Ємнісний висотомір

1. Ємнісний висотомір, що складається з вимірювального мосту з високопотенційним і низькопотенційним електродами, які складають систему електродів датчика інформаційної ємності, врівно важуючого конденсатора та високочастотного генератора живлення, який відрізняється тим, що система електродів ємнісного висотоміра містить дві частини високопотенційного електрода, які електрично з'єднані між собою і розміщені на верхніх кінцевих поверхнях крил, та одного низькопотенційного електрода, який розташований на нижній поверхні фюзеляжу. 2. Ємнісний висотомір за п.1, який відрізняється тим, що він має автоматичний цифровий врівноважуючий міст. Корисна модель відноситься до галузі електровимірювальної техніки й може бути використаний в авіації, зокрема в системах автоматичного управління маловисотними режимами польоту повітряних суден, машинобудуванні, у водному транспорті й в інших галузях, де необхідно вимірювати відстані чи переміщення. Відомі висотоміри, які призначені для вимірювання малих висот польоту, що побудовані на ємніснім способі вимірювання висоти [1, 2]. Ємнісної спосіб виміру висоти використовує залежність зміни електричної ємності між електродами (провідниками) висотоміра при наближенні до них струмопровідної поверхні. Пристрої, що розглядаються, мають два електроди, що розміщені на поверхні корпусу повітряного судна. Ємність між електродами вимірюється за допомогою резонансного або мостового мето жений. На вісі конденсатора закріплена стрілка вказувача висоти. Другий двигун служити для компенсації початкової ємності між електродами. Основним недоліком описаного висотоміра є те, що описаний висотомір має низку швидкодію, оскільки має механічні пристрої врівноваження мосту, і практично не може бути застосований у низковисотному режимі польоту, де вимірюваний параметр змінюється досить швидко. Крім того, схема вимірювання має у своєму складі трансформаторний міст з компаратором струмів, що робить схему дуже чутливою до впливів зовнішніх електромагнітних полів, тому чутливість схеми вимірювання для забезпечення стійкої роботи схеми занижена і є недостатня. Як стверджується в [2], верхня границя вимірюваних відстаней не перевищує відстані між електродами. Ніяких відомостей щодо характеру залежності інформаційної ємності від висоти не дається, крім вищенаведеного ствердження. Однак відомо, що характер залежності інформаційної ємності від висоти визначається складом та геометричними параметрами системи провідників, що утворюють електромагнітне поле [3], зокрема, розмірами провідників системи електродів ємнісного висотоміра та їх взаємним розміщенням на поверхні корпусу повітряного судна. Система електродів та задані потенціали утворюють електромагнітне поле певної конфігурації, характер зміни параметрів якого при наближенні земної повер ДУ У пристрої [2] застосовано врівноважений трансформаторний міст перемінного струму з плечовим компаратором струмів, високочастотний генератор живлення мосту, підсилювач, фазочутливий детектор, сервопідсилювач, два двигуни з редукторами, два перемінних врівноважуючих конденсатори та вказувач. Напруга розбалансу поступає з виходу мосту у вимірювальну схему й наприкінці на сервопідсилювач, який управляє двигунами. Перший двигун змінює величину перемінного конденсатора доки міст не буде врівнова ю 00 О) 8415 хні й визначає характер залежності інформаційної ємності від висоти. Експериментальні дослідження на масштабних моделях літака Ан-2, яки проводилися в Київському інституті інженерів цивільної авіації, показали, що характер залежності інформаційної ємності від висоти є неоднозначний [4]. При збільшенні висоти міжелектродна ємність зменшується, що відповідає попереднім початковим уявленням, але при подальшому збільшенні вона плавно зростає, досягаючи на великих значеннях висоти деякого постійного значення. Як приклад, у Додатку наведене один з протоколів, у якому зафіксовані характерні результати досліджень, проведених на масштабної моделі літака Ан-2. Модель мала два електроди прямокутної форми, які розміщувались на нижніх кінцевих поверхнях крила літака. Мінімальне значення ємності припадає на таке значення висоти, що практично співпадає з відстанню між електродами. Вірогідно, що це і викликало ствердження про діапазон вимірюваних відстаней, наведений в англійському патенті [2]. З метою одержання однозначної статичної характеристики висотоміра, що дасть можливість розширити діапазон вимірюваних відстаней, експериментальне досліджено кілька варіантів систем з додатковими електродами, яки змінювали конфігурацію електричного поля, створюваного системою електродів. На підставі одержаних результатів було розроблено ємнісний висотомір, у якому уведено додатковий електрод, на якій подається ненульовий потенціал [5]. Цей висотомір є найбільш близьким по технічній сутності до пристрою, що заявляється. Ємнісний висотомір [5] складається з високочастотного генератора живлення мосту, неврівноваженого трансформаторного мосту, вхідного підсилювача, активного функціонального перетворювача, синхронного детектора, фільтра та вказувача. Схема трансформаторного мосту складається з плечового трансформатора, високопотенційного, низкопотенційного та додаткового електродів, які створюють датчик інформаційної ємності, та врівноважуючого конденсатора. Додатковий електрод з'єднується з половиною вторинної обмотки плечового трансформатора й розміщується геометричне між основними електродами. Як стверджується авторами, таке технічне рішення підвищує швидкодію, завадостійкість, чутливість, надійність пристрою. Як стверджується в [5], введення додаткового електрода змінює конфігурацію електромагнітного поля, а звідси і характер залежності інформаційної ємності від висоти й розширює діапазон висот, що вимірюються. Але взаєморозміщення електродів на корпусі повітряного судна, співвідношення потенціалів електродів, відомості про конфігурацію електричного поля та вигляд одержаної статичної характеристики не наведено. Крім того, розглянутий в [4] пристрій має в основі систему електродів, яка складається з високопотенційного 1 і низкопотенційного 3 електродів, яки розміщені на кінцевих поверхнях крила 2 (Фіг. 1а). Така система електродів утворює відносно площини симетрії літака несиметричне елект ромагнітне поле. Це призводить до зміни виміряного значення висоти при появи крену літака. Ще одним недоліком прототипу [5] є те, що в ньому використовують неврівноважений трансформаторний міст та активний аналоговий функціональний перетворювач. Це викликано потребою суттєво підвищити швидкодію пристрою. Однак, це не дозволяє одержати бажану чутливість пристрою, або при досягненні потрібної чутливості суттєво зменшується діапазон вимірюваних висот. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити ємнісний висотомір, в якому нове виконання системи електродів та схеми вимірювання дозволило б забезпечити однозначну статичну характеристику та усунути вплив крену, і за рахунок цього одержати значне збільшення діапазону вимірюваних висот та стійкість вимірювань. Поставлена задача вирішується тим, що ємнісний висотомір містить вимірювальний міст з високопотенційним і низкопотенційним електродами, які складають систему електродів датчика інформаційної ємності, врівноважуючий конденсатор та високочастотний генератор живлення, який згідно з винаходом має систему електродів, що містить дві частини високопотенційного електрода, які електричне з'єднані між собою і розміщені на верхніх кінцевих поверхнях крил, та одного низкопотенційного електрода, який розташований на нижній поверхні фюзеляжу. Вимірювання інформаційної ємності для одержання бажаної чутливості висотоміра в усьому діапазоні вимірюваних висот пропонується здійснювати мостовою схемою з автоматичним цифровим врівноважуванням З метою обґрунтування рішення, що пропонується, виконано моделювання потенційного поля ємнісного висотоміра та одержана розрахункова статична характеристика [6]. Вигляд розрахункової характеристики має вигляд досить близький до експериментального. За отриманими результатами побудована картина силового поля для різних висот (Фіг.2.) Аналіз змін характеру силового поля показав наступне. Потік електростатичної індукції, який створюється випромінюючими електродами, розподіляється на три потоки: 1-потік між випромінюючими електродами й нижньою поверхнею корпуса повітряного судна (ПС), 2 - потік між випромінюючими електродами й верхньою поверхнею корпуса ПС й 3 - потік електростатичної індукції, що іде в нескінченність. Величина інформаційної ємності визначається тією частиною потоку 1, що потрапляє на приймальний електрод. (Фіг.2а). При наближенні земної поверхні відбувається перерозподіл зарядів усіх тіл, що складають систему. На земній поверхні виникає наведений заряд, наявність якого приводить до формування додаткового потоку електростатичної індукції 4 (Фіг.26). Потоки 1, 2, 3 також перетерплюють зміну. Найбільш істотним у формуванні інформаційної ємності є зміни потоку 1, змінюється його конфігурація, зменшується щільність електростатичної індукції, та потоку 4. У міру наближення до земної поверхні потік 4 підсилюється, а потік 1 зменшується. 8415 Аналізуючи експериментальні й розрахункові статичні характеристики ємнісного висотоміра можна інтерпретувати механізм формування статичної характеристики в такий спосіб. Величина ємності, утворена потоком 4, зі збільшенням висоти може бути описана обернено пропорційним законом зміни, а величина ємності, утворена потоком 1, зі збільшенням висоти - близьким до експонентного закону. Загальний вигляд статичної характеристики може бути поданий як де а Д х , 5 - параметри, що залежать від геометрії системи тіл, тобто від розмірів, форми, і взаємного розташування корпуса і системи електродів ємнісного висотоміра. Графічна інтерпретація залежності подана на Фіг.З. Отут крива Эксп - експериментальна статична характеристика, крива 1 - складова, обумовлена потоком електростатичної індукції 1, крива 4 складова, обумовлена потоком електростатичної індукції 4. Таким чином, для усунення неоднозначності статичної характеристики необхідно істотно зменшити складову 1, а для усунення впливу крену на виміряне значення висоти використовувати систему електродів, що формує симетричне поле. Для формування симетричного поля високопотенційний електрод складається з двох елементів 1' і 1", які розташовуються на правій і на лівої частинах крила, а низкопотенційний електрод 3 розташовують у нижній частині фюзеляжу 2, тобто в середині крила (Фіг. 16). Така система електродів утворює два симетричних потоки електромагнітної індукції, яки разом визначають інформаційну ємність, тобто остання є сумою двох ємностей 1'-3 та 1"-3. При появи крену одна з ємностей збільшується, друга - зменшується, при цьому сума ємностей залишається практично незмінною. Для суттєвого зменшення впливу складової 1, що необхідно для одержання однозначності статичної характеристики, частини високопотенційного електрода, електричне з'єднаних між собою, розміщують на верхніх кінцевих поверхнях крил (Фіг.4). Для ілюстрації на Фіг.5 наведено статичні характеристики ємнісного висотоміра з верхнім 1 і нижнім 2 розташуванням випромінюючих електродів. Для одержання бажаної чутливості висотоміра в усьому діапазоні вимірюваних висот пропонується застосування вимірювальної схеми з автоматичним цифровим врівноважуванням. Сучасна обчислювальна техніка та комп'ютерно-інтегровані технології та виробництва дозволяють реалізовувати такі пристрої, що дозволяють отримувати необхідні характеристики висотоміра. Як одне із можливих технічних рішень може бути наведено схема вимірювання малих значень ємності, що реалізована у цифровому приладі Р-5083 вітчизняного виробництва. За рахунок вищенаведеного досягається незалежність результатів вимірювання від крену і однозначність статичної характеристики висотоміра, а також бажана чутливість пристрою в усьому діапазоні вимірюваних висот. Як супутнє достоїнство ємнісного висотоміра висоти треба відзначити, що взаємодія електромагнітного поля системи електродів із земною поверхнею здійснюється по деякої площі плями, з якого витікає потік 4, тому оцінка висоти здійснюється інтегрально по площі цієї плями. Зі зменшенням висоти пляма взаємодії збільшується. Це дає меншу зашумленність корисного сигналу в порівнянні з локаційними методами вимірювання відстаней, що потребують застосування фільтрів та корегування запізнення, що вноситися фільтрами. Ємнісний висотомір працює таким чином. Вимірювальна мостова схема за допомогою врівноважуючого конденсатора балансується на нульовій висоті, тобто на стоянці ПС. При зльоті ПС висота змінюється, ємність між електродами зменшується - міст розбалансовується. Після автоматичного врівноважування мосту на його виході з'являється цифровий код, значення якого пропорційно прирощенню інформаційної ємності, а звідси виміряної висоти. Крутість статичної характеристики пристрою на малих висотах досить велика, що дозволяє здійснювати вимірювати дуже малі зміни висоти. При збільшенні висоти крутість падає. Це дозволяє вимірювати досить великі висоти, що значно перевищують габарити ПС. Як показали льотні випробування [4] при відстані між електродами 14м були відмічені зміни ємності на висоті в 150м. На Фіг.4. подано розміщення елементів системи електродів ємнісного висотоміра, де введені такі позначення: 1' і 1" - права та ліва частини високопотенційного електрода, 2 - крило літака, 3 низкопотенційний електрод. Одержана однозначна статична характеристика висотоміра ілюструється на Фіг.5, де 1 - одержана статична характеристика дається в порівнянні з відомою експериментальною статичною характеристикою 2. Джерела інформації: 1. Патент Німеччини №586067, НКЛ 21 а 4 , 1933р. 2. Патент Великобританії №989095 НКЛ GIN (18А1Д8В1А), 1970., приоритет от 1965р. 3. Нейман Л.Р., Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники. (ч.З). М.,Л., ГЭИ., 1954. 248с. 4. Разработка принципов построения емкостного измерителя малых высот для самолетов сельскохозяйственной авиации. Отчет о научноисследовательской работе по теме №201-В73, КИИГА1975. 5. Козлов А.П., Грохольский А.Л., Ляшенко В.Н. Емкостной высотомер, а. с. №749179, 1980. 6. Козлов А. П. Системы управления маловысотным полетом воздушных судов с емкостными преобразователями. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. 8415 ГТ 7 Картина силового поля ємнісного висотоміра, а) на великих висотах, більше 100 м, Розміщення електродів ємнісного висотоміра а) несиметричне розмещення електродів, б) симетричне розміщення електродів б) при Н=50 м Фіг. 2 С о * ж 10* 4ОА6 —> Експ т L Н,м Формування статичної характеристики ємнісного висотоміра Верхнє розміщення високопотенційних електродів Фіг. 4 Фіг. З С,иФхїО : Н,м Статичні характеристики ємнісного висотоміра з верхнім (1) і нижнім (2) розташуванням високопотенційних електродів Фіг. 5 Комп'ютерна верстка А. Рябко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м. К и ї в - 4 2 , 01601