиационные приборы и информационно измерительные системы
Размер: px
Начинать показ со страницы:
Транскрипт
1 В. А. ПРИЛЕПСКИЙ АВИАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ И ИНФОРМАЦИОННО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ САМАРА
2 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АЕЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ЕОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕЕО ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ РОСУ ДАРС ТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА» УДК 681.2: (075.8) ББК И 76 И нновационная образовательная программа "Развитие центра компетенции и подготовка специалистов мирового уровня в области аэро космических и геоинформационных технологий П К и 1 оя ^ Рецензенты: д-р техн. наук, проф. И. Н Г у с е в д-р техн. наук, проф. Л. М. Л о г в и н о в В. А. ПРИЛЕПСКИЙ АВИАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ Книга 1 Р еком ендовано П резидиум ом С овет а УМ О для м е ж вузо вс к о го и сп о льзо ва н и я И 76 Прилепский В.А. Авиационные приборы и информационно измерительные системы. Книга 1: учеб. пособие / В.А. Прилепский. - Самара: Изд-во Самар, гос. аэрокосм, ун-та, с.: ил. ISBN Кратко изложены основы, принципы измерений, построений и состав авиационных приборов и информационно-измерительных систем воздушных судов гражданской авиации. Особое внимание уделено методам измерения пилотажно-навигационных параметров и принципам работы приборов и систем. Пособие состоит из двух книг. Книга 1 посвящается в основном приборам и системам анало гового типа. Книга 2 посвящена информационному обмену в стан дартах ARINC и др., цифровым измерительным системам и пило тажно-навигационным комплексам современных отечественных и зарубежных воздушных судов. Предназначено для студентов высших учебных заведений, обу чающихся по специальности "Техническая эксплуатация авиацион ных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов". УДК 681.2: (075.8) ББК ISBN САМАРА Издательство СГАУ 2007 В. А. Прилепский, 2007 Самарский государственный аэрокосмический университет,
3 Оглавление Предисловие 7 Введение 8 1 Принципы построения авиационных приборов и информационноизмерительных систем Назначение и классификация авиационных приборов и информационно-измерительных систем (АПиИИС) Основные характеристики авиационных приборов и информационно-измерительных систем Установившиеся отклонения подвижной части Неустановившееся отклонение подвижной части Погрешности Типовые измерительные схемы Особенности информационных каналов 48 2 Авиационные приборы Манометры Деформационные манометры, погрешности и способы их компенсации Электромеханические манометры Частотные преобразователи давления Авиационные термометры Электрические термометры сопротивления Термоэлектрические термометры Погрешности термометров Биметаллические термометры Авиационные измерители частоты вращения (тахометры) Магнитоиндукционные тахометры Погрешности магнито индукционных тахометров Тахогенераторы постоянного и переменного тока 77 3 Информационно-измерительные системы Топливо меры (масло меры) Поплавковые электромеханические топливомеры Поплавковый электромеханический топливо мер с герконами Электроёмкостные топливомеры Система программного управления и измерения топлива СПУТ Схема измерения суммарного запаса топлива Система управления и измерения топлива СУИТ Топливомеры с вычислителем Автоматы выравнивания (центровки) Системы программного управления расходом топлива Погрешности электроёмкостных ТИС Измерение расхода топлива Турбинный преобразователь расхода топлива Система измерения расхода топлива СИРТ1-2Т Погрешности расходомеров и счетчиков количества топлива Измерители вибрации Погрешности измерителей вибрации Указатели заданного положения Измерители высоты полета. Общая теория Механические высотомеры Электромеханические высотомеры Корректор - задатчик высоты типа КЗВ Измерители индикаторной скорости Измерители истинной воздушной скорости и числа М Измерители вертикальной скорости Измерители углов атаки и скольжения Приёмники воздушных давлений Комплексные измерители высотно-скоростных параметров Системы воздушных сигналов. Общие сведения Системы СВС с вычислительными устройствами, совмещенными с указателями Комбинированный указатель числа М и скорости V (УМС) Указатель температуры Т наружного воздуха 138 4
