Приборы для измерения давления в самолетах | Авиационные системы

Давление — это сравнение двух сил. Абсолютное давление существует, когда сила сравнивается с полным вакуумом, или когда давление абсолютно отсутствует. Абсолютное давление необходимо определять, потому что воздух в атмосфере всегда оказывает давление на все. Даже когда кажется, что давление отсутствует, например, когда воздушный шар спущен, атмосферное давление внутри и снаружи воздушного шара все еще существует.Чтобы измерить это атмосферное давление, необходимо сравнить его с полным отсутствием давления, например, в вакууме. Многие авиационные приборы используют значения абсолютного давления, такие как высотомер, индикатор скорости набора высоты и манометр в коллекторе. Как уже говорилось, обычно это делается с помощью анероида.

Самый распространенный вид измерения давления — это манометрическое давление. Это разница между измеряемым давлением и атмосферным давлением. Следовательно, манометрическое давление внутри спущенного баллона, упомянутого выше, составляет 0 фунтов на квадратный дюйм (psi).Манометрическое давление легко измерить, и его можно получить, игнорируя тот факт, что атмосфера всегда оказывает давление на все. Например, шина заполняется воздухом до 32 фунтов на квадратный дюйм на уровне моря и проверяется манометром на 32 фунта на квадратный дюйм, что является манометрическим давлением. Давление воздуха на внешнюю сторону шины приблизительно 14,7 фунтов на квадратный дюйм игнорируется. Абсолютное давление в шине составляет 32 фунта на квадратный дюйм плюс 14,7 фунта на квадратный дюйм, необходимого для уравновешивания 14,7 фунта на квадратный дюйм на внешней стороне шины. Итак, абсолютное давление в шине примерно 46.7 фунтов на кв. Дюйм. Если та же самая шина накачана до 32 фунтов на квадратный дюйм в месте на высоте 10 000 футов над уровнем моря, давление воздуха снаружи шины будет только примерно 10 фунтов на квадратный дюйм из-за более тонкой атмосферы. Давление внутри шины, необходимое для балансировки, составит 32 фунта на квадратный дюйм плюс 10 фунтов на квадратный дюйм, в результате чего абсолютное давление в шине составит 42 фунта на квадратный дюйм. Таким образом, одна и та же шина с одинаковым уровнем накачивания и эксплуатационными характеристиками имеет разные значения абсолютного давления. Однако манометрическое давление остается прежним, что означает, что шины накачаны одинаково.В этом случае манометрическое давление более полезно для информирования нас о состоянии шины.

Измерения избыточного давления просты и широко используются. Они устраняют необходимость измерения переменного атмосферного давления для индикации или отслеживания конкретной ситуации с давлением. Следует принять манометрическое давление, если не указано иное, или если измерение давления не относится к типу, который, как известно, требует абсолютного давления.

Во многих случаях в авиации желательно сравнить давление двух различных элементов, чтобы получить полезную информацию для эксплуатации самолета.Когда два давления сравниваются в манометре, измерение называется перепадом давления, а манометр — манометром перепада давления. Индикатор воздушной скорости самолета — это манометр дифференциального давления. Он сравнивает давление окружающего воздуха с давлением набегающего воздуха, чтобы определить, насколько быстро самолет движется по воздуху. Датчик степени давления в двигателе турбины (EPR) также является манометром дифференциального давления. Он сравнивает давление на входе в двигатель с давлением на выходе, чтобы указать тягу, развиваемую двигателем.

В авиации также широко используется давление, известное как стандартное давление. Стандартное давление относится к установленному или стандартному значению, которое было создано для атмосферного давления. Это стандартное значение давления составляет 29,92 дюйма ртутного столба («рт. дневные значения также установлены для плотности, объема и вязкости воздуха.Все эти значения являются усредненными, поскольку атмосфера постоянно колеблется. Они используются инженерами при проектировании инструментальных систем и иногда используются техническими специалистами и пилотами. Часто использование стандартного значения атмосферного давления более желательно, чем использование фактического значения. Например, на высоте 18 000 футов и выше все самолеты используют 29,92 дюйма рт.Поэтому созданы точные средства для поддержания вертикального эшелонирования самолетов, летящих на таких больших высотах.

Самым важным инструментом, используемым пилотом для определения состояния двигателя, является манометр моторного масла. [Рисунок 5] Давление масла обычно указывается в фунтах на квадратный дюйм. Нормальный рабочий диапазон обычно представлен зеленой дугой на круглом датчике. Для получения точного допустимого рабочего диапазона обратитесь к данным производителя по эксплуатации и техническому обслуживанию. В поршневых и газотурбинных двигателях масло используется для смазки и охлаждения поверхностей подшипников, где детали вращаются или скользят друг относительно друга на высоких скоростях.Утечка масла под давлением в эти области быстро вызовет чрезмерное трение и перегрев, что приведет к катастрофическому отказу двигателя. Как уже упоминалось, в самолетах, использующих аналоговые приборы, часто используются датчики давления масла с трубкой Бурдона с прямым считыванием показаний. На рис. 5 показана лицевая панель типичного манометра этого типа. Цифровые приборные системы используют аналоговый или цифровой дистанционный датчик давления масла, который отправляет выходные данные в компьютер, управляя отображением значения (значений) давления масла на экранах дисплея кабины самолета.Давление масла может отображаться в виде кругового или линейного манометра и даже может включать числовое значение на экране. Часто давление масла группируется с отображением других параметров двигателя на той же странице или части страницы на дисплее. На рисунке 6 показана эта группировка на цифровой системе индикации приборов Garmin G1000 для самолетов авиации общего назначения.

Давление в коллекторе

В самолетах с поршневым двигателем манометр показывает давление воздуха во впускном коллекторе двигателя.Это показатель мощности, развиваемой двигателем. Чем выше давление топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель, тем большую мощность он может производить. Для двигателей без наддува это означает, что показание давления, близкого к атмосферному, является максимальным. Двигатели с турбонаддувом или наддувом создают давление в воздухе, смешанном с топливом, поэтому показания полной мощности выше атмосферного.

Большинство манометров в коллекторе калибруются в дюймах ртутного столба, хотя цифровые дисплеи могут иметь возможность отображать в другом масштабе.Типичный аналоговый датчик использует анероид, описанный выше. Когда атмосферное давление действует на анероид внутри манометра, подключенный указатель показывает текущее давление воздуха. Линия, идущая от впускного коллектора к манометру, показывает давление воздуха впускного коллектора на анероид, поэтому манометр показывает абсолютное давление во впускном коллекторе. Аналоговый манометр в коллекторе и его внутреннее устройство показаны на рисунке 7. Цифровое представление давления в коллекторе находится в верхней части приборов двигателя, отображаемых на многофункциональном дисплее Garmin G1000 на рисунке 6.Руководство по эксплуатации самолета содержит данные по управлению давлением в коллекторе в зависимости от расхода топлива и шага винта, а также для достижения различных характеристик характеристик на разных этапах разгона и полета.

Коэффициент давления в двигателе (EPR)

Турбинные двигатели имеют собственный индикатор давления, который показывает мощность, развиваемую двигателем.Он называется индикатором степени сжатия двигателя (EPR) (датчик EPR). Этот манометр сравнивает общее давление выхлопных газов с давлением набегающего воздуха на входе в двигатель. С поправками на температуру, высоту и другие факторы, датчик EPR показывает тягу, развиваемую двигателем. Поскольку манометр EPR сравнивает два давления, это манометр дифференциального давления. Это прибор дистанционного зондирования, который получает входные данные от передатчика соотношения давлений в двигателе или, в дисплеях цифровых измерительных систем, от компьютера.Датчик отношения давлений содержит сильфон, который сравнивает два давления и преобразует соотношение в электрический сигнал, используемый манометром для индикации. [Рисунок 8]

Давление топлива

Манометры давления топлива также предоставляют пилоту важную информацию.Обычно топливо откачивается из различных топливных баков самолета для использования его двигателями. Неисправный топливный насос или бак, который был опорожнен сверх точки, при которой в насос поступает достаточно топлива для поддержания желаемого выходного давления, — это состояние, требующее немедленного внимания пилота. Хотя существуют манометры прямого измерения давления топлива с использованием трубок Бурдона, диафрагм и устройств измерения сильфона, особенно нежелательно прокладывать топливопровод в кабину из-за возможности возгорания в случае возникновения утечки.Следовательно, предпочтительная компоновка состоит в том, чтобы любой используемый чувствительный механизм был частью передающего устройства, которое использует электричество для отправки сигнала на индикатор в кабине экипажа. Иногда вместо манометров используются показания, контролирующие расход топлива.

Гидравлическое давление

Многие другие датчики давления используются на сложных самолетах для индикации состояния различных вспомогательных систем, которых нет на простых легких самолетах. Гидравлические системы обычно используются для подъема и опускания шасси, управления полетом, включения тормозов и многого другого.Достаточное давление в гидравлической системе, создаваемое гидравлическим насосом (-ами), необходимо для нормальной работы гидравлических устройств. Манометры гидравлического давления часто располагаются в кабине экипажа, в точке обслуживания гидравлической системы на планере или рядом с ней. Дистанционно расположенные индикаторы, используемые обслуживающим персоналом, почти всегда напрямую считывают показания манометров с трубкой Бурдона. Манометры в кабине обычно имеют давление в системе, передаваемое от датчиков или компьютеров электрически для индикации. На рисунке 9 показан датчик гидравлического давления в гидравлической системе высокого давления самолета.

Гироскопический манометр, вакуумметр или манометр — все это термины для одного и того же манометра, используемого для контроля вакуума, создаваемого в системе, которая приводит в действие гироскопические летные приборы с пневматическим приводом.Воздух проходит через инструменты, заставляя гироскопы вращаться. Скорость вращения гироскопа должна быть в определенном диапазоне для правильной работы. Эта скорость напрямую связана с давлением всасывания, которое создается в системе. Датчик всасывания чрезвычайно важен в самолетах, полагающихся исключительно на гироскопические летные приборы с вакуумным приводом.

Вакуум — это показатель перепада давления, означающий, что измеряемое давление сравнивается с атмосферным давлением с помощью герметичной диафрагмы или капсулы.Датчик откалиброван в дюймах ртутного столба. Он показывает, насколько меньше давление в системе, чем в атмосфере.

Реле давления

В авиации часто бывает достаточно просто контролировать, является ли давление, создаваемое определенной операционной системой, слишком высоким или слишком низким, чтобы можно было принять меры в случае возникновения одного из этих условий. Это часто достигается с помощью реле давления. Реле давления — это простое устройство, обычно предназначенное для размыкания или замыкания электрической цепи при достижении в системе определенного давления.Он может быть изготовлен таким образом, чтобы электрическая цепь была нормально разомкнутой и могла затем закрываться при обнаружении определенного давления, или цепь могла быть замкнута, а затем разомкнута при достижении давления активации.

