Instituto Superior Técnico – DEM - ACMAAEnsaios em Voo – 1º Exame – 16 de Julho de 2009 1. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas, justificando sucintamente as suas respostas. a) O aumento da amplitude de um sinal contínuo aplicado a um oscilador controlado por tensão implica geralmente um aumento da amplitude do correspondente sinal de saída. b) Sistemas de aquisição de dados do tipo PAM efectuam a modulação de amplitude de várias portadoras, uma para cada sinal medido. c) Sistemas de aquisição de dados do tipo FM efectuam a modulação de frequência de várias portadoras, uma para cada sinal medido. d) Para um mesmo receptor de telemetria, quanto maior for a relação sinal-ruído à sua entrada menor é o alcance do sistema de telemetria. e) O alcance de um sistema de telemetria PCM-FM não depende da codificação utilizada na representação de cada bit. f) As antenas de emissão utilizadas em telemetria possuem geralmente ganhos inferiores a 0dB. g) A sensibilidade de um sensor é sempre constante dentro da sua gama de medida. Considere um sistema de instrumentação PCM de Classe I (conforme à norma RCC 106-07), utilizado na medição, entre outras, das seguintes grandezas: Grandeza aceleração vertical ângulo de ataque Sinal Analógico Digital Gama de medida -3 a 8g -10 a 30º Erro de fim de escala 0.025% 0.05% 2. Considere também o seguinte: • cada Major Frame possui 8 Minor Frames; • o sistema debita informação ao ritmo de 240kbits/s; • a aceleração aparece duas vezes em cada Minor Frame e é medida por um acelerómetro que debita uma tensão analógica; • o ângulo de ataque é normalmente amostrado à taxa de 100Hz; • a tensão à entrada dos conversores analógico-digitais deve estar compreendida entre 0 e 5V. Responda às seguintes questões, justificando sucintamente as suas respostas. a) Para que a medição da aceleração ocorra nas melhores condições possíveis, sem recurso a meios de condicionamento de sinal entre o acelerómetro e o conversor analógico-digital, indique os valores que preconiza para as seguintes características do acelerómetro: gama de medida; sensibilidade; largura de banda. b) Para a gama de medida preconizada qual deverá ser, se possível, o menor valor de erro de fim de escala do acelerómetro, c) d) e) f) g) considerando apenas erros no sensor e no conversor analógicodigital, tendo este uma saída com 12 bits? Determine, se possível, o menor número de bits que deverá ter associada a medição do ângulo de ataque, para que a sua medição seja realizada de acordo com o estipulado. Determine o número de bits em cada Major Frame. A palavra de sincronismo de Major Frame pode ter 3 bits? A palavra de sincronismo de Minor Frame pode ter 12 bits? Se forem utilizados 36 bits para sincronismo e admitindo que todas as palavras de dados têm 12 bits, quantas palavras de dados terá uma Minor Frame? 3. Considere que tem um sistema de telemetria PCM-FM com as seguintes características: • frequência da portadora 1.49GHz (UHF banda L); • potência de saída do emissor 10W; • perdas na linha 0.6dB; • ganho da antena de emissão omnidireccional -0.6dB; • temperatura equivalente de ruído da antena de recepção parabólica 269.11ºK; • figura de mérito da antena de recepção parabólica -3.793dB; • ruído injectado na antena de recepção -147.311dB; • relação sinal-ruído do receptor 15dB; • margem de ruído 22dB. a) Determine o diâmetro da antena de recepção, expresso em ft. b) Determine a maior largura de banda do receptor de telemetria que garante a margem de ruído. c) Nas mesmas condições, determine o maior bit rate que poderá ser utilizado, indicando o tipo de codificação utilizado na representação de cada bit. d) Determine o alcance do sistema de telemetria, expresso em milhas náuticas. e) Determine, se possível, a variação na margem de ruído que ocorre se reduzirmos para metade o alcance. f) Determine, se possível, a variação na margem de ruído que ocorre se duplicarmos o diâmetro da antena de recepção. g) Determine, se possível, a variação na margem de ruído que ocorre se reduzirmos para metade a potência do emissor. Defina os seguintes conceitos e indique qual a sua relevância no âmbito dos ensaios em voo: a) PCM-FM; b) amostragem; c) telemetria; d) temperatura equivalente de ruído de uma antena; e) relação sinal-ruído de um receptor. 