Спидометр для дельтаплана

Дельтапланеризм — молодой, бурно развивающийся вид спорта во всем мире. Разработано уже много надежных конструкций дельтапланов. Однако до сих пор подавляющее большинство таких летательных аппаратов не оборудовано самыми необходимыми пилотажными приборами. Даже скорость и высоту спортсмен определяет, как на заре авиации, на глазок. Хотя каждому ясно: указатель скорости и высотомер во многом повысят безопасность полетов.

Причина такого «пренебрежения» к технике скорее всего кроется в том, что на аппарате нет места для приборов с визуальной индикацией. Ведь они должны находиться на определенном расстоянии перед лицом пилота, смотрящего вперед, дельтапланерист же, управляя крылом, все время перемещается. К тому же при жесткой установке приборы оказываются незащищенными от возможного удара о землю при неудачной посадке, да и сам спортсмен не застрахован от удара об их выступающие детали. Кроме того, когда большинство дельтапланеристов выполняет на небольшой высоте сложные маневры, Например, вблизи склона горы, переводить взгляд от земли на шкалы приборов просто небезопасно. Но именно в этих условиях потеря скорости или ее увеличение сверх нормы чаще всего приводят к тяжелым последствиям.

На дельтаплане необходимы травмобезопасные приборы, не отвлекающие внимания и надежно информирующие об условиях полета. Этим требованиям отвечает индикатор скорости, описание которого мы предлагаем.

* * *

Принцип действия прибора основан на подаче в шлемофон пилота звукового тона с частотой, пропорциональной скорости полета. Кроме того, он сигнализирует о превышении максимально допустимой скорости или падении ее ниже минимальной величины: звуковой тон соответствующей частоты становится прерывистым. Значения предельных скоростей, при которых срабатывает сигнал тревоги, устанавливаются поворотом ручек переменных резисторов, снабженных оцифрованными шкалами (рис. 1).

Индикатор скорости крепится к килевой балке дельтаплана и не создает помех для спортсмена ни в воздухе, ни на земле. Он изготовлен на базе распространенного в авиаклубах авиационного указателя скорости УС-250.

В основу действия устройства положен принцип измерения величины скоростного напора от стандартного или самодельного приемника воздушного давления. Пневмометрический способ измерения скорости, издавна принятый в авиации, имеет два важных преимущества: во-первых, для градуировки приборов и их последующих проверок в процессе эксплуатации не требуется создавать воздушный поток — аэродинамическую трубу в нашем случае заменит обычная резиновая груша с указателем скорости УС-250; во-вторых, сам скоростной напор служит именно тем параметром, от которого непосредственно зависят аэродинамические силы и моменты, действующие на крыло дельтаплана. Поэтому показания скорости по прибору однозначно определяют угол планирования и положение ручки управления, независимо от изменений плотности воздуха и температуры (зимой или летом) и давления (на равнине или в горах).

Диапазон скоростей звукового индикатора зависит от индивидуальных свойств мембранной коробки. У различных экземпляров УС-250 со снятым лекалом верхний предел измерения скорости колеблется от 80 до 130 км/ч.

Прибор сохраняет свои характеристики при снижении напряжения питания до 10 В и сигнализирует, когда оно падает ниже этой величины.

Устройство состоит из четырех основных частей: приемника воздушного давления, датчика, формирователя звукового сигнала и головных телефонов или громкоговорящего устройства.

Приемник воздушного давления (рис. 2) располагается в верхней части мачты и соединяется с датчиком резиновыми шлангами.

Самая сложная часть «спидометра» — датчик (рис. 5). Он выполнен на базе самолетного указателя скорости УС-250. Механизм прибора извлекают из корпуса и снимают с основания все детали. Стрелка, шкала, кронштейн с шестерней стрелки и пружинное лекало больше не понадобятся.

Под действием скоростного напора деформация мембранной коробки через тягу и рычаг заставляет поворачиваться ось с подвижной пластиной дифференциального конденсатора.

