Druhá generace palivoměru LUN 5275 pro letoun EV-55 The second generation of the fuel gauge measuring system LUN 5275 for the EV-55 airplane Ing. Martin Moštěk, Ph.D. MESIT přístroje spol. s r. o., email: m.mostek@msp.mesit.cz Resumé: Tato práce popisuje druhou generace palivoměrného systému měření paliva pro letoun EV-55 prototypu č. 003 společnosti EVEKTOR. Detailně je rozepsán generační posun a všechna vylepšení a modifikace, které byly provedeny pro usnadnění certifikace přístroje podle normy RTCA-DO 178C a RTCA-DO 160G. This work is describing the second generation of the fuel gauge measuring system for the third prototype of the EV-55 airplane from EVEKTOR Company. All the differences between first and second generation are fully described, with impact to the RTCA-DO 178C and RTCA- DO160G certification process. 1 Úvod V roce 2009 byl ve společnosti MESIT přístroje spol. s r.o. vyvinut nový systém měření množství paliva LUN 5275, který byl navržen speciálně pro nově vyvíjený turbovrtulový letoun EV-55 Outback společnosti Evektor [1], [2]. Na prvním prototypu č. 001 byly provedeny veškeré pozemní a letové testy, které měly otestovat parametry a vlastnosti nového letounu. Dopady těchto funkčních testů však vedly k významné změně konstrukce křídla, kde do prostoru integrální nádrže byla vložena polopropustná přepážka (propustná pouze v jednom směru k trupu letadla), která má u letounu prototypu č. 003 zabránit přelévání paliva do okrajových částí křídla a tím zlepšit letové vlastnosti letounu [3]. Současně s přidáním této jedné sekce integrální nádrže bylo rozhodnuto o zpřesnění měření způsobem zvýšení počtu sensorů pro měření paliva z původních tří senzorů na čtyři. Tato významná změna však měla přímý dopad na požadavky na palivoměrný systém letounu, kde se objevila potřeba významných konstrukčních změn v jednotce LUN 5275. Proto vznikla nová generace palivoměru a obsahem tohoto článku je seznámit a informovat o těchto konstrukčních změnách. -156-
2 Koncepce řešení palivoměru LUN 5275 a konstrukční změny Způsob měření množství paliva palivoměru LUN 5275 je jako původní řešení založen na principu kapacitního měření množství paliva. Tento způsob měření vychází z jednoduchého principu, kdy se využívá jevu, že při zaplavení kapacitního snímače palivem dochází ke změně hodnoty kapacity čidla. Určité hodnotě kapacity pak odpovídá určité množství paliva v nádrži letounu (jeho výšce). Monostabilní klopný obvod, do nějž je pak kapacitní čidlo připojeno, převádí kapacitu na různé délky obdélníkových pulsů, jejichž délka je přímo úměrná aktuální hodnotě kapacity čidla. Pomocí digitální metody zpracování délky pulsu jsou tyto délky číslicově zpracovány a digitalizovány do podoby, která je využitelná v mikroprocesorové technice. V mikroprocesoru je pak takto získaná hodnota porovnaná s kalibračními daty, na jejichž základě je stanovena celková hodnota paliva v nádrži. Jelikož od doby vývoje první verze palivoměru uběhlo již několik let, byl do požadavků na konstrukční změny zahrnut i upgrade mikroprocesoru pro zpracování délek pulsů, konkrétně byl osmibitový procesor ATMEL AT MEGA 128 nahrazen 32 bitovým procesorem NXP ARM Cortex-M3 LPC 1766. Výměna procesoru umožnila zvýšit frekvenci vzorkování pro měření délek pulsů ze sensorů paliva a zároveň umožnila díky většímu výpočetnímu výkonu procesoru integrovat výpočet množství paliva se zahrnutím náklonů letounu, kdy vlivem náklonu za letu, nebo při nakloněné letištní ploše, dochází k přelévání paliva v rámci integrálního křídla. Další zásadní změna v konstrukci palivoměrného systému, je vybavení všech senzorů obvodem pro prevenci vzniku tzv. falešné informace o neseném množství paliva vlivem degradace nebo nefunkčnosti kapacitního sensoru, což prokázala FHA analýza. Certifikace dle RTCA/DO- 178C předpokládá, že informace o množství paliva je měřena přesně a bez vzniku falešné informace o neseném množství. V případě že nelze bezpečně prokázat chybu měření, spadá automaticky palivoměrný systém dle dopadu na bezpečnost letu do kategorie Hazardous. Pokud je však systém schopen jednoznačně tuto chybu vyloučit je dopad na bezpečnost letu pouze s dopadem Minor. V situacích kdy dojde k chybě v měření, může být hodnota neseného paliva mylně interpretována a pilot může být uveden v omyl, čímž může nastat situace kdy chybně změřená celková hmotnost paliva a odhad váhy nákladu může překročit maximální vzletovou hmotnost, což může vyvolat hazardní stav. Řešením problematiku hazardních stavů je doplnění obvod do všech senzorů, kde každou jednu provozní hodinu je otestována validita měřicího kanálu a všech senzorů, pomocí měření nominální kapacity v každém senzoru. Blokové schéma bloku vyhodnocovací elektroniky palivoměru je na následujícím obrázku (viz obr. 1). -157-