Реле давления содержат диафрагму, к которой с одной стороны прикладывается измеряемое давление. Противоположная сторона диафрагмы подключена к механическому механизму переключения электрической цепи. Небольшие колебания или повышение давления на диафрагму перемещают диафрагму, но не настолько, чтобы переключить переключатель.Только когда давление достигает или превышает предварительно установленный уровень, предусмотренный в конструкции переключателя, диафрагма перемещается достаточно далеко, чтобы механическое устройство на противоположной стороне замкнуло контакты переключателя и замкнуло цепь. [Рис. 10] Каждый переключатель рассчитан на включение (или отключение) при определенном давлении, и его следует устанавливать только в надлежащем месте.

Реле индикации низкого давления масла — типичный пример использования реле давления. Он установлен в двигателе, поэтому масло под давлением может попадать на диафрагму переключателя.После запуска двигателя давление масла увеличивается, и давление на диафрагму является достаточным для удержания контактов переключателя в разомкнутом состоянии. Таким образом, ток не течет по цепи, и в кабине не отображается индикация низкого давления масла. В случае падения давления масла давление на диафрагму становится недостаточным для удержания переключаемых контактов в разомкнутом состоянии. Когда контакты замыкаются, они замыкают цепь на индикатор низкого давления масла, обычно световой, чтобы предупредить пилота о ситуации.

Манометры для различных компонентов или систем работают аналогично указанным выше. Какое-то чувствительное устройство, подходящее для измеряемого или контролируемого давления, сочетается с системой индикации. При необходимости в систему устанавливают реле давления с надлежащим номиналом и подключают к цепи индикации.

Пито-Статик Системс

Некоторые из наиболее важных летных приборов получают свои показания при измерении давления воздуха.Сбор и распределение различных давлений воздуха для пилотажных приборов является функцией статической системы Пито.

Трубки Пито и вентиляционные каналы

На простом самолете он может состоять из головки статической системы Пито или трубки Пито с отверстиями для ударного и статического давления воздуха и герметичной трубки, соединяющей эти точки измерения давления воздуха с приборами, для показаний которых требуется воздух. Высотомер, индикатор воздушной скорости и индикатор вертикальной скорости — три наиболее распространенных прибора для измерения статики Пито.На рисунке 11 показана простая система статики Пито, подключенная к этим трем приборам.

Трубка Пито показана на рис. 12. Она открыта и обращена в воздушный поток, чтобы воспринимать полную силу ударного давления воздуха при движении самолета вперед. Этот воздух проходит через перегородку, предназначенную для защиты системы от попадания влаги и грязи в трубку.Под перегородкой предусмотрено сливное отверстие, через которое выходит влага. Набегающий воздух направляется назад в камеру акульего плавника узла. Вертикальная труба или стояк выводит этот сжатый воздух из узла Пито к индикатору воздушной скорости.

Кормовая часть трубки Пито оборудована небольшими отверстиями на верхней и нижней поверхностях, которые предназначены для сбора воздуха, находящегося под атмосферным давлением в статических или неподвижных условиях.[Рис. 12] Статическая секция также содержит стояк, и воздух выходит из узла Пито через трубы и соединяется с высотомером, индикатором воздушной скорости и индикатором вертикальной скорости.

Многие головки пито-статических трубок содержат нагревательные элементы для предотвращения обледенения во время полета. Пилот может подавать электрический ток на элемент с помощью переключателя в кабине, когда существуют условия образования льда. Часто этот переключатель подключается к замку зажигания, поэтому, когда самолет выключен, нагреватель трубки Пито, случайно оставленный включенным, не продолжает потреблять ток и разряжать аккумулятор.Следует проявлять осторожность, находясь рядом с трубкой Пито, поскольку эти нагревательные элементы делают трубку слишком горячей, чтобы к ней можно было прикоснуться, не получив ожога.

Трубка Пито-статика устанавливается снаружи самолета в месте, где воздух с наименьшей вероятностью будет турбулентным. Он направлен вперед параллельно линии полета самолета. Расположение может отличаться. Некоторые из них находятся в носовой части фюзеляжа, а другие могут располагаться на крыле. Некоторые даже можно найти на оперении. Существуют различные конструкции, но функция остается той же: улавливать ударное давление и статическое давление воздуха и направлять их на соответствующие инструменты.[Рисунок 13]

Большинство самолетов, оснащенных статической трубкой Пито, имеют альтернативный источник статического давления воздуха, предназначенный для аварийного использования. Пилот может выбрать запасной вариант с помощью переключателя в кабине, если окажется, что летные приборы не дают точных показаний.На низколетящих самолетах без давления альтернативным источником статического электричества может быть просто воздух из кабины. [Рис. 14] На воздушном судне с избыточным давлением давление воздуха в салоне может значительно отличаться от давления наружного воздуха. При использовании в качестве альтернативного источника статического воздуха показания прибора будут крайне неточными. В этом случае используются несколько статических точек захвата вентиляции. Все они расположены снаружи самолета и подключены к водопроводу, чтобы пилот мог выбрать, из какого источника воздух направляется к приборам.На электронных индикаторах полета выбирается, какой источник используется компьютером или летным экипажем.

Другой тип статической системы Пито предусматривает расположение источников Пито и статического электричества в разных положениях на летательном аппарате. Трубка Пито в этой конструкции используется только для сбора давления набегающего воздуха.Отдельные вентиляционные отверстия для статического давления используются для сбора информации о статическом давлении воздуха. Обычно они располагаются заподлицо сбоку фюзеляжа. [Рис. 15] Может быть два или более вентиляционных отверстия. Типичны первичный и запасной источники вентиляции, а также отдельные специальные вентиляционные отверстия для приборов пилота и старшего помощника. Кроме того, два основных вентиляционных отверстия могут быть расположены на противоположных сторонах фюзеляжа и соединены Y-образной трубкой для ввода в приборы. Это делается для компенсации любых колебаний статического давления воздуха на вентиляционные отверстия из-за положения самолета.Независимо от количества и расположения отдельных статических вентиляционных отверстий, они могут нагреваться так же, как и отдельная трубка Пито для напорного воздуха, чтобы предотвратить обледенение.

Компьютеры с воздушными данными (ADC) и цифровые компьютеры с воздушными данными (DADC)

Пито-статические системы самолетов с высокими характеристиками и реактивного транспорта могут быть более сложными. Эти самолеты часто работают на большой высоте, где температура окружающей среды может превышать 50 ° F ниже нуля.Сжимаемость воздуха также изменяется на высоких скоростях и на больших высотах. Воздушный поток вокруг фюзеляжа меняется, что затрудняет получение постоянных входных статических давлений. Пилот должен учесть все факторы температуры и плотности воздуха, чтобы получить точные показания приборов. В то время как многие аналоговые приборы имеют встроенные компенсирующие устройства, использование компьютера данных о воздухе (АЦП) является обычным для этих целей на высокопроизводительных самолетах. Кроме того, в современных самолетах используются компьютеры цифровых данных о воздухе (DADC).Преобразование измеренных значений давления воздуха в цифровые значения упрощает управление ими с помощью компьютера для вывода точной информации, которая компенсирует многие встречающиеся переменные. [Рисунок 17]

По сути, все значения давления и температуры, измеренные датчиками, передаются в АЦП.Аналоговые блоки используют преобразователи для преобразования их в электрические значения и манипулирования ими в различных модулях, содержащих схемы, предназначенные для надлежащей компенсации для использования различными приборами и системами. DADC обычно получает данные в цифровом формате. Системы, не имеющие выходов цифровых датчиков, сначала преобразуют входные сигналы в цифровые сигналы через аналого-цифровой преобразователь. Преобразование может происходить внутри компьютера или в отдельном блоке, предназначенном для этой функции. Затем все вычисления и компенсации производятся компьютером в цифровом виде.Выходы ADC являются электрическими для привода серводвигателей или для использования в качестве входов в системах наддува, блоках управления полетом и других системах. Выходы DADC распределяются по этим же системам и дисплею в кабине с помощью цифровой шины данных.

Использование АЦП дает множество преимуществ. Упрощение статических водопроводных линий позволяет создать более легкую и простую систему с меньшим количеством соединений, поэтому она менее подвержена утечкам и ее легче обслуживать. Вычисления разовой компенсации могут выполняться внутри компьютера, что устраняет необходимость встраивать компенсирующие устройства в многочисленные отдельные приборы или блоки систем с использованием данных по воздуху.DADC могут выполнять ряд проверок для проверки достоверности данных, полученных из любого источника на борту самолета. Таким образом, экипаж может быть автоматически предупрежден о необычном параметре. Переход к альтернативному источнику данных также может быть автоматическим, чтобы обеспечить постоянную точность работы кабины экипажа и систем. В целом полупроводниковая технология более надежна, а современные устройства имеют небольшие размеры и вес. На рисунке 18 схематически показано, как DADC подключается к пито-статической и другим системам самолета.

Пито-статические приборы для измерения давления

Основные летные приборы напрямую подключены к системе пито-статики на многих самолетах. Аналоговые летные приборы в основном используют механические средства для измерения и индикации различных параметров полета.Для того же в системах цифровых пилотажных приборов используются электричество и электроника. Обсуждение основных приборов для измерения статики Пито начинается с аналоговых приборов, к которым добавляется дополнительная информация о современных цифровых приборах.

Высотомеры и высота

Высотомер — это инструмент, который используется для указания высоты самолета над заданным уровнем, например, над уровнем моря или местности под самолетом. Самый распространенный способ измерения этого расстояния основан на открытиях, сделанных учеными много веков назад.Работа семнадцатого века, доказывающая, что воздух в атмосфере оказывает давление на вещи вокруг нас, привела Евангелисту Торричелли к изобретению барометра. В том же веке, используя концепцию этого первого прибора для измерения атмосферного давления, Блез Паскаль смог показать, что существует взаимосвязь между высотой и атмосферным давлением. С увеличением высоты давление воздуха уменьшается. Степень его уменьшения измерима и постоянна для любого заданного изменения высоты. Следовательно, измеряя атмосферное давление, можно определить высоту.[Рисунок 19]

Циферблат или циферблат аналогового высотомера считывается аналогично часам.Когда самый длинный указатель перемещается по циферблату, он регистрирует высоту в сотнях футов. Один полный оборот этой стрелки указывает на высоту 1000 футов. Вторая по длине точка движется медленнее. Каждый раз, когда он достигает цифры, он показывает высоту 1000 футов. Один раз вокруг циферблата этот указатель равен 10 000 футов. Когда самая длинная стрелка полностью проходит вокруг циферблата один раз, вторая по длине точка перемещается только на расстояние между двумя цифрами, что указывает на достижение высоты в 1000 футов.Если таковой оборудован, третий, самый короткий или самый тонкий указатель регистрирует высоту с шагом 10 000 футов. Когда этот указатель достигает цифры, это означает, что была достигнута высота 10 000 футов. Иногда на циферблате инструмента отображается черно-белая или красно-белая заштрихованная область до тех пор, пока не будет достигнута отметка в 10 000 футов. [Рисунок 21]

Многие высотомеры также содержат связи, которые вращают числовой счетчик в дополнение к перемещению указателей по циферблату.Это окно быстрой справки позволяет пилоту просто считывать числовую высоту в футах. Движение вращающихся цифр или счетчика барабанного типа во время быстрого набора высоты или спуска затрудняет или делает невозможным считывание чисел. Затем можно обратиться к классической индикации в виде часов. На рис. 22 показано устройство этого типа механического цифрового дисплея барометрической высоты.

