Схема. Барометрический высотомер

Предлагаемый вниманию читателей индикатор предназначен для определения относительной высоты. Он может быть полезен, например, альпинистам, дельтапланеристам, парашютистам, а также во всех случаях, когда необходимо измерять высоту. Работа высотомера основана на измерении абсолютного давления воздуха, зависящего от высоты. Отсчет ведется относительно уровня, на котором показания прибора вручную установлены равными нулю.

Как известно, атмосферное давление уменьшается   с   высотой   по закону, близкому к экспоненциальному. Эту зависимость описывает так называемая барометрическая формула

где Р — давление на высоте Н; РО — давление на высоте Н0, принятой за нулевую; k — коэффициент, зависящий от состава газа и ускорения силы тяжести; Т — абсолютная температура. Для пересчета давления в высоту требуется обратное преобразование (вычисление разности логарифмов значений давления на исходной и измеряемой высоте), однако для небольших перепадов высоты эту зависимость можно с достаточной точностью аппроксимировать линейной.

В предлагаемом приборе использован датчик абсолютного давления MPX4115AR сигнал которого поступает на вход АЦП КР572ПВ5, а результат его работы в цифровой форме выводится на ЖКИ. Дискретность отсчета высоты — 1 м при Н<2000 м и 10 м выше 2000 м. Точность вполне достаточна для выполнения парашютных прыжков с высоты не более 4000 м.
Барометрический высотомер
Внешний вид закрепленного на руке спортсмена высотомера показан на рис. 1. Он питается от гальванической батареи типоразмера “Крона”, потребляя ток около 8 мА. Емкости одной батареи хватает практически на весь сезон парашютных прыжков.
Барометрический высотомер
Схема высотомера изображена на рис. 2. Напряжение между выводами 1 и 2 датчика В1 пропорционально абсолютному давлению воздуха. В интервале 0…115 кПа оно изменяется приблизительно от 0 до 5 В. Узел из резисторов R1—R4 предназначен для установки “нулевой” высоты. Находясь на аэродроме и вращая движок переменного резистора R3, выведенный на лицевую панель прибора “под шлиц” (во избежание случайного изменения его положения в воздухе), устанавливают на индикаторе HG1 нулевые показания. Фактически этим сигнал датчика приводят к уровню 3 В, относительно которого в дальнейшем отсчитываются все изменения. Напряжение 3 В подано на неинвертирующий вход ОУ DA2 с делителя напряжения, состоящего из резисторов R6, R18 и R14.

Необходимый коэффициент передачи узла на ОУ DA2 и, следовательно, коэффициент преобразования давления в напряжение устанавливают подстроенным резистором R9. Напряжение с выхода ОУ через фильтр R22C8 поступает на вход АЦП DA3. Для отсчета высоты более 2000 м его предварительно уменьшают в десять раз с помощью цепи R17, R19—R21, для чего служит кнопочный переключатель SB1, выведенный на лицевую панель прибора. Вторая группа контактов этого переключателя включает изображение нуля в младшем разряде индикатора HG1 (при работе в поддиапазоне 0…1999 м он погашен). Это гарантирует безошибочное считывание показаний.

Образцовое напряжение АЦП формируется из падения напряжения на резисторе R18 (0,1 В) и снимаемой с движка подстроечного резистора R16 части пропорционального давлению выходного напряжения ОУ. Это необходимо для приближения характеристики преобразования к логарифмической.

Резисторы R25, R26 и конденсаторы С9—С12 — элементы типовой схемы включения АЦП КР572ПВ2. Поскольку конденсатор С12 — интегрирующий, он должен иметь низкий коэффициент диэлектрической абсорбции. Здесь использован пленочный конденсатор К73-17 на напряжение 63 В, заменять его керамическим недопустимо. Цепь R25C11 задает тактовую частоту АЦП, в данном случае равную 45 кГц, что обеспечивает выполнение трех преобразований в секунду.

Для гашения на ЖКИ HG1 неиспользуемых элементов (десятичных запятых, двоеточий между разрядами, знака “плюс”) на их выводы через резистор R10 подано такое же напряжение, как и на подложку индикатора. Узел на транзисторе VT1 инвертирует фазу этого напряжения перед подачей на элементы младшего разряда, что необходимо для их “зажигания”.

