ESKÉ VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra mení
DIPLOMOVÁ PRÁCE Elektronika sondy pro mení rychlosti letu
leden 2009
Hynek Matjec
2
Anotace Práce se zabývá konstrukcí elektronických obvod sondy pro mení kalibrované rychlosti letu v rozsahu 80km/hod až 450km/hod. Sonda je zavšena pod letadlem ve vzdálenosti 20 až 30m, aby mení nebylo ovlivnno trupem letadla. K realizaci byl vybrán diferenní senzor tlaku MPX5010. K penosu signálu do letadla byla použita analogová proudová smyka. V rozšíeném provedení pak byla po digitalizaci k penosu využita sbrnice CAN.
Annotation The diploma thesis deals with the construction of electronic for measuring calibrated airspeed in range from 80km/h to 450km/h. Probe is trailed below a plane in distance 20 up to 30 m so as to measure not be rule of fuselage of plane. Implementation is with a differential pressure sensor MPX5010. For connection to plane was used an analog current loop. On an additional realization was connected after digitalization by CAN bus.
3
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatn a použil jsem pouze podklady ( literaturu, projekty, atd.) uvedené v piloženém seznamu.
V Praze dne ……………………….
……………………………………. Podpis
4
Obsah 1 Úvod .........................................................................................................................................7 1.1 Sonda............................................................................................................................7 2 Problematika mení vzdušných rychlostí .........................................................................10 2.1 Mezinárodní standardní atmosféra .............................................................................11 2.2 Pitot–statická trubice..................................................................................................13 2.3 Vzdušné rychlosti v nestlaitelném proudní ............................................................15 2.4 Vzdušné rychlosti ve stlaitelném proudní ..............................................................16 2.5 Pehled použitých konstant ........................................................................................19 3 Požadavky na senzor diferenního tlaku............................................................................20 3.1 Tolerance kalibrované rychlosti CAS ........................................................................20 3.2 Zpsoby mení diference tlak.................................................................................20 3.3 Výpoet rozsah meného diferenního tlaku..........................................................22 3.4 Vliv chyby diferenního tlaku na velikost CAS ........................................................23 3.5 Shrnutí požadavk na senzor .....................................................................................24 3.6 Pehled senzor ..........................................................................................................24 3.6.1 Sníma tlaku serie N Cressto .............................................................................25 3.6.2 BHV 5355 ..........................................................................................................26 3.6.3 DMP331,DMK331.............................................................................................26 3.6.4 Vegabar 14 .........................................................................................................27 3.6.5 RPT serie............................................................................................................27 3.6.6 Senzory Fujikura ..................................................................................................1 3.6.7 SDX A série .......................................................................................................28 3.6.8 SP82 ...................................................................................................................29 3.6.9 Senzory Freescale...............................................................................................30 3.7 Výbr vhodného senzoru pro realizaci.......................................................................34 4 Ovení vlastností senzor .................................................................................................35 4.1 Vliv napájecího naptí na zmnu výstupního naptí..................................................35 4.1.1 MPX2010 ...........................................................................................................35 4.1.2 MPX5010 ...........................................................................................................36 4.2 Teplotní závislost .......................................................................................................36 4.2.1 Použité mící pístroje ......................................................................................38 4.2.2 Ovení senzoru MPX2010................................................................................38 4.2.3 Ovení senzoru MPX5010................................................................................39 4.3 Stabilita senzoru .........................................................................................................40 4.4 Zhodnocení mení ovující vlastnosti senzor........................................................41 4.4.1 Pesnost mení nastaveného tlaku ....................................................................41 4.4.2 Pesnost mení výstupního naptí senzoru tlaku ..............................................41 5 Systém pro mení CAS s analogovou proudovou smykou.............................................43 5
5.1 Senzor se stabilizovaným napájením .........................................................................43 5.2 Pevod U/I ..................................................................................................................44 5.2.1 Obvod XTR111 ..................................................................................................44 5.3 Napájení a pívodní svorkovnice ...............................................................................46 6 Návrh systému s íselným pevodem v sond ...................................................................47 6.1 Pevod analogového signálu ze senzoru na íslo .......................................................47 6.1.1 Použitý sigma-delta pevodník ADS1100..........................................................47 6.1.2 Sbrnice I2C .......................................................................................................48 6.1.3 Zapojení AD pevodníku do obvodu..................................................................49 6.2 Mikroprocesor ............................................................................................................49 6.2.1 Zapojení mikroprocesoru do obvodu .................................................................49 6.3 Sbrnice CAN ............................................................................................................50 6.3.1 Parametry CAN ..................................................................................................50 6.3.2 Zapojení CAN do obvodu ..................................................................................51 6.4 Zapojení RS 232 do obvodu.......................................................................................51 6.5 Napájení .....................................................................................................................52 7 Testování funkního vzorku...............................................................................................53 7.1 Ovení proudové smyky funkního vzorku ............................................................53 7.1.1 Celková relativní chyba proudové smyky ... Chyba! Záložka není definována. 8 Závr ..................................................................................................................................55 Pílohy ........................................................................................................................................56 Použitá literatura ........................................................................................................................64
6
1 Úvod Rychlomr patí do základní výbavy každého letadla. Ke srovnávacím a kalibraním mením rychlomru v nkterých pípadech slouží i vlená sonda zavšená na lan 20 až 30m pod letadlem, jak je znázornno na Obr. 1. Sonda slouží ke kontrole mení aerometrických veliin, kdy se na výsledku neuplatní vliv draku letadla. Popis závsné sondy je v kapitole 1.1. Zmené tlaky, celkový a statický, byly vedeny hadikami podél závsného lana do letadla, kde byly teprve vyhodnocovány. V této práci je však zámrem vyhodnocovat tlaky už v sond a údaj penášet do letadla v elektrické form. Cílem práce je navrhnout vhodný senzor pro urování kalibrované vzdušné rychlosti z diference tlak snímaných vlenou sondou. Bylo tedy nejdíve nutné definovat požadavky na senzor tlaku (kapitola 3), kde byly také uvedeny povolené tolerance údaje rychlomru. Z výtu diferenních senzor tlaku byl vybrán vhodný dostupný senzor pro realizaci (kapitola 3.7). Ten byl následn promen pro ovení jeho vlastností (kapitola 4). Poté následoval návrh,výroba a osazení desky plošných spoj pro systém s penosem po analogové proudové smyce (kapitola 5). Rozšiující návrh poítá s digitalizací pímo v sond a s penosem po sbrnici (kapitola 6).
Obr. 1: Znázornní zavšení vlené sondy /není v mítku/
1.1
Sonda
Vlená Pitot-statická sonda, angl. trailing bomb, s oznaením 100800 od kalifornské firmy SpaceAge Control Inc. se používá pro helikoptéry a malá letadla pro pokusné kalibraní a srovnávací mení rychlosti do velikosti 200 knot (370,4 km/h) a pro mení výšky letu. Sonda je urená pro mení hodnot celkového a statického tlaku neovlivnného trupem letadla, je zavšena a vleena pod a mírn za letadlem na ocelovém lan dlouhém 70 stop (21,3 m). Vstup celkového tlaku je na samém ele sondy, vstup pro statický tlak je v plášti sondy 152 mm od ela sondy, viz konstrukní výkres Obr. 2. Vnitkem trupu sondy jsou vedeny 7
trubiky s obma tlaky k vyústní obou trubiek za úchytným okem, mírn za tžištm sondy. Trup sondy je tvoen trubkou o prmru 38 mm z nerezavé oceli s délkou 560 mm se stabilizaními kidélky na konci o rozptí 250 mm, které mají za úkol udržovat sondu ve stabilizované poloze. Úchytné oko je z bronzu a tlakové trubky z hliníku. Hmotnost celé sondy je 170 uncí (4,8 kg). Konstrukní výkresy vlené sondy jsou na Obr. 2 a Obr. 3, rozmry jsou udávány v palcích 1 , v závorce v milimetrech.
Obr. 2: konstrukní výkres závsné sondy 100800, profil
Obr. 3: konstrukní výkres závsné sondy 100800, pohled zepedu
1
1palec = 25,4mm
8
Celkový a statický tlak je podle doporuení výrobce vyveden z vyústní sondy dvma hadikami podél lana do letadla. Tím je zárove zajištna korekce tlak a vylouí se zmna statického tlaku zpsobená umístním sondy v nižší hladin, což by mlo význam nap. pi mení výšky letu. ešení, které je pedmtem této práce, spoívá ve zpracování tlaku na elektrický signál pímo v sond a elektrický signál se podél závsného lana penáší do letadla. Sonda byla vyvinuta ve spolupráci s U.S.Army a byla použita na leteckých testech s vrtulníky typu UH-60, V-22, AH-64.
Obr. 4: Závsná sonda 100800 ve vlastnictví VUT Brno V R probíhají testy na této sond v Leteckém ústavu Fakulty strojního inženýrství VUT Brno, kde ešení bylo konzultováno s Ing. R.Šošovikou, Ph.D. Závsná sonda 100800 od firmy SpaceAge Control Inc. ve vlastnictví VUT Brno je na Obr. 4.
9
2
Problematika mení vzdušných rychlostí
Letecké rychlomry jsou cejchovány bu v jednotkách knot (uzel), nebo km/h (1 knot = 1,852 km/h) 1 . Z hlediska vedení letadla po trati jsou definovány rychlosti: vTAS pravá vzdušná rychlost (True airspeed, nkdy jen TAS), kterou se letadlo pohybuje vi okolní atmosfée vWS rychlost vtru (Wind speed) vGS zemní (tra ová) rychlost - vznikne vektorovým soutem vTAS a vWS , viz Obr. 5.