4 4.5 Погрешности и особенности технического обслуживания аналоговых СВ С Системы СВС с цифровым вычислителем Приборное оборудование сигнализации критических режимов полета Автомат углов атаки и перегрузок (АУАСП) Система сигнализации опасной скорости Vb кр сближения самолета с землей (ССОС - рис. 4.10) Информационные комплексы высотно-скоростных параметров (ИКВСП) Одноканальный комплекс высотно-скоростных параметров (рис. 4.11) Информационный комплекс высотно-скоростных параметров с тремя СВС (рис. 4.12) Гироскоп Основы прикладной теории гироскопа Элементы гироскопических приборов и систем Корректирующие устройства Кинематическая схема горизонтальной коррекции главной оси трехстепенного гироскопа Кинематическая схема коррекции по направлению вертикали места Индукционный датчик Схема коррекции трехстепенного гироскопа в плоскости магнитного меридиана Демпфирующие устройства Устройства для съема результатов измерений Арретирующие устройства Демпфирующие гироскопы Выключатели коррекции Приборы и датчики углов крена, тангажа и курса Авиагоризонты на основе трёхстепенного гироскопа Гировертикали с силовой гироскопической стабилизацией Одноосный силовой гиростабилизатор Центральная гировертикаль (ЦГВ) Малогабаритная гировертикаль (МГВ) Измерители курса Магнитные компасы Индукционные датчики магнитного курса Гирополукомпасы Астрономические компасы Курсовые системы Принципы комплексирования Работа курсовой системы в режиме ГПК Режим магнитной коррекции Курсовая система ТКС-П в режиме МК Режим астрономической коррекции (АК) Погрешности курсовых систем Точная курсовая система типа ТКС-П Базовая система курса и вертикали (БСКВ) Навигационные системы счисления Методы навигации Алгоритмы работы систем счисления пути Структура и функциональные схемы навигационных систем счисления пути Аэрометрическая система счисления пути Доплеровская система счисления пути Воздушно-доплеровская система счисления пути Датчики линейных ускорений Инерциальные системы Физические принципы инерциальной навигации Принципы действия и основные структурные схемы инерциальных навигационных систем ИНС Погрешности ИНС 229 Литература 230 6
5 ПРЕДИСЛОВИЕ ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие написано в соответствии с программой курса "Авиационные приборы и информационно-измерительные системы", составленной на основании образовательных государственных стандартов направления "Испытание и эксплуатация авиационной и ракетнокосмической техники" и учебных планов специальности Пособие состоит из двух книг. Первая посвящена основам построения авиационных приборов и информационно-измерительных систем, основам теории принципов измерения, действия, состава и особенностей технического обслуживания авиационных приборов и пилотажно-навигационных комплексов воздушных судов отечественной и зарубежной гражданской авиации. Содержание второй книги посвящено информационному обмену в стандарте ARINC-429, цифровым измерительным системам и пилотажно-навигационным комплексам современных воздушных судов. Целью настоящего пособия является оказание помощи студентам, изучающим данный курс по очной форме обучения. 7 Увеличивающая сложность авиационных систем, их интеллектуализация, и в том числе на уровне датчиков и исполнительных механизмов, требуют нового подхода к изучению всего комплекса авиационного оборудования с учетом переработки методических материалов в соответствии с новыми требованиями образовательных государственных стандартов и учебных планов. Авиационные приборы и информационно-измерительные системы являются средством взаимодействия всего комплекса бортового оборудования и обеспечивают измерительной информацией, формируя и поставляя непрерывно тысячи параметров пилотажно-навигационному комплексу, исполнительным механизмам, следящим системам и др. потребителям, включая приборное оборудование и системы электронной индикации кабины экипажа ВС. "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять... Точная наука немыслима без меры" - говорил русский ученый Д.И. М енделеев. Современное состояние авиационной измерительной техники характеризуется широким применением цифровых методов обработки информации, хотя датчики и первичные преобразователи взаимодействуют с аналоговыми величинами различной физической природы. Поэтому в первой книге большое внимание уделяется первичным датчикам и преобразователям различных аналоговых величин в электрические, точность измерения и преобразования в которых существенно зависит от метода, способа и средства достижения требуемых метрологических характеристик. Преобразование сигнала аналоговой измерительной информации в цифровой
