ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra měření BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Aerometrický systém ro malá letadla Praha, červen 006
Zadání (vložit)
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou ráci vyracoval samostatně a oužil jsem odklady uvedené v řiloženém seznamu. Nemám závažný důvod roti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona č./000 Sb., o rávu autorském, o rávech souvisejících s rávem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon). V Praze dne...... odis
Anotace Tato ráce se zabývá návrhem a částečnou realizací aerometrického systému ro malá a ultralehká letadla. Součástí je rozbor roblematiky zůsobu měření důležitých aerometrických veličin a stanovení jejich rozsahů. Dále následuje výběr vhodných snímačů, návrh elektronického zaojení měřicího obvodu, výběr vhodných součástek a realizace desky lošných sojů. Všechny měřené údaje jsou v rozmezí ovolených nejistot dle latné normy CS3. Annotation This thesis deals with design and artly construction of aerometrics system for small and ultra-light lanes. Part of this is analysis roblems of the way of measurement of the imortant aerometrics values and definition their ranges. Followed by selection of suitable sensors, design electronic wiring network, selection of useful comonent and realization board areal connections. All measured value are at intervals admissible uncertainties according to rule in oeration CS3.
Obsah ÚVOD... TEORETICKÝ ROZBOR.... AEROMETRICKÝ SYSTÉM.... MĚŘENÍ VÝŠKY LETU LETADLA... 3.. Měření výšky letu letadla barometrickou metodou... 4.. Dovolené tolerance barometrických výškoměrů... 9..3 Nastavení barometrických výškoměrů... 0.3 MĚŘENÍ RYCHLOSTI LETU....3. Definice rychlosti letu letadla....3. Měření vzdušné rychlosti... 4.3.3 Povolené tolerance měření vzdušné rychlosti... 3 NÁVRH HARDWARU... 3. MĚŘENÍ DYNAMICKÉHO A STATICKÉHO TLAKU... 3.. Výběr vhodných senzorů... 3.. Analogové zracování signálů z výstuů SP8... 6 3..3 Ovládání toného rezistoru u SP8... 8 3. PŘEVOD ANALOGOVÉHO SIGNÁLU Z TLAKOVÝCH ČIDEL NA DIGITÁLNÍ... 9 3.. Volba vhodného A/D řevodníku... 30 3.. Přiojení A/D řevodníku do obvodu... 3 3.3 MĚŘENÍ TEPLOTY... 3 3.3. Volba vhodného telotního senzoru... 3 3.3. Zaojení telotních senzorů do obvodu... 33 3.4 MIKROPROCESOR... 33 3.4. Volba vhodného mikrorocesoru... 33 3.4. Zaojení mikrorocesoru do obvodu... 33 3.5 ROZHRANÍ RS 3... 35 3.5. Parametry RS 3... 35 3.5. Zaojení RS 3 do obvodu... 35 3.6 SBĚRNICE CAN... 37 3.6. Parametry CAN... 37 3.6. Zaojení CAN do obvodu... 38 3.7 NAPÁJENÍ... 39 4 NÁVRH DESKY PLOŠNÝCH SPOJŮ... 4 4. ROZMÍSTĚNÍ SOUČÁSTEK A REALIZACE DPS... 4 5 ZÁVĚR... 43
Úvod Tato ráce má za úkol navrhnout aerometrický systém ro měření důležitých aerometrických veličin a to ředevším barometrické výšky, vzdušné rychlosti a teloty vnějšího vzduchu ro malá a ultralehká letadla. Přesná znalost těchto veličin je ro ilota životně důležitá. Na znalosti výšky letu závisejí bezečné rozestuy mezi letovými hladinami a ři řiblížení na řistání je otřeba znát výšku nad řistávací lochou. Vzdušná rychlost, tedy konkrétně kalibrovaná vzdušná rychlost je důležitá ro letové vlastnosti letadla. Definuje obtékání letadla vzduchem a tím i vztlak od křídli, který nesmí klesnout od minimální hranici danou ro každé letadlo. Jinak se letoun ro ztrátu vztlaku začne nekontrolovatelně řítit k zemi.výhodou této rychlosti je, že ve všech výškách je kritická tzv. ádová rychlost stejná i ři faktu, že se letadla ve vyšších výškách musejí ohybovat rychleji vůči zemskému ovrchu, rotože s výškou klesá hustota vzduchu. Důležitost řesnosti měřených veličin navíc odtrhuje možnost letu ve zhoršených viditelnostních odmínek. Malá a ultralehká letadla jsou takové letouny, které mají dostu do výšky 5km a létají nejvýše rychlostí 300km h -. To znamená jisté zjednodušení ři odvozování vztahů ro výočet aerometrických veličin z měřených tlaků a teloty, kterým se zabývá teoretický rozbor. Po vysvětlení všech důležitých ojmů a stanovení dovolených tolerancí měřených veličin dle latných ředisů, následuje výběr vhodných snímačů s ohledem na jejich cenu a dostunost v ČR. Pro snímače je navržen elektronický obvod, který bude měronosné signály vyhodnocovat a na svém výstuu bude oskytovat ožadované aerometrické veličiny. - -
Teoretický rozbor Nejrve vysvětlíme několik ojmů ro ochoení řešeného roblému a odvodíme vztahy, které budeme otřebovat ro realizaci systému. Odvození vztahů řihlíží k faktu, že se jedná o malá a ultralehká letadla. Proto je jejich latnost omezena na oblast troosféry, tj. do výšky 0km a ro odzvukové rychlosti.. Aerometrický systém Aerometrický systém slouží ke snímání a komlexnímu zracování aerometrických a s nimi souvisejících veličin. Jeho výstu udává veškeré letové arametry odovídající těmto veličinám, které zobrazuje na alubních ukazatelích a také je oskytuje dalším letadlovým systémům k dalšímu zracování. Funkce aerometrického systému je založena na řevodu celkového tlaku vzduchu c, statického tlaku vzduchu h a celkové teloty vnějšího vzduchu Tc na elektrické signály, z nichž jsou v očítači vyočteny odovídající aerometrické arametry. Blokové schéma takového zjednodušeného systému je na Obr..-. Obr..-: Aerometrický systém - -
. Měření výšky letu letadla Podle obecné definice je výška vzdálenost bodu, hladiny nebo nějakého ředmětu ovažovaného za bod od vztažné základní úrovně. Na základě této definice rozeznáváme geometrickou výšku danou vztahem (.-) a geootencionální výšku danou vztahem (.-) H = H 0 dh (.-) H = H g( h) g( ) dh 0 0 (.-) kde h je výška definována na siločáře zemského gravitačního ole [m], g(h) je gravitační zrychlení odovídající výšce h [m s - ], g(0) je gravitační zrychlení odovídající základní úrovni h = 0 [m s - ]. Protože se gravitační zrychlení g(h) s výškou h zmenšuje, je geootencionální výška H menší než geometrická výška H. Pro rozsah výšek s kterými se v běžném letovém rovozu setkáváme, je tento rozdíl zanedbatelný. Obr..-: Rozdělení výšek - 3 -
Podle definování základní úrovně h = 0, rozeznáváme v letectví následující výšky Absolutní výška H a základní úrovní je hladina moře na 45 zeměisné šířky, což odovídá nulové geootencionální hladině. Relativní výška H r základní úrovní může být libovolné místo na zemi, zravidla to bývá ráh řistávací dráhy. Skutečná výška H s je dána délkou svislice rocházející letadlem a zemským ovrchem. Výška letové hladiny H l základní úrovní je hladina odovídající atmosférickému tlaku 03,5 mb... Měření výšky letu letadla barometrickou metodou Tato metoda má v současné době v letectví největší význam. Vychází ze známé závislosti statického absolutního tlaku vzduchu na geootencionální výšce. Touto metodou můžeme odle očátečního nastavení měřit absolutní výšku H a, relativní výšku H r nebo výšku letové hladiny H l.... Zemská atmosféra Základem barometrické metody je měření absolutního tlaku vzduchu, který tvoří zemskou atmosféru. Ta je tvořena směsí lynů, které obkloují zeměkouli, ke které je vázána gravitační silou a téměř shodně se s ní otáčí. Hlavními složkami atmosféry jsou dusík (78,% relativního objemu), kyslík (0,95% relativního objemu) a vzácné lyny. Mimo lynných rvků atmosféra obsahuje také evné částice a ředevším v malých výškách vodu ve všech skuenstvích. Podle závislosti určitých meteorologických měření se zemská atmosféra rozděluje na několik vrstev. Pro letectví je důležité rozdělení vrstev atmosféry z hlediska růběhu teloty. troosféra výška 0 km trooauza je řechodová vrstva mezi troosférou a stratosférou stratosféra výška 50 km stratoauza je řechodová vrstva mezi stratosférou a mezosférou mezosféra výška 50 80 km mezoauza je řechodová vrstva mezi mezosférou a termosférou termosféra výška 80 800 km termoauza řechodová vrstva mezi termosférou a exosférou výška nad 800 km - 4 -