Температура также влияет на точность высотомера. Анероидные диафрагмы, используемые в высотомерах, обычно изготавливаются из металла. Их эластичность меняется при изменении температуры.Это может привести к ложным показаниям, особенно на большой высоте, когда окружающий воздух очень холодный. Биметаллическое компенсирующее устройство встроено во многие чувствительные высотомеры для корректировки изменяющейся температуры. На рисунке 22 показано одно из таких устройств на барабанном высотомере.

Температура также влияет на плотность воздуха, что сильно влияет на летно-технические характеристики самолета. Хотя это не приводит к ошибочным показаниям высотомера, летные экипажи должны знать, что рабочие характеристики меняются с изменениями температуры в атмосфере.Термин «высота по плотности» описывает высоту с поправкой на нестандартную температуру. Таким образом, высота по плотности — это стандартная дневная высота (барометрическая высота), на которой летательный аппарат будет иметь такие же характеристики, как и в нестандартный день, наблюдаемый в настоящее время. Например, в очень холодный день воздух более плотный, чем в стандартный день, поэтому самолет ведет себя так, как будто он находится на меньшей высоте. Высота плотности в этот день ниже. В очень жаркий день верно обратное, и самолет ведет себя так, как если бы он находился на большой высоте, где воздух менее плотный.Высота плотности в этот день выше.

Были созданы коэффициенты пересчета и диаграммы, чтобы пилоты могли рассчитать высоту по плотности в любой конкретный день. Также можно учитывать нестандартное давление воздуха из-за погодных условий и влажности. Таким образом, хотя влияние температуры на летно-технические характеристики воздушного судна не приводит к ложному показанию высотомера, показание высотомера может вводить в заблуждение с точки зрения летно-технических характеристик воздушного судна, если эти эффекты не принимаются во внимание. [Рисунок 25]

Другие факторы могут вызвать неточные показания высотомера. Ошибка шкалы — это механическая ошибка, из-за которой шкала прибора не выровнена, поэтому стрелки высотомера показывают правильно. Периодические испытания и регулировка, проводимые обученными специалистами с использованием откалиброванного оборудования, позволяют свести к минимуму погрешность шкалы.

Высотомер давления подключен к системе пито-статики и должен получать точные данные о давлении окружающего воздуха, чтобы указывать правильную высоту.Ошибка положения или ошибка установки — это неточность, вызванная расположением статического вентиляционного отверстия, которое питает высотомер. Несмотря на то, что прилагаются все усилия для размещения статических вентиляционных отверстий в невозмущенном воздухе, воздушный поток над корпусом меняется в зависимости от скорости и положения самолета. Величина этой ошибки измерения давления воздуха измеряется в испытательных полетах, и таблица поправок, показывающая отклонения, может быть включена в высотомер для использования пилотом. Обычно во время этих испытательных полетов положение вентиляционных отверстий регулируется так, чтобы погрешность положения была минимальной.[Рис. 26] Ошибка определения местоположения может быть устранена АЦП в современных самолетах, поэтому пилоту не нужно беспокоиться об этой неточности.

Статические утечки в системе могут повлиять на статический вход воздуха в высотомер или АЦП, что приведет к неточным показаниям высотомера.По этой причине статическое обслуживание системы включает проверки на герметичность каждые 24 месяца, независимо от того, было ли замечено какое-либо несоответствие. Дополнительную информацию об этой обязательной проверке см. В разделе «Техническое обслуживание прибора» в конце этой главы. Также следует понимать, что аналоговые механические высотомеры — это механические устройства, которые часто находятся во враждебной среде. Значительные колебания диапазона вибрации и температуры, с которыми сталкиваются приборы и статическая система Пито (т.е., трубные соединения и фитинги) иногда могут вызвать повреждение или утечку, что приведет к неисправности прибора. Правильный уход при установке — лучшая профилактика. Периодические проверки и испытания также могут гарантировать целостность.

Механическая природа диафрагменного устройства измерения давления аналогового высотомера имеет ограничения. Сама диафрагма эластична только при изменении статического давления воздуха. Гистерезис — это термин, означающий, что материал, из которого сделана диафрагма, выдерживает затвердение в течение длительных периодов горизонтального полета.Если за этим следует резкое изменение высоты, индикация запаздывает или медленно реагирует, расширяясь или сужаясь во время быстрого изменения высоты. Хотя это временное ограничение, оно вызывает неточное указание высоты.

Следует отметить, что многие современные высотомеры сконструированы для интеграции в системы управления полетом, автопилоты и системы контроля высоты, такие как те, которые используются УВД. Базовая операция измерения давления у этих высотомеров такая же, но добавлены средства для передачи информации.

Индикатор вертикальной скорости

Аналоговый индикатор вертикальной скорости (VSI) может также называться индикатором вертикальной скорости (VVI) или индикатором скорости набора высоты. Это дифференциальный манометр прямого считывания, который сравнивает статическое давление статической системы самолета, направленной в диафрагму, со статическим давлением вокруг диафрагмы в корпусе прибора. Воздух может беспрепятственно входить и выходить из диафрагмы, но он может входить и выходить из корпуса через калиброванное отверстие.Стрелка, прикрепленная к диафрагме, показывает нулевую вертикальную скорость, когда давление внутри и снаружи диафрагмы одинаково. Циферблат обычно градуируется с точностью до 100 футов в минуту. Винт или ручка регулировки нуля на лицевой стороне прибора используется для точного центрирования указателя на нуле, когда дрон находится на земле. [Рисунок 27]

Когда самолет набирает высоту, неограниченное давление воздуха в диафрагме снижается, поскольку воздух становится менее плотным.Давление воздуха в кожухе, окружающем диафрагму, снижается медленнее, и ему приходится проходить через ограничение, создаваемое отверстием. Это вызывает неравномерное давление внутри и снаружи диафрагмы, что, в свою очередь, приводит к небольшому сжатию диафрагмы, а стрелка указывает на подъем. Для самолета при снижении этот процесс работает в обратном порядке. Если поддерживается устойчивый набор высоты или спуска, устанавливается постоянный перепад давления между диафрагмой и давлением в корпусе вокруг нее, что приводит к точной индикации скорости набора высоты с помощью градуировки на лицевой стороне прибора.[Рисунок 28]

В планерах и самолетах легче воздуха часто используется вариометр.Это дифференциальный VSI, который сравнивает статическое давление с известным давлением. Он очень чувствителен и дает мгновенную индикацию. Он использует вращающуюся лопасть с прикрепленным к ней указателем. Лопасть разделяет две камеры. Один подключен к статическому вентиляционному отверстию самолета или открыт для атмосферы. Другой соединен с небольшим резервуаром внутри прибора, который наполняется до известного давления. По мере увеличения статического давления воздуха давление в статической воздушной камере увеличивается и прижимается к лопатке.Это поворачивает лопасть и указатель, указывая на спуск, поскольку статическое давление теперь превышает установленное значение в камере с пластовым давлением. Во время набора высоты пластовое давление больше статического; лопасть толкается в противоположном направлении, в результате чего стрелка вращается и указывает подъем. [Рисунок 30]

Индикация скорости набора высоты в системе приборов с цифровым отображением рассчитывается по статическому входному потоку воздуха в АЦП. Анероид или твердотельный датчик давления непрерывно реагирует на изменения статического давления. Цифровые часы в компьютере заменяют калиброванное отверстие в аналоговом приборе.При изменении статического давления часы компьютера можно использовать для определения скорости изменения. Используя известное преобразование градиента атмосферного давления при увеличении или уменьшении высоты, можно рассчитать показатель набора высоты или спуска в футах в минуту и ​​отправить его в кабину. Вертикальная скорость часто отображается рядом с информацией высотомера на основном индикаторе полета. [Рисунок 23]

Указатели скорости полета

Индикатор воздушной скорости — еще один основной полетный прибор, который также является манометром дифференциального давления.Давление воздуха в баллоне из трубки Пито самолета направляется в диафрагму в корпусе аналогового прибора для измерения воздушной скорости. Статическое давление воздуха от статических вентиляционных отверстий самолета направляется в кожух, окружающий диафрагму. При изменении скорости самолета давление набегающего воздуха изменяется, расширяя или сжимая диафрагму. Связка, прикрепленная к диафрагме, заставляет указатель перемещаться по лицевой стороне инструмента, который калибруется в узлах или милях в час (миль в час). [Рисунок 31]

Соотношение между давлением набегающего воздуха и статическим давлением воздуха дает индикацию, известную как указанная воздушная скорость. Как и в случае с высотомером, существуют и другие факторы, которые необходимо учитывать при измерении воздушной скорости на всех этапах полета. Это может привести к неточным показаниям или показаниям, которые бесполезны для пилота в конкретной ситуации.В аналоговых индикаторах воздушной скорости эти факторы часто компенсируются оригинальными механизмами внутри корпуса и на циферблате прибора. Цифровые летные приборы могут выполнять вычисления в АЦП, чтобы отображалась желаемая точная индикация.

Хотя соотношение между давлением набегающего воздуха и статическим давлением воздуха является основой для большинства показаний воздушной скорости, оно может быть более точным. Калиброванная воздушная скорость учитывает ошибки, связанные с ошибкой положения статических датчиков Пито.Он также корректирует нелинейный характер перепада статического давления Пито, когда он отображается на линейной шкале. Аналоговые индикаторы воздушной скорости поставляются с таблицей коррекции, которая позволяет соотносить указанную воздушную скорость с калиброванной воздушной скоростью для различных условий полета. Эти различия обычно очень малы и часто игнорируются. В цифровых приборах эти корректировки выполняются в АЦП.

Что еще более важно, указанная воздушная скорость не учитывает перепады температуры и давления воздуха, необходимые для определения истинной воздушной скорости.Эти факторы сильно влияют на индикацию воздушной скорости. Таким образом, истинная воздушная скорость будет такой же, как указанная при стандартных дневных условиях. Но когда атмосферная температура или давление меняется, соотношение между давлением напорного воздуха и статическим давлением меняется. Аналоговые приборы для измерения воздушной скорости часто включают биметаллические устройства для компенсации температуры, которые могут изменять движение рычага между диафрагмой и движением стрелки. Внутри корпуса индикатора воздушной скорости может быть анероид, который может компенсировать нестандартное давление.В качестве альтернативы существуют индикаторы истинной воздушной скорости, которые позволяют пилоту устанавливать переменные температуры и давления вручную с помощью внешних регуляторов на шкале прибора. Ручки вращают циферблат и внутренние рычаги для отображения индикации, которая компенсирует нестандартные температуру и давление, что приводит к отображению истинной воздушной скорости. [Рисунок 32]

Система пилотажных полетов
выполняет все расчеты истинной воздушной скорости в ADC.Воздух набегающего потока из трубки Пито и статический воздух из вентиляционных отверстий для статического электричества проходят в чувствительную часть компьютера. Также вводится информация о температуре. Этой информацией можно манипулировать и выполнять вычисления, так что истинное значение воздушной скорости может быть отправлено в цифровом виде в кабину для отображения.

Сложности сохраняются при рассмотрении показаний воздушной скорости и эксплуатационных ограничений. Очень важно не допускать, чтобы высокоскоростные летательные аппараты летели со скоростью, превышающей скорость звука, если они не предназначены для этого.Даже когда самолет приближается к скорости звука, определенные части планера могут испытывать потоки воздуха, превышающие ее. Проблема заключается в том, что могут возникать ударные волны, близкие к скорости звука, которые могут повлиять на управление полетом и, в некоторых случаях, могут буквально разорвать самолет на части, если он не предназначен для сверхзвукового воздушного потока. Еще одна сложность заключается в том, что скорость звука изменяется с высотой и температурой. Таким образом, безопасная истинная воздушная скорость на уровне моря может подвергнуть самолет опасности на высоте из-за более низкой скорости звука.[Рисунок 33]

Чтобы обезопасить себя от этих опасностей, пилоты внимательно следят за воздушной скоростью. Максимально допустимая скорость устанавливается для самолета при сертификационных летных испытаниях. Эта скорость называется критическим числом Маха или Макритом. Мах — это термин, обозначающий скорость звука. Критическое число Маха выражается десятичной дробью от числа Маха, например 0.8 Мах. Это означает 8⁄10 скорости звука, независимо от того, какова фактическая скорость звука на любой конкретной высоте.

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ
Введение и классификация приборов
Дистанционное зондирование и индикация
Механические индикаторы движения
Приборы для измерения температуры
Приборы для указания направления

Приборы для измерения давления

Ряд приборов информируют пилота о состоянии самолета и полетных ситуациях посредством измерения давления.Приборы для измерения давления можно найти в летной группе и двигательной группе. Они могут быть как с прямым считыванием, так и с дистанционным зондированием. Это одни из самых важных инструментов на самолете, которые должны точно информировать пилота для обеспечения безопасности полетов. Измерение давления включает в себя какой-то механизм, который может определять изменения давления. Затем добавляется метод калибровки и отображения информации для информирования пилота. Тип давления, которое необходимо измерить, часто делает один чувствительный механизм более подходящим для использования в конкретном случае.Три основных механизма измерения давления, используемых в авиационных инструментальных системах, — это трубка Бурдона, диафрагма или сильфон и твердотельное чувствительное устройство.

Трубка Бурдона показана на Рисунке 10-9. Открытый конец этой спиральной трубы закреплен на месте, а другой конец запечатан и может свободно двигаться. Когда жидкость, которую необходимо измерить, направляется в открытый конец трубы, незакрепленная часть спиральной трубы имеет тенденцию выпрямляться. Чем выше давление жидкости, тем сильнее выпрямляется трубка.При понижении давления трубка откидывается. Указатель прикреплен к этому подвижному концу трубы, обычно через соединение небольших валов и шестерен. Путем калибровки этого движения правильной трубки можно создать циферблат или циферблат инструмента. Таким образом, наблюдая за перемещением указателя по шкале лицевой панели прибора, расположенной за ним, пилоту сообщается о повышении и понижении давления.

Трубка Бурдона — это внутренний механизм многих манометров, используемых в самолетах. Когда необходимо измерить высокое давление, трубка должна быть жесткой. Манометры, используемые для индикации более низкого давления, используют более гибкую трубку, которая легче разматывается и наматывается. Большинство трубок Бурдона изготавливаются из латуни, бронзы или меди. Сплавы этих металлов можно заставить многократно наматывать и разматывать трубку.

Манометры с трубкой Бурдона просты и надежны. Некоторые из приборов, в которых используется механизм с трубкой Бурдона, включают манометр моторного масла, манометр гидравлического давления, манометр кислородного бака и манометр пыльника.Поскольку давление пара, создаваемого нагретой жидкостью или газом, увеличивается с повышением температуры, механизмы трубки Бурдона также могут использоваться для измерения температуры. Это делается путем калибровки соединительной тяги указателя и переназначения лицевой стороны датчика температурной шкалой. В датчиках температуры масла часто используются механизмы с трубкой Бурдона. [Рисунок 10-10] Рисунок 10-10. Механизм трубки Бурдона можно использовать для измерения давления или температуры путем перенастройки соединительного звена указателя и шкалы на лицевую сторону инструмента для считывания в градусах Цельсия или Фаренгейта.

Поскольку измерение и отображение информации о давлении или температуре с помощью механизма трубки Бурдона обычно происходит в одном корпусе прибора, они чаще всего являются датчиками прямого считывания. Но датчик с трубкой Бурдона также можно использовать дистанционно. В любом случае необходимо направить измеряемую жидкость в трубку Бурдона. Например, обычный манометр с прямым считыванием, измеряющий давление моторного масла и показывающий его пилоту в кабине, установлен на приборной панели.Небольшая длина трубки соединяет масляный порт под давлением на двигателе, проходит через брандмауэр и входит в заднюю часть манометра. Эта установка особенно функциональна на легких одномоторных самолетах, в которых двигатель установлен прямо перед приборной панелью в передней части фюзеляжа. Однако блок дистанционного зондирования может быть более практичным на двухмоторных самолетах, где двигатели находятся на большом расстоянии от индикатора давления в кабине. Здесь движение трубки Бурдона преобразуется в электрический сигнал и передается на дисплей в кабине по проводу.Это легче и эффективнее, что исключает возможность утечки жидкостей в пассажирский салон самолета.

Диафрагма и сильфон — два других основных чувствительных механизма, используемых в авиационных приборах для измерения давления. Диафрагма представляет собой полый тонкостенный металлический диск, обычно гофрированный. Когда давление вводится через отверстие на одной стороне диска, весь диск расширяется. Путем соприкосновения рычажного механизма с другой стороной диска движение находящейся под давлением диафрагмы может быть передано стрелке, которая регистрирует движение по шкале на лицевой стороне инструмента.[Рисунок 10-11] Рисунок 10-11. Диафрагма, используемая для измерения давления. Вакуумированная герметичная диафрагма называется анероидом.

Мембраны также могут быть герметичными. Из диафрагмы можно откачать воздух перед герметизацией, не оставляя абсолютно ничего внутри. Когда это сделано, диафрагма называется анероидом. Анероиды используются во многих летных приборах. Мембрана также может быть заполнена газом до нормального атмосферного давления, а затем герметизирована. Каждая из этих диафрагм имеет свое применение, которое описано в следующем разделе.Общим фактором для всех является то, что расширение и сжатие боковой стенки диафрагмы — это движение, которое коррелирует с увеличением и уменьшением давления.

Когда несколько мембранных камер соединены вместе, устройство называется сильфоном. Этот подобный гармошке набор диафрагм может быть очень полезен при измерении разницы давлений между двумя газами, называемой перепадом давления. Как и в случае с одиночной диафрагмой, это движение боковых стенок сильфона в сборе, которое коррелирует с изменениями давления, и к ним прикреплены рычажный механизм и зубчатая передача для информирования пилота.[Рисунок 10-12] Рисунок 10-12. Сильфон в манометре дифференциального давления сравнивает два разных значения давления. Конечное движение сильфона от стороны с наибольшим входным давлением происходит, когда давления в сильфоне не равны. Связь индикатора откалибрована для отображения разницы.

Мембраны, анероиды и сильфонные датчики давления часто располагаются внутри единого приборного корпуса, который содержит указатель и шкалу прибора, считываемые пилотом на приборной панели.Таким образом, многие инструменты, в которых используются эти чувствительные и надежные механизмы, являются датчиками прямого считывания. Но во многих системах дистанционного зондирования также используются диафрагма и сильфон. В этом случае чувствительное устройство, содержащее чувствительную к давлению диафрагму или сильфон, располагается удаленно на двигателе или планере. Это часть преобразователя, преобразующего давление в электрический сигнал. Преобразователь или передатчик отправляет сигнал на манометр в кабине экипажа или в компьютер для обработки и последующего отображения обнаруженного состояния.Примерами приборов, которые используют диафрагму или сильфон для прямого считывания или дистанционного измерения, являются высотомер, индикатор вертикальной скорости, манометр дифференциального давления в кабине (в герметичных самолетах) и манометр в коллекторе.

Твердотельные датчики давления с использованием микротехнологий используются в современных самолетах для определения критического давления, необходимого для безопасной эксплуатации. Многие из них имеют цифровые выходные данные, готовые для обработки компьютерами электронных пилотажных приборов и другими бортовыми компьютерами.Некоторые датчики посылают микроэлектрические сигналы, которые преобразуются в цифровой формат для использования компьютерами. Как и в случае с описанными выше аналоговыми датчиками, ключом к функциям твердотельных датчиков является их постоянное изменение свойств при изменении давления.

Твердотельные датчики, используемые в большинстве авиационных приложений, демонстрируют изменяющийся электрический выход или изменения сопротивления при изменении давления. Чаще всего используются кристаллические пьезоэлектрические, пьезорезисторные и полупроводниковые сенсоры. В обычном датчике крошечные провода встроены в кристалл или чувствительный к давлению полупроводниковый чип.Когда давление отклоняет кристалл (ы), создается небольшое количество электричества или, в случае полупроводникового чипа и некоторых кристаллов, сопротивление изменяется. Поскольку изменения тока и сопротивления напрямую зависят от величины отклонения, выходы можно откалибровать и использовать для отображения значений давления.

Практически вся информация о давлении, необходимая для двигателя, планера и летных приборов, может быть получена и / или рассчитана с помощью твердотельных датчиков давления в сочетании с датчиками температуры.Но примечательно продолжающееся использование анероидных устройств для сравнений с использованием абсолютного давления. Твердотельные системы измерения давления — это системы дистанционного зондирования. Датчики устанавливаются на самолет в удобных и эффективных местах.

Рекомендует бортмеханик

Как работает спидометр в самолете?

Скорость полета — это измерение скорости самолета относительно воздуха вокруг него. Система статических трубок Пито (произносится как «пи-нос») — это оригинальное устройство, используемое самолетами и лодками для измерения скорости движения.Устройство на самом деле является манометром дифференциального давления и было изобретено Анри Пито в 1732 году. Примером манометра является манометр в шинах.

Открытый конец трубки Пито, обычно установленный на крыле, обращен к потоку воздуха или воды. Индикатор скорости воздуха фактически измеряет разницу между статическим датчиком не в воздушном потоке и датчиком (трубкой Пито) в воздушном потоке. Когда самолет стоит на месте, давление в каждой трубке одинаковое, а индикатор воздушной скорости показывает ноль.Напор воздуха в полете вызывает перепад давления между статической трубкой и трубкой Пито. Перепад давления заставляет стрелку индикатора скорости воздуха двигаться. Увеличение скорости движения увеличивает давление на конце трубки Пито. В свою очередь, давление воздуха давит на гибкую диафрагму, которая перемещает подключенный механический указатель на лицевой стороне индикатора. Индикатор откалиброван для компенсации ветра в воздухе или скорости встречного течения в воде.В самолетах электроника также компенсирует высоту и температуру воздуха, чтобы измерение скорости воздуха было точным.

