ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE. Fakulta elektrotechnická. Diplomová práce Martin Fetr

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Diplomová práce 211 Martin Fetr

2 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Měření barometrické výšky pomocí diferenčního snímače tlaku Vedoucí práce: Doc. Ing. Karel Draxler, CSc. Řešitel: Bc. Fetr Martin

3 Prohlášení Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací. V Praze dne Podpis autora práce

4 Poděkování Na tomto místě bych rád poděkovat především vedoucímu mé práce doc. Karlu Draxlerovi, jehož věcná rada a pomoc mě vždy posunula o krok dále a rozšířila mé poznání dané problematiky. Dále bych chtěl poděkovat všem lidem, kteří přispěli ke vzniku této práce.

5 Anotace Cílem práce je v návaznosti na stávající výsledky ověřit funkci přepínače tlaků v systému měření výšky pomocí diferenčního snímače tlaku vzduchu. S ohledem na stanovený rozsah měření výšek a použitý přepínač tlaků zvolit vhodný diferenční senzor tlaku. Dále ověřit funkci celého systému. Předpokládá se měření výšek v rozsahu do 5 km. Součástí práce je rovněž rozbor vlivu atmosférických změn na přesnost měření. Annotation The aim of the work is to verify function of the pressure switch in the system of the high measurement using differential sensor of the atmospheric pressure. To choose appropriate differential pressure sensor according to the determined measurement range of highs and type of the used pressure switch. Then to verify function of the entire system. We suppose measurement of highs in the range of 5 km. Analysis of the influence of atmospheric changes to the accuracy of the measurement is part of the work as well

6 Seznam obrázků Obr. 1: Popis výšek Obr. 2: Určení Δh Obr. 3: Typy senzorů Obr. 4: Princip mechanického výškoměru Obr. 5: Princip funkce systému s přepínačem tlaku Obr. 6: Experimentální ověření stanovení výšky pomocí tlakového přepínače Obr. 7: Diferenční zapojení senzorů Obr. 8: Naměřené hodnoty s přepínačem tlaku Obr. 9: Systém s přepínačem tlaku, bez korekce v jednotlivých dp Obr. 1: Naměřené hodnoty s přepínačem bez absolutního senzoru tlaku Obr. 11: Naměřené hodnoty s přepínačem bez absolutního senzoru, detail stoupání Obr. 12: Naměřené hodnoty s přepínačem bez absolutního senzoru, detail klesání Obr. 13: Schéma systému bez přepínače tlaku Obr. 14: Senzor Vegabar Obr. 15: Senzor MPXV51DP Obr. 16: Senzor HSC Obr. 17: Převodní charakteristika senzoru MPXV77DP Obr. 18: Vnitřní zapojení senzoru MPXV77DP Obr. 19: Schéma měření převodní charakteristiky Obr. 2: Popis kanálů senzoru Obr. 21: Převodní charakteristika, kanál B, referenční tlak 99 hpa, teplota 22 C Obr. 22: Převodní charakteristika, kanál A, referenční tlak 99 hpa, teplota 22 C Obr. 23: Převodní charakteristika, kanál A, referenční tlak 9 hpa, teplota 22 C Obr. 24: Převodní charakteristika, kanál B, referenční tlak 99 hpa, teplota C Obr. 25: Převodní charakteristika, kanál A, referenční tlak 99 hpa, teplota C Obr. 26: Převodní charakteristika, kanál A, referenční tlak 99 hpa, teplota 4 C Obr. 27: Převodní charakteristika, kanál B, referenční tlak 99 hpa, teplota 4 C Obr. 28: Teplotní charakteristika, referenční tlak 99 hpa, teplota 22 C Obr. 29: Schéma měření Závislosti výstupního napětí na napájecím napětí Obr. 3: Závislost výstupní napětí na napájecím napětí, referenční tlak hpa Obr. 31: Závislost výstupního napětí na napájecím napětí, referenční tlak +7 hpa Obr. 32: Závislost výstupního napětí na napájecím napětí, referenční tlak -7 hpa Obr. 33: Převodní charakteristika dif. zap., kanál A, referenční tlak 99 hpa, teplota 22 C Obr. 34: Převodní charakteristika dif. zap., kanál B, referenční tlak 99 hpa, teplota 22 C Obr. 35: Převodní charakteristika dif. zap., kanál B, referenční tlak 9 hpa, teplota 22 C Obr. 36: Převodní charakteristika, kanál A, referenční tlak 99 hpa, teplota C Obr. 37: Převodní charakteristika, kanál B, referenční tlak 99 hpa, teplota C Obr. 38: Převodní charakteristika, kanál A, referenční tlak 99 hpa, teplota 4 C Obr. 39: Převodní charakteristika, kanál B, referenční tlak 99 hpa, teplota 4 C Obr. 4: Teplotní charakteristika, referenční tlak 99 hpa

7 Obr. 41: Napájecí napětí, tlaková diference hpa Obr. 42: Napájecí napětí, tlaková diference +7 hpa Obr. 43: Napájecí napětí, tlaková diference 7 hpa Obr. 44: Experimentální ověření stanovení výšky pomocí diferenčního senzoru tlaku Obr. 45: Profil standardní atmosféry Obr. 46: Profil atmosféry blížící se standardu Obr. 47: Metodická chyba absolutního snímání tlaku, profil jaro Obr. 48: Metodická chyba při dp = 1 hpa, profil jaro Obr. 49: Metodická chyba při dp = 1 hpa, profil jaro Obr. 5:Odchylka výšky vypočtená z ruzných τ, profil jaro, dp = 1 hpa Obr. 51: Odchylka výšky vypočtená z různých τ, profil jaro, dp = 4 hpa Obr. 52: Odchylka výšky vypočtená z různých τ, profil jaro, dp = 1 hpa Obr. 53: Profil atmosféry v letním období (s posunutou teplotou) Obr. 54: Metodická chyba absolutního snímání tlaku, profil léto Obr. 55: Metodická chyba při dp = 1 hpa, profil léto Obr. 56: Metodická chyba při dp = 1 hpa, profil léto Obr. 57: Odchylka výšky vypočtená z různých τ, profil léto, dp = 1 hpa Obr. 58: Odchylka výšky vypočtená z různých τ, profil léto, dp = 4 hpa Obr. 59: Odchylka výšky vypočtená z různých τ, profil léto, dp = 1 hpa Obr. 6: Profil atmosféry v zimním období (s inverzí) Obr. 61: Metodická chyba absolutního nsímání tlaku, profil zima Obr. 62: Metodická chyba při dp = 1 hpa, profil zima Obr. 63: Metodická chyba při dp = 1 hpa, profil zima Obr. 64: Odchylka výšky vypočtená z různých τ, profil zima, dp = 1 hpa Obr. 65: Odchylka výšky vypočtená z různých τ, profil zima, dp = 4 hpa Obr. 66: Odchylka výšky vypočtená z různých τ, profil zima, dp = 1 hpa Obr. 67: Změna tlaku během dne Obr. 68: Schéma mechanického variometru Obr. 69: Principielní schéma variometru Obr. 7: Schéma pro měření citlivosti Obr. 71: Citlivost senzoru Obr. 72: Schéma pro měření přechodové charakteristiky Obr. 73: Přechodová charakteristika, skok 2 hpa Obr. 74: Přechodová charakteristika, skok 1 hpa Obr. 75: Přechodová charakteristika, skok 2 hpa Seznam tabulek Tabulka 1: Časová stabilita senzoru Tabulka 2: Časová stabilita diferenčního zapojení senzorů

