Elektronika sondy pro mČĜení výšky letu (Probe Electronics for Flight Altitude Measuring)
TOMÁŠ POKORNÝ BakaláĜská práce - 2008
ýeské vysoké uþení technické v Praze Fakulta elektrotechnická
ýESKÉ VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra mČĜení
Elektronika sondy pro mČĜení výšky letu
Vedoucí práce doc. Ing. Karel Draxler, CSc.
Praha 2008
Autor Tomáš Pokorný
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakaláĜskou práci vypracoval samostatnČ a použil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pĜiloženém seznamu. Nemám závažný dĤvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona þ.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zmČnČ nČkterých zákonĤ (autorský zákon).
V Praze dne ……………………….
……………………………………. podpis
PodČkování Rád bych chtČl podČkovat vedoucímu bakaláĜské práce Doc. Karlu Draxlerovi za jeho cenné rady a þas, který mi vČnoval pĜi Ĝešení rĤzných obtíží, na které jsem v prĤbČhu této práce narazil. V neposlední ĜadČ dČkuji svým rodiþĤm za dĤvČru a podporu, kterou mi poskytli nejen bČhem psaní této bakaláĜské práce.
Anotace Tato bakaláĜská práce se zabývá použitím levného senzoru absolutního tlaku vzduchu k mČĜení výšky letu letadla barometrickou metodou. Bylo nutné vybrat vhodný tlakový senzor a pĜesnČ promČĜit závislosti výstupní veliþiny na tlaku a teplotČ a zjistit tlakovou hysterezi. Nejistoty a dlouhodobá stabilita odpovídajícího údaje výšky musí vyhovovat požadavkĤm kladeným na letecké barometrické výškomČry. Dále byla požadována realizace napájení senzoru a pĜevod výstupního signálu senzoru na þíslo.
Annotation This bachelor thesis deals with usage of cheap pressure sensor for barometric measurement of the flight altitude for small aircrafts. It was necessary to choose the pressure sensor suitable for this purpose and to measure precisely functional dependence of its output on pressure and temperature as well as pressure hysteresis. Uncertainties and long-term stability of the output value must match the requirements of the aeronautical standards for barometric altimeters. Furthermore, there was demand for realization of supplying the sensor and transmission of the analogue output to digital signal.
1 Úvod
1.1 Cíl práce Cílem této práce bylo navrhnout vhodný senzor pro snímání statického tlaku vzduchu, umístČného v sondČ ve tvaru Pitot-statické trubice, zavČšené pod letadlem (více v kapitole 1.2). Vzhledem k použití sondy v letectví bylo nutné, aby senzor vyhovČl požadavkĤm JAR pro výškomČry. Elektronika sondy byla navržena pro mČĜení výšky letu v rozsahu 0 až 4 km. V první þásti této práce je uveden teoretický rozbor problému, popsány zpĤsoby mČĜení výšky letu letadla a principy snímaþĤ tlaku. NáslednČ je popsán systém pro mČĜení parametrĤ tlakových senzorĤ, vhodné senzory tlaku a použité pĜístroje. Dále jsou uvedeny výsledky mČĜení jednotlivých parametrĤ tlakového senzoru a v poslední þásti je rozebrána možnost použití testovaného senzoru tlaku.
1.2 Sonda V této kapitole je popsána sonda, která je zavČšená pod letadlem a slouží pro mČĜení aerometrických parametrĤ. Do této sondy se umístí elektronika pro mČĜení výšky letu, která je cílem této práce a elektronika pro mČĜení rychlosti letu, která je Ĝešena separátnČ. Dále je možné do sondy umístit senzor teploty a eventuálnČ polohy, který by korigoval chybu údajĤ vlivem úhlu nábČhu sondy. Na Obr. 1.2.1 a Obr. 1.2.2 jsou uvedeny konstrukþní výkresy výše zmínČné sondy. V obou dvou pĜípadech jsou rozmČry udávány v palcích. Jednotlivé návrhy se od sebe liší pĜevážnČ v poloze závČsu, který je umístČn tak, aby sonda udržovala vodorovnou polohu. Otvory pro nasávání vzduchu
1
jsou umístČny s ohledem na to, aby tlak vzduchu proudícího do sondy nebyl ovlivnČn konstrukcí sondy. KonstruktéĜi
také
nejsou
jednotní ve zpĤsobu mČĜení teploty. NČkteĜí
preferují
senzor
teploty
umístČný pĜímo v sondČ a jíní zase pĜídavnou sondu urþenou pouze pro snímaní teploty okolního vzduchu. Sonda je k letadlu pĜipevnČná lanem,
které
je
dlouhé
jako
1,5
násobek rozpČtí kĜídel letadla.
Obr. 1.2.1 Konstrukþní výkres 1
Obr. 1.2.2 Konstrukþní výkres 2
2
2 Teoretický rozbor
2.1 MČĜení výšek letu letadla 2.1.1 Definice výšek v letectví a metody jejich mČĜení Podle obecné definice je výška svislá vzdálenost mezi danou základní úrovní a hladinou þi bodem (pĜedmČtem považovaným za bod). Svislice je siloþára zemského gravitaþního pole procházející mČĜeným bodem a bodem základní úrovnČ. Na základČ této definice rozeznáváme:
H'
H ' = ³ dh ,
geometrickou výšku danou vztahem:
(2.1.1)
0
H
geopotenciální výškou danou vztahem:
kde
g (h) dh , g (0 ) 0
H=³
(2.1.2)
h je výška definovaná na siloþáĜe zemského gravitaþního pole [m], g(h) gravitaþní zrychlení odpovídající výšce h [ m ⋅ s −2 ], g(0) gravitaþní zrychlení základní úrovnČ (pro h=0) [ m ⋅ s −2 ].
Gravitaþní zrychlení g(h) se s výškou snižuje, tudíž geopotenciální výška H je menší než geometrická výška H’. V bČžném leteckém provozu je rozdíl
v definicích výšek podle (2.1.1) a (2.1.2) zanedbatelný. Podle toho, jak je definována základní úroveĖ (úroveĖ nulové výšky h=0), se v letectví používají následující výšky, znázornČné na Obr. 2.1.1.1.
-
Absolutní výška H a – Základní úrovní (h=0) je hladina moĜe na 45° zemČpisné šíĜky (nulová geopotenciální hladina)
-
Relativní výška H r – Základní úrovní (h=0) mĤže být libovolné místo na zemi, zpravidla je to práh pĜistávací dráhy na letišti.
-
Skuteþná výška H s – Základní úrovní (h=0) je prĤseþík svislice procházející letadlem se zemským povrchem.
3
-
Výška letové hladiny H l – Základní úrovní (h=0) je hladina odpovídající atmosférickému tlaku 1013.25mb.
Obr. 2.1.1.1 Definici výšek letu
Dále se v praxi používají také výšky: tlaková, teplotní a hustotní, což jsou výšky definované v mezinárodní standardní atmosféĜe (MSA) pĜíslušné témuž tlaku, teplotČ, resp. hustotČ vzduchu, kde se letadlo právČ nachází. V letectví se požívají následující metody mČĜení výšky letu letadla: -
Barometrická metoda - Vychází ze známé závislosti statického absolutního tlaku vzduchu na geopotenciální výšce. Absolutní tlak vzduchu (tj. Tlak, jehož nulová hodnota odpovídá vakuu) se mČĜí barometrickým výškomČrem, jehož stupnice je cejchovaná ve feetech nebo metrech (1ft=0.30478m). Touto metodou lze podle nastavení výškomČru mČĜit absolutní výšku H a , relativní výšku H r nebo výšku letové hladiny H l .
-
Elektrická metoda - Je založena na odrazu vysokofrekvenþních vln od zemského povrchu. Touto metodou mČĜí výšku radiovýškomČry, které využívají spojitý, nebo impulsní vysokofrekvenþní signál. Touto metodou se mČĜí skuteþná výška H s .
-
Optická metoda - PĜevádí mČĜení výšky na mČĜení úhlu. Nachází-li se letadlo nad jedním z bodĤ úseku známé délky na zemském povrchu, potom po mČĜení úhlu odpovídajícího druhému bodu lze
4
vypoþítat skuteþnou výšku letadla H s . Tato metoda se využívá zejména pĜi cejchování výškomČrĤ. -
Parametrická metoda - Je založena na ionizaci atomĤ vzduchu pĜi pĤsobení ionizujících paprskĤ. Ionizaþní proud nebo množství, resp. energie þástic dopadajících na detektor závisí na hustotČ vzduchu, a tím i na absolutní výšce
H a . Tato metoda se užívá k mČĜení ve
velkých výškách. -
Inerciální metoda - Vychází z mČĜení vertikálního zrychlení a y . Po odeþtení gravitaþního zrychlení dvojí integrací získáme odpovídající výšku. Touto metodou se mČĜí relativní výška vztažená zpravidla k místu startu.
Z uvedených metod má v souþasnosti v letectví nejvČtší význam barometrická metoda, pomocí níž je zejména zajištČno vertikální rozdČlení letových hladin, což má z hlediska bezpeþnosti civilní dopravy dominantní význam.
