Metody pomiarów prędkości obrotowej wykorzystywanych w dynamicznych badaniach podwozi lotniczych

Transkrypt

1 PAPRZYCKI Igor 1 Metody pomiarów prędkości obrotowej wykorzystywanych w dynamicznych badaniach podwozi lotniczych WSTĘP Celem prac wykonanych przez inżynierów Laboratorium Badań Podwozi Lotniczych był wybór metody pomiaru prędkości obrotowej kół na potrzeby badań dynamicznych podwozia lotniczego do małego samolotu o masie startowej 1400kg. Zapoznanie się z uznanymi i sprawdzonymi metodami pomiarowymi oraz poznanie parametrów technicznych dostępnych na rynku urządzeń jest kluczowe ze względu na możliwość doboru odpowiedniej aparatury na potrzeby badań w Laboratorium Badań Podwozi Lotniczych Instytutu Lotnictwa. Celem badań wybranego rozwiązania było potwierdzenie technicznych i metrologicznych możliwości urządzenia pomiarowego. Przeprowadzono również analizę jakości i użyteczności uzyskanych wyników z pomiarów dokonanych w Laboratorium Badań Podwozi Lotniczych. 1. PRĘDKOŚĆ OBROTOWA Prędkość obrotowa monitorowana jest w kontroli urządzeń wirujących takich jak: silniki, przekładnie, tarcze, koła zębate, pasowe i wiele innych. W przypadku badań przeprowadzanych w Laboratorium Badań Podwozi Lotniczych pomiary prędkości obrotowej są niezwykle istotne w celu zapewnienia wysokiej jakości badań i symulacji rzeczywistych warunków lądowania. Spotyka się różnorodne rozwiązania pomiarowe: mechaniczne, elektryczne oraz optyczne. Wielość rozwiązań, metod pomiarowych i konstrukcji czujników i przetworników wymaga znajomości procesu, badanego obiektu oraz zasady działania różnego rodzaju przetworników [2]. Prędkość kątowa wyrażana jest w [rad/s], [1/s]. 1 t s (1) gdzie: - przyrost kąta zakreślanego przez promień wiodący [rad], t - przyrost czasu, w którym nastąpił ruch [s]. Prędkość obrotowa wyrażana w [obr/min] może więc być wyznaczona jako: 60 obr n 2 min Pomiar prędkości obrotowej może odbywać się w dwojaki sposób: 1. Stykowy mechaniczny 2. Bezstykowy optyczny elektromagnetyczny porównawczy. Pomiary należy również sklasyfikować ze względu na rodzaj przetwarzanego sygnału: 1. Metody analogowe (2) 1 Instytut Lotnictwa w Warszawie, Laboratorium Badań Podwozi Lotniczych; Warszawa, al. Krakowska 110/114; igor.paprzycki@ilot.edu.pl 3728

2 2. Metody cyfrowe. Metody analogowe polegają na wykorzystaniu do pomiaru prędkości obrotowej lub liniowej przetworników, których sygnał wyjściowy (napięcie lub prąd) jest ciągłą, różniczkowalną funkcją mierzonej prędkości Y=f(). Do tej grupy kwalifikują się prądnice prądu stałego i przemiennego, indukcyjne, pojemnościowe, wiroprądowe czujniki prędkości liniowej. W metodach cyfrowych ruch obrotowy lub liniowy przetwarzany jest na ciąg impulsów, których liczba w jednostce czasu jest zależna od mierzonej prędkości. Sygnał wyjściowy jest funkcją dyskretną. 2. METODY POMIARU PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ Pomiary wielkości fizycznych w Laboratorium Badań Podwozi Lotniczych wykonuje się głównie wykorzystując metody elektryczne analogowe, cyfrowe oraz kombinowane. Konstrukcja przetwornika prędkości obrotowej umożliwia przekształcenie prędkości ruchu obrotowego na proporcjonalny, elektryczny sygnał wyjściowy. Do przetworników stykowych, mechanicznych zalicza się głównie tachometry i prądniczki tachometryczne. Przetworniki bezstykowe wykorzystują zjawiska fizyczne z dziedziny optyki i elektromagnetyzmu, np. transoptory, fotodiody, czujniki indukcyjne, magnetoindukcyjne pojemnościowe, reluktancyjne i inne. 1. Prądnica tachometryczna. Prądnica tachometryczna to przetwornik mechaniczno-elektryczny służący do przetwarzania ruchu obrotowego na sygnał elektryczny, proporcjonalny do prędkości obrotowej. Najczęściej stosowane w praktyce są prądnice prądu stałego lub przemiennego. Schemat działania prądnicy prądu stałego z magnesami trwałymi przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Schemat prądnicy. Napięcie indukowane w zwojach w wyniku ruchu obrotowego wynosi: E c n (3) gdzie: E - siła elektromotoryczna powstająca w uzwojeniu, - strumień magnetyczny, n - prędkość obrotowa, c - stała. Sygnał wyjściowy prądnicy tachometrycznej jest sygnałem analogowym, o amplitudzie sygnału proporcjonalnej do prędkości obrotowej. Poprzez układ akwizycji danych możliwy jest pomiar, zapis i analiza danych. Pomiary dokonywane przy pomocy prądnic tachometrycznych obarczone są uchybem wynikającym z użytych do produkcji materiałów, dokładności wykonania, montażu i połączenia z wałem napędowym. Największą wadą prądnic jest ich określona żywotność wynikająca z zastosowania mechanicznych podzespołów. 3729