На следующем рисунке показан индикатор воздушной скорости с прямым считыванием для дельтаплана. Этот прибор предназначен для парапланеризма и сверхлегких самолетов, а также идеально подходит для измерения скорости ветра для таких видов деятельности, как:

• Виндсерфинг
• Радиоуправляемая модель самолета в полете

Разница между статическим давлением и давлением стремительного воздуха в отверстие в нижней части трубки заставляет красный индикаторный диск подниматься, так как восходящее давление в трубке превышает вес диска.Обратите внимание на небольшую конусность конструкции вертикальной трубы. В центре красного диска есть отверстие для стержня ползунка, чтобы диск оставался ровным.

Указатель скорости воздуха крепится к стойке дельтаплана:

Устройства с трубкой Пито и манометры также используются в коммерческих системах отопления и кондиционирования воздуха для измерения расхода воздуха в воздуховодах.

Ссылки по теме

Электронные датчики давления, используемые в авиации | by Lahiru Dilshan

Приборы для измерения давления находятся в летательном аппарате и в группе двигателей.Их можно использовать для измерения давления как напрямую, так и дистанционно. Эти измерительные приборы должны быть точными для безопасного полета.

Существует два типа измерения давления: манометрическое давление и абсолютное давление. Кроме того, приборы для измерения давления могут быть полностью механическими приборами или электронными приборами в зависимости от конструкции. В приборных системах самолетов используются три основных механизма измерения давления: трубка Бурдона, диафрагма или сильфон и твердотельное чувствительное устройство, и все эти системы имеют механическое управление.

Приборы для измерения давления используются для измерения давления моторного масла, степени сжатия двигателя (EPR), давления топлива, гидравлического давления, давления вакуума и используются в статической системе Пито, которая содержит индикатор воздушной скорости (ASI), индикатор вертикальной скорости (VSI) и Высотомер.

Компараторы данных о воздухе и компьютеры цифровых данных о воздухе получают данные от различных датчиков, расположенных удаленно в самолете, и обрабатывают ввод и отображают на дисплее полета. Выходные данные аналоговых датчиков предварительно обрабатываются, но выходные данные твердотельных датчиков могут обрабатываться напрямую.При изменении высоты и скорости полета получить постоянное статическое давление на входе сложно. Так что многие самолеты имеют ADC, особенно в самолетах со стеклянной кабиной.

Простота управления системами самолета и точные системы обратной связи используются в самолетах с помощью электронных датчиков. Их можно использовать для мониторинга, управления и навигации, поэтому электронные системы играют важную роль в современной авиации.

Могут использоваться твердотельные датчики, такие как кристаллические пьезоэлектрические, пьезорезистивные или полупроводниковые датчики.Когда происходит изменение давления, которое вызывает отклонение материала, приводящее к возникновению тока или изменению сопротивления, и это пропорционально изменению давления.

Кристаллические пьезоэлектрические датчики давления используют пьезоэлектрический эффект для измерения изменений давления путем преобразования их в электрический сигнал. В датчике давления тонкая мембрана и массивное основание. Недостатком является датчик давления, который показывает неверные результаты при воздействии вибрации.

Пьезорезистивные датчики давления используют изменение сопротивления потоку тока, когда материалы сжимаются или растягиваются. Есть несколько датчиков, которые используются в авиастроении. Такие компании, как Esterline Corp. и Custom Control Sensors, производят датчики давления для авиационной промышленности.

Компания Esterline Corp разработала датчики давления с использованием технологии вибрирующего цилиндра, которая известна как наиболее точный и стабильный датчик давления. Этот датчик имеет диапазон давления от 130 кПа до 5 МПа с диапазоном температур от -45 ° C до 125 ° C.Обычно этот датчик используется в качестве датчиков данных по воздуху (ADC), комплектов для проверки данных по воздуху (ADTS) и органов управления двигателем (FADEC).

Другой датчик от Esterline Corp. был разработан с использованием пьезорезистивной технологии. Этот датчик может использоваться для измерения абсолютного перепада, относительного давления или измерения нескольких давлений. Кроме того, у него есть возможность защиты от молнии.

Кроме того, существует несколько датчиков, разработанных Custom Control Sensors.Эти преобразователи используются для измерения избыточного давления, абсолютного давления и перепада давления. Датчик манометрического давления серии

Как работают высотомеры — Объясните это материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 27 января 2021 г.

Дамы и господа, сейчас мы идем на высоте 10 000 метров. В следующий раз ты услышишь ваш пилот произносит такие слова, перестаньте задавать себе один вопрос: откуда им знать? Не то чтобы самолет был похож на машину, легко может отслеживать, как далеко его колеса прокатились по земля.Действительно, нет простого способа узнать, как далеко вы пролетели. все (если вы не знаете свои уравнения движения). Как же тогда пилот измеряет высоту самолета в воздухе? Простой! С помощью удобного гаджета под названием высотомер . Давай ближе посмотрите, что это такое и как они работают!

На фото: популярный у парашютистов высотомер Альти-2 МА2-30. аналоговый (стрелочный и циферблатный) дисплей. Его носит морской пехотинец, который собирается спрыгнуть с парашютом с высоты 10 000 футов.Однако не все хотят носить альтиметр все время, и часы с альтиметром цифровые ЖК-дисплеи, например, производства Suunto, более популярны среди туристов и альпинистов. Некоторые используют встроенные барометры; другие полагаются на GPS. Фото Lance Cpl. Харли Робинсон любезно предоставлен Корпусом морской пехоты США.

Почему высота имеет значение?

Фото: Управление самолетом — сложная операция. Высотомер, который измеряет вашу высоту над уровнем моря, — лишь один из десятков инструментов, за которыми нужно следить, особенно если вы летите низко.Но насколько низко слишком низко? Этот самолет готовится сбросить припасы над лесом в Японии, и точное измерение высоты абсолютно необходимо. Фото MSGT Вэл Гимпис любезно предоставлено ВВС США.

Вы можете подумать, что не имеет большого значения, знают ли пилоты, как высоко они находятся в воздухе. летающий; ведь они всегда могут заглянуть в окно! Но Измерение высоты (ваша высота над уровнем моря) намного больше важно для пилота, чем вы думаете. Некоторые из гор Земли диапазоны на удивление высоки, и их труднее пропустить в плохую погоду, чем вы могли предположить.Например, гора Эверест — удивительный 8,8 км (5,5 миль) над уровнем моря, летит на высоте 10 000 метров. (6,2 мили) не дает так много места для маневра. То есть другие самолеты, которых следует избегать. И летать на самом деле эффективнее на больших высотах, где воздух тоньше и преодолевает воздух сопротивление расходует меньше топлива. В общем, есть много веских причин для высоких полетов. Но какова именно высота?

Существует два основных способа точного измерения высоты. Один — измерить давление воздуха. и вычислить высоту от этого.Другой — отразить радиолуч вниз. от вашего самолета и времени, сколько времени потребуется, чтобы снова отразиться.

Высотомеры давления — подробный обзор

Фото: Барометр — это более сложная версия барометра-анероида, подобного этому. Вместо того, чтобы показывать давление на циферблат, он показывает высоту — но это нормально, потому что между ними существует точная корреляция.

Почему у нас давление воздуха? Гравитация Земли притягивает все к себе — и все включает в себя даже самые маленькие вещи, которые вы можете себе представить, например, молекулы воздуха.Если вы — молекула воздуха у земли, у вас есть много других молекул воздуха над вами, которые толкают и сдавливают вас; выше — меньше молекул и меньше толчка. Вот почему давление воздуха выше всего у поверхности Земли и постепенно систематически падает по мере того, как вы поднимаетесь вверх. Таким образом, измерение давления воздуха (по крайней мере теоретически) является простым и эффективным способом измерения высота.

Высотомеры на борту большинства самолетов на самом деле являются барометрами-анероидами. (приборы для измерения давления), которые были откалиброваны (отмечены со шкалой), поэтому они показывают высоту, а не давление.Как обычно барометры-анероиды, они состоят из полой герметичной коробки, которая расширяется (при падении давления) или сжимается (при повышении давления). По мере того, как коробка меняет размер в очень малых количествах, сложная система рычаги и шестерни увеличивают его движения и заставляют вращаться указатель на циферблате, отмеченном измерениями высоты. Привет, крошечные изменения в атмосферном давлении становятся точными измерениями высоты.

Фото: Как работает высотомер: это типичный высотомер 1930-х годов Виктора Карбонара из Bendix Aviation Corporation.Глядя со стороны, вы можете увидеть герметичный, заполненный воздухом ящик (красный), который расширяется или сжимается в зависимости от изменений давления. Его движения усиливаются системой рычагов и рычагов (синий) и зубчатым механизмом (зеленый), который управляет стрелками высотомера. Теперь, глядя на диаграмму справа, мы можем увидеть, как высота отображается перемещением указателей на циферблате (коричневый), откалиброванных в сотнях и тысячах футов. Эта диаграмма взята из патента США № 2099466: Альтиметр, любезно предоставленного Управлением по патентам и товарным знакам США.

Высотомеры, работающие таким образом, измеряют высоту путем измерения давления по сравнению с на уровне моря, но это не единственное, что вызывает давление вариации на Земле. Давление воздуха постоянно колеблется. Поверхность Земли из-за изменений погоды, поэтому разница в температуре и давлении должна быть допускается, если высотомеры на основе давления должны работать точно. Еще один недостаток высотомеров на основе давления заключается в том, что они не учитывают опасные препятствия, такие как здания и линии электропередач.(Вы можете больше узнать об этом и о том, как безопасно использовать высотомеры на практике, в Справочнике пилотов FAA по авиационным знаниям, «Глава 8: Летные приборы».)

Кто их придумал?

были изобретены в 1920-х годах инженером немецкого происхождения. Пол Коллсман, которому в апреле 1936 г. был выдан патент США № 2 036 581: индикатор горизонтального полета. Самый первый из них дебютировал 24 сентября 1929 г. «Полет по приборам» генерал-лейтенанта Джеймса Х.«Джимми» Дулиттл.

Радиовысотомеры

не страдают этими проблемами. Они проще и работают аналогично радарам. (системные самолеты, корабли и другие транспортные средства используют для навигации): они просто запускают луч радиоволн от самолета и ждут, пока отражения вернутся. Поскольку радиоволны распространяются со скоростью света (300 000 км или 186 000 миль в секунду), требуется всего несколько сотых секунды для радиолуч, чтобы совершить путешествие на 20 000 метров или около того к Земле поверхность и обратно.Самолет умножает луч и вычисляет его высота в километрах путем умножения времени в секундах на 150 000 (это 300000, разделенные на два: не забывайте, что луч прошел вдвое дальше как собственная высота идет до земли и обратно). Радиовысотомеры намного быстрее и точнее, чем приборы для измерения давления, и широко используется в высокоскоростных самолетах или в самолетах, которым необходимо летать на особенно малые высоты, например, реактивные истребители.