2.1.2 Zemská atmosféra Základem barometrické metody je mČĜení absolutního tlaku vzduchu, který tvoĜí zemskou atmosféru. Zemská atmosféra je smČs plynĤ obklopující zemČkouli, k níž je vázána gravitaþní silou a se kterou se témČĜ shodnČ otáþí. Hlavní složky atmosféry tvoĜí dusík (78,1% relativního objemu) a kyslík (20,95% relativního objemu). Dále je v atmosféĜe zastoupena Ĝada dalších komponent, ale již jen ve velmi malých množstvích (0,9% argon, 0,03% oxid uhliþitý, neon, helium, metan, ozón a další). Vedle plynĤ se pĜedevším v nižších výškách v atmosféĜe vyskytuje i voda, jejíž koncentrace v tuhém, kapalném i plynném skupenství se pohybuje od 0,2% do 0,4%. Tlak atmosférického vzduchu je dán hodnotou vzdušného sloupce nad místem mČĜení. Z dĤvodu stlaþitelnosti vzduchu klesá jeho tlak a hustota exponenciálnČ s narĤstající výškou. Ke zmČnám tlaku rovnČž dochází vlivem teploty a v dĤsledku cirkulace vzduchu. V závislosti na urþitých meteorologických a jiných parametrech se zemská atmosféra rozdČluje na mnoho vrstev. Pro letectví je dĤležité rozdČlení vrstev atmosféry podle prĤbČhu teploty, které je spolu se závislostí tlaku a 5
hustoty vzduchu na výšce patrné z Obr. 2.1.2.1. Uvedené prĤbČhy odpovídají závislostem definovaným MSA. V rozsahu výšek (0 až 11) km je základní vrstvou troposféra, která je oddČlena pĜechodovou vrstvou tropopauza od následující základní vrstvy, kterou je v rozsahu výšek (11 až 50) km stratosféra. Dále následuje pĜechodová vrstva stratopauza a pro výšky (50 až 80) km základní vrstva nazvaná mezosféra, pĜechodová vrstva mezopauza, pro výšky (80 až 800) km základní vrstva termosféra a po pĜechodové termopauze pro výšky nad 800 km exosféra. V mezosféĜe teplota s rostoucí výškou pĜevážnČ klesá a v termosféĜe výraznČ roste.
Obr. 2.1.2.1 Rozvrstvení atmosféry
6
2.1.3 Mezinárodní standardní atmosféra (MSA) Aby bylo možné urþit výšku, vzdušnou rychlost, vertikální rychlost a Machovo þíslo je nutné znát vztah mezi tlakem, teplotou, hustotou vzduchu a výškou. RovnČž je tĜeba stanovit nČkteré parametry zemské atmosféry potĜebné pro další aerometrické výpoþty. Základem pro definování vztahu mezi výše uvedenými veliþinami je mezinárodní standardní atmosféra, schválená Mezinárodní organizací pro civilní letectví ICAO (International Civil Aviation Organization). Vychází z teorie plynĤ a výsledkĤ meteorologických a fyzikálních mČĜení atmosféry. Výsledné vztahy odpovídají celoroþnímu globálnímu prĤmČru nČkterých parametrĤ atmosféry získaných mČĜením. PĜi práci s jednotlivými veliþinami je nutné brát do úvahy, že veliþiny jsou ve svČtČ mČĜeny v mnoha rĤzných jednotkách. Velice þasto se neužívají jednotky mezinárodní soustavy SI. V dĤsledku dominantní role USA v leteckém prĤmyslu se þasto používají imperiální jednotky. U tlaku vzduchu, jehož základní jednotkou SI soustavy je pascal (PA), se v letectví používá jednotky milibar (mb), inch rtuĢového sloupce (inch Hg), inch vodního sloupce (inch H 2 O), mm rtuĢového sloupce (tor). PodobnČ je to i u jednotek pro výšku – feet (ft), rychlost – knot (kt) a vertikální rychlost. Z tohoto dĤvodu je zde uvedena pĜevodní tabulka (Tab. 2.1.3.1), pro snadnČjší orientaci ve velkém množství používaných jednotek.
1 PSI
=
1 kPa
=
1 in H2O*
=
1 mm H2O =
PSI
kPa
in H2O* mm H2O in Hg**
mm Hg
1
6,8948
27,7296
704,332
2,036
51,7149 0,0689 68,9476
bar
mbar
kp/cm^2
p/cm^2
0,0703
70,307
0,145
1
4,0218
102,155
0,2953
7,5006
0,01
10
0,0102
10,197
0,0361
0,2486
1
25,4
0,0734
1,865
0,0025
2,4864
0,0025
2,5355
0,0014
0,0098
0,0394
1
0,0029
0,0734
0,0001
0,0979
0,00001
0,1
1 in Hg**
=
0,0412
3,3864
13,6195
345,936
1
25,4
0,0339 33,8639
0,0345
34,532
1 mm Hg
=
0,0193
0,1333
0,5362
13,6195
0,0394
1
0,0013
1,3332
0,0014
1,3595
= 14,5038
100
402,184
10215,5
29,53
740,062
1
1000
1,0197
1019,72
=
0,1
0,4022
10,2155
0,0295
0,7501
0,001
1
0,001
1,0197
10000
28,959
735,559 0,9807 980,665
1
1000
10
0,029
0,7356
0,001
1
1 bar 1 mbar
0,0145
1 kp/cm^2 = 14,2233 98,0665 394,408 1 p/cm^2
=
0,0142
0,0981
0,3944
* teplota 15°C
** teplota 0°C
Tab. 2.1.3.1 PĜevodní tabulka
7
0,001
0,9807
2.1.4 Dovolené tolerance barometrických výškomČrĤ Tyto tolerance jsou stanoveny leteckými pĜedpisy jednotlivých státĤ. V souþasné dobČ platí v EvropČ pĜedpisy Spojených leteckých úĜadĤ JAA (Joint Aviation Authorities), které reprezentují evropské výrobce letecké techniky. Mimo Evropu se pĜedevším používají pĜedpisy Federálních leteckých úĜadĤ USA – FAA (Federal Aviation Administration). Tyto pĜední letecké organizace udávají dovolené chyby barometrických výškomČrĤ podle Tab. 2.1.4.1.
Použité vzorce: H (m ) = H (ft ) ⋅ 0,30478
(2.1.4.1)
[
]
p( mbar ) = p0 (mbar ) ⋅ 1 − 2,2558 ⋅ 10 −5 ⋅ H ( m )
5,2559
p0 (mbar ) = 1013,25
H [feet] -1000 0 500 1000 1500 2000 3000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
H [m] -304,78 0,00 152,39 304,78 457,17 609,56 914,34 1219,12 1828,68 2438,24 3047,80 3657,36 4266,92
(2.1.4.2) (2.1.4.3)
¨h [feet] ± 20 ± 20 ± 20 ± 20 ± 25 ± 30 ± 30 ± 35 ± 40 ± 60 ± 80 ± 90 ± 100
p [mbar] 1050,4040 1013,2500 995,0763 977,1674 959,5204 942,1324 908,1215 875,1117 812,0049 752,6347 696,8295 644,4231 595,2548
¨pmax [mbar] 1,5080 1,4646 1,4433 1,4222 1,7517 2,0712 2,0104 2,2762 2,4483 3,4535 4,3263 4,5682 4,7601
¨pmax [Pa] 150,8000 146,4600 144,3300 142,2200 175,1700 207,1200 201,0400 227,6200 244,8300 345,3500 432,6300 456,8200 476,0100
Tab. 2.1.4.1 Dovolené chyby barometrických výškomČrĤ
Dovolená chyba nastavení vztažné hodnoty tlaku nesmí v celém rozsahu výšek pĜekroþit hodnotu odpovídající ±25 ft.
8
2.2 Senzory tlaku 2.2.1 Základní pojmy Tlak prostĜedí p je definován pomČrem elementu síly dF pĤsobící na element plochy dS ve smČru normály, tj.:
p=
dF dS
(2.2.1.1)
Jednotkou tlaku je Pascal [Pa], tj. tlak, který vytvoĜí sílu 1N pĤsobící na plochu 1 m 2 ( 1Pa = 1N ⋅ m −2 ). Další jednotkou je 1bar = 10 5 N ⋅ m −2 . V prostĜedích, kde pĤsobí také smyková napČtí (napĜ. zemina), je tlakem oznaþována normálová složka. Nulový tlak je v prostoru, ve kterém se nevyskytují žádné molekuly vzduchu ani jiných plynĤ (vakuum). Absolutní tlak je potom mČĜený od této nulové úrovnČ. Atmosférický (barometrický) tlak je absolutní statický tlak zemského ovzduší mČĜený u zemského povrchu. PĜetlak a podtlak jsou rozdíly mČĜeného a barometrického tlaku. Na Obr. 2.2.1.1 jsou graficky znázornČné rozdíly mezi jednotlivými definicemi tlaku.
Obr. 2.2.1.1 Pojmy z oblasti mČĜení tlaku
9
U proudících prostĜedích je tĜeba ještČ rozeznat tlak dynamický a tlak celkový. Dynamický tlak je vektor, jehož smČr odpovídá vektoru rychlosti a je urþen vztahem:
kde
& & v2 pd = ⋅ ρv , 2
(2.2.1.2)
ρ v je hustota tekutiny. Statický tlak mĤže být mČĜený pitot-statickou sondou nebo zapuštČným
portem v trupu letadla. Obr 2.2.1.2 ukazuje typické rozložení statického tlaku vzduchu na trupu podzvukového letadla, kde
ǻP je rozdíl mezi zmČĜeným a skuteþný statickým tlakem, qc dynamický tlak.
Obr. 2.2.1.2 Rozložení statického tlaku na trupu leradla
Jelikož je vždy možné (s výjimkou mČĜení vakua) vystavit pĤsobení tlaku známou plochu, lze pĜevést mČĜení tlaku na mČĜení síly. Proto jsou principy senzorĤ tlaku a sil podobné, jak je znázornČno na klasifikaþním schématu (Obr.
2.2.1.3) znázorĖující zpĤsoby transdukce tlaku na výstupní elektrickou veliþinu, kde
p je tlak, F síla,
İ povrchové napČtí.