4. Instituto Superior Técnico – DEM - ACMAA Ensaios em Voo – 2º Exame – 24 de Julho de 2009 1. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas, justificando sucintamente as suas respostas. a) A redução da amplitude de um sinal contínuo aplicado a um oscilador controlado por tensão implica uma redução da amplitude do correspondente sinal de saída. b) Por modulação de amplitude de um sinal contínuo, com qualquer amplitude, resulta sempre um sinal sinusoidal com frequência constante e igual à da portadora. c) Um sensor com duas sensibilidades distintas dentro da sua gama de medida pode ter uma resposta linear. d) O alcance de um sistema de telemetria diminui com o aumento da temperatura ambiente. e) Os sistemas de instrumentação utilizados em ensaios em voo também podem ser designados por sistemas de telemetria. f) A palavra de sincronismo de minor frame utilizada em sistemas de instrumentação PCM de Classe I pode ter 14 bits. g) A isenção de um sensor não é quantificável. Considere um sistema de instrumentação PCM de Classe I utilizado na medição, entre outras, das seguintes grandezas: Grandeza vibração ângulo de picada Sinal analógico digital Gama de medida -20 a 20g -90 a 90º Erro de fim de escala 2% 0.01% 2. Considere também o seguinte: • o sistema debita informação ao ritmo de 120 kbits/s; • cada major frame é transmitida à taxa de 20 Hz; • a vibração aparece 10 vezes em cada minor frame, à taxa de 800Hz, sendo medida por um acelerómetro piezoeléctrico que debita uma tensão analógica; • o ângulo de picada é normalmente amostrado; • a tensão à entrada dos conversores analógico-digitais deve estar compreendida entre -2.5 e 2.5V. Responda às seguintes questões, justificando sucintamente as suas respostas. a) Para que a medição da vibração ocorra nas melhores condições possíveis, sem recurso a meios de condicionamento de sinal adicionais, indique os valores que preconiza para as seguintes características do sensor: gama de medida; sensibilidade; largura de banda. b) Para a gama de medida preconizada qual deverá ser, se possível, o menor valor de erro de fim de escala do acelerómetro, considerando apenas erros no sensor e no conversor analógicodigital, tendo este uma saída com 12 bits? c) Determine, se possível, o menor número de bits que deverá ter associada a medição do ângulo de picada, para que a sua medição seja realizada de acordo com o estipulado. d) Determine o número de Minor Frames em cada Major Frame. e) Determine o número de bits em cada Major Frame. f) Determine a maior largura de banda que poderá ter o ângulo de ataque? g) Sendo a palavra de sincronismo de Major Frame uma palavra individual, qual o menor número de bits que deverá ter? 3. Considere que tem um sistema de telemetria PCM-FM com as seguintes características: • frequência da portadora 2.22GHz (UHF banda S); • potência isotrópica efectivamente radiada 5.89dB; • perdas na linha 0.5dB; • ganho da antena de emissão omnidireccional -0.6dB; • distância entre a aeronave e a antena de recepção 100nM; • diâmetro da antena de recepção parabólica 5ft; • largura de banda 1MHz; • relação sinal-ruído do receptor 14dB; • margem de ruído 16dB. a) Determine a potência de saída do emissor, expressa em W. b) Determine a temperatura equivalente de ruído da antena de recepção, expressa em ºK. c) Determine o maior bit rate que pode ter o sinal PCM, indicando ainda o código utilizado na representação de cada bit. d) Determine, se possível, a variação no alcance que ocorre para um incremento de 6dB na margem de ruído. e) Determine, se possível, a variação no alcance que ocorre se duplicarmos a potência do emissor. f) Justificando convenientemente a sua resposta diga qual a melhor antena de recepção? A considerada ou uma helicoidal com 23dB de ganho e temperatura equivalente de ruído igual a 240ºK. Defina os seguintes conceitos e indique qual a sua relevância no âmbito dos ensaios em voo: a) multiplexagem por divisão da frequência; b) PAM; c) PCM Classe II; d) potência isotrópica efectivamente radiada; e) margem de ruído. 4. Instituto Superior Técnico Departamento de Engenharia Mecânica Área Científica de Mecânica Aplicada e Aeroespacial Ensaios em Voo – Teste 1 – 23 de Abril de 2009 1. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras justificando sucintamente as suas respostas. ou falsas, a) Com multiplexagem no domínio da frequência a largura de banda de cada sinal medido não depende da largura de banda do correspondente sinal modulado em frequência. b) Os sistemas de instrumentação PCM de Classe II realizam a c) d) e) f) g) multiplexagem no domínio do tempo. Num sistema de instrumentação PCM de Classe II o ritmo de amostragem de um dado parâmetro pode ser variável. Sensores devem ter sempre sensibilidades constantes dentro da sua gama de medida. De acordo com o teorema de Nyquist, a frequência de amostragem deve ser 5 vezes superior à componente de frequência mais elevada do sinal. A figura de mérito de uma antena de recepção é normalmente expressa em dB e é sempre negativa. A relação Eb/N0 depende directamente da largura de banda do receptor de telemetria. 2. Considere um sistema de instrumentação PCM de Classe I (conforme à norma RCC 106-07), utilizado na medição, entre outras, das seguintes grandezas. Também são apresentados os principais requisitos de medição e a precisão requerida é traduzida pelo correspondente erro de fim de escala. Grandeza vibração ângulo de rolamento Sinal analógico digital Gama de medida -120 a 120m/s2 -90 a 90º Largura de banda 10 a 250Hz 0 a 20Hz Precisão 1% 0.2% Considere também o seguinte: • cada Major Frame possui 16 Minor Frames; • cada Minor Frame possui 500 bits; • o sistema debita informação ao ritmo de 500kbits/s; • a vibração é normalmente amostrada, sendo medida por um acelerómetro piezoelétrico, acopolado a um amplificador de carga; • o conjunto acelerómetro piezoeléctrico-amplificador de carga tem por gama de medida ±250m/s2, largura de banda superior a 10kHz, sensibilidade igual a 4mV/(m/s2) e erro de fim de escala igual a 0.5%; • • o ângulo de rolamento é normalmente amostrado, sendo medido através de uma unidade de referência inercial com saída digital e com gama de medida compreendida entre -90 e 90º; todos os conversores analógico-digitais recebem à entrada uma tensão cujo valor deverá estar compreendido entre -5 e 5V. Responda às seguintes questões, justificando sucintamente as suas respostas. a) Quais as características do condicionamento de sinal a efectuar entre o conjunto acelerómetro piezoelécrico-amplificador de carga e o conversor analógico-digital, para que a medição da vibração seja efectuada nas melhores condições possíveis. b) Admitindo que a medição da vibração apenas é afectada por erros no conjunto acelerómetro piezoelécrico-amplificador de carga e no conversor analógico-digital, determine, se possível, o menor número de bits que deverá ter associado o correspondente conversor analógico-digital. c) Determine, se possível, o menor número de bits que deverá ter associada a medição do ângulo de picada, para que a sua medição seja realizada de acordo com o estipulado na lista de parâmetros a medir. Nestas circunstâncias, determine ainda a correspondente resolução. d) Quais as frequências de amostragem de cada um dos parâmetros? Estes valores são coerentes com o especificado na lista de parâmetros a medir? e) Indique qual o menor número de bits que considera necessário para a palavra de sincronismo de Major Frame, indicando se possível os correspondentes valores? f) Qual a menor largura de banda necessária para transmitir o sinal PCM? Como é que pode limitar esta largura de banda? g) Utilizando um sistema de telemetria PCM-FM, qual é o menor desvio que deverá possuir o sinal de saída relativamente à correspondente frequência da portadora? 3. Considere que tem um sistema de telemetria com as seguintes características: • • • • • • • • • • frequência da portadora de 2.22GHz (UHF banda S baixa); emissor com potência de saída igual a 5W; 0.4dB de perdas na linha; antena de emissão com ganho igual a -0.9dB; figura de mérito da antena de recepção igual a -3.01dB; temperatura equivalente de ruído igual a 200ºK; perdas no percurso iguais a 143.6822dB; receptor com largura de banda igual a 1MHz; margem de ruído igual a 14dB; distância entre a aeronave e a estação terrestre igual a 80 milhas náuticas. a) Determine o ganho da antena de recepção. b) Determine as perdas no percurso. c) Determine a potência do ruído injectado na antena de recepção. d) Determine a relação sinal-ruído à entrada do receptor. e) Determine a menor relação sinal-ruído que deve possuir o receptor de telemetria. f) Determine o diâmetro de uma antena de recepção parabólica, com a mesma temperatura equivalente de ruído e com uma relação G/T superior em 3dB à da antena anteriormente considerada. g) Nas mesmas condições, dois receptores de telemetria possuem diferentes valores de razão Eb/N0 e para a mesma probabilidade de ocorrência de um erro de bit. Qual deles é o melhor? 4. Defina os seguintes conceitos e indique qual a sua relevância no âmbito dos ensaios em voo: a) figura de mérito da antena de recepção; b) PCM Classe I; c) isenção; d) condicionamento de sinal; e) sensor. 1º Exame de Ensaios em Voo, 2009/2010 MEAer, 3º ano, 2ºsem. – dia 25/06 - duração 2h30 1/3 Solução 1. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas, justificando sucintamente as suas respostas [4 val.]: a) Numa estrutura de dados PCM, a primeira palavra de cada Major Frame é normalmente constante. V, a primeira palavra é a palavra de sincronismo de minor frame. b) Para permitir o correcto funcionamento de um descomutador PCM é apenas necessário conhecer o ritmo de transmissão e as palavras de sincronismo utilizadas. F, é necessário também conhecer a estrutura das frames c) Um acelerómetro linear, com gama de medida entre -10 e +10 g e precisão de fim de escala igual a 0.05%, é mais preciso que um outro acelerómetro com erro absoluto igual a 0.01g. F, a precisão é idêntica: da = 20g x 0.05/100 = 0.01g d) A utilização de conversores analógico-digitais de 16 bits, em vez de outros de 12 bits, não implica qualquer variação no inerente erro de quantificação. F, o erro fim de escala é: para 16 bits: d16=1/2^16=1/65536, para 12 bits: d12=1/2^12=1/4096 logo d12 > d16 2. Defina os seguintes conceitos e indique qual a sua relevância no âmbito dos ensaios em voo [4 val.]: a) multiplexagem por divisão no tempo É a integração num mesmo sinal de vários parâmetros, organizados sequencialmente no tempo, por exemplo de acordo com o formato PCM, que é a solução mais utilizada em ensaios em voo. b) largura de banda É a gama de frequência onde o sinal tem características constantes, i.e. onde deve ser utilizado. A