Obr. 1: Blokové schéma bloku vyhodnocovací elektroniky palivoměru LUN 5275. Jak je na první pohled z blokového schématu patrné, měření délek impulsů je prováděno tak, že všechny připojené vysílače jsou propojeny paralelně k signálu pro start měření, na základě něhož jsou vyslány pulsy, jejich délka odpovídá kapacitě daného snímače. Pro výběr aktuálně jednoho čidla je použito adresního dekodéru, který je k procesoru připojen. Na základě nastavené adresy je možné vybrat vždy konkrétně jeden signál kapacitního snímače. Pro vlastní změření délky pulsu je využito tzv. Capture jednotky procesoru, kdy po vyslání signálu start pro měření se spustí čítač, který je zastaven až sestupnou hranou vysílaného pulsu kapacitního snímače, kde načítané číslo na čítači pak odpovídá délce měřeného pulsu. Rozsah fyzikálně měřitelných délek signálů je přímo úměrný taktovací frekvenci procesoru a pro LUN 5275 s frekvencí 24 MHz je roven přibližně 0,4166 sekundy. -158-
Další periferií bloku vyhodnocovací elektroniky je převodník digitální hodnoty na analogovou, který slouží k signalizaci celkového množství paliva v zobrazovači na letounu. Rozsah výstupního napětí je 0 až 5V DC pro plné zaplavení nádrže. Dále je blok elektroniky palivoměru vybaven digitálním výstupem standardu RS 422/ARINC 429 (volitelný výstup závisí na konfiguraci letounu). Veškeré změřené délky a vypočtené hodnoty jsou v pravidelných intervalech 150 milisekund pomocí tohoto rozhraní vysílány k připojenému zobrazovači. Další část elektroniky se stará o analogovou a digitálními signalizacemi, které se používají k ovládání přečerpávání paliva z přídavných nádrží, signalizacím nízkého stavu paliva, popřípadě signalizacím selhání bloku elektroniky nebo kapacitních čidel. Předposlední obvodová část využívá integrovaného A/D převodníku uvnitř procesoru. Zpětným převodem vysílané analogové hodnoty se kontroluje správnost fungování externího D/A převodníku. Poslední neméně důležitou částí jednotky je servisní rozhraní palivoměru, které umožňuje nahrávat do jednotky bez nutnosti demontáže nový firmware, ale také pomocí speciální aplikace veškerá provozní a konfigurační data, kalibrační tabulky atd. Náhled na tuto aplikaci je na dalším obrázku (viz obr. 2). Obr. 2: Konfigurační aplikace palivoměru LUN 5275. -159-
3 Řídicí firmware palivoměru Řídicí firmware procesoru je koncipován jako stavový automat, kdy v přesně definovaných časech je prováděná cyklická činnost měření, výpočtu a vyhodnocení množství paliva. Následující blokový diagram nastiňuje funkci řídicího firmware (viz obr. 3). Obr. 3: Blokové schéma bloku vyhodnocovací elektroniky palivoměru Po počáteční inicializaci se začnou měřit délky pulsů pro jednotlivé kapacitní snímače. Před každým měřením je nastavena adresa na adresním registru a vygenerován startovací signál. Po změření délky pulsu v Capture jednotce je změřená hodnota uložena do paměťového pole a pokračuje se měřením následujícího kapacitního snímače. Po změření všech čtyř délek pulsů je proveden výpočet množství paliva na základě délky pulsů. Pro výpočet je využito kalibračních dat o tvaru nádrže, kdy tato jsou získána v postupných krocích nasnímáním závislosti výšky zaplavení kapacitního snímače na množství paliva v -160-
nádrži. Tyto kalibrační data jsou uloženy v externí Flash paměti a jsou do zařízení dodávána při výrobě. Porovnáním hodnot změřených délek pulsů s kalibračními daty je stanoveno množství paliva pro každé kapacitní čidlo zvlášť. Zároveň se kontroluje fyzikální rozměr změřeného pulsu, jestli je v povoleném intervalu. V případě že není reálný, je aktivován příznak chyby palivoměru. Po výpočtu množství paliva se podle váhy rozdělení množství paliva pro každý snímač vypočítá celkové množství paliva v nádrži a výsledek je odeslán na analogový a digitální výstup z palivoměru. Po odeslání dat na výstup je integrovaným A/D převodníkem provedena kontrola vysílané analogové hodnoty, aby se ověřila správná funkce externího D/A převodníku. Dalším bodem, který se cyklicky provádí, je kontrolní výpočet CRC paměti, kdy všechna data, která jsou uložena v paměti Flash jsou cyklicky kontrolována. Posledním bodem je občerstvování externího dohlížitele (WatchDog), který provádí případný reset procesoru, když je porušen správně vykonávaný cyklus běhu programu. 4 Závěr Souprava palivoměru LUN 5275 měří a zobrazuje množství paliva na letounu EV-55 Outback s přesností měření v rozmezí max. +2% až -2% v celém měřeném rozsahu nádrží se zahrnutím náklonů křídel. Tato přesnost je díky teplotní kompenzaci kapacitních snímačů dodržena i v celém provozním spektru pracovních teplot. Výhodou soupravy je možnost variabilního výstupu systému palivoměru, tedy analogovou 0-5V DC signalizaci, digitální RS 422 nebo ARINC 429. Literatura [1] PRCHAL, J.: Tech. specification of the EV-55 Outback airplane, Kunovice, Evektor, 2005, 31pp [2] NAVRÁTIL, J.: Tech. specification of the LUN 5275 for EV-55 Outback prototype nr. 001, Kunovice, Evektor, 2006, 15pp [3] NAVRÁTIL, J.: Tech. specification of the LUN 5275 for EV-55 Outback prototype nr. 003, Kunovice, Evektor, 2015, 21pp -161-