6 код и передача его по информационным каналам до потребителя практически не имеет искажений, поэтому особое внимание уделено анализу методических и инструментальных погрешностей аналоговых систем. В первой книге кратко, но в соответствии с учебном планом специальности "Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов", рассмотрены все разделы рабочей программы этой специальности; вторая книга дополняет разделы первой книги на основе изучения современных цифровых систем передачи и об работки информации, протоколов обмена информацией и способов управления исполнительными механизмами, а также подробно рассмотрены вопросы электронных средств комплексной индикации навигационной обстановки. 1 Принципы построения авиационных приборов и информационно - измерительных систем 1.1 Назначение и классификация авиационных приборов и информационно - измерительных систем (АПиИИС) АПиИИС являются техническими средствами для дистанционного ввода сигналов измерительной информации от датчиков различного назначения в навигационно-вычислительные приборы, приборы управления и визуальной индикации и обеспечивают измерение большого числа параметров, характеризуя общий режим полета самолета, а также контроль режимов работы силовых установок, параметров окружающей среды и т.п. Движение самолета в пространстве состоит из поступательного движения и углового движения. Поступательное движение самолета относительно заданной системы отсчета OoX0YoZ0 определяется линейными координатами: Н - высотой полета, L - пройденным расстоянием, Z - боковым отклонением. Высоты различают как абсолютную (Н) - отсчитывается от уровня моря, относительную (Н отн) - отсчитывается от выбранного уровня (от места взлета или посадки) и истинную (Н ист) - отсчитывается от места, где находится самолет в текущий момент времени. На рис. 1.1 изображена система координат (1.\"у)(у/у. которая движется поступательно с центром масс самолета относительно системы отсчета OoXoYgZo- 9 10
7 Го угол и - между осью О Х и горизонтальной плоскостью называется углом тангажа. угол у - между плоскостью симметрии самолета X O Y и вертикальной плоскостью, проходящей через связанную ось ОХ, называется углом крена. Направление полета самолета относительно земной системы координат определяется курсом щ самолета: это угол, отсчитывается по часовой стрелки между направлением меридиана и проекцией продольной оси самолета на плоскость горизонта. Z l Рис Система координат Угловое положение самолета в пространстве определяется угловыми координатами Лщ, и, у. При этом вводится связанная система координат ОХ) "/, в которой ось О Х направлена по продольной оси самолета, O Y - вертикально вверх, O Z - в сторону правого крыла (рис. 1.2). Рис Система координат Рис Система координат Лщ, и, у - углы Эйлера. угол Лщ - между осью ОХд и проекцией связанной оси О Х на горизонтальную плоскость Х д ()/д называется углом рыскания. 11 щ - истинный курс (географический); щм - магнитный курс (отличается от истинного на величину магнитного склонения Д,); цгк - компасный курс (отличается от магнитного на величину магнитной девиации Лк). Кроме линейных (II. /.. /) и угловых (Лщ и, у щ) координат используется скоростная система координат O XaYaZ a связанная с вектором V скорости движения самолета относительно воздушной среды, называемой истинной воздушной скоростью. 12
8
Ось ОХа скоростной системы координат совпадает с направлением вектора F (рис. 1.4). Положение скоростной системы координат OXaYaZ a по отношению к связанной О ХУ/, определяется углами а и Д В ряде случаев для управления движением по траектории необходимо измерять производные линейных и угловых координат: угловые скорости и ускорения относительно связанных осей (юх, cov,
9 Угол атаки а Датчик угла атаки скольжения Р Датчик угла скольжения Угловая скорость со Датчик угловой скорости Продолжение таблицы 1 Угловое ускорение со Дифференцирующее устройство Линейное ускорение j Датчик линейных ускорений Угол сноса рс Доплеровский измеритель скорости и угла сноса Перегрузка Пп Датчик перегрузок ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК Частота вращения Температура в двигателе: - перед турбиной Т3 - за турбиной т 4 - масла Тм - воздуха Тв Давление в двигателе: - топлива Рт - масла Рм - за компрессором Рк - в воздухозаборнике Рвр п Измеритель частоты вращения (тахометр) Термометры Манометры Перепад давления на турбине 8Т Дифманометр Расход топлива: - основного GT - форсажного о ф Количество топлива в баках: - объемное VT - весовое Qt Расходомеры Топливомеры Крутящий момент МКР Манометр Тяга двигателя РТ Измеритель тяги Амплитуда вибрации ав Частота вибрации /в 15 Аппаратура для измерения параметров вибрации ПАРАМЕТРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Продолжение таблицы 1 Параметры атмосферы: - плотность Р - относительная плотность Ап Плотномеры - температура Т Термометр - давление Р Манометр (барометр) - влажность X Гигрометр - скорость ветра W Измеритель скорости АПиИИС можно классифицировать по назначению, принципу действия, дистанционности и способу воспроизведения измеряемой величины. - приборы контроля за работой отдельных систем и агрегатов самолета. По назначению АПиИИС подразделяет на: - пилотажно-навигационные приборы и системы; - приборы контроля работы силовых установок; - приборы для измерения параметров окружающей среды; По принципу действия приборы могут быть механическими, электрическими, пневматическими, гидравлическими, оптическими, а также комбинированными, например, электромеханическими. По способу управления приборы разделяется на дистанционные и не дистанционные. Для дистанционных приборов характерно наличие каналов связи, со единяющих разнесенные на некоторое расстояние датчик и индикатор. На современных самолетах применяются цифровые каналы связи с коммутаторами и вычислительными комплексами. Линии связи также могут быть механическими, электрическими, гидравлическими, пневматическими. быть: По способу воспроизведения измеряемой величины приборы могут - с непосредственной выдачей информации; - регистрирующими; - с измерительными преобразователями. 16
10 Приборы с непосредственной выдачей информации подразделяются на: - приборы с индикацией информации в виде цифровых и аналоговых данных; - приборы с выдачей изображения в виде силуэта самолета, карты расположения наблюдаемых объектов и т.п.; - приборы, выдающие информацию в виде световых табло с надписями; - приборы, выдающие информацию в виде светового сигнала. Регистрирующие приборы фиксируют информацию непрерывно на бумаге, магнитных лентах или дискретно, с помощью печатающего устройства. Измерительный преобразователь обеспечивает преобразование некоторой входной величины x(t) в выходную величину v(t) другого вида, более удобную для дальнейшего использования и обработки. Значительную часть информационно - измерительных систем составляют приборы, датчики и системы угловых и линейных перемещений, так например, измерения и передача угловых величин от гирочувствительных агрегатов, датчиков магнитного курса, органов управления летчика и от выходных поворотных элементов цифро-аналоговых устройств, приборов управления, а также от датчиков связей рулевых приводов. В связи с многообразием информационно - измерительных систем целесообразно классифицировать их по следующим признакам: - диапазон изменения входной величины; - количество проводов и вид канала связи; - вид электрического сигнала и его параметра, являющегося носителем измерительной информации. АПиИИС в процессе летной эксплуатации подвергаются значительным внешним воздействиям: изменению температуры от +60 С до -6 0 С; давления окружающей среды от 41 до 855 мм.рт.ст: механическим ударам с ускорением до g при длительности удара до 2 0 м с с частотой до 80 ударов в минуту; вибрации до Гц. при этом вибрационная пере 17 грузка пв, т.е. отношение максимального ускорения при вибрации к ускорению свободного падения в отдельных случаях достигает до 1 0 ; влажности до %, а также воздействию сетевых радиопомех, магнитных и электростатических полей, радиационного излучения, морского тумана, плесневых грибов, и т.д. При проектировании и эксплуатации ВС его тактико-технические параметры, приборы и информационные измерительные системы ориентируют на стандартную атмосферу (рис. 1.5, табл. 2). Высота, км ГА Тропосфера 9 б 3 Плотность 0 Уровень _7() _б0 _ю _40 _30 _20 _w q дю ** ря Температ ура, С I I Цавление, Па I Плот ност ь в Н о т плот ност и Рис. 1.5 Стандартная атмосфера Тяжелые условия эксплуатации АПиИИС накладывают особые требования к надежности и точности их функционирования. 18 Таблица 2
11 Ft Высота h км Параметры стандартной атмосферы Температура Давление Плотность t Т N/m2 mbar kg/m3 С К Ра h Ра -0,2 16,30 289,51 1,2487-0,1 15,65 288,32 1,00 288,25 1,1 14,35 287,29 1,2133 0,2 13,70 286,S ,45 1,2017 0,3 13,05 286,73 1,1901 0,4 12,40 285,11 1,1787 0,5 11,75 284,61 1,1673 0,6 11,10 284,22 1,1560 0,7 10,45 283,94 1,1448 0,8 9,80 282,76 1,1337 0,9 9,15 282,70 1,0 8,50 281,74 1,2 7,20 280,15 1,0900 1,4 5,90 278,99 1,0686 1,6 4,60 277,23 1,0476 1,8 3,30 276,89 1,0269 2,0 2,00 275,95 1,0065 2,2 0,70 273,41 0,9864 2,4-0,60 272,26 0,9666 2,6-1,90 271,49 0,9472 2,8-3,20 269,10 0,9280 3,0-4,50 268,08 0,9091 3,2-5,80 267,44 0,8905 3,4-7,10 266,15 0,8723 3,6-8,40 264,22 0,8543 3,8-9,70 263,64 0,8366 4,0-11,00 262,40 0,25-17,50-20,75-24,00 258,91 255,66 252,41 249, Продолжение таблицы 2 577,28 540,20 505,07 471,81 0,7768 0,7361 0,6971 0,6597 6,5-27,25 245,35 0,6239 7,0-30,50 242,61 0,5895 7,5-33,75 239,51 0,0-37,00 236,00 0,5252 8,5-40,35 232,99 0,4951 9,0-43,50 229,42 0,4663 9,5-46,75 226,23 0,0-50,00 223,36 0,5-53,25 219,74 0,0-56,50 216,32 0,0-56,50 216,30 0,0-56,50 216,10 0,0-56,50 216,02 0,0-56,50 216,45 0,0-56,50 216,87 0,0-56,50 216,87 0,0-56,50 216,05 0,0-56,50 216,10 0,0-56,50 216,75 0, Основные характеристики авиационных приборов и информационно - измерительных систем Авиационные приборы и измерительные системы состоят из элементов, имеющих самое различное назначение, однако характерными из них являются функциональные элементы (ФЭ), определяющие их как средство измерения. Измерительные устройства могут состоять из следующих функциональных элементов: - ОУ - отчетное устройство;