largura de banda dos sensores deve cobrir a gama de frequências desejada. c) amostragem É a operação que consiste em obter o valor de um sinal para instantes discretos, obtido para valores do tempo separados pelo período de amostragem: está normalmente associada à conversão de um sinal analógico num sinal digital, como nos sistemas PCM usados em ensaios em voo. d) telemetria É a operação que consiste em enviar numa ligação rádio os dados obtidos num sistema de instrumentação embarcado desde um veículo para uma estação de recepção onde são analisados e/ou gravados em tempo real ou diferido. e) resolução É a característica de um instrumento ou sistema de instrumentação, quantificando a variação mínima que pode ser detectada. Em ensaios em voo está frequentemente associada ao número de bits usados na codificação de um parâmetro. 1º Exame de Ensaios em Voo, 2009/2010 MEAer, 3º ano, 2ºsem. – dia 25/06 - duração 2h30 2/3 3. Comente sobre as seguintes afirmações ou elabore sobre os seguintes tópicos específicos de ensaios em voo [6 val.]: a) Testes de aeroelasticidade e de avaliação estrutural utilizam os mesmos sensores. Sim, são acelerómetros e extensómetros essencialmente. b) Identifique 3 pontos onde os ensaios em voo de helicópteros se distinguem de outras aeronaves. Por exemplo: envelope de voo que inclui o voo pairado, a incidência de vibrações, dificuldade em medir o escoamento devido à esteira do rotor principal. c) Defina os objectivos dos testes de armamento. Analisar a separação, avaliar a trajectória e a precisão do impacto no chão d) Os testes de radar procuram verificar a sua interferência com os sistemas da aeronave. Devem primeiro avaliar o desempenho do radar na detecção e localização de alvos. Obviamente se forem detectadas interferências tal será registado e haverá correcções. e) O desempenho da aeronave influencia os resultados dos testes de ruído externo. Sim: aeronaves com melhor desempenho podem alcançar maior altitude em menor distância, o que resulta em diferentes valores de ruído medido pelos microfones colocados a distâncias fixas da pista. f) Comente a importância da análise do escoamento de aeronaves. A análise do escoamento de aeronaves permite medir variáveis importantes (como pressão e velocidade ar, ângulos aerodinâmicos) para a definição do envelope de voo e validação dos modelos de simulação. 1º Exame de Ensaios em Voo, 2009/2010 3/3 4. Considere que pretende projectar um sistema de instrumentação PCM (conforme à norma IRIG 106), para medição das seguintes grandezas [6 val.]: Grandeza Tipo Gama de medida Largura de banda Vibração vert. na asa Altitude analógico digital -15 a +15 g -500 a 50000 ft 3Hz a 1 kHz 0 a 10 Hz Considere também o seguinte: • cada Major Frame possui oito Minor Frames; • cada Minor Frame possui 240 bits; • a vibração aparece seis vezes numa Minor Frame, é medida por um acelerómetro piezoeléctrico, com gama de medida entre ±30g, associado a um amplificador de carga, debitando uma tensão contínua, compreendida entre ±10V, com largura de banda inferior a 800Hz; • o erro de fim de escala do conjunto acelerómetro piezoeléctrico e amplificador de carga é igual a 1.5%; • todos os conversores analógico-digitais recebem à entrada uma tensão cujo valor deverá estar compreendido entre ±5V. Responda às seguintes questões, justificando sucintamente as suas respostas. a) Qual é a sensibilidade do conjunto acelerómetro piezoeléctrico e amplificador de carga? S=1/3[V/g] b) Alguns dos requisitos de medição não pode ser cumprido? A medição da vibração requer alguma forma de condicionamento de sinal? Em caso afirmativo, caracterize devidamente os respectivos meios. A largura de banda é insuficiente: Fmax=800Hz<1kHz |a|<15g |U|<5V não precisa de CS c) Qual o