8 Obsah Úvod Seznámení s problematikou Výšky v letectví Barometrická rovnice Modifikace barometrické rovnice Barometrický výškoměr Využití diferenčního senzoru tlaku s přepínačem tlaku Technika stanovení výšky Experimentální ověření principu stanovení výšky Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky Technika stanovení výšky Volba senzoru Testování senzoru MPXV77DP Testování diferenčního zapojení senzorů MPXV77DP Experimentální ověření principu stanovení výšky pomocí diferenčního senzoru Vliv atmosféry Atmosféra Standardní atmosféra Systém v reálné atmosféře Profil atmosféry blížící se standardní atmosféře Profil atmosféry s posunutou teplotou Profil atmosféry s inverzí Vliv změny tlaku Využití diferenčního senzoru tlaku pro stanovení rychlosti změny výšky Seznámení s problematikou variometru Experimentální ověření základních vlastností senzorů Závěr Literatura Přílohy

9 Kapitola 1 Úvod Práce se zabývá měřením výšky letounů. K měření výšky se nejčastěji používá barometrická metoda. Pro stanovení barometrické výšky se v převážné většině využívá absolutní senzor tlaku. V současné době dochází k velkému rozmachu bezpilotních letounů, které mají operační výšku do jednoho kilometru a nevyužijí tak celý tlakový rozsah absolutního senzoru. Proto se následující text zabývá určením výšky pomocí diferenčního snímače tlaku. V následující kapitole bude čtenář seznámen se základními pojmy a bude zde proveden teoretický rozbor problematiky. Kapitola se dále zaměřuje na barometrickou rovnici a její následné úpravě pro využití diferenčního senzoru tlaku. Je zde uveden i základní princip výškoměru. Třetí kapitola se věnuje výškoměru, který je založen na diferenčním senzoru tlaku v kombinaci s přepínačem tlaku. Tento systém byl již realizován a bylo na něm provedeno experimentální měření v [3]. Práce bude na výsledky navazovat a pokusí se dále upravit systém pro použitelnost v letounu. Na upraveném systému bude provedeno experimentální ověření. Další kapitola popisuje systém měření výšky využívající pouze diferenční senzor tlaku. Je zde proveden výběr vhodného senzoru, na kterém se provede základní měření jeho charakteristik, a vyhodnotí se jeho chyby. Následně se totožné měření provede u diferenčního zapojení dvou senzorů. V závěru kapitoly je provedeno experimentální ověření systému a jeho zhodnocení. Jelikož jsou výškoměry podstatně ovlivněny atmosférickými parametry, je v páté kapitole probrán vliv reálné atmosféry na výškoměr. Dále se zde diskutuje vliv určení teplotního koeficientu na přesnost stanovení výšky. Šestá kapitola, která rozšiřuje zadání práce, se popisuje možnost použití diferenčního senzoru tlaku pro určení rychlosti změny výšky. Budou zde provedeny základní měření citlivosti senzoru a přechodové charakteristiky. Zároveň zde bude nastíněno možné řešení variometru pomocí již zmiňovaného diferenčního senzoru tlaku. Sedmá, závěrečná kapitola shrne přínos práce a další možné využití systémů navržených v této práci. Kapitola 1: Úvod - 5 -

10 Kapitola 2 Seznámení s problematikou V kapitole je provedeno základní seznámení čtenáře s problematikou práce. První podkapitola pojednává o způsobu dělení výšek a o metodách měření. Následující dvě podkapitoly se věnují barometrické rovnici a její modifikaci pro využití diferenčního senzoru tlaku. Závěrem je zde uveden základní princip výškoměru. 2.1 Výšky v letectví Jedním z nejdůležitějších parametrů v letectví je výška. Výšku potřebujeme znát, aby nedošlo ke kolizi se zemským povrchem, pro vyhodnocení aerometrických údajů a v neposlední řadě k řízení letového provozu. Rozeznáváme různé druhy výšek, jejich zobrazení je na Obr. 1. OBR. 1: POPIS VÝŠEK 1 Pro měření výšky se v současné době nejvíce používají tři základní metody - radiometrická, inerciální a barometrická. Radiometrická metoda měření zpoždění mezi vyslaným a přijatým signálem. Elektrický signál se vysílá buď přímo z letounu, nebo z bodu, od kterého chceme znát vzdálenost. Přijatý signál se vyhodnocuje na palubě letounu. První metoda se používá pro zjištění výšky letounu nad zemí, druhá metoda se využívá při přistání letounu. Pomocí této metody se měří skutečná výška. 1 Obrázek převzat z [1] Kapitola 2: Seznámení s problematikou - 6 -

11 Inerciální metoda funguje na principu snímání zrychlení. Zrychlení se snímá ve směru působení gravitační síly, následně se dvojitou integrací převede na výšku letounu. Inerciální metoda měří relativní výšku, která je vztažena k určitému bodu, nejčastěji je to bod vzletu letounu. Barometrická metoda využívá závislosti atmosférického tlaku na výšce. Pomocí barometrické metody lze měřit všechny druhy výšek z Obr. 1 kromě skutečné výšky. V letectví je to nejpoužívanější metoda. Následující text se jí bude výlučně zabývat. 2.2 Barometrická rovnice Stanovení výšky pomocí barometrické metody je založeno na známé závislosti tlaku na výšce. Atmosférický tlak s výškou exponenciálně klesá. Průběh mezi těmito veličiny popisuje barometrická rovnice. Odvození barometrické rovnice vychází z předpokladu, že se sloupec vzduchu vertikálně nepohybuje a tlak lze v jeho objemu o ploše S a elementu výšky dh vyjádřit rovnováhu sil ve tvaru [1] (2.1) Pro odvození závislosti lze využít stavovou rovnici ideálního plynu ve tvaru kde p je tlak plynu (Pa) V objem plynu (m 3 ) n počet molů v jednotce objemu V (mol) R p univerzální plynová konstanta (Jkmol -1 K -1 ) T teplota plynu (K) g gravitační konstanta v nulové výšce, 9,815 (ms -2 ) dh přírůstek výšky (m) dp přírůstek tlaku (Pa) (2.2) Výsledný stav se získá na základě odvození uvedeném v [1] ve tvaru (2.3) kde H je výška měřená od vztažné úrovně odpovídající tlaku p (m) p, p h tlak vzduchu v nulové výšce H, resp. tlak vzduchu ve výšce H, 113,25 (hpa) T absolutní teplota v nulové výšce standardní atmosféry, 288,15 (K) τ teplotní koeficient do výšky 11 km, -6,5 1-3 (Km -1 ) R upravená univerzální plynová konstanta pro vzduch, 287 (Jkg -1 K -1 ) Kapitola 2: Seznámení s problematikou - 7 -

12 Pro absolutní výšku H v rozsahu až 11 km se rovnice upraví na tvar Pro diferenci výšek platí (2.4) (2.5) kde ΔH = H 2 - H 1 H 2, resp. H 1 je výška odpovídající tlaku p 2, resp. p 1, viz Obr. 2 OBR. 2: URČENÍ ΔH Modifikace barometrické rovnice Metoda měření výšky pomocí diferenčního senzoru tlaku, která byla experimentálně vyzkoušena v [3], vychází z následující myšlenky. Největší chybu v určení výšky způsobuje měření tlaku. Pro přesný výškoměr je potřeba měřicí systém s velmi přesným absolutním senzorem. Absolutní senzor lze však nahradit diferenčním senzorem tlaku, jehož údaj je možné odčítat s nejistotou řádu desetin hpa. Matematická úprava pro tuto myšlenku je následující, poměr tlaků se převede na jejich rozdíl (2.6) Rozdíl tlaků dosadíme do barometrické rovnice a získáme tak výsledný vztah (2.7) 2 Obrázek převzat z [3] Kapitola 2: Seznámení s problematikou - 8 -

13 V takto modifikované rovnici je vidět přínos pro použití diferenčního senzoru tlaku, který je schopen snímat diferenci tlaků Δp. Jediným omezením je znalost výchozího tlaku p 1. Pro zvýšení přesnosti je dále třeba brát v úvahu i další atmosférické veličiny, jako je zejména teplotní koeficient τ, který má po tlaku největší vliv na přesnost stanovení výšky. Teplotní koeficient je popsán vztahem (2.8) kde T 1, resp. T 2 je teplota vzduchu ve výšce H 1, resp. H 2 (hpa, m) Problémem zůstává, jak získat výšku H 2, která se teprve vypočítává. První varianta bere v úvahu teplotní koeficient ze standardní atmosféry. Nebude se ale brát v úvahu aktuální stav atmosféry, jelikož je teplotní koeficient konstanta. Druhá varianta spočívá v přibližném vypočtení výšky H 2 z barometrické rovnice, která se následně dosadí do vzorce pro výpočet teplotního koeficientu. Přibližný výpočet výšky se vypočte ze vzorce. Třetím případem je možnost získat údaj výšky H 2 z jiného systému, například z údaje inerciální navigace. Podrobně o tomto problému pojednává kapitola 5, kde se provede i diskuze chyby a vhodnost použití. 2.4 Barometrický výškoměr Práce se zabývá měřením výšky založené na dvou typech senzorů. Jednak je to systém s absolutním senzorem tlaku, následně pak systém s diferenčním senzorem tlaku. Rozdíl mezi absolutním a diferenčním senzorem je patrný z Obr. 3. OBR. 3: TYPY SENZORŮ Senzory se liší především vztažnou hodnotou. Absolutní senzor tlaku má vztažnou hodnotu vakuum, tedy tlak o nulové hodnotě. Diferenční senzor měří tlakový rozdíl mezi dvěma kanály, vztažná hodnota je volitelná. Jeho variantou je manometrický senzor tlaku, který má vztažnou hodnotu shodnou s hodnotou okolního tlaku vzduchu. Kapitola 2: Seznámení s problematikou - 9 -

14 Nejprve vysvětlíme princip výškoměru s absolutním senzorem tlaku, který se v letectví výhradně využívá. Princip mechanického barometrického výškoměru s absolutním senzorem tlaku je na Obr. 4. OBR. 4: PRINCIP MECHANICKÉHO VÝŠKOMĚRU 3 Tlak vzduchu z okolí letounu, který je úměrný výšce, je přes otvory statického tlaku vzduchu přiveden do vzduchotěsného pouzdra (1). Ve vzduchotěsném pouzdře je umístěna vakuovaná aneroidová krabice (2). Aneroidová krabice je pevně spojena s pouzdrem a v důsledku změny tlaku vzduchu se rozpíná, nebo smršťuje. Přes táhla a další mechanické převody je zdvih aneroidové krabice přenese na výchylku ukazatele (9, 1). Pomocí 11 se nastavuje vztažná úroveň tlaku. Pro vyšší výchylky se zapojují dvě aneroidové krabice nad sebe. Aneroidová krabice je základ i pro další systémy měření výšky, jako jsou např. bubínkový výškoměr a servovýškoměr. Pro měření tlaku se také často využívá převod tlaku na elektrický signál. Ve velké míře se jedná o deformační senzory, jako v předchozím případě. U převodu na elektrický signál mění deformační člen svoje elektrické vlastnosti. V případě křemíkové membrány se mění elektrický odpor, jenž je dále vyhodnocován, např. pomocí můstku. Změna tlaku je v takovém případě úměrná změně elektrického odporu. Dále se využívají piezoelektrické senzory tlaku a rezonanční senzor tlaku. V této práci se o těchto principech nemluví a jsou zde uvedeny pro úplnost. 3 Obrázek převzat z [1] Kapitola 2: Seznámení s problematikou - 1 -

15 Kapitola 3 Využití diferenčního senzoru tlaku s přepínačem tlaku Tato kapitola se zabývá využitím úpravy barometrické rovnice z předchozí kapitoly. Prozkoumá možnosti využití systému s přepínačem tlaku. Systém byl již navrhnut a realizován v diplomové práci [3], ověří se realizovaný systém testováním a následně se provede zhodnocení metody pro určení barometrické výšky. 3.1 Technika stanovení výšky Princip stanovení výšky je založen na snímání tlaku pomocí diferenčního senzoru v kombinaci s tlakovým přepínačem. Schéma měřicího systému je na Obr. 5. Atmosférický tlak z okolí letadla, který je podle barometrické rovnice úměrný výšce letounu, je snímán otvory statického tlaku vzduchu. Pomocí tlakového rozvodu se přivede k přepínači tlaku. Tlakový přepínač má jeden vstup a dva výstupy. Jednotlivé výstupy jsou napojeny na vstupy diferenčního senzoru tlaku. Tlakový přepínač má tedy dvě polohy, buď se vstupní tlak přivede na kanál A, nebo na kanál B diferenčního senzoru tlaku. OBR. 5: PRINCIP FUNKCE SYSTÉMU S PŘEPÍNAČEM TLAKU Při startu letounu se přepínač tlaku nastaví například do polohy 1, kdy je tlak z okolí letadla přiveden přímo do kanálu A diferenčního tlakového senzoru. Výchozí výška se měří pomocí absolutního senzoru tlaku. Při stoupání letounu klesá tlak v kanálu A, v kanálu B se tlak nemění a je rovný tlaku v místě startu letounu. Výška se počítá z barometrické rovnice, do rovnice (2.7) se dosazuje hodnota Δp. Když se tlaková diference mezi kanálem A a kanálem B přiblíží maximu tlakové diference udávané výrobcem senzoru, přepínač tlaku přepne do polohy 2, tj. Kapitola 3:Využití diferenčního senzoru tlaku s přepínačem tlaku

