Бортовое устройство с улучшенными показателями надежности

1 Сравнительный обзор датчиков абсолютного давления для авиационной промышленности

Эти датчики давления для авиационной промышленности имеют много недостатков, и при их измерении в процессе эксплуатации возникает множество ошибок [1]:
1) Аэродинамическая погрешность является результатом неправильного измерения атмосферного давления на высоте полета, поскольку поток воздуха в точке приема искажается, особенно при полете на высоких скоростях. Эти погрешности зависят от скорости полета, типа приемника атмосферного давления и его расположения. Такие погрешности не зависят от типа чувствительного элемента барометрического высотомера и устраняются различными конструктивными решениями [2].
2) Методологические ошибки вызваны расхождениями между фактическим состоянием атмосферы и данными, используемыми в качестве основы для расчета шкалы высотомера: атмосферное давление P=760 мм рт.ст., температура T=15°C, вертикальный температурный градиент T=6,5°/1000 м над уровнем моря.
Методологическая погрешность включает в себя 3 составляющие. Первая - барометрическая погрешность. Во время полета барометрический высотомер измеряет высоту относительно уровня, на котором установлено давление на шкале. Изменения давления на маршруте не учитываются. Обычно атмосферное давление в разных точках земной поверхности неодинаково в одно и то же время. Следовательно, истинная высота зависит от распределения атмосферного давления на Земле. Когда атмосферное давление падает вдоль траектории, истинная высота увеличивается, а когда давление повышается, оно уменьшается, т.е. барометрическая погрешность возникает из-за изменчивости атмосферного давления вблизи Земли. Погрешности Nbar учитываются следующим образом: перед вылетом - устанавливается стрелка высотомера на ноль. Перед посадкой - устанавливается высотомер для места посадки. При расчете высоты учитываются изменения атмосферного давления. На кремниевом датчике давления значение устанавливается равным нулю, и регулировка выполняется автоматически.
Причина части 2 методологической ошибки заключается в том, что фактическое распределение температуры воздуха по высоте не соответствует стандартным значениям, используемым при расчете механизма высотомера. Колебания температуры особенно опасны при полетах на малых высотах или в горных районах в холодное время года. На практике считается, что на малых высотах каждый раз, когда фактическая температура отклоняется на 3° от стандартной, будет наблюдаться погрешность в 1% от измеренной высоты [9]. Систематическая коррекция температуры обычно учитывается с помощью навигационной линейки NL-10M или навигационного калькулятора NRK-2. Чувствительность, смещение (выходное напряжение при нулевом давлении на мембране) и диапазон выходных напряжений микромеханических датчиков давления сильно зависят от температуры, что привело к разработке устройств термокомпенсации, реализующих термокомпенсацию как с помощью оборудования, так и алгоритмически. Например, для температурной компенсации Motorola использует пленочные резисторы с вакуумным покрытием, которые настраиваются с помощью лазера для получения требуемых характеристик датчика давления. В этом случае погрешность измерения давления составляет ±0% в диапазоне температур от 80°C до 1% и ±50% в диапазоне температур от -125°C до +2% [10].
3) 3-й компонент возникает из-за того, что высотомер в полете показывает высоту не над районом в полете, а относительно уровня изобарической плоскости, где на приборе задано атмосферное давление. Чем разнообразнее местность, тем больше отклонение высотомера от фактической высоты.
Давайте подробнее рассмотрим типы, устройства и принцип работы датчиков давления на примерах продукции Motorola. Датчики давления Motorola классифицируются по нескольким характеристикам. Первая - это степень интеграции (сложность, функциональный состав).
Согласно этой классификации, устройства делятся на 3 группы: бескомпенсированные датчики, термокомпенсированные и калиброванные интегрированные датчики [10].
Таким образом, датчики давления серии MPX поставляются с полной (интегрированной) схемой нормализации выходного сигнала (семейство MPX5000), размещенной на одной микросхеме с базовыми элементами, температурной компенсацией и базовыми элементами калибровки без компенсации. Чтобы облегчить жизнь разработчикам датчиков давления, Motorola расширила функцию интеграции датчика - в дополнение к встроенной температурной компенсации и калибровке, реализованным в датчиках предыдущей серии (серия MPX2000), серия MPX5000 представляет собой аналого-цифровой преобразователь датчиков и микропроцессоров. Он оснащен усилителем нормализации сигнала, который обеспечивает прямой интерфейс с контроллером.
Бескомпенсированный датчик является простейшим типом датчика. Эти базовые устройства состоят всего из 4 датчиков с 1 выходом (рис. 1). Чувствительность, смещение (выходное напряжение при нулевом давлении в мембране) и диапазон выходного напряжения сильно зависят от температуры. Кроме того, эти параметры технически меняются от образца к образцу. Простота и низкая стоимость бескомпенсированных датчиков означают, что разработчики несут ответственность за многие функции, обеспечивающие стандартные и стабильные выходные сигналы в широком диапазоне температур, которые уже встроены в более сложные датчики. Разработчикам необходим достаточный опыт как в использовании соответствующих операционных усилителей, так и в разработке программного обеспечения для микроконтроллеров[10].