valor mínimo da frequência de amostragem da vibração? O teorema de Nyquist pede um factor 2 mas é mais seguro com um factor 5: Famax=800Hz Fs>=4kHz d) Considerando que a medição da vibração apenas é afectada por erros de quantificação e no conjunto formado pelo acelerómetro piezoeléctrico e pelo respectivo amplificador de carga, determine, se possível, o menor número de bits para o qual se garante que a precisão absoluta da medição da vibração é igual ou inferior a 1g. FS=2x30g, Da(S)=0.9g da<0.1g N>log2(2*15g/0.1g) N=9 e) Para os valores determinados em c) e d), determine o correspondente ritmo de transmissão. F>4000*240/6=160kbits/s f) Qual o número de bits necessários para a representação da altitude, por forma a que a resolução seja melhor que 1ft? N>log2(50500ft/1ft) N=16 2º Exame de Ensaios em Voo, 2009/2010 1/4 corecção 1. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas, justificando sucintamente as suas respostas [4 val.]: a) Num sistema de telemetria, as “boas” antenas de recepção são omnidireccionais. F, porque se deseja um gano de recepção maior, devem ser direccionais e seguir a aeronave de teste. b) A resolução de um sensor com saída digital é sempre inferior à de um sensor com saída analógica. F, o tipo de saída não implica nada sobre o princípio de funcionamento, nem sobre as características do sensor como a resolução. c) Idealmente um sensor deve possuir uma resposta linear. V, o que facilita as conversões para grandezas de engenharia d) A precisão de um sensor digital depende do número de bits à sua saída. V, a resolução varia como o inverso de 2^N, onde N é o número de bits, mas a precisão não é só determinada pela resolução 2. Defina os seguintes conceitos e indique qual a sua relevância no âmbito dos ensaios em voo [4 val.]: a) PCM Codificação digital com a multiplexagem no tempo de vários sinais digitais num formato normalizado pelo IRIG, definindo-se uma estrutura com quadros menores e maiores e palavras de sincronismo. b) largura de banda É a gama de frequência onde o sinal tem características constantes c) modulação de frequência É uma forma de codificação analógica de um sinal com uma portadora e sendo o sinal codificado como a pequena variação da frequência do sinal d) subcomutação É uma característica de um sinal presente somente em alguns quadros menores (minor frame) de um sinal PCM, resultando numa frequência de amostragem inferior à frequência normal e) oscilador controlado por tensão. Componente electrónico que permite gerar um sinal sinusoidal cuja frequência depende linearmente da tensão de entrada: é utilizado na modulação de frequência. 3. Comente sobre as seguintes afirmações ou elabore sobre os seguintes tópicos específicos de ensaios em voo [6 val.]: a) Forneça uma lista de variáveis a medir na avaliação do sistema propulsivo. Pressão, caudal de combustível, temperatura e velocidade de rotação, eventualmente em vários andares. b) A certificação de uma aeronave supõe medições do ruído externo em voo. Em voo mas somente na fase de descolagem ou aterragem. 2º Exame de Ensaios em Voo, 2009/2010 2/4 c) A avaliação do comportamento de uma aeronave em resposta a falhas de motores só pode ser efectuada em voo. Não: deve ser também feita em voo mas só segurança da manobra em simulação e/ou bancada depois de verificada a d) Os sistemas de guerra aérea provocam interferências electromagnéticas na aeronave e seus equipamentos. Não devem e os ensaios em voo devem confirmá-lo. e) Compare testes de armamento com testes de separação de carga. Os testes de armamento tem como objecto as armas enquanto os testes de separação verificam a sua influência sobre a aeronave Testes de armamento tentam verificar o largamento, trajectória e precisão do impacto Testes de separação pretendem medir os efeitos da separação sobre a asa e estrutura da aeronave f) O que são considerados sistemas críticos de helicópteros e porquê a necessidade de avaliação destes sistemas. Sistemas críticos de helicópteros são sistemas indispensáveis à segurança em voo de helicópteros, entre os quais convém mencionar os rotores principal e de cauda. A avaliação destes sistemas é essencial (e complementar aos ensaios em voo normais de helicópteros) para identificar todas as falhas possíveis e suas probabilidades de ocorrência, e as suas consequências para o helicóptero. 2º Exame de Ensaios em Voo, 2009/2010 3/4 4. Um sistema de aquisição de dados do tipo PCM (conforme à norma IRIG 106), debita para o exterior um sinal possuindo para cada quadro maior (major frame) a seguinte estrutura interna [6 val.]: W1 W1 W1 W2 W12 w13 W8 W8 W8 W9 W10 W11 W3 W3 W3 W8 W8 W8 W6 W6 W6 W7 W7 W7 W14 W14 W14 W8 W8 W8 W4 W4 W4 W5 W5 W5 W3 W3 W3 W8 W8 W8 • W1 é uma palavra constante com 34 bits; • W2 tem dois bits e o valor constante 00; • W3 corresponde à aceleração vertical no centro de gravidade e possui 12 bits; • W4 corresponde ao ângulo de ataque e possui 12 bits; • W5 corresponde ao ângulo de rolamento e possui 12 bits; • W6 corresponde à velocidade de ar verdadeira e possui 16 bits; • W7 corresponde à altitude barométrica e possui 16 bits; • W8 corresponde à vibração medida na ponta da asa e possui 12 bits; • W9 corresponde à latitude e possui 24 bits; • W10 corresponde à longitude e possui 24 bits; • W11 corresponde à altitude e possui 24 bits; • W12 tem dois bits e o valor constante 01; • W13 tem dois bits e o valor constante 10; • W14 tem quatro bits e o valor constante 0010. Sabe-se igualmente que: • a vibração aparece seis vezes numa Minor Frame, é medida por um acelerómetro piezoeléctrico, com gama de medida entre ±20g, associado a um amplificador de carga, debitando uma tensão contínua, compreendida entre ±10V; • o erro de fim de escala do conjunto acelerómetro piezoeléctrico e amplificador de carga é igual a 1.5%; • todos os conversores analógico-digitais recebem à entrada uma tensão cujo valor deverá estar compreendido entre ±5V. Responda às seguintes questões, justificando sucintamente as suas respostas. a) A estrutura apresentada parece-lhe coerente? Caso a sua resposta seja negativa, indique todas as incoerências detectadas e introduza na estrutura apresentada as alterações que julgue convenientes. 36 84 34 2 12 24 12 12 16 16 4 12 12 12 12 W1 W2 W8 W9 W3 W8 W6 W7 W14 W8 W4 W5 W3 W1 W12 W8 W10 W3 W8 W6 W7 W14 W8 W4 W5 W3 W1 W13 W8 W11 W3 W8 W6 W7 W14 W8 W4 W5 W3 Se esquecermos a informação de que a vibração aparece 6 vezes a estrutura é coerente; reconhecem-se: • • • • W1 palavra de sincronismo do quadro menor: minor frame sync W2,W12,W13: SFID W6,W7, W4,W5 (AOA, phi, TAS, h): sinais amostrados à freq normal W8 (vibração) está sobrecomutado a uma frequência quadrupla (x4) da normal: 4 palavras de 12 bits por quadro menor, separadas de forma equilibrada por 36 bits de outros dados W3 (aceleração) está sobrecomutado a freq dupla: 2 palavras de 12 bits separadas por 84 bits W9,W10,W11 (LLA): sinais subamostrados a 1/3 da freq normal total 12 192 W8 W8 W8 por minor frame • • 2º Exame de Ensaios em Voo, 2009/2010 4/4 Se considerarmos que a vibração deveria aparecer 6 vezes por minor frame, como existe um bloco inicial de 36 bits com sincronismo e SFID, a unica forma de ter a vibração distribuída de forma equilibrada é de ter blocos de 36 bits a separar as 6 ocorrências da vibração, o que implica acrescentar um total de 96 bits; deve no entanto deslocar a palavra W3 também sobrecomutada para manter a sua distribuição na minor frame, separando as 2 ocorrências por 132 bits, por exemplo de acordo com a tabela seguinte, que implica o menor número de alterações (existem alternativas possíveis). 