Розробка методів розрахунку та підвищення точності автогенераторних пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів тиску навігаційних систем

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Бондаренко Олександр Миколайович

УДК 531.768

Розробка методів розрахунку та підвищення точності автогенераторних пневмомеханічниХ вимірювальних перетворювачів тиску навігаційних систем

Спеціальність 05.11.01 - “Прилади та методи вимірювання механічних величин”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ - 2004Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі приладів і систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: Лауреат державних премій СРСР та України,

доктор технічних наук, професор

Збруцький Олександр Васильович

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри приладів і систем керування літальними апаратами, декан факультету авіаційних та космічних систем

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Гераїмчук Михайло Дем`янович

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри приладобудування

кандидат технічних наук,

Янкелевич Григорій Євсейович

Товариство з обмеженою відповідальністю “Індар”, м. Київ, головний спеціаліст з автоматичних систем керування

Провідна установа - Казенне підприємство “Центральне конструкторське бюро “Арсенал”, м. Київ

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор Л.М. Рижков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Невід'ємною частиною сучасних літаків та вертольотів є навігаційні системи, серед яких однією з найбільш розповсюджених є система повітряних сигналів (СПС). Широке використання СПС обумовлюється їх невеликою собівартістю, високою надійністю роботи, простотою збирання, наладки, градуювання, технічного обслуговування. найбільш масовими приладами, які входять до складу СПС, є вимірювальні перетворювачі тиску (ВПТ). По їх показам визначають барометричну висоту та повітряну швидкість ЛА. Точність СПС визначається в першу чергу точністю їх ВПТ.

Актуальною є задача створення прецизійних навігаційних систем з огляду неухильного підвищення вимог до цих систем по точності та надійності, відсутності в Україні виробництва таких систем. і в першу чергу це стосується первинних вимірювальних перетворювачів навігаційних систем та наземних засобів їх градуювання і перевірки.

Закордонні прилади такого класу надзвичайно дорогі, та все ж їх доводиться купувати, щоб забезпечити польоти українських літаків. Налагодження складних високих технологій, якими користуються при виробництві ВПТ закордонні виробники, в Україні в наш час майже неможливо внаслідок його високої собівартості і комерційної важливості такого виробництва для розвинутих держав світу.

Якнайкраще задовольнити усім вимогам і скласти конкуренцію існуючим серійним зразкам ВПТ можуть високотехнологічні прилади на новому принципі дії, одним з яких є ВПТ з пневмомеханічним резонатором (ПМР). ВПТ з ПМР володіють простотою і високою технологічністю виготовлення поряд з високими метрологічними характеристиками. Реалізація виробництва ВПТ з ПМР можлива з використанням базових технологій українських приладобудівних підприємств, тому такий прилад буде недорогим. За умови підвищення точності ВПТ з ПМР до класу 0,02…0,03% задачу створення в Україні виробництва прецизійних ВПТ було б розв'язано. Розроблений прилад завдяки своїм якостям стане конкурентоспроможним не лише на українському, але й світовому ринку датчикової апаратури.

Прилади з ПМР виготовляються в розвинутих промислових країнах світу, таких як США, Великобританія, Росія, Японія. В наш час випробувані експериментальні зразки ВПТ з ПМР, деякі з них випускаються масово і використовуються як штатні барометричні висотоміри середньої точності, широкодіапазонні ВПТ в аеродинамічних трубах, космічних апаратах, що спускаються, в лабораторних установках для визначення фізичних параметрів газів. В науковій літературі розробниками оприлюднені розрізнені емпіричні залежності для вибору конструктивних параметрів чутливих вузлів окремих приладів, експериментально отримані характеристики та особливості поведінки ВПТ з ПМР в різних умовах експлуатації. Вони доводять роботоздатність приладів такого типу, та не мають ґрунтовного теоретичного пояснення. навігаційний пневмомеханічний вимірювальний перетворювач

Позбутися здогадок при поясненні експериментальних залежностей та емпіризму при виборі конструктивних параметрів ВПТ з ПМР дозволить їх математична модель, яка врахує фізичні властивості ПМР і узагальнить отримані попередніми дослідниками експериментальні дані, надасть можливість дослідити похибки пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем і розробити ефективні методи їх компенсації.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась згідно з планами науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ”КПІ”): договір № 2837 від 15.01.1997р. “Розробка та дослідження прецизійних датчиків тиску для висотомірів” з Міністерства Освіти і науки України; Міжгалузева науково-технічна програма розвитку найбільш конкурентоспроможних напрямків мікроелектроніки в Україні №1-14/473 від 24.06.1998р., НДР “Датчики тиску для атомних електростанцій та нафтохімічної промисловості” з Міністерства промислової політики України; ДКР “Рось-1” №769/97-ВР від 23.12.1997 з Казенним підприємством “Центральне конструкторське бюро “Арсенал”, загальнодержавна (національна) космічна програма України на 1998-2002р.р.; договір №НЧ/364-2003 від 11.08.2003 “Розробка і дослідження базової датчикової апаратури перспективних систем управління на мікромеханічних технологіях” з Міністерства Освіти і науки України, національна програма “Критичні технології”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методів розрахунку пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів тиску навігаційних систем і методів та засобів підвищення їх точності в умовах дії збурюючих факторів.