Обе платы дифференциального конденсатора изготовлены из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Если используется более толстый материал, с передней платы придется снять несколько слоев стеклоткани.

Сначала вырезают две заготовки по пунктирному контуру чертежа, а затем их подгоняют к основанию прибора по размерам 36 и 62 мм. Далее, в соответствии с ним, на платах размечают и сверлят крепежные отверстия 2,6 мм.

На задней плате размечают (по фольге) центры технологических отверстий O₁ (по гнезду переднего подшипника) и О₂ (под отверстием О₁). Платы стягивают винтами М2,5 фольгой наружу и по разметке задней платы О₁ и О₂ сверлят отверстия 0,8 мм. Фольгу по линии О₁ — О₂ прорезают по линейке остро заточенным концом круглого надфиля. Ширина прорези должна быть минимальной. Тем же надфилем прорезают фольгу по периметру пластин дифференциального конденсатора, используя окружность окна основания как кондуктор. После этого технологические поля заготовок с отверстиями O₁ и О₂ отрезают, а лишнюю фольгу удаляют. В нижних углах печатных проводников, возможно ближе к их краям, сверлят два отверстия 0,8 мм, платы соединяют друг с другом гибким монтажным проводом, используя минимальное количество припоя. Зазор между платами определяют текстолитовые шайбы толщиной 1 мм.

Подвижная пластина дифференциального конденсатора (рис. 6) выполнена из листовой латуни толщиной 0,5 мм. С помощью бумажной трубочки с внутренним 5 мм на противовес зубчатого сектора напаивают столбик припоя так, чтобы общая высота противовеса составляла около 10 мм.

Зубчатый сектор обрезают и к остатку сектора приклеивают подвижную пластину с отогнутым лепестком. Для лучшей электроизоляции между склеиваемыми деталями прокладывают папиросную бумагу.

Чтобы при сборке и регулировке дифференциального конденсатора подвижная пластина могла свободно вращаться, левый винт не ставят, а текстолитовую шайбу между платами отодвигают в угол. Ось с подвижной пластиной вставляют в гнезда подшипников. Путем их перемещения и изгибания подвижной пластины устраняют возможные замыкания между ней и участками фольги при повороте ротора конденсатора от одной шайбы до другой. После окончательной регулировки дифференциального конденсатора, включающей затяжку контргаек на подшипниках, ось обязательно должка иметь ощутимый осевой люфт в подшипниках.

С генератора на транзисторе V1 (рис. 3) на диффконденсатор поступает переменное напряжение частотой 5 МГц. На выходе детектора, собранного на диодах V2—V5, выделяется постоянное напряжение, пропорциональное разности емкостей половин дифференциального конденсатора. Благодаря несимметричной форме его подвижной пластины, передаточная характеристика U = f(V) датчика (рис. 4) в рабочем диапазоне скоростей практически линейна. Таким образом, при малых скоростях полета на вход формирователя звукового сигнала подается отрицательное относительно «средней точки» источника питания, а при больших скоростях — положительное напряжение.

Монтажная плата генератора датчика (рис 7) изготовлена из фольгированного стеклотекстолита. Два отверстия по краям платы служат для крепления ее на основании механизма. Для этого в нем нужно просверлить два отверстия и нарезать резьбу М2,5.

Далее на основании устанавливают печатную плату и мембранную коробку. В отверстие оси вставляют рычаг и фиксируют винтами. Необходимо проследить, чтобы тяга не была зажата из-за возможных взаимных перекосов рычага и мембранной коробки. Для устранения люфтов в шарнирных соединениях спиральную пружину на оси закручивают на один оборот и закрепляют на основании.

Дифференциальный конденсатор подсоединяют к монтажной плате датчика (выводы а, в, с) при помощи литцендрата. Остальные выводы проще всего вывести из корпуса прибора через стекло шкалы, которую в этом случае изготавливают из плексигласа по размерам штатного стекла. При этом герметичность корпуса не должна быть нарушена.

С датчика сигнал поступает на звуковой формирователь. Сначала сигнал усиливают ОУ на микросхеме А1 (рис. 8) и транзисторы V1, V2, а затем он попадает на дискриминаторы уровня, выполненные на ИМС А2 и A3, и на управляемый мультивибратор, собранный на транзисторах V5, V7, V8, V10 (рис. 9). При помощи переменных резисторов R6 и R9 (рис. 8) подбирают смещение на операционных усилителях А2 и A3 такой величины, чтобы транзисторы V3, V4 были заперты. Когда, скорость полета снижается до опасной величины, сигнал отрицательной полярности с усилителя превышает величину «минусового» смещения на дискриминаторе A3, и напряжение на выходе последнего скачком переходит из максимально отрицательного в максимально положительное: транзистор V4 открывается. При большой скорости полета сработает дискриминатор А2 и откроет транзистор V3.

Управляемый мультивибратор V5, V7, V8, V10 (рис. 9) генерирует пропорциональные уровню сигнала с датчика электрические колебания звуковой частоты, которые через эмиттерный повторитель V12 и переменный резистор R27 — регулятор громкости — поступают в шлемофон пилота. В цепь базы V12 включен транзистор V13. Он прерывает звуковой сигнал с частотой 2 Гц по командам мультивибратора на полупроводниковых триодах V11, V14. Питание на него поступает через выходной транзистор V3 или V4 соответствующего дискриминатора уровня, сигнализируя об опасном снижении или превышении скорости дельтаплана.

Вместо транзистора КТ312Б генератора датчика можно использовать любой другой маломощный высокочастотный кремниевый полупроводниковый триод, например, КТ315. Транзисторы V3, V4 звукового формирователя должны иметь минимальный коллекторный ток покоя (I_ко). Поэтому германиевые приборы здесь не годятся. В качестве V1, V7 и V8 допустимо применить МП37. Остальные транзисторы — любые серии МП39—МП42.

Кроме диодов Д18, в устройстве хорошо работают любые другие высокочастотные диоды, например Д2, Д9, Д20.

Микросхемы К140УД2Б (К1УТ402Б) можно заменить другими операционными усилителями 6-вольтовой серии, например КУ140УД1А (К1УТ401А).

Постоянные резисторы — МЛТ-0,25, переменные — проволочные ПП3-43, имеющие спецгайку для стопорения оси.

Все конденсаторы генератора датчика — К10-7В, КЛС, КЛГ или КМ. Конденсаторы мультивибраторов: С1—С3 МБМ или БМ-2, С4—С8 — электролитические на напряжение 15 В.

Дроссели L1, L4, L5 электрической части датчика намотаны виток к витку в три слоя проводом ПЭЛ 0,25 на корпусах резисторов МЛТ-1 сопротивлением не менее 100 кОм, а катушки L2, L3 — на каркасе, размещенном в броневом сердечнике Б-11 из феррита марки 700НМ или карбонильном СБ-12а. L3 содержит около 35 витков (до заполнения каркаса) провода ПЭЛШО 0,25, L2 — 2 витка того же провода.

Сердечник с катушками L2, L3 закреплен на монтажной плате датчика на клею БФ-2 или на эпоксидной смоле. На время затвердевания клея сердечник фиксируют на плате винтом с гайкой, пропущенным через технологическое отверстие 3 мм. Диоды и резисторы установлены в вертикальном положении. Детали звукового формирователя, за исключением переменных резисторов R6, R9, R27 и электролитических конденсаторов С6—С8, размещены на двух монтажных платах размером 80х80 мм (рис. 10, 11). Они рассчитаны под габариты прибора УС-250. Свободные от деталей поля шириной 10 мм в нижней части- плат служат для их крепления, а вырезы размером 10х10 мм в нижних углах сделаны для соединительных проводов.

Большинство резисторов смонтировано в вертикальном положении. Не задействованные выводы 2, 3, 6, 8, 11 и 12 микросхем закрепляют В отверстиях на плате клеем, предварительно удалив вокруг них фольгу.

Налаживать прибор начинают с генератора датчика. О его работе судят по наличию на выходе (выводы 2, 4) постоянного напряжения величиной около 0,5 В при сопротивлении нагрузки 5,6 кОм. Измерения производят высокоомным (ламповым) вольтметром.

Если генератор не работает, следует поменять местами выводы катушек L2 или L3. Подбирая величину резистора R1, добиваются срыва генерации при снижении напряжения питания ниже 10 В. Далее, подбирая сопротивление резистора R6, добиваются, чтобы величины максимального положительного и отрицательного напряжений на выходе усилителя (выводы 2, 4) при повороте подвижной пластины из одного крайнего положения в другое были на 0,1—0,2 В меньше максимального выходного напряжения операционного усилителя. Тогда рабочий диапазон скоростей не сузится,

Следующая операция - подгонка передаточной характеристики — выполняется при вертикальном положении оси, поскольку подвижная система пока не сбалансирована. Для этой, операции потребуется еще один прибор УС-250. При помощи резиновых трубок и тройника соединяют штуцеры «Д» обоих приборов с резиновой грушей, слегка сжатой в слесарных тисках. Постепенно сжимая, устанавливают по контрольному указателю скорость 45 км/ч (для снижения трения в подвижных элементах постучите по груше пальцем). Регулируя длину тяги грубо верхним штырем и более точно — нижним (см. начало статьи), добиваются, чтобы напряжение на выходе усилителя составляло 0±0,2 В. Если регулировкой длины тяги не удается достичь этой величины, пробуют изменить длину плеча рычага в пределах 3-5 мм. После подгонки передаточную характеристику снимают полностью в диапазоне скоростей 0—80 км/ч.

Для балансировки подвижной системы датчика на штуцер мембранной коробки надевают короткий отрезок резиновой трубки с заглушенным вторым концом, чтобы создать такое давление, при котором напряжение на выходе усилителя было бы близко к 0. Спиливая надфилем или надпаивая противовес, уравновешивают на оси подвижную пластину, а свинчивая или навинчивая гайку балансира, уравновешивают мембрану и тягу. Отклонение датчика от вертикального положения оси на 90° в любую сторону не должно изменять показаний вольтметра более чем на 0,05 В.

Заключительная операция налаживания прибора — регулировка дискриминаторов уровня. По контрольному указателю устанавливают скорость 35 км/ч, к выходу прибора подключают осциллограф, а к выводам 4 и 10 микросхемы A3 — вольтметр. Переменным резистором R9 устанавливают максимальную величину напряжения смещения. При этом на экране осциллографа должны наблюдаться неискаженные колебания прямоугольной формы. Медленно вращая ось потенциометра R9, контролируют сигнал по экрану осциллографа. Если дискриминатор настроен правильно, включение мультивибратора-прерывателя происходит постепенно: сначала при напряжении U₁ появляются искажения сигнала, при дальнейшем уменьшении напряжения смещения искажения усиливаются, и, наконец, при некотором значении U₂ устанавливается равномерное появление-исчезновение прямоугольников с частотой примерно 2 Гц. При вращении оси потенциометра в обратную сторону процесс протекает в обратном порядке через те же значения напряжения смещения U₂ и U₁. Разность этих напряжений не должна превышать 0,1 В. В противном случае необходимо уменьшить величину резистора R13, но не чрезмерно: возникающая при этом слишком глубокая положительная обратная связь приводит к появлению гистерезиса в работе дискриминатора. Включение и выключение мультивибратора-прерывателя происходит в этом случае скачком, но с большим запаздыванием, и напряжение включения U₁ становится меньше напряжения выключения U₂. Величину резистора R13 приходится увеличивать.

Аналогично подбором сопротивления резистора R12 настраивают второй дискриминатор, установив на контрольном указателе скорость 55 км/ч. Учтите, что гистерезис в работе дискриминаторов совершенно недопустим — лучше пожертвовать точностью прибора.

Если нет осциллографа, настроить спидометр можно и на слух, поскольку начало включения мультивибратора-прерывателя сопровождается характерным звуком.

Завершив настройку дискриминаторов, на шкалах регуляторов переменных резисторов R6 и R9 отмечают положения ручек, при которых происходит включение прерывателя для скоростей 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 и 60 км/ч, соответствующих показаниям контрольного прибора.

Монтажные платы покрывают цапонлаком, а все резьбовые соединения механизма датчика фиксируют нитрокраской.

Формирователь звукового сигнала с восемью гальваническими элементами 336 размещен в корпусе размером 86х88х100 мм, к которому пристыкован датчик (см. начало статьи). На лицевую панель выведены оси переменных резисторов R6, R9 и R27, выключатель питания, разъемы шлемофона и бортовой радиостанции. Необходимо предусмотреть защиту регуляторов от непреднамеренного сбоя их положений.

Спидометр крепят на килевой балке дельтаплана перед центральным узлом, а приемник воздушного давления — на верхней части мачты. Для снижения погрешностей из-за изменения угла атаки ось ПВД наклонена к носовому узлу под углом примерно 20° к оси килевой балки.

На старте пилот слышит низкий прерывистый звук, но если напряжение питания ниже 10 В, тон становится высоким и непрерывным.

Установленный на дельтаплане прибор должен опробовать и отрегулировать опытный дельтапланерист. Проводить испытания на максимальную скорость недопустимо по соображениям безопасности. Достаточно установить регулятор V_мах на отметку 60 км/ч.

Рис. 1. Звуковой индикатор скорости:
1 — штуцеры для соединения с ПВД, 2 — корпус датчика на базе прибора УС-250, 3 — лицевая панель, 4 — хомут крепления к килевой балке (2 шт.), 5 — корпус формирователя звукового сигнала.

Рис. 2. Схематическое устройство приемника воздушного давления:
1 — камера полного напора (штуцер «Д»), 2 — камера статического давления (штуцер «С»), 3 — штанга, 4 — шланги воздушной проводки к индикатору, 5 — хомут, 6 — мачта дельтаплана.

Рис. 3. Принципиальная схема датчика; V1 КТ312Б, КТ315.

Рис. 4. Передаточная характеристика датчика.

Рис. 5. Конструкция датчика:
1 — ось с подвижной пластиной дифференциального конденсатора, 2 — основание прибора УС-250, 3 — передняя плата дифференциального конденсатора, 4 — передний подшипник, 5 — задняя плата дифференциального конденсатора, 6 — винт М2,5х10 (4 шт.), 7 — шайба 2,5 (4 шт.), 8 — шайба стопорная 2,5 (4 шт.), 9 — шайба текстолитовая 2,5 S1 (4 шт.), 10 — мембранная коробка, 11 — штырь, 12 — монтажная плата (детали условно не показаны), 13 — тяга, 14 — задний подшипник, 15 — рычаг, 16 — винт стопорный, 17 — балансир.
(На разрезе Б—Б условно не показаны детали поз. 10 и 12.)

Рис. 6. Изготовление подвижной пластины диффконденсатора:
1 — зубчатый сектор, 2 — основание, 3 — противовес, 4 — пластина, 5 — подвижная пластина диффконденсатора в сборе.

Рис. 7. Монтажная плата датчика со схемой расположения деталей.

Рис. 8. Принципиальная схема усилителя и дискриминаторов.

Рис. 9. Принципиальная схема блока мультивибраторов.

Рис. 10. Монтажная плата мультивибраторов со схемой расположения деталей.

Рис. 11. Монтажная плата дискриминаторов со схемой расположения деталей.

Автор: Э. ЗЕМЯХИН, г. Люберцы, Московской обл.
http://patlah.ru

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.