فن آوری ساخت حسگر ارتفاع سنج هواپیما

چکیده
چکیده در این مقاله با روشهای اندازه گیری ارتفاع در سیستمهای هوایی آشنا می شویم. سپس با مقایسة آنها با هم به بررسی ارتفاع سنج آنروئیدی می پردازیم. اساس کار این نوع ارتفاع سنج بر پایة کارکرد حسگر می باشد. دقت ارتفاع سنج کاملاً بستگی به عملکرد این حسگر می باشد. دقت ارتفاع سنج کاملاً بستگی به عملکرد در این گزارش به نحوة ساخت قطعات و مونتاژ آن پرداخته شده است. . و در پایان نحوة تست حسگر طبق استاندارد نظامی آورده شده است.
واژه های کلیدی : ارتفاع سنج – آنروئید – حسگر – دیافراگم

سمبل ها، علائم و اختصارات و واحدها
P فشار (N/M2)
 جرم مخصوص (kg/M3)
T دما (k)
 نرخ انحراف درجه حرارت (C/km)
h ارتفاع (km)

مقدمه
یک نوع از ارتفاع سنج هایی که روی سیستم های هوایی ایران بکار می رود ارتفاع سنج آنروئیدی است. البته در چند سال اخیر به دلیل خرابی بعضی از آنها، از ارتفاع سنج های جدیدتری استفاده شده است که نتوانسته جای ارتفاع سنج های آنروئیدی را بگیرد.
مهمترین قسمت این ارتفاع سنج ، حسگر آن می باشد که تولید، آن فن آوری خاصی را می طلبد و عملکرد ارتفاع سنج وابسته به این قسمت است.
بدلیل نیاز نیروی هوایی به این حسگر و مشکلات خرید آن از کشورهای خارجی اقدام به ساخت آن نمودیم و توانستیم نمونه هایی از آن تولید نمائیم و طبق استاندارد آن، چند تست روی آن انجام دهیم که نتایج قابل قبولی بدست آمد.

بدلیل اینکه فن آوری تولید حسگر قابل دسترسی نبود بنابراین طبق یک برنامة مشخص و با روشهای مختلف شروع به ساخت نمونة مهندسی و همزمان تهیه و تدوین فن آوری آن نمودیم.
در این گزارش شرح کاملی از این فن آوری، همچنین وسایل و تجهیزات مورد نیاز جهت تولید، مونتاژ و تست ذکر گردیده است.
۲- تغییرات خواص فیزیکی اتمسفر در اثر تغییر ارتفاع
درجه حرارت، فشار و جرم مخصوص در اتمسفر با ارتفاع تغییر می کند. علاوه بر این خواص اتمسفر در روزها و فصلهای مختلف نیز یکسان نیست. بنابراین برای اینکه بتوانیم خواص عملکردی سیستم های هوایی را بر حسب ویژگیهای اتمسفر بیان کنیم لازم است یک سری شرایط استاندارد بعنوان مرجع تعریف کنیم.

۲-۱ اتمسفر استاندارد
در حال حاضر چندین استاندارد برای اتمسفر تعریف شده است که دو مورد متداول آن عبارتند از :
استاندارد مرکز تحقیق و توسعه آرنولد ۱۹۵۹
استاندارد آمریکایی ۱۹۶۲
استانداردهای فوق شرایط تقریبی اتمسفر را در عرض جغرافیایی بین ۴۰ تا ۴۵ درجة شمالی بیان می کند.
شرایط اتمسفر استاندارد که بطور رایج شرایط سطح دریا در نظر گرفته می شود عبارتند از :
R=287m2/See2.k
P=013/1۱۰۵N/m2
=۲۳/۱ kg/m3
T = 15 C+273=288K

۲-۲ نمودارهای تغییرات خواص فیزیکی اتمسفر
تغییرات درجه حرارت، فشار و جرم مخصوص تا ارتفاع km 20 بالای سطح دریا را در نمودار ۱ نشان داده شده است و خواص در سطوح خیلی بالاتر در جدول ۱ نشان داده شده است.

نمودار ۱ – خواص اتمسفر تا ارتفاع km 20 بالای سطح دریا جدول ۱- خواص اتمسفر در سطوح بالاتر
۲-۳ معادلات حاکم بر اتمسفر
معادلات ۱و۲ در اتمسفر جهت محاسبه فشار (p) و جرم مخصوص () حاکم می باشند که اثبات آنها در ضمیمه A آمده است.

(۱) P(z)= P0(1-z/T0)g/R (۲) (Z)=۰(۱-z/T0)-1+g/Ra
در این معادلات :
P0 و ۰ و T0 به ترتیب فشار و جرم مخصوص و درجه حرارت در سطح دریا (Z=0) است.
 : نرخ انحراف درجه حرارت و مقدار آن در سطح دریا برابر C/km 5/6 است.
با رسم منحنی معادلات (۱) و (۲) و مقایسه آن با نمودار (۱) می بینیم که مقادیر محاسبه شده با مقادیر اندازه گیری شده تا سطح km 20 مطابقت خوبی دارند

.
۳- تجهیزات مختلف اندازه گیری
در سیستمهای هوایی از انواع مکانیزم ها و روش های اندازه گیری ارتفاع استفاده می شود که عبارتند از :
۱- ارتفاع سنج لیزری
۲- ارتفاع سنج رادیویی
۳- ارتفاع سنج فشاری ۳
۳-۱- ارتفاع سنج لیزری :
اساس کار این نوع ارتفاع سنج، تابش اشعة لیزر، اندازه گیری زمان بازتاب آن و در نهایت محاسبة ارتفاع است. این روش از دقت بالایی برخوردار می باشد.

۳-۲- ارتفاع سنج رادیویی :
روش کار این ارتفاع سنج مشابه نوع لیزری است، با این تفاوت که به جای اشعة لیزر، امواج رادیویی بکار می رود.
۳-۳ ارتفاع سنج فشاری :
در این ارتفاع سنج، اساس کار بر پایة اندازه گیری فشار اتمسفر در ارتفاعات مختلف و تبدیل آن به ارتفاع متناظر با آن استوار است.
۴-اندازه گیری فشار اتمسفر
دو روش اصلی برای اندازه گیری فشار اتمسفر وجود دارد که عبارتند از :
تعادل فشار با وزن ستون سیال، مثل بارومتر جیوه ای (شکل۱)
بزرگنمایی تغییر شکل یک عنصر حسگر الاستیک که ناشی از فشار وارده به آن است که در بارومتر خشک (آنروئید) از این روش استفاده می شود. (شکل ۲)
بدلیل محدودیتهایی که در بارومتر جیوه ای وجود دارد، در اجسام پرنده و در کل اجسامی که بطور مداوم تکان می خورند، نمی توان از آن استفاده نمود. به همین منظور از بارومتر آنروئید که یک ابزار اندازه گیری متداول برای کاربردهای مختلف با دقت بالا است، استفاده می شود.

شکل ۱٫ شماتیک عملکردی یک بارومتر جیوه ای شکل ۲ . شماتیک یک فشار سنج آنروئید

مطابق شکل ۲ قطعة حسگر فشار در این ابزار، یک کپسول فلزی است که درون آن خلاء می باشد. از آنجایی که فشار درون کپسول تقریباً صفر است و با فرض اینکه ابزار فوق قرار است در سطح دریا بکار رود (تقریباً در فشار ۱bf/in2 7/14 در بیرون کپسول) ، کپسول تمایل به جمع شدن دارد، برای جلوگیری از پدیدة جمع شدن یک فنر تخت قوی بگونه ای نصب می شود که یکسر آن به بالای کپسول و سر دیگر آن به پایة ابزار وصل می شود، این فنر در همه حال تمایل به باز شدن

دارد و بدین ترتیب بین فشار و تنش فنر یک تعادل برقرار می شود. حال اگر فشار اتمسفر کاهش پیدا کند، نیرویی که مایل است کپسول را جمع کند، کاهش پیدا می کند، اما تنش فنر ثابت می ماند و در نتیجه کپسول را باز می کند، اگر فشار افزایش یابد، عمل عکس رخ می دهد. انبساط و انقباض کپسول که بسیار ناچیز است، توسط یک سیستم تقویت کنننده و یک مکانیزم چند میله ای بسیار دقیق، به حرکت چرخشی عقربه تبدیل میشود.

بمنظور رسیدن به یک رابطة خطی، از رابطة غیرخطی ارتفاع و فشار ، لازم است از برخی منحنی های تبدیل در مکانیزم ارتفاع سنج استفاده کنیم. مطابق نمودار ۲ رابطة خطی بوسیلة انتخاب جنس مناسب برای کپسولها و در نتیجه منحنی تغییر شکل مناسب (منحنی ۲) و نیز انتخاب مناسب منحنی تغییر مکان دستة بزرگنمایی متغیر و سیستم چرخدنده ای که برای انتقال تغییر مکانها به سیستم نمایشگر ساخته می شود (منحنی ۳) ، بدست می آید. ترکیب ایندو منحنی، یک مقیاس خطی همانند منحنی ۴ می دهد.

نمودار ۲ – منحنی های تبدیل در مکانیزم ارتفاع سنج
خطای ناشی از تغییرات فشار اتمسفر:
برای رفع خطای ناشی از تغییرات فشار اتمسفریک در ارتفاع سنجها، یک سیستم تنظیم دستی وجود دارد که می تواند عقربة ارتفاع سنج را برای هر فشار متداول در سطح زمین، روی ارتفاع صفر تنظیم نماید که در این صورت در هنگام پرواز، همواره ارتفاع از تغییر دما و تغییرات فشار (خارج شدن از شرایط اتمسفر استاندارد) روی مقادیری که ارتفاع سنج نشان می دهد، تأثیر می گذارد و موجب پیدایش خطاهای مثبت یا منفی نسبت به حالت استاندارد می گردد. سطح زمین نشان داده می شود.

۴- فن آوری ساخت حسگر ارتفاع سنج :
فن آوری ساخت حسگر ارتفاع سنج شامل دو مرحله می باشد :
ساخت قطعات
مونتاژ قطعات
۵-۱ – فن آوری ساخت قطعات
حسگر ارتفاع سنج از قطعات زیر تشکیل شده است :
پایه تحتانی و فوقانی
دیافراگم
حلقة لحیم
فن آوری ساخت هریک از این قطعات بشرح زیر می باشد :
۱۵-۱-۱ – پایه فوقانی و تحتانی
این قطعات برای اتصال حسگر به پایه متحرک ارتفاع سنج استفاده می شوند که بر حسب کاربردهای مختلف حسگر، اشکال مختلفی دارند و در این مورد بخصوص بصورت زیر می باشد :

شکل ۳ – پایة تحتانی شکل ۴ – پایة فوقانی
جنس این قطعات برنج UNS-C38500 می باشد و به روش ماشینکاری تولید می گردند.
۵-۱-۲ – دیافراگم
دیافراگم مهمترین قسمت حسگر می باشد. با توجه به شکل ۵ در هر دو حسگر دو قطعة دیافراگم استفاده می شود.

شکل ۵- دیافراگم

در آنالیز دیافراگم جنس آن مس بریلیم (UNS C17200) تشخیص داده شد. مس بریلیم ماده ای با خصوصیات منحصر بفردی است که در زمان پیرسخت بعنوان یک فنر در مجموعه ها بکار می رود. این ماده علاوه بر تنش خستگی در مقابل خوردگی و خزش استقامت بالایی دارد (خواص مس بریلیم در پیوست آمده است).

برای فرم دهی قطعه فوق توسط یک قالب کشش که برای همین منظور طراحی و ساخته شده، دیافراگم را تولید می کنیم. نقشه شماتیک قالب در شکل زیر آمده است.

نکته قابل توجه این قالب، انجام همزمان عمل کشش و برش می باشد در نتیجه لبة خارجی نسبت به قسمت کشیده شده دارای هم مرکزی بسیار خوبی می باشد.
بعد از تولید دیافراگم آن را تحت پروسه عملیات حرارتی به سختی ۳۷۰۲۰HV می رسانیم. برای اینکه در زمان انجام عملیات حرارتی دوم قطعه از حالت کشش یافته خارج نگردد وشکل خود را حفظ نماید فیکسچر خاصی برای آن طراحی شده، که نقشه شماتیک آن را مشاهده می نمایید.

شکل ۷ – نقشه شماتیک فیکسچر عملیات حرارتی

در زمان عملیات حرارتی از کوره خلاء استفاده می شود تا از تشکیل اکسید بریلیم روی سطح قطعات جلوگیری گردد، زیرا در مرحلة مونتاژ، وجود این اکسید روی سطح دیافراگم ها مانع اتصال آنها به یکدیگر می گردد.

۵-۱-۳ حلقة لحیم
این قطعه توسط یک فیکسچر (شکل ۸) تولید می شود و با قرار دادن این قطعه بین لبه دیافراگم ها، عملیات مونتاژ (لحیم کاری) بصورت یکنواخت انجام می گیرد.

شکل ۸- شماتیک فیکسچر حلقة لحیم
۵-۲ فن آوری مونتاژ حسگر :
طی بررسی انجام شده بر روی این حسگر دو روش جهت مونتاژ استفاده گردیده است.
روش جوشکاری Tig
روش لحیم
۵-۲-۱ روش جوشکاری Tig
این روش جوشکاری با یک تکنولوژی مخصوص انجام می گیرد و نیاز به شرایط و وسایل خاصی دارد و انتخاب این روش با توجه به امکانات فعلی قابل اجرا نمی باشد. روش دیگر که می توان جایگزین نمود مونتاژ بوسیلة جوش لیزری می باشد که بدلیل عدم استحکام جوش (عمق کم) و احتمال نشست هوا به داخل، این روش نیز مورد تأیید نمی باشد.

۵-۲-۲ روش لحیم
در مونتاژ به روش لحیم چند نکته باید مورد توجه قرار گیرد که عبارتند از :
نوع لحیم
فرم دهی لبة دیافراگم
شرایط لحیم کاری
فیکسچر مخصوص لحیم کاری
۵-۲-۲-۱- نوع لحیم
نتایج آنالیز لحیم حسگر (نمونة اصلی) مقدار ۹۵% قلع و ۵% نقره را نشان می دهد. بدلیل موجود نبودن این نوع لحیم طبق استاندارد (E 571 – S – QQ ) می توان لحیم ۷۰% را جایگزین نمود.
۵-۲-۲-۲ فرم دهی لبة دیافراگم
عمل فرم دهی لبة دیافراگم به دو دلیل انجام می شود. نخست، بالا بردن استحکام دیافراگم در برابر تنشهای کاری و دوم ایجاد فضای مناسب جهت لحیم کاری (حوضچة لحیم).
۵-۲-۲-۳- شرایط لحیم کاری
مونتاژ قطعات باید در یک محفظة خلاء انجام شود، برای این منظور محفظه ای بشکل زیر مورد استفاده قرار می گیرد.

شکل ۱۰ – محفظة خلاء
۵-۲-۲-۴- فیکسچر مخصوص لحیم کاری :
جهت لحیم کاری دیافراگم، یک فیکسچر مخصوص (شکل ۱۱) طراحی و ساخته شده است. این فیکسچر چهار عمل زیر را همزمان انجام می دهد :
دو دیافراگم را بطور کاملاً هم مرکز روی هم قرار می دهد.
فشار یکنواختی بین لبه های دیافراگم و حلقة لحیم وارد می کند تا زمان رسیدن به نقطة ذوب (حلقة حلیم) ، لحیم بسرعت جذب لبه ها شود.

گرم کردن دیافراگم ها بحدی که در اثر انتقال گرما حلقه حلیم ذوب شود. این کار بوسیله نصب دو عدد گرم کننده فیکسچر انجام می گیرد.
پایه های بالا و پایین حسگر را نیز می توان روی این فیکسچر قرار داد تا در یک زمان عمل لحیم کاری پایه ها روی سطوح بیرونی دیافراگم و دو لبه دیافراگم به هم را انجام دهد. اگر پایه ها را بعد از لحیم کاری لبه ها روی آن مونتاژ نمائیم، در زمان گرم کردن حسگر، امکان نشت هوا به داخل آن زیاد است.

شکل ۱۱ – فیکسچر لحیم کاری
۵-۲-۲-۵ نحوه مونتاژ
دو عدد دیافراگم، بالا و پایین حلقه لحیم را روی فیکسچر مخصوص لحیم کاری قرار می دهیم. کل این مکانیزم را داخل محفظه خلاء قرار می دهیم و فشار محفظه را به حالت خلاء می رسانیم. (شکل ۱۲)
در زمان خلاء کامل (۰mmHg) ، فیکسچر مخصوص لحیم کاری شروع بکار می کند و حلقة لحیم ذوب شده، عمل مونتاژ صورت می گیرد.
پس از سرد شدن حسگر، قطعه آماده میباشد، سپس آنرا از محفظه خلاء خارج نموده تا عملیات تست روی آن انجام گیرد.

۵- تست :
پس از تولید چند نمونه مهندسی، شرایطی مشابه شرایط واقعی عملکردی این قطعه ایجاد گردید (شکل ۱۳).

شکل ۱۳ – ایجاد شرایط واقعی(خلاء) جهت تست نمونه مهندسی
حال جهت تست، نمودار میزان تغییر فاصلة بین دو دیافراگم حسگر نسبت به تغییر فشار یک نمونة تولید شده و یک نمونة اصلی موجود ترسیم و بررسی می نماییم. (نمودار ۳)

همانگونه که مشاهده می شود منحنی ۱ نشان دهنده عملکرد نمونه اصلی است با تقریب بسیار خوبی بر منحنی ۲ که نشان دهندة عملکرد نمونه ساخته شده می باشد منطبق شده است.
البته برای این قطعه تست های استاندارد مطابق با استاندارد MIL-B-17089A تعریف گردیده، که در پیوست موجود می باشد. و بر روی قطعات تولیدی انجام می گردد.
۵- جمع بندی

یکی از انواع ارتفاع سنج هایی که در اجسام پرنده بکار می رود ارتفاع سنج فشاری است که عنصر اصلی آن حسگر آنروئیدی فشار می باشد. این حسگر از دو دیافراگم، حلقة لحیم و پایه های فوقانی و تحتانی تشکیل شده است. جنس دیافراگم ها، آلیاژ مس بریلیم (UNSC17200) و جنس حلقة لحیم ۹۵% قلع و ۵% نقره می باشد.