для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

проаналізувати сучасну аерометричну навігаційну систему, її основні похибки, визначити засоби підвищення точності і надійності такої системи;

вибрати базову функціональну схему побудови пневмомеханічного ВПТ навігаційних систем;

розробити математичну модель та дослідити фізичні властивості основних функціональних вузлів ВПТ з ПМР;

визначити і розробити методи підвищення точності ВПТ з ПМР;

оцінити можливості реалізації пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем високої точності та сформувати рекомендації по їх проектуванню;

провести експериментальне підтвердження основних результатів теоретичних досліджень ВПТ з ПМР.

Об`єктом досліджень є побудовані на новому принципі дії вимірювальні перетворювачі тиску навігаційних систем.

Предметом досліджень є методи та засоби, які дозволять з прийнятною для інженерних розрахунків точністю розрахувати автогенераторні пневмомеханічні вимірювальні перетворювачі тиску навігаційних систем та підвищити їх точність

Методи досліджень. Похибки навігаційної системи та ВПТ визначались прийнятими в метрології та вимірювальній техніці методами логарифмування та повного диференціювання виразів, що описують їх характеристики. умову роботоздатності ПМР ВПТ визначено методом електромеханічних аналогій та прийомами пневмоавтоматики. математична модель ВПТ з ПМР побудовано методами теорії коливань, опору матеріалів, механіки суцільного середовища, гідромеханіки й термодинаміки. Математичне моделювання виконано на ПЕОМ в прикладному пакеті MathCad методом підбору. Експериментальні дослідження проводились з використанням методів статистичної обробки вимірювальної інформації.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті проведених досліджень були одержані наступні нові результати, отримані здобувачем:

обґрунтований новий фізичний механізм перетворення, що лежить в основі принципу дії автогенераторних пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів тиску. Він полягає у впливі пружності газу, яка залежить від тиску цього газу, на власну частоту пневмомеханічного резонатора ВПТ за певного співвідношення параметрів такого резонатора.

визначені і досліджені в аналітичному вигляді функції перетворення, якими є залежності вихідної частоти від вимірюваного тиску, та умова роботоздатності пневмомеханічних ВПТ, за якої вихідна частота приладу однозначно і необхідним чином залежить від вимірюваного тиску.

отримана узагальнена математична модель пневмомеханічного ВПТ, яка враховує геометрію ПМР, фізичні властивості його складових, умови експлуатації ВПТ навігаційних систем. Модель узагальнила результати експериментальних досліджень закордонних авторів і проведених експериментальних досліджень макету ВПТ, побудованого за новою конструктивною схемою, дозволила отримати аналітичні залежності для розрахунку основних параметрів та характеристик ВПТ з ПМР і показати роботоздатність та високі метрологічні характеристики приладів такого типу.

оцінені основні похибки та розроблений новий метод підвищення точності пневмомеханічних ВПТ, який полягає в побудові ПМР на резонуючому елементі спеціальної форми з декількома видами власних коливань, по власним частотам яких визначаються і алгоритмічно компенсуються у вихідному сигналі ВПТ його основні похибки. Показана можливість вимірювання таким ВПТ навігаційної системи повітряних сигналів статичного та повного тиску набігаючого потоку з основною приведеною похибкою не вище 0,02% від верхньої межі вимірювання.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

запропоновані нові функціональні й конструктивні схеми побудови ВПТ з ПМР на основі проведених досліджень, вибрані оптимальна конструктивна й краща за існуючі функціональна схеми побудови прецизійного ВПТ з використанням результатів проведеного в роботі дослідження

Показані можливості створення високотехнологічних конкурентоспроможних прецизійних та середнього класу точності пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем, організація виробництва яких можлива на технологічній базі вітчизняних приладобудівних підприємств.

Розроблені методики розрахунку основних конструктивних і фізичних параметрів та характеристик ВПТ з ПМР застосування яких доводить можливості прецизійного вимірювання тиску ВПТ з ПМР та реалізації їх конструкції. Показані можливості використання результатів досліджень для розрахунку контурів пневматичного демпфірування чутливих вузлів вимірювальних перетворювачів різних механічних величин.

Розроблені алгоритми, математичне і програмне забезпечення для розрахунку пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем.

Створені стенди і макет для експериментальних досліджень ВПТ з ПМР.

Особистий внесок здобувача. Для досягнення поставленої в дисертації мети дослідження автором особисто одержані такі результати:

- виконано огляд наукових, конструкторських і технічних робіт інших авторів, які передували даній роботі, встановлено місце робіт здобувача в загальному розвитку пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів навігаційних систем;

- розроблено методи розрахунку пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів навігаційних систем і досліджено засоби підвищення їх точності;

- побудовано базову функціональну схему, алгоритм проектування та математичну модель ВПТ з ПМР;

- проведено експериментальні дослідження макету приладу.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на п`яти міжнародних науково-технічних конференціях: ІV-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація, управління рухом і конструювання рухомих об`єктів”, 2001р., Київ, Україна; 8-й Санкт-Петербурзській міжнародній конференції по інтегрованим навігаційним системам, Санкт-Петербург, Росія; міжнародній науково-практичній конференції “Современные информационные и электронные технологии (СИЭТ-2001)”, 2001р., Одеса, Україна; V-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація, управління рухом і конструювання рухомих об`єктів”, 2003р., Київ, Україна; Міжнародній науково-технічній конференції “Сенсорна електроніка та мікросистемні технології” (СЕМСТ-1), 2004р., Одеса, Україна.

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 7 науково-технічних статтях та 6 доповідях і тезах доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків та додатку. Обсяг основної частини роботи становить 131 стор. В роботі приведено 35 рисунків та 7 таблиць. Список використаних джерел містить 111 назв на 10 сторінках. Обсяг роботи разом з додатком - 172 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі коротко охарактеризована проблема, обґрунтована актуальність роботи, сформульована її мета, наведені основні наукові та практичні результати, які отримані в дисертації і виносяться на захист, показана структура та обсяг дисертації.

Перший розділ присвячено аналізу побудови і похибок сучасної навігаційної системи повітряних сигналів, вибору на основі аналізу сучасного стану розробок в галузі принципів побудови пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів тиску такої системи, постановці задачі по їх дослідженню.

Показано, що критичними похибками СПС є інструментальні статичні похибки. Джерелом цих похибок є похибки ВПТ, що входять до складу СПС, і тому єдиним засобом підвищення точності СПС є підвищення точності їх ВПТ. ВПТ повинні надійно функціонувати та забезпечувати високі метрологічні характеристики в жорстких умовах експлуатації навігаційних СПС.

Виявлено, що перспективними до використання в навігаційних системах є ВПТ з ПМР, завдяки їх високим чутливості до вимірюваного тиску, стабільності метрологічних характеристик і технологічності виготовлення, зацікавленості провідних країн-виробників у приладах такого типу.

Для ефективного використання запропонованих в науково-технічній літературі передових принципів побудови ВПТ з ПМР, а також задля позбавлення виявлених недоліків ВПТ з ПМР, розроблено базову функціональну схему (рис.1) побудови пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем. Такі ВПТ наділені первинним перетворювальним елементом у вигляді розділяючої мембрани 1 і резонуючим елементом 2 складної форми з декількома видами коливань. Розділяюча мембрана запобігає впливу забруднень, вологи, швидкої зміни температури повітря, верхньої межі вимірювання на точність і роботоздатність приладу. Власні частоти декількох видів збурених коливань РЕ ПМР нададуть інформацію про режимну (температурну) і довгострокову (старіння) нестабільність ВПТ. Алгоритмічна компенсація цих похибок дозволить суттєво підняти точність приладу. РЕ із зосередженими параметрами значно спростить реалізацію конструкції приладу. Задачою подальших розділів стало розробити методи розрахунку пневмомеханічних ВПТ навігаційни систем, довести ефективність вибраних базової схеми їх побудови, у порівнянні з існуючими, і вибраного методу підвищення точності.

В другому розділі проводиться дослідження і розробка принципу дії, базових функціональних схем побудови та математичної моделі ВПТ з ПМР, аналітичне визначення основних розрахункових залежностей (умови роботоздатності, функції перетворення і ін.) для вибору необхідних конструктивних і фізичних параметрів ВПТ з ПМР базових функціональних схем побудови, проведені числові оцінки їх основних характеристик.

Основним функціональним перетворювачем ВПТ з ПМР є пневмомеханічна автоколивальна система, вихідна частота якої залежить від вимірюваного тиску. Система є планарним ПМР, що за допомогою системи реєстрації (СР) і системи збурення (СЗ) підключається в контур додатного зворотного зв'язку широкосмугового підсилювача з нелінійною вихідною характеристикою. Підсилювач компенсує втрати енергії за період коливань ПМР. Конструктивно ПМР включає (рис.2) плоску пневмокамеру 1, заповнену газом, і плоский резонуючий елемент (РЕ), який здійснює періодичні незатухаючі коливання з власною резонансною частотою коливань ПМР поблизу газонепроникного екрана (ГНЕ) 2. На рис.2 РЕ умовно представлений у вигляді жорсткої ефективної частини (ЕЧ) 3 з робочою поверхнею S_еф, підваженої на пружних елементах (ПЕ) 4. На рис.2 також позначені підсилювач 5, електроди СР 6 і СЗ 7, інші позначення пояснені далі.

ПМР є роботоздатним (його частота коливань однозначно і необхідним чином залежить від вимірюваного тиску), якщо величина поперечного розміру пневмокамери (зазору між ЕЧ 3 РЕ і ГНЕ 2) досить мала. При цьому за півперіод коливань РЕ газ внаслідок своєї в`язкості не встигає витікати з пневмокамери чи натікати в неї. Газ стискається чи розширяється, вносячи добавку в сумарну жорсткість ПМР, що називається приєднаною жорсткістю с_пр. Приєднана жорсткість с_пр залежить від тиску газу Р₀, що подається в пневмокамеру, і геометрії пневмокамери. внаслідок прискореного руху під час коливань РЕ своєю поверхнею захоплює частину навколишнього газу, яка дає добавку в сумарну масу ПМР. Ця добавка називається приєднаною масою РЕ m_пр. Приєднана маса m_пр залежить від щільності _Г газу і розмірів самої пневмокамери. Власна частота f коливань ПМР залежить від тиску Р₀ газу в пневмокамері і конструктивних параметрів пневмокамери, оскільки від цих параметрів залежать сумарні жорсткість і маса ПМР згідно виразу:

. (1)

розробку математичної моделі і методів розрахунку ВПТ проведено в межах лінійної теорії пружності і газодинаміки завдяки таким особливостям, як малі зазори ПМР і амплітуди їх коливань, відносно невеликий температурний діапазон роботи навігаційних систем. методом електромеханічних аналогій знайдено постійну часу пневмокамери Т_Р і показано, що умова роботоздатності ПМР повністю задовольняється підбором геометричних і фізичних параметрів ПМР для будь-яких функціональних схем побудови ВПТ згідно виразу

, (2)

де k*=6^0,52,45 - розрахунковий коефіцієнт;

- зазор між РЕ і ГНЕ;

[] - максимально допустимий зазор ПМР;

L - найменший характерний розмір ЕЧ плоского РЕ;

Р₀, _Г, і - густина, тиск, коефіцієнти Пуассона і динамічної в`язкості газу;

₀ - кругова частота коливань РЕ в вакуумі.

Для цього пневмокамера замінялась еквівалентною пневмосистемою із зосередженими пневмоємністю, пневмоопором і джерелом об`ємної швидкості, яка далі замінялась схемою електричного аналогу. З математичної точки зору вважалось, що умова роботоздатності виконується, коли постійна часу пневмокамери перевищує півперіод коливань РЕ в вакуумі 1/2₀ (час його переміщення із одного крайнього положення в інше).

шляхом розв'язання хвильового рівняння руху газу в тонкій пневмокамері з однією рухомою стінкою, та з використанням виразу для нормальної складової тензору напружень в газі на поверхні рухомої стінки, знайдено сили взаємодії РЕ з газом у пневмокамері під ним. Особливістю визначення сил взаємодії виявилось те, що до складу розподілених сил, що традиційно вважались інерційними, за малого зазору (рис.2) входять пружні сили, які перевищують власне інерційні на декілька порядків, і останніми, як і знайденими силами пневматичного демпфірування коливань, при розрахунках ВПТ з ПМР можна знехтувати.

Власні частоти коливань ПМР

, (3)

де N - число щілинних зазорів обабіч РЕ (1 або 2), в яких виконується умова (2);

- власна частота коливань РЕ у вакуумі;

h і ₀ - товщина та щільністю матеріалу РЕ;

k_p - числовий коефіцієнт біля тиску в функції перетворення:

; (4)

де k_v, k_s і k_m - коефіцієнти витісненого під час прогину РЕ об'єму, ефективної площі (яка приймає участь у створенні приєднаної жорсткості) і еквівалентної маси РЕ (k_v, k_s, k_m 1);

_m - коефіцієнт врахування приєднаної маси;

,

визначено методом еквівалентних параметрів і на основі закону збереження механічної енергії. вирази для числових коефіцієнтів еквівалентних параметрів (пружності k_v² і маси k_m) ПМР для базових функціональних схем побудови ВПТ одержано інтегруванням форми прогину РЕ по його поверхні і зазору ПМР. функцією перетворення ВПТ з ПМР є вираз (3), в якому:

або Р₀=Р_в, для більшості функціональних схем, в яких вимірюваний тиск Р_в безпосередньо подається до пневмокамер ПМР;

або ₀(z₀/Р_max)(Р_вР₀), де z₀ - максимально припустимий прогин мембрани 1 (рис.1) при максимальному перепаді P_max=P_вмР₀ тиску на ній, ₀ - зазор ПМР при її непрогнутому положенні, Р_вм - верхня межа вимірювання тиску.

Результати проведених числових розрахунків спрощених конструкцій ВПТ з ПМР базових функціональних схем побудови для двох авіаційних діапазонів вимірювання 1000 і 2100мм.рт.ст. підтверджують їх роботоздатність та нескладність виготовлення зазорів ПМР =50…100мкм, показують високу чутливість до вимірюваного тиску, оскільки у вимірюваних діапазонах тиску максимальні девіації частоти склали до тисяч герц, що за умови компенсації основних похибок потенційно надає приладу високої точності вимірювання (похибки 0,02…0,05% від верхньої межі).

В третьому розділі досліджуються і розробляються методи та засоби підвищення точності ВПТ з ПМР на резонуючому елементі складної форми з декількома видами власних коливань, виявлені найбільш вдалі схеми його побудови, показано можливості пневмомеханічного ВПТ навігаційних систем по прецизійному вимірюванню тиску і реалізації конструкції.

Числова оцінка основних похибок пневмомеханічного ВПТ базової функціональної схеми побудови (рис.1) показала його відчутні режимну (температурну) і довгострокову (від просочування газу в герметичні порожнини приладу) нестабільність, компенсація якої традиційними засобами ускладнена. В першому випадку необхідно дуже дорогий високоточний (з похибкою менше 0,1%) швидкодіючий термодатчик. В другому випадку суттєво підвищуються витрати на експлуатацію приладу, викликані частою його перекалібровкою (до 10 раз на рік).

вказані похибки доцільно алгоритмічно компенсувати по власним частотам трьох видів коливань ПМР на РЕ складної багатокругової структури (рис.1)

, (5)

де

, , , , j=1, 2, 3,

j - номер обраного для збурення виду коливань ПМР;

i - номер зазору ПМР (i =1 з боку рухомого ГНЕ 3 (рис.1), i =2 з боку нерухомого ГНЕ 4);

_Е - температурний коефіцієнт модуля пружності матеріалу РЕ;

f_0j - власна частота обраного виду коливань РЕ у вакуумі;

_i і Р₀- товщини пневмокамер ПМР тиск в них;

k_sij і k_j- коефіцієнти ефективної площі РЕ і пружно-масових характеристик ПМР;

,

де c_ij - приєднана жорсткість РЕ від взаємодії його з газом у i-й пневмокамері (зазорі),

m_j - діагональний елемент матриці мас ПМР, який відповідає обраному (j-му) виду його коливань.

Впливаючими факторами є відхилення ДФ температури Т₀ від її номінального значення Т_НУ, підмембранний тиск Р₀, на який суттєво впливає відхилення температури , та власне вимірюваний тиск Р_в, який входить до виразу для зазору ₁₀₁(z₀/Р_max)(Р_вР₀), де ₀₁ відстань між РЕ 2 та ГНЕ 3 (рис.1) за нейтрального положення мембрани. Зазор ₂ утворюється наближенням другого нерухомого газонепроникного екрану 4 на малу відстань до РЕ. Ця відстань повинна забезпечувати виконання умови роботоздатності (2). Розв`язок системи рівнянь (5) необхідно знаходити числовими методами в спеціальному обчислювальному пристрої, на вхід якого постійно або з необхідною періодичністю подаються вихідні частоти f₁, f₂ і f₃, а на виході отримуються сигнали шуканих величин (Р_в, Р₀ і ДФ ).

Визначено в аналітичному вигляді критерій проектування - умову лінійної незалежності системи (5). Цей критерій встановлює зв`язок між коефіцієнтами k<sub>sij</sub> і k<sub>i</sub> рівнянь (5) і дозволяє завчасно вибрати в конструкцію ПМР необхідні розміри пружних елементів 9 і кругів РЕ та зазорів <sub>1</sub><<sub>2</sub>. знайдено аналітичний розв`язок системи в частковому випадку, показано необхідність використання в прецизійному пневмомеханічному ВПТ чотирикругового одномасового РЕ для якнайкращого задоволення критерію проектування та габаритних обмежень. На основі критерію і одержаної системи розрахункових залежностей, запропоновано алгоритм послідовного вибору конструктивних і фізичних параметрів прецизійного ВПТ навігаційної системи. проведені згідно алгоритму числові розрахунки варіанту побудови ВПТ з поступальним вздовж вісі Ох (рис.1) і двома обертальними навколо вісей OY і OZ коливаннями РЕ показали, що можливе:

встановлення оптимального співвідношення конструктивних і фізичних параметрів прецизійного ВПТ з ПМР, яке якнайкраще забезпечить лінійну незалежність системі рівнянь, що описують власні коливання ПМР, задовольнить вимогам до ВПТ навігаційних систем по точності і габаритним обмеженням та дозволить найлегше реалізувати його конструкцію;

прецизійне вимірювання тиску з похибкою на рівні 0,02% при зазорах ПМР біля _і=100мкм і підмембранному тиску в Р₀=0,1Атм, перекалібровці приладу не частіше 10 років.

Оцінені потенційно високі точності приладу разом з невисокою його собівартістю, яку забезпечить простота і висока технологічністю реалізації параметрів, надають пневмомеханічним ВПТ перспективності подальшої розробки та конкурентоспроможності на вітчизняному і зарубіжному ринках навігаційного обладнання для авіаційної і ракетно-космічної техніки

Четвертий розділ містить експериментальне підтвердження основних теоретичних положень результатами досліджень закордонних авторів та розробленого здобувачем макету ВПТ з ПМР.

В науково-технічній літературі містяться емпіричні вирази для умов роботоздатності і функцій перетворення ВПТ з ПМР для базових функціональних схем їх побудови. згідно розроблених методів розрахунку, для цих схем одержані аналітичні вирази. В більшості випадків їх вигляд співпадає з експериментальними, а похибки обчислення їх числових коефіцієнтів допустимі для інженерних розрахунків (не перевищують 10%). Це доводить вірність розроблених методів.

