Книш Валентин Олександрович. Інваріантні частотні ємнісні перетворювачі рівня для систем контролю і керування літальних апаратів

Краткое описание

Книш Валентин Олександрович. Інваріантні частотні ємнісні перетворювачі рівня для систем контролю і керування літальних апаратів : Дис... канд. наук: 05.13.05 2007

Книш В.О. Інваріантні частотні ємнісні перетворювачі рівня для систем контролю і керування літальних апаратів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. Національний технічний університет Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2007.
Дисертаційну роботу присвячено підвищенню точності первинних перетворювачів рівня палива для систем контролю і керування літальних апаратів.
В дисертації розроблено частотний ємнісний метод перетворення рівня палива, який забезпечує дистанційність вимірювань і стійкість до зміни діелектричної проникності палива (діелектричної рідини). Метод оснований на використанні частотних характеристик систем з розподіленими й зосередженими параметрами. Як коливальна система використана довга лінія, яка навантажена на ємнісне навантаження у вигляді ємнісного давача рівня палива. Компенсація температурного впливу на з’єднувальний кабель здійснюється за допомогою розробленого апаратно-аналітичного методу. Використовуючи режими роботи холостого ходу і короткого замикання довгої лінії, у першому режимі резонансна частота довгої лінії визначається її параметрами та ємністю давача, а у другому режимі резонансна частота визначається тільки параметрами довгої лінії, завдяки чому здійснюється компенсація зміни її параметрів від впливу температури. За допомогою розроблених інваріантних ПП рівня палива, які основані на принципі інваріантності Петрова і ємнісних давачах, здійснюється вимірювальне перетворення рівня палива незалежно від зміни його діелектричної проникності. Розроблено вимірювально-обчислювальну систему рівня палива, в якій використовується частотний ємнісний вимірювальний перетворювач рівня палива із інваріантним ємнісним ПП, яка покращить стійкість і керованість літального апарата за рахунок підвищення точності визначення рівня палива паливної системи контролю та керування балансировкою, що зменшить вплив ефекту дисбалансу центру ваги ЛА.

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-практичну задачу з підвищення стійкості і керованості ЛА шляхом розробки перспективного методу і пристроїв вимірювального перетворення рівня палива, що значно підвищують точність паливної системи контролю та керування балансировкою ЛА. В роботі отримано такі основні наукові і практичні результати.

Проведений аналіз впливу похибки первинних перетворювачів рівня палива паливної системи контролю та керування балансировкою ЛА на стійкість і керованість ЛА виявив, що виникає похибка визначення рівня палива, яка викликає ефект дисбалансу маси палива. Внаслідок цього виникає обертаючий момент, який викликає зменшення або збільшення заданого кута тангажа або крену. Моделювання показало, що при похибці первинних перетворювачів рівня палива в 10 % виникає похибка заданого кута тангажа або крену в 1 градус, а час перехідного процесу збільшується майже в 2 рази. Недоліком ємнісних первинних перетворювачів рівня палива, які використовуються на сучасних ЛА, є чутливість до зміни діелектричної проникності палива. Із проаналізованих методів визначення рівня палива, які б відповідали умовам експлуатації ЛА, є ємнісний і радіохвильовий методи, які дозволяють розробляти первинні перетворювачі, що не чутливі до зміни діелектричної проникності палива.
Визначено основні переваги і недоліки ємнісного і радіохвильового методів. Ємнісний метод має велику точність перетворення рівня палива і надійність, але чутливий до зміни діелектричної проникності палива. Радіохвильовий метод позбавлений чутливості до зміни діелектричної проникності палива, але має низьку швидкість і точність перетворення, яка пов’язана із нелінійністю розподілу електричного поля. Поєднуючи ці методи, розроблено частотний ємнісний метод перетворення рівня палива, який ґрунтується на використанні довгої лінії, що навантажена на ємнісний давач, і дозволяє зменшити похибку, пов’язану з нелінійністю розподілу електричного поля.
Розроблено математичну модель первинного перетворювача рівня палива, яка основана на використанні відрізків довгої лінії із різними хвильовими опорами. Ця модель дозолила підтвердити адекватність частотних характеристик частотного ємнісного метода перетворення рівня палива у разі резонансу на основній гармоніці.
Розроблено математичну модель еквівалентного розподілу вхідної ємності первинного перетворювача на відрізках довгої лінії, що дозволила обчислити методичну похибку частотного ємнісного метода перетворення рівня палива, яка залежить від співвідношення довжини довгої лінії і ємнісного давача. При співвідношенні довжини кабеля і давача 1/15 величина похибки не перевищує 0,8 %.
Проведений аналіз похибок частотного ємнісного методу перетворення рівня палива показав, що цей метод чутливий до впливу зовнішньої температури і зміни діелектричної проникності палива. Для компенсації похибок впливу зовнішньої температури розроблено аналітичний і апаратно-аналітичний методи компенсації зміни резонансної частоти. У першому методі як додаткові віртуальні вимірювальні канали інформації використовуються гармоніки довгої лінії. У другому методі використовуються режими холостого ходу і короткого замикання довгої лінії. Експериментальні дослідження дослідного зразка, які виконані з використанням апаратно-аналітичного методу компенсації, показали, що при застосуванні цього методу похибка перетворення рівня палива зменшується практично в 5 разів.
Для компенсації похибки від зміни діелектричної проникності палива синтезовано інваріантні ємнісні первинні перетворювачі рівня палива (рідини), які базуються на принципі інваріантності Б.М. Петрова й використанні ємнісних давачів, як первинних перетворювачів рівня палива. Це дозволило отримати незалежність перетворення рівня палива від зміни його діелектричної проникності. Проведено експериментальні дослідження, за результатами яких зроблено висновок, що похибка інваріантного ємнісного первинного перетворювача рівня палива становить менше 2 % в діапазоні діелектричної проникності палива від 2 до 4,7. Теоретично доведено, що розроблені інваріантні ємнісні первинні перетворювачі рівня палива здатні вимірювати рівень діелектричних рідин з будь-яким коефіцієнтом діелектричної проникності.
Розроблена вимірювально-обчислювальна системи рівня палива для ЛА, у якій вимірювальний перетворювач оснований на частотному ємнісному методі і використанні інваріантного ємнісного первинного перетворювача рівня палива. Отримані результати моделювання показали, що застосування розробленої вимірювально-обчислювальної системи рівня палива дозволило зменшити вплив дисбалансу маси палива на стійкість і керованість ЛА практично в 4 рази.
На основі проведених досліджень розроблено перспективні моделі інваріантних ємнісних первинних перетворювачів рівня палива, які використовують коаксіальні циліндричні ємнісні давачі. Це дало змогу легко їх пристосовувати для заміни існуючих ємнісних первинних перетворювачів рівня палива на ЛА.
Наукові й практичні результати, отримані в роботі, впроваджено в практику підприємств: Харківське державне авіаційне виробниче підприємство (ХДАВП), навчальний процес на кафедрі авіаційних приладів та вимірювань Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського ”ХАІ” і в ТОВ Алькон” (м. Дніпропетровськ).