12
- ПЧ - подвижная часть; - ПМВ - передаточно-множительный выпрямляющий механизм; - СХ - измерительная схема; - Пр - преобразователь измерительного устройства - датчика; - П - приемник, часть измерительного устройства, не имеющая ПЧ; - Д - двигатель. Показание А 0 ут.е. значение измеряемой величины, определяемое по отчетному устройству, ведется по шкале и по отклонению указателя: ^ ОУ ~ dш к ~ a o y ~ f(a), (1-1) где а - цена деления - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы; d - отклонение указателя в делениях шкалы; а оу - отклонение указателя в единицах угловых (линейных) перемещений. Зависимость а оу = f(a), называется характеристикой шкалы. Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности. Диапазон показаний - область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Предел измерений - наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений. Для взаимозаменяемых ОУ должно быть совпадение диапазона показаний, цены деления и характеристики шкалы. Подвижная часть - характеризуется созданием и взаимодействием двух моментов (сил) - движу щего и противодействующего, при котором все детали измерительного механизма, участвующие в создании движущего и противодействующего моментов, обеспечивают получение зависимости отклонения ПЧ от измеряемой величины. Движущий момент (сила) зависит от измеряемой величины, т.е. 21 м дв / д (Апч) ~ f (А) 1 Р,Дв = (А п ч) «П А) J" Зависимость М дв = f д (А) называется уравнением принципа действия прибора или датчика. Противодействующий момент (сила) зависит от отклонения П Ч, т.е.: М = / м {ап ч) - Р = / р {ап ч). (L3> В положении равновесия, соответствующего отсчету по шкале моменты равны: М дв = М, т.е. / -Д(А) = / Д (а пч), отсюда а пч = f (A),
13 Измерительная схема охватывает все звенья электрической схемы, которые участвуют в воспроизведении сигнала, связанного с измеряемой величиной и дающею величину АПЧ, необходимую для создания движу щего момента. Выходной параметр схемы П сх является величиной, определяющей перемещение П Ч Псх ~ АПЧ ~ fc x (А) В общем случае П с х = / (П п,п Пр) = т, А 3,...), С1-7) где IIцр. П п - выходные параметры ФЭ преобразователя и приемника; А и Лг... - физические величины, влияющие на результат измерения. Преобразователь измерительного устройства (датчика), содержит все элементы, участвующие в преобразовании перемещения подвижной детали П Ч в сигнал, пригодный для дистанционного измерения или управления (потенциометр и щетка, катушка индуктивности и сердечник и т.д.). В общем случае выходной параметр преобразователя равен: Ппр HjjpCLjjp f (НПЧ) f (Ар) : (1.8) где Кш- - постоянный коэффициент, определяющий конструктивные особенности преобразователя в зависимости от типа; апр - перемещение подвижной детали преобразователя, связанное с входным параметром Пр. Приемник - это часть измерительного устройства, не имеющая ПЧ, в котором происходит преобразование одного вида энергии в другой. Приемник характеризуется выходным параметром: Пп =/п(а). Приемники делятся на две группы: (L9) 1. Параметрические приемники, в которых измеряемая величина вызывает изменение свойств или электрических параметров, для измерения 23 которых требуется источник тока (терморезисторы, фоторезисторы, тен- зорезисторы). 2. Генераторные приемники, в которых измеряемая величина создает ЭДС (термопары, фотоэлементы, пьезоэлементы), к этой же группе относятся приемники механического принципа действия, в которых происходит преобразование одного параметра в другой (например, вращения в перемещение). Двигатель - типовой, но в измерительных системах работает в схемах с обратными связями. При изменении измеряемой величины от значения A j до. 1,. появляется разность. 1, которая посредством других функциональных элементов ФЭ, воспроизводится в виде сигнала управления, подаваемого на двигатель. Ротор двигателя вращается и перемещает ФЭ П р, при этом обороты двигателя носят зависимость: nm = f (A i+1 - A i) = f (A). 1.3 Установившиеся отклонения подвижной части (1Л) При отклонении П Ч от положения равновесия на нее действует устанавливающий момент: М = М - М (1-11) 1У1уст дв 1V1? где М дв = [д (А) - движущий момент; М = f m(a) - противодействующий момент. При М дв = М наступает равновесие, что соответствует отсчету a= f(a). Зависимость f(a) определяет статическую характеристику измерительного устройства (рис. 1.6): 24