3 2. Czujniki indukcyjne. Układ pomiarowy wykorzystujący przetwornik indukcyjny przedstawia rysunek 2. Rys. 2. Schemat układu pomiarowego przy wykorzystaniu czujnika indukcyjnego [5]. Zasada działania opiera się na zmianie swojego pola elektromagnetycznego wskutek przemieszczania metalowego elementu przed głowicą czujnika w wyniku czego indukowane są prądy wirowe. Czujniki indukcyjne mogą być zasilane prądem stałym lub przemiennym. Występują wersje z wyjściem dwustanowym oraz analogowym (napięciowym lub prądowym). Rys. 3. Schemat blokowy czujnika indukcyjnego [7]. Przy czole czujnika indukcyjnego znajduje się cewka, wchodząca w skład oscylatora. Zbliżenie elementu metalowego do czoła czujnika zmienia amplitudę drgań oscylatora. Po demodulacji sygnał trafia na przerzutnik Schmitta (wykorzystanie zjawiska histerezy), który przy dostatecznym zbliżeniu elementu metalowego powoduje skokową zmianę sygnały wyjściowego. Po wzmocnieniu sygnału możliwe jest bezpośrednie sterowanie podłączonym urządzeniem pomiarowym. 3. Czujniki pojemnościowe. Zasada działania czujników pojemnościowych i indukcyjnych jest bardzo podobna. Główną różnicą jest możliwość stosowania niemetalowych obiektów (tarcz zębatych) poruszających się przed czołem czujnika. Czujnik reaguje na zmianę pojemności kondensatora wewnątrz czujnika. Rys. 4. Schemat budowy sensora oraz czujnika pojemnościowego [6]. Elektrody kondensatora tworzą z oscylatorem układ rezonansowy. Jeżeli przed czołem czujnika pojawi się obiekt, pojemność pomiędzy okładzinami zwiększa się co powoduje wzrost amplitudy drgań w oscylatorze. Podobnie jak w czujnikach indukcyjnych, wbudowany detektor, przerzutnik oraz wzmacniacz generują odpowiednio kondycjonowany sygnał wyjściowy. 3730

4 4. Czujniki reluktancyjne. Widok oraz budowę czujnika reluktancyjnego przedstawia rysunek 5. Rys. 5. Budowa czujnika reluktancyjnego [4]. Czujnik zbudowany jest z magnesu trwałego, cewki nawiniętej na rdzeń obudowy oraz wyprowadzeń elektrycznych. Układ pomiarowy jest zbliżony do wykorzystywanego z czujnikami indukcyjnymi. Zębata tarcza obracająca się przed czołem czujnika powodując zmianę reluktancji i natężenia pola magnetycznego. W wyniku tego zjawiska indukowane jest siła elektromotoryczna zmienna w czasie o częstotliwości proporcjonalnej do częstotliwości przemieszczania się zębów metalowej tarczy. Przebieg sygnału wyjściowego dla typowej tarczy zębatej przedstawia rysunek 6. Rys. 6. Przebieg sygnału wyjściowego [4]. Największą wadą czujników reluktancyjnych jest konieczność zabezpieczenia układu pomiarowego przed niepożądanym wpływem zakłóceń w linii pomiarowej. Ze względu na częstotliwościowy charakter sygnału pomiarowego, niezwykle ważne jest odpowiednie ekranowanie przewodów pomiarowych, a w razie potrzeby zastosowanie odpowiednich metod filtracji. 5. Czujniki optyczne. Zasada działania czujnika optycznego opiera się na wysyłaniu wiązki światła przez nadajnik i odbierania ich przez odbiornik. Czujnik optyczny reaguje na obiekty, które znajdują się na drodze przebiegu wiązki światła. Rys. 7. Zasada działania czujników optycznych typu nadajnik odbiornik [3]. 3731

5 Źródłem światła nadajnika są najczęściej diody LED pracujące w podczerwieni, bliskiej podczerwieni lub laserowe. Odbiornikiem jest fototranzystor, fotodioda lub układ fotoczuły ze wzmacniaczem. Czujniki tego typu reagują na obiekty znajdujące się w strefie działania, tj. pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem lub na wiązkę odbitą od obiektu. Rys. 8. Zasada działania czujników optycznych odbiciowych ze światłowodem [3]. Czujnik pracujący w trybie odbiciowym zbudowany jest z nadajnika i odbiornika zamkniętego w jednej obudowie. Nadajnik emituje wiązkę światła w kierunku obiektu, a odbiornik reaguje na światło bezpośrednio odbite. W celu poprawy jakości pomiarów i uodpornienia układu na zakłócenia świetlne można wykorzystać lustra odblaskowe umieszczone bezpośrednio na obiekcie. Rys. 9. Pomiar prędkości obrotowej czujnikiem optycznym. Zasada pomiaru jest identyczna jak w przypadku czujników elektromagnetycznych z tarczą zębatą. Sygnał wyjściowy w postaci cyfrowych impulsów przetwarzany jest na sygnał proporcjonalny do prędkości obrotowej. Zdecydowaną zaletą czujnika optycznego jest duży zasięg działania uzyskiwany dla małej obudowy oraz krótki czas reakcji. Czujniki optyczne są całkowicie niewrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne, a ze względu na swoją zwartą budowę mogę być umieszczone w trudno dostępnych miejscach. Zamiast dodatkowej tarczy zębatej możliwe jest proste przystosowanie wirującego obiektu do pomiarów z wykorzystaniem czujników optycznych. Czujniki impulsowe prędkości obrotowej generują sygnał wyjściowy o charakterze dyskretnych impulsów, których liczba jest proporcjonalna do kąta obrotu. Mierząc w ten sposób przebytą drogę kątową w określonym czasie, można określić prędkość obrotową badanego obiektu. Kluczowe znaczenie ma dobór przetwornika impulsowo obrotowego w zależności od zakresu częstotliwości pracy (prędkości obrotowej oraz liczby zębów tarczy). Przebyta droga kątowa (kąt obrotu) mierzony jest w postaci dyskretnej: (4) T Przedział czasu również mierzony jest w sposób dyskretny za pomocą cyfrowego układu czasowego. Pomiar cyfrowy prędkości kątowej prowadzi do wyliczenia jedynie wartości średniej prędkości w okresie T. W metodach cyfrowym pomiaru prędkości kątowej możliwe jest bezpośrednie wykorzystanie powyższego wzoru lub jego modyfikacji. 3732