Фото: Как работает радиовысотомер.Скорость света примерно в миллион раз выше, чем крейсерская скорость типичного самолета (v), поэтому радиосигнал, отражающийся от земли и обратно, проходит расстояние примерно в два раза превышающее высоту самолета (2h). Это означает, что вы можете найти высоту, умножив время прохождения сигнала от передатчика (красный кружок) до приемника (оранжевый кружок) на половину скорости света. Теоретически, чем быстрее летит самолет, тем менее точны измерения, потому что луч радиосвязи должен двигаться дальше; на практике скорость света настолько превышает скорость самолета, что любая ошибка минимальна.

Подобные радиовысотомеры были впервые использованы в октябре 1938 года, разработаны коалицией Bell Laboratories, Western Electric, United Air Lines и Boeing и первоначально носили довольно грандиозное название «индикаторы высотной отметки». Хотя производители хвастались, что «новое устройство работает по радио, используя самую короткую волну, когда-либо применявшуюся в авиации», используемые ими волны 500 МГц на самом деле были коротковолновыми микроволнами (с более короткой длиной волны и более высокой частотой, чем «настоящие» радиоволны. ).

Фото: Дипольная (стержнеобразная) антенна оригинального радиовысотомера Western Electric 1938 года, подвешенного под самолетом. Судя по фото, антенна была около 20–30 см в поперечнике. и висел под фюзеляжем самолета, целясь прямо вниз. Фото Харриса и Юинга любезно предоставлено Библиотека Конгресса США.

Высотомеры GPS

Есть еще как минимум два способа измерения высоты, но они не так широко используются на самолеты. Один из методов — использовать GPS (глобальная система позиционирования) сигналов от навигационные спутники в космосе.Примерно так же, как сигналы GPS с трех спутников можно использовать для определения вашего местоположения на Поверхность Земли (как описано в нашей основной статье о том, как работает GPS), использование сигналов от четырех и более спутников позволяет рассчитать ваш рост над Землей. К сожалению, высота по GPS измерения не так точны, как на обычных высотомерах, поэтому они вряд ли в ближайшее время заменят существующие технологии в самолетах.

Высотомеры лазерные

Фото: Эти топографические карты поверхности Марса были составлены. в 2001 году космическим зондом НАСА MOLA с использованием лазерной альтиметрии.Красные, оранжевые и желтые области — горы; зеленые, синие и фиолетовые области — кратеры. Фото любезно предоставлено Лабораторией реактивного движения НАСА (NASA-JPL).

Другой способ измерения высоты — это сияние лазерными лучами инфракрасного света. вниз с самолета, вертолета или спутника и вычисление времени чтобы вернуться, очень похоже на использование радио и радара. Отраженный луч собраны зеркалами и линзы и сфокусировались на детектор фотоэлементов чувствителен к инфракрасному свету. Когда самолет летит, он систематически измеряет его высоту и строит то, что называется топографическая карта контуров поверхности под ней.Этот техника называется лазерная альтиметрия или LIDAR (обнаружение света и дальность), и это широко используется космическими зондами для картографирования поверхностей других планет. НАСА Лазерный высотомер Mars Orbiter Laser (MOLA) работает именно так. (Подробнее об этом читайте в нашей отдельной статье о LIDAR.)

Узнать больше

На этом сайте

Книги

• «Навигация по пустыне» Боба Бернса и Майка Бернса.Mountaineers Books, 2015. Руководство по использованию основных средств навигации, включая карту и компас, высотомер и GPS. В главе 8 обсуждаются различные виды высотомеров и их влияние на температуру и давление.
• Справочник пилотов по аэронавигационным знаниям Федерального управления гражданской авиации. Доступно в Интернете, а также опубликовано в формат книги Skyhorse Publishing, 2007. Официальный справочник по управлению самолетом, объясняющий теорию и практику полета, а также все, что вам нужно знать об инструментах в кабине.
• Спутниковая альтиметрия и науки о Земле Ли-Люнг Фу, Анни Казенав. Academic Press, 2001. Все об измерении высоты из космоса.

Статьи

Патенты

Если вас интересуют более подробные технические подробности работы высотомеров, стоит обратить внимание на следующие патенты. Это всего лишь краткая репрезентативная подборка, чтобы дать вам представление о высотомерах давления, радио и лазерных высотомерах и их сравнении:

• Патент США 2004/0141170 A1: Система для профилирования объектов на местности впереди и под самолетом, использующая поперечный лазерный высотомер Джеймса Р.Джеймисон и др. Выдан 22 августа 2006 г. Недавний патент, описывающий лазерную систему для картирования профиля земли под самолетом.
• Патент США № 4373805: Лазерный высотомер и датчик высоты зонда от Ричарда Маллинсона, The Singer Company. Выдан 15 февраля 1983 года. Высокоточный лазерный зонд высоты для использования в авиасимуляторах.
• Патент США № 2,099,466: Альтиметр Виктора Карбонара. Выдан 16 ноября 1937 г. Это простой барометр-анероид, барометр, описанный выше.
• Патент США № 2 022 517: Радиовысотомер Франклина Г. Паттерсона. Выдан 26 ноября 1935 г. Описывает простой радиовысотомер, использующий радиопередатчик и приемник.
• Патент США № 2036581: Индикатор горизонтального полета и Патент США №1930899: Анероид и рабочие средства для него. пользователя Paul Kollsman. Выдан 17 октября 1933 года. Оригинальный высотомер и барометр-анероид, на котором он был основан.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2009, 2021. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2021) Высотомеры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-altimeters-work.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Что такое трубка Пито?

Когда бразильские власти извлекли сегодня утром еще 16 тел после крушения рейса 447 авиакомпании Air France, следователи сосредоточились на индикаторах воздушной скорости, называемых трубками Пито, в качестве причины катастрофы.

31 мая самолет Airbus A330, летевший из Рио-де-Жанейро в Париж, исчез во время грозы с 228 людьми на борту.Первоначальные предположения были связаны с возможностью удара молнии, но на прошлой неделе Airbus выпустил меморандум, в котором говорилось, что «существует несоответствие между разными измеренными скоростями полета», исходящими от разных трубок Пито. Трубка Пито — это классический гидродинамический датчик, названный в честь его изобретателя Анри Пито, который в 18 веке разработал его для измерения скорости рек и каналов во Франции.

Трубки Пито Airbus имели проблемы с обледенением, и Air France начала их замену 27 апреля, когда была выпущена улучшенная версия.Рейс 447, однако, не получил новый датчик. В понедельник Бразилия сообщила, что обнаружила вертикальный стабилизатор самолета, что позволяет предположить, что он оторвался из-за высокой скорости.

Чтобы узнать больше о трубках Пито, мы поговорили с Кеном Пауэллом, аэрокосмическим инженером из Мичиганского университета в Анн-Арборе.

[Ниже приводится отредактированная стенограмма разговора.]

Что такое трубка Пито?
В основном, трубка Пито используется в экспериментах в аэродинамической трубе и на самолетах для измерения скорости потока.Это тонкая трубка с двумя отверстиями. Переднее отверстие помещается в воздушный поток для измерения так называемого давления застоя. Боковое отверстие измеряет статическое давление. Измеряя разницу между этими давлениями, вы получаете динамическое давление, которое можно использовать для расчета воздушной скорости.

На самолете трубка Пито может быть установлена ​​различными способами, включая выступающую из края крыла или выступающую из фюзеляжа.

Как лед может вызвать неисправность трубки Пито?
Обычно, если эта трубка засорена, вы получите неверные показания разницы давления и вашей воздушной скорости.Обледенение крыльев — большая проблема, также оно может накапливаться на трубке Пито. Трубки Пито должны быть откалиброваны для правильной работы, и если лед изменяет форму воздушного потока вокруг трубки, он будет давать неверные показания.

Почему важно измерять воздушную скорость?
Самолеты имеют определенный рабочий диапазон, и опасно летать на слишком низкой скорости, потому что вы можете сваливаться, а также опасно летать на слишком высокой скорости по конструктивным причинам.

Разве пилоты не могут просто использовать глобальную систему позиционирования (GPS) для измерения своей воздушной скорости?
Это очень хороший момент.Я не пилот, поэтому я не знаю, насколько коммерческие пилоты перепроверяют показания воздушной скорости с показаниями путевой скорости с GPS. Но вам не нужно что-то, что могло бы вас сбить с толку, это могло бы быть не так, как минимум на 25 процентов, и все равно создать опасную ситуацию.

Активная система сброса давления тела с времяпролетными оптическими датчиками давления для профилактики пролежней

(Базель). 2019 сен; 19 (18): 3862.

Кан-Хо Ли

¹ Исследовательский центр медицинских устройств Тэгу, Корейский институт машин и материалов, Тэгу 42994, Корея

Йонг-Ын Квон

¹ Тэгу Исследовательский центр медицинских устройств, Корейский институт машин и материалов, Тэгу 42994, Корея

² Школа электроники, Колледж ИТ-инженерии, Национальный университет Кёнпук, Тэгу 41566, Корея

Хюкджин Ли

¹ Тэгу Исследовательский центр медицинских устройств, Корейский институт машин и материалов, Тэгу 42994, Корея

Йонгку Ли

¹ Исследовательский центр медицинских устройств Тэгу, Корейский институт машин и материалов, Тэгу 42994, Корея

Joonho Seo

¹ Исследовательский центр медицинских устройств Тэгу, Корейский институт машин и материалов, Тэгу 42994, Корея

Охвон Квон

¹ Исследовательский центр медицинских приборов Тэгу, Корейский институт машин и материалов , Тэгу 42994, Корея

Шин-Вон Кан

² Школа электроники, Колледж ИТ-инженерии, Национальный университет Кёнпук, Тэгу 41566, Корея

Донгю Ли

¹ Исследовательский центр медицинских устройств Тэгу, Корейский институт машин и материалов, Тэгу 42994, Корея

¹ Тэгу Исследовательский центр медицинских устройств, Корейский институт машин и материалов, Тэгу 42994, Корея

² Школа электроники, Колледж ИТ-инженерии, Кёнпук Национальный университет, Тэгу 41566, Корея

^† Эти авторы внесли равный вклад в эту работу.

Поступило 14.08.2019 г .; Принято 4 сентября 2019 г.

Abstract

Система сброса давления тела была недавно разработана с оптическими датчиками давления для предотвращения пролежней. В отличие от обычного надувного матраса с переменным давлением (APAM), эта система автоматически регулирует поток воздуха в поддерживающий тело матрас с адаптивной продолжительностью надувания (или спуска воздуха) в ответ на уровень давления, чтобы уменьшить напряжение кожи из-за длительного высокого давления.Система непрерывно измеряет распределение давления тела с помощью оптических датчиков времени пролета (ToF). Предлагаемый датчик давления, оптический датчик ToF в заполненной воздухом ячейке, измеряет изменения высоты поверхности матраса при нажатии под весом тела, тем самым косвенно указывая давление на границе раздела. Бесконтактное измерение оптического датчика обычно повышает долговечность и воспроизводимость системы. Датчик давления успешно определил 4 различные заранее заданные позы и количественно измерил их распределение давления тела.Рабочий цикл переключателей в соленоидных клапанах был отрегулирован на 0–50% для сброса давления, что показывает, что давление на границе раздела ниже 32 мм рт. Ст. Для предотвращения пролежней.

Ключевые слова: Распределение давления тела, заполненная воздухом камера, надувной матрас с переменным давлением, время полета, воздушный поток, активная система управления

1. Введение

Обычно пролежни возникают в результате локального разрушения мягких тканей. из-за продолжительного высокого давления на границе раздела тела и контактной поверхности [1,2,3].Чтобы уменьшить давление на границе раздела, необходимо вручную изменить положение пациентов или опорных поверхностей, таких как подушки [1,2,3]. В последнее время надувные матрасы с переменным давлением (APAM) часто используются для профилактики и лечения пролежней [4,5,6,7,8]. Воздушные ячейки APAM последовательно надуваются и сдуваются, чтобы сбросить давление на короткие периоды. Однако коммерчески доступные APAM имеют механизм пассивного управления, который просто повторяет надувание и выпуск воздуха в воздушные ячейки, что происходит независимо от областей сжатия и уровня давления.Трудно показать равномерное и более низкое распределение давления по различным областям напряжения по всему телу.

Чтобы максимизировать эффект сброса давления через APAM, одновременно требуется надежное и надежное измерение давления тела [1,5,8]. Обычно основные типы датчиков для измерения давления на границе раздела основаны на измерении изменений сопротивления или емкости от деформируемого чувствительного компонента [9,10,11,12,13]. Емкостной датчик давления измеряет изменение толщины между слоями при нажатии.Хотя датчик имеет высокую чувствительность, он подвержен влиянию помех из-за внешнего электрического поля и требует сложной схемы считывания, такой как усилитель заряда, разрядный резистор и т. Д. [12]. Резистивный датчик давления измеряет изменения проводимости чувствительного материала при нажатии. Этот датчик имеет тонкую и гибкую структуру, а для датчика требуется простая схема. Однако его выходной сигнал нелинейный, с медленным откликом и показывает высокое энергопотребление [13,14].Сообщалось, что как емкостные, так и резистивные датчики имеют гистерезисное ограничение дрейфа измеренных значений во времени [14,15]. Кроме того, электрические датчики давления обычно имеют низкую долговечность из-за деформации чувствительного элемента, вызванной физической контактной силой. Датчик, размещенный на контактной поверхности тела, также может оказывать искусственно высокое давление на ткани и иметь низкое разрешение из-за толщины датчика [15,16]. В качестве альтернативы электрическому датчику оптический датчик обеспечивает хорошую долговечность и устойчивость к внешним помехам [17,18,19].Некоторые устройства измеряли распределение давления в подошвенной стопе с помощью оптического волокна [20]. В этом исследовании для измерения давления на границе раздела использовался оптический датчик времени пролета (ToF). Оптический датчик ToF определяет расстояние до ближайшего объекта, измеряя время, которое требуется свету, чтобы пройти и отразиться [21]. Мы внедрили коммерческие оптические датчики ToF на нижнюю поверхность заполненных воздухом ячеек матраса, а не на поверхность контакта с кожей тела. Оптический датчик ToF измеряет изменение высоты поверхности матраса после деформации.Для подтверждения концепции оптический датчик давления визуализировал распределение давления тела и идентифицировал 4 различных положения. Здесь мы разработали APAM с активным механизмом управления на основе оптического датчика давления ToF. Эта система имеет адаптивную продолжительность надувания (или спуска) надувного матраса в зависимости от уровня давления для сброса давления тела в определенных для пациента областях интерфейса. Чтобы исследовать эффективность активной системы сброса давления тела, мы подтвердили быстрое снижение давления ниже 32 мм рт.ст. с помощью системы.Ожидается, что предлагаемая система может предотвратить пролежни и улучшить комфорт и качество сна [22,23].

2. Материалы и методы

2.1. Структура и принцип работы системы

показывает схематическую диаграмму предлагаемой активной системы сброса давления с датчиками давления тела. Система включает матрас с заполненными воздухом ячейками, оптические датчики давления ToF, электромагнитные клапаны, главный блок управления и компрессор. На верхней поверхности матраса множество заполненных воздухом ячеек, которые непосредственно поддерживают человеческое тело.Здесь оптические датчики давления ToF размещаются на внутренней нижней поверхности заполненных воздухом ячеек, что означает, что эти датчики физически не контактируют с интерфейсной поверхностью тела. Сигналы ( P_sig ) от оптических датчиков ToF собираются вместе в главный блок управления. Главный блок управления визуализирует распределение давления тела соответствующими цветами.

Принципиальная схема предлагаемой системы активного сброса давления с датчиками давления тела.

В системе воздушный поток регулируется с помощью механизма управления с отрицательной обратной связью. Другими словами, длительность повторяющегося накачивания и выпуска воздуха в ячейке, заполненной воздухом, определяется путем регулирования рабочего цикла переключателей соленоидного клапана в зависимости от величины измеренного давления. Как показано на фиг.4, при сильном нажатии на заполненные воздухом ячейки (красные стрелки в области бедер) соответствующие соленоидные клапаны красного цвета начинают регулировать поток воздуха. Наша система обновляет данные о давлении после каждого цикла, когда поток воздуха находится в стабильном состоянии.Поэтому мы рассматриваем простую одноконтурную систему обратной связи, как показано на. Выход системы P_sig возвращается с коэффициентом усиления единичной обратной связи, а затем сравнивается с опорным значением Ref_P . Система периодически рассчитывает значения погрешности как разницу между желаемым и измеренным уровнями давления. Значение ошибки является аналоговым, классифицируется по предопределенным пороговым значениям, а затем рабочий цикл D _на изменяется. D _на описывает соотношение времени включения и регулярного интервала. D _на является результатом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) [24]. Выход PWM является цифровым, переключает открытие электромагнитных клапанов, регулируя поток воздуха, подаваемый компрессором. В системе контур управления использует значение расстояния в качестве переменной обратной связи. Следовательно, Ref_P означает начальное расстояние без деформации, и измеренное расстояние периодически сравнивается с Ref_P для определения D _на переключателей в соленоидных клапанах.

Блок-схема замкнутого механизма управления в системе.

2.2. Конструкция оптического датчика давления ToF

а, б показаны изображения разработанного оптического датчика давления ToF и его установка внутри заполненной воздухом ячейки, соответственно. Оптический датчик давления ToF включает в себя микроконтроллер, блок ToF и коммуникационный компонент для внешнего интерфейса. В качестве блока ToF мы использовали стандартный компонент VL6180X (STMicroelectronics, Plan-les-Ouates, Швейцария).В c, заполненные воздухом ячейки на матрасе были близко расположены в форме полукруглого покрытия на опорных стенках. Таким образом, при прижатии корпусом заполненных воздухом ячеек они в основном деформировались в вертикальном направлении, наклоняясь друг к другу. Оптический датчик давления ToF, который размещается на нижней поверхности заполненной воздухом ячейки, может измерять высоту опускания с помощью приложенной силы. Поэтому мы использовали оптический датчик ToF для косвенного измерения давления на границе раздела под массой тела.Оптический блок ToF передает свои данные в блок микроконтроллера через межинтегральную шину (шину I2C). Оба конца датчика имеют общую линию связи, которая может быть подключена к другим датчикам. Хотя для параллельных датчиков в других работах может потребоваться несколько интерфейсных проводов [9,11,25], наши датчики подключаются последовательно, что сводит к минимуму количество проводов. Технология связи RS-485 требует только дифференциальных линий передачи данных для внешнего интерфейса [26]. Все датчики могут быть независимо разделены с назначенными адресами ведомых устройств.Датчик имеет небольшой размер 20 (Д) × 20 (Ш) мм, который подходит для использования в любом месте в качестве независимого модуля. Он потребляет ток 30 мА от источника питания 5 В.

Фотографии ( a ) разработанного оптического датчика давления ToF; ( b ) установка датчика внутри заполненной воздухом ячейки; ( c ) описание заполненной воздухом ячейки без деформации и с ней.

показывает описание установки датчиков давления в заполненных воздухом ячейках матраса на обычном расстоянии.Прототип был разработан, чтобы соответствовать размеру тела бедра, потому что давление больше всего сосредоточено на бедрах частей тела [1,2]. Ячейка, заполненная воздухом, была изготовлена ​​из пленки ПВХ (поливинилхлорид) размером 760 (Д) × 90 (Ш) × 68 (В) мм. Всего было размещено 18 датчиков в 6 заполненных воздухом ячейках системы-прототипа. Шесть заполненных воздухом ячеек располагались продольно. Последовательно подключенные 18 датчиков имеют индивидуальные адреса ведомых устройств с порядковыми номерами 0–17, как показано на рис. Шланг соединяет сторону заполненных воздухом ячеек с электромагнитным клапаном, как показано на левой вставке.№

Описание расположения датчика давления в заполненных воздухом ячейках матраса. На правой вставке показана схема подключения датчиков с разными адресами от 0 до 17. На левой вставке показан шланг, соединенный со стороной заполненной воздухом ячейки.

2.3. Конструкция системы электромагнитных клапанов и ее работа

показывает изображения электромагнитных клапанов и их платы управления. Электромеханический клапан представляет собой электромеханическое устройство, в котором соленоид использует электрический ток для создания магнитного поля и, таким образом, работает с помощью механизма, регулирующего открытие потока жидкости в клапане [27].В нашей системе каждая из заполненных воздухом ячеек подключена к соответствующему соленоидному клапану. Все электромагнитные клапаны были размещены вместе на общем коллекторе, как показано на рис. Клапан имеет трехходовые порты для дозирования, выпуска и распределения воздушного потока. Если клапан открыт, то входной порт компрессора соединен с распределительным портом ячейки матраса, заполненной воздухом, и воздух нагнетается в распределительный порт. Если клапан закрыт, то порты изолируются, и воздух выходит через выхлопное отверстие.Плата управления клапаном определяет, проходит ли электрический ток через соленоид, взаимодействуя с главным блоком управления. Электромагнитный клапан потребляет ток 200 мА от источника питания 5 В.

Фотографии трехходовых электромагнитных клапанов и платы управления.