Розроблено і випробувано макет ВПТ з ПМР, прототипом якого був закордонний прилад з нелінійним пневмоопором газообміну з пневмокамерою, що вимірював тиск по наявним значним втратам в коливальному контурі на демпфірування. За розмірів ПМР макету, подібних до прототипу (прорізах в РЕ в 70 мкм), було виявлено зменшення частоти f_e2 зі збільшенням тиску Р_в (рис.3), що свідчило про теоретично передбачене невиконання умови роботоздатності (2), а при зменшенні прорізів до 40мкм, збільшенні обсягу пневмокамери, (щоб задовольнити умові роботоздатності (2)), спостерігалось передбачене виразом (3) збільшення частоти f_e1 (рис.3). знайдені теоретично і експериментально основні розрахункові коефіцієнти відрізняються менше ніж на 10%.

Результати випробувань показали достовірність та універсальність розроблених методів розрахунку для довільної конструкції і довільного режиму роботи пневмомеханічних ВПТ та можливість по їх використанню для розрахунку характеристик демпфірування плоских чутливих елементів інших вимірювачів навігаційних систем (акселерометрів, мікромеханічних датчиків кутової швидкості та ін.), можливості по вимірюванню тиску такими ВПТ із високою точністю.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В роботі розроблені математична модель та методи розрахунку автогенераторних пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів тиску навігаційних систем, які узагальнюють результати досліджень закордонних авторів і здобувача, досліджені принцип дії, базові схеми і алгоритми побудови, що дозволяють суттєво підвищити точність такого типу приладів.

Розгляд принципів побудови, основних похибок і умов експлуатації навігаційних систем повітряних сигналів показав, що саме вимірювальні перетворювачі первинних аерометричних параметрів, і, більшою мірою, вимірювачі статичного тиску атмосфери та повного (або динамічного) тиску набігаючого потоку повітря визначають точність та надійність цих систем, можливості по задоволенню сучасних вимог до них.

Завдяки таким перевагам, як простота та висока технологічність виготовлення поряд з високою стабільністю метрологічних характеристик та чутливістю до вимірюваної величини, вимірювальні перетворювачі тиску на новому принципі дії - з пневмомеханічним резонатором найкраще підходять для побудови на їх базі навігаційних систем повітряних сигналів. прилади такого типу розробляються і виготовляються в декількох передових промислових країнах світу.

Запропоновані в роботі методи дозволили уникнути властивих ВПТ з ПМР недоліків (вплив атмосферних забруднень, температурні похибки і невисока верхня межа вимірювання тиску) шляхом їх побудови за новою функціональною схемою з первинним мембранним та вторинним, з декількома видами коливань РЕ складної форми, перетворювальним елементами.

Знайдені умови роботоздатності, функції перетворення і інші основні характеристики ВПТ з ПМР, які дозволяють повністю розрахувати їх необхідні конструктивні і фізичні параметри для будь яких функціональних схем побудови. числові значення основних параметрів для спрощених конструкцій пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем показали нескладність їх реалізації і високу чутливість (менше 0,02% від верхньої межі вимірювання).

Найбільш суттєві похибки пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем (температурна і від довгострокової нестабільності) компенсуються алгоритмічно з потрібною точністю по частотах трьох видів власних коливань ПМР на РЕ складної багатокругової структури. розроблений метод підвищення точності ВПТ з ПМР і аналіз результатів числових розрахунків найбільш вдалої конструктивної схеми виконання пневмомеханічного ВПТ навігаційних систем доводять, що реалізація приладу такої конструкції можлива на існуючих вітчизняних приладобудівних підприємствах.

Розбіжність між визначеними теоретично та експериментально числовими коефіцієнтами основних характеристик ВПТ з ПМР в більшості випадків не перевищує 10%, що підтверджує основні розроблені теоретичні положення. Результати випробувань макету також показали, що розроблені методи розрахунку можна використати для обчислення коефіцієнтів пневматичного демпфірування плоских чутливих елементів та визначення впливу цього демпфірування на основні характеристики датчиків фізичних величин.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ

1. Черняк М.Г., Бондаренко О.М. Фізико-математичні основи побудови датчиків тиску з пневмомеханічним резонатором // Наукові вісті НТУУ”КПІ”. - К.: НТУУ”КПІ”. - 1999. - №3. - С.88-101. Здобувачем викладено фізичний механізм, що лежить в основі принципу дії ВПТ з ПМР, розроблено базову функціональну схему побудови ВПТ з ПМР.

2. Черняк М.Г., Бондаренко О.М., Коваленко Т.В. Фізико-математичне моделювання вимірювальних перетворювачів тиску з пневмомеханічним резонатором // Космічна наука і технологія. - 1999. - Т.5. - №5/6. - С.92-102. Здобувачем визначено основні характеристики ВПТ з ПМР з використанням закону збереження енергії.

3. Бондаренко О.М., Черняк М.Г., Коваленко Т.В. Прецизійні віброчастотні вимірювальні перетворювачі тиску з пневмомеханічним резонатором // Науково-технічний збірник. - Київ: ННДЦ ОТ і ВБ України. - 2000. - Т.5. - №5/6. - С.92-99. Здобувачем розроблено методи розрахунку ВПТ з ПМР.