16 tlak je přiveden na kanál B. To má za následek na krátký časový úsek vyrovnání tlaků v obou kanálech. V tomto kroku se také zjistí přesná hodnota výšky za pomoci absolutního senzoru tlaku. Měření se dále opakuje po celou dobu letu. 3.2 Experimentální ověření principu stanovení výšky Systém pro měření výšky pomocí diferenčního senzoru tlaku s přepínacím ventilem byl realizován v diplomové práci [3]. Kompletní schéma s použitými měřicími přístroji je na Obr. 6. OBR. 6: EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ STANOVENÍ VÝŠKY POMOCÍ TLAKOVÉHO PŘEPÍNAČE Základem systému je diferenční senzor MPXV72DP. Senzor je napájen 5 V, tlaková diference mezi kanály je 2 hpa, přesnost senzoru ± 2,5 %. Funguje na principu deformace křemíkové membrány v důsledku přivedené diference tlaků. Pro zvýšení výchylky jsou v systému použity dva tyto senzory zapojené diferenčně, jejich vzájemné zapojení je na Obr. 7. OBR. 7: DIFERENČNÍ ZAPOJENÍ SENZORŮ Jejich výstup je vyhodnocován multimetrem HP 3441A. Absolutní tlak snímá přesný přístroj od firmy DRUCK s označením DPI 145. Oba tyto přístroje jsou s PC propojeny sběrnicí GPIB. V PC dochází k vyhodnocení údajů a je jím přes sběrnici CAN řízen přepínací ventil. Celý systém se řídí pomocí prostředí MATLAB. Zdrojové kódy jsou uvedeny v příloze. Kapitola 3:Využití diferenčního senzoru tlaku s přepínačem tlaku

17 h (m) a, Výškový profil letu Reference Diferenční snímač Stav ventilu b, Odchylky od referenční hodnoty h (m) Odchylka od reference Stav ventilu c, Odchylky od referenční hodnoty h (m) 2 1 Stav ventilu Odchylky jednotlivých h Součet odchylek Čas (.5 s) OBR. 8: NAMĚŘENÉ HODNOTY S PŘEPÍNAČEM TLAKU Naměřené hodnoty jsou vidět na Obr. 8. Bylo simulováno stoupání letounu do výšky 2 km odpovídající MSA 4 a návrat na výchozí hodnotu tlaku. Obr. 8a zobrazuje výškový profil letu, Obr. 8b zobrazuje odchylku výšky vypočítanou z údaje diferenčního senzoru tlaku a výšky vypočítané z hodnoty přesného absolutního snímače, která se zde bere jako referenční hodnota. Obr. 8c zobrazuje detailně odchylky od referenční hodnoty. Jednak odchylku jednotlivých úseků a celkovou odchylku (součet odchylek jednotlivých úseků). Chyba jednotlivých úseků není způsobena jen chybou senzoru tlaku, ale také možným únikem tlaku z uzavřeného kanálu. Na prozkoumání chování systému to nemá vliv. Při přepnutí dochází ke srovnání hodnoty absolutním snímačem, která je zde braná jako referenční hodnota, a chyba způsobená diferenčním senzorem se pro více přepnutí neintegruje. Už z principu je patrné, že použití kombinace přesného absolutního senzoru a senzoru tlakové diference není ideální. V případě, že máme k dispozici přesný absolutní senzor tlaku, tak pak nepotřebujeme další senzor. Další myšlenkou je oproti předchozímu principu vynechat přesný absolutní senzor tlaku a předchozí výšku nezjišťovat z tohoto senzoru, ale vypočítat si ji z diference tlaků. Principielní schéma takového systému je na Obr. 9. Schéma měření je obdobné Obr. 6, ale přístroj DPI 145 sloužil pouze k zjištění počátečního tlaku a měření referenční hodnoty. 4 MSA - Mezinárodní standardní atmosféra Kapitola 3:Využití diferenčního senzoru tlaku s přepínačem tlaku

18 OBR. 9: SYSTÉM S PŘEPÍNAČEM TLAKU, BEZ KOREKCE V JEDNOTLIVÝCH DP Simulace se provedla na podobném profilu letu jako v předchozím případě, tedy vystoupání do výšky 2 km podle MSA a vrácení na místo vzletu, resp. do výchozí tlakové úrovně. h (m) Reference Diferenční snímač Stav ventilu a, Výškový profil letu b, Odchylky od referenční hodnoty h (m) 1 5 Odchylka od reference Stav ventilu c, Odchylky od referenční hodnoty h (m) 1 5 Stav ventilu Odchylky jednotlivých h Součet odchylek Čas (.5 s) OBR. 1: NAMĚŘENÉ HODNOTY S PŘEPÍNAČEM BEZ ABSOLUTNÍHO SENZORU TLAKU Na Obr. 1 jsou naměřená data. Obr. 1a zobrazuje výškový profil letu. Modrá křivka zobrazuje výšku zjištěnou pomocí diferenčního senzoru tlaku, červená křivka zobrazuje výšku vypočítanou z údaje přístroje DPI 145. Na Obr. 1b je zobrazena odchylka výšky vypočítané z údaje diferenčního senzoru tlaku od výšky vypočítané z hodnoty přesného absolutního snímače, která je zde braná jako referenční hodnota. Obr. 1c zobrazuje detailně odchylky, jednak odchylku jednotlivých úseků a celkovou odchylku. Z obrázků je patrné, že dochází k integraci chyby. Po několika přepnutích se chyba úseků integruje a značně narůstá, při simulovaném letu došlo k 26 přepnutím a údaj výšky se od reference lišil o 112 m. Na Obr. 11 a Obr. 12 je zobrazen detailně let vzhůru do výšky 2 km podle MSA a klesání z 2 km do výchozí hodnoty tlaku, resp. výšky. Kapitola 3:Využití diferenčního senzoru tlaku s přepínačem tlaku

19 h (m) Reference Diferenční snímač Stav ventilu a, Výškový profil letu b, Odchylky od referenční hodnoty h (m) 1 5 Odchylka od reference Stav ventilu c, Odchylky od referenční hodnoty h (m) 5 Stav ventilu Odchylky jednotlivých h Součet odchylek Čas (.5 s) OBR. 11: NAMĚŘENÉ HODNOTY S PŘEPÍNAČEM BEZ ABSOLUTNÍHO SENZORU, DETAIL STOUPÁNÍ Možnosti využití takového systému je pro malé výšky, nebo pro menší počet přepnutí, kde nedojde k velké integraci chyby. Další variantou je možnost použití např. ke korekci inerciální navigace. Za pomoci takového systému zjišťovat drift inerční jednotky a následně ji korigovat. Tento systém by se dal využít např. pro let v jedné tlakové hladině, kde je diferenční senzor schopen rozeznat malé odchylky od referenční hodnoty tlaku. Kapitola 3:Využití diferenčního senzoru tlaku s přepínačem tlaku

20 h (m) a, Výškový profil letu Reference Diferenční snímač Stav ventilu b, Odchylky od referenční hodnoty h (m) 5 Odchylka od reference Stav ventilu c, Odchylky od referenční hodnoty h (m) 1 5 Stav ventilu Odchylky jednotlivých h Součet odchylek Čas (.5 s) OBR. 12: NAMĚŘENÉ HODNOTY S PŘEPÍNAČEM BEZ ABSOLUTNÍHO SENZORU, DETAIL KLESÁNÍ Kapitola 3:Využití diferenčního senzoru tlaku s přepínačem tlaku

21 Kapitola 4 Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky Tato kapitola se bude zabývat úpravou systému založeného na principu stanovení výšky z diferenciálního senzoru, a to oproti předchozí kapitole bez využití tlakového přepínače. Dále je v kapitole uveden základní přehled senzorů vyhovujících použitému způsobu funkce. Na vhodném senzoru se provede základní testování. Na závěr se zhodnotí využití tohoto systému. Hlavní výhodou využití diferenčního snímače tlaku pro určení barometrické výšky je jeho přizpůsobitelnost. Absolutní snímač tlaku, který se v letectví pro tyto účely v převážné většině používá, musí mít velký tlakový rozsah. To plyne z jeho principu. Vztažná hodnota je tlak kpa. Tlak na zemském povrchu (místě vzletu) se pohybuje kolem 1 kpa, v místě vzletu je největší atmosférický tlak. Proto takový senzor musím mít rozsah tlaků do kpa až do zhruba 1 kpa. Převážná většina letounů však dnes létá do výšky 11 kilometrů, což odpovídá tlakové úrovni 23 hpa. U malých bezpilotních letounů, které nepřesáhnou výšku v řádu stovek metrů, se využije jen zlomek takového tlakového rozsahu. Proto se zde dá s výhodou využít diferenční senzor tlaku s prakticky volitelnou vztažnou hodnotou a tím i tlakovým rozsahem. Výška, do které bude schopen takový systém měřit, je závislá na jeho diferenčním tlakovém rozsahu. Rozsah senzoru ale jde přímo modifikovat podle využití letounu. Zde se budeme zabývat měřením výšky do maximální úrovně jednoho kilometru, tedy s diferenčními senzory s maximálním tlakovým rozsahem do 1 kpa. OBR. 13: SCHÉMA SYSTÉMU BEZ PŘEPÍNAČE TLAKU Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

22 4.1 Technika stanovení výšky České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická Technika stanovení výšky se podobá předchozí kapitole. Schéma takového systému je na Obr. 13. Před startem letounu jsou tlaky v kanálech A a B vyrovnány. Následně se jeden kanál uzavře, může se předpokládat např. uzavření kanálu B. Do kanálu A je tedy po celou dobu letu přiváděn tlak z okolí letadla. Výška se zjistí přepočtem z barometrické rovnice pro diferenční senzor tlaku. Jediným omezením autonomnosti takového systému je znalost výšky, ze které letoun startuje. 4.2 Volba senzoru Jak bylo uvedeno v počátku kapitoly, budeme se zabývat diferenčními senzory tlaku. Jejich tlakový rozsah by měl odpovídat stoupání do výšky kolem 1 km. Ve standardní atmosféře nulová výška odpovídá hodnotě tlaku 113,25 hpa, tlak ve výšce jednoho kilometru odpovídá přibližně 9 hpa. Z těchto podmínek se volí diferenční tlakový senzor s tlakovým rozsahem maximálně 1 hpa, tedy 1 kpa. Chyba měření tlaku bude nejvíce ovlivňovat celkovou chybu určení výšky, proto bude také brán ohled na přesnost senzoru. Senzor Vegabar Senzor firmy Vegabar (Obr ) je kapacitní snímač s keramickou membránou. Má proudový výstup 4 2 ma. Napájen je 12 3 V. Hmotnost senzoru je 45 g, což je pro bezpilotní letouny značně limitující. Pro zadání by byl vhodný relativní senzor s měřicím rozsahem až 1kPa a chybou OBR. 14: SENZOR VEGABAR z rozsahu,5%. Teplotní chyba je udána <,15 % /1 K [4]. V práci [4] byl senzor uzavřen do tlakového zvonu a do něj byl přiveden statický tlak. Hlavní nevýhodou senzoru Vegabar jsou jeho rozměry, hmotnost a cena. Senzor Freescale MPXV51DP Tlakový senzor od firmy Freescale s označením MPXV51DP (Obr ) je diferenční senzor s tlakový rozsahem 1 kpa [11]. Je napájen 5 V. Senzor má přesnost ± 5 % z rozsahu. Jeho výhodou je dostupnost, velikost a cena (3 Kč), nevýhody jsou nepřesnost a nemožnost diferenčního zapojení dvou takovýchto senzorů. OBR. 15: SENZOR MPXV51DP 5 Obrázek převzat z 6 Obrázek převzat z Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

23 Senzor Honeywell řady HSCSAAN1PDAA5 České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická Senzor řady HSC od firmy Honeywell (Obr ) je pro takovéto účely takřka ideální. Jeho přesnost je ± 1 % z rozsahu, tlakový rozsahem ± 1 PSI, což odpovídá zhruba 7 kpa, je napájen 5 V, výhodou jsou i jeho rozměry. Nevýhodou je však dostupnost a vyšší cena (15 Kč). Snímač Freescale MPXV77DP OBR. 16: SENZOR HSC Další senzor je od firmy Freescale s tlakovým rozsahem 7 kpa. Senzor je napájen 5 V a umožňuje diferenční zapojení dvou senzorů oproti MPXV51DP. Teplotní pracovní rozsah má C až 8 C, nepřesnost senzoru ± 5 % z rozsahu. Výstupní napětí senzoru je dáno převodní charakteristikou (Obr. 17), nominálně V až 5 V [9]. OBR. 17: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA SENZORU MPXV77DP 8 OBR. 18: VNITŘNÍ ZAPOJENÍ SENZORU MPXV77DP 8 7 Obrázek převzat z 8,8 Obrázek převzat z [9] Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

24 Jedná se o senzor s křemíkovou membránou a jeho vnitřní schéma je na Obr. 18. Jeho výhodou je cena, dostupnost a rozměry (stejné rozměry jako senzor MPXV51DP na obrázku), nevýhodou je nepřesnost. Tento senzor byl zvolen pro experimentální měření především s ohledem na dostupnost a cenu. Firma nám jej poskytla jako zkušební vzorek. Následující podkapitoly se budou tomuto senzoru více věnovat. Na senzoru byly provedeny základní měření včetně testování jeho základních charakteristik. K měření byl využit vyhotovený plošný spoj [12], kam se napájely dva senzory a součástky pro základní filtraci a úpravu napájecího napětí doporučené z [9,1]. Popis plošného spoje je v [12]. Následující měření senzoru probíhalo automatizovaně a to za pomoci programu MATLAB využitím znalostí z [5-8] Testování senzoru MPXV77DP První měření se věnovalo převodní charakteristice, tedy závislosti výstupního napětí senzoru na tlakové diferenci mezi kanály. Schéma měření je na Obr. 19. OBR. 19: SCHÉMA MĚŘENÍ PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKY Měření bylo provedeno pro kanál A a pro kanál B (viz Obr. 2 9 ), následně pro dvě referenční hodnoty tlaku a teplotu 22 C. V prvním případě byl referenční tlak 99 hpa, tedy absolutní tlak při nulové tlakové diferenci mezi kanály A a B, v druhém případě referenční tlak 9 hpa. Na obrázku Obr. 21a je zobrazena převodní charakteristika kanálu B. Podtlak se přiváděl do kanálu B, v kanálu A se tlak neměnil a odpovídal 99 hpa. Charakteristika se OBR. 2: POPIS KANÁLŮ SENZORU změřila směrem nahoru a dolů, tj. z tlaku 99 hpa do tlaku 92 hpa a zpět. Křivka se proložila polynomem prvního řádu a zjistila se odchylka od linearity senzoru. Výsledek je zobrazen na obrázku Obr. 21b maximální odchylka od linearity je,16 V, maximální tlaková hystereze je,31 V. 9 Obrázek převzat z Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky - 2 -

25 Výstupní napětí (V) a, Převodní charakteristika Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh b, Odchylka od linearity.2 Odchylka (V) X: Y: OBR. 21: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL B, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA 22 C Obr. 22a zobrazuje převodní charakteristiku pro kanál A při referenčním tlaku 99 hpa, na Obr. 22b je vidět jeho odchylka od linearity,16 V, maximální hodnota je,25 V. Výstupní napětí (V) Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh a, Převodní charakteristika b, Odchylka od linearity.2 Odchylka (V) X: Y: OBR. 22: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL A, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA 22 C Další charakteristikou je převodní charakteristika pro referenční tlak 9 hpa, zobrazena na Obr. 23a. V kanálu B byl uzavřen tlak 9 hpa, do kanálu A byl pouštěn tlak od - 7 hpa do + 7 hpa. Na Obr. 23b je vidět odchylka od linearity,168 V, maximální tlaková hystereze, 26 V. Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

26 Výstupní napětí (V) a, Převodní charakteristika Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh b, Odchylka od linearity.2 Odchylka (V) X: 7.47 Y: OBR. 23: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL A, REFERENČNÍ TLAK 9 HPA, TEPLOTA 22 C Následující dvě převodní charakteristiky se měřily při dvou různých teplotách, při teplotě C a při teplotě 4 C. Schéma měření je stejné s předchozím krokem. Pro teploty a 4 C byla osazená deska plošného spoje umístěna do tepelné komory Labio A8. Na Obr. 24a je vidět převodní charakteristika kanálu B pro teplotu C, na Obr. 24b pak odchylka od linearity, maximální hodnota odchylky od linearity pro teplotu C je,26 V, maximální tlaková hystereze,37 V. Pro kanál A je odchylka od linearity,33 V a tlaková hystereze,42 V, viz Obr. 25b. Výstupní napětí (V) a, Převodní charakteristika Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh b, Odchylka od linearity.5 Odchylka (V) X: Y: OBR. 24: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL B, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA C Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

27 Výstupní napětí (V) Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh a, Převodní charakteristika b, Odchylka od linearity.5 Odchylka (V) X: Y: OBR. 25: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL A, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA C Pro teplotu 4 C je pro kanál A maximální odchylka od linearity,27 V a tlaková hystereze,32 V (viz Obr. 26b), pro kanál B pak odchylka od linearity,2 V a tlaková hystereze,35 V (viz Obr. 27b). Výstupní napětí (V) Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh a, Převodní charakteristika b, Odchylka od linearity.4 Odchylka (V).2 X: Y: OBR. 26: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL A, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA 4 C Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

28 Výstupní napětí (V) Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh a, Převodní charakteristika b, Odchylka od linearity.4 Odchylka (V).2 X: Y: OBR. 27: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL B, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA 4 C Ke stanovení chyby senzoru je třeba otestovat závislost výstupního napětí na teplotě. Senzor byl umístěn do teplotní komory. Tlaková diference se rovnala nule, referenční tlak 99 hpa. Teplota okolního prostředí byla 22 C. Pomocí komory se teplota snížila na C, poté byla teplota nastavena na 4 C a zpět ochlazením do výchozí okolní teploty. Změřená charakteristika je na Obr. 28, maximální teplotní hystereze je,7 V Výstupní napětí (V) Teplota ( C) OBR. 28: TEPLOTNÍ CHARAKTERISTIKA, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA 22 C Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

29 Z naměřených dat se stanoví chyba senzoru. Chyba senzoru se skládá z chyby linearity, tlakové hystereze a teplotní hystereze. Bude se předpokládat nejhorší možný případ chyby. Největší chyba linearity a největší tlaková hystereze je vidět na Obr. 25b, nominálně,33 V, resp.,42 V. Chyba teplotní hystereze plyne z Obr. 28, nominálně,7 V. Stanovím standardní nejistotu ze vzorce (4.1) kde u i, u p, u t je chyba linearity, chyba tlakové hystereze, chyba teplotní hystereze (V) Standardní nejistota senzoru je 31,1 mv. Hodnota napětí se převede na tlak z přechodové charakteristiky (1,12 hpa), resp. výšky při nulové výšce MSA. Chyba určení výšky je ± 9,3 m. Dále je zde uvedena stabilita senzoru pro tři tlakové reference. Hodnoty výstupu byly snímány po časových intervalech 1, 3 a 6 minut. Čas/Tlaková diference hpa + 7 hpa - 7 hpa minut 2, 58 V 4,485 V,552 V 1 minut 2,58 V 4,485 V,55 V 3 minut 2,58 V 4,486 V,552 V 6 minut 2,57 V 4,488 V,55 V TABULKA 1: ČASOVÁ STABILITA SENZORU Z tabulky je vidět stabilita senzoru. Maximální odchylka výstupního napětí je,3 V pro tlak 7 hpa. Dalšími naměřenými parametry diferenčního senzoru je závislost výstupního napětí na napájecím napětí senzoru. Senzor se připojil na stabilizovaný zdroj, výstupní a napájecí napětí bylo snímáno voltmetry typu HP341A. Schéma měření je na obrázku. OBR. 29: SCHÉMA MĚŘENÍ ZÁVISLOSTI VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ NA NAPÁJECÍM NAPĚTÍ Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

30 Charakteristika senzoru se měřila od 4,75 V až 5,25 V, což jsou povolené katalogové hodnoty [9]. Měření se opakovalo pro tři různé tlakové diference. Jednak pro nulovou tlakovou diferenci a pro tlakovou diferenci ± 7 hpa. Změřená data jsou znázorněna na Obr. 3 až Obr. 32. Je vidět, že závislost na napájecím napětí je lineární u všech tří tlakových diferencí. Výstupní napětí (V) Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh Napájecí napětí (V) OBR. 3: ZÁVISLOST VÝSTUPNÍ NAPĚTÍ NA NAPÁJECÍM NAPĚTÍ, REFERENČNÍ TLAK HPA Výstupní napětí (V) Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh Napájecí napětí (V) OBR. 31: ZÁVISLOST VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ NA NAPÁJECÍM NAPĚTÍ, REFERENČNÍ TLAK +7 HPA Výstupní napětí (V) Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh Napájecí napětí (V) OBR. 32: ZÁVISLOST VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ NA NAPÁJECÍM NAPĚTÍ, REFERENČNÍ TLAK -7 HPA Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

31 Z Obr. 3 až Obr. 32 vyplývá, že senzor je podstatně závislý na stabilitě napájecího napětí při všech tlakových diferencích. Při poklesu napájecího napětí o 5 mv se výstupní napětí změní o 5 mv. To klade požadavky na stabilitu napájecího napětí, které by se mělo držet konstantní Testování diferenčního zapojení senzorů MPXV77DP Další sada měření byla provedena na senzorech MPXV77DP zapojených diferenčně, tzn. kanál A senzoru 1 byl propojen s kanálem B senzoru 2, jak je vidět z Obr. 7. Tím se dosáhne vyšší citlivosti [1]. Postup byl stejný jako v předchozí podkapitole. Nejprve se změřila převodní charakteristika pro dvě tlakové reference, a to pro 99 hpa a 9 hpa. Schéma měření je totožné s Obr. 19. Převodní charakteristika pro referenční tlak 99 hpa a uzavřený kanál B je na Obr. 33a, na Obr. 34 pak pro uzavřený kanál A. Z Obr. 33 je vidět, že výchylka pro tlakovou diferenci je dvojnásobná, to vyplývá z diferenčního zapojení senzorů. Na Obr. 33b je vidět odchylka od lineárního průběhu pro kanál A, maximální odchylka je,24 V a tlaková hystereze je,45 V. Odchylka (V) Výstupní napětí (V) a, Převodní charakteristika Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh b, Odchylka od linearity X: Y: OBR. 33: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA DIF. ZAP., KANÁL A, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA 22 C Na Obr. 34b je vidět odchylka od lineárního průběhu kanálu B, maximální odchylka je,163 V a tlaková hystereze je,45 V. Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

32 Výstupní napětí (V) -2 Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh a, Převodní charakteristika b, Odchylka od linearity.2 Odchylka (V) X: Y: OBR. 34: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA DIF. ZAP., KANÁL B, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA 22 C Další převodní charakteristika se změřila pro referenční tlak 9 hpa a pro uzavřený kanál A. Tlak byl měněn z hodnoty 9 hpa do hodnoty 83 hpa, následně do hodnoty 97 hpa a zpět do výchozí hodnoty. Měření shrnuje Obr. 35. Na Obr. 35a je převodní charakteristika, kde výstupní napětí se v závislosti na tlaku měnilo od 4,2 V do -4,2V. Na Obr. 35b je pak odchylka od lineárního průběhu, maximální odchylka od linearity je,33 V a tlaková hystereze,53 V. Výstupní napětí (V) 5 Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh a, Převodní charakteristika b, Odchylka od linearity.5 Odchylka (V) X: Y: OBR. 35: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA DIF. ZAP., KANÁL B, REFERENČNÍ TLAK 9 HPA, TEPLOTA 22 C Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

33 Jako další závislosti byly změřeny převodní charakteristiky při dalších dvou teplotách, a to při teplotě C (pro kanál A - Obr. 36a, pro kanál B - Obr. 37a) a 4 C (Pro kanál A - Obr. 38, pro kanál B - Obr. 39) při referenčním tlaku 99 hpa. Maximální odchylka od linearity pro teplotu C kanálu A je,442 V a tlaková hystereze,73 V. Maximální odchylka od linearity pro teplotu C kanálu B je,575 V a tlaková hystereze,67 V. Výstupní napětí (V) a, Převodní charakteristika 4 2 Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh b, Odchylka od linearity.5 Odchylka (V) X: Y: OBR. 36: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL A, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA C Odchylka (V) Výstupní napětí (V) -2 Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh a, Převodní charakteristika b, Odchylka od linearity X: Y: OBR. 37: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL B, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA C Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

34 Maximální odchylka od linearity pro teplotu 4 C kanálu A je,213 V a tlaková hystereze,45 V. Maximální odchylka od linearity pro teplotu 4 C kanálu B je,234 V a tlaková hystereze,38 V. Výstupní napětí (V) a, Převodní charakteristika 4 Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh b, Odchylka od linearity.5 Odchylka (V) X: Y: OBR. 38: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL A, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA 4 C Odchylka (V) Výstupní napětí (V) -2 a, Převodní charakteristika b, Odchylka od linearity Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh X: Y: OBR. 39: PŘEVODNÍ CHARAKTERISTIKA, KANÁL B, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA, TEPLOTA 4 C Pro určení chyby senzoru je třeba změřit teplotní charakteristiku. Měření probíhalo stejně jako v případě měření jednoho senzoru podle schématu. Výsledek shrnuje obrázek. Maximální teplotní hystereze je 4 mv. Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky - 3 -

35 1 9 8 Výstupní napětí (mv) Teplota ( C) OBR. 4: TEPLOTNÍ CHARAKTERISTIKA, REFERENČNÍ TLAK 99 HPA Z naměřených dat se stanoví chyba dvou diferenčně zapojených senzorů. Obdobně jako v předchozí podkapitole stanovíme chybu senzorů. Největší chyba linearity je na Obr. 37b, nominálně 57,5 mv. Chyba teplotní hystereze plyne z Obr. 4 a je 3,7 mv. Maximální tlaková hystereze je na Obr. 36b, nominálně 73,4 mv. Podle vzorce stanovím standardní nejistotu (4.2) kde u i, u p, u t je chyba linearity, chyba tlakové hystereze, chyba teplotní hystereze (V) Standardní nejistota senzoru je 53,9 mv. Hodnota napětí se převede na tlak z přechodové charakteristiky (,93 hpa), resp. výšky při nulové výšce MSA. Chyba určení výšky je ± 7,8 m. Dále je zde uvedena stabilita senzoru pro tři tlakové reference. Hodnoty výstupu byly snímány po časových intervalech 1, 3 a 6 minut při konstantním napájecím napětí. Čas/Tlaková diference hpa + 7 hpa - 7 hpa minut 5,6 mv 3,947 V -3,939 V 1 minut 5,6 mv 3,944 V -3,937 V 3 minut 5,7 mv 3,945 V -3,935 V 6 minut 5,5 mv 3,949 V -3,939 V TABULKA 2: ČASOVÁ STABILITA DIFERENČNÍHO ZAPOJENÍ SENZORŮ Z tabulky 2 vyplývá, že diferenční zapojení senzorů je stabilní a mění se maximálně o 4 mv. U diferenčního zapojení senzorů se bude dál zkoumat vliv napájecího napětí na výstupní napětí pro tři různé tlakové diference - hpa a ± 7 hpa. Z první charakteristiky je vidět, že diferenční Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

36 zapojení senzorů vykompenzuje změnu napájecího napětí pro nulovou hodnotu diferenčního tlaku a maximální odchylka je 3 mv (viz Obr. 41). x Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh Výstupní napětí (V) Napájecí napětí (V) OBR. 41: NAPÁJECÍ NAPĚTÍ, TLAKOVÁ DIFERENCE HPA U tlakových diferencí ± 7 hpa je vidět lineární závislost na napájecím napětí (viz Obr. 42, resp. Obr. 43). Při změně napájecího napětí o 5 mv se výstupní napětí změní o 5 mv Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh Výstupní napětí (V) Napájecí napětí (V) OBR. 42: NAPÁJECÍ NAPĚTÍ, TLAKOVÁ DIFERENCE +7 HPA Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

37 Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh Výstupní napětí (V) Napájecí napětí (V) OBR. 43: NAPÁJECÍ NAPĚTÍ, TLAKOVÁ DIFERENCE 7 HPA 4.3 Experimentální ověření principu stanovení výšky pomocí diferenčního senzoru tlaku Experimentální ověření principu spočívá ve vyhodnocení z již naměřené převodní charakteristiky. Měření se provedlo pro jeden senzor. Paralelně k senzoru byl připojen přesný tlakoměr DPI 145 a bral se při měření jako referenční hodnota. Měření shrnuje Obr. 44. Na obrázku Obr. 44d, se koeficienty určily ze známé převodní charakteristiky, na obrázku Obr. 44e, se koeficienty určily z charakteristiky naměřené při testování senzoru. Z obrázku je patrné, že vliv koeficientů je minimální. Maximální odchylka od referenční hodnoty je 3 m v obou případech. Problémem je vliv atmosférických veličin, jak bude rozebráno v následující kapitole. Další komplikací je velikost vyrovnávacího tlaku, který je uzavřen v komoře a drží se konstantní. Při změnách teploty by se mohl tlak v uzavřeném prostoru měnit, což je nežádoucí efekt. Řešením by byl dostatečně velký prostor pro tento tlak, aby při malé změně teploty nedocházelo okamžitě ke změně tlaku ve vyrovnávacím prostoru. Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

38 Napětí (V) a, Převodní charakteristika Změřené hodnoty(výběr) Linearizovaný průběh b, Odchylka od linearity.1 Napětí (mv) Výška (m) c, Výškový profil letu Čas d, Odchylka od referenční hodnoty, koeficienty z převodní charakteristiky 4 Výška (m) Čas e, Odchylka od referenční hodnoty, koeficienty z jiné převodní charakteristiky 4 Výška (m) Čas OBR. 44: EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ STANOVENÍ VÝŠKY POMOCÍ DIFERENČNÍHO SENZORU TLAKU Kapitola 4: Využití diferenčního senzoru tlaku pro malé výšky

39 Kapitola 5 Vliv atmosféry Na každý letící letoun působí jeho okolí, tedy atmosféra. Jelikož barometrická rovnice, která popisuje chování výškoměru, vychází ze standardní atmosféry, je úkolem této kapitoly prozkoumat chování výškoměru v reálné atmosféře. Hlavní sledovaným parametrem bude vliv teploty. Proto byly vybrány tři profily atmosféry ze sondážního měření ČHMÚ. Uvažují se zde dva systémy výškoměru. První je založen na absolutním senzoru tlaku, druhý pak na diferenčním senzoru tlaku využívající přepínač tlaku. 5.1 Atmosféra Atmosféra je plynný obal země. Skládá se přibližně ze 78 % dusíku a 21 % kyslíku, zbytek jsou ostatní plyny. Rozděluje se na pět vrstev. Nejvýše je termosféra, dále pak mezosféra a stratosféra. Nejníže leží troposféra. Pro letectví je tato vrstva nejdůležitější, létá v ní převážná část letounů. Její mocnost se liší podle místa na Zemi. U pólu je zhruba 9 km mocná, v mírných šířkách sahá k 11 km, u rovníku sahá až k 18 km. V troposféře je převážná část atmosféry, tj. asi 9 % hmotnosti, a proto se tu tlak s rostoucí výškou nejvíce snižuje. Teplota v ní s rostoucí výškou klesá, pohybuje se od 17 C až do -52 C. V této vrstvě se atmosféra prakticky neustále mění, odehrává se tu většina klimatických změn [2] Standardní atmosféra Standardní atmosféra se oproti reálné atmosféře nemění, je to mezinárodně dohodnutý model atmosféry. Je určen speciálně pro letectví. Model začíná na ideální úrovni mořské hladiny. Je zde definován tlak 113,25 hpa, teplota vzduchu 15 C a hustota vzduchu 1,225 kg/m3. Do 11 km teplota s výškou klesá o -,65 C na metr. Od 11 km do 2 km se teplota nemění a zůstává -56,5 C, od 2 km do 32 km roste po,1 C na metr, od 32 km do 47 km roste,28 C/m a od 47 do 51 km je konstantní. Vzduch se bere jako ideální plyn. Tíhové zrychlení je 9,81. Výše uvedené shrnuje Obr. 45. Kapitola 5: Vliv atmosféry

40 OBR. 45: PROFIL STANDARDNÍ ATMOSFÉRY 1 Pro takto zjednodušený model atmosféry dostáváme upravené vztahy z barometrické rovnice pro výpočet výšky od km až do 11 km, resp. tlaku (5.1) (5.2) kde h je výška měřená od vztažné úrovně odpovídající tlaku p (m) p, p h tlak vzduchu v nulové výšce H, resp. tlak vzduchu ve výšce h, 113,25 (hpa) 1 Obrázek převzat z Kapitola 5: Vliv atmosféry

41 5.2 Systém v reálné atmosféře České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická V následujícím textu se pojednává, jak se upravené vztahy pro zjištění barometrické výšky budou chovat v reálné atmosféře. Můžeme předpokládat, že se tak bude chovat i barometrický výškoměr, protože ten se chová podle rovnic (5.1), (5.2). Ke zkoumání se využila data ze sondážních měření meteorologické stanice ČHMÚ v Praze na Libuši. Profil atmosféry je dvakrát denně měřen sondážním balónem. Snímá se tlak, teplota a hustota vzduchu po určitých časových intervalech. Data se radiově přenesou do stanice, kde se z nich následně vypočítá barometrická výška a další parametry. Měření probíhá do výšky 3 km. Hlavní zájmem je zjistit chování barometrického výškoměru, který nepřesáhne výšku 5 km. Vybraly se proto tři vzorky atmosféry s různými teplotními profily, a to z důvodu, že teplota je kromě tlaku dalším podstatným faktorem při stanovení barometrické výšky. Nejvíce zajímavé bude chování výškoměru v teplotní inverzi a v posunutém teplotním profilu. I když jsou data ze sondážních měření nepochybně zatížena chybou, můžeme je považovat za reálný vzorek atmosféry. Proto tyto data (zejména výšku) bereme jako referenční hodnoty pro všechny tři případy Profil atmosféry blížící se standardní atmosféře Prvním testovacím profilem je profil blížící se standardní atmosféře. Tento profil byl získán v jarním měsíci (duben). Profil neobsahuje žádné teplotní inverze, teplota u země je 2 C a dále klesá téměř lineárně. Srovnání teplotního a tlakového profilu atmosféry (modrá křivka) se standardní atmosférou (červená křivka) je na Obr. 46. Z obrázku je vidět, že oba průběhy jsou si podobné, v podstatě se překrývají. 9 8 Reálná Standardní 9 8 Realna Standardní Výška (m) 5 4 Výška (m) Teplota ( C) OBR. 46: PROFIL ATMOSFÉRY BLÍŽÍCÍ SE STANDARDU Kapitola 5: Vliv atmosféry