14 a Чувствительность измерительной схемы: о =. о = М - 0 /-ТТЛ. V СХ 1j r СХ 1л dn danp Качество подвижной части П Ч характеризует удельный устанавливающий момент: Ai Рис Статическая характеристика измерительного устройства Чувствительностью измерительного устройства S называется предел отношения приращений выходной А а, и входной 1.1 величин при стремлении последней к нулю: Х = / ^ = ^, е т = ^. ДА та da где у - угол наклона касательной к характеристике; та, та - масштабы графика по осям а и А. A (1. 12) Порог чувствительности - минимальное приращение измеряемой величины А, при котором выходная величина а начнет изменяться. Чувствительность подвижной части согласно формуле (1.12) будет: d a da Чувствительность приемника аналогично: dll S n = da Чувствительность преобразователя: dylr Ч 1р S m = - da 25 ДМ м LУ УСТ -. уст А а В общем случае: А А Ш (1 Л З) 1У1УУСТ 7 7 d a d a Для повышения качества П Ч необходимо при создании и эксплуатации измерительных устройств уменьшать моменты трения в опорах движущихся частей. 1.4 Неустановившееся отклонение подвижной части Чтобы выяснить влияние отдельных параметров на характер движения ПЧ необходимо исследовать ее движение в неустановившемся переходном режиме. Как известно, уравнение моментов имеет вид: Td 2a da (1.14) J +С;$±А/Г М пк dt2 dt 1 т дв где J - момент инерции ПЧ, учитывающий совокупное действие всех инерционных масс, приведенных к оси вращения П Ч; К - коэффициент демпфирования; С] - приведенная угловая жесткость; М т- момент трения в опорах ПЧ; 26
15 М дв=/д(а,а) - движущий момент; rd 2a J характеризует динамику реагирования (ускорения) П Ч на dt воздействия измеряемой величины; К - момент демпфирования, характеризует способность успоdt коения П Ч в переходной период; (- характеризует крутизну характеристики в переходный период; М т- момент трения постоянный, не зависящий от а, поэтому им можно пренебречь. Так кякм дв=ка -А, получим: J ^ r + K + CIa = K AA = M (1Л5) dt dt 1 л дв Отсюда: а = M de J d а К d a (i 1 5) С, Сj d t2 С1 dt В установившемся режиме: МДВ а =- С, При движении динамическая погрешность равна: J d 2a K d a () ДШ ~ C jdt2 C jdt т.е.адина зависит от J, К, С). 27 Для исследования поведения измерительного устройства при воздействии измеряемого параметра необходимо знать передаточные функции ФЭ. А(Р) 1. Подвижная часть ПЧ. w (.р) = ^ ,7 А (Р) J p 2 + K p + C j" 2. Приемник П: Wn (P) = п п (Р) А (Р) 3. Преобразователь Пр\ Wup(P) = ^ = К п р- а Пр(Р) 4. П М В механизм: W IJM B (Р) = ~ Ш М ^ Г = К 1К 2 " а п ч (Р) 5. Схема Сх: WC (P) = А А Р) п сл Р) W(P) Передаточные функции Рассмотрим характер движения П Ч для случая, когда она подходит к положению равновесия после отклонения на угол ас. При этом М дв=0 и уравнение (1.14) примет вид: 28
16 называемую степенью успокоения, получим три вида возможных пе реходны х процессов: а его характеристическое уравнение: Р > 1 - апериодический характер движения; Р < 1 - колебательный характер движения; J x 2 + К х + С2 = 0. Р = 1 - апериодический, критический характер движения. Для приборов и датчиков наиболее благоприятная величина степени успокоения Р < 1. Графики этих переходных процессов имеют вид (рис.1.7): а а 1.5 Погрешности С -А - - Погрешность измерительного устройства - это разность между показанием и истинным значением измеряемой величины. Погрешности измерительных устройств имеют разнообразный характер и могут быть вызваны: - непостоянством условий измерения; - недостатками измерительных устройств и применяемых мето дов измерения; Рис Графики переходных процессов 1235т- апериодический; колебательный; апериодический (критический); допустимая зона измерений; время в течении которого ПЧ достигнет положения равновесия. - несовершенством органов чувств наблюдателя; - неправильными действиями наблюдателя. Погрешности могут быть основными и дополнительными. Основная - это погрешность средства нормальных условиях (P=\()()KI 1.\± ± 5 Т ". влажность 65± 15%. рабо чее положение прибора и т.д.). Дополнительная Решая это уравнение, и введя величину измерения, используемого в - это изменение погрешности, вызванное отклонением от нормальных условий при измерении параметра. В зависимости от размерности погрешности различают: абсолютные, относительные, приведенные относительные. Абсолютная погрешность - это разность Да меж ду показанием А 0у прибора и истинным значением А измеряемой величины: 30
17 Относительная погрешность - это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к текущему значению измеряемой величины. Приведенная относительная погрешность - это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к его нормирующему значению (верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы). Класс точности приборов устанавливается по основной приведенной относительной погрешности, выраженной в процентах, и вместе с тем удовлетворяет соответствующим требованиям в отношении допустимых дополнительных погрешностей. В зависимости от величины погрешности средствам измерения присваиваются классы точности, выбираемые из ряда К = 10й, где п = 1 ; 0 ; - 1 ; - 2 ;... В зависимости от режима измерения погрешности могут быть статическими и динамическими. Статическая погрешность - это погрешность средства измерений, используемого для измерения постоянной величины. Динамическая погрешность - разность между общей погрешностью средства измерений в динамическом режиме работы и его статической погрешностью, соответствующей значению измеряемой величины в данный момент времени. По закономерности появления погрешности могут быть случайными и систематическими. Случайная погрешность - это составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом. Случайные погрешности оцениваются на основе методов теории вероятностей. В эксплуатации для оценки средств измерений пользуются средними значениями А и средними квадратичными отклонениями о(д) случайных погрешностей: д = ^ > п м где п - число опытов при определении А; 31 (1Л9) - /-я реализация (отсчет) по ОУ. где т - количество средств измерения, использованных при оценке погрешности; А, - значение величины А для / - экземпляра средства измерения; 1 т М [Д ] = X Д(- математическое ожидание. т Случайные погрешности рассчитываются при разработке средств измерения. Их можно вычислить для измерительной системы в целом, применяя правила суммирования случайных величин. Систематическая погрешность - постоянная или закономерно изменяющаяся составляющая погрешности. Они поддаются учету и могут быть скомпенсированы. В зависимости от причин, вызывающих погрешность различают методические и инструментальные погрешности. - сложность точного воспроизведения уравнений принципа действий; Методические погрешности возникают по следующим причинам: - несовершенство метода измерения; - не учет других внешних факторов, не связанных с конструкцией, но влияющих на показание прибора. В уравнении принципа действия движущий момент является функцией измеряемой величины А, при этом необходимо учитывать ряд параметров (Д С,...,7V) характеризующих воздействие внешних условий. М ДБ = f fl(a,d,c,...n) = f M (a), откуда: С1-21) а = f a (A,D,C,...N). (L22) 32
18
Если в методе измерения и в построении прибора не учесть изменений AD, АС,..., A N внешних параметров!). С,..., N, воздействующих на 114. то произойдет изменение момента Мдв. При достаточно малых значениях отклонений AD, AC... A N по сравнению с величинами 1). С,... N, она может быть определена как: A u a = AD + AC+...+ A N. м D С N (L23) Методическая погрешность зависит не только от величины приращений, но и от характера зависимости функции / а от параметров, т.е.: С. с...с d D d C 3N " Наиболее общим методом уменьшения методических погрешностей, также широко применяемым и для компенсации других погрешностей, является введение в измерительный прибор устройств, подающих дополнительные корректирующие сигналы, пропорциональные величинам AD, АС,... AN: - K da D ; - К с АС;... ~ K n A N. (L24) При введении таких корректирующих сигналов отклонение ПЧ равно: а ТОчн = f(a, D0, С0,... N,0) + { -КD1 D D +... \ D) (1.25) ~ Kc j DC+i ^ j DN> где D 0, С0,...N 0 - нормальные постоянные внешние параметры. Для полной компенсации методической погрешности необходимо удовлетворить условиям: К D = ^ ~, К с =,... ^ = (L26) D dd с дс Для схемных решений применяют два метода компенсации методической погрешности: - автоматическое введение корректирующих сигналов; - неавтоматическое введение корректирующего сигнала, путем вычисления величины сигнала и ввода его через механический корректор в кинематическую схему. Другим методом уменьшения методической погрешности является поддержание эксплуатационных условий, при которых погрешность минимальна. Инструментальные погрешности возникают в результате взаимодействия моментов М дв и М, которые зависят от параметров, связанных с конструкцией: «= fa {М д в,м) = fa (A,B,L,T,P,E,G,...), 19
1.6 Типовые измерительные схемы 1. Последовательное включение преобразователя с измерительным прибором (рис. 1.8). Характеристический параметр: П Пр = К Пр = R ok, где КПр - сопротивление пропорциональное перемещению щетки преобразователя; R 0 - общ ее сопротивление преобразователя; где К и - коэффициент, учитывающий конструктивные параметры прибора; С] - коэффициент жесткости пружины. Таким образом, показания прибора зависят не только от изменения R np, но и от Uп, Кл, Rn. Т.е. для уменьшения погрешности необходимо стабилизировать Un и (Кл + R n) < 20
+ 0 a K n r K n U 21
R np R n i2 R np + R n R -Пр (R 0 ~ R n p) + R n (R o - R n p)-r n R o ~ R np R np + R n (1.34) 1 Rm (R 0 ~ R n p)+ R n Поделим все выражение на R. и подставляя значения К = R Пр Rn, полу- Rn чим: v 4 X -0 U 0- Rm Ro { Ro >1 1 1 (Ro ^ R np Ro 1 3 l Ro (Ro R np) (R np! R n 1 [ Ro Ro j I Ro «Рис Схема делителя тока с включением логометра Ro j Для увеличения чувствительности следует выполнить условие Rn 22
Отклонение П Ч гальванометра равно: а пч = C J P, (1.41) где Рп - мощность, рассеиваемая в рамке. Ртса будет тогда, когда: R n Рис Мостовая схема постоянного тока При выполнении равенства R jr np = R 2R 3 ток в диагонали моста равен нулю. При изменении Р Пр ток in изменяется пропорционально RnP. При изменении напряжения U пропорционально изменяется ток в диагонали моста, что часто используется для складывания или вычитания двух зависимых величин, например, при компенсации погрешностей возникающих от изменения температуры, плотности, давления и т.п. Чувствительность мостовых схем по току равна: R R& R j+ R 2 R 3 + R np В приборах часто применяется симметричные мосты, когда: Ri=R2,R3=Rnp ; Ri= R 3,R2=Rnp; R r R 2 = R 3 = R n P На рисунке 1.14 представлена схема моста с логометром. (1.42) А/" AR R n Пр Пр По напряжению: \ у (1.39) Ri/i теля. S = A i R A U AR Пр V RnP J AR где е =- R -Пр Пр (1.40) - относительное изменение сопротивления преобразова- 41 Рис Схема моста с логометром При изменении РПр изменяется сила тока лишь в рамке /С. В зависимости от отношения токов в рамках, угол отклонения ПЧ логометра равен: Л- А а п ч = f = / ir А/ (1.43) где /, i6 - токи в рамках при начальном значении РПр, 42 23
Дis - изменение тока, соответствующее изменению сопротивлению AR n В этой схеме показания логометра очень слабо зависят от изменения напряжения U. Чтобы увеличить чувствительность моста применяют схему, в которой при изменении сопротивления КПр изменяются токи в обеих рамках с разными знаками (рис. 1.15). Также для повышения чувствительности моста применяют схему двойного моста (рис.1.16): R n R 7 1 R 72 Riii R.71 R.72 Riii Рис Схема моста со встречным включением обмоток логометра При R 5 = R6 и Rj R, имеем отношение токов протекающих через рамки логометра: i5 _ R 1R 5 ~ R I7p R 7 + R 2 (R 5 + R7 + R ]) (1.44) h R1R6 ~ R2R7 + R-Пр (R 5 + R-7 + R-l) По этому отношению токов определяется угол отклонения П Ч логометра. Сопротивление R7 = Rn + R72 определяется из условия компенсации температурной погрешности. Рис Схема двойного моста Для уяснения работы такого моста будем считать условно, что одна из обмоток, например R6, отсутствует. При условии равновесия моста Rj = R 3 и Rj R jjp м о с т будет разбалансирован, т.к. R- Ф 0 (ток потечет по обмотке R 5), а при отсутствии R 5 в другую сторону ток потечет по обмотке R 6. При изменении R np ток в одной обмотке приблизится к минимальному, а в другой к максимальному значению. Таким образом достигается повышенная чувствительность моста. Температурная компенсация осуществляется резисторами R12 и R 72, при этом R12 компенсирует изменение тока в обмотке R6 из-за изменения I окружающей среды, а сопротивление ЛЦ - в обмотке R 24
6. Схема уравновешенного моста с линейной характеристикой представлена на рис R 2 R ег RnP2 т.е. перемещение щетки линеино зависит от изменения сопротивления измерительного плеча моста. 7. Схема уравновешенного моста с нелинейной характеристикой (рис.1.18). 1& RnPi Рис Схема уравновешенного моста с линейной характеристикой R i RnP2 R 3 Рис Схема уравновешенного моста с нелинейной характеристикой Уравнение равновесия имеет вид: Режим компенсации достигается за счет перемещения щетки потенциометра для получения равновесия моста. Уравнение равновесия при условии, что щетка RnV2 находится в крайнем левом положении, имеет вид: RnPA = R 2{RnP2+Rs)- (L45) Пусть Rnpl уменьшается при изменении измеряемой величины. Мост разбалансируется, и двигатель будет перемещать щетку R np до наступления равновесия. { R U p l - k R - I l p l + A R n P2) R 4 = R 2 (R 3 + R n P2 ~ A R H p2) Из уравнения (1.45) выразим R 3: Rs = R n p l R 4 R, R 2 R Up2 и, подставив в уравнение (1.46), получим: - R 4A.Rnpi +ARnp2R R 2ARnp2, (1.46) R npl { R S + R HP2) = R lr 4- (L 4 8) При изменении R n i и R npl: (-R llp l + ^) (R3 + Rnp2 - ^) = R 4 {R1 + ^ Пр2). (L49) Из уравнения (1.48) выразим Rf. n R n Pl R 3 + R n p l R n P2, л /у = и, подставив в уравнение (1.49), получим: R 4 откуда: R, ^ П р 2 { R n p l + R 4 + ПР1) = A R n p l (R 3 + R n P2) > откуда: 46 25
R 3+ R A R ^ = ARn m npl R 4 + Rnpl+ ARnpl Зависимость ARnp2 = f}