10
Obr. 2.2.1.3 ZpĤsoby pĜevodu tlaku na elektrický signál
Konstrukþním provedením se však mohou oba typy senzorĤ zásadnČ odlišovat. Existuje velké množství variant tlakových senzorĤ. V technické praxi se lze setkat s mČĜením tlaku v rozmezí od 10 −12 až do 1012 Pa. Žádný snímaþ tlaku nemĤže mČĜit tlak v celém tomto rozsahu. MČĜící rozsahy jednotlivých typĤ se vzájemnČ pĜekrývají (viz. Obr. 2.2.1.4).
Obr. 2.2.1.4 Orientaþní rozdČlení snímaþĤ tlaku podle mČĜícího rozsahu
11
2.2.2 Kapacitní snímaþe tlaku Kapacitní þidlo tlaku je principiálnČ velmi jednoduché (viz. Obr. 2.2.2.1). Jedna elektroda kondenzátoru je tvoĜena membránou, jejíž poloha se mČní vlivem tlaku. ZmČna vzdálenosti elektrod kondenzátoru se projeví zmČnou jeho kapacity. Je-li uvažován jednoduchý deskový kondenzátor, platí:
C = ε 0ε r ⋅ kde
S , d
(2.2.2.1)
S je plocha elektrod, d vzdálenost elektrod,
ε 0 = 8.85 10-12 [F/m] permitivita vakua,
ε r pomČrná permitivita.
Obr. 2.2.2.1 Princip kapacitního snímaþe tlaku
Z grafu na Obr. 2.2.2.1 je patrné, že prĤbČh charakteristiky kapacitního þidla je nelineární. Protože jde o hyperbolickou závislost, budou zmČny kapacity, a tím i citlivost, nejvČtší pĜi malých vzdálenostech d. Z dĤvodu nelineární statické charakteristiky þidla musí být vyhodnocovací obvody snímaþe vybaveny linearizaþním þlenem. Elektrické vyhodnocovací obvody pĜedávající zmČny kapacity na výstupní signál bývají doplnČny obvody pro potlaþení vlivĤ parazitních kapacit, které jsou zpĤsobeny kapacitami kabelĤ, pĜívodĤ a stínicího krytu. Parazitní vliv kapacity pĜívodu je eliminován použitím hybridní nebo integrované elektroniky vestavČné ve snímaþi.
12
2.2.3 Rezonanþní snímaþe tlaku Rezonanþními snímaþi rozumíme prvky, jejichž citlivý element je mechanický rezonátor vystavený pĜímo þi nepĜímo mČĜené veliþinČ, která ovlivĖuje jeho rezonanþní frekvenci. Ta potom nese informaci o velikosti mČĜeného tlaku. U rezonanþních snímaþĤ tlaku se využívá závislost vlastní frekvence mechanického kmitání rezonanþního prvku na jeho mechanickém napČtí. První rezonanþní snímaþe pracovaly s kmitající strunou (Obr. 2.2.3.1).
Obr. 2.2.3.1 Principiální uspoĜádání snímaþe tlaku s rezonující strunou
Jeden konec struny je pĜichycen k membránČ a druhý k tČlesu snímaþe. Kmitání struny je buzeno elektromagneticky. Struna délky l a hmotnosti m napínaná silou F má rezonanþní frekvenci f0 , pro níž platí:
f0 =
1 F 2 m⋅l
VyjádĜí-li se hustota ρ , mechanické napČtí σ
(2.2.3.1) a YoungĤv modul
pružnosti E následovnČ:
ρ=
m m , = v l ⋅S
(2.2.3.2)
σ =
F Δl = ε ⋅E = ⋅E , S l
(2.2.3.3)
13
po dosazení z (2.2.3.2) a (2.2.3.3) do (2.2.3.1) se získá:
f0 =
1 1 σ ⋅ = 2⋅l ρ 2⋅l
ε ⋅E . ρ
(2.2.3.4)
Rezonanþní frekvence mechanického rezonátoru je dána jeho rozmČry a geometrickým uspoĜádáním, hmotností a jejím rozložením, modulem pružnosti materiálu rezonátoru a mechanickým napČtím v jeho struktuĜe. NejþastČjším
zmČny
mechanismem
rezonanþní
frekvence
u
rezonanþních snímaþĤ je zmČna mechanického napČtí ve struktuĜe rezonátoru. MČĜená veliþina je transformovaná na sílu, která pĤsobí na strukturu rezonátoru a vyvolá v ní zmČnu mechanického napČtí. Jeho velikost pak pĜímo ovlivĖuje rezonanþní frekvenci. Blokové schéma rezonanþního snímaþe tlaku je na Obr. 2.2.3.2. MČĜený tlak pĤsobí prostĜednictvím vhodného pĜevodního mechanismu (nejþastČji membrána) na rezonanþní prvek, což mĤže být struna, válec, membrána anebo miniaturní mikromechanický prvek (u nejmodernČjších snímaþĤ). Mechanický rezonátor je zapojen do zpČtnovazební smyþky oscilátoru s elektronickým zesilovaþem. PĤsobením tlaku na rezonanþní prvek v nČm vznikají tahové nebo tlakové síly urþující kmitoþet oscilátoru.
Obr. 2.2.3.2 Blokové schéma rezonanþního snímaþe tlaku
Protože zmČna teploty ovlivĖuje modul pružnosti a rozmČry i hustotu mČĜícího prvku, je zde nutné korigovat vliv teploty na výstupní signál. Vliv se koriguje v elektronické þásti pĜístroje.
14
Snímaþ tlaku s rezonanþním válcem Na Obr. 2.2.3.3 je uveden Ĝez snímaþem tlaku s rezonanþním válcem. Základním nosným prvkem snímaþe je upevĖovací pĜíruba, která pĜechází ve stĜední nosnou þást snímaþe. Na nosnou þást je pĜivaĜen citlivý prvek – tenkostČnný rezonanþní válec uzavĜený na horní stranČ tuhým víþkem. Rezonanþní válec je vyroben z feromagnetického materiálu. TloušĢka stČny se podle rozsahu mČĜených tlakĤ pohybuje od 0,1 do 0,3mm.
Obr. 2.2.3.3 ýásteþný Ĝez snímaþem tlaku s rezonanþním válcem
Rezonanþní válec je chránČn vnČjším válcem, do jehož stČny jsou po obvodu s rozestupem 90° zapušt Čny dvČ snímací a dvČ budící cívky, které navíc obsahují permanentní magnet pro stejnosmČrnou pĜedmagnetizaci a posun pracovního bodu. Prostor mezi rezonanþním válcem a vnČjším válcem je vakuován a pĜedstavuje tak vztažnou hodnotu tlaku. U paty rezonanþního válce
15
je do nosné þásti zapuštČná kĜemíková dioda, která slouží jako þidlo teploty pro teplotní korelaci. Rezonanþní frekvence vlastního kmitání válce je dána jeho rozmČry, materiálem z nČhož je vyroben a mechanickým napČtím ve stČnách. MČĜený tlak je pĜiveden do vnitĜní dutiny válce, pĤsobí na jeho stČny a vyvolává v nich mechanické napČtí, které ovlivĖuje rezonanþní frekvenci. Ta je pak úmČrná mČĜenému tlaku. Snímaþe s rezonanþním válcem jsou urþeny pro mČĜení absolutního tlaku plynu. Principiální nevýhodou snímaþe tlaku tohoto typu je skuteþnost, že rezonanþní válec je ve styku s mČĜeným médiem.
Mikromechanický rezonanþní snímaþ tlaku RPT 100 Základním prvkem snímaþe tlaku RPT 100 je snímací element znázornČný na Obr. 2.2.3.4. Snímací element se skládá z þipu rezonátoru a
þipu elektrod. Oba þipy jsou vyrobeny z plátku monokrystalického kĜemíku.
Obr.2.2.3.4 Snímací element RPT 100
16
Takto vytvoĜený snímací element je pĜipevnČn na nosnou sklenČnou trubiþku, kterou je vnitĜní dutina vakuována a trubiþka je zatavena. Celek je vlepen do kruhové destiþky plošného spoje, na které jsou vývody a kĜemíková dioda používaná jako þidlo teploty. Kontaktovací plošky snímacího elementu jsou spojeny s pĜíslušnými vývody. Tím vznikne kompletní modul snímaþe (Obr. 2.2.3.5).
Obr. 2.2.3.5 Modul snímaþe RPT 100
VnČjší povrch membrány vytvoĜené na þipu rezonátoru je vystaven mČĜenému tlaku, zatímco prostor kolem rezonátoru je vakuován. Mechanické namáhání vyvolané mČĜeným tlakem je pĜeneseno pĜes nosníky na závČsy a vlastní rezonátor. Jeho rezonanþní frekvence je funkcí mechanického napČtí a mČní se tedy s mČĜeným tlakem.
2.2.4 SMART senzory Smart, resp. inteligentní senzory jsou schopny adaptace na vnČjší podmínky rekonfigurací s využitím vlastní diagnostiky a kalibrace, zpracování signálu
v þíslicové
formČ,
redukce
dat,
detekce
význaþných
událostí,
obousmČrné komunikace formou standardních protokolĤ s dalšími vnitĜními senzory a s nadĜazeným systémem, ovČĜování (validace) a sluþování (fĤze) dat ze senzorĤ.
17
Inteligentní senzory se dále vyznaþují integrací senzorĤ a obvodĤ pro zpracování signálu na jednom þipu nebo postupy mikromechanických senzorĤ MEMS. Smart senzor tedy v sobČ zahrnuje vlastní þidlo, obvody pro úpravu vstupního signálu, AD pĜevodník, mikroprocesor pro zpracování a analýzu signálu a obvody pro komunikaci s okolím. Strukturu inteligentního senzoru lze rozdČlit na tĜi þásti:
Vstupní þást
- pĜevod vstupní neelektrické veliþiny na vhodný elektrický signál
VnitĜní þást
- zpracování vstupního signálu - nastavení nulové hodnoty, kompenzace vlivĤ okolí - linearizace v celém rozsahu vstupní veliþiny - autokalibrace mČĜící funkce, autodiagnostická funkce
Výstupní þást
- komunikace senzoru s dalšími zaĜízeními - signalizace vlastní funkce a stavu, pĜípadnČ pĜevod
þíslicového signálu na normalizovaný analogový signál Výhody inteligentních senzorĤ:
Omezení a kompenzace rušivých vlivĤ na mČĜící pĜevodník a výstupní signál (napĜ. vliv teploty, vibrací, rušení atd.) pomocí þíslicového pĜenosu informace.
RozmČrovČ
kompaktní
konstrukce
s jediným
napájecím
do
senzoru
a
se
standardizovaným výstupním signálem.
PĜesun
úlohy
mČĜení
a
zpracování
místa
–
lokální
pĜedzpracování a prvotní testování platnosti namČĜených údajĤ (linearizace, meze, trendy, jednoduchá filtrace, autodiagnostika atd.).
Kontrola integrity údajĤ (napĜ. vylouþením z fyzikálního hlediska rozporných výsledkĤ). Dálková diagnostika senzorĤ pomocí obousmČrné komunikace po sbČrnici 18
Dálková
diagnostika
usnadĖuje
rozšíĜení
inteligentních
senzorĤ
do
automobilového a leteckého prĤmyslu
Možnost zapojení do sítČ. UmožnČní adresace senzorĤ lze jednotlivé senzory centrálnČ nastavovat a testovat.
Možnost decentralizovaného zpracování namČĜených hodnot. V rozsáhlých mČĜících systémech dochází k výraznému snížení zátČže centrálního subsystému, uvolnČný výkon centra lze využít na jiné úþely.
Hlavní nevýhodou SMART senzorĤ jsou vysoké poĜizovací náklady.
DataCon DC I PG(A) 4S Jedná se o SMART senzor od firmy DataCon, jedné z pĜedních firem ve výrobČ mČĜící techniky tlaku a prĤtoku. Snímaþ tlaku je urþen k mČĜení tlaku v prĤmyslových provozech, mČĜicích laboratoĜích, v terénu i jinde. VestavČný polovodiþový piezorezistivní senzor pĜevádí pĤsobící tlak na elektrický signál. UvnitĜ pouzdra snímaþe je mikropoþítaþový pĜevodník, který nejprve pĜevede signál z þidla na þíslo, provede všechny potĜebné pĜepoþty a korekce parametrĤ a nakonec pĜevede signál na požadovaný výstupní tvar. Snímaþe jsou vyrábČny ve standardním provedení se sériovým rozhraním RS 485. Blokové schéma zapojení senzoru je uvedeno na Obr. 2.2.4.1.
Obr. 2.2.4.1 Blokové schéma zapojení SMART senzoru DC I PG 4S.
19
Komunikace probíhá prostĜednictvím komunikaþního protokolu HART nebo ADAM. ZmČna mČĜicího rozsahu, posun nulové hodnoty, zmČna þasové konstanty a další programovatelné funkce jsou dostupné pĜímo na výstupním signálu pomocí speciálního obslužného softwaru, který je souþástí dodávky. Pro pĜipojení PC ke snímaþi slouží jednoúþelový propojovací kabel.
2.2.5 Piezoelektrické senzory Piezoelektrický efekt je založen na elastické deformaci a orientaci dipólĤ v krystalové struktuĜe. Základem je nesymetrická struktura krystalu, ve které se neshodují centra elektrického náboje a tak vytváĜejí dipóly. PĜiložením vnČjší mechanické síly se deformují dipóly a na povrchu krystalu tak vzniká náboj – pĜímý piezoelektrický efekt. Snímaþ pĜedstavuje zdroj napČtí s vysokým vnitĜním odporem U= kde
U
je výstupní napČtí snímaþe,
Q
náboj,
C
kapacita,
FX
tlaková síla,
k
konstanta.
Q k ⋅ FX = , C C
(2.2.5.1)
Na Obr. 2.2.5.1 je uvedeno schéma
piezoelektrického
snímaþe tlaku, který obsahuje dva
piezoelektrické
paralelnČ,
jejichž
sþítají.
výbrusy
náboje
se
Membrána
zprostĜedkovává pĜenos tlakové síly na krystal. Piezoelektrický s opaþnou
krystal slouží
ke
zrychlení.
polarizací
kompenzaci
vlivu Obr. 2.2.5.1 Schéma piezoelektrického snímaþe tlaku
20
2.3 Levné senzory tlaku Senzor tlaku hraje v této práci stČžejní roli, proto musel být vybírán s velkou peþlivostí. Tato aplikace klade na senzor požadavek, aby byl co nejmenší a zároveĖ s co nejlepším pomČrem cena/výkon. Z toho tedy plyne, že se tato práce zabývá pĜevážnČ levnými senzory tlaku v miniaturním provedení, u nichž cena nepĜesáhne 3 000 Kþ. Celý výbČr byl zúžen na dvČ znaþky: Honeywell a Freescale Semiconductor Inc., ale v dĤsledku rozsáhlého prĤzkumu trhu se do výbČru zaĜadila i firma SensorTechnics.
2.3.1 Honeywell Požadavky kladeny na senzor splĖoval senzor absolutního tlaku typu
19U (Obr. 2.3.1.1), vyrábČný firmou Honeywell. Jeho parametry jsou uvedeny v Tab. 2.3.1.1. Jedná se o senzor absolutního tlaku vzduchu bez kompenzace vlivu teploty, což je výhodné pĜi návrhu systému s vlastní teplotní kompenzací. Senzor má pouzdro z nerezové oceli, þehož se dá dobĜe využít pĜi snímaní nČkolika senzorĤ souþasnČ – lze je teplovodnČ spojit a zajistit tak stejné teplotní podmínky pro všechny senzory tohoto typu. Tyto senzory se navíc vyznaþují velmi nízkými hodnotami chyb vlivem tlakové i teplotní hystereze. Dalším senzorem, který splĖoval požadavky byl senzor absolutního tlaku
19C. Jeho parametry jsou uvedeny v Tab. 2.3.1.2. Jedná se o senzor, který má velice podobné vlastnosti jako senzor 19U, ale navíc je teplotnČ kompenzovaný (0 až +85°C), což je v p ĜípadČ naší aplikace výhoda. Jak již název napovídá, jedná se o senzory ze série 19mm, které jsou zapouzdĜené v nerezové oceli. I tento senzor se vyznaþuje nízkými hodnotami chyb zpĤsobenými tlakovou a teplotní hysterezí.
Obr. 2.3.1.1 Honeywell 19U (19C)
21
Characteristic
Min
Typical
Max
Units
Zero Pressure Offset Full-Scale Span Full-Scale Span (3 and 5 psi) Pressure Non-Linearity Pressure Hysteresis Repeatability Temp. Coefficient of Resistance (0 to 82°C) Temp. Coefficient of Offset (0 to 82°C) Temp. Coefficient of Span (0 to 82°C) Thermal Hysteresis (0 to 82°C) Long Term Stability of Offset & Span Response Time Input Resistance Output Resistance
-7.5 35 20 – – –
1.0 40 30 ±0.1 ±0.015 ±0.010
+7.5 60 40 ±0.25 ±0.030 ±0.030
mV/V mV/V mV/V %FSS %FSS %FSS
2700
3420
4500
ppm/°C
– 360 – – – 4,00 4,00
30 720 ±0.1 ±0.1 ±0.1 4,75 4,75
– 1260 ±0.3 ±0.3 – 6,00 6,00
µV/ V/°C ppm/°C %FSS %FSS ms kȍ kȍ
Tab. 2.3.1.1. Parametry snímaþe 19U
Characteristic Zero Pressure Offset Full-Scale Span Full-Scale Span (3 and 5 psi) Pressure Non-Linearity Pressure Hysteresis Repeatability Temp. Effect on Span Temp. Effect on Offset Temp. Effect on Span (0-3 and 0-5 psi) Temp. Effect on Offset (0-3 and 0-5 psi) Thermal Hysteresis (0 to 82°C) Long Term Stability of Offset & Span Response Time Common Mode Voltage (Voltage Version “K”) Input Resistance (Current Version “L”) Input Resistance (Voltage Version “K”) Output Resistance
Min
Typical
Max
Units
-2 98 48 – – – – – – – – – –
0 100 50 ±0.1 ±0.015 ±0.010 ±0.5 ±0.5 – – ±0.1 ±0.1 0.1
2 102 52 ±0.25 ±0.030 ±0.030 ±1.0 ±1.0 ±2.0 ±2.0 ±0.3 ±0.3 –
mV/V mV/V mV/V %FSS %FSS %FSS %FSS %FSS %FSS %FSS %FSS %FSS ms
0.5
1,30
2.0
Vdc
2.0 8.0 3,00
4,50 25,00 4,50
8.0 50,00 6,00
kȍ kȍ kȍ
Tab. 2.3.1.2. Parametry snímaþe 19C
22
2.3.2 Freescale Semiconductor Inc. Od tohoto výrobce byly vybrány senzory MPX2102A a MPXA6115A. Tyto senzory mají plastové pouzdro a jsou teplotnČ kompenzované. MPX2102A je kompenzovaný v rozsahu 0°C až +85°C, je ur þený pro mČĜení v rozsahu tlakĤ od 0 do 100kPa. Jeho parametry jsou uvedeny v Tab. 2.3.2.1. Podle údajĤ výrobce je senzor i pĜes teplotní kompenzaci zatížen vČtší chybou vlivem teplotní i tlakové hystereze než senzor typu 19U. MPX2102A má menší citlivost než senzor MPXA6115A, který je kompenzovaný v rozsahu -40°C až +125°C, což by teoreticky pro danou aplikaci bylo velice dobré. Senzor je urþen pro mČĜení tlaku v rozsahu 15 až 115kPa. Parametry tohoto senzoru jsou uvedeny v Tab. 2.3.2.2.
Characteristic
Symbol
Min
Typical
Max
Units
Pressure Range
POP
0
-
100
kPa
Supply Voltage
VS
-
10
16
Vdc
Supply Current
IO
-
6
-
mAdc
Full Scale Span
VFSS
38,5
40
41,5
mV
VOFF ¨V/¨P -
-2 -1
0,4 -
2 1
mV mV/kPa %VFSS
-
-
±0,1
-
%VFSS
-
-
±0,5
-
%VFSS
TCVFSS
-2
-
2
%VFSS
TCVOFF
-1
-
1
mV
ZIN
1000
-
2500
ȍ
ZOUT
1400,00
-
3000,00
ȍ
Response Time Warm–Up
tR -
-
1,00 20
-
ms ms
Offset Stability
-
-
±0,5
-
%VFSS
Offset Sensitivity Linearity Pressure Hysteresis Temperature Hysteresis (–40°C to +125°C) Temperature Effect on Full Scale Span Temperature Effect on Offset Input Impedance Output Impedance
Tab. 2.3.2.1. Parametry snímaþe MPX2102A
23
Characteristic
Symbol
Min
Typical
Max
Units
Pressure Range
POP
15
-
115
kPa
Supply Voltage
VS
4,75
5,0
5,25
Vdc
Supply Current
IO
-
6,0
10
mAdc
Minimum Pressure Offset Full Scale Output
VOFF
0,133
0,200
0,268
Vdc
VFSO
4,633
4,700
4,768
Vdc
Full Scale Span
VFSS
4,433
4,500
4,568
Vdc
Accuracy Sensitivity Response Time Warm–Up
V/P tR -
-
45,9 1,0 20
±1,5 -
%VFSS mV/kPa ms ms
Offset Stability
-
-
±0,25
-
%VFSS
Tab. 2.3.2.2. Parametry snímaþe MPXA6115A
2.3.3 SensorTechnics Senzory této firmy nejsou až tak známé jako senzory od pĜedchozích výrobcĤ, nicménČ to vĤbec neznamená, že by mČly horší parametry. Požadavky kladeny na senzor splĖuje Ĝada HCA-BARO, ve které jsou miniaturní zesílené barometrické senzory tlaku. HCA0611ARG (Obr. 2.3.3.1) je senzor pro mČĜení tlaku v rozmezí 600 až 1100 mbar. Má analogový výstup a je teplotnČ kompenzovaný od 0°C do +85°C.
Obr. 2.3.3.1. SensorTechnics HCA0611ARG
Druhý senzor od této firmy, který by splĖoval naše požadavky nese oznaþení HCA0611ARH. Má naprosto stejné parametry jako senzor pĜedchozí, ale navíc poskytuje i digitální výstup. Parametry obou senzorĤ jsou uvedeny v Tab. 2.3.3.1.
24
Characteristics
Min.
Typ.
Max.
Unit
Operating pressure range 600 1100 mbar Total accuracy (0 to 85°C) %FSS ±1,0 Response delay 2 ms Current consumption (no load) 3 mA DIGITAL PERFORMANCE CHARACTERISTICS Output at min. pressure 666 Count Hex Full scale span (FSS) 6666 ANALOGUE PERFORMANCE CHARACTERISTICS Output at min. pressure 0,25 V Full scale span (FSS) 4,00 Tab. 2.3.3.1 Parametry senzorĤ HCA0611AR(G/H)
V pĜístroji bČží cyklický program, který skladuje opravenou hodnotu nesoucí informaci o velikosti tlaku s rozlišením 15 bitĤ každou 1 ms. Pokud je snímaþ urþen ke snímání digitálního výstupu, tak by mČl být pĜipojen k obousmČrné sbČrnici I2C.
Obr. 2.3.3.2 SensorTechnics HCA0611ARH
2.3.4 Použitý senzor tlaku Nejprve byl pro tuto aplikaci vybrán senzor 19C od firmy Honeywell, ale jelikož z dĤvodu þasové tísnČ se nepodaĜilo výše zmínČny senzor koupit, pĜistoupilo se k senzorĤm od firmy SensorTechnics. Senzory absolutního tlaku od firmy SensorTechnics pĜedþily senzory od Freescale Semiconductor pĜevážnČ v citlivosti. Z dĤvodu zmenšení operaþního tlakového pásma (600 až 1100 mbar) mají senzory HCA-BARO citlivost 80 mV/kPa. Senzory MPXA6115A mají citlivost 45,9 mV/kPa a senzory MPXM2102 0,4 mV/kPa. V neposlední ĜadČ hrála pĜi výbČru roli menší chyba mČĜení a možnost výbČru analogový/digitální výstup. 25
3 PĜístrojové vybavení mČĜícího systému Celý mČĜící systém je vyobrazen na Obr. 3.1. K zajištČní potĜebných teplotních podmínek byla použita termostatická komora Labio LS80, která umožĖuje nastavit teplotu v rozsahu -30 až 50°C. Tato kom ora bohužel není schopná udržet stálou teplotu a díky tomu docházelo bČhem jednoho mČĜení ke kolísání až o nČkolik desetin stupnČ Celsia.
Obr. 3.1 Blokové schéma mČĜícího systému
Teplota v komoĜe byla nastavována ruþnČ a z dĤvodu nepĜesného teplomČru integrovaného v komoĜe byl použit externí, který udával pĜesnou teplotu. MČĜení probíhalo tak, že pĜi dosažení požadované teploty se termostatická komora vypnula, jelikož pĜi zapnutém stavu zpĤsobovala veliké vibrace, které by mohly negativnČ ovlivnit prĤbČh mČĜení. Z dĤvodu již výše zmínČného problému týkajícího se stability teploty v komoĜe, se bČhem jednoho mČĜícího cyklu zmČnila teplota až o jeden stupeĖ Celsia. DĤležitým þlenem v tomto mČĜícím systému byla použitá regulace tlaku. Byla zvolena ruþní regulace, která sice není tak rychlá jako automatická, nicménČ je pomocí ní možné zabránit pĜekmitĤm i oscilacím nastavovaného tlaku. Regulátor IVD má tlakové ventily, kterými lze jemnČ doladit proudČní
26
vzduchu z/do systému, což bohužel nestaþilo k zajištČní úplné stability nastavovaného tlaku, ale bylo možné zpomalit zmČnu tlaku až na 1Pa/s. S rostoucím tlakem ovšem docházelo k vČtšímu úniku.
Použité mČĜící pĜístroje Z
- Zdroj Statron (32V/6,4A), model 2331
V1
- Multimetr Agilent 34401A - 0,0015% of reading + 0,0004 of range
V2
- Multimetr Agilent 34401A - 0,0015% of reading + 0,0004 of range
Externí teplomČr - Greisinger electronic GMH2000 DPI 740
- Precisní indikátor tlaku Druck DPI 740 - ±0,02 %FS
IVD
- Regulátor tlaku IVD
4 NamČĜené charakteristiky senzoru tlaku BČhem této práce byl promČĜen senzor SensorTechnics HCA0611ARG. Vzhledem k velkému množství namČĜených
dat
není možné
všechny
prezentovat v tištČné formČ. V této kapitole jsou uvedeny pouze výsledky, a to pĜevážnČ v grafické podobČ, nutné k podložení závČru o mČĜeném senzou. Výsledky jsou zpracovány pomocí tabulkového procesoru MS Excel 2003. Senzor HCA0611ARG byl promČĜen v rozsahu teplot -10 až 30°C s krokem 10°C, ve výškách 500, 1000, 4000, 8000 a 1 2000ft, což je pro naší aplikaci dostateþné. Menší krok neumožĖuje vysoká þasová nároþnost mČĜení. Jeden tlakový cyklus trval asi 30 minut a þas nutný k ustálení teploty pĜi zmČnČ o 10°C byl 30 minut. V malých výškách je bod Ĥ více, protože norma je v této oblasti nejpĜísnČjší. Pokud nČkteré mČĜení bylo provedeno v jiných bodech nebo v omezeném rozsahu, bude na to upozornČno.