6 Metoda M pomiaru prędkości kątowej opiera się przyjęciu stałego okresu T. W takiej sytuacji stały okres czasu odlicza układ czasowy, natomiast przyrost kąta mierzony jest poprzez zliczanie impulsów czujnika impulsowego. Każdy impuls odpowiada zmianie kąta o elementarny przyrost: 2 (5) N gdzie: N liczba impulsów na obrót. Przyjmując założony czas pomiaru wzór na prędkość kątową przyjmuje postać: M 2 N (6) T Liczba zliczonych przez licznik cyfrowy impulsów M jest proporcjonalna do prędkości obrotowej. Metoda ta znajduje zastosowanie w prostych układach pomiarowych. Wadą jest konieczność odpowiedniego wydłużenia czasu pomiaru T przy małej liczbie impulsów (małej prędkości obrotowej), co znacząco obniża dynamikę układu pomiarowego [1]. Metoda T polega na pomiarze okresu impulsów czujnika impulsowego dla stałego przyrostu kąta. Cyfrowy pomiar okresu odbywa się przy wykorzystaniu generowanych impulsów o częstotliwości f g i licznika zliczającego te impulsy. Licznik zlicza impulsy generatora pomiędzy kolejnymi sygnałami z czujnika pomiarowego. Po obliczeniu okresu impulsów czujnika obrotowego, układ pomiarowy rozpoczyna kolejny cykl. Zmierzony okres impulsów określa wzór: 1 Tp C (7) f oraz prędkość obrotowa: 2 1 fg (8) N C Wadą metody T jest zmniejszanie się dokładności wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, ze względu na zmniejszaniem się liczby impulsów C, oraz zmiennych w szerokich granicach okres próbkowania układu pomiarowego [1]. Dostępne na rynku przetworniki częstotliwości posiadają wbudowane funkcje automatycznego doboru zakresu pomiarowego w zależności od częstotliwości sygnału wejściowego umożliwiając dokładny pomiar w szerokim zakresie częstotliwości i mierzonych prędkości obrotowych. 3. BADANIA Wybór metody pomiarowej uzależniony jest zarówno od wymagań metrologicznych danego badania, jak również możliwości technicznych zabudowy czujników, tarcz zębatych lub prądnic. Podczas badań podwozi do samolotów lekkich, inżynierowie zmuszeni są do poszukiwania rozwiązań zapewniających wysokie parametry przy jednoczesnej miniaturyzacji przetworników pomiarowych ze względu na niewielką ilość wolnego miejsca. Na potrzeby badań dynamicznych podwozia do samolotu o dopuszczalnej masie startowej 1400kg wybrano czujnik optyczny z przetwornikiem impulsowo-analogowym. Montaż czujnika na kole podwozia przedniego przedstawiony na rysunku 10. g 3733

7 Rys. 10. Zabudowa czujnika optycznego na kole przednim. Wykorzystanie czujnika optycznego, odbiciowego z nadajnikiem i odbiornikiem zamkniętym w jednej obudowie umożliwiło pomiar prędkości obrotowej bezpośrednio na wirującym elemencie piaście koła. W odpowiednich miejscach naniesiono znaczniki o niskim współczynniku odbicia światła, natomiast piasta pokryta lakierem wykazała wystarczający współczynnik odbicia. Przed próbami przeprowadzono wzorcowanie toru pomiarowego w celu określenia błędów pomiarowych oraz niepewności pomiaru. Wyniki przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Wyniki wzorcowania toru pomiarowego prędkości obrotowej. Lp Wzorzec Pomiar Błąd Δ x Błąd x Niepewność rozszerzona U [obr/min] [obr/min] [obr/min] % wartości [obr/min] 1 0 1,7 1,7 N/D 1, ,68 2,68 0,58 1, ,91-4,09-0,43 1, ,61-4,39-0,31 2, ,91 1,91 0,1 2, ,19 2,19 0,09 1,99 Wyniki wzorcowania spełniają wymagania metrologiczne wyposażenia pomiarowego wykorzystywanego podczas badań dynamicznych. Błąd toru pomiarowego jest mniejszy od 1% przy niepewności rozszerzonej 2,00 dla współczynnika rozszerzenia k=2 (prawdopodobieństwo 95%). Błąd względny maleje wraz ze wzrostem wartości mierzonej. Potwierdzono w ten sposób prawidłowość doboru wyposażenia pomiarowego uzyskując wysoką dokładność pomiarów. Opisany w rozdziale system pomiarowy został wykorzystany do badań prototypu podwozia, zapewniając wysoką jakość pomiaru prędkości obrotowej koła. Na podstawie danych producenta koła oraz pomiarów wymiarów geometrycznych wykorzystano pomiary prędkości obrotowej do obliczenia prędkości poziomej lądowania zadawanej podczas prób. Parametr ten jest wymagany przepisami lotniczymi CS-23 w celu certyfikacji podwozia do samolotu. WNIOSKI W pracy przestawiono różne metody pomiarów prędkości obrotowej powszechnie stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Dostępne na rynku czujniki i przetworniki cechują się specyficznymi dla danej konstrukcji wadami i zaletami. Wybór odpowiedniego rozwiązania pomiarowego często uzależniony jest od możliwości fizycznych zabudowy podzespołów. W przypadku podwozia do lekkiego samolotu ilość dostępnego miejsca jest niewielka. Poszukuje się rozwiązań o jednocześnie niewielkich rozmiarach, jak również wysokich parametrach metrologicznych i odporności na warunki 3734

8 występujące podczas badań. Wibracje, udary oraz zakłócenia elektromagnetyczne są najpoważniejszymi czynnikami zakłócającymi oraz niejednokrotnie destrukcyjnymi dla przetworników pomiarowych. Przedstawione rozwiązanie pomiaru prędkości obrotowej koła samolotu spełniło wymagania przepisów CS-23 na potrzeby certyfikacji podwozia lotniczego. Dzięki zastosowaniu przetworników optycznych wyeliminowanie całkowicie wpływ zakłóceń elektromagnetycznych powstających w wyniku pracy maszyn elektrycznych stanowiska badawczego. Streszczenie W artykule przedstawiono przegląd rozwiązań oraz opis metodyki pomiarów prędkości obrotowej koła samolotu. Autor opisuje dostępne rozwiązania techniczne czujników i przetworników pomiarowych. Wybrana optyczna metoda pomiarowa cechuje się wysoką dokładnością oraz odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne. Miniaturowa konstrukcja głowicy czujnika oraz możliwość poprowadzenia światłowodów pomiarowych w dowolnym dostępnym miejscu zadecydowało o wyborze wspomnianego rozwiązania. Dodatkową zaletą rozwiązania jest brak konieczności stosowania dodatkowych elementów referencyjnych, takich jak metalowa tarcza zębata. Artykuł zawiera również wyniki wzorcowania toru pomiarowego prędkości obrotowej wykorzystanego do badań dynamicznych podwozia lotniczego przeprowadzonych w Laboratorium Badań Podwozi Lotniczych Instytutu Lotnictwa. W wyniku prac udało się uzyskać wymagane przepisami lotniczymi parametry prób i przeprowadzić certyfikację podwozia do lekkiego samolotu o masie startowej nie przekraczającej 1400kg. Słowa kluczowe: pomiary, prędkość obrotowa, badania dynamiczne, podwozia lotnicze. Rotational speed measurements in Landing Gear dynamic tests Abstract This article presents an overview of market solutions and description of the aircraft wheel speed measurements methodology. The author describes well-known and available on the market sensors and transducers. The selected optical measuring method characterizes high accuracy and resistance to electromagnetic interferences. The miniature sensor head and the ability to route freely the optical fibers resulted in this solution selection. An additional advantage is no need to use any reference elements such as metal gear disk. The article contains the results of the measurement chain calibration used for dynamic tests performed in Institute of Aviation Landing Gear Laboratory. As a result the required by aviation regulations test parameters have been achieved. Certification tests performed for light aircraft (of maximum 1400kg take-off mass ) landing gear were completed successfully. Keywords: measurements, rotational speed, dynamic tests, landing gear. BIBLIOGRAFIA 1. Brock S., Zawirski K., Cyfrowy pomiar prędkości obrotowej w napędzie elektrycznym. Pomiary Automatyka Robotyka 1/ Łukjaniuk A., Walendziuk W., Pomiar prędkości obrotowej. Materiały Politechniki Białostockiej, Białystok Materiały firmy Balluff. 4. Materiały firmy Honeywell. 5. Materiały Instytutu Maszyn Elektrycznych Politechniki Warszawskiej. 6. Materiały Katedry Sterowania i Inżynierii Systemów Politechniki Poznańskiej. 7. Nowakowski W., Czujniki indukcyjne w automatyce, część 1. Elektronika Praktyczna 4/