... Mezinárodní standardní atmosféra MSA Základem ro všechny výočty aerometrických veličin je mezinárodní standardní atmosféra, schválená Mezinárodní organizací ro civilní letectví (ICAO Internacional Civil Aviation Organization). Vychází z teorie lynů a výsledků meteorologických a fyzikálních měření atmosféry. Výsledné vztahy mezi tlakem, telotou, hustotou vzduchu a výškou, ak odovídají celoročnímu globálnímu růměru. Pomocí těchto vztahů je možno určit indikovanou výšku, vzdušnou rychlost, vertikální rychlost a Machovo číslo. Pro tyto výočty je nutno stanovit některé arametry zemské atmosféry. Parametry odovídající nulové výšce shodné se střední hladinou moře na 45º zemské šířky: absolutní tlak vzduchu 0 = 0,35 kpa telota vzduchu T 0 = 88,5 K hustota vzduchu ρ 0 =,55 kg m -3 měrná tíha vzduchu γ 0 =,03 kg m - s - koeficient viskozity µ 0 =,7894*0 5 kg m - s - kinematická viskozita ν 0 =,4607*0 5 m s - tíhové zrychlení g 0 = 9,80665 m s - rychlost zvuku v 0 = 340,3 m s - telota mrznutí vody t 0 = 0 C = 73,5 K Konstanty nezávislé na výšce: Poissonova konstanta vzduchu κ =.4 univerzální lynová konstanta R = 8 34,3 J K - kmol - molekulová váha vzduchu M v = 8,9644 kg kmol - měrná lynová konstanta ro vzduch R m = R / M v = 87,0587 J kg - K - Závislost teloty atmosféry T na výšce H je dána T ( h) T + τh = 0 (.-3) kde T 0 je telota vzduchu v nulové výšce MSA (88,5 K) a τ je telotní koeficient odle MSA, rozdílný ro určitá výšková rozmezí. τ = -6,5*0-3 K m - ro výšky 0 km τ = 0 ro výšky 0 km τ = +*0-3 K m - ro výšky 0 3 km - 5 -
Odchylky od takto definovaného růběhu vzhledem k ročním obdobím jsou atrné na Obr..-. 5 0 Výška [km] 5 0 5 0-60 -40-0 0 0 40 Telota [ C] Léto Zima Standardní atmosféra Obr..-: Telota v závislosti na výšce odle MSA...3 Závislost tlaku a hustoty vzduchu na výšce odle MSA Závislost tlaku vzduchu na výšce je osána barometrickou rovnicí, jejíž odvození vychází z ředokladu, že okud se slouec vzduchu vertikálně neohybuje, lze v jeho objemu o loše růřezu S a elementu výšky dh vyjádřit rovnováhu sil ve tvaru dg + dp = 0 (.-4) kde dg je síla odovídající váze objemu o výšce dh a loše S [N], dp je síla daná rozdílem tlaků [N]. Obě ůsobící síly můžeme vyjádřit ve tvaru dg = SρgdH (.-5) a dp = Sd (.-6) kde S je locha růřezu uvažovaného vzduchového slouce [m ], - 6 -
ρ je hustota vzduchu [kg m -3 ], g = g 0 je gravitační konstanta v nulové výšce [ m s - ], dh je řírůstek výšky [m] a d je řírůstek tlaku [Pa]. Dosazením (.-5) a (.-6) do (.-4) a drobné úravě dostaneme rovnici ro rovnováhu sil ve tvaru ρ gdh + d = 0 (.-7) Měrná tíha vzduchu daná součinem ρ a g závisí na telotě a tlaku vzduchu. Abychom mohli tuto závislost odvodit, využijeme k tomu stavovou rovnici ideálního lynu, V = nr T (.-8) kde je tlak lynu [Pa], V je objem lynu [m 3 ], n je očet molů v jednotce objemu V [mol], R T je univerzální lynová konstanta [kmol - ] a je telota lynu [K]. Abychom mohli stavovou rovnici oužít ro obecné množství lynu, vyjádříme očet molových jednotek n, m n = (.-9) M v kde m je hmotnost lynu [kg] a M v je molová hmotnost [kg mol - ]. Dosazením (.-9) do (.-8) a vyjádřením tlaku, dostaneme m R T R T = = ρ (.-0) V M M v v - 7 -
Pro uravenou lynovou konstantu latí R R = (.-) M g v Dosazením hodnot odle MSA za R, M v a g = g 0, získáme hodnotu uravené lynové konstanty ro vzduch R=9,7 m K -. Vyjádřením R z (.-), dosazením do (.-0) a vyjádřením měrné tíhy vzduchu získáme ρ g = (.-) RT Tento vztah dosadíme do (.-7), vyjádříme funkční závislost T a na výšce H a o searaci roměnných získáme d dh = (.-3) ( H ) RT ( H ) Dosadíme-li za T(H) závislost teloty vzduchu na výšce odle MSA, latnou ro rozsah výšek 0 km, řejde (.-3) na tvar d = dh R T ( H ) ( +τh ) 0 (.-4) Nyní řešíme diferenciální rovnici, ( H ) = R T + ( 0) d ( H ) H 0 0 dh τh (.-5) substitucí za T 0 + τh, integrací a dosazením integračních mezí získáme ln Rτ ( H ) ln ( 0) = [ ln( T + τh ) T ] 0 ln 0 (.-6) - 8 -
Řešením logaritmické rovníce dostaneme ( H ) ( ) Rτ T0 = 0 (.-7) T0 + τh a o vyjádření výšky H získáme Rτ ( 0) ( ) H T 0 H = (.-8) τ kde H je výška měřená od vztažné úrovně (0) [m], (0) je tlak odovídající vztažné úrovni [kpa], (H) je tlak odovídající výšce H [kpa], T 0 τ je absolutní telota v nulové výšce MSA [K], je koeficient telotní závislosti ro výšky 0 km odle MSA [K m - ] a R je uravená lynová konstanta ro vzduch odle MSA [m K - ] Dosazením hodnot T 0, τ a R do (.-8) dostaneme vztah ro absolutní výšku latný v rozsahu 0 km 0,906 ( H ) ( ) 0 3 H = 44,33 0 (.-9).. Dovolené tolerance barometrických výškoměrů Údaje měřené barometrickým výškoměrem musejí odovídat latným ředisům ro letectví. Dříve to byly ředisy Sojených leteckých úřadů JAR, které oužívaly evroští výrobci letecké techniky a ve zbytku světa se využívaly ředevším ředisy FAR Federálních leteckých úřadů USA. V dnešní době se tímto roblémem zabývá norma CS3. Povolené tolerance barometrických výškoměrů udává tabulka Tab..-. Jak si zde můžeme všimnout, ovolené tolerance jsou oměrně vysoké, jestliže uvážíme řistávání - 9 -
letadla, ale hlavním záměrem je nejsíše udržení bezečných výškových rozestuů mezi letadly během letu. Tab..-: Dovolené tolerance barometrických výškoměrů H [m] h [kpa] H [m] h [Pa] - 000 05 6,0 75,39 0 0 6,0 73,3 500 00 6,0 7,6 000 98 6,0 7, 500 96 7,6 87,58 000 94 9,4 03,56 3 000 9 9,4 00,5 4 000 88 0,67 3,8 6 000 8,9,4 8 000 75 8,9 7,68 0 000 70 4,38 6,3 000 64 7,43 8,4 4 000 60 30,48 38,0 6 000 55 33,53 45,7 8 000 5 36,57 50,4 0 000 47 39,6 53,6 000 43 4,67 55,07 5 000 38 47,4 54,33 30 000 30 54,86 46,59 35 000 4 6,48 3,6 40 000 9 70,0 4,8 Pozn. : Všechny uvedené tolerance jsou latné ro telotu 0 C..3 Nastavení barometrických výškoměrů Barometrické výškoměry umožňují odle svého nastavení měření absolutní výšky, relativní výšky a výšky letové hladiny. Toto nastavení rovedeme zadáním základní úrovně tlaku 0. Podle mezinárodní letecké organizace ICAO (International Civil Aviation Organisation) se nastavení základní úrovně rovádí omocí tzv. Q kódu. Jejich význam je znázorněn na obrázku Obr..-3. QFE základní úroveň tlaku odovídá výšce rahu řistávací dráhy, takže výškoměr udává relativní výšku nad letištěm a ři řistání výškoměr ukazuje nulu. Tento režim nastavení se oužíval ři letu v okrsku letiště a během řiblížení na řistání. V současné době je nahrazován oblastním kódem letiště QNH. QNH základní úroveň tlaku odovídá hodnotě tlaku hladiny moře na 45 zeměisné šířky. Tento kód se oužívá během letu v okrsku letiště a během řiblížení na řistíní. - 0 -
Kód se stanový omocí tlaku na rahu letiště a jeho korekci na růměrnou nadmořskou výšku oblasti. Letadlo tedy řistává na nadmořskou výšku letiště. QNE Základní úroveň tlaku je nastavena na nulovou letovou hladinu, jejíž tlak odovídá 0,3kPa. Toto nastavení se oužívá ro let o trati mimo okrsky letišť, kde se z důvodu řízení letového rovozu, ohybují letadla o letových hladinách. Obr..-3: Nastavení výškoměrů odle Q kódu.3 Měření rychlosti letu Rychlost letadla je důležitým arametrem ro navigaci a mechaniku letu. Rychloměry jsou cejchovány v km/h nebo v knotech ( knot =,853 km/h)..3. Definice rychlosti letu letadla V letectví rozeznáváme několik druhů rychlostí: Vertikální rychlost (Vertical Seed) v VS - je dána časovou změnou výšky H (v VS = dh/dt). Zemní traťová rychlost letu (Groun Seed) v GS - je rychlost, kterou se letadlo ohybuje vůči zemskému ovrchu - -
Relativní vzdušná rychlost (Air Seed) v AS - rychlost, kterou se letadlo ohybuje vůči okolnímu vzduchu. Rychlost větru (Wind Seed) v WS Pro řiblížení osledních tří ojmů oslouží obrázek Obr..3-. Obr..3-: Vektory rychlosti větru, vzdušné rychlosti a traťové rychlosti Pohyb letadla vůči zemskému ovrchu je dán součtem vektoru vzdušné rychlosti v AS a vektoru rychlosti větru v WS. Rychlost vzniklá vektorovým součtem je označována jako zemní traťová rychlost v GS. Zatímco zemní traťová rychlost je důležitá ředevším ro určení olohy letadla, vzdušná rychlost má význam mnohem důležitější. Je základním arametrem v mechanice letu a ředevším na ni záleží, jestli se letadlo udrží ve vzduchu a bude ovladatelné omocí řídicích loch. Při ustáleném letu můžeme vyjádřit vztlakovou sílu ůsobící na letadlo F Z vztahem (.3-), - -
F VZ cf Sρv = (.3-) kde F VZ je vztlaková síla [N], c je koeficient vztlakové síly závislý na úhlu náběhu [-], ρ je hustota vzduchu [kg m -3 ], S je nosná locha [m ] a v je vzdušná rychlost [m s - ]. Pro udržení letadla v ustáleném letu musí latit (.3-), F VZ = mg = G (.3-) o dosazení (.3-) do (.3-) a drobné úravě můžeme vyjádřit vzdušnou rychlost v jak ukazuje (.3-3). G v = (.3-3) csρ Ze vztahu je atrné, že letadla ve vyšších výškách, kde je řidší vzduch, musejí létat rychleji. Rychlost odovídající minimální hodnotě vztlakové síly nutné k tomu, aby letadlo bylo ještě ovladatelné omocí řídicích loch se nazývá ádová rychlost. Při oklesu rychlosti od tuto hodnotu dojde k orušení roudu vzduchu v místě nosných loch a k jeho odtrhávání. To se rojeví nestabilitou letadla a ři dalším oklesu rychlosti, dojde k jeho nekontrolovatelnému ádu. Obr..3-: Ustálený let - 3 -
Přehled různých definic vzdušné rychlosti: Přístrojová rychlost (Instrument Seed) je údaj rychloměru, neoravený o chybu řístroje. Indikovaná vzdušná rychlost (Indicated Air Seed IAS) je údaj rychloměru, oravený o chybu řístroje. Kalibrováná vzdušná rychlost (Calibrated Air Seed CAS) je údaj rychloměru, oravený o chybu řístroje a chybu snímače, za ředokladu uvažování stlačitelnosti vzduchu. Pravá vzdušná rychlost (True Air Seed TAS) je rychlost letadla vzhledem k okolnímu nerozrušenému vzduchu. Ekvivalentní rychlost (Equivalent Air Seed EAS) je rychlost, kterou by letělo letadlo v nulové nadmořské výšce standardní atmosféry ři stejném dynamickém tlaku, jako ři letu v nadmořské výšce H..3. Měření vzdušné rychlosti Základním rvkem ro měření rychlosti je Pitot statická trubice znázorněna na Obr..3-3. Tato trubice má osu rovnoběžnou s odélnou osou letadla a umisťuje se na takovém místě, aby drak letadla co nejméně ovlivňoval měřené veličiny. První veličinou je celkový tlak c, který do trubice vniká čelním otvorem a je úměrný ohybu letadla vzhledem k okolnímu vzduchu v říslušné nadmořské výšce. Druhou veličinou je statický tlak h, odovídající nadmořské výšce H. Ten do trubice vniká otvory umístěnými o stranách, vzdálenými od čela trubice tak, aby stlačení vzduchu na ni, co nejméně ovlivňovalo měření. Oba získané tlaky jsou vedeny do diferenční tlakoměrové krabice, kde odečtením statického tlaku h od celkového tlaku c získáme tlak dynamický d, který římo odovídá rychlosti letu vzhledem k okolnímu vzduchu. S výhodou se ro měření oužívají diferenciální snímače tlaku. Obr..3-3: Pitot statická trubice - 4 -
.3.. Měření bez uvažování stlačitelnosti vzduchu Zanedbáme-li stlačitelnost vzduchu, získáme omocí Bernoulliho rovnice vztah, v + ρ h = cn konst. (.3-4) h = kde H je statický tlak odovídající nadmořské výšce [Pa], ρ H je hustota vzduchu odovídající výšce [kg m 3 ], v je vzdušná rychlost [m s - ] a cn je celkový tlak nestlačitelného rostředí [Pa]. Z toho snadno získáme, v cn h = ρ h = dn (.3-5) kde dn je dynamický tlak nestlačitelného rostředí. Dosadíme-li arametry odovídající nulové výšce standardní atmosféry, ak snadno vyjádříme vzorec ro určení vzdušné rychlosti v 0n, latnou ro nulovou výšku a nestlačitelné rostředí. dn0 v 0n = (.3-6) ρ0 Jestliže se letadlo ohybuje v jiné výšce standardní atmosféry, kde je hustota ρ h vzduchu jiná než v nulové výšce, ak takto cejchovaný rychloměr udává řístrojovou rychlost v. Jestliže latí, ρ v 0 hn ρ hv = (.3-7) kde v hn je vzdušná rychlost odovídající výšce H ro nestlačitelné rostředí a ρ h je hustota vzduchu odovídající této výšce, ak v nestlačitelném rostředí ro vzdušnou rychlost v hn, odovídající výšce H, latí vztah - 5 -
ρ v hn = v 0 (.3-8) ρ h Protože však není uvažován vliv stlačitelnosti vzduchu, měří takto ocejchovaný rychloměr se záornou absolutní chybou. Ta je ro rychlosti 50 km/h % a ři rychlosti 800 km/h 0%. Takto cejchováné rychloměry se oužívali na očátcích letectví, kdy letadla nedosahovala takových rychlostí. V současné době, kdy se doravní letadla ohybují rychlostmi okolo 800 km/h a vojenská několikanásobnou rychlostí zvuku, je tento zůsob měření rychlosti nevyhovují.3.. Měření s uvažováním stlačitelnosti vzduchu Následující odvození ředokládá, že se měření bude rovádět ouze ři odzvukových rychlostech. Při řekročení rychlosti zvuku se řed Pitot statickou sondou vytvoří tzv. rázová vlna, na které se skokem mění celkový i statický tlak vzduchu. Bližšší informace o měření rychlosti vyšší než je rychlost zvuku je možné nalézt v literatuře []. Při uvažování stlačitelnosti vzduchu se vychází z termodynamické rovnice, která oisuje energetické oměry v ose Pitot statické sondy, ve tvaru v v c T + = c Th + (.3-9) kde c je měrná teelná kaacita vzduchu ři stálém tlaku [J kg - K - ], T je telota zbržděného vzduchu na vstuu Pitot statické sondy [K], T h je telota nerozrušeného roudu vzduchu řed trubicí [K], v je rychlost roudu vzduchu na vstuu do trubice [m s - ] a v je rychlost roudu vzduchu řed trubicí [m s - ]. Po zabrždění vzduchu (v = 0 m s- ) v sondě, získáme z (.3-9) výraz v ct = cth + (.3-0) a o několika málo úravách vyjádříme telotu zabržděného vzduchu na vstuu do Pitotovy trubice T. - 6 -
T T v T = h + = h + c cth v (.3-) Ze znalosti definičního vztahu ro měrnou lynovou konstantu R m, κ R m = c cv = c (.3-) κ kde R m je měrná lynová konstanta R m = 87,0587 J kg - K -, c je měrná teelná kaacita vzduchu ři stálém tlaku [J kg - K - ], c v je měrná teelná kaacita vzduchu ři stálém objemu [J kg - K - ] a κ je Poissonova konstanta [-] (κ = c /c v ), snadno vyjádříme měrnou teelnou kaacitu ři stálém tlaku c, κ c = R m (.3-3) κ o jejím dosazení do (.3-), můžeme telotu na vstuu do Pitotovy sondy vyjádřit ve tvaru v T = Th + Th R m κ κ (.3-4) V otvoru celkového tlaku Pitot statické sondy dojde ke stlačení vzduchu. Celý děj je teelně izolován, takže se jedná o adiabatický děj ro který latí κ V = konst. (.3-5) Protože rovnicí adiabatického děje můžeme osat i teelnou bilanci vzduchu ro libovolné místo na roudnici, latí a zároveň latí V = V (.3-6) κ κ h h - 7 -
V = (.3-7) ρ kde H a jsou tlaky vzduchu v místě řed sondou a v místě na vstuu sondy a V H a V jsou měrné objemy na stejných místech jako tlaky vzduchu. Vztah (.3-6) je také možné vyjádřit jako ρ κ = (.3-8) ρ h κ h a jestliže latí = ρ, RmT = h ρ H (.3-9) RmTh Můžeme (.3-8) ještě uravit do tvaru R T R T = (.3-0) κ κ κ κ m h m h κ κ h Jestliže budeme chtít vyjádřit telotu na vstuu do Pitot statické sondy T, dostaneme κ h κ κ κ h κ h h h h h h h h T = T = T = T = T (.3-) Takto vyjádřenou telotu T můžeme dosadit do vztahu (.3-4) a získáme rovnost κ κ κ v Th = Th + h κ RmTh (.3-) Označíme-li tlak na vstuu Pitot statické sondy jako celkový tlak c, a tento tlak vyjádříme, získáme - 8 -
- 9 - + = κ κ κ κ m m h c T R v (.3-3) Konečně můžeme vyjádřit vzdušnou rychlost ve tvaru = κ κ κ κ h m h c T R v (.3-4) Vzdušná rychlost je úměrná dynamickému tlaku d, ro který latí d = c h. Po dosazení do (.3-4) dostaneme o několika úravách vyjádření vzdušné rychlosti + = κ κ κ κ h m h d T R v (.3-5) Telotu T h můžeme na základě (.3-9) vyjádřit ve tvaru m h h h R T ρ = (.3-6) a o jeho dosazení do (.3-5) můžeme tuto rovnici vyjádřit tvarem, kde namísto R m a T h budou obsaženy tlaky a hustoty vzduchu + = κ κ ρ κ κ h h h d v (.3-7).3... Kalibrovaná vzdušná rychlost CAS Jedná se o zdánlivou rychlost, která vyjadřuje aerodynamické obtékání letadla vzduchem a její znalost je narosto zásadní ro určení vztlakové síly ůsobící na letadlo. Vztah, kterým
je dána, je velice důležitý a odle něho jsou cejchovány rychloměry letadel létajících odzvukovou rychlostí. Získáme ho ze vztahu (.3-7) tak, že za arametry h a ρ h dosadíme hodnoty odovídající nulové výšce mezinárodní standardní atmosféry( h = 0 = 0,35 kpa a ρ h = ρ 0 =,5 kg m -3 ). κ κ d 0 κ vcas = + (.3-8) 0 ρ0 κ.3... Skutečná vzdušná rychlost TAS Tato rychlost udává, jak rychle se letadlo ohybuje vzhledem k nerozrušenému okolnímu vzduchu. Při úlném bezvětří by udávala rychlost, jakou se letadlo ohybuje vůči zemi. Odovídala by tak zemní traťové rychlosti v GS. Používá se ředevším ro účely navigace, kdy z času a této rychlosti určíme dráhu. V dnešní době však ztrácí na významu, rotože ro řesné určování olohy se oužívají systémy ro inerciální navigaci nebo souřadnice GPS. Při řesném měření venkovní teloty vzduchu T h by jsme mohli tuto rychlost určit ze vztahu (.3-5), kde se T h mění v závislosti na výšce. V dnešní době se u většiny konstruovaných rychloměrů závislost teloty vnějšího vzduchu s výškou řevádí omocí barometrické rovnice na závislost statického tlaku h. Pro oblast troosféry, které odovídá rozsahu výšek 0 km latí vztah odvozený ze základní diferenciální rovnice ro závislost tlaku vzduchu T h h = T0 0 0, (.3-9) Po dosazení (.3-9) do (.3-5) získáme rovnici ro skutečnou vzdušnou rychlost latnou ro výšky 0 km ve tvaru - 0 -
v TAS κ κ κ 0, κ d h = + RmT0 h 0 (.3-30).3.3 Povolené tolerance měření vzdušné rychlosti Dovolené tolerance určování vzdušné rychlosti jsou stejně jako u barometrických výškoměrů stanoveny normou. Dříve latné ředisy FAR res. JAR nahradila norma CS3. Předisy stanovují tolerance měření kalibrované vzdušné rychlosti v CAS, rotože její znalost je narosto zásadní ro bezečný let letadla. Pro skutečnou vzdušnou rychlost v TAS nejsou normou stanoveny žádné tolerance. Tato rychlost má síše orientační charakter, rotože její údaj by odovídal skutečnosti ouze za ředokladu úlného bezvětří. Záleží na výrobci konkrétního rychloměru, jakou řesnost u řístroje zaručí. Tab..3-: Dovolené tolerance měření kalibrované vzdušné rychlosti v CAS [km h - ] d [kpa] v CAS [km h - ] d [Pa] 40 0,074 8 3,0 60 0,59 8 3,0 80 0,30 8 3,0 00 0,474 8 3,0 0 0,684 6,7 40 0,938 6,7 60,05 5, 00,903 5, 300 4,37 5, 350 5,909 0 4,7 400 7,765 0 4,7 450 9,898 0 4,7 500,36 0 4,7 600 8,059 0 4,7 700 5,3 5 0,6 800 33,66 5 0,6 900 43,735 5 0,6 000 55,675 5 0,6 - -
3 Návrh hardwaru 3. Měření dynamického a statického tlaku Jak již víme s teoretického rozboru, ro určení výšky letu otřebujeme znát velikost statického tlaku vzduchu h a ro určení rychlostí letu otřebujeme znát velikost dynamického tlaku vzduchu d. Pro měření statického tlaku vzduchu oužijeme absolutní senzor tlaku s otřebným vstuním rozsahem, určeným odle Tab..- a znalosti dostuu ro malá letadla, který je do výšky 5km. Tak dostaneme tlakový rozsah 84 až 0kPa. Pro měření dynamického tlaku vzduchu s výhodou oužijeme diferenciální tlakový snímač. Jestliže na jeden jeho vstu řivedeme statický tlak vzduchu h a na jeho druhý vstu celkový tlak vzduchu c, jeho výstuní udaj bude římo odovídat dynamickému tlaku vzduchu d. Rozsah určíme odle Tab..3- a odle omezené rychlosti malých letadel do 300km h -. Dostaneme tak rozsah diferenciálního tlaku 0 až 4,5kPa. Oba tlakové snímače musejí solehlivě racovat v telotním ásmu 60 až 40 C. 3.. Výběr vhodných senzorů Při výběru vhodných senzorů byl velký roblém s velkým telotním rozsahem ve kterém musejí snímače řesně racovat. Vlivem změny telot, se mění řevodní charakteristika senzoru a je otřeba tuto charakteristiku korigovat. Některé senzory mají tyto odchylky osány ro určité rozmezí telot rovnicemi, jejíž omocí by jsme byly schoni rovádět korekční řeočty. V jiném říadě by jsme museli rovést měření na konkrétním snímači a telotní závislost zjistit sami. Poté by jsme museli ro tuto závislost odvodit vztah nebo korekce rovádět omocí tabulky, kterou jsme získaly z měřeních. Zvolený senzor SP8, tento roblém umožňuje řešit snadněji. Obr. 3.-: Tlakový senzor SP8 - -
SP8 je senzor vyráběný technologií mems. Hlavní měřicí část je tvořena tenzometrickou membránou, usořádanou do můstkového zaojení. Při naájení můstku 5V je na jeho výstuu ři maximálním vstuním tlaku, naětí 5mV. Další součástí senzoru je telotně citlivý rezistor, který slouží k snímání teloty uvnitř čidla a oslední částí je vyhřívací rezistor. Právě naosledy zmiňované rezistory umožňují udržovat telotu senzoru na konstantní hodnotě a zamezí tak neříznivým osunům řechodové charakteristiky vlivem telotní změny. Snahou je vyhřát senzor na telotu vyšší, něž s kterou by se během rovozu mohl setkat. Získáme tak stálou řechodovou charakteristiku na kterou již telota měřené veličiny a ani rostředí ve kterém je senzor umístěn, nemá vliv. Převodní charakteristika je ak lineární s tyickou chybou nelinearity 0,% z celkového rozsahu. Převodní charkakteristika SP8 0, 0, Diferenční naětí [V] 0, 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 y = 0,00x - 0,0069 R = 0,04 35 45 55 65 75 85 95 05 Tlak [kpa] Obr. 3.-: Převodní charakteristika SP8 ři telotě 0 C Výhodou také je, že se tyto senzory vyrábějí v diferenciálním i absolutním rovedení, což umožní jejich oužití ro měření dynamického i statického tlaku vzduchu. Bude tak možno řešit stejným zůsobem zracování signálů na jejich výstuech. Nevýhodou je cena, která se blíží k 9 000Kč. Ta je však částečně komenzována uvedenými výhodami a faktem, že senzory jsou určeny římo k oužití v letadlech a firma je držitelem řady certifikátů (htt://www.memsca.com/awards.html). - 3 -