Obr. 5: Rychlostní trojúhelník Vedle významu pro navigaci je rychlost také základním parametrem v mechanice letu letadla. & Pi ustáleném letu charakterizuje vztlakovou sílu FVZ psobící na nosnou plochu letadla, jejíž velikost popisuje vztah & FV Z
kde
& FVZ
je
1 & c U Sv 2 2
(1)
vztlaková síla [N]
c
aerodynamický souinitel [-]
U
hustota vzduchu [kg/m3]
S
plocha nosných ploch [m2]
& v
(u tles se vztlakovým charakterem) rychlost [m/s]
aby se letadlo udrželo v ustáleném letu, musí být splnna podmínka 1
knot (uzel) = námoní míle/hodina, nám.míle (nautical mile) je odvozena od vzdálenosti na rovníku, která je
mezi dvma poledníky, které jsou vzájemn posunuty o úhel 1 minuta
10
& FVZ
& & mg G
(2)
Kde m je hmotnost, g je gravitaní konstanta, G je tíha letadla, pak mžeme ( 1 ) pepsat na : & 1 & G cUSv 2 (3) 2
& a vyjádit pádovou rychlost v ve tvaru & v
& 2G cSU
(4)
Letadlo se musí pohybovat vyšší než pádovou rychlostí. Ze závislosti ( 4 ) je patrné, že pádová rychlost je ve vyšších výškách vyšší, tedy letadlo zde musí lett rychleji než u povrchu Zem, aby vztlaková síla byla stejná. Proto je mimo jiné omezen výškový dostup letadel. A protože hustota vzduchu závisí na teplot, je známo že v zim letadlo snadnji stoupá, v tropických oblastech mže letadlo nést menší zátž, atd. Vztlakovou sílu charakterizuje indikovaná vIAS 1 , resp. kalibrovaná rychlost vCAS (Calibrated airspeed, nkdy jen CAS). vIAS je definována jako údaj rychlomru opravený o chybu pístroje. vCAS vychází z vIAS a dopluje ji o opravu chyby snímae za pedpokladu stlaitelnosti vzduchu. Je to rychlost zdánlivá, vyjadující aerodynamické obtékání letadla vzduchem. Znalost této rychlosti je naprosto zásadní pro ízení letadla - práv na ní záleží, zda a v jaké konfiguraci (tj. nastavení klapek, podvozku, atd.) letadlo poletí. Kalibrovaná rychlost je vztažena na nulovou výšku podle Mezinárodní standardní atmosféry (MSA). Letadla dosahují vyšších rychlostí zpravidla ve velkých výškách, kde díky idšímu vzduchu odpovídá aerodynamické obtékání letadla podstatn nižší rychlosti v menší výšce. 2.1
Mezinárodní standardní atmosféra
Aby bylo možno jednoznan urit výšku, kalibrovanou rychlost, vertikální rychlost a Machovo íslo je nutné znát parametry zemské atmosféry. Proto je definována Mezinárodní standardní atmosféra (MSA), která je popsaná parametry odpovídající stední hladin moe na 45° zempisné šíky. MSA je schválená mezinárodní leteckou organizací ICAO (International Civil Aviation Organization). Hodnoty do výšky 5000m jsou uvedeny v Tab. 1.
1
vIAS (Indicated Airspeed)
11
Tab. 1: Mezinárodní standardní atmosféra výška
stat.tlak hustota ph h
h [m]
[ft]
[Pa]
0
0
3
[kg/m ]
teplota Th [°C]
[K]
101325 1.225
15
288.15
1000 3281
89874
1.112
8.5
281.65
2000 6562
79495
1.006
2
275.15
3000 9843
70108
0.909
-4.5
268.65
4000 13124
61640
0.819
-11
262.15
5000 16405
54019
0.736
-17.5
255.65
Hodnoty v tabulce MSA podle výšky h se vypoítají podle následujících vztah:
U h >kg / m
3
@
h>m@ · § 1,225¨1 ¸ © 44308 ¹
> @
Th $ C
p h >Pa @
Kde
4 , 2553
(5)
15 h[m] 6,5 10 3
§ T >K @ · ¸¸ 101325 ¨¨ h T K > @ © 0 ¹
(6)
5 , 2559
(7)
h je hustota ve výšce h, Th je teplota ve výšce h, ph je statický tlak ve výšce h, T0 je 288,15K, teplota v nulové výšce MSA.
Na Obr. 6 je znázornn prbh teploty, tlaku a hustoty do výšky 11km podle MSA.
12
Obr. 6: Prbh teploty, tlaku, hustoty podle MSA
2.2
Pitot–statická trubice
Rychlost je na letadle urována z diference dvou tlak, které míme Pitot–statickou trubicí (sondou), (viz Obr. 7) a to hlavn na malých letadlech typu Zlín. Na vtších letadlech, nap. už od velikosti typu L410, je Pitotovou trubicí snímán jen celkový tlak pcelk (viz Obr. 9). Sondy pro statický tlak pstat jsou vtšinou dv soumrn umístné po obou stranách trupu pibližn v míst kabiny pilot - pro kompenzaci chyb pi vyboeném letu (viz Obr. 10). Pak mluvíme jen o Pitotov trubici. Píklady rychlomrných sond jsou na Obr. 8.
13
Obr. 7: Princip snímaní tlak Pitot-statickou trubicí trubice proud vzduchu s parametry ph,vh,Uh
Za letu vstupuje do otvoru Pitot–statické
Za pedpokladu, že na vstupu trubice dojde k zabrždní vzduchu, tj. v1 = 0, je veškerá kinetická energie pemnna na tlakovou, což se projeví nárstem tlaku p1 v ústí trubice. Celá situace je analogická, jakoby se pohyboval proud vzduchu rychlostí v a drak letadla se snímaem stál na míst. Na boku trubice je vstup pro statický p2. Veliiny s indexem h (vyjadující výšku) nejsou (a nesmjí být) ovlivnny pohybem a tvarem letadla. V ideálním pípad mžeme psát ph
Uh
p2
p stat
(8)
U2 Ustat
(9)
V dalším textu je uvažováno s ideálním mením kanálu statického tlaku, pro který platí vztahy ( 8 ) a ( 9 ). Pokud budou výstupní tlaky ze sondy vyhodnocovány diferenn, bude men jejich rozdíl, tedy pcelk pstat
pd
Dynamický tlak (pd) charakterizuje menou vzdušnou rychlost.
14
( 10 )
Obr. 8 : Rychlomrné sondy: 1)Pitot-statická trubice 6SR s držákem do pravého úhlu 2)Pitot-statická sonda 6SRG, (délka 220mm)
3)Pitotova sonda
4)Venturiho trubice – pro mení malých rychlostí 5)Tlakový senzor pro statický tlak (1pár) Aby snímané tlaky odpovídaly skutenosti, musí být sonda umístna na správné místo na letadle a navržena optimáln pro uritou rychlost letu. Pohyb letounu, ale ani uchycení sondy nesmí ovlivnit ideální podélné rozložení tlak kolem sondy. Proto závsná sonda, podle Obr. 3, má na svém konci kidélka, která mají za úkol zamezit vyboování sondy. Aby otvory pro vstup snímaných tlak nezamrzaly, jsou vyhívány.
Obr. 10: Vstup pro statický tlak (B-737) Obr. 9: Pitotova trubice (B-737)
2.3
Vzdušné rychlosti v nestlaitelném proudní
Ozname výstupní tlaky z Pitot-statické trubice dle Obr. 7 jako pstat a pcelk. Podle Bernoulliho rovnice pro nestlaitelné proudní platí: 15
p1
U 1 v1 2 2
ph
U hv 2
ko n st
2
( 11 )
p c elk
Volíme-li za základ nulovou výšku podle MSA, vzniká po dosazení z ( 10 ) do ( 11 ) pro v1 = 0 první vztah pro vzdušnou rychlost. v
2 pd
( 12 )
U0
Tento vztah však platí jen pro první piblížení. Musíme mít na pamti, že vycházíme z pedpokladu pro nestlaitelné proudní, který však vzduch nespluje. V nulové výšce pi rychlosti 250 km/h bude relativní chyba v dsledku stlaitelnosti vzduchu 1%, pi rychlosti 450 km/h cca 3,3%. Výsledná absolutní chyba bude vždy záporná. 2.4
Vzdušné rychlosti ve stlaitelném proudní
Pi uvažování stlaitelnosti vzduchu musíme vyjít z termodynamické rovnice popisující energetické pomry v ose Pitot-statické trubice (viz Obr. 7). v1 2 2
c p T1
kde
cp
c p Th
v2 2
( 13 )
je mrná tepelná kapacitu vzduchu pi stálém tlaku [ Jkg 1K 1 ]
T1 je teplota zbrždného vzduchu na vstupu Pitot-statické trubice [K] je teplota nerozrušeného vzduchu ped trubicí, jehož statický tlak je ph [K] Th v1 a v je rychlost proudu vzduchu na vstupu do trubice a ped trubicí [m/s]. Po ustálení tlak dochází na vstupu sondy k zabrždní proudu vzduchu (tzn. v1 = 0) a ( 13 ) pechází na c p T1
c pTh
v2 2
( 14 )
pro T1 získáme úpravou ( 14 ) T1
v2 Th 2c p
§ v2 Th ¨ 1 ¨ 2c T p h ©
· ¸¸ ¹
( 15 )
mrnou tepelnou kapacitu cp však mžeme vyjádit jako cp
kde
Rm N
Rm
N
N 1 znaí mrnou plynovou konstantu vzduchu [J/(kgK)] Poissonovu konstantu pro vzduch [-]
Dosadíme-li ( 16 ) do ( 15 ), dostáváme
16
( 16 )
T1
§ v2 N 1 · Th ¨ 1 ¸ © 2Th Rm N ¹
( 17 )
V otvoru Pitot-statické sondy dochází k adiabatickému dji. Protože rovnicí adiabaty mžeme popsat i tepelnou bilanci vzduchu pro libovolné místo na proudnici, platí: p1V1N
phVh N
( 18 )
protože pro jednotkovou hmotnost 1
V
( 19 )
U
platí p1
ph
U hN
( 20 )
p Rm T
( 21 )
ph RmN ThN phN
( 22 )
U 1N
pro hustotu vzduchu platí empiricky:
U pak je možno pepsat ( 20 ) jako: p1RmN T1N p1N
Vyjádeme nyní teplotu vzduchu v míst vstupu do Pittot-statické trubice : T1N
p1N phThN p1 phN
( 23 )
Tedy: T1
p Th 1 ph
N
ph p § p · Th 1 ¨ 1 ¸ p1 ph © ph ¹
1
N
1
§ p · Th ¨ 1 ¸ © ph ¹
1
N
§ p · Th ¨ 1 ¸ © ph ¹
N 1 N
( 24 )
Po vyjádení T1 mžeme dosadit do ( 17 ): § p · Th ¨ 1 ¸ © ph ¹
N 1 N
§ 1 N 1 v2 · Th ¨ 1 ¸ © 2 N RmTh ¹
( 25 )
Tlak na vstupu Pitot-statické trubice však odpovídá výstupnímu tlaku ze sondy pcelk, tedy: p1
pcelk
( 26 )
§ 1 N 1 v2 · Th ¨ 1 ¸ © 2 N RmTh ¹
( 27 )
po dosazení ( 26 ) do ( 25) získáváme: §p · Th ¨ celk ¸ © ph ¹
N 1 N
Po vyjádení pcelk:
17
§ 1 N 1 v · ph ¨ 1 ¸ © 2 N RmTh ¹ 2
pcelk
N N 1
( 28 )
Pro pd platí: N 1 ª º § · U 1 N 1 h 2 N « ph ¨¨1 v ¸ 1» «© 2 N ph ¸¹ » «¬ ¼»
pd
( 29 )
Ze vztahu ( 28 ) mžeme konen vyjádit vzdušnou rychlost jako: N 1 § · N ª º p 2R T N ¨ celk 1¸ m h ¨« p » ¸ N 1 ¨¬ h ¼ ¸ © ¹
v
( 30 )
Vzdušná rychlost je úmrná dynamickému tlaku pd, pro njž platí ( 10 ). Po dosazení( 10 ) do ( 30 ) mžeme psát v
N 1 § · ¨ ª pd ¸ 2R T N ºN 1» 1¸ m h ¨« ¼ ¨ ¬ ph ¸ N 1 © ¹
( 31 )
dosazením za Th ze vztahu ( 21 ) dostaneme:
Th
ph U h Rm
( 32 )
Po dosazení do ( 31 ) mžeme rovnici pro vzdušnou rychlost kosmeticky upravit do tvaru:
v
N 1 § · ¨ ª pd ¸ p 2N ºN 1» 1¸ h ¨« ¼ ¨ ¬ ph ¸ Uh N 1 © ¹
( 33 )
Kalibrovaná rychlost vCAS je vztažena na nulovou letovou výšku dle MSA, kde hodnota ph = p0 = 101,325 kPa Uh = U0 = 1,225 kgm-3 a ( 33 ) pechází na :
vCAS
N 1 § · ¨ ª pd ¸ p 2N ºN 1» 1¸ 0 ¨« ¼ ¨ ¬ p0 ¸ U0 N 1 © ¹
( 34 )
18
2.5
Pehled použitých konstant
Základem vztah pro vzdušné rychlosti jsou parametry standardní atmosféry MSA v nulové výšce, uvedeny v kapitole 2.1 a fyzikální konstanty pro vzduch: x
N = 1,4
Poissonova konstanta vzduchu [-]
x
p0 = 101,325
absolutní tlak vzduchu v nulové výšce [kPa]
x
U0 = 1,225
hustota vzduchu v nulové výšce [kgm-3]
x
Rm= 287,05287
mrná plynová konstanta vzduchu [Jkg-1K-1]
x
T0 = 288,15
teplota vzduchu v nulové výšce [K]
19
3
Požadavky na senzor diferenního tlaku
V této kapitole je nejdíve popsána tolerance kalibrované rychlosti. Je popsána možnost mení diference tlaku. Následn je spoítána tabulka tlak pro rychlosti ze zadání spolu s uvedením tolerancí. Jsou ureny rozsahy mené diference. Na základ tchto rozsah následuje pehled možných senzor, z kterého je vybrán senzor pro realizaci systému.
3.1
Tolerance kalibrované rychlosti CAS
Hodnota CAS, popsaná v kapitole 2, definuje velikost vztlakové síly, která je nutná k udržení letadla ve vzduchu, je tedy zcela zásadní menou veliinou. Tolerance mení CAS vychází z pedpis pro malá letadla FAR 1 /CS 2 , díve JAR 3 part 23 a je uvedena v Tab. 2. Tolerance je také uvedena v [ 1]. Tab. 2: Tolerance vCAS CAS [km/h]
80 100 120 140 160 200 300 350 400 450 500
povolená tolerance 8 +/- CAS [km/h]
3.2
8
6
6
5
5
5
10 10 10 10
Zpsoby mení diference tlak
Pro mení rozdílu dvou tlak mohou být použity ti metody. První metoda používá dva senzory absolutního tlaku (tlaku proti referennímu vakuu), jeden pro celkový tlak pcelk a druhý pro statický tlak pstat a matematickým rozdílem spoítá jejich diferenci. Tento zpsob je však nevhodný, protože pro malé rychlosti je diference tlak malá, takže pi rozdílu chyba výsledku roste, což klade velké nároky na pesnost obou sníma tlak. Senzor se vstupem statického tlaku by bylo možno využít k urení výšky. Druhá možnost je použít relativní senzor tlaku, který mí rozdílový tlak jednoho prostedí proti hodnot atmosférického tlaku v okolí senzoru. Má jen jeden vstup tlaku. Tato možnost je podobná poslední možnosti, ale nelze u ní snadno laboratorn simulovat rzné letové hladiny. V této aplikaci není vhodný, protože by nebylo zajištno pivedení atmosférického (statického) tlaku.
1
FAR zn. Federal Aviation Regulations, je to pojmenování pedpis org. FAA
2
CS zn. Certification Specification, je to pojmenování pedpis org. EASA
3
JAR zn. Joint Aviation Requirements, je to pojmenování pedpis org. JAA
20
Ve tetím pípad je použit jeden senzor diferenního tlaku (Differential pressure sensor), který mí rozdíl tlaku ve dvou prostedích nezávisle na okolním prostedí. Má dva tlakové vstupy. Tím odpadá nutnost matematického pepoítávání a do mení vstupuje jen jedna nepesnost. Pehledné znázornní je uvedeno na Obr. 11, který je pevzatý z [ 2 ], kde normální barometrický tlak pbn=101325 Pa odpovídá statickému tlaku v nulové výšce MSA (viz Tab. 1).
Obr. 11: Rozdlení a pojmenování jednotlivých druh tlak Pro své výhody bylo zvoleno použít senzor diferenního tlaku se dvma tlakovými vstupy, na jeden bude piveden celkový tlak pcelk, na druhý statický tlak pstat. Podle ( 10 ) platí pro nenulové (dopedné) rychlosti p celk ² p stat
( 35 )
21
3.3
Výpoet rozsah meného diferenního tlaku
Zadání pedpokládá mení kalibrované rychlosti letu v rozmezí 80 km/h až 450 km/h. Jak je uvedeno v kapitole 3.2, bylo rozhodnuto použít diferenní senzor tlaku. Pro zadané rychlosti byla spoítána Tab. 3 teoreticky pedpokládaných tlak v nulové výšce MSA s uvažováním stlaitelnosti vzduchu. V Tab. 3 je první sloupec uvažované rychlosti vcas, druhý je pd podle vzorce ( 29 ), tetí je tolerance údaje rychlomru dle kapitoly 3.1. tvrtý sloupec je vypotený diferenní tlak pd+ podle ( 29 ) s dosazením za rychlost (v = vcas + tolerance). Pátý sloupec je vypotený diferenní tlak pd- podle ( 29 ) s dosazením za rychlost (v = vcas - tolerance). Poslední dva sloupce jsou absolutní hodnoty rozdílu horní a dolní tolerance od tlaku v druhém sloupci pd+ =(pd - pd+) a pd- =(pd - pd-).
Tab. 3: Hodnoty diferenního tlaku v nulové výšce pro vcas vcas
pd
tolerance +/-
pd+ [Pa]
pd- [Pa]
pd+
pd-
[km/h]
[Pa]
[km/h]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
[Pa]
40
75.64
8
108.93
48.40
33.29
27.23
60
170.24
8
218.70
127.85
48.46
42.39
80
302.79
8
366.46
245.21
63.67
57.58
100
473.40
8
552.32
400.58
78.93
72.82
120
682.19
6
752.30
615.53
70.11
66.66
140
929.34
6
1010.99
851.16
81.65
78.18
160
1215.04
5
1292.52
1139.99
77.48
75.05
200
1903.06
5
2000.08
1808.50
97.02
94.56
300
4317.62
5
4464.99
4172.84
147.36
144.78
350
5908.56
10
6258.38
5569.37
349.82
339.19
400
7765.43
10
8169.51
7372.35
404.08
393.08
450
9897.52
10
10357.87
9448.59
460.36
448.93
500
12315.48
10
12834.41
11808.46
518.93
507.02
Na Obr. 12 je vynesen graf závislosti tlaku pd na rychlosti pro nulovou hladinu, pro kterou je definována vcas . Aby byla splnna tolerance chyby rychlomru podle kapitoly 3.1, musí být na grafu pro zvolenou CAS prseík s hodnotou diferenního tlaku mezi kivkami pd+ a pd- .
22
pd=fce(v) 14000 12000
pd+ 0m
10000 pd [Pa]
pd- 0m 8000 6000 4000 2000 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
v [km/h]
Obr. 12: Graf závislosti pd na rychlosti v nulové výšce MSA
3.4
Vliv chyby diferenního tlaku na velikost CAS
Protože závislost pd na rychlosti není lineární, není možné urit chybu rychlosti pi nepesném urení pd pro celý rozsah, ale jen pro úrovn jednotlivých rychlostí. Sloupce tabulky Tab. 4 udávají vcas pro uvedené zvýšení pd o (10,30,40 až 80) Pa, viz vzorec ( 34 ), kde pd=pd+pd. Tedy napíklad pi zvýšení pd o pd =40 Pa na úrovni rychlosti 80 km/h se rychlost zvýší o 5,11 km/h na 85,11 km/h. Naproti tomu na úrovni 450 km/h se rychlost zvýší jen o 0,88 km/h na 450,88km/h. Vše je znázornno na grafu Obr. 13 i s vyznaením tolerance mení CAS.
Tab. 4: Vliv chyby diferenního tlaku na velikost rychlosti vcas tolerance +/v v( 10Pa) v( 30Pa) v( 40Pa) v( 50Pa) v( 60Pa) v( 70Pa) v( 80Pa) [km/h] [km/h] [km/h] [km/h] [km/h] [km/h] [km/h] [km/h] [km/h] 40 8 42,56 47,27 49,46 51,55 53,56 55,50 57,37 60 8 61,74 65,07 66,67 68,24 69,77 71,27 72,73 80 8 81,31 83,87 85,11 86,35 87,56 88,76 89,94 100 8 101,05 103,11 104,13 105,14 106,14 107,13 108,10 120 6 120,87 122,60 123,46 124,31 125,15 125,99 126,82 140 6 140,75 142,23 142,97 143,70 144,43 145,16 145,88 160 5 160,65 161,95 162,60 163,24 163,89 164,52 165,16 200 5 200,52 201,56 202,08 202,59 203,11 203,62 204,13 300 5 300,34 301,03 301,37 301,71 302,05 302,39 302,73 350 10 350,29 350,87 351,16 351,45 351,74 352,03 352,31 400 10 400,25 400,75 401,00 401,25 401,50 401,75 402,00 450 10 450,22 450,66 450,88 451,10 451,32 451,54 451,76 500 10 500,19 500,58 500,78 500,97 501,17 501,36 501,56
23
Chyba urení CAS 20
tolerance
chyba CAS [km/h]
18 16
10Pa
14
30Pa
12
40Pa
10
50Pa
8
60Pa
6 4
70Pa
2
80Pa
0 0
100
200
300
400
500
600
CAS [km/h]
Obr. 13: Graf chyby urení CAS Ze zadání plyne, že rozsah mení CAS je od 80 do 450km/h. Aby byla splnna tolerance CAS popsaná v kapitole 3.1, je na grafu Obr. 13 patrné, že velikost chyby diferenního tlaku mže být maximáln pd=60Pa pi rychlosti 80km/h. Hodnoty kivky pro pd=60Pa, v grafu Obr. 13 oznaení 60Pa, jsou v toleranci chyby, jsou pod kivkou oznaující toleranci CAS. Pi vyšších rychlostech, a tedy vtších diferencích, se velikost chyby diferenního tlaku uplatuje mén.
3.5
Shrnutí požadavk na senzor
Z výsledk, uvedených v kapitole 3.3, vyplývá, že budeme hledat vhodný senzor pro mení diferenního tlaku od 300 Pa (+/- 60 Pa) do 10 kPa (+/- 400 Pa). Z požadavku zadání na výškové rozmezí 1000 až 5000 m mení kalibrované rychlosti letu vyplývá, že senzor se bude pohybovat v prostedích o rzných teplotách. Když je v nulové výšce teplota 15 C, je podle MSA ve výšce 5000 metr teplota -17,5 C. Naproti tomu na letní rozpálené ploše letišt dosahují teploty až 60 C. Proto teplotní požadavky pracovního prostedí senzoru jsou od -20 do +60 C.
3.6
Pehled senzor
Snímae tlaku se vyrábjí v širokém sortimentu provedení, která odpovídají rzným požadavkm použití. Více o rozdlení sníma tlaku lze nalézt v [ 6 ].
24
V oboru mení tlak se používá mnoho jednotek. V Tab. 5 jsou uvedeny pevody mezi nejpoužívanjšími jednotkami, uvedena v [ 7 ]. Poté následuje výet senzor podle požadavk uvedených v kapitole 3.5. Tab. 5: Pevodní tabulka mezi jednotkami tlaku
3.6.1
Sníma tlaku serie N Cressto
Celý diferenní sníma tlaku serie N od firmy Cressto, tj. tlakový senzor, napájecí, kompenzaní a zesilovací obvody i filtr pro zvýšení odolnosti proti rušení, jsou umístny v malé plastové krabice z polykarbonátu, kterou je možné montovat na panel. Pívody tlaku jsou realizovány vyústkami z poniklované mosazi o prmru 5 mm. Krom toho pichází médium do styku s kemíkem, silikonovým kauukem a plastickou hmotou polyetherimid. Tlak se mí pomocí idla s kemíkovou membránou, princip mení je piezoelektrický. Cena 3880 K. Jmenovité tlakové rozsahy ± 50 Pa až ± 300 kPa Teplotní chyba nuly typicky 0,2 % , max. 0,3%/10°C Teplotní chyba rozsahu typicky 0,2 %, max. 0,3 %/10°C Kompenzovaný teplotní rozsah 0 ÷ 70°C Provozní teplotní rozsah -20 ÷ +85°C Napájecí naptí 12 ÷ 36Vdc
25
3.6.2
BHV 5355
Základním prvkem diferenního snímae je tlakový senzor s kovovou micí membránou. Nepatrná výchylka membrány se zaznamenává pomocí indukního snímae se dvma cívkami v diferenciálním zapojení. Snímací systém senzoru je pipojen na vstup stídavého mícího zesilovae a fázov citlivého usmrovae. Tlakový senzor a micí zesilova tvoí jeden kompaktní celek, který obsahuje prvky pro nastavení poátku a konce micího rozsahu. Sníma se napájí 15 až 32 Vdc a výstupním signálem je 0 až 20 mA (pop. inverzní signál 20 až 4 mA) nebo 0 až 5 V (resp.-5 až +5 V). Sníma je zabudován ve skíce z plastu nebo z hliníkové slitiny. Cena 7400 K.
Tab. 6: Parametry BHV5353
3.6.3
DMP331,DMK331
Základním prvkem sníma DMP 331 je idlo tlaku DSP 401. Jedná se o idlo v pouzde z nerezavé oceli s pivaenou oddlovací membránou a oddlovacím inertním olejem. Zpsob montáže zaruuje odolnost proti rázm a vibracím. Tlaková pípojka je tvoena závitem se vstupním otvorem, elektrické pipojení je provedeno pomocí konektoru nebo pímo kabelu. 26
Senzor je jen s jedním tlakovým vstupem, pro naše úely by bylo nutné zavít senzor do tlakového zvonu, jak bylo realizováno v [ 3 ]. Pro naše zadání by nejlépe vyhovovala verze s mením relativního tlaku 0..0,1 bar (10 kPa). Avšak teplotní kompenzace je deklarovaná jen od 0 do 50°C. Pesnost je deklarována 0,5%FS, na zvláštní objednání 0,25%FS. Výstupní signál muže být 2-vodi 4-20 mA nebo 3-vodi 0-20 mA i naptí 0-10V,0-5V,0-1V,1-6V. Cena 4900 K. Keramická verze DMK 331 s idlem tlaku DSK 401 v keramickém pouzde s keramickou oddlovací membránou bez nápln má deklarovanou pesnost 1%FS nebo na zvláštní objednání 0,5%FS. Cena 5500 K.
3.6.4
Vegabar 14
Senzor firmy Vega je kapacitní sníma s keramickou membránou, dodává se jako absolutní nebo relativní. Má proudový výstup 4-20 mA. Napájen je 12-30 Vdc.Hmotnost 450 g. Relativní senzor s micím rozsahem 0 až 10 kPa má chybu z rozsahu 0,5%. Teplotní chyba je udána < 0,15 % /10 K. Cena 4500 K. Stejný typ byl použit v práci popsané v [ 3 ], kde byla použita teplotní kompenzace. V této práci byl senzor uzaven do tlakového zvonu a do nj byl piveden statický tlak.
3.6.5
RPT serie
Rezonanní pevodník tlaku RPT100 firmy Druck je absolutní senzor a je zde uveden jen pro srovnání. Závislost rezonanní frekvence mže být dvojí. A to bu 1.mód kmitání s prmrnou citlivostí rezonanní frekvence 33 Hz/kPa, nebo 3.mód kmitání s prmrnou citlivostí rezonanní frekvence 110 Hz/kPa uvedený v [ 5 ].
27
Tab. 7: Parametry RPT serie firmy Druck
3.6.6
Senzory Fujikura
XFDM-025KPDSRH je diferenciální senzor s on-chip zesílením výstupního signálu a teplotní kalibrací, s rozsahem 0 až 25 kPa,chyba 1,5%FS, pracovní teplota 40°C až +125°C, napájecí naptí 5 Vdc, výstupní nap ový rozsah 4.5 V (offset: 0.2 V, plný rozsah: 4.7 V), pouzdro: SMD, cena 35 Euro. FDM-02PDSR je diferenciální senzor 0 až 13,79 kPa, konstantní napájecí proud 1,5 mAdc, pracovní teplota -20°C až 100°C, plná výchylka 60 až 140 mV, offset 20 mV, linearita 0,5%FS, tlaková hystereze 0,4%FS. 3.6.7
SDX A série
SDX..A série je piezorezistorový senzor ve spolené nabídce firem Sensortechnics a Honeywell, je teplotn kompenzovaný v rozmezí 0 až 50 C. Senzor s rozsahem do 5 psi (34,4 kPa) má pi plné výchylce výstupní naptí 60 mV. Výstup odporového mstku je úmrný napájecímu naptí, které mže být do 20 Vdc.
28
Tab. 8: Parametry SDX A série firmy Sensortechnics
3.6.8
SP82
Hlavní micí ást senzoru SP82 je tvoena tenzometrickou membránou, uspoádanou do mstkového zapojení. Senzor v rozsahu 0,5 bar (50 kPa) pi napájení mstku 5 V má na výstupu pi FSO naptí 100 mV ± 35%. Další souástí senzoru je teplotn citlivý rezistor, který slouží k snímání teploty uvnit idla a poslední ástí je vyhívací rezistor. Vyhívací rezistor umožuje udržovat konstantní teplotu senzoru a zamezí tak nepíznivým posunm pechodové charakteristiky vlivem teplotní zmny. Snahou je vyhát senzor na teplotu vyšší, nž s kterou by se bhem provozu mohl setkat. Cena kolem 9000 K, senzor uren k osazení v letadlech, firma MEMSCAP je držitelem leteckých certifikát. Byl použit v [ 9 ].
29
Tab. 9: Parametry SP82 firmy MEMSCAP
3.6.9
Senzory Freescale
Diferenní senzory tlaku výrobce Freescale využívají kemíkových piezorezistor, které pi psobení tlaku generují elektrické naptí na dvou kontaktních ploškách. Samotný integrovaný sníma, firmou oznaovaný jako X-ducer™ Sensor Element, je kemíkový piezorezistor, který je implementovaný na tenké kemíkové stn (viz Obr. 14). Na tuto stnu psobící tlak generuje naptí. Funkce je následující: Pes kontaktní plošky 1 a 3 protéká budící proud, na který kolmo psobí mený tlak. To zpsobuje píné elektrické pole v rezistorech, které generuje rozdílový elektrický potenciál a tím naptí na ploškách 2 a 4. Toto kompaktní provedení snižuje citlivost senzoru na zmnu teploty v porovnání s klasickým provedením s rezistory ve Wheatstonov mstku. To zjednodušuje kalibraci a teplotní kompenzaci a navíc
30
výstup vykazuje velkou linearitu. Offset senzoru zde nezávisí na vzájemných rozmrech piezorezistor, ale na rozdílných rozmrech nap ových plošek (Taps) 2 a 4. Ty jsou vytváeny fotolitografií, kterou lze dobe ídit, což zjednodušuje následné zapojení obvodu pro nulování offsetu. Pracovní teplota –40°C až +125°C.
Obr. 14: Freescale princip piezoelektrického senzoru - X-ducer™ Sensor Element Freescale vyrábí mnoho verzí senzoru na výše popsaném technologickém základu. Senzory mící diferenní tlak do diference 10 kPa jsou uvedeny v pehledové tabulce - Tab. 10. Lze je rozdlit do tí skupin. a) Nekompenzovaný, ozn. MPX10 s plnou výchylkou dif. naptí UFSS = 35 mV, stejné vlastnosti má i MPX12, má však vtší plnou výchylku dif. naptí UFSS = 55 mV. Typické napájecí naptí je USS = 3 Vdc. b) Teplotn kompenzovaný, ozn.MPX2010. Senzor je tvoen z jedné monolitické kemíkové destiky s tenzometrem a tenkým filmem odporových sítí integrovaných na každém ipu. Senzor je laserov upraven pro správnou výchylku, s kalibrovaným offsetem a teplotn kompenzovaný v rozmezí 0 až +85 C. Pi napájení USS = 10 Vdc má pi plné výchylce rozdílové naptí UFSS = 25 mV. Parametry senzoru jsou uvedeny v Tab. 11. Pevod výstupního naptí na tlak je lineární podle sensitivity: pd
U OUT Sensitivita...{2,5mV / kPa}
( 36 )
c) Teplotn kompenzovaný stejn jako pedchozí a navíc se zesílením výstupního naptí, ozn.MPX5010. Výstupní naptí má pevodní funkci :
pd
U OUT 0,44 U SS u 0,09
( 37 )
kde USS je napájecí naptí [V], UOUT je výstupní naptí proti zemi od 0,2 do 4,7 V. pd je tlak [kPa]. Nepesnost senzoru je urena:
31
'p d
r PE u TF
( 38 )
kde PE je tlaková chyba (maximum 0,5 kPa), TF je teplotní chyba, v rozmezí teplot 0 až +85 C je TF = 1, v rozmezí teplot -1 až -40 C je TF
1 u TEPLOTA>qC @ 1 20
( 39 )
Základní parametry senzoru jsou uvedeny v Tab. 12. Schéma elektrického zapojení jednotlivých verzí senzoru Freescale je znázornno na Obr. 15.
Tab. 10: Diferenní senzory Freescale do 10kPa
Obr. 15: Elektrické schéma senzor Freescale,a)MPX10,MPX12 b)MPX2010 c)MPX5010
32
Tab. 11: Parametry senzoru MPX2010
33
Tab. 12: Parametry senzoru MPX5010
3.7
Výbr vhodného senzoru pro realizaci
Závry uvedené v kapitole 3.5 ukazují, že požadavek na rozsah diferenního senzoru je 10 kPa. Chyba mení nesmí pesáhnout ±60 Pa, což je 0,6% z rozsahu. Teplotní požadavky byly stanoveny od -20 do +60 C. Vzhledem k rozmrm sondy byl i požadavek na malé rozmry senzoru. Konkrétní rozmry místa pro osazení v sond nebyly však známy. Pro svoje kompaktní rozmry, rozsah mené diference do námi požadovaných 10 kPa, pro svoji dostupnost byly po porad s vedoucím práce vybrány poslední dva senzory z pedešlého výtu, a to MPX5010 pro realizaci a MPX2010 pro porovnávací mení. MPX5010 byl upednostnn také tím, že má diferenním zesilovaem zesílen a upraven výstup proti zemi, který se lépe hodí ke zpracování.
34
4
Ovení vlastností senzor
Vybrané senzory uvedené v pedchozí kapitole byly promeny, aby mohla být stanovena nejmenší chyba s kterou jsou schopny mit. Jak je uvedeno v kapitole 3.6.9, MPX2010 má výstupní naptí vyvedeno diferenn na vývody +Uout, -Uout. Zatímco MPX5010 má výstupní naptí proti zemi. V následujícím budou schématické obrázky vždy kresleny jen pro jeden pípad zapojení. 4.1
Vliv napájecího naptí na zmnu výstupního naptí
Bylo nutné zjistit vliv napájecího naptí Uss na zmnu výstupního naptí Uout. Mení probíhalo tak, že oba tlakové vstupy byly pipojeny na stejný tlak odpovídající absolutnímu atmosférickému tlaku, který byl kontrolován pomocí digitálního indikátoru tlaku DPI740 a byl bhem celého mení konstantní. Na stabilizovaném zdroji bylo mnno Uss a kontrolováno na voltmetru, na druhém voltmetru bylo odeítáno výstupní naptí Uout. Schéma zapojení znázoruje Obr. 16. Použité pístroje jsou stejné jako v kapitole 4.2.1. Výsledky byly vyneseny do tabulky a zjištn vliv napájecího naptí Uss na zmnu výstupního naptí Uout. Prmrné hodnoty pro každý senzor jsou uvedeny dále.
Obr. 16: Schéma zapojení pro urení stability napájecího naptí
4.1.1
MPX2010
Napájení tohoto senzoru Uss není zdola omezené, maximem je 16 V, typická hodnota je Uss = 10 V. V katalogovém listu je pro toto napájení uveden maximální offset Uoffset = ±1mV. V našem mení je tato hodnota desetkrát menší. Viz Tab. 13. Tab. 13: Zmna výstupního naptí senzoru MPX2010 vlivem zmny Uss Uss [V]
9,2 9,5 10 11 11 12 13 14 15
Uout [V] 8
16
11 15 21 26 41 61 87 122 169
35
4.1.2
MPX5010
Napájení senzoru je podle katalogového listu typicky Uss = 5 V, odchylka od typického naptí ±0,25V. Pro urení maximálního rozptylu napájecího naptí Uss, byl senzor promen pi nulové diferenci tlaku, pro nkolik rzných napájecích naptí. Výsledky mení jsou uvedeny v tabulce Tab. 14. Tab. 14: Urení požadavk na napájení senzoru MPX5010 Uss [V]
Uout [V]
5,1
0,21856
5,1
0,21852
5,1
0,21831
5,1
0,21823
5,0
0,21455
5,0
0,21440
4,9
0,21063
4,9
0,21073
4,9
0,21070
4,8
0,20714
4,8
0,20720
4,8
0,20715
nejvtší rozdíl Uout [mV]
0,33 0,15
0,1
0,06
Nejvtší rozdíl výstupního naptí Uout byl 0,33 mV pi napájecím naptí Uss = 5,1 V. Pi zmn Uss o 100 mV se Uout zmnilo prmrn o 4 mV. Z toho bylo dopoítáno o kolik se mže zmnit Uss, aby se Uout zmnilo práv o 0,33 mV. Výsledný maximální rozptyl Uss je 8,25 mV, což je 0,165% ze jmenovitého Uss = 5 V. Aby se vliv napájecího naptí neuplatnil, bude poteba použít stabilizátor jehož dlouhodobá zmna výstupního naptí bude menší než 0,165%.
4.2
Teplotní závislost
Pro zjištní a ovení pevodní charakteristiky výstupního naptí na tlaku v rzných teplotních podmínkách, které picházejí v úvahu v tomto zadání, byly vzorky senzor promeny v termostatické komoe Labio LS80, která umožuje nastavit teplotu v rozsahu -15 až +40°C. Blokové schéma pro mení teplotní závislosti je na Obr. 17. Komora má ve vybavení jak topnou spirálu pro ohev, tak i chladící okruh. Po nastavení teploty bylo nutno rychle zmit celou tlakovou diferenci 0 až 10 kPa odpovídající rychlostem do 450 km/h, tak aby byly zajištny stejné podmínky mení. Komora byla schopná udržet nastavenou teplotu s výkyvy ± 2°C . 36
Obr. 17: Schéma zapojení mení teplotní závislosti Tlakový vstup P1 byl hadikou vyveden do místnosti a bylo uvažováno, že tento tlak je konstantní, v Pitotov trubici odpovídá celkovému tlaku pcelk. Tlakový vstup P2 byl hadikou spojen pes regulátor tlaku IVD a mi tlaku DPI 740 do vývvy instalované v laboratoi LIS. Tlakový vstup P2 odpovídá statickému tlaku pstat. Tlaky jsou ve vztahu podle ( 35 ). Mení probíhalo tak, že na mii tlaku DPI 740 byl zmen tlak pi otevených tlakový ventilech na regulátoru tlaku IVD. To znamenalo stejný tlak na obou vstupech senzoru a nulovou rychlost. Od tohoto tlaku se pomocí regulátoru zmenšoval tlak pstat na vstupu P2 lineárn až do diference 10kPa. Bylo zaznamenáváno výstupní naptí Uout senzoru. Aby mení bylo relevantní muselo se dodržet nkolik pedpoklad: - tlak v místnosti, pcelk (vstup P1) byl stálý, nemnný po celý as odmru (t.j. po dobu postupného nastavování nižších tlak pstat (na vstupu P2)); Diference tlaku byla urena rozdílem mezi tlakem v místnosti pcelk (vstup P1) a tlakem z vývvy pstat (vstup P2 ) - teplota v termostatické komoe byla nemnná, stálá - napájecí naptí senzoru bylo stálé, nemnné Teplota v komoe byla nastavována run a z dvodu nepesného teplomru integrovaného v komoe byl použit externí teplomr, který udával pesnou teplotu. Mení probíhalo tak, že pi dosažení požadované teploty byla termostatická komora vypnuta, jelikož pi zapnutém stavu zpsobovala veliké vibrace, které by mohly negativn ovlivnit prbh mení. Z dvodu již výše zmínného problému týkajícího se stability teploty v komoe, se bhem jednoho mícího cyklu zmnila teplota až o dva stupn Celsia.
37
Dležitým lenem v tomto micím systému byla použitá regulace tlaku. Byla zvolena runí regulace pomocí regulátoru IVD. Regulátor IVD má tlakové ventily, kterými lze nastavit požadovanou hodnotu tlaku. Vzhledem k netsnosti systému bylo možné krátkodob stabilizovat tlak s kolísáním 5 Pa. S rostoucím podtlakem se však tato nestabilita zvtšovala.
4.2.1
Použité mící pístroje
Z - Zdroj Statron (32V/6,4A), model 2331 V1, V2 - Multimetr Agilent 34401A, - s chybou pro rozsahy: do 100 mV: 0,003% z údaje + 0,003% z rozsahu do 1 V: 0,002% z údaje + 0,0006% z rozsahu do 10 V: 0,0015% z údaje + 0,0004% z rozsahu Externí teplomr - Greisinger electronic GMH2000 DPI 740 - Precisní indikátor tlaku Druck DPI 740 ±0,02 %FS IVD - Regulátor tlaku Indikator Vozdušnych Davlenij
4.2.2
Ovení senzoru MPX2010
V termostatické komoe byla promena tlaková charakteristika senzoru v celém rozsahu od diference 0 až 10 kPa pro teploty -15 C, -10 C, 0 C, 40 C a tikrát zmena pro teplotu 20 C. Prmrná hodnota pro 20 C byla vzata jako vztažná hodnota. Výsledky mení jsou vyneseny v grafu Obr. 18, tabulka hodnot je uvedena v píloze Tab.p. 1, kde jednotlivé sloupce mají následující význam: Sloupec 1 je diference 0 až 10 kPa, sloupec 2 je pepoítaná CAS podle vzorce ( 34 ), sloupec 3 obsahuje tolerance rychlomr dle kapitoly 3.1. Výstupní naptí senzoru jsou ve sloupci 4 až 10. Sloupec 11 až 14 ukazuje odchylku výstupního naptí jednotlivých teplot od zprmrovaných tí mení pi 20 C, která v tomto pípad slouží jako vztažná (správná) hodnota. Sloupec 15 až 18 ukazuje pepotenou absolutní odchylku rychlosti od rychlosti pi 20 C s dosazením pd ( 36 ) do ( 34 ).
38
teplotní závislost MPX2010
12 CAS [km/h]
10 tolerance
8
40stC
6
0stC
4
-10stC -15stC
2 0 0
100
200
300
400
500
CAS [km/h]
Obr. 18: Graf teplotní závislosti senzoru MPX2010 4.2.3
Ovení senzoru MPX5010
Obdobn byla promena teplotní závislost u senzoru MPX5010. Výsledky mení jsou vyneseny v grafu Obr. 19. Namené hodnoty jsou v píloze v tabulce Tab.p. 2 a popis tabulky je obdobný, jako bylo uvedeno v pedchozí kapitole 4.2.2, s tím rozdílem, že sloupec 15 až 18 ukazuje pepoítanou absolutní odchylku rychlosti od rychlosti pi 20 C s dosazením pd pro senzor MPX5010 ( 37 ) do ( 34 ). Teplotní kompenzace je u obou senzor provedena na stejném principu, proto i teplotní závislost obou senzor je stejná. Nehomogenita výchylek je zpsobena, jak již bylo uvedeno díve, kolísáním provozního stavu nastavení tlakového regulátoru IVD, který nebyl v ase potebném k odetu hodnot stálý. U obou senzor je teplotní pásmo, kdy chyba vlivem teplotní závislosti nepekroí stanovené toleranní pásmo, v kladných hodnotách teplot od 0 C do 40 C.
39
teplotni zavislost MPX5010 12
delta v cas [km/h]
10 8 6
40stC 0stC
4
-10stC 2
-15stC tolerance
0 0
100
200
300
400
500
v cas [km/h]
Obr. 19: Graf teplotní závislosti senzoru MPX5010 4.3
Stabilita senzoru
Dlouhodobá stabilita senzoru byla promena už jen pro senzor MPX5010, a to tikrát vždy po uplynutí doby 1 msíce. Na grafu Obr. 20 jsou vyneseny odchylky CAS (pepotené z výstupního naptí senzoru) od teoreticky vypoítané rychlosti CAS podle ( 34 ), která odpovídala nastavenému diferennímu tlaku na tlakovém vstupu senzoru. Znalost stability senzoru je nevyhnutelná pro použitelnost zaízení v delším asovém horizontu.
CAS [km/h]
Stabilita senzoru MPX5010
4
1.mení
3
2.mení
2 1 0
3.mení
-1 -2 -3 -4 0
100
200
300
400
CAS [km/h]
Obr. 20: Graf stability senzoru MPX5010
40
500
Tabulka hodnot je uvedena v Tab.p. 3. Jednotlivé sloupce tabulky mají následující význam: Sloupec 1 je nastavená diference na tlakomrném zaízení IVD, sloupec 2 je vypotená CAS dle ( 34 ) s pd ze sloupce 1. Pro 1.mení jsou hodnoty výstupního naptí senzoru uvedeny ve sloupci 3. Sloupec 4 je pepoítaný tlak dle pevodní funkce ( 37 ), z nj je pepoítaná CAS ve sloupci 5 dle ( 34 ). Sloupec 6 je rozdíl mezi sloupcem 5 a sloupcem 2. Obdobn jsou sloupce pro 2. a 3.mení. 4.4
Zhodnocení mení ovující vlastnosti senzor
Letecké pedpisy vyžadují vysokou pesnost aerometrických pístroj. Dovolené maximální tolerance urení CAS jsou uvedeny v kapitole 3.1. Výstupní naptí senzoru se pepoítá na tlak podle ( 36 ) a ( 37 ). Takto vypotené hodnoty tlaku jsou zatížené chybou mení. Je tedy nutné zúžit toleranní pásmo o maximální chybu mení, abychom mohli urit, zda použitý senzor tlaku vyhovuje požadavkm. Není možné vyjádit chybu mení ve form nejistoty, jelikož pedpisy stanovují maximální chybu. Z tohoto dvodu je pesnost mení vyjádena jako maximální chyba mení. 4.4.1
Pesnost mení nastaveného tlaku
Byla použita regulace tlaku pomocí IVD. Z dvodu netsností, které zpsobovaly, že se tlak neustále mnil, nebylo možné nastavit požadovaný tlak na nezbytnou dobu potebnou k odetení hodnot výstupního naptí senzoru. Nepesnost nastavení tlaku byla odhadnuta na p1= ±5 Pa. Mi tlaku DPI 740 má pi rozsahu 1150mbar výrobcem udávanou odchylku 0,02 % z rozsahu. Maximální chyba je tedy p2= ±23 Pa (na úrovni rychlosti 80 km/h je to odchylka ±3 km/h). 4.4.2
Pesnost mení výstupního naptí senzoru tlaku
Pi mení senzoru MPX2010 byla maximální hodnota meného naptí 25 mV. Výrobce udává u multimetru Agilent 34401A pro mení stejnosmrného naptí v rozsahu do 100 mV chybu 0,0036 % z údaje + 0,0003 % z rozsahu. Tudíž maximální chyba je ±1,2 V ( p3a= ±0,48 Pa). Což je pi pepotu na CAS zanedbatelná chyba ±0,06 km/h na úrovni 80 km/h Pi promování senzoru MPX5010 bylo maximální mené naptí 4,7 V. U rozsahu do 10 V je u multimetru Agilent 34401A chyba 0,0015 % z údaje + 0,0004 % z rozsahu. Výstupní naptí senzoru bylo tedy zatíženo maximální chybou ±110,5 V ( p3b = ±0,245 Pa, tj. ±0,03 km/h na úrovni 80 km/h), což je také zanedbatelná chyba.
41
Je nutné vzít v úvahu, že pepoet maximální chyby výstupního naptí tlakového senzoru na maximální chybu mení tlaku ovlivuje nkolik faktor. Pi vyšším napájecím naptí bude pi stejném meném tlaku vyšší hodnota výstupního naptí senzoru, tudíž vzroste i maximální chyba mení. Druhý ovlivující faktor je použitý matematický model pro pepoet výstupního naptí senzoru na tlak. Katalogová maximální chyba senzoru MPX5010 udaná vztahem ( 38 ), je chyba pro nejmén píznivou situaci. Pi opakovaných meních nebyla chyba vtší než ±4 km/h, což na úrovni rychlosti 80 km/h odpovídá tlakové chyb ±32 Pa. Tedy maximální celková chyba je menší než polovina dovolené tolerance v dolním požadovaném rozptí mených rychlostí. Lze tedy s uvedenými pístroji kalibrovat micí systém s ohledem na tolerance uvedené v kapitole 3.1.
42
5
Systém pro mení CAS s analogovou proudovou smykou
Penos signálu ze sondy do letadla mže být realizován nkolika zpsoby. Byly zpracovány dv odlišné varianty systému. První, která je popsána v této kapitole, využívá k penosu signálu do letadla analogovou proudovou smyku, další zpracování probíhá až v letadle. Tato varianta je jednodušší, levnjší s mén souástkami a zabírá menší prostor v sond. Tato varianta byla navrhnuta a realizována. Druhá varianta, popsaná v kapitole 6, obsahuje pevodník a procesor pímo v sond a signál do letadla je penášen po sbrnici. Tato druhá varianta byla navrhnuta a nebyla realizována. První varianta s analogovou proudovou smykou 0 až 20 mA je blokov uvedena na Obr. 21.
Obr. 21: Blokové schéma systému s analogovou proudovou smykou Celé schéma zapojení je umístno v píloze Obr.p. 1. Realizovaná deska plošných spoj a její vrstva TOP je znázornna na Obr.p. 2. Systém se skládá ze senzoru, pevodníku naptí/proud a obvod upravující napájení. Jednotlivé bloky jsou popsány dále. 5.1
Senzor se stabilizovaným napájením
Senzor (U1) v pouzde ozn.1351-01 má jmenovitý výstup 0,2 až 4,7 V. Jak bylo uvedeno v kapitole 4.1.2, napájení senzoru musí splovat Uss = 5V ± 0,165% . Pi spoteb senzoru 5mA se jako vhodná volba jeví stabilizátor REF5050 (U2). Ten má jmenovitý rozsah výstupního naptí 5V ± 0,05%, teplotní drift 3 ppm/ C, maximální výstupní proud 10 mA. Napájení obvodu je 12 V. Zapojení obvodu dle doporuení z katalogového listu [ 19 ] je na Obr. 22. Pipojené kondenzátory mají filtraní funkci.
43
Obr. 22: Schéma zapojení napájení senzoru
5.2
Pevod U/I
Pro pevod nap ového signálu ze senzoru na proud pro analogovou proudovou smyku existuje nkolik integrovaných obvod. Realizace byla zvolena s obvodem XTR111. 5.2.1
Obvod XTR111
XTR111 je pesný pevodník U/I navrhnutý pro výstupní analogový signál 0 až 20 mA nebo 4 až 20 mA, ale mže být zdrojem proudu až do velikosti 36 mA. Vnitní uspoádání obvodu XTR111 je na Obr. 23. Schéma zapojení pevodníku XTR111 do obvodu je na Obr. 24. Pomr mezi vstupním naptím a výstupním proudem se nastavuje rezistorem RSET podle vztahu:
RSET
10U IN I OUT
( 40 )
Externí P-MOSFET (Q1) zajiš uje velký výstupní odpor a široký nap ový rozsah. Vývod obvodu Error flag (EF) indikuje rozpojení proudové smyky. Output disable (OD) vyadí výstup z innosti. Pro fungování musí být spojeno se zemí.
44
Obr. 23: Vnitní uspoádání obvodu XTR111 Obvod XTR111 nemá interní omezova proudu pro pípad, kdy se externí FET (Q1) dostane do režimu nízké impedance. Ochranu obvodu má za úkol 15 rezistor R3, který omezuje výstupní proud na cca 37 mA a PNP transistor (Q2). Zapojení je navrhnuto dle doporuení z katalogového listu [ 19 ]. Následuje dolní propust tvoená R4 a C4, která má za úkol vyfiltrovat možné interference z vedení. Napájecí naptí obvodu (VSP) je od 8 do 44 V, v této aplikaci je použito 12 V. Lineární vstupní naptí mže být v rozmezí od 0 do 12V nebo 2,3V pod VSP, podle toho co je menší. V našem pípad je maximální vstupní naptí ze senzoru UINmax = 4,7 V. A pi pedpokladu, že pi UINmax bude IOUTmax = 20mA, je podle ( 40 ) nastavovací rezistor RSET=2,35 k. Byl zvolen stabilní metalový odpor 2,2 k z ady MPR 0,6 W a pesností 0,1%. Pro tuto pesnost rezistoru byla spotena tabulka proudu Tab. 15. Tab. 15: Pepoty výstupního proudu dle pesnosti rezistoru RSET [] IOUT[mA]
2k2 -0,1% 1980 23,74
45
2k2 2200 21,36
2k2 +0,1% 2420 19,42
Obr. 24: Schéma zapojení XTR111 5.3
Napájení a pívodní svorkovnice
Napájení obvodu XTR111 je realizováno naptím 12V z výstupu stabilizátoru naptí 78L12. Stabilizátor je napájen pes ochranou diodu z adové svorkovnice. Schéma je na Obr. 25. Napájení stabilizátoru je možné v rozmezí 15 až 35V. Na svorkovnici je dále vyvedena proudová smyka IOUT, která se uzavírá pes zemní vodi.
Obr. 25: Schéma zapojení svorkovnice
46
6
Návrh systému s íselným pevodem v sond
V tomto návrhu systému je pevod signálu umístn pímo u senzoru. Pevodník a procesor pro pepoet na rychlost CAS je umístn v sond. Z procesoru vede do letadla po sbrnici CAN již hodnota CAS. Schéma systému je na Obr. 26. Sbrnice RS232 je v návrhu navíc, jelikož penos signálu do letadla zajistí sbrnice CAN. Sbrnice RS232 je v návrhu také proto, že jí procesor poskytuje. Nebude v dalším textu podrobnji popisována.
Obr. 26: Schéma systému s íselným pevodem v sond
6.1
Pevod analogového signálu ze senzoru na íslo
Systém je navržen tak, aby mil CAS od 80 km/h do 450 km/h, tj. mil tlakovou diferenci od 300 Pa do 10 kPa. Použitý senzor MPX5010 poskytuje pi plné tlakové výchylce 10 kPa výstupní naptí 4,7 V. V dolní toleranci mených rychlostí se mezi CAS 80 km/h a 100 km/h tlak zmní o 170 Pa, naproti tomu v horní toleranci rychlostí mezi 400 a 420 km/h se tlak zmní o 820 Pa. Tedy nejkrytytjší oblastí je pásmo kolem 80 km/h, kde zmínná zmna o 20 km/h, tedy o 170 Pa odpovídá zmn o 77 mV, tj.3,84 mV/(km/h). Chceme-li zaznamenat zmnu rychlosti o desetinu km/h, musíme mít rozlišitelnost AD pevodníku 0,384 mV. Tuto rozlišitelnost dostaneme, když 4,7 rozdlíme 214 krát. Bude tedy postaovat 14ti bitový pevodník. Pomocná tabulka pro tento výpoet je v píloze Tab.p. 4, kde první tyi ádky mají následující význam: ádek 1 je zvolený CAS, ádek 2 je odpovídající diference, ádek 3 je odpovídající výstupní naptí na MPX5010, ádek 4 je pepoet naptí na 1km/h v pásmu mezi pedešlým sloupcem. V navazující tabulce mají sloupce tento význam: sloupec 1 je poet bit n, sloupec 2 je podíl 4,7 a ísla 2n, ostatní sloupce odpovídají rozlišitelnosti pevodníku pro jednotlivá rychlostní pásma ve sloupcích a potu bit v ádcích. 6.1.1
Použitý sigma-delta pevodník ADS1100
Byl vybrán sigma delta pevodník ADS1100, který je 16 bitový prbžn samokalibrovaný pevodník se sériovým výstupem I2C (viz kapitola 6.1.2) s napájením VDD = 2,7 až 5,5 V. Pevod je vztažen na napájení VDD, které je pivedeno ze stejné reference jako je napájen tlakový pevodník. Ped pevodem je možno signál až 8 krát zesílit nastavením bit PGA v nastavovacím registru pevodníku. Dále se v registru nastavuje rychlost pevodu, ta pro tento systém postauje nejnižší, 8 vzork za sekundu, kdy je rozlišení pevodníku nejvtší, t.j. 16 bit. Dalším bitem se uruje, zda-li pevodník pracuje v módu jednotlivého odmru nebo
47
v neperušovaném módu. Vždy když je nastaven bit ST/BSY na log.1, je ve výstupním registru pipraveno íslo pevodu, které má pro rychlost odmru 8 vzork za sekundu a PGA=2 tvar
Výstupní _ kód
32768 u 2 u
VIN ) (VIN
( 41 )
VDD
kde v itateli je vstupní naptí a ve jmenovateli je vztažné napájecí naptí pevodníku.
6.1.2
Sbrnice I2C
Sbrnice (Inter-Intergated Circuits bus) oznaována I²C, nkdy IIC nebo I2C je dvouvodiové datové propojení mezi procesorem (Master) a periferními souástkami (Slaves). Sbrnice používá sériovou datovou linku SDA a linku hodinového signálu SCL. Píjemce zpráv se vybírá adresami. Adresy i data se penášejí stejnými vodii. Uspoádání sbrnice je znázornno na Obr. 27.
Obr. 27: Uspoádání sbrnice I2C Princip penosu je tento: Jeden z obvod je nastaven jako MASTER a všechny ostatní obvody jsou SLAVE. Master pi jakémkoli penosu generuje hodinový signál na vodii SCL. Když jeden obvod vysílá, všechny ostatní obvody pijímají a pouze podle adresy urují, zda jsou data urena práv jim. Obvod, který chce vyslat nebo pijmout data musí nejprve definovat adresu obvodu, s kterým chce komunikovat a zda pjde o píjem nebo vysílání. To uruje R/W bit, který je souástí adresy. Penos probíhá kombinováním následujících událostí: Stav klidu – Logické jedniky jsou na obou vodiích. Start bit – Zmna log. úrovn SDA z 1 na 0 zatímco SCL je v logické 1. Stop bit – Logická úrove SDA se zmní z 0 na 1 zatímco SCL je v log. 1. Penos dat – Logická úrove na SDA se mže mnit pouze pokud je SCL v 0. Potvrzující bit (Ack) – Potvrzení správného pijmutí dat (0 ~ dobe, 1 ~ selhal)
48
6.1.3
Zapojení AD pevodníku do obvodu
Pi použití stejného tlakového senzoru je také stejné zapojení referenního napájení senzoru, jak je uvedeno již v kapitole 5.1. Výstupní naptí ze senzoru je pímo vedeno do vstupu AD pevodníku (viz Obr. 28). Výstupní signály pevodníku po I2C sbrnici jsou open-drain s pullup resistory R1 a R2.
Obr. 28: Zapojení AD pevodníku do obvodu
6.2
Mikroprocesor
Je to souástka, která bude zajiš ovat chod celého micího systému. Musí být schopná komunikovat s AD pevodníkem po I2C, mít dostatenou výpoetní kapacitu pro výpoet CAS podle vztah uvedených v teoretické ásti a podporovat komunikaci po CAN. Tyto parametry spluje 16-bitový procesor MC9S12DG128 firmy Freescale, s kterým jsou zkušenosti v laboratoi LIS. Je to procesor z rodiny HC12 firmy Freescale, která ítá mnoho variant. Pi vlastní realizaci mže být použit i jiný procesor z rodiny HC12, ale zapojení v obvodu bude totožné. 6.2.1
Zapojení mikroprocesoru do obvodu
Jak je vidt na Obr. 29, vývody 68 a 69 jsou ureny pro pipojení pevodníku pes I2C. Vývody 15 a 30 jsou ureny pro ovládání BDM (Background Debug Module), který umožuje programování procesoru pímo v desce plošných spoj pomocí programátoru pipojitelného k PC. Reset procesoru pi zapnutí napájecího naptí zajiš uje monostabilní klopný obvod MC34064. Vývody 63, 64, 72, 73 jsou ureny pro komunikaci prostednictvím RS232. Vývody 70 a 71 jsou urené pro sbrnici CAN. Zapojení ostatních vývod a hodnoty souástek vycházejí z odpovídající dokumentace [ 22 ].
49
Obr. 29: Zapojení procesoru do obvodu
6.3
Sbrnice CAN
Sbrnice CAN byla pvodn vyvinuta pro použití v automobilech, aby se zjednodušilo sí ové propojení senzor. V posledních letech se stále více používá v prmyslové automatizaci. Je to zejména díky otevenosti systému a dostupnosti komponent od rzných výrobc. Další pedností je jednoduchý komunikaní protokol a velmi krátká latentní doba pro prioritní zprávy. Po pivedení hodnoty CAS do letadla se mže hodnota zobrazit na displej i ukládat do logovacího zaízení, vše propojené sbrnicí CAN. 6.3.1
Parametry CAN
Standard CAN definuje dv vzájemn komplementární hodnoty bit na sbrnici, dominantní a recesivní. Jedná se o zobecnlý ekvivalent logických úrovní, které nejsou pevn ureny a záleží na konkrétní realizaci penosového média. Pravidla pro komunikaci jsou jednoznaná. Vysílají-li všechny uzly recesivní hodnotu bitu, pak je na sbrnici recesivní úrove. Vysílá-li alespo jeden uzel dominantní hodnotu bitu, je na sbrnici dominantní úrove. Na sbrnici mže být teoreticky pipojeno neomezené množství uzl, ale s ohledem na zatížení sbrnice a zajištní správných statických a dynamických parametr udává norma 30 pipojených uzl. Maximální délka sbrnice pro penosovou rychlost 1Mbit/s je 40 m. Pro 50
nižší penosové rychlosti mže být délka vyšší. Jako penosové médium se používá nejastji kroucený „dvoudrát“, který tvoí rozdílovou sbrnici. Vodie sbrnice jsou oznaovány CAN H a CAN L. Sbrnice je pro omezení odraz na obou koncích pizpsobena rezistory 120 . Jednotlivé úrovn jsou definovány rozdílovým naptím. Recesivní úrovni odpovídá Udif = 0V a dominantní úrovni Udif = 2V. 6.3.2
Zapojení CAN do obvodu
Pro buzení sbrnice je použit obvod PCA82C250T (viz Obr. 30). Na jeho vstup jsou vedeny signály TxD a RxD (od procesoru jako CTX a CRX) z adie CAN, který je obsažen v použitém procesoru a jeho výstup již odpovídá signálm CAN H a CAN L, které rozdílov budí sbrnici. Mezi vodie sbrnice je pes propojku zaazen pizpsobovací rezistor 120 . Jelikož se jedná o prmyslovou sbrnici, jsou signály od procesoru oddleny optoleny TLP137 a napájení sbrnice je od napájení ostatních obvod mícího modulu oddleno DC/DC mniem CHS10505. Toto oddlení zajistí, že v pípad poruchy a výskytu vyššího naptí na sbrnici, než jsou použité souástky schopny vydržet, nedojde k jejich zniení. Zapojení oddlovacích prvk vychází z dokumentace k obvodu PCA82C250T [ 24 ].
Obr. 30: Zapojení adie sbrnice CAN do obvodu
6.4
Zapojení RS 232 do obvodu
Na Obr. 31 je zapojení RS 232 s využitím vodi se signály RxD, TxD, RTS, CTS a zemní vodi GND umožujícími hardwarov ízený penos. Tyto signály jsou generovány mikroprocesorem na výstupech urených pro sériovou komunikaci. Jelikož tyto výstupy nemají nap ový rozsah odpovídající RS 232, je využit obvod ICL 232 konstruovaný pro tuto funkci. Jde o nábojovou pumpu upravující logické úrovn na standardizovaný nap ový rozsah. Jeho zapojení odpovídá doporuení výrobce z [ 25 ], vetn hodnot použitých kondenzátor. 51
Obr. 31: Zapojení adie sbrnice RS232 do obvodu
6.5
Napájení
Pro napájení všech integrovaných obvod i procesoru je použito naptí 5 V, které poskytuje stabilizátor 78S05. Pro napájení reference REF5050 je zvoleno naptí 12 V odebírané za zenerovou diodou. Ped ní je azena ochranná dioda. Zapojení napájení je na Obr. 32. Pro zamezení rušení z vnjšího prostedí je možno ješt ped diodu vložit tlumivku nebo DC-DC mni.
Obr. 32: Zapojení napájení do obvodu
52
7
Testování funkního vzorku
Po návrhu a výrob desky plošných spoj systému s analogovou proudovou smykou, který je popsaný v kapitole 5, byla deska osazena nejprve pevodníkem naptí - proud XTR111. Jelikož pevodník se vyrábí jen v pouzde SMD o velikosti cca 3 x 3 mm (viz Obr. 33), byl pevodník osazen na katede elektrotechnologie pomocí mdné pájecí pasty petavené v pájecí peci. Pouzdro nazývané MSOP má na spodní stran termální plošku, která odvádí teplo z pouzdra, ploška musí být spojena se zemním vodiem.
Obr. 33: Rozmry pouzdra MSOP v milimetrech
7.1
Ovení proudové smyky funkního vzorku
Po celkovém osazení s vynecháním tlakového senzoru byla promena proudová smyka s micím rezistorem RL = 220 , který byl stejn jako Rset = 2,2 k, stabilní odpor z ady MPR 0,6W a pesností 0,1%. Schéma zapojení mení je na Obr. 34, kde Uin je simulované naptí z tlakového senzoru a Uout je mené naptí na rezistoru RL. Rezistor RL byl zvolen desetkrát menší než Rset, protože proud smykou Iout je podle ( 40 ) pevodníkem desetkrát zesílen. Z výše uvedeného plyne, že vztah mezi Uin a Uout lze vyjádit ve tvaru
U out
I out RL
10U in RL Rset
( 42 )
53
Obr. 34: Schéma zapojení promovaného vzorku Hodnoty namené na funkním vzorku jsou uvedeny v Tab. 16, kde Uin je simulované naptí z tlakového senzoru mené voltmetrem V1. Sloupec 2 je rozšíená nejistota mení Uin s koeficientem rozšíení 2. Sloupec 3 je tlak odpovídající simulovanému Uin podle ( 37 ), sloupec 4 je odpovídající CAS. Sloupec 5 je U = Uin Uout , meno voltmetrem V2. Naptí U je v ideálním pípad nulové, jeho velikost je ovlivnna chybou pevodníku naptí – proud, odpory Rset a RL. Sloupec 6 je rozšíená nejistota mení U s koeficientem rozšíení 2. Sloupec 7 je tlak odpovídající U . Sloupec 8 je pepoítaná zmna rychlosti odpovídající U . Tab. 16: Namené hodnoty vzorku proudové smyky uB(Uin) uB(U) CAS CAS Uin [V] [mV] pd [Pa] U [mV] [V] pd [Pa] [km/h] [km/h] 0,3358 0,01 301,8 80 0,61 3,49 1,3 0,18 0,3532 0,02 340,5 85 0,60 3,49 1,3 0,17 0,4071 0,02 460,2 99 0,61 3,49 1,4 0,15 0,6000 0,02 888,9 137 0,65 3,49 1,4 0,11 0,8081 0,03 1351,2 169 0,69 3,49 1,5 0,09 1,0080 0,06 1795,6 194 0,73 3,49 1,6 0,09 2,0005 0,08 4001,1 289 0,94 3,50 2,1 0,07 3,0018 0,10 6226,2 359 1,22 3,51 2,7 0,08 4,0040 0,12 8453,3 417 1,69 3,52 3,7 0,09 4,7000 0,13 10000,0 452 2,19 3,54 4,9 0,11
Nejistoty mení naptí Uin i U jsou malé vzhledem k velikosti meného naptí a mžeme je zanedbat. Podle výsledk mení uvedené v Tab. 16 vznikne na proudové smyce nejvtší chyba vyjádená v hodnot rychlosti 0,18km/h na úrovni rychlosti 80km/h.
54
8
Závr
Po rozboru zadání a výpotech dosahovaných diferenních tlak odpovídající kalibrované rychlosti pro zadaný interval rychlostí 80 až 450 km/h (viz Tab. 3), bylo patrno, že nejvtší nároky na pesnost mené diference tlak budou v dolní ásti rozmezí mených rychlostí. Mezi rychlostmi 80 km/h a 100 km/h se tlak zmní o 170 Pa, naproti tomu v horní ásti rozmezí mených rychlostí mezi 400 a 420 km/h se tlak zmní o 820 Pa. U vybraného diferenního senzoru MPX5010 byla zmena teplotní závislost a asová stálost. Pi tlakovém mení byly výsledky nejvíce ovlivnny nepesným nastavením tlaku v tlakovém systému s IVD (viz kapitola 4.2). Pi opakovaných meních senzoru nebyla chyba vtší než ±4 km/h. Mením teplotní závislosti bylo zjištno, že teplotní pásmo, kdy chyba vlivem teplotní závislosti nepekroí stanovené toleranní pásmo, je od 0 C do 40 C. To omezuje použití do výšek cca 2000 m podle teploty MSA. Pro penos signálu z tlakového senzoru do letadla byla zvolena analogová proudová smyka, která byla otestována na funkním vzorku. Bylo zmeno, že proudová smyka s obvodem XTR111 vnáší do micího etzce chybu, která na úrovni rychlosti 80 km/h není vtší než 0,18 km/h (viz Tab. 16). V návrh systému s íselným pevodem v sond (viz kapitola 6) byl využit mikroprocesor pro penos zmené hodnoty do letadla po sbrnici CAN. Jelikož mikroprocesor komunikuje s AD pevodníkem po sbrnici I2C, jeví se jako možné rozšíení systému pidáním tlakového senzoru, který má již íselný výstup po této sbrnici. Mohl by to být napíklad senzor firmy Sensortechnics s oznaením HDIM100DU, který však stojí kolem 8000 K. Další možné zpesnní mení diference by bylo použitím dvou tlakových senzor. Prvního pro diference do cca 1000 Pa (145 km/h) a druhého do 10 kPa (450 km/h), kdy by byly oba senzory napojeny na stejné tlakové obvody a senzor pro nižší diference by mil nižší tlaky s vtší citlivostí. Pi konzultacích s výrobcem sondy, firmou SpaceAge Control Inc. jsem byl však ubezpeen, že výrobce dosud neví o žádném použití této sondy s mením tlaku uvnit sondy, protože sonda je vystavena vibracím, které by ovlivovali tlakové senzory. Výrobce doporuuje oba mené tlaky vyvést hadikami do letadla a senzor mít umístn v letadle. To mi bylo potvrzeno i ve VUT Brno.
55
Pílohy
56
Tab.p. 1: Teplotní závislost MPX2010
57
Tab.p. 2: Teplotní závislostMPX5010
58
Tab.p. 3: Stabilita
59
Obr.p. 1: Schéma zapojení s analogovou proudovou smykou
60
Obr.p. 2: DPS vrstva TOP
61
Obr.p. 3: Schéma digitálního provedení
62
Tab.p. 4: Nutné rozlišení AD pevodníku pro senzor MPX5010
63
Použitá literatura [ 1 ] Draxler, K.: Pístrojové systémy letadel 2. VUT, Praha 2002 [ 2 ] a o, S., Kreidl, M.: Senzory a micí obvody. VUT, Praha 2003 [ 3 ] Jakl, P.: Mení vzdušné rychlosti, Diplomová práce VUT FEL, Praha 2005 [ 4 ] Kadlec,K.:Snímae tlaku – principy, vlastnosti a použití, msíník Automa .7/2007 [ 5 ] Víš, J.: Teplotní kompenzace rezonanního tlakového senzoru, Disertaní práce VUT FEL, Praha 1998 [ 6 ] Bejek, L., (FEKT VUT Brno), Vaculík, J., (BHV senzory):Snímae tlaku-pehled trhu, asopis Automatizece 01/2006 [ 7 ] Ripka, P., Tipek, A.: Master Book on Sensors. VUT a BEN Praha, 2003 [ 8 ] Ripka, P., ado, S.: Senzory a pevodníky. VUT, Praha 2005 [ 9 ] Nedvd,J.: Aerometrický sys. pro malá letadla.Bakaláská práce VUT FEL, Praha 2006 [ 10 ] katalogový list senzoru SerieN , Cressto [ 11 ] katalogový list senzoru BHV5353, BHV senzory [ 12 ] katalogový list senzoru DMP331,DMK331, BHV senzory [ 13 ] Data Sheet Vegabar14, Vega [ 14 ] Data Sheet RPT serie, Druck [ 15 ] Data Sheet FDM, Fujikura [ 16 ] Data Sheet SDX A, Sensortechnics [ 17 ] Data Sheet SP82, MEMSCAP [ 18 ] Sensors Device Data,Freescale Semiconductor Reference Manual,DL200 REV.7, 1/2007 [ 19 ] Data Sheet REF5050, Texas Instruments [ 20 ] Data Sheet XTR111, Burr-Brown, Texas Instruments [ 21 ] 100800 Trailing Bomb, Installation Drawing, SpaceAge Control, Inc [ 22 ] MC9S12XDP, HCS12X Microcontrollers, Data Sheet, Freescale 2005 [ 23 ] Data Sheet, ADS1100, Burr-Brown, Texas Instruments [ 24 ] Data Sheet PCA82C250, CAN controller interface, Philips Semiconductor [ 25 ] Data Sheet ICL232, Intersil [ 26 ] Záhlava, V.: OrCAD 10, Grada, Praha 2004 [ 27 ] Vedral, J.,Fischer, J.: Elektronické obvody pro micí techniku. VUT, Praha 1999 [ 28 ] Matoušek, T.: I2C Bus, Inter Integrated Circuits bus by Philips, http://tmd.havit.cz [ 29 ] SpaceAge Control Inc. 100800 Trailing bomb, http://www.spaceagecontrol.com
64