показывает временную диаграмму управления электромагнитным клапаном. В прототипе 6 ячеек, заполненных воздухом, поочередно управлялись в течение периода цикла. Когда переключатель клапана включен с высоким логическим уровнем, клапан открывается, и затем воздух нагнетается из компрессора в заполненную воздухом ячейку, тем самым раздувая заполненную воздухом ячейку.Когда переключатель находится в положении ВЫКЛ. С низким логическим уровнем, клапан закрывается, и воздух выходит из заполненной воздухом ячейки. Система последовательно определяет продолжительность накачки (или дефляции) на входе t ₁ — t ₆ . Например, если уровень давления самый низкий, D _на переключателях в соленоидных клапанах составляет 50%, что означает, что время включения для накачивания совпадает со временем выключения для выпуска воздуха, как показано на рисунке. заполнена ячейка №1-5 оф. Если обнаруживается более высокое давление, то D _на начинает уменьшаться, одновременно увеличивая скорость выпуска воздуха, как показано в заполненной воздухом ячейке №6 из.Следовательно, система может адаптивно подавать соответствующий воздух при изменении давления на границе раздела, что приводит к уменьшающему эффекту давления на границе раздела.

Временная диаграмма управления электромагнитным клапаном.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Характеристики оптического датчика давления TOF

Оптический датчик давления ToF разработан путем размещения серийного оптического датчика ToF внутри заполненной воздухом ячейки. Оптический датчик ToF может измерять расстояние между нижней и верхней поверхностью заполненной воздухом ячейки.В, сигналы оптического датчика ToF сравнивались с высотой (9 · 1057 · 9 · 1058) заполненной воздухом ячейки после деформации. а показывает осевое оборудование Z , которое может точно изменять высоту заполненной воздухом ячейки в вертикальном направлении. Используя оборудование столика с осью Z с линейкой, заполненная воздухом ячейка нажималась вручную при регистрации фактической высоты воздушной ячейки. Высота воздушной ячейки сравнивалась с результатами датчика ToF на рисунке b. Заполненная воздухом ячейка без деформации имела максимальную высоту 68 мм.Воздушная камера постепенно сжималась до высоты 10 мм. Подтверждено, что измеренное расстояние оптическим датчиком ToF имело точность ± 0,57% по сравнению с фактической высотой заполненной воздухом ячейки.

Измерительные характеристики оптического датчика ToF; ( a ) Установка для прессования ячейки, заполненной воздухом; ( b ) сравнение измеренного расстояния оптическим датчиком ToF с фактической высотой заполненной воздухом ячейки по оси Z .

показывает калибровочную кривую относительного отношения в измеренном расстоянии при различных давлениях.Относительное отношение в измеренном расстоянии — это отношение измененного расстояния после деформации к исходному расстоянию. Это относительное значение эффективно для объективной оценки производительности нескольких датчиков, исключая общий шум. а показывает изображение метода измерения для проверки связи между измеренным расстоянием и давлением на границе раздела. Коммерческое оборудование X3Pro (XSENSOR, Калгари, AB, Канада) помещают на заполненные воздухом ячейки для исследования давления на границе раздела.И различные силы прикладывались вручную в направлении вниз с помощью двухтактного манометра (IMADA, Япония). b показывает относительное соотношение измеренного расстояния как различных давлений, приложенных двухтактным манометром. Одновременно с этим с помощью X3Pro были измерены межфазные давления, как показано на c. Наша система способна измерять минимальный уровень давления 24 мм рт. Ст., Что сопоставимо с серийным датчиком [11]. Эта система имеет линейный отклик при давлении на границе раздела 35 мм рт. Наклон межфазного давления к приложенному давлению рассчитывается равным 0.3 выше 35 мм рт.

( a ) Изображение для метода измерения, ( b ) относительное соотношение в измеренном расстоянии и ( c ) межфазное давление при давлениях, приложенных вручную.

3.2. Прототип активной системы сброса давления тела с оптическим датчиком давления

показывает прототип системы, включающий заполненные воздухом ячейки, соленоидные клапаны, главный блок управления и компрессор. В качестве подтверждения концепции были протестированы 6 заполненных воздухом ячеек при размещении бедра.Внутри ячеек, заполненных воздухом, находятся оптические датчики ToF. Главный блок управления получает сигнал давления от оптического датчика давления ToF и регулирует поток воздуха, управляя переключателями электромагнитных клапанов. В частности, главный блок управления оснащен 7-дюймовым ЖК-дисплеем, который используется для пользовательского интерфейса, визуализируя распределение давления тела в режиме реального времени. На вставке показано окно ЖК-экрана. На экране показаны разделы: (а) состояние клапана ВКЛ и ВЫКЛ, (б) цветная карта, реагирующая на уровень давления и измеренные (в) абсолютные и (г) относительные значения расстояния.

Изображение прототипа системы, включающей заполненные воздухом ячейки, соленоидные клапаны, главный блок управления и компрессор.

Оптический датчик давления может количественно измерить распределение давления тела, когда участник принимает разные позы на матрасе. Позы следующие: (а) положение лежа на спине, (б) положение на левом боку, (в) положение на правом боку и (г) положение сидя. показывает цветную визуализацию и соответствующие измеренные данные в различных положениях соответственно.Давление обозначалось красным цветом, когда относительное расстояние превышало 45%. Отношение расстояний 0% было обозначено синим цветом. Соотношение расстояний было классифицировано с использованием 1024 цветов между красным и синим цветом. В положении лежа на спине в позиции a датчики индекса от 6 до 11 в основном реагировали на приложенное давление. Датчик индекса 9 был сопоставлен с копчиком костей тела, представляющим наибольшее давление красным цветом. Как и ожидалось, в левом боковом положении в позиции b датчики с левой стороны с индексами 12–17 показали наибольшие изменения цвета.Мы могли распознать левую тазовую кость по цветам датчиков индекса 15 и 16. В случае правого бокового положения позы в точке c участник лежал поперек средней и правой областей. Таким образом, были визуализированы более низкие и ровные давления из-за перераспределения давления. В (г) участник сидел на матрасе. По изменению цвета сенсоров с индексами 3, с 9 по 11 и 15 можно было четко распознать копчик и тазовые кости тела. В этих экспериментах предложенная система успешно оценила распределение давления тела в реальном времени.

Таблица 1

Цветовая визуализация и соответствующие данные измерений, когда участник принимал разные позы на матрасе; ( a ) положение лежа на спине, ( b ) положение на левом боку, ( c ) положение на правом боку и ( d ) положение сидя.

Эффект сброса давления был подтвержден исследованием давления на границе раздела с коммерческим оборудованием X3Pro, когда участник принимал позу лежа на спине на заполненных воздухом ячейках.На фиг.1 были исследованы изменения давления на границе раздела без какого-либо управления потоком, с пассивным управлением потоком воздуха и с активным механизмом управления, соответственно, когда третья из воздушных ячеек (квадратная пунктирная линия) надувается и сдувается. Распределение давления было зафиксировано за 50 секунд. Красный цвет представляет уровень давления выше 32 мм рт. Это значение является критическим уровнем давления как критерием возникновения пролежней [28,29]. а показывает изменения среднего давления на длине воздушной ячейки с течением времени при различных регуляторах расхода воздуха.На рисунке b значения пикового давления в положении датчика ToF (пунктирная линия) сравнивались (1) без какого-либо управления потоком, (2) с пассивным управлением потоком воздуха и (3) с активным управлением потоком через 50 секунд. Без какого-либо контроля воздушного потока в a, площадь поверхности, показанная пунктирной линией, имела среднее давление 34,3 мм рт. Ст. И пиковое давление 45 мм рт. Ст., Что означает, что уровень давления может привести к наличию пролежней. При пассивном управлении воздушным потоком b, равном 50% для D _на , давление на границе раздела снизилось до среднего значения 26.2 мм рт. Ст. И пиковое давление 32,4 мм рт. Ст. Через 50 секунд. Когда поток воздуха активно регулировался в зависимости от уровня давления в c, давление на границе раздела снижалось в среднем до 20,3 мм рт. Ст., А пиковое давление — 8,4 мм рт. Здесь белое пятно в центре c означает нулевой уровень давления. Кроме того, он показывает быстрое снижение давления по сравнению с пассивным контролем воздушного потока. Следовательно, способность матраса с активным управлением заключалась в достижении более равномерного и меньшего распределения областей напряжения по телу.Таким образом, система успешно выполнила активный механизм сброса давления, поддерживая давление на границе раздела на достаточно низком уровне, чтобы предотвратить образование пролежней.

Описание изменений давления на границе раздела, ( a ) без какого-либо контроля воздушного потока, ( b ) с пассивным контролем воздушного потока и ( c ) с активным контролем воздушного потока. Эти цвета были визуализированы коммерческим оборудованием X3Pro.

( a ) Изменения среднего давления на длине воздушной ячейки с течением времени и ( b ) значения пикового давления в положении датчика ToF при различных регуляторах расхода воздуха (1) без контроля расхода воздуха , (2) с пассивным регулированием расхода воздуха и (3) с активным регулированием расхода воздуха.

4. Выводы

В этом исследовании была разработана система активного сброса давления тела для предотвращения пролежней. Система представляет собой надувной матрас переменного давления с адаптивным управлением потоком воздуха в зависимости от уровня давления. Система непрерывно измеряет распределение давления тела, косвенно измеряя давление на границе раздела с помощью оптического датчика давления ToF. Этот оптический датчик размещается на нижней поверхности заполненной воздухом ячейки. Бесконтактная характеристика оптического датчика способствует повышению долговечности и воспроизводимости.Наша система может эффективно снизить нагрузку на давление за счет активного механизма управления на основе контура отрицательной обратной связи. Если давление на границе раздела выше, тело, поддерживающее заполненную воздухом ячейку, сдувается сильнее, а затем давление снова падает. Было продемонстрировано, что система успешно определяет распределение давления тела в различных позах. Мы могли распознавать кости и выпуклости на теле, хотя прототип измерял давление в отдельных областях. Было подтверждено, что механизм сброса давления работает хорошо, поддерживая давление на границе раздела на достаточно низком уровне, чтобы предотвратить образование пролежней.В дальнейшей работе мы устроим массив ячеек с высоким разрешением, рассчитанных на полное снятие высокого давления. Система потенциально может быть использована для различных применений подстилки для измерения распределения давления тела и снятия напряжения давления.

Выражение признательности

Это исследование было частично поддержано Global Excellent Technology Innovation, финансируемым Министерством торговли, промышленности и энергетики (MOTIE, Корея) (10076839), и грантом (2019-MOIS32-028) Индустрии безопасности при стихийных бедствиях. Программа продвижения финансируется Министерством внутренних дел и безопасности (MOIS, Корея).Кроме того, это исследование частично поддержано проектами NK217F Корейского института машин и материалов (KIMM).

Вклад авторов

K.-H.L. и Ю.-Е.К. провел эксперимент, проанализировал данные, утвердил концепцию и написал рукопись. S.-W.K. и Д. задумал идею, спланировал эксперимент и отредактировал рукопись. H.L., Y.L., J.S. и О.К. провели эксперимент и проанализировали данные. Все авторы предоставили отзывы и обсуждение экспериментальных результатов.Авторство должно быть ограничено теми, кто внес существенный вклад в сообщаемую работу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки