Чувствительные элементы барометрических высотомеров. Кремниевые датчики давления

4.2 Чувствительные элементы барометрических высотомеров. Кремниевые датчики давления

Рассмотрим двухстрелочные высотомеры ВД-10, ВД-17, ВД-20. Все они построены по одинаковой схеме и отличаются друг от друга главным образом диапазоном измерения.

Основными узлами высотомера являются чувствительный элемент, передаточно-множительный механизм, индикаторная часть, механизм установки начального давления, герметический корпус. Внешний вид и кинематические схемы высотомеров ВД-17, ВД-20 показаны на рис. 4.3-4.4. В качестве чувствительного элемента в приборе применен анероидный блок, состоящий из двух коробок 1 [9].

Рис. 4.3. Внешний вид высотомера ВД-17

Рис. 4.1 Кинематическая схема высотомера ВД-17 1- анероидные коробки; 2,3- центры; 4 - биметаллический валик 5, 6 – штифты 7, 8- тяги; 9-переходная ось; 10-зубчатый сектор; 11 – биметаллическая пластинка; 12, 13 - стойки; 14 - пружинный противовес; 15 - пружина; 16 – регулировочный винт; 17-25 - шестерни; 26 - волосок; 27, 28 - оси; 29, 30 - стрелки; 31 - коробок; 32 - шкала барометрического давления; 33 - головка кремальеры.

При изменении высоты полета изменяется давление воздуха, окружающего самолет. Изменение давления через штуцер в корпусе передается во внутреннюю полость прибора, в результате чего происходит деформация коробок блока, вызывающая перемещение верхнего центра 2. Это перемещение посредством тяги 7 и шестерен передается на большую стрелку прибора 29 и при помощи шестеренчатого перебора - на малую стрелку 30.

Рис. 4.4. Кинематическая схема высотомера ВД-20

1,2- блок анероидных коробок; 3 - неподвижный центр блока коробок; 4 - подвижный центр блока коробок; 5, 25 - температурные компенсаторы; 6 - тяга; 7 - промежуточный валик; 8 - зубчатый сектор; 9, 11, 14 - трибки; 10, 15, 16, 17-шестерни; 12-большая стрелка; 13 - внешняя шкала; 18 - малая стрелка; 19-кремальера; 20-шкала давлений; 21, 22 - индексы; 23 - подвижное основание; 24 - пружинный балансир оси 9, сектора 10

Большая стрелка прибора показывает по шкале высоту полета самолета в метрах. Эта стрелка делает полный оборот при изменении высоты на 1000 м. Малая стрелка прибора показывает высоту полета в километрах. Она делает один полный оборот при изменении высоты на 10000м. При помощи кремальеры 33 в прибор можно вводить поправки на изменение барометрического давления. Погрешность прибора у земли ±20 м, а на высоте 17000м±300м.

Рассмотрим основные источники погрешностей барометрических высотомеров с металлическими чувствительными элементами, сравнивая их с высотомерами на базе кремниевых кристаллов. Барометрическим высотомерам с металлическими чувствительными элементами присущи инструментальные, аэродинамические и методические ошибки [9].

Методические ошибки включают три составляющие. Первая – барометрическая ошибка. В полете барометрический высотомер измеряет высоту относительно того, уровня, давление которого установлено на шкале. Он не учитывает изменение давления по маршруту. Обычно атмосферное давление в различных точках земной поверхности в один и тот же момент неодинаковое. Поэтому истинная высота будет изменяться в зависимости от распределения атмосферного давления у Земли. При падении атмосферного давления по маршруту истинная высота будет увеличиваться, при повышении давления - уменьшаться, т. е. возникает барометрическая ошибка, обусловленная непостоянством атмосферного давления у Земли. Ошибка Н_бар учитывается следующим образом: перед вылетом - установкой стрелок высотомера на нуль; перед посадкой - установкой на высотомере давления аэродрома посадки; при расчете высот - путем учета поправки на изменение атмосферного давления. В случае кремниевых датчиков давления установка на ноль и корректировка происходит автоматически.

Причиной второй составляющей методической ошибки Н_темп является несоответствие фактического распределения температуры воздуха с высотой стандартным значениям, принятым в расчете механизма высотомера. Температурная ошибка особенно опасна при полетах на малых высотах и в горных районах в холодное время года. В практике считают, что для малых высот каждые 3° отклонения фактической температуры воздуха от стандартной вызывают ошибку, равную 1% измеряемой высоты [9]. Обычно методическая температурная поправка учитывается с помощью навигационной линейки НЛ-10М или навигационного расчетчика НРК-2. Чувствительность, смещение (выходное напряжение при нулевом давлении на ди­афрагму) и диапазон выходных напряжений микромеханических датчиков давления сильно за­висят от температуры, что привело к разработке термокомпенсированных приборов, причем термокомпенсация реализуется как приборно, так и алгоритмически. Так фирма Motorola для температурной компенсации использует напыленные вакуумным способом пленочные резисторы, которые подстраивают лазером для получения необходимых характеристик датчика давления. При этом в температурном диапазоне 0 - 80 °C погрешность измерения давления обеспечивается в пределах ±1% и ±2% в температурном диапазоне -50÷+125° С [12].

Третья составляющая - возникает потому, что высотомер в продолжение всего полета указывает высоту не над пролетаемой местностью, а относительно уровня изобарической поверхности, атмосферное давление которого установлено на приборе. Чем разнообразнее рельеф пролетаемой местности, тем больше будут расходиться показания высотомера с истинной высотой.

Другим преимуществом кремниевых сенсоров являет­ся более высокая чувствительность. Это параметр почти в сто раз выше, чем у классичес­ких тензопреобразователей с металлической диафраг­мой, на которую напылен тензорезистивный слой. Тре­тье преимущество - более высокая точность и линей­ность характеристики преобразования «давление-напряжение». Сцепление пьезорезисторов измеритель­ного моста с кремниевой диафрагмой на молекуляр­ном уровне позволяет исключить погрешности, связан­ные с передачей деформации.

Решающим же преиму­ществами полупроводниковых датчиков является ком­пактность, невысокая стоимость (при серийном произ­водстве), высокая надежность и простота эксплуатации.

Итак, электронный высотомер на основе микромеханических датчиков давления (смотри рис. 4.5) по сравнению с высотомерами на основе металлических чувствительных элементов имеет огромное количество преимуществ, в том числе: устойчивость к вибрации и ударам, возможность автоматической установки на ноль, возможность автоматической корректировки, прямой интерфейс с электронной системой навигации [11].

Рис. 4.5. Кремниевый датчик давления компании Intersema