V tabulce Tab. 3.- jsou uvedeny arametry SP8. Jsou zde uvedeny i vstuní rozsahy s jakými jsou senzory vyráběny. Pro měření vzdušné rychlosti byl zvolen diferenciální senzor se vstuním rozsahem 50kPa a ro měření výšky byl vybrán senzor s rozsahem 00kPa. V nulové výšce dle MSA je sice tlak 0kPa, ale senzor vydrží řetížení 50% z celkového tlakového rozsahu. Další možností bylo zvolit senzor s rozsahem 00kPa, ale tak by jsme snížily rozlišení o olovinu oroti senzoru s ásmem 00kPa. Tab. 3.-: Parametry tlakového senzoru SP8-4 -
Na Obr. 3.-3 jsou zobrazeny ouzdra senzoru v absolutním i v diferenciálním zaojení. Vývody ouzder se v obou říadech od sebe neliší a velikost je také stejná. Jen diferenciální senzor má se shora navíc vstu na druhý tlak. Na Obr. 3.-4 je vidět vnitřní zaojení senzoru a význam jednotlivých vývodů ouzdra. Odor RT slouží k snímání teloty uvnitř čidla a odor RE slouží k jeho vyhřívání. Obr. 3.-3: Pouzdro tlakového senzoru SP8 v absolutním a diferenciálním rovedení Obr. 3.-4: Vnitřní usořádání tlakového senzoru SP8-5 -
3.. Analogové zracování signálů z výstuů SP8 Tlakový senzor SP8 má dva výstuy, které otřebujeme měřit. První je výstu s měřícího můstku, který odovídá absolutnímu, oříadě diferenciálnímu tlaku. Druhým výstuem jsou svorky říslušející telotně citlivému odoru RT. Ten slouží ke snímání teloty uvnitř senzoru. Měřící můstek je naájen stabilizovaným naětím 5V a jeho výstu ři maximální hodnotě tlaku bude5mv. Toto naětí otřebujeme zracovat tak, aby vyhovovalo vstunímu rozsahu A/D řevodníku. Pro zvolený řevodník AD7738 činí tyto rozsahy 65mV,,5V a,5v. Zvolen byl rozsah,5v, což znamená, že výstuní rozdílové naětí můstku musíme dvacetkrát zesílit. K tomu byl vybrán recizní řístrojový zesilovač AD60. Zesílení se nastavuje odorem zaojeným mezi svorky RG a RG, jehož hodnota se stanový odle vztahu ( 3.-) daného výrobcem, 49400 R G = ( 3.-) G kde G je ožadované zesílení a R G je velikost odoru [Ω]. Pro hodnotu G = 0 dostaneme R G =,6k Ω. Tento odor tvoří sériová kombinace odoru R a trimru RP, který slouží k řesnému nastavení hodnoty. Měření vnitřní teloty senzoru omocí rezistoru RT je realizováno měřením úbytku naětí na tomto odoru ři konstantním rotékajícím roudu. Jako zdroj roudu slouží zaojení s oeračním zesilovačem OP07, kde je RT zaojen ve zětné vazbě. Zaojení je naájeno stabilizovaným naětím 5V. Velikost rotékajícího roudu nastavíme sériovou kombinací rezistoru R3 a trimru RP4. Hodnotu této kombinace stanovíme omocí vztahu, U R I = ( 3.-) I kde R I je velikost odoru kombinace [Ω], U je naájecí naětí [V] a I je ožadovaný roud [A]. - 6 -
Po dosazení U = 5V a zvolení I = 0,3mA dostaneme R I = 6,666k Ω. Proud I je zvolen tak roto, abychom se vešli do vstuního rozsahu A/D řevodníku (,5V), ři měření teloty do 00 C (RT = 5,94k Ω) a oužití řístrojového zesilovače AD60, který neumožňuje zesílení nižší než. Tento zesilovač zde musíme oužít, rotože úbytek naětí na RT nelze měřit roti zemi. Při stanoveném roudu I a telotě 00 C, bude úbytek naětí na RT,,58V. Zesílení řístrojového zesilovače stanovíme tak, abychom se řiblížily maximální vstuní hodnotě řevodníku. Při zesílení G =,5 bude na vstuu řevodníku ři 00 C,,37V. Velikost rezistoru R G oět stanovíme odle ( 3.-) a získáme R G = 98,8kΩ. Tento rezistor je realizován sériovým zaojením rezistoru R a trimru RP. Trimr RP3 řiojený k OP07 slouží k odstranění offsetu. Zaojení uvedené na Obr. 3.-5 je v aerometrickém systému oužito dvakrát, rotože SP8 v rovedení ro měření absolutního tlaku je využíván ro zjišťování výšky letu a v diferenciálním rovedení k zjištění dynamického tlaku a tím odovídající rychlosti letu. +5V +5V 3 6 E+ E+ E- RE RE SP8 BR BR SUB RT RT 5 0 8 9 +5V 3 OP07 RP 500R + - -5V +5V 7 3 V+ U3 OUT 4 8 V-NN 3 R K 6 RP 5K 3 7 + RG 8 RG - 4 AD60 3-5V R 8K U V+ OUT REF V- 6 5 OUT +5V 7 3 U4 V+ + RG 8 OUT RG - 4 REF AD60 V- 6 5 OUT RP3 5K R3 5K RP4 K5 3-5V Obr. 3.-5: Zaojení analogové měřící části k senzoru SP8-7 -
RT [Ω] 4900 4800 4700 4600 4500 4400 4300 400 y = 9,485x + 4345,6 R = 0,979 400-0 -0 0 0 0 30 40 50 Telota [ C] Obr. 3.-6: Závislost velikosti odoru RT snímače SP8 na telotě 3..3 Ovládání toného rezistoru u SP8 Toný rezistor RE v senzoru SP8 slouží k udržování konstantní teloty uvnitř čidla ři změnách venkovní teloty. Tyto změny jsou v letectví oměrně velké. Letadlo, které čeká na dráze na start, může být v létě na římém slunci vyhřáto na 60 C a o startu a vystouání na letovou hladinu, může telota o několika minutách klesnout na -40 C. To samozřejmě má vliv na řevodní charakteristiku senzoru, jak můžeme vidět na Obr. 3.-7. Tuto neříznivou vlastnost odstraníme rávě toným rezistorem a tak získáme stálý růběh řevodní charakteristiky. Výrobcem je dooručená telota na které má být senzor udržován 90 C. Tuto telotu snímáme, jak bylo výše řečeno, telotně citlivým rezistorem RT. Telotu vyhodnocuje mikrorocesor, který ři telotě nižší než je dooručená, síná obvod s RE. Zaojení obvodu s toným rezistorem je atrné na Obr. 3.-8. RE je řiojen na naětí 5V a řes tranzistor BS08 je uzavírán obvod. Rezistor R je do obvodu zařazen na základě dooručeného zaojení k omezení roudu tekoucího obvodem. Ten je ři RT = 0Ω, 0,5A. Rezistor R ouze uzemňuje řídící elektrodu tranzistoru, když na ni není řivedena žádná úroveň.tranzistor má arametry 00V 0,5A, což lně vyhovuje rovozním odmínkám. Jelikož se jedná o N-MOS tranzistor, v senutém stavu se bude nacházet, když na výstuu rocesoru bude stav logická. - 8 -
0,3 0, Diferenční naětí [V] 0, 0,0 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0 000 000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Výška [m] 3 C 30 C 30 C 5 C Obr. 3.-7: Závislost výstuního naětí SP8 na výšce ři změně teloty +5V 3 6 E+ E+ E- RE RE BR BR SUB RT RT 5 0 8 9 R 0R SP8 PROCESOR Q BS08 R 4K7 Obr. 3.-8: Zaojení ovládání toného rezistoru senzoru SP8 3. Převod analogového signálu z tlakových čidel na digitální Analogové signály s obou tlakových senzorů otřebujeme řevést do digitálního tvaru, aby s nimi mohl racovat mikrorocesor a rovádět z nich výočty aerometrických veličin. - 9 -
3.. Volba vhodného A/D řevodníku Nejdůležitějším arametrem ro výběr vhodného řevodníku bylo jeho rozlišení. Víme, že senzor SP8 má ři lném vstuním rozsahu na svém výstuu naětí 5mV. To znamená 5mV na 00kPa, tj.,5mv na kpa, ro senzor statického tlaku. Pro výočet bylo zvoleno rozlišení 0,5m. Podle tabulky ovolených chyb barometrických výškoměrů Tab..- je tato hodnota ještě hodně od ovolenou tolerancí, která je ro výšky do 300m, 6,m. Podle vztahu (.-8) ro zvolenou řesnost v nulové nadmořské výšce odle MSA otřebujeme rozlišit tlak 6Pa. Ve výšce 000m ro stejnou řesnost už otřebujeme rozlišit 4,93Pa. Proto byla jako výchozí tlak vybrána hodnota 5Pa. Tato hodnota se do rozsahu kpa vejde 00krát. Naětí,5mV odělíme 00. Získáme tak naětí, které by musel být řevodník schoen rozlišit na výstuu senzoru a to je 6,5µV. Když tento signál zesílíme tak, aby byl lně využit vstuní rozsah řevodníku, otřebujeme dosáhnout minimálně 0 000 možných digitálních stavů. Z toho lyne, že otřebujeme minimálně5-ti bitový A/D řevodník ( 5 = 3 768). U snímače ro měření dynamického tlaku budeme ostuovat obdobně. Celkový rozsah senzoru je 50kPa, kterým odovídá výstuní naětí 5mV, takže rozlišení je,5mv na kpa. Podle tabulky Tab..3- zjistíme, že nejnižší dovolená neřesnost je ro rychlosti 60 300km h - a to ±5km h -. Této odchylce odovídá dynamický tlak,pa. Ten se nám do kpa vejde 833,3krát. Naětí,5mV odělíme 833,3 a získáme 3µV, které by musel řevodník rozlišit římo na výstuu snímače. Jestliže výstuní naětí oět zesílíme tak, aby byl lně využit vstuní rozsah A/D řevodníku, musíme rozlišit 4 666 stavů. To znamená, že otřebujeme minimálně 6-ti bitový řevodník ( 6 = 65 536). Zvolen byl 8 kanálový sigma delta řevodník AD7738. Sigma delta řevodníky jsou vhodné ro kontinuální zracování signálů s vysokou rozlišitelností a roto jsou vhodné ke zracování signálů ze senzorů fyzikálních veličin. Vybraný ty se vyrábí s rozlišitelností 6 nebo se zvýšenou 4 bitů. Zvolena byla varianta s vyšším rozlišením, rotože je snahou dosáhnout co nejřesnějšího výsledku měření i za cenu toho, že nebudou efektivně využity všechny bity. Jelikož máme na tomto řevodníku dostatek volných vstuů, bude oužit i ro digitalizaci velikostí úbytků naětích na telotně citlivých rezistorech obou tlakových snímačů. Zde však neotřebujeme tak vysoké rozlišení. - 30 -
3.. Přiojení A/D řevodníku do obvodu A/D řevodník řevádí analogové signály z tlakových senzorů o jejich zesílení na signál digitální, vhodný ro zracování mikrorocesorem. Je tak součástkou, která odděluje analogovou a digitální část obvodu. Proto je na jeho vstuní části řiojena analogová zem ( čárkovaná značka GND) a výstuní část solu s krystalem jsou sojeny s digitální zemí (trojúhelníková značka GND). Stejně tak je odděleno i naájecí naětí. Svorka +5Vd označuje digitální část naájení a svorka bez ísmenka d analogové naájení. Zůsob celkového zaojení a hodnoty součástek vychází z dooručení výrobce. Převodník ro svoji řesnou funkci vyžaduje navíc referenční zdroj naětí 0 a,5v ( REFIN- a REFIN+ ). Pois tohoto zdroje bude dále v odkaitole naájení. Vstuní signály řed vstuem do řevodníku rojdou asivní dolní roustí, tvořenou zaojením R, C5 ro čtvrtý kanál a stejně je tomu i u ostatních vstuů se součástkami R5, C, R9, C a R3, C5. Tato roust odfiltruje od signálu rušivé vyšší harmonické složky. Výstu řevodníku je zaojen ro komunikaci s oužitým rocesorem Motorola. C4 Y 33 C3 33 REFIN(+) REFIN(-) 6,44MHz U8 3 4 5 6 AIN3 AIN AIN AIN0 R 0R R5 0R R9 0R R3 0R C5 00n C 00n C 00n C5 00n 3 9 0 7 8 9 0 7 8 MCLKIN MCLKOUT AIN7 AIN6 AIN5 AIN4 AIN3 AIN AIN AIN0 AINCOM/P0 SYNC/P AD7738 MUXOUT(+) MUXOUT(-) AVdd AGND 6 3 ADCIN(-) ADCIN(+) AD7738 DVdd DGND 7 8 REFIN(+) REFIN(-) CS SCLK DOUT DIN RDY RESET 4 5 6 4 5 SCK MISO MOSI INT +5Vd +5V +5Vd + C5 0M/6V C6 00n C7 00n + C8 0M/6V Obr. 3.-: Zaojení A/D řevodníku - 3 -
3.3 Měření teloty Měření teloty je v tomto aerometrickém systému uskutečňováno na dvou místech. První je na samotné měřicí desce a druhé je v rostoru řed letadlem. Na desce je telota měřena roto, abychom měli údaj o tom, jestli jsou slněny rovozní odmínky všech obsažených součástek. Nedodržení telotních racovních ásem oužitých komonent by vedlo na chybu měření a je třeba s ní očítat. V rostoru řed letadlem je telota měřena roto, že znalost teloty vnějšího vzduchu je dalším nutným letovým arametrem. Přestože se jedná o důležitý arametr, v normě jsem nenalezl dovolené tolerance jejího měření. Proto jsem vyhledal několik alubních modulů určených ro měření venkovní teloty vzduchu a zjistil, že se tyto řístroje vyrábějí s řesností % z celkového rozsahu. Uvažujeme-li telotní rozsah od +60 do 40 C, měří tyto řístroje s neřesností ± C 3.3. Volba vhodného telotního senzoru Pro tuto alikaci byl zvolen inteligentní křemíkový senzor SMT60-30-9, jehož cena se ohybuje okolo 00Kč. Měří v rozsahu telot 45 až +50 C s maximální chybou ±0,7 C a nelinearitou 0, C. Naájen je naětím +5V. Jeho výstu je komatibilní s TTL úrovní a měřená telota odovídá střídě na jeho výstuu, která je v rozmezí frekvencí až 4kHz. To nám umožní řiojení snímače rovnou na vstu mikrorocesoru. Telota se vyočte ze střídy odle vztahu ( 3.3-). DC = 0,3 + 0, 0047t ( 3.3-) kde DC je výstuní střída a t je telota ve C. Obr. 3.3-: Pouzdro TO9 a telotní senzory řady SMT60-30 - 3 -
3.3. Zaojení telotních senzorů do obvodu Senzor určený k měření teloty na měřícím modulu je zařazen římo do desky lošných sojů a k řiojení externího senzoru teloty venkovního vzduchu slouží svorkovnice J3. Zůsob řiojení senzorů je atrný z Obr. 3.3-. Výstuní signály jsou vedeny na vstuy rocesoru, které umožňují měření signálu PWM. OUT +V GND 3 SMT-60-30-8 PWM +5Vd J3 HEADER 3 3 PWM +5Vd Obr. 3.3-: Přiojení telotních senzorů SMT60-30-9 do obvodu 3.4 Mikrorocesor Jedná se o součástku, která bude zajišťovat chod celého měřicího modulu. Musí být schona komunikovat s A/D řevodníkem, umožňovat měření střídy, mít dostatečnou výočetní kaacitu ro výočet aerometrických veličin odle vztahů uvedených v teoretickém rozboru a odorovat komunikaci o RS3 a CAN. 3.4. Volba vhodného mikrorocesoru Procesor slňující výše uvedené arametry je MC9SDG8 od firmy Motorola. Dalším důvodem ro jeho volbu byl fakt, že se s tímto druhem rocesorů chci seznámit, byl k disozici v laboratoři a PWM signály dokáže měřit téměř hardwarově. 3.4. Zaojení mikrorocesoru do obvodu Vývody,, 3, 4 a, který je určen ro externí řerušení, jsou zaojeny tak, aby umožňovaly komunikaci mikrorocesoru s A/D řevodníkem. Vývody, slouží jako výstuní brána ro sínání tranzistorů, které ovládají toné rezistory v tlakových snímačích a vývody 5, 6 slouží jako vstuní brána ro měření PWM signálu s telotních čidel. BDM svorkovnice J je zaojena tak, aby umožňovala rogramování mikrorocesoru římo v desce lošných sojů omocí rogramátoru řiojitelného k PC. Reset mikrorocesoru ři zanutí naájecího naětí zajišťuje monostabilní kloný obvod MC34064. Vývody 89, 90, 0 a 03 slouží ro komunikaci rostřednictvím RS3 a vývody 00, 0 jsou určené ro sběrnici CAN. Zaojení ostatních vývodů a hodnoty součástek vycházejí z odovídající dokumentace. - 33 -
- 34 - +5Vd RESET VCC GND 3 U4 MC34064 R5 4K7 RESET TEST TEST TEST TEST XFC +5Vd SS/PWM3/KWP3/PP3 SCK/PWM/KWP/PP MOSI/PWM/KWP/PP 3 MISO/PWM0/KWP0/PP0 4 XADDR9/PK5 9 XADDR8/PK4 0 XADDR7/PK3 5 XADDR6/PK 6 XADDR5/PK 7 XADDR4/PK0 8 IOC0/PT0 9 IOC/PT 0 IOC/PT IOC3/PT3 IOC4/PT4 5 IOC5/PT5 6 IOC6/PT6 7 IOC7/PT7 8 ADDR0/DATA0/PB0 4 ADDR/DATA/PB 5 ADDR/DATA/PB 6 ADDR3/DATA3/PB3 7 ADDR4/DATA4/PB4 8 ADDR5/DATA5/PB5 9 ADDR6/DATA6/PB6 30 ADDR7/DATA7/PB7 3 VDD 3 VSS 4 KWJ/PJ KWJ0/PJ0 MODC/TAGHI/BKGD 3 SS/KWH3/PH3 49 SCK/KWH/PH 50 MOSI/KWH/PH 5 MISO/KWH0/PH0 5 KWH7/PH7 3 KWH6/PH6 33 KWH5/PH5 34 KWH4/PH4 35 XCLKS/NOACC/PE7 36 MODB/IPIPE/PE6 37 MODA/IPIPE0/PE5 38 ECLK/PE4 39 LSTRB/TGLO/PE3 53 R/W/PE 54 IRQ/PE 55 XIRQ/PE0 56 VSSR 40 VDDR 4 RESET 4 VDDPLL 43 XFC 44 VSSPLL 45 EXTAL 46 XTAL 47 TEST 48 PA0/ADDR8/DATA8 57 PA/ADDR9/DATA9 58 PA/ADDR0/DATA0 59 PA3/ADDR/DATA 60 PA4/ADDR/DATA 6 PA5/ADDR3/DATA3 6 PA6/ADDR4/DATA4 63 PA7/ADDR5/DATA5 64 VDD 65 VSS 66 PAD00/AN00 67 PAD08/AN08 68 PAD0/AN0 69 PAD09/AN09 70 PAD0/AN0 7 PAD0/AN0 7 PAD03/AN03 73 PAD/AN 74 PAD04/AN04 75 PAD/AN 76 PAD05/AN05 77 PAD5/AN5/ETRIG 8 PAD4/AN4 80 PAD3/AN3 78 PAD07/AN07/ETRIG0 8 PAD06/AN06 79 VDDA 83 VRH 84 VRL 85 VSSA 86 PM7/BF_PSLM/TXCAN4 87 PM6/BF_PERR/RXCAN4 88 PM5/BF_PROK/TXCAN0/TXCAN4/SCK0 00 PM4/BF_PSYN/RXCAN0/RXCAN4/MOSI0 0 PM3/TX_BF/TXCAN/TXCAN0/SS0 0 PM/RX_BF/RXCAN/RXCAN0/MISO0 03 PM/TXCAN0/TXB 04 PM0/RXCAN0/RXB 05 PS0/RXD0 89 PS/TXD0 90 PS/RXD 9 PS3/TXD 9 PS4/MISO0 93 PS5/MOSI0 94 PS6/SCK0 95 PS7/SS0 96 VREGEN 97 PJ7/KWJ7/TXCAN4/SCL/TXCAN0 98 PJ6/KWJ6/RXCAN4/SDA/RXCAN0 99 VSSX 06 VDDX 07 PK7/ECS/ROMCTL 08 PP7/KWP7/PWM7 09 PP6/KWP6/PWM6 0 PP5/KWP5/PWM5 PP4/KWP4/PWM4 MC9SDG8CPV VDDPLL RESET TOP TOP C4 0n PWM TEST +5Vd RTS SCK PWM CTS MOSI MOSI MISO R8 3K3 RXD +5Vd CRX TXD CTX C6 0n +5Vd R8 0M +5Vd INT C9 Y3 6MHz C30 XFC R9 3K3 C3? C3? VDDPLL C33 0n +5Vd 3 4 5 6 J HEADER 6 RESET +5Vd R 4K7 Obr. 3.4-: Přiojení mikrorocesoru MC9SDG8 do obvodu
3.5 Rozhraní RS 3 Tento ty rozhraní se začal využívat ro telekomunikační účely. Jeho velkému rozšíření řisělo užívání v osobních očítačích. Proto se i řes jeho nedostatky (nízká řenosová rychlost, sojení bod bod, malá odolnost roti rušení) oužívá v řadě měřících alikací. To byl také důvod, roč je rozhraní oužito v této ráci. 3.5. Parametry RS 3 Při sériové komunikaci jsou data vysílána jako oslounost jednotlivých bitů, řičemž v jednom časovém okamžiku je řenášen vždy jediný bit. Přenášené bity nabývají logických úrovní 0 a. Úrovni log. odovídá naěťová úroveň 3 až 5V a log. 0 odovídá naěťová úroveň +3 až +5V. Obvody rozhraní jsou nesymetrické a roto se uvedené úrovně vztahují k otenciálu nulového signálového vodiče. Odor zátěže se může ohybovat v rozmezí 3 až 7kΩ a kaacita zátěže nesmí být vyšší než,5nf. Signály rozhraní jsou definovány standardem v kterém je obsaženo celkem 0 signálů. Nejdůležitější z nich jsou obsaženy v tabulce Tab. 3.5-. Ty konektorů není secifikován, ale v raxi se nejvíce oužívají konektory Cannon s 5 nebo 9 kontakty. Při asynchronním řenosu je nutné nastavit u obou komunikujících zařízení narosto shodné arametry. Nastavujeme řenosovou rychlost (Bd = bit/s) a formát řenosu. Ten se skládá z start bitu, dále následuje 8 datových bitů ostuně od nejnižšího LSB, oté aritní bit, který může být vynechán a vše je zakončeno nebo sto bity. 3.5. Zaojení RS 3 do obvodu Ve své ráci jsem využil zaojení RS 3 s využitím ěti vodičů se signály (RxD, TxD, RTS, CTS a GND) umožňujícími hardwarově řízený řenos. Tyto signály jsou generovány mikrorocesorem na výstuech určených ro sériovou komunikaci. Jelikož tyto výstuy nemají naěťový rozsah odovídající standardu RS 3, je využit obvod ICL 3 konstruovaný ro tuto funkci. Jde o nábojovou umu uravující logické úrovně na standardizovaný naěťový rozsah. Jeho zaojení odovídá dooručení výrobce, včetně hodnot oužitých kondenzátorů. Přiojení konektoru Cannon s 9 kontakty je v souladu s Tab. 3.5-. Obr. 3.5-: Konektor Cannon s 9 kontakty - 35 -
Tab. 3.5-: Pois nejdůležitějších 9 signálů rozhraní RS 3 Signál Číslo kontaktu konektoru Symbol 5 kontaktů 9 kontaktů Funkce Protective ground - - ochranný zemní vodič Transmitted TxD 3 data vysílaná z DTE Recieved Data RxD 3 data řijímaná z DTE Request To Send RTS 4 7 signál vysílaný z DTE; sděluje DCE, že DTE je řiraveno řijímat data Clear To Send CTS 5 8 signál vysílaný z DCE; sděluje DTE, že DCE je řiraveno řijímat data od DTE a vysílat je do komunikačního kanálu Data Set Read DSR 6 6 signál vysílaný z DCE; sděluje DTE, že DCE je funkční a řiraveno komunikovat Signal Ground - 7 5 signálový zemní vodič Ground signál vysílaný z DCE; sděluje DTE, že byl Data Carrier DCD 8 detekován signál vysílaný Detected modemem na oačném konci komunikačního kanálu Data Terminal Ready DTR 0 4 Ring Indicator RI 9 signál vysílaný z DTE; sděluje DCE, že DTE je funkční signál vysílaný z DCE; indikuje vyzváněcí signál v komunikačním kanálu Pozn.: DTE (Data Terminal Equiment) koncové datové zařízení, nař. terminál, očítač. DCE (Data Communication Equiment) komunikační datové zařízení, nař. modem - 36 -
P 6 7 3 8 4 9 5 CONNECTOR DB9 C9 0M/6V + + C0 0M/6V C 0M/6V TXD RTS + + 3 8 0 3 4 5 6 U9 RIN RIN TIN TIN C+ C- C+ C- V+ V- ICL3 C3 0M/6V ROUT ROUT TOUT TOUT 9 4 7 VCC 6 GND 5 RXD CTS +5Vd Obr. 3.5-: Zaojení rozhraní RS 3 3.6 Sběrnice CAN Tato sběrnice byla ůvodně vyvinuta ro oužití v automobilech, aby se zjednodušilo síťové roojení senzorů a akčních členů. V osledních letech se stále čím dál více oužívá v růmyslové automatizaci. Je to zejména díky otevřenosti systému a dostunosti komonent od různých výrobců. Další ředností je jednoduchý komunikační rotokol a velmi krátká latentní doba ro rioritní zrávy, což umožňuje rychlé reakce a řízení v reálném čase. Právě možnost řízení v reálném čase mě vedla k oužití sběrnice v této ráci. Díky tomu bude možné naojení konstruovaného měřicího modulu na řídící systém letadla. 3.6. Parametry CAN Standard CAN definuje dvě vzájemně komlementární hodnoty bitů na sběrnici, dominantní a recesivní. Jedná se o jakýsi zobecnělý ekvivalent logických úrovní, které nejsou evně určeny a záleží na konkrétní realizaci řenosového média. Pravidla ro komunikaci jsou jednoznačná. Vysílají-li všechny uzly recesivní hodnotu bitu, ak je na sběrnici recesivní úroveň. Vysílá-li alesoň jeden uzel dominantní hodnotu bitu, je na sběrnici dominantní úroveň. - 37 -
Na sběrnici může být teoreticky řiojeno neomezené množství uzlů, ale s ohledem na zatížení sběrnice a zajištění srávných statických a dynamických arametrů udává norma 30 řiojených uzlů. Maximální délka sběrnice ro řenosovou rychlost Mbit/s je 40m. Pro nižší řenosové rychlosti může být délka vyšší. Jako řenosové médium se oužívá nejčastěji kroucený dvoudrát, který tvoří rozdílovou sběrnici. Vodiče sběrnice jsou označovány CAN H a CAN L. Sběrnice je ro omezení odrazů na obou koncích řizůsobena rezistory 0Ω. Jednotlivé úrovně jsou na definovány rozdílovým naětím. Recesivní úrovni odovídá U dif = 0V a dominantní úrovni U dif = V. Tab. 3.6-: Pois signálů CAN a jejich řiřazení na 9 kontaktový konektor Cannon Signál Číslo kontaktu Pois - - CAN L Dominantní Low CAN GND 3 Zem - 4 - CAN SHLD 5 Stínění (neovinné) GND 6 Zem (neovinné) CAN H 7 Dominantní Hight - 8 - CAN V+ 9 Naájení (neovinné) 3.6. Zaojení CAN do obvodu Pro buzení sběrnice je oužit obvod PCA8C50T. Na jeho vstu jsou vedeny signály TxD a RxD (zde označeny CTX a CRX) s řadiče CAN, který je obsažen v oužitém rocesoru a jeho výstu již odovídá signálům CAN H a CAN L, které rozdílově budí sběrnici. Tyto signály jsou vedeny na konektor Cannon s 9 kontakty. Zaojení je shodné s tabulkou Tab. 3.6-. Mezi vodiči sběrnice je řes jumer zařazen řizůsobovací rezistor R. Jelikož se jedná o růmyslovou sběrnici, jsou signály od rocesoru odděleny otočleny N37 a naájení sběrnice je od naájení ostatních obvodů měřícího modulu odděleno DC/DC měničem CDDSW-0505S. Toto oddělení zajistí, že v říadě oruchy a výskytu vyššího naětí na sběrnici, než jsou oužité součástky schony vydržet, nedojde k jejich zničení. Zaojení oddělovacích rvků vychází z dokumentace k obvodu PCA8C50T. - 38 -
P 6 7 3 8 4 9 5 CONNECTOR DB9 R 0R JP JUMPER 5 6 7 8 U7 4 Vref RxD 3 CANL Ucc CANH GND Rs TxD PCA8C50T C33 00n C30 00n R 390R R3 390R 5 6 7 8 3 4 GND VO VE VCC N37 NC + - NC N37 4 NC 3 - + NC VCC 8 VE 7 VO 6 GND 5 +5Vd R0 390R +5Vd C34 00n R4 390R CTX CRX Obr. 3.6-: Zaojení rozhraní ro CAN DC/DC 4 +VOUT +VIN 3 -VOUT -VIN CDDSW-0505S +5Vd C35 00n 3.7 Naájení Na naájení měřicí desky je otřeba symetrické naájení ±5V vůči solečné zemi GND. Tuto hodnotu jsem zvolil ro naájení oužitých oeračních a řístrojových zesilovačů. Naětí +5V je také využito ro naájení výhřevného odoru u obou tlakových snímačů SP8. Realizace tohoto naájecího zdroje není součástí této ráce. Naětí se na měřící systém řivede řes svorkovnici J. Počítá se s tím, že naájecí zdroj bude dokonale odrušen a stabilizován, aby nevnášel do měřícího obvodu žádné chyby. Pro naájení všech integrovaných obvodů včetně mikrorocesoru a naájení tenzometrického měřicího můstku u obou SP8 je využito naětí +5V. Pro tento účel je využit obvod 78L05. Obvod ze vstuního naětí, které může být v rozsahu 7 až 0V dělá výstuních stabilizovaných 5V. Na vstu a výstu obvodu jsou zaojeny blokovací kondenzátory 00nF. Mezi analogovou a digitální část obvodu jsou zařazeny roudově komenzované tlumivky RSD4V. Tuto součástku tvoří solečné jádro kolem něhož je několik závitů dvouvodičového vedení. Stejnosměrný roud má v obou vodičích stejnou hodnotu, ale oačný smysl, roto má magnetický obvod nulové stejnosměrné sycení. To samé však nelatí ro střídavý signál a roto tato součástka ůsobí jako filtr střídavé rušivé složky naájecího naětí. Za tlumivkou je ještě řiojen DC/DC měnič CDDSW-0505S. Je zde zařazen ro izolační oddělení analogové a digitální části obvodu. - 39 -
J +5V 3 HEADER 3-5V +5V C 00n 3 IN 78L05 COMMON OUT C 00n +5V L* L L* L RSD4V 4 3 4 3 DC/DC +VOUT +VIN -VOUT -VIN CDDSW-0505S +5Vd Obr. 3.7-: Zaojení stabilizátoru 78L05 a oddělení analogové a digitální části obvodu Jako zdroj referenčního naětí ro A/D řevodník je využit obvod AD780. Zaojení a hodnoty součástek vycházejí z dokumentace součástky a ožadavku na zdroj referenčního naětí 0 a,5v ro A/D řevodník. +5V C6 M C3 00n 3 4 NC,5V/3,0V 8 +VIN NC 7 TEMPT VOUT 6 GND TRIM 5 AD780 C4 M REFIN(+) REFIN(-) Obr. 3.7-: Zaojení referenčního zdroje naětí AD780-40 -
4 Návrh desky lošných sojů Pro návrh lošných sojů byl oužit návrhový systém OrCAD 0. V rostředí Cature bylo navrženo elektronické schéma, jehož části jsou osány v ředešlé kaitole a v komletní odobě je zobrazeno v Příloze A. Po dokončení zaojení a řiřazení ouzder všem součástkám se omocí vygenerovaného Netlistu řešlo k samotnému návrhu lošného soje v rostředí Layout. Dobrou omůckou ři seznamování s návrhovým systémem byla literatura [6]. 4. Rozmístění součástek a realizace DPS Deska lošných sojů je realizována jako dvouvrstvá. Součástky jsou rozmístěny na horní straně desky tak, aby bylo možné oddělit analogovou a digitální část obvodu, jak naznačuje červená čára na Obr. 4.-. Pravá dolní část obrázku je analogová a levá horní část je digitální. Podle této hranice je rozdělena i rozlévaná měď sodní strany desky, která tvoří analogovou a digitální zem, jak je zobrazeno v Příloze C. Na hranici obou částí jsou umístěny roudově komenzované tlumivky (tlum) ro oddělení digitálního a analogového naájení. Obr. 4.-: Rozmístění součástek na desce lošných sojů - 4 -
Vstuy měřicího modulu jsou na sodní části obrázku, kde jsou zleva umístěny tlakové senzory, svorkovnice ro řívod naájecího naětí, BDM svorkovnice umožňující rogramování mikrorocesoru a svorkovnice ro řiojení telotního čidla na snímání venkovní teloty vzduchu. Výstuy měřícího modulu jsou umístěny na ravé straně obrázku. Odshora jsou to konektory Cannon ro rozhraní RS3 a sběrnici CAN. Všechny součástky jsou rozmístěny tak, aby bylo umožněno co nejkratší roojení. - 4 -
5 Závěr V této ráci se odařil návrh aerometrického systému. Byl vybrán vhodný snímač statického tlaku ro měření výšky letu omocí barometrické metody, dále byl vybrán vhodný diferenciální tlakový snímač ro měření dynamického tlaku řiojením na Pitot statickou sondu, omocí něhož můžeme určit kalibrovanou vzdušnou rychlost CAS a skutečnou vzdušnou rychlost TAS a ro měření teloty vnějšího vzduchu byl vybrán vhodný telotní senzor. Všechny senzory vyhovují normám a ožadavkům ro oužití na malých a ultralehkých letadlech. Požadavek na nízkou cenu, nebyl zcela slněn u tlakových snímačů, ale ři jejich oužití můžeme snadno rozšířit rozsah tohoto systému na rychlosti do 000km h - a ři oužití odvozeného vztahu ro závislost statického tlaku vzduchu na výšce v oblasti troosféry, jsme schoni měřit do výšky 0 km. Odvozením a oužitím vztahů, vyjadřující závislost ro vyšší části atmosféry, můžeme měřicí rozsah ještě dále zvětšit a rozšířit tak oblast využití tohoto systému. Pro zvolené senzory byly navrženy obvody ro zracování jejich výstuních signálů a ro řevedení do tvaru vhodného ro zracování mikrorocesorem. Na realizaci těchto obvodů byly vybrány součástky vhodné ro řesné zracování a byl zvolen mikrorocesor s arametry umožňující další rozšíření této ráce. Pro sojení měřicího modulu s okolím slouží sériové rozhraní RS3 nebo sběrnice CAN umožňující sojení s očítačem nebo zobrazovacím zařízením. Na celý aerometrický systém byla navržena deska lošného soje s oddělenou analogovou a digitální zemí a snahou o co nejkratší vedení sojů mezi součástkami, z důvodu snížení účinků říadného rušení. Deska neobsahuje naájecí zdroj. Předokládá se řiojení stabilizovaného naětí omocí svorkovnice. Procesor je řiojen tak, aby bylo možné jeho rogramování římo v desce omocí svorkovnice, řes kterou řiojíme rogramátor. Prakticky zatím byla vyzkoušena jen analogová část určená ro zracování signálu z tlakového senzoru a ovládací část jeho toného rezistoru. Vyzkoušení roběhlo na kontaktním oli a tlakový senzor byl nahrazen rezistory o hodnotách jemu odovídajících. V okračování této ráce bude nutné osadit a oživit desku lošných sojů a vytvořit firmware ro mikrorocesor, který odle odvozených vztahů v teoretickém rozboru, bude vyočítávat aerometrické veličiny a bude omocí oužitých rozhraních schoen komunikovat s řiojeným zařízením. Firmware by měl také umožňovat zadávání kalibračních konstant a nastavování výškoměru omocí Q kódů. Zároveň by měly být rogramově zajištěny otřebné - 43 -
korekce výšky tak, aby systém měřil nejřesněji ři řibližování se k zadané výšce rahu řistávací lochy. Konstrukce systému také umožňuje měřit, ři znalosti otřebných vztahů, nař. Machovo číslo nebo vertikální rychlost, kterou by jsme stanovili se změny výšky v čase. Dále by bylo vhodné navrhnout naájecí zdroj na základě naájecího naětí v konkrétním letadle s výstuním naětím, které realizovaná měřicí deska vyžaduje. - 44 -
Příloha A náhled na komletní schéma zaojení
Příloha B náhled na horní vrstvu lošného soje
Příloha C náhled na sodní vrstvu lošného soje