Номиналы резисторов R23 и R24 выбраны такими, что обычно закрытый транзистор VT2 открывается, если напряжение питания высотомера упало ниже 6,7…7 В. При этом конденсатор С13 через открытый транзистор подключается параллельно элементу “LB” индикатора, образуя вместе с резистором R27 фильтр, делающий напряжение на этом элементе постоянным. Ставший видимым знак “LB” свидетельствует о том, что батарею питания высотомера пора заменить свежей.
Барометрический высотомер
Барометрический высотомер
Печатная плата прибора изображена на рис. 3, а схема расположения элементов на ее нижней и верхней сторонах — на рис. 4. Индикатор HG1 смонтирован на плате в последнюю очередь поверх уже установленной на ней микросхемы DA3. Для доступа к движку переменного резистора R3 и толкателю кнопочного переключателя SB1 над ними в крышке корпуса высотомера сделаны отверстия. Для наблюдения за показаниями ЖКИ над его табло в крышке вырезано окно, закрытое прозрачным пластиком. Отсек для батареи питания (“Крона”) размещен параллельно широкой стороне платы так, чтобы он располагался вдоль руки спортсмена. Внешний вид прибора со снятой крышкой показан на рис. 5.
Барометрический высотомер
Все постоянные резисторы и конденсаторы (за исключением С12) — типоразмера 0805 для поверхностного монтажа. Автор сознательно отказался от применения оксидных конденсаторов как недостаточно надежных.

Переменный резистор R3, предназначенный для установки нуля высоты, должен быть прецизионным и механически стабильным. Как показали эксперименты, здесь пригодны только проволочные резисторы с малой дискретностью изменения сопротивления, например СП5-35А. Автор получил удовлетворительные результаты, применив резистор СП5-2.

Подстроечные резисторы R9, R16, R20 — CA6V. Все они включены по схеме потенциометра. Это привело к некоторому увеличению числа постоянных резисторов в приборе, но зато повысило долговременную стабильность его настроек.
Для налаживания прибора требуется образцовый высотомер. Автор воспользовался высотомером от самолета АН-2. Входное отверстие его датчика с помощью гибкой трубки от медицинской аппаратуры было соединено через тройник со штуцером датчика давления МРХ4115 в изготовленном приборе. На оставшийся свободным штуцер тройника надета такая же трубка с зажимом. Отсасывать через эту трубку воздух можно и ртом, но удобнее использовать насос, например от аквариума. Рекомендуется также подключить к “системе” буферную емкость (например, обычную стеклянную бутылку) объемом 0.5…1 л, что позволит изменять давление более плавно.

Перед налаживанием прибор должен поработать не менее 20 мин, пока не установятся параметры датчика давления. Настройка сводится к регулировке коэффициента преобразования и подборке степени компенсации отклонения зависимости давления от высоты от линейной.

Как уже было сказано, подстроенным резистором R9 регулируют общий наклон характеристики преобразования, а резистором R16 изменяют ее кривизну. Влияние последнего на показания прибора растет с увеличением высоты, а положение движка резистора R9 влияет на них на любой высоте одинаково. Поэтому, чтобы обеспечить требуемую функцию преобразования, требуется неоднократная подстройка этих резисторов при нескольких значениях высоты.
Автор использовал следующую методику:
1. Перед началом налаживания кнопка SB1 должна быть отжата, что соответствует измерению высоты до 2000 м. Движок подстроечного резистора R16 установлен в нижнее по схеме положение, а движки R9 и R20 — в среднее.
2. При снятом с входной трубки измерительной системы зажиме устанавливают нулевые показания образцового высотомера. Переменным резистором R3 устанавливают ноль на ЖКИ HG1.
3. Откачивают воздух, пока образцовый высотомер не покажет   1000 м, после чего на трубку устанавливают зажим. Подстроечным резистором R9 устанавливают на ЖКИ высоту 938 м.
4. Откачивая воздух, доводят показания   образцового   высотомера   до 1950…1980 м. Подстроенным резистором R16 выставляют на ЖКИ значение, равное   показываемому образцовым высотомером.
5. Открыв зажим, впускают воздух в систему, пока образцовый высотомер не покажет приблизительно 1000 м. Подстроенным резистором R9 устанавливают на ЖКИ точно такое же значение.
6. Пункты 4 и 5 повторяют несколько раз, пока показания изготовленного и образцового высотомеров в двух точках не станут совпадать без дополнительной регулировки. Обычно для этого требуется четыре-пять повторений.
7. Откачивают воздух, пока образцовый прибор не покажет высоту около 4000 м.

Нажимают на кнопку SB1, переводя самодельный высотомер в режим измерения высоты более 2000 м. Подстроенным резистором R20 устанавливают на ЖКИ значение, равное тому, что показывает образцовый высотомер .
Закончив налаживание, штуцер датчика МРХ4115 можно аккуратно удалить, так как он занимает много места. За шесть лет эксплуатации прибора автором повторной регулировки не потребовалось.
Такая калибровка обеспечивает измерение высоты 0…2000 м с погрешностью не более ±1 м. Далее погрешность растет, достигая приблизительно минус 30 м на высоте 4000 м, что можно еще считать приемлемым. Некоторая компенсация этой погрешности достигается правильной регулировкой подстроечного резистора R20. Расчетные показания прибора на большой высоте всегда меньше ее истинного значения: на 5000 м — 4920 м, на 7000 м — 6740 м, а на 10000 м — всего 9160 м. Реальные показания могут отличаться еще сильнее из-за погрешности самого датчика абсолютного давления.

Д. АЛХИМОВ, г. Смоленск
“Радио” №10 2009г.

Читайте также:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *