Расходомер топлива

 

Использование: для измерения расхода топлива. Сущность: расходомер топлива содержит три датчика объемного расхода, задатчик постоянных величин, аналоговое вычислительное устройство, формирователь импульсов, сумматор, два фильтра нижних частот, две схемы преобразования, интегратор, усилитель, индикатор и аналого-цифровое вычислительное устройство. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения расхода топлива в весовых единицах, в частности для измерения расхода топлива на летательных аппаратах.

Известен массовый расходомер, содержащий измеритель объемного расхода, формирователь импульсов, счетно-регистрирующий прибор, измеритель плотности и схему коррекции, выполненную в виде счетчика импульсов по плотности, один выход которого соединен через линейно-декодирующий преобразователь со схемой сравнения, а два других выхода с дешифраторами и триггером управления, подключенным через схему И к счетчику импульсов по плотности, при этом схема сравнения соединена через схемы И с реверсивным счетчиком импульсов, а измеритель плотности подключен на второй вход схемы сравнения и через пороговое устройство, дешифраторы, схемы И также к реверсивному счетчику импульсов [1] Недостатком известного массового расходомера является его недостаточная точность, обусловленная недостаточной точностью измерителя плотности и неучетом точностных характеристик датчика объемного расхода.

Наиболее близким к изобретению является расходомер топлива, содержащий первый, второй, третий датчики объемного расхода, задатчик постоянных величин, аналоговое вычислительное устройство, формирователь импульсов, сумматор, первый и второй фильтры нижних частот, первую и вторую схемы преобразования, интегратор, усилитель и индикатор, причем первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы аналогового вычислительного устройства соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым выходами задатчика постоянных величин, выходы первого и второго датчиков объемного расхода соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя импульсов, выход которого через сумматор, первый фильтр нижних частот и первую схему преобразования соединен с седьмым входом аналогового вычислительного устройства, выход третьего датчика объемного расхода через второй фильтр нижних частот и вторую схему преобразования соединен с восьмым входом аналогового вычислительного устройства, выход которого через интегратор и усилитель соединен с индикатором [2] Недостатком данного расходомера топлива является его недостаточная точность, обусловленная отсутствием точной информации о изменении значения коэффициента пропорциональности при изменении температуры топлива в течение полета.

Цель изобретения повышение точности измерения расхода.

Цель достигается тем, что в расходомер топлива, содержащий первый, второй, третий датчики объемного расхода, задатчик постоянных величин, аналоговое вычислительное устройство, формирователь импульсов, первый сумматор, первый и второй фильтры нижних частот, первую и вторую схемы преобразования, первый интегратор, усилитель и индикатор, причем первый, второй, третий, четвертый и шестой входы аналогового вычислительного устройства соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и шестым выходами задатчика постоянных величин, выходы первого и второго датчиков объемного расхода соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя импульсов, выход которого через первый сумматор, первый фильтр нижних частот и первую схему преобразования соединен с седьмым входом аналогового вычислительного устройства, выход третьего датчика объемного расхода через второй фильтр нижних частот и вторую смену преобразования соединен с восьмым входом аналогового вычислительного устройства, выход которого через первый интегратор и усилитель соединен с индикатором, дополнительно введено аналого-цифровое вычислительное устройство, первый и второй входы которого соединены соответственно с пятым и седьмым выходами задатчика постоянных величин, третий и четвертый входы с выходами соответственно второй и первой схем преобразования, а выход с пятым входом аналогового вычислительного устройства.

На фиг.1 изображена блок-схема расходомера топлива; на фиг.2 блок-схема аналого-цифрового вычислительного устройства.

Расходомер топлива содержит первый 1, второй 2 и третий 3 датчики объемного расхода, задатчик 4 постоянных величин, аналоговое вычислительное устройство 5, формирователь 6 импульсов, первый сумматор 7, первый 8 и второй 9 фильтры нижних частот, первую схему 10 преобразования, вторую схему 11 преобразования, первый интегратор 12, усилитель 13, индикатор 14 и аналого-цифровое вычислительное устройство 15. Причем первый, второй, третий, четвертый и шестой входы аналогового вычислительного устройства 5 соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и шестым выходами задатчика 4 постоянных величин, выходы первого 1 и второго 2 датчиков объемного расхода соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя 6 импульсов, выход которого через первый сумматор 7, первый фильтр 8 нижних частот и первую схему 10 преобразования соединен с седьмым входом аналогового вычислительного устройства 5, выход третьего датчика 3 объемного расхода через второй фильтр 9 нижних частот и вторую схему 11 преобразования соединен с восьмым входом аналогового вычислительного устройства 5, выход которого через первый интегратор 12 и усилитель 13 соединен с индикатором 14, первый и второй входы аналого-цифрового вычислительного устройства 15 соединены соответственно с пятым и седьмым выходами задатчика 4 постоянных величин, третий и четвертый входы с выходами соответственно второй схемы 11 преобразования и первой схемы 10 преобразования, а выход с пятым входом аналогового вычислительного устройства 5.

Аналого-цифровое вычислительное устройство 15 содержит первый 16, второй 17 и третий 18 умножители, первый 19, второй 20 и третий 21 ключи, первый 22, второй 23, третий 24, четвертый 25, пятый 26 и шестой 42 инвесторы, первый 27, второй 28 и третий 41 аналого-цифровые преобразователи, первый 29, второй 30, третий 31, четвертый 32 и пятый 43 регистры, второй 33 и третий 34 сумматоры, первый 35 и второй 44 цифроаналоговые преобразователи, делитель 36, генератор 37 импульсов, счетчик 38, элемент И-НЕ 39 и RS-триггер 40. Причем первый, второй, третий и четвертый входы аналого-цифрового вычислительного устройства 15 соединены с первыми входами соответственно третьего ключа 21, третьего 18, первого 16 и второго 17 умножителей, вторые входы первого 16 и второго 17 умножителей объединены и соединены с третьим входом аналого-цифрового вычислительного устройства 15, а их выходы с первыми входами соответственно первого 19 и второго 20 ключей, выходы которых соединены с первыми входами соответственно первого 27 и второго 28 аналого-цифровых преобразователей, первые группы выходов которых соединены с первой группой входов соответственно первого 29 и третьего 31 регистров, а их вторые выходы соответственно через второй 23 и четвертый 25 инверторы с вторыми входами первого 29 и третьего 31 регистров, группы выходов которых соединены с первыми группами входов соответственно второго 33 и третьего 34 сумматоров, вторые группы входов которых соединены соответственно с группами выходов второго 30 и четвертого 32 регистров, первые группы входов которых соединены с группами выходов соответственно второго 33 и третьего 34 сумматоров, группа входов первого цифроаналогового преобразователя 35 соединена с группой выходов второго сумматора 33, а выход с первым входом делителя 36, второй вход которого соединен с выходом третьего умножителя 18, вторая группа входов которого соединена с группой выходов третьего сумматора 34, выход делителя 36 соединен с первым входом третьего аналого-цифрового преобразователя 41, первые группы выходов которого соединены с первой группой входов пятого регистра 43, а его второй выход соответственно через шестой инвертор 42 с вторым входом пятого регистра 43, группы выходов которого соединены с группой входов второго цифроаналогового преобразователя 44, выход которого соединен с вторым входом третьего ключа 21, выход которого является выходом аналого-цифрового вычислительного устройства 15, выход генератора 37 импульсов соединен с первым входом счетчика 38, с вторыми входами первого 19 и второго 20 ключей, с вторыми входами первого аналого-цифрового преобразователя 27 и второго регистра 30 через первый инвертор 22 и с вторыми входами второго аналого-цифрового преобразователя 28 и четвертого регистра 32 через третий инвертор 24, группа выходов счетчика 38 соединена с группой входов элементов И-НЕ 39, выход которого соединен с третьими входами первого 29, второго 30, третьего 31 и четвертого 32 регистров, с вторым входом третьего аналого-цифрового преобразователя 41 и с входом пятого инвертора 26, выход которого соединен с вторым входом счетчика 38 и входом RS-триггера 40, выход которого соединен с третьим входом третьего ключа 21.

Блоки 1-3, 5-14 взяты без изменений из прототипа [1] Задатчик 4 постоянных величин выполнен аналогично [1] только наряду с шестью имеющимися имеет седьмой потенциометр, запитанный стабилизированным напряжением.

Третий умножитель 18 известен [2] и служит для умножения сигнала, представленного входом, на аналогичный сигнал.

В качестве аналого-цифровых преобразователей 27, 28, 41 используется микросхема КIIIЗПВI, а в качестве регистров 29-32, 43 микросхема 133ИР13.

Счетчик 40 известен и служит для счета импульсов до 100. Генератор 37 импульсов генерирует прямоугольные импульсы с частотой 10 Гц. Аналоговое вычислительное устройство 8 известно [1] Третий датчик 3 объемного расхода служит для выдачи через второй фильтр 9 нижних частот и вторую схему 11 преобразования сигнала ^*, пропорционального расходу топлива и удовлетворяющему уравнению ^*=+, (1) где угол установки дозирующей иглы; ошибка датчика с известной дисперсией.

Расход топлива через дроссельный кран, механически связанный с РУД, определяется углом установки дозирующей иглы и описывается уравнением -a₁Q+a₂, (2) где производная от расхода топлива; а₁ параметр дроссельного крана; Q расход топлива;
а₂ параметр дроссельного крана.

Информация о расходе топлива, получаемая с первого 1 и второго 2 датчиков объемного расхода, определяется равенством
Z=Q + Q + _p, (3) где Q=K_pQ суммарная медленно меняющаяся ошибка первого 1 и второго 2 датчиков расхода, определяемая температурой и сортом топлива;
К_р коэффициент пропорциональности, среднее значение которого априорно известно;
_p суммарная флюктуационная ошибка первого 1 и второго 2 датчиков объемного расхода с известной дисперсией.

Из уравнения (2) для установившегося режима можно записать
Q (4) Подставив из уравнения (1) значение получим
Q ^*- (5) Полученное равенство подставим в уравнение датчика расхода (3)
Z (1+K_р) ^*+ _p (6) (6)
Введем обозначения
n (1+K_p) _p- a Тогда уравнение (6) имеет вид
Z=n^*+(7) Получим и запомним m измерений расхода, тогда получим
Z₁=n₁₁^*+₁,
Z₂=n₂₂^*+₂ (8)

Z_m=n_mm^*+_m или в матричной формеZ=BN^T+ где B , N
Для оценивания N в данной задаче можно применять алгоритм на основе метода наименьших квадратов.

Тогда оптимальная оценка определяется следующим образом:
C^-1B^TR^-1Z, (9) где C=B^TR^-1B,R корреляционная матрица вектора.

Примем, что _i, i=1 , независимы и имеют одинаковую дисперсию ², что соответствует действительности, так как измерения проводятся одним и тем же измерителем и независимо. Тогда матрица R имеет вид
R= Вычислим матрицу С
C и подставим в формулу (9), тогда имеем
(10) На основании полученного выражения (10) составим рекуррентное соотношение для вычисления
= (11) где
f_i=f_i-1+_i^*Z_i, l_i=l_i-1+_i^*2, f_o=l_o=0.

Окончательное выражение для i-го коэффициента пропорциональности К_pi имеет вид
= a (12) Однако для упрощения алгоритма при учете равенства d 1 + K_p (1) можно высчитывать вместо оценки оценку коэффициента , которая с учетом (11) определяется по формуле
= a (13)
По результатам моделирования время сходимости данного алгоритма не превышает 10 с, т. е. по истечении этого времени для дальнейших расчетов можно использовать оценку d_i. Данный алгоритм реализуется аналого-цифровым вычислительным устройством 15. Аналоговое вычислительное устройство 7 реализует алгоритм, представленный уравнениями (1):
+ a₂^*+K(Z-d);
2a₁p K²j +g; (14)
P_o= 0; 0, где К весовой коэффициент, который вычисляется по формуле
К=Р, (15) где =dj^-1
После 10-й секунды в (15) вместо константы d используется ее оценка d_i, обновляемая с периодом 10 с.

Расходомер топлива работает следующим образом. На первом, втором, третьем, четвертом и шестом выходах задатчика 4 постоянных величин выставляются напряжения, пропорциональные соответственно значениям параметра дроссельного крана а₁, дисперсии j, дисперсии q, постоянного коэффициента и параметра дроссельного крана а₂, которые соответственно подаются на первый, второй, третий, четвертый и шестой входы аналогового вычислительного устройства 5. На пятом и седьмом выходах задатчика 4 постоянных величин выставляются напряжения, пропорциональные соответственно значениям постоянного коэффициента d и постоянного коэффициента a, которые подаются соответственно на первый и второй входы аналого-цифрового вычислительного устройства 15. Сигналы, пропорциональные расходу, с выходов первого 1 и второго 2 датчиков объемного расхода через формирователь 6 импульсов поступают на первый сумматор 7 импульсов, с выхода которого на первый фильтр 8 нижних частот, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, пропорциональный расходу топлива и поступающий на первую схему 10 преобразования, где вводится поправка, пропорциональная плотности топлива _o. С выхода первой схемы 10 преобразования сигнал Z поступает на седьмой и четвертый входы соответственно аналогового вычислительного устройства 5 и цифроаналогового вычислительного устройства 15. Сигнал, пропорциональный расходу топлива, с выхода датчика 3 объемного расхода через второй фильтр 9 нижних частот, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, пропорциональный расходу топлива через дроссельный кран, поступает на вход второй схемы 11 преобразования, где вводится поправка, пропорциональная плотности топлива _o.

С выхода второй схемы 11 преобразования сигнал ^* поступает на восьмой и третий входы соответственно аналогичного вычислительного устройства 5 и аналого-цифрового вычислительного устройства 15, с выхода которого в первые 10 с сигнал d и в последующее время периодически обновляемый сигнал поступает на пятый вход аналогового вычислительного устройства 5. Сигнал d с первого входа аналого-цифрового вычислительного устройства 15 поступа-ет на первый вход третьего ключа 21 и через его нормально замкнутый контакт поступает на выход аналого-цифрового вычислительного устройства 15. Сигнал -а с второго входа аналого-цифрового вычислительного устройства 15 поступает на первый вход третьего умножителя 18. Сигнал ^* с третьего входа аналого-цифрового вычислительного устройства 15 поступает на первый и второй входы первого умножителя 16, с выхода которого сигнал ^*2поступает на первый вход первого ключа 19, на второй вход которого поступают управляющие сигналы с генератора 37 импульсов. С выхода первого ключа 19 сигнал поступает для преобразования в цифровой восьмиразрядный код на первый вход первого аналого-цифрового преобразователя 27, на второй вход которого поступает сигнал, разрешающий начало преобразования с генератора 37 импульсов через первый инвертор 22. С второго выхода первого аналого-цифрового преобразователя 27 сигнал готовности данных через второй инвертор 23 поступает на второй вход первого регистра 29. По этому сигналу производится запись сигнала _i^*2, представленного в цифровом коде и снимаемого с первой группы выходов первого аналого-цифрового преобразователя 27, поступающего на первую группу входов первого регистра 29. По сигналу с выхода первого инвертора 22, поступающего на второй вход второго регистра 30, осуществляется запись сигнала l_i-2+_i-1^*2, представленного в цифровом коде, снимаемого с группы выходов второго сумматора 33 и поступающего на первую группу входов второго регистра 30, с группы выходов которого сигнал l _i-1=l _i-2+ _i-1 ^*2 в цифровом коде подается на вторую группу входов второго сумматора 33, на первую группу входов которого поступает в цифровом коде сигнал _i^*2. С группы выходов второго сумматора 33 сигнал l_i= l_i-1+_i ^*2 поступает на группу входов первого цифроаналогового преобразователя 35, с выхода которого аналоговый сигнал l_i поступает на первый вход делителя 36. Сигнал ^* c третьего входа аналого-цифрового вычислительного устройства 15 поступает на второй вход второго умножителя 17, на первый вход которого поступает сигнал Z с четвертого входа аналого-цифрового вычислительного устройства 15. С выхода второго умножителя 17 сигнал ^*Z поступает на первый вход второго ключа 20, на второй вход которого поступают управляющие сигналы с генератора 37 импульсов. С выхода второго ключа 20 сигнал ( ^*Z_)iпоступает для преобразования в цифровой восьмиразрядный код на первый вход второго аналого-цифрового преобразователя 28, на второй вход которого поступает сигнал, разрешающий начало преобразования с генератора 37 импульсов через третий инвертор 24. С второго выхода второго аналого-цифрового преобразователя 28 сигнал готовности данных через четвертый инвертор 25 поступает на второй вход третьего регистра 31. По этому сигналу производится запись сигнала ( ^*Z)_i, представленного в цифровом коде, снимаемого с первой группы выходов второго аналого-цифрового преобразователя 28 и поступающего на первую группу входов третьего регистра 31.

По сигналу с выхода третьего инвертора 24, поступающему на второй вход четвертого регистра 32, осуществляется запись сигнала f _i-2+(^*Z) _i-1, представленного в цифровом коде, снимаемого с группы выходов третьего сумматора 34 и поступающего на первую группу входов четвертого регистра 32, с группы выходов которого сигнал f _i-1=f _i-2+(^*Z) _i-1 в цифровом коде подается на вторую группу входов третьего сумматора 34, а на первую группу входов которого поступает в цифровом коде сигнал(^*Z)_i. С группы выходов третьего сумматора 34 сигнал f_i=f _i-1+(^*Z)_i поступает на вторую группу входов третьего умножителя 18, с выхода которого сигнал af₁ поступает на второй вход делителя 36. Импульсы с генератора 37 поступают на первый вход счетчика 37, с группы выходов которого сформированный через 10 с трехразрядный код с второго, пятого и шестого разрядов поступает на группу входов элемента И-НЕ 39, на выходе которого в момент счета сотого импульса возникает логический "0", поступающий на третьи входы первого 29, второго 30, третьего 31 и четвертого 32 регистров с целью обнуления их содержимого, а также на второй вход третьего аналого-цифрового преобразователя 41, разрешающего начало преобразования поступающего с выхода делителя 36 на первый вход третьего аналого-цифрового преобразователя аналогового сигнала в цифровой восьмиразрядный код. С второго выхода третьего аналого-цифрового преобразователя 41 сигнал готовности данных через шестой инвертор 42 поступает на второй вход пятого регистра 43. По этому сигналу производится запись сигнала ,представленного в цифровом коде и снимаемого с первой группы выходов третьего аналого-цифрового преобразователя 41, поступающего на первую группу входов пятого регистра 43, с группы выходов которого сигнал в течение очередных десяти секунд поступает на группу входов второго цифроаналогового преобразователя 44. Сигнал, соответствующий логическому "0", с выхода схемы И-НЕ 39 через пятый инвертор 26 поступает на второй вход счетчика 38 и обнуляет его содержимое, а также, поступая на R-вход RS-триггера 40, переводит его в единичное состояние. С прямого выхода RS-триггера 40 сигнал, соответствующий логической "1", поступает на третий вход третьего ключа 21, открывает его и обеспечивает прохождение на выход аналого-цифрового вычислительного устройства 15 через нормально разомкнутый контакт третьего ключа 21 аналогового сигнала с выхода второго цифроаналогового преобразователя 44, поступающего на второй вход третьего ключа 21. С выхода четвертого сумматора аналогового вычислительного устройства сигнал 2a_i поступает на вход четвертого умножителя, на выходе которого формируется сигнал 2a_iP, поступающий на первый инверсный вход пятого сумматора, с выхода которого сигнал 2a_iP K²j + q поступает на вход первого интегратора, на выходе которого формируется сигнал P (-2a₁P-K²j+q)dt На выходе пятого умножителя формируется сигнал K P, на выходе шестого умножителя формируется сигнал K², на выходе седьмого умножителя формируется сигнал K²j, поступающий на третий инверсный вход пятого сумматора. Сигнал а₂^* с выхода восьмого умножителя поступает на первый вход седьмого сумматора, а сигнал a с выхода девятого умножителя поступает на третий инверсный вход седьмого сумматора, на второй вход которого поступает сигнал K(Z-d) формируемый с помощью десятого умножителя, шестого сумматора и одиннадцатого умножителя. Сигнал -a+a₂^*+K(Z-d) с выхода седьмого сумматора поступает на вход третьего интегратора, с выхода которого сигнала (-a+a₂^*+K(Z-d)dt поступает на выход аналогового вычислительного устройства 5.

Таким образом, применение всех новых признаков позволяет повысить точность измерения расхода за счет уточнения, оперативного вычисления текущего значения коэффициента пропорциональности К_р, используемого при вычислении расхода.

Формула изобретения

1. РАСХОДОМЕР ТОПЛИВА, содержащий первый и второй датчики объемного расхода, выходами подключенные через последовательно соединенные формирователь импульсов, первый сумматор, первый фильтр нижних частот и первую схему преобразования к седьмому входу аналогового вычислительного устройства, выходом подключенного к индикатору через последовательно соединенные интегратор и усилитель, третий датчик объемного расхода, подключенного к восьмому входу аналогового вычислительного устройства через последовательно соединенные второй фильтр нижних частот и вторую схему преобразования, и задатчик постоянных величин, первым, вторым, третьим, четвертым и шестым выходами подключенный соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и шестому входам аналогового вычислительного устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения расхода, в него введено аналого-цифровое вычислительное устройство, а задатчик постоянных величин снабжен седьмым выходом, причем первый и второй входы аналого-цифрового вычислительного устройства подключены соответственно к пятому и седьмому выходам задатчика постоянных величин, третий и четвертый входы к выходам второй и первой схем преобразования соответственно, а выход к пятому входу аналогового вычислительного устройства.

2. Расходомер по п.1, отличающийся тем, что аналого-цифровое вычислительное устройство содержит первый, второй и третий умножители, первый, второй и третий ключи, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой инверторы, первый, второй и третий аналого-цифровые преобразователи, первый, второй, третий, четвертый и пятый регистры, второй и третий сумматоры, первый и второй цифроаналоговые преобразователи, делитель, генератор импульсов, счетчик, элемент И НЕ и RS-триггер, причем первый, второй, третий и четвертый входы аналого-цифрового вычислительного устройства соединены с первыми входами соответственно третьего ключа, третьего, первого и второго умножителей, вторые входы первого и второго умножителей объединены и соединены с третьим входом аналого-цифрового вычислительного устройства, а их выходы с первыми входами соответственно первого и второго ключей, выходами подключенных к первым входам соответственно первого и второго аналого-цифрового преобразователя, первой группой выходов подключенных к первым группам входов соответственно первого и третьего регистров, а их вторые выходы соответственно через второй и четвертый инверторы к вторым входам первого и третьего регистров, группой выходов подключенных соответственно к первым группам входов второго и третьего сумматоров, второй группой входов подключенных соответственно к группам выходов второго и четвертого регистров, первой группой входов подключенных к группам выходов соответственно второго и третьего сумматоров, группа входов первого цифроаналогового преобразователя соединена с группой выходов второго сумматора, а выход подключен к первому входу делителя, вторым входом подключенного к выходу третьего умножителя, второй группой входов подключенного к группе выходов третьего сумматора, выход делителя соединен с первым входом третьего аналого-цифрового преобразователя, первыми группами выходов подключенного к первой группе входов пятого регистра, а его второй выход соответственно через шестой инвертор к второму входу пятого регистра, группой выходов подключенного к группе входов второго цифроаналогового преобразователя, выходом подключенного к второму входу третьего ключа, выход которого является выходом аналого-цифрового вычислительного устройства, выход генератора импульсов соединен с первым входом счетчика, с вторыми входами первого и второго ключей, с вторыми входами первого аналого-цифрового преобразователя и второго регистра через первый инвертор и с вторыми входами второго аналого-цифрового преобразователя и четвертого регистра через третий инвертор, группа выходов счетчика соединена с группой входов элемента И НЕ, подключенного к третьим входам первого, второго, третьего и четвертого регистров, к второму входу третьего аналого-цифрового преобразователя и к входу пятого инвертора, подключенного к второму входу счетчика и входу RS-триггера, подключенного к третьему входу третьего ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2