4. Черняк Н.Г., Бондаренко А.Н. Прецизионный датчик давления с пневмомеханическим резонатором для бортового оборудования летательных аппаратов и контрольно-проверочной аппаратуры // Технология и конструирование в радиоэлектронной аппаратуре. - 2001. - №3. - c.39-43. Здобувачем обгрунтовано базовий варіант побудови пневмомеханічного ВПТ.

5. Черняк Н.Г., Бондаренко А.Н., Петровский С.И. Методика проектирования элементов прецизионного датчика давления с пневмомеханическим резонатором // Технология и конструирование в радиоэлектронной аппаратуре.- 2002. - №3. - c.30-33. Здобувачем розроблена методика проектування елементів пневмомеханічних ВПТ високої точності.

6. Черняк М.Г., Бондаренко О.М, Петровський С.І. Проектування прецизійного вимірювального перетворювача тиску з пневмомеханічним резонатором // Космічна наука і технологія.- 2003.- Т.14. - №1/2. - С.98-104. Здобувачем розроблено метод підвищення точності пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем.

7. Черняк М.Г., Бондаренко О.М., Скрипковський Г.О. Експериментальні дослідження вимірювального перетворювача тиску з пневмомеханічним резонатором // Наукові вісті НТУУ”КПІ”. - К.: НТУУ”КПІ”. - 2004. - №4. - С.121-124. Наведено і проаналізовано результати проведених здобувачем експериментальних досліджень ВПТ з ПМР.

8. Черняк М.Г., Бондаренко О.М. Фізико-технічні основи побудови вимірювальних перетворювачів тиску з пневмомеханічним резонатором // ІІІ международная научно-техническая конференция “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование подвижных объектов”: Сборник докладов. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2001.- С.72-78. Здобувачем представлено фізичний механізм роботи ВПТ з ПМР.

9. Черняк Н.Г., Бондаренко А.Н. Физико-математические основы построения измерительных преобразователей давления с пневмомеханическим резонатором// Труды международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. - Одесса. - 2001.- с.314-315. Здобувачем викладено методи розрахунку пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем.

10. Zbrutsky A.V., Chernyak N.G., Bondarenko A.N. Precision Pneumomechanical Pressure Transducer for Measuring Flight Vehicle Altitude and Velocity // 8th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems; Proceeding. - St.Petersburg: СSRI “Electronpribor”, 2001. - pр.123-125. Здобувачем показано методи підвищення точності пневмомеханічних ВПТ.

11. Черняк Н.Г., Бондаренко А.Н. Основы проектирования элементов измерительных преобразователей давления с пневмомеханическим резонатором // Труды международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. - Одесса. - 2001. - с.232-233. Здобувачем викладено методики проектування пневмомеханічних ВПТ навігаційних систем.

12. Черняк М.Г., Бондаренко О.М., Скрипковський Г.О. Макетування вимірювального перетворювача тиску з пневмомеханічним резонатором для аерометричних систем // ІV международная научно-техническая конференция “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование подвижных объектов”: Сборник докладов. - К.: НТУУ “КПІ”.- 2003.- С.72-78. здобувачем представлено конструкцію макету ВПТ з ПМР, методику і результати його випробувань.

13. Черняк М.Г., Бондаренко О.М., Скрипковський Г.О., Лопушенко В.К. Випробування макету датчика тиску з пневмомеханічним резонатором // Міжнародна науково-технічна конференція “Сенсорна електроніка та мікросистемні технології”.Тези доповыдей - Одеса: Астропринт - 2004. - С.280. Здобувачем проаналізовано результати випробувань макету ВПТ з ПМР.

АНОТАЦІЯ

Бондаренко О.М. Розробка методів розрахунку та підвищення точності автогенераторних пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів тиску навігаційних систем.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.01 - прилади та методи вимірювання механічних величин, НТУУ "КПІ", Київ, 2004.

В дисертації розв`язана наукова проблема дослідження теорії і принципів побудови автогенераторних пневмомеханічних вимірювальних перетворювачів тиску навігаційних систем. Показано, що з використанням розроблених здобувачем методів розрахунку і підвищення точності таких приладів можлива побудова вимірювачів тиску нескладної конструкції та з основною приведеною похибкою меншою 0,02% від верхньої межі вимірювання в умовах дії збурюючих факторів. отримані теоретичні результати підтверджуються експериментальними дослідженнями закордонних авторів та проведеними експериментальними дослідженнями макету приладу.

Ключові слова: навігаційна система повітряних сигналів, пневмомеханічний вимірювальний перетворювач тиску, методи розрахунку, підвищення точності.

АННОТАЦИЯ

Бондаренко А.Н. Разработка методов расчета и повышения точности автогенераторных пневмомеханических измерительных преобразователей давления навигационных систем.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.01 - приборы и методы измерения механических величин, НТУУ "КПИ", Киев, 2004.

Анализ современных навигационных систем воздушных сигналов показал, что возрастающие требования по точности и надежности к этим системам удовлетворяются в первую очередь повышением метрологических характеристик их измерительных преобразователей первичных аэрометрических параметров. Большинство в составе таких систем составляют измерительные преобразователи статического и полного давления набегающего потока воздуха. Измерители на новом принципе действия - с пневмомеханическим резонатором (ПМР) - благодаря таким преимуществам, как простота и высокая технологичность изготовления наряду с высокой стабильностью метрологических характеристик и чувствительностью к измеряемой величине, лучше всего подходят для построения на их базе навигационных систем воздушных сигналов. Приборы такого типа разрабатываются и изготовляются в передовых промышленных странах.

В диссертационной работе построена обобщенная математическая модель пневмомеханического измерительного преобразователя давления (ИПД), которая учитывает геометрию ПМР, физические свойства его частей, условия эксплуатации навигационных систем. Модель обобщает результаты экспериментальных исследований зарубежных авторов и проведенных соискателем экспериментальных исследований макета ИПД с ПМР.

Разработка математической модели и методов расчета ИПД благодаря таким особенностям, как малые зазоры ПМР и амплитуды их колебаний, относительно небольшой температурный диапазон работы навигационных систем, проведена в пределах линейной теории упругости и газодинамики. Методом электромеханических аналогий показано, что однозначная и предопределенная зависимость частоты колебаний ПМР ИПД от измеряемого давления достигается подбором геометрических и физических параметров ПМР для любых функциональных схем построения ИПД. Аналитические зависимости выходной частоты ИПД с ПМР от измеряемого давления получены наиболее простым и сохраняющим физический смысл выражений методом эквивалентных параметров и на основе закона сохранение механической энергии. Расхождение между теоретически и экспериментально определенными числовыми коэффициентами основных характеристик ИПД с ПМР не превысило 10%, что подтвердило верность проведенных в диссертации теоретических исследований. Предложена система формул для полной оценки основных конструктивных и физических параметров ИПД с ПМР. Проведенные согласно им числовые расчеты упрощенных конструкций ИПД для базовых функциональных схем построения показали несложность реализации наиболее критических параметров ПМР - зазоров, величина которых составила 50...100мкм прилинейных размерах резонирующего элемента около 20мм, а также высокую, меньше 0,02% от верхнего предела измерения, чувствительность приборов такого типа благодаря максимальным девиациям выходной частоты от нескольких сотен до тысяч герц.

Работа ИПД с ПМР основана на новом физическом принципе действия - влиянии упругости газа, которая зависит от давления этого газа, на собственную частоту пневмомеханического резонатора ИПД при определенном соотношении параметров такого резонатора. Решением волнового уравнения движения газа с учетом краевых условий в узком плоском зазоре доказано наличие распределенных упругих сил взаимодействия газа в зазоре с резонирующим элементом, и показано их существенность: упругие силы превышают собственно инерционные на несколько порядков, и последними даже целесообразно пренебречь при выборе основных параметров ИПД.

Разработан новый метод повышения точности пневмомеханических ИПД, согласно которому компенсируются алгоритмически с необходимой точностью по частотам трех видов собственных колебаний ПМР на резонирующем элементе сложной многокруговой структуры наиболее существенные погрешности пневмомеханических ИПД навигационных систем - температурная и от долгосрочной нестабильности. Предложена новая базовая функциональная схема построения таких ИПД, в которую для защиты от влияния атмосферных загрязнений и повышения диапазона измерений еще добавлен мембранный первичный преобразовательный элемент. Разработана методика выбора параметров прецизионного ИПД с ПМР, выработаны критерии проектирования. Анализ результатов числовых расчетов наиболее удачной конструктивной схемы исполнения ВПТ с ПМР показывает возможности реализации их конструктивных (зазоров порядка 0,1мм) и физических (вакуума в герметичных полостях ИПД порядка 0,1Атм) параметров на существующих отечественных приборостроительных предприятиях, и измерения ими статического и полного давления набегающего потока воздуха ЛА с основной приведенной погрешностью менее 0,02% от верхнего предела измерения.

Ключевые слова: навигационная система воздушных сигналов, пневмомеханический измерительный преобразователь давления, методы расчета, повышение точности.

SUMMARY

Bondarenko O.M. Development methods of the calculation and an increase accuracy of autogenerator pneumomechanical pressure transducers for navigation systems .

Thesis for obtaining of a philosophy doctor in engineering degree on speciality 05.11.01 - devices and metods of measuring of mechahical volumes, NTUU "KPI", Kyiv, 2004.

In dissertation the scientific problem of research of a theory and building principles of autogenerator pneumomechanical pressure transducers for navigation systems is solved. It's shown, that development methods of calculation and increase accuracy are allows to building the pressure transducers with simply design and basic reduction error less then 0,02% at an upper limit, upon disturbing factor conditions. The obtained theoretical results are proved by experimental research of foreign authors and test operation of the devices model. Key wards: air date navigation system, pneumomechanical pressure transducers, calculation, increase accuracy.

Размещено на Allbest.ru

...