27
4.1 Vliv napájecího napČtí Ucc na výstupní napČtí Uout Nejprve bylo nutné zjistit, jakou mírou je závislé výstupní napČtí senzoru Uout na napájecím napČtí Ucc. Z této závislosti se následnČ vypoþítal požadavek na stabilitu napájecího zdroje. Je tedy zĜejmé, že toto mČĜení muselo probČhnout jako úplnČ první, neboĢ s napájecím zdrojem, který má menší stabilitu, než je požadovaná, by bylo dosaženo irelevantních výsledkĤ. Je nutné brát na zĜetel, že pĜi prĤbČhu mČĜení nebyla zajištČna úplná stabilita tlaku. Docházelo k úniku tlaku pĜibližnČ 1Pa/s. Z Tab.2.1.4.1 je zĜejmé, že zmČna tlaku 1Pa/s se žádným zásadním zpĤsobem do výsledku našeho mČĜení nepromítne, neboĢ se jedná o zmČnu zhruba 0,28 feet/s (ve výšce 500 feet). Charakteristika byla promČĜena ve þtyĜech výškách (1000, 4000, 8000 a 12000 feet) pro þtyĜi hodnoty napájecího napČtí (4,5; 5 a 5,5V). Na Obr. 4.1.1 jsou vidČt tĜi kĜivky odpovídající hodnotČ pĜíslušného napájecího napČtí. Ani jedna z tČchto kĜivek nemá þistČ lineární prĤbČh, ale chyba linearity bude popsána až v následující kapitole. 14000 12000
h [feet]
10000 8000 6000 4000 2000 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Uout [V] Ucc=4,5V
Ucc=5V
Ucc=5,5V
Obr. 4.1.1. Závislost výstupního napČtí Uout na napájecím napČtí Ucc
Jelikož bylo zvoleno, že systém budu napájen 5V, bylo nutné zjistit jak velké je toleranþní pásmo napájecího napČtí. Z grafu na Obr. 4.1.1 je patrné, že zmČna napájecího napČtí má nejvČtší vliv na výstupní napČtí v malých výškách, na které se také v letectví vztahují i nejvČtší požadavky na pĜesnost. 28
Pomocí výpoþtĤ se stanovil požadavek na stabilitu napájecího zdroje ±0,02%, tzn. že napájecí zdroj pĜi 5V musí udržovat napČtí 5±0,001V. Jak se projeví zmČna napájecího napČtí o 1mV se poþítalo následovnČ:
Pro každou výšku byly zmČĜeny tĜi hodnoty výstupního napČtí pĜi tĜech rĤzných hodnotách napájecího napČtí (4,5; 5 a 5,5V). NáslednČ bylo zlinearizováno napájecí napČtí mezi 4,5 – 5V a 5 – 5,5V (viz. Obr. 4.1.2). Z této aproximace byly získány dvČ rovnice pĜímky (pro h=1000ft):
- pro Ucc=4,5 – 5V: U cc ⋅ ( −0,3559 ) + U out ⋅ (0,5) + 0,12375 = 0
(4.1.1)
- pro Ucc =5 – 5,5V: U cc ⋅ ( −0,32279 ) + U out ⋅ (0,5) − 0,0418 = 0
(4.1.2)
Z tČchto
rovnic
dopoþítala
se
velikost
výstupního
napČtí
pro
Ucc=5±0,001V.
Tento postup byl aplikován na všech výškách.
Tab. 4.1.1 popisuje vliv zmČny napájecího napČtí o 1mV na výstupní napČtí pro þtyĜi rĤzné výšky. 3,7
3,5
Uout [v]
3,3
3,1
2,9
2,7 4,5
4,6
4,7
4,8
4,9
5
5,1
5,2
5,3
5,4
Ucc [v]
Obr. 4.1.2. Vliv napájecího napČtí Ucc na výstupní napČtí Uout pĜi výšce 1000ft
h [feet] 1000 4000 8000 12000
Ucc=5V
Ucc=4,999V
Ucc=5,001V
Uout [V]
ǻUout [mV]
ǻUout [mV]
3,3115 2,4826 1,4903 0,6128
0,7118 0,5304 0,3154 0,1448
-0,64558 -0,4974 -0,2974 -0,12038
Tab. 4.1.1 Vliv napájecího napČtí Ucc na výstupní napČtí Uout
29
5,5
4.2 Chyba linearity Cílem tohoto mČĜení bylo ovČĜení pĜedpokladu, že bez vlivu teploty by mČla být závislost výstupního napČtí na tlaku pĜibližnČ lineární. Podle Tab. 2.3.3.1 má typ HCA0611ARG uvedenou pouze celkovou maximální chybu ±1%FSS. Senzor 19U má odchylku výstupního napČtí od linearity maximálnČ ±0,25%FSS (viz. Tab. 2.3.1.1) a typ MPX2102A maximálnČ ±1%FSS (viz. Tab. 2.3.2.1). Je ovšem dĤležité upozornit na rozdílné definice odchylky od lineárního prĤbČhu u rĤzných výrobcĤ (viz. Obr. 4.2.1). NČkdy se udává odchylka od pĜímky procházející krajními body charakteristiky snímaþe (na obrázku znaþená „End point straight line fit“). Takto definovaná odchylka („Straight line deviation“) je þíselnČ vČtší než odchylka („Least square deviation“) od pĜímky, která nejlépe kopíruje charakteristiku („Least squares fit“) v celém rozsahu senzoru. PodrobnČjší informace mĤžete najít v [10].
Obr. 4.2.1. Definice chyby linearity
Je tedy jasné, že jen na základČ katalogových údajĤ nelze urþit, který senzor je lepší, protože jednotlivé firmy používají rĤzné definice chyby linearity.
30
PĜímka procházející krajními body charakteristiky senzoru Tato pĜímka je na Obr. 4.2.1 definována jako „End Point Straight Line Fit“. Na Obr. 4.2.2 je uveden graf, který popisuje závislost výstupního napČtí na tlaku pĜi konstantní teplotČ. 3,5 3
Uout [V]
2,5 2 1,5 1 0,5 0 1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000 11000 12000
h [feet] namČĜená
zlinearizovaná
Obr. 4.2.2 Chyba linearity senzoru HCA0611ARG
Z grafu na Obr. 4.2.2 je zĜejmé, že namČĜená charakteristika je nelineární, proto byla napsána následující funkce, která vyjadĜuje diferenci namČĜené kĜivky od pĜímky.
ªU − Umin ½ º ΔU out = ®« max ⋅ (12000 − h ) + 0.6128» − Uout ZMERENO ¾ * 1000 ¼ ¯¬ hmax − hmin ¿ kde
[mV ],
(4.2.1)
Umax [V]
je maximální hodnota výstupního napČtí (=3,3115V),
Umin [V]
minimální hodnota výstupního napČtí (=0,6128V),
hmax [feet]
maximální výška (=12000 feet),
hmin [feet]
minimální výška (=1000 feet),
h [feet]
nastavená výška,
UoutZMERENO [V]
namČĜená hodnota výstupního napČtí.
31
600
100
500
80
400
60
300
40
200
20
100
0 1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
ǻh [feet]
ǻUout [mV]
120
0 9000 10000 11000 12000
h [feet] ǻUout
ǻh
Obr. 4.2.3 Chyba linearity senzoru HCA0611ARG
Z grafu na Obr.4.2.3 je zĜejmé, že odchylka namČĜených hodnot od hodnot teoretických dosahuje až 480 feet, proto bylo nutné vybrat jiný zpĤsob aproximace, protože letecké normy povolují mnohonásobnČ menší odchylky, než bylo dosaženo linearizací ve dvou bodech.
PĜímka, která nejlépe kopíruje charakteristiku senzoru Tato pĜímka je na Obr. 4.2.1 definovaná jako „Least Squares Fit“. Jedná se o takovou optimalizaci lineárního prokladu, aby pĜímka nejlépe kopírovala charakteristiku v celém rozsahu. Z grafu na Obr. 4.2.4 vyplývá, že ani optimalizovaná metoda linearizace ve dvou bodech není pro tuto aplikaci dostaþující. Na Obr. 4.2.4 je uveden graf, který znázorĖuje odchylku optimalizované linearizace od hodnot teoretických. Z Obr. 4.2.3 a Obr. 4.2.4 je zĜejmé, že optimalizací lineárního prokladu se dá docílit až poloviþních odchylek než pĜi klasické linearizaci.
32
300
40
200
20
100
0
0
-20
-100
-40
-200
-60 1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
ǻh [feet]
ǻUout [mV]
60
-300 9000 10000 11000 12000
h [feet] ǻUout
ǻh
Obr. 4.2.4 ýíselnČ lepší chyba linearity senzoru HCA0611ARG
4.3 Výpoþet výšky h z výstupního napČtí senzoru Uout Cílem celé této kapitoly bylo urþit vhodný zpĤsob výpoþtu výšky h z výstupního napČtí senzoru Uout, který je zásadní pro tuto práci. Bylo nutné zjistit, jaký zpĤsob aproximace je vhodnČjší, zda-li postupná linearizace, nebo proklad pomocí polynomu.
Postupná linearizace Z pĜedchozí kapitoly vyplynulo, že linearizace v pouhých dvou bodech je nedostateþná, proto se tato kapitola zabývá linearizací ve þtyĜech a více bodech. Z grafu na Obr. 4.3.1 je patrné, že linearizace v pouhých þtyĜech bodech má pro naší aplikace veliké odchylky a proto je nepoužitelná. Dobrých výsledkĤ dosahuje linearizace ve 12 bodech, tedy linearizace po 1000 feetech.
33
10 0 -10 ǻh [feet]
-20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
h [feet] 12 bodu
7 bodu
4 body
Obr. 4.3.1 Vliv linearizace na výšku h
Z grafu na Obr. 4.3.1 vyplývá, že mĤžeme použít linearizaci ve 12 a více bodech, neboĢ pĜi takto provedené aproximaci nepĜesáhne odchylka 10 feet, nicménČ poĜád se jedná o velikou odchylku, tudíž bylo nutné vyzkoušet i jiné metody aproximace.
Proklad polynomem Druhá metoda aproximace, popsaná v této kapitole, je proklad polynomem. Bylo potĜebné zjistit, jak se projeví Ĝád polynomu na velikosti odchylky od namČĜené kĜivky. Z grafu na Obr. 4.3.2 je patrné, že pro naší aplikaci je nejvýhodnČjší polynom 3.Ĝádu, který poskytuje daleko lepší výsledky než polynom 2.Ĝádu a srovnatelné výsledky s polynomy 4. a vyššího Ĝádu. S rostoucím Ĝádem polynomu roste i výpoþetní složitost, proto je tedy nutné brát do úvahy nejen velikost odchylky pĜi daném Ĝádu polynomu, ale také i Ĝád samotný. Na základČ hodnot získaných z pĜedchozích grafĤ (Obr. 4.3.1 a Obr. 4.3.2) byl vybrán polynom tĜetího Ĝádu (4.3.1) jako nejlepší metoda aproximace pro výpoþet výšky h z výstupního napČtí senzoru Uout.
34
25 20 15
ǻh [feet]
10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
h [feet] 2.rad
3.rad
4.rad
5.rad
6.rad
Obr. 4.3.2 Vliv aproximace polynomem na výšku h 3
2
h = −21,523 ⋅ U out + 383,61 ⋅ U out − 5292,8 ⋅ U out + 15103
[feet ]
(4.3.1)
4.4 Tlaková hystereze Výrobce neudává u senzoru typu HCA0611ARG údaj o chybČ vlivem tlakové hystereze, ale jak vyplývá z Tab. 2.3.3.1 pouze celkovou chybu. BČhem tohoto mČĜení se projevily odchylky vlivem tlakové hystereze, jak je patrné z grafu na Obr. 4.4.1. Odchylky jsou malé, takže na prĤbČzích napČtí, tlaku nebo výšky by nebyly patrné, proto jsou zde vyobrazeny jako chyba mČĜení pĜepoþtena na výšku bČhem deseti tlakových cyklĤ za sebou pĜi pokojové teplotČ. Jelikož bČhem mČĜení vlivu tlakové hystereze nehrála žádná z výšek roli hraniþního bodu, tudíž vliv tlakové hystereze mĤžeme pozorovat na všech vyobrazených výškách.
35
6 4
ǻh [feet]
2 0 -2 -4 -6 -8 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
odmČr þ. 1000 ft
4000 ft
8000 ft
12000 ft
Obr. 4.4.1 Tlaková hystereze senzoru HCA0611ARG
4.5 Dopružování Vliv dopružování membrány senzoru bohužel nemohl být promČĜen, jelikož nebyl k dispozici takový zdroj tlaku, který by udržel pĜíslušnou výšku tlaku po dobu nezbytnČ nutnou pro zjištČní vlivu dopružování.
4.6 Teplotní závislost Na Obr. 4.6.1 je uveden graf, který popisuje závislost výšky, resp. výstupního napČtí senzoru na teplotČ okolí. Z grafu je zĜejmé, že odchylka ǻh nepĜekroþí povolené toleranþní pásmo v žádné z testovaných teplot, tudíž není nutné senzor teplotnČ kompenzovat.
36
15
10
ǻh [feeet]
5
0
-5
-10
-15 -10
0
10
20
30
teplote [°C] 500 ft
1000 ft
4000 ft
8000 ft
12000 ft
Obr. 4.6.1 Teplotní závislost senzoru HCA0611ARG
4.7 Stabilita parametrĤ snímaþe tlaku Není myslitelné, aby výškomČr bylo nutné þasto složitČ kalibrovat, nicménČ by urþitČ nebyl problém provést kalibraci v jednom nebo dvou bodech pĜed každým letem. Z tohoto dĤvodu bylo nutné provést mČĜení tlakového senzoru vícekrát, aby byla zjištČna chyba stability senzoru. Z dĤvodu nedostatku þasu byl senzor promČĜen pouze dvakrát, a to v rozpČtí jednoho týdne. UrþitČ by bylo zajímavé promČĜit senzor po uplynutí 6 mČsícĤ, nicménČ z výše zmínČného dĤvodu to nebylo možné. Na Obr. 4.7.1 je uveden graf, který ukazuje jakým zpĤsobem se zmČnila hodnota výstupního napČtí senzoru po uplynutí jednoho týdne. Z grafu je zĜejmé, že celá charakteristika se posunula o zhruba 4ft kladným smČrem. Z toho tedy plyne, že teoreticky by výškomČr staþilo pĜed každým letem kalibrovat pouze v jednom bodČ, což by jistČ bylo uživatelsky pĜíjemné.
37
14 12 10
ǻh [feet]
8 6 4 2 0 -2 -4 0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
h [feet] nové mČĜení
staré mČĜení
Obr. 4.7.1 StĜednČdobá stabilita parametrĤ senzoru HCA0611ARG pĜi teplotČ 25°C
Z Obr. 4.7.1 zĜejmé, že charakteristika nebyla promČĜena rovnomČrnČ. Pro lepší informaci o stabilitČ senzoru bylo mČĜení mezi 1000ft – 1500ft, 4000ft – 4500ft a 8000ft – 8500ft provedeno po 100ft. 10
ǻh [feet]
8
6
4
2
0 +0
+100
+200
+300
+400
+500
h [feet] 1000 ft
4000 ft
8000 ft
Obr. 4.7.2 Chyba stability ve tĜech rĤzných intervalech
Graf na Obr. 4.7.2 obsahuje všechny tĜi tyto intervaly. Na tomto grafu je vyobrazen rozdíl výšky h mezi novým a starým mČĜením. Každá kĜivka odpovídá jinému poþáteþnímu bodu, viz. legenda.
38
5 Zhodnocení výsledkĤ mČĜení Tato kapitola popisuje pĜesnost mČĜení všech veliþin. Dále je zde rozebráno samotné napájení senzoru a pĜevod výstupního napČtí senzoru na
þíslo.
5.1 PĜesnost mČĜení Letecké pĜedpisy vyžadují vysokou pĜesnost aerometrických pĜístrojĤ. Dovolené maximální chyby barometrických výškomČrĤ jsou uvedeny v Tab. 2.1.4.1. Výstupní napČtí senzoru se pĜepoþítá na tlak podle (4.1.3.1). Takto vypoþtené hodnoty tlaku jsou zatížené chybou mČĜení. Je tedy nutné zúžit normami povolené toleranþní pásmo o maximální chybu mČĜení, abychom mohli urþit, zda použitý senzor tlaku vyhovuje tČmto požadavkĤm. Není možné vyjádĜit chybu mČĜení ve formČ nejistoty, jelikož pĜedpisy stanovují maximální chybu. Z tohoto dĤvodu je v této práci pĜesnost mČĜení vyjádĜena jako maximální chyba mČĜení.
5.1.1 PĜesnost mČĜení nastaveného tlaku Byla použita ruþní regulace tlaku IVD, díky které se zamezilo kolísání tlaku. Z dĤvodu netČsností, které zpĤsobovaly, že se tlak neustále mČnil, nebylo možné provést nČkolik odmČrĤ v jednom bodČ. Díky použité regulaci se podaĜilo udržet zmČnu tlaku ±1Pa/s. Indikátor DPI 740 má pĜi rozsahu 15PSI výrobcem udávanou odchylku 0,02% z rozsahu. Maximální chyba tedy je ±20,68Pa (výškový rozdíl ±5,5ft).
5.1.2 PĜesnost mČĜení výstupního napČtí senzoru tlaku Podle údaje výrobce má multimetr Agilent 34401A pro mČĜení stejnosmČrného napČtí v rozsahu do 10V chybu 0,0015% z údaje + 0,0004 z rozsahu. Výstupní napČtí senzoru HCA0611ARG bylo vždy do 3,4V (hodnota pĜi maximálním tlaku), tudíž maximální chyba je ±91ȝV (±0,4ft).
39
Je nutné vzít od úvahy, že pĜepoþet maximální chyby výstupního napČtí tlakového senzoru na maximální chybu mČĜení tlaku ovlivĖuje nČkolik faktorĤ. PĜi vyšším napájecím napČtí bude pĜi stejném mČĜeném tlaku vyšší hodnota výstupního napČtí senzoru, tudíž vzroste i maximální chyba mČĜení. Druhý ovlivĖující faktor je použitý matematický model pro pĜepoþet výstupního napČtí senzoru na tlak.
5.1.3 Celková pĜesnost mČĜení Celková maximální chyba mČĜení tlaku se spoþítá z geometrického souþtu jednotlivých chyb podle vztahu 2
2
2
u celk = u1 + u 2 + ... + u n , kde
ui
(5.1.3)
- chyba jednotlivých þlánkĤ mČĜícího ĜetČzce; i=1,2,...n.
Pro senzor HCA0611ARG tedy celková maximální chyba þiní ±5,8ft.
5.2 Napájení senzoru Již v kapitole 4.1.1 bylo zmínČno, že použitý senzor tlaku musí být napájený z velice pĜesného zdroje napČtí. Jedna z možností je použít vysoce pĜesný zdroj napČĢové reference Analog Device AD588BQ [16] nebo Linear Technology LT1027 [15]. Z nedostatku þasu se povedlo sehnat pouze zdroj referenþního napČtí LT1027CCN8-5, který má pĜesnost 5±0,0025V, což sice nesplĖuje výše zmínČné požadavky kladené na napájecí napČtí senzoru (±0,02%), ale pĜesto byl tento stabilizátor promČĜen. Vybrané charakteristiky zdroje referenþního napČtí LT1027 jsou uvedeny na Obr. 5.2.1 a Obr. 5.2.2. Byly otestovány dva vzorky výše zmínČného zdroje referenþního napČtí a ani u jednoho nebyla namČĜena chyba vČtší než ±0,0012V, což pĜekraþuje naše toleranþní pásmo pouze o ±200ȝV. Jedná se o zmČnu ±0,25Pa, takže tato pĜidaná chyba nebude mít žádný zásadní vliv na chybu mČĜení, tudíž je možné použít zdroj pĜesného referenþního napČtí LT1027CCN8-5 ke stabilizaci napájecího napČtí senzoru.
40
Obr. 5.2.1 Závislost výstupního napČtí
Obr. 5.2.2 Vliv okolní teploty na výstupní
stabilizátoru LT1027 na napájecím napČtí
napČtí stabilizátoru LT1027
5.3 PĜevod signálu na þíslo Cílem této práce bylo navrhnout elektroniku do sondy pro mČĜení výšky letadla, tudíž z výstupního signálu musí být možné získat informaci o hodnotČ tlaku. Elektronická þást mČla být navržena tak, aby výstupní signál byl do letadla posílán již v digitální podobČ, jelikož z dĤvodu pĜenosu signálu na velké vzdálenosti by mohlo docházek k rušivým vlivĤm, které by nepĜíjemnČ ovlivĖovaly pĜenášený analogový signál. S touto podmínkou se poþítalo již pĜi výbČru senzoru tlaku, tudíž byl vybrán senzor tlaku HCA0611ARH (Obr. 5.3.1), který poskytuje výstupní signál i v digitální podobČ, tudíž není nutný žádný další AD pĜevodník.
Obr. 5.3.1 SensorTechnics HCA0611ARH
41
Senzor
HCA0611ARH
se
od
testovaného
PIN
Zapojení
senzoru HCA0611ARG liší pouze v tom, že má
1
+Vs
vyvedené piny pro þíslicový výstup. V Tab. 5.3.1 je
2
GND
uveden zpĤsob zapojení senzoru HCA0611ARH.
3
Vout
4
nezapojovat
o
5
SCL
dvouvodiþové datové propojení mezi procesorem
6
nezapojovat
(Master) a periferními souþástkami (Slaves).
7
nezapojovat
8
SDA
Pro þtení þíslicového výstupu musí být senzor
pĜipojen
k sbČrnici
I²C.
Jedná
se
Tab. 5.3.1 Zapojení senzoru
SbČrnice používá sériovou datovou linku SDA a linku hodinového signálu SCL (viz. Obr. 5.3.2). Všechny souþástky jsou pĜipojeny na téže sbČrnici a jsou cílenČ vybírány svými adresami. Adresy i data se pĜenášejí týmiž vodiþi.
Obr. 5.3.2 Možné propojení jednotlivých integrovaných obvodĤ
Princip pĜenosu Jeden z integrovaných obvodĤ je nastaven jako MASTER a všechny ostatní obvody jsou SLAVE. Master pĜi jakémkoli pĜenosu generuje hodinový signál na vodiþi SCL. Když jeden þip vysílá, pĜijímají všechny ostatní a pouze podle adresy urþují, zda jsou urþeny právČ jim. ýip, který chce vyslat/pĜijmout data musí nejprve definovat adresu þipu, s kterým chce komunikovat a zda pĤjde o pĜíjem nebo vysílání. To urþuje R/W bit, který je souþástí adresy.
PĜenos probíhá kombinováním následujících celkĤ: Stav klidu
– Logické jedniþky jsou na obou vodiþích.
Start bit
– ZmČna log. úrovnČ SDA z 1 na 0 zatímco SCL je v logické 1.
42
Stop bit
– Logická úroveĖ SDA se zmČní z 0 na 1 zatímco SCL je v log. 1.
PĜenos dat – Logická úroveĖ na SDA se mĤže mČnit pouze pokud je SCL v 0. Potvrzující bit (Ack) – Potvrzení správného pĜijmutí dat (0 – OK, 1 - selhal) Na. Obr. 5.3.3. je vyobrazen zpĤsob komunikace mezi µ-procesorem a senzorem.
Obr. 5.3.3 I²C protokol
43
6 ZávČr Z namČĜených výsledkĤ vyplývá, že senzor HCA0611ARG/H je možné použít pro snímání tlaku až do výšky 4km. K odchylce testovaného snímaþe nejvíce pĜispívá teplotní závislost a nestabilita napájecího napČtí. Teplotní závislost mĤžeme potlaþit termostatováním na teplotu dostateþnČ vysokou, aby nemohla být pĜekroþena za bČžných provozních a skladovacích podmínek. Další možnost je použít zaslepený senzor tlaku, jehož výstupní signál by se mČnil pouze v závislosti na teplotČ a pomocí nČhož by se korigovala výstupní veliþina senzoru mČĜícího skuteþný tlak. Z hlediska krátkodobé stability nedopadl senzor vĤbec špatnČ, jelikož se celá charakteristika posunula pouze jedním smČrem. Tento posuv by mČla potlaþit kalibrace výškomČru pouze v jednom bodČ pĜed každým letem, což by urþitČ nebyl problém. Výstupní napČtí senzoru bylo velice citlivé na zmČnu napájecího napČtí, tudíž musel být do mČĜícího systému pĜidán zdroj velice pĜesného referenþního napČtí LT1027CCN8-5, který udržoval stabilitu napájecího napČtí senzoru 5±0,0012V. Díky
A/D
pĜevodníku
integrovanému
pĜímo
v senzoru
tlaku
HCA0611ARH, bylo možné pĜipojit senzor ke sbČrnici I2C a údaje o velikosti výstupního napČtí þíst v þíslicovém tvaru. PromČĜený senzor se pro aplikaci tohohle druhu zajisté hodí, nicménČ je nutné senzor podrobit dalšímu mČĜení, napĜ. dlouhodobá stabilita, dopružování atd.
44
7 Použitá literatura [1]
Draxler, K.: PĜístrojové systémy letadel II, skriptum, FEL ýVUT, PRAHA 2002
[2]
Novák M.: Použití levných senzorĤ tlaku pro mČĜení výšky barometrickou metodou, diplomová práce, FEL ýVUT, PRAHA 2006
[3]
VČĜíš, J.: Využití vyšších módĤ kmitání pĜi mČĜení rezonanþními senzory tlaku, disertaþní práce, FEL ýVUT, PRAHA 1999
[4]
Automa: Odborný þasopis pro automatizaþní techniku, díl: 2,7,10/2007
[5]
HW Server s.r.o.: http://hw.cz. Technický server, který se zamČĜuje na oblast elektroniky, hardware a programování.
[6]
Kadlec, K., Fišer, L.: MČĜící technika, skriptum, VŠCHT, PRAHA 2007
[7]
Orlíková, S.: Inteligentní senzory, prezentace, FEKT VUT, BRNO
[8]
HCA0611ARG/H: Miniature amplified barometric pressure sensors, datasheet, SensorTechnics, 2007
[9]
19U/C: Low Cost, Stainless Steel Isolated Pressure Sensors, datasheet, Invensys Sensor Systems, 2004
[10]
MPX2102A: Freescale Semiconductor Technical Data, datasheet, Freescale Semiconductor, 2005
[11]
MPXA6115A: Freescale Semiconductor Technical Data, datasheet, Freescale Semiconductor, 2007
45
[12]
DPI 740: Precision Pressure Indicator, User Manual, Druck Inc.
[13]
34401A: HP 34401A Multimeter, User’s guide, Hewlett-Packard, 1996
[14]
DC I PG(A) 4A: SMART snímaþe tlaku, datasheet, DataCon MSI s.r.o., 1999
[15]
LT1027: Precision 5V Reference, datasheet, Linear Technology
[16]
AD588BQ: High Precision Voltage Reference, datasheet, Analog Devices, 2003
[17]
Edward
A.
Haering, Jr.:
Airdata
Measurement and
Calibration,
memorandum 104316, NASA, 1995
[18]
Thompson, F. L.: The Measurement of Air Speed of Airplanes, technical note 616, Langley Memorial Aeronautical Laboratory, Washington 1937
[19]
O’Mahoney, S.: Trailing Bomb, drawing, SpaceAge Control Inc., 2003
46
8 Obsah 1. ÚVOD
1
1.1. CÍL PRÁCE
1
1.2. SONDA
1
2. TEORETICKÝ ROZBOR
3
2.1. MċěENÍ VÝŠEK LETU LETADLA
3
2.1.1. Definice výšek v letectví a metody jejich mČĜení
3
2.1.2. Zemská atmosféra
5
2.1.3. Mezinárodní standardní atmosféra (MSA)
7
2.1.4. Dovolené tolerance barometrických výškomČrĤ
8 9
2.2. SENZORY TLAKU 2.2.1. Základní pojmy
9
2.2.2. Kapacitní snímaþe tlaku
12
2.2.3. Rezonanþní snímaþe tlaku
13
2.2.4. SMART senzory
17
2.2.5. Piezoelektrické senzory
20 21
2.3. LEVNÉ SENZORY TLAKU 2.3.1. Honeywell
21
2.3.2. Freescale Semiconductor Inc.
23
2.3.3. SensorTechnics
24
2.3.4. Použitý senzor tlaku
25
3. PěÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ MċěÍCÍHO SYSTÉMU
26
4. NAMċěENÉ CHARAKTERISTIKY SENZORU TLAKU
27
4.1. Vliv napájecího napČtí Ucc na výstupní napČtí Uout
28
4.2. Chyba linearity
30
4.3. Výpoþet výšky h z výstupního napČtí senzoru Uout
33
4.4. Tlaková hystereze
35
4.5. Dopružování
36
4.6. Teplotní závislost
36
4.7. Stabilita parametrĤ snímaþe tlaku
37
5. ZHODNOCENÍ VÝSLEDKU MċěENÍ
42
47
5.1. PěESNOST MċěENÍ
39
5.1.1. PĜesnost mČĜení nastaveného tlaku
39
5.1.2. PĜesnost mČĜení výstupního napČtí senzoru tlaku
39
5.1.3. Celková pĜesnost mČĜení
40
5.2. NAPÁJENÍ SENZORU
40
5.3. PěEVOD SIGNÁLU NA ýÍSLO
41
6. ZÁVċR
44
7. POUŽITÁ LITERATURA
45
8. OBSAH
47
48
