viernes, 4 de septiembre de 2015

Sistemas de datos del aire (ADC)

-Ojo artículo bastante técnico-

Unidad de datos del aire
Los sistemas de datos del aire son los encargados de detectar los parámetros físicos y transformarlos en señales "entendibles" para un piloto por medio de su representación en pantallas o instrumentos de vuelo. Dichas señales son también empleadas por los sistemas de vuelo automático y otros sistemas o subsistemas que forman parte de la aviónica de la aeronave, como el FMS por poner un ejemplo.

Uno de estos sistemas de datos del aire que hoy ya se pueden considerar "clasicos" es el denominado Computador de Datos del Aire o ADC en su terminología anglosajona. ADC es el acrónimo en inglés de Air data Computer. Estos ordenadores son un componente esencial del sistema de aviónica en un moderno avión comercial. Antiguamente cada instrumento de vuelo tenía sus propios sensores. Hoy en día los sensores se encuentran situados en las mejores posiciones posibles a lo largo del fuselaje del avión, sus datos son enviados a una centralita u ordenador para su procesamiento y desde este punto se envían a las pantallas del cockpit o a otros sistemas/subsistemas/ordenadores. El ADC usualmente recibe inputs procedentes no solo de los datos de presión del aire, sino que ademas recibe señales provenientes de sensores de temperatura, como la denominada sonda TAT o Total Air Temperture. Con este parámetro se pueden calcular cosas esenciales para el vuelo, como la TAS o True Air Speed (Velocidad verdadera del avión).

El primer calculador ADC del mundo fue desarrollado por John H. Andresen, un alumno destacado en el Stevens Institute of Technology de Washington. Entre sus muchas patentes se encuentran las dedicadas a los instrumentos de vuelo y los sensores de datos del aire. se pueden ver unas cuantas aquí:

Existen multitud de sistemas de datos del aire distintos según el fabricante, por ejemplo, en Airbus los ADC (air data computer) se combinan con los sistemas de  altitud, rumbo, y navegación del tipo IRS para formar un sistema denominado Air Data Inertial Reference Unit o (ADIRU). En los modernos aparatos que salen de la factorías de BOEING y AIRBUS se están reemplazando por lo más modernos sistemas denominados Global Navigation Air Data Inertial Reference System (GNADIRS). Estos sistemas son modelos muy avanzados que integran normalmente tres subsistemas esenciales que antes se encontraban separados. Estos sistemas son el GPS (o GNSS), el IRS y el ADC. La tendencia en sistemas de aviónica es la de tener todos esto sistemas juntos para ofrecer una mejor integración, menor peso y mayor eficiencia energética. En aviones modernos como el Boeing 777, estos sistemas son tarjetas electrónicas (como las placas base de los PC) que forman parte de una carcasa y que se pueden cambiar en linea de vuelo en caso de avería. Son las denominadas "Plug and Fly" en consonancia con las de los PC's "Plug and play" (conectar y listo). La misión fundamental de la placa dedicada al GPS/GNSS es la de proveer datos precisos de posición, altitud geométrica, y velocidad sobre el suelo al sistema de gestión de vuelo FMS o Flight Management system (a veces llamado FMGS - Flight Management and Guidance System). 

El sistema IRS y el sistema ADC no solo proveen datos al FMS, también trabajan con otros elementos críticos, como por ejemplo los denominados FCC o Flight Control Computers, que son los sistemas encargados de gestionar las leyes de vuelo que gobiernan la aeronave. El aumento de la estabilidad prevista por las leyes de control de vuelo de aeronaves mejora las cualidades de vuelo y contribuye a la seguridad del avión. 

El IRS, por ejemplo se encarga de proveer señales de la posición tridimensional del avión en el espacio (Attitude en inglés) o en otras palabras, los datos relativos al alabeo, cabeceo y guiñada, sus aceleraciones y valores angulares. Con estos datos los ordenadores de la aeronave pueden llevar a cabo maniobras tan complicadas como por ejemplo un aterrizaje automático (Autoland) en condiciones 0/0 (visibilidad nula a nivel de superficie). Estos mismos datos sin un procesado ulterior (Raw data) también son enviados al PFD (Primary Flight Display) en cockpit para que el piloto tenga la información de lo que está haciendo en ese momento la aeronave. El sisetma ADC envía también información al piloto a través del PFD, pero esta información es relativa a velocidad y altura principalmente (barometric altitude).

Estas unidades de aviónica, así como los demás componentes electrónicos del avión deben de estar certificados de acuerdo con la normativa vigente y pasar una serie de pruebas muy exigentes antes de ser  montados en los aviones. Por poner un ejemplo, estos ordenadores tiene que estar protegidos contra radiaciones electromagnéticas del espacio exterior, ya que van a  volar muy alto la mayor parte del tiempo. Esto se denomina en inglés Radiation hardening. Los entornos con altos niveles de radiación ionizante crean grandes retos de diseño. Una sola partícula cargada puede interactuar con miles de electrones libres, provocando picos de ruido en las señales electrónicas. En el caso de circuitos digitales, esto puede causar resultados inexactos o ininteligible cuando se mandan de un ordenador a otro. La cuestión no es baladí y me lleva una vez más a pensar lo difícil que es poder "hackear" un avión... tema recurrente y del que ya se ha hablado largo y tendido aquí.



File:ADC 301 from Air Data Inc..jpg
Típica centralita de datos de aire. Las tomas azules son conexiones para entradas de presión del aire provenientes  de tubos pitot y estática (se puede leer en la pegatina - No soplar en estos puertos). El conector con pines lleva la información procesada a donde haga falta.


Sondas cercanas al Jet-bridge o puente de abordaje. Dentro de la zona delimitada con una línea gris se ven dos sondas o tubos pitot y en medio de las dos se ve la aleta que mide el ángulo de ataque. Fuera de esta zona delimitada en gris y debajo del Jet-Bridge se puede ver una sonda de temperatura total o TAT. En la fotografía no aparecen las tomas estáticas de presión.

Típicas tomas de presión estática delimitadas por una zona pintada con línea roja para que se mantengan limpias y sin cubrir. Son las encargadas de obtener los datos de presión estática de la atmósfera (sin turbulencias ni aire de impacto, debe ser aire en calma).

En el esquema que se muestra a continuación se puede ver como los sensores mandan datos a la unidad central o ADC. Desde el ADC se envían las señales procesadas a otros subsistemas. La presentación de los datos se hace a través de pantallas CRT o DDI (más modernas). Los ordenadores ADC pueden ser analógicos o digitales. Los más modernos aviones llevan el tipo digital, aunque los analógicos a veces muestran ciertas ventajas. La razón por la cual se usa el sistema digital es porque es menos costoso y mucho más manejable (más pequeño y mejor integrado en la suite de aviónica).






En la ilustración inferior se pueden ver los tres bloques principales de un sistema de datos de aire. (inputs-computer-outputs). Por un lado está el bloque de los inputs (en verde). Estos son básicamente todas las sondas que se encuentran en el exterior de la aeronave y que sobresalen del fuselaje para recoger mejor los parámetros físicos de la atmósfera. Estas sondas son de las cosas mas importantes que se deben mirar y comprobar su estado en una inspección pre-vuelo. Recuérdese aquí el desgraciado  accidente de Aeroperú. En este accidente el avión despegó con las tomas de presión estática cubiertas por cinta una adhesiva que mantenimiento había usado para que proteger dichas tomas y posteriormente se olvidó de retirar.

Uno de los mayores riesgos para estas sondas son precisamente los llamados Jet-bridge" o "fingers" (pasillos de acceso a la aeronave). En algunas ocasiones los operadores de estos pasillos pueden golpear sin darse cuenta las sondas, doblándolas o rompiéndolas (ver ilustración superior).


Diagrama básico de un ADC

En la parte central del diagrama se encuentra la centralita propiamente dicha o unidad de procesamiento (el ordenador o la coloquialmente llamada caja negra). En este modulo (representado con fondo azul) se produce algo de enorme importancia, cual es la transformación de parámetros físicos atmosféricos (valores continuos) a señales eléctricas, normalmente del tipo digital. Este es un proceso esencial, pues las señales resultantes deben de ser fiel reflejo de la realidad para no introducir errores o incertidumbre en el sistema de cálculo. El módulo que se encarga de transformar los parámetros físicos en señales electricas se denomina TRANSDUCER en inglés o transductor. 

Los transductores


Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir una determinada manifestación de energía de entrada, en otra diferente a la salida, pero de valor muy pequeños en términos relativos con respecto a un generador.

El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza (por ejemplo electromecánica, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa). Es un dispositivo típico de la industria aeronáutica (también en otras industrias) que se emplea para obtener información de entornos físicos (a veces también químicos) y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen cierta cantidad de energía por lo que la señal medida resulta atenuada. 

¿En qué se diferencia un sensor de un transductor?

Si bien es cierto que un sensor es un tipo de transductor, la diferencia fundamental es que el sensor siempre permanece en contacto con la variable de instrumentación, con lo que puede decirse también que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo.  

Algunos ejemplos de transductores de presión

Transductores resistivos

Uno de los más sencillos. Consisten en un elemento elástico (tubo Bourdon o capsula) que varia la resistencia de un potenciómetro en función de la presión. Existen varios tipos de potenciómetro según sea el elemento de resistencia: potenciómetros de grafito, de resistencia bobinada, de película metálica y de plástico moldeado. En la figura puede verse un transductor resistivo representativo que consta de un muelle de referencia, el elemento de presión y un potenciómetro de precisión. El muelle de referencia es el corazón del transductor ya que su desviación al comprimirse debe ser únicamente una función de la presión y además debe ser independiente de la temperatura, de la aceleración y de otros factores ambientes externos.

Transductor resistivo
El movimiento del elemento de presión se transmite a un brazo móvil aislado que se apoya sobre el potenciómetro de precisión. Este esta conectado a un circuito de puente de Wheatstone.

Transductores magnéticos

Se clasifican en dos grupos según el principio de funcionamiento. a) Transductores de inductancia variable (figura) en los que el desplazamiento de un núcleo móvil dentro de una bobina aumenta la inductancia de esta en forma casi proporcional a la porción metálica del núcleo contenida dentro de la bobina.


Transductor de inductancia variable.
b) Los transductores de inductancia variable (figura) consisten en un imán permanente o un electroimán que crea un campo magnético dentro del cual se mueve una armadura de material magnético. El circuito magnético se alimenta con una fuerza magnetomotriz constante con lo cual al cambiar la posición de la armadura varía la reluctancia y por lo tanto el flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que es, por tanto, proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil.

Transductor de inductancia variable
Transductores capacitivos

Se basan en la variación de capacitancia que se produce en un condensador al desplazarse una de sus placas por la aplicación de presión (ver figura). La placa móvil tiene forma de diafragma y se encuentra situada entre dos placas fijas. De este modo se tienen dos condensadores uno de capacidad fija o de referencia y el otro de capacidad variable, que pueden compararse en circuitos oscilantes o bien en circuitos de puente de Wheatstone alimentados con corriente alterna.

Los transductores capacitivos se caracterizan por su pequeño tamaño y su construcción robusta, tienen un pequeño desplazamiento volumétrico y son adecuados para medidas estáticas y dinámicas. Su señal de salida es débil por lo que precisan de amplificadores con el riesgo de introducir errores en la medición. Son sensibles a las variaciones de temperatura y a las aceleraciones transversales y precisan de un ajuste de los circuitos oscilantes y de los puentes de CA a los que están acoplados.
Transductor capacitivo
Su intervalo de medida es relativamente amplio, entire 0,05-5 a 0,5-600 bar y su precisión es del orden de ± 0,2 a ± 0,5 %.

Una vez que se obtiene la señal eléctrica se envía a los ordenadores para su procesamiento. Los ordenadores digitales en este caso son una desventaja cuando los comparamos con los ordenadores o calculadores "analógicos", me explico, un ordenador digital solo trabaja con valores binarios (0 y 1), por lo que un valor físico continuo como pueda ser la presión debe de "trocearse" para poder ser transformado en valores digitales. En el proceso siempre se pierde algo de información. Un calculador analógico no tiene por qué hacer esta transformación y los datos contienen mucha más información. El ejemplo más sencillo es ver una habitación con una puerta entreabierta. Si yo le pregunto a un ordenador digital cual es el estado de la puerta, este solo puede ofrecerme dos respuestas posibles, o está abierta (1) o está cerrada (0). Si esta misma pregunta se la hacemos a un calculador analógico, la respuesta contiene mucha más información, pues no solo nos dirá que está abierta sino que además nos dirá cuantos grados de apertura (abierta unos 45°). 

En el tercer bloque del diagrama (rosa) se pueden ver los outputs que no es otra cosa que el resultado de los cálculos hechos en el bloque anterior. Son estos datos los que se envían  a los demás computadores y al cockpit para su interpretación por parte del piloto. Como se puede ver en el esquema, para poder obtener indicación en el cockpit de la velocidad de la aeronave, existe una línea que va desde la presión dinámica hasta la zona de outputs. Algunos bloques dentro del ordenador interactúan con varios inputs para poder corregir errores, como en el caso de la velocidad verdadera del avión, que necesita saber el número de Mach para poder calcular (excluyendo los errores debidos a la temperatura) la velocidad real de la aeronave en la masa de aire (recuérdese la diferencia entre TAS-CAS-MN° ya tratada aquí).

Los inputs (sensores)

En la ilustración inferior se puede ver un diagrama en el que se considera la mejor posición para emplazar las tomas de presión estática del aire. Como se puede ver, existen varios puntos óptimos donde las fluctuaciones del aire al interaccionar con el fuselaje del avión no crean turbulencias. Se pueden ver 6 puntos óptimos. Dos de ellos (puntos 1 y 6) se encuentran fuera del fuselaje, antes y después del avión, estos puntos no son prácticos en la vida real (se pueden ver sondas alargadas en el morro en algunos aviones de pruebas, precisamente para comprobar estos puntos). De los cuatro puntos restantes, cualquiera de ellos es válido y depende del fabricante emplazar las tomas en uno o en otro sitio. Normalmente los A320 suelen emplazar estas tomas de aire estático en un lateral, pero bastante cerca del morro del avión. Nótese en el gráfico como la presión estática crece rápidamente delante del morro del avión debido principalmente a la compresibilidad del aire. Inmediatamente después de pasar el morro del avión la línea de presión cae pasando a baja presión. Es en este punto intermedio (2) es donde se ha calculado que la presión estática no se ve influida por el fuselaje y es una representación fiel de la verdadera presión estática de la atmósfera. 



En los puntos 3, 4 y 5 más retrasados, se debe de tener en cuenta además del fuselaje, la interacción del ala y la cola del avión, pues cada una de estas superficies también causa turbulencias al aire estático. esto se puede ver en el gráfico en la línea discontinua.

Otro de los sensores que tiene vital importancia es el que se encarga de medir el angulo de ataque del avión (AoA también denominada sonda alfa). En la mayoría de los casos este sensor es como una pequeña veleta que se mueve libremente (dentro de unos parámetros) en la corriente libre de aire. El movimiento se transforma en una señal eléctrica y esta es enviada a otros sistemas. En la ilustración inferior se puede ver que la señal ademas de ir directamente al ADC también va a los sistemas de protección de vuelo, como el avisador de pérdida, el sensor de cizalladura del viento (windshear) y el FCC o Flight Control Computer. 


Para poder alertar de una pérdida al piloto, el sensor de AoA (Angle of Attack) debe de combinarse con otros parámetros importantes, cual son: potencia, posición de Flaps/Slats/tren de aterrizaje (configuración) y velocidad de la aeronave. Recuérdese que la pérdida para cualquier aeroplano (siempre que los demás parámetros sean constantes) ocurre siempre a un determinado ángulo de ataque. (post relacionado Airbus reemplaza estas sondas).

Como se comentaba más arriba, la sonda de TAT o temperatura total del aire es fundamental para corregir ciertos errores cuando se calcula la velocidad verdadera de la aeronave. La TAT consiste en un elemento o resistencia de platino (normalmente dos tubos de platino concéntricos) herméticamente cerrado (en azul en el gráfico), que recibe aire a través de la toma frontal (Air scoop). La sonda cuenta con un elemento anti-hielo. El principio de funcionamiento es relativamente simple. La resistencia de las placas de platino del elemento sensor cambia con el cambio de temperatura. Este cambio de resistencia produce un cambio en la señal eléctrica (flujo o voltaje) que puede ser indicado a través del principio del "ratiometer" en inglés o comparador de resistencias (en la academia militar lo solíamos denominar puente de Wheatstone).





El principio del "ratiometer" o puente de Wheatstone se puede ver en la ilustración y se describe más abajo.


  • La sonda de temperatura contiene una resistencia de valor conocido. Dicha sonda se coloca en el medio cuya temperatura se va a medir.
  • Una bobina móvil está conectada a través del circuito puente, y se aplica baja tensión al circuito.
  • Si las cuatro resistencias son de igual valor no habrá diferencia de potencial a través de la bobina que une las resistencias. Por lo tanto no hay flujo de corriente a través de él.
  • La resistencia de un conductor varía directamente con su temperatura. Por lo tanto, si la temperatura del medio circundante en la sonda aumenta, la resistencia de la sonda se incrementará. Esto causa una reducción en el flujo de corriente en ese lado del puente, lo cual da como resultado un flujo de corriente a través de la bobina móvil.
  • Cuanto mayor es el cambio de temperatura, mayor será el flujo de corriente a través de la bobina.
  • La bobina móvil se encuentra en un campo magnético permanente. El flujo de corriente a través de la bobina crea un segundo campo magnético (concentrada en el núcleo de hierro dulce de la bobina).
  • La atracción magnética hará que la bobina gire. Si esto se acopla a un puntero o aguja de un indicador cuya escala está graduada nos da una idea muy precisa de la temperatura.
  • El movimiento de la bobina está controlado por un resorte o muelle lineal y la cantidad de fuerza magnética en la bobina dependerá del flujo de corriente a través de él. Cuanto mayor es la diferencia de potencial (mayor es el cambio de temperatura detectada en la sonda), mayor será el flujo de corriente.
  • Los sistemas de detección de temperatura de este tipo necesitan una alimentación eléctrica DC para trabajar. Los cambios en la tensión de alimentación no conducen a un error de indicación ya que detecta la relación de dos corrientes.

La presión total se suministra directamente de los tubos pitot. 


La redundancia de sistemas


En la ilustración inferior se puede ver un sistema completo de un moderno avión comercial.

Como se puede apreciar, aparte de la duplicación de instrumentos para piloto y copiloto, se han instalado 2 ADC's, 4 tubos pitot, 4 tomas de presión estática, 2 IRS y ademas de todo eso 2 tomas más de presión estática de emergencia o alternativas.

Los sistemas a los que sirve el ADC son:

  • Indicación altimétrica, anemométrica y variométrica Independiente o integrada en PFD/ADI/HSI o similar
  • AFCS (Auto Flight Control System) o sistema de control automático del vuelo
  • Aire acondicionado y presurización
  • Control de empuje automático o manual de los motores
  • Captura automática y mantenimiento de altitud
  • Entrada en pérdida
  • Transponder  (ATC) para la altitud de control de trafico aéreo
  • GPWS (sistema anti-colisión con el terreno)
  • Grabación de datos FDR (Flight Data Recording) 

En los modernos aviones comerciales las señales viajan por medio de buses de datos del tipo ARINC o ASCB, de los que ya se ha comentado algo aquí: 
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/04/protocolos-de-comunicacion-ascb-y-arinc.html Estos buses de datos de los fabricantes deben de cumplir con los protocolos de comunicación estandarizados. 


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2 comentarios:

  1. Muy interesante tu información.... practica y entendible... gracias

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    1. Estimado lector, muchas gracias a ti por el amable comentario y por leer este humilde Blog.

      Un cordial saludo
      Manolo

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