132 36 132 total 34 2 12 24 12 12 16 16 4 12 12 12 12 12 24 12 12 36 12 288 W1 W2 W8 W9 W3 W8 W6 W7 W14 W8 W4 W5 X W8 Y W3 W8 Z W8 W1 W12 W8 W10 W3 W8 W6 W7 W14 W8 W4 W5 X W8 Y W3 W8 Z W8 W1 W13 W8 W11 W3 W8 W6 W7 W14 W8 W4 W5 X W8 Y W3 W8 Z W8 Acrescenta-se palavras X,Y e Z, de 12, 24 e 36 bits, cujo valor é indiferente. b) Quantos quadros menores (minor frames) possui cada quadro maior (major frame)? Quais são as palavras de sincronismo? 3 menores por maior; sincronismo de minor frame: W1; SFID: W2,W12,W13 c) Se o ritmo de transmissão (bit rate) for de 80Kbits/s, qual a frequência de amostragem de cada um dos parâmetros medidos? A freq normal F=(80kbits/s)/(192 bits/frame)= =416.7(frames/s) W4,5,6,7 (AOA, phi, TAS, h): W3 (aceleração): W8 (vibração): W9,10,11 (LLA): 2x 4x/6x 1/3 833.3Hz 1666.7Hz 138.9Hz 555.6 Hz 1666.7Hz 92.6 Hz Normal 416.7 Hz (80kbits/s)/(288bits/frame)= =277.8(frames/s) 277.8 Hz d) Nas condições da alínea anterior, diga qual a largura de banda que poderá possuir cada parâmetro medido, para que a sua medição ocorra com o menor erro possível? Como é que pode limitar a largura de banda de cada um dos parâmetros medidos? Caso esta limitação não ocorra, como se designa o erro que irá ser introduzido? Pelo teorema de Nyquist, cada parâmetro deve ter no mínimo uma margem de 1/2 da freq de amostragem (ou melhor 1/5); eventualmente, para os sinais analógicos, deve ser introduzido um filtro passa-baixo para evitar o erro de subamostragem (aliasing). Aqui, considerando um factor 1/2: W4,5,6,7 (AOA, phi, TAS, h): f<213.3Hz ou f<138.9Hz W3 (aceleração): f<416.7Hz ou f<277.8Hz W8 (vibração): f<833.3Hz W9,10,11 (LLA): f<64.4Hz ou f<46.3Hz e) Determine a resolução angular dos registos de latitude e longitude. Latitude: 180deg/2^24=1.07e-5deg=0.039” Longitude: 360deg/2^24=0.078” f) Verifique se a aquisição da vibração necessita de condicionamento de sinal para utilizar a gama de medida do sensor. Determine a resolução e a precisão da medida da vibração. CS: G=1/2; da=20g*2/2^12=0.00977g; Da(S)=1.5%*20*2g=0.6g; Da=0.61g Instituto Superior Técnico – DEM - ACMAA Ensaios em Voo – Exame 1 – 16 de Junho de 2011 1. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas, justificando sucintamente as suas respostas. a) O alcance de um sistema de telemetria PCM-FM depende da codificação utilizada na representação de cada bit. b) O alcance de um sistema de telemetria não depende da temperatura ambiente. c) A palavra de sincronismo de Minor Frame, utilizada em sistemas de instrumentação PCM de Classe I, não pode ter 14 bits. d) Um sensor com saída digital é mais preciso que um sensor com saída analógica. e) O ganho de uma antena de emissão, normalmente utilizada em ensaio em voo e se expresso em dB, nunca é positivo. f) Um bom receptor de telemetria tem reduzida relação sinal-ruído. g) Os sistemas de instrumentação usados em ensaios em voo também podem ser designados por sistemas de telemetria. Considere um sistema de instrumentação PCM de Classe I, utilizado na medição, entre outras, das seguintes grandezas (a precisão requerida é traduzida pelo correspondente erro de fim de escala): Grandeza aceleração vertical velocidade ar verdadeira Sinal analógico digital Gama de medida -3 a 9g 0 a 600kts Precisão 0.1% 0.05% 2. Considere também o seguinte: cada Major Frame possui 8 Minor Frames; a aceleração é medida por um acelerómetro de forças equilibradas, com gama de medida igual a ±10g, largura de banda superior a 1kHz, erro de fim de escala de 0.05% e debita uma tensão contínua compreendida entre -10 e 10V; a aceleração vertical é normalmente amostrada; a velocidade ar verdadeira aparece 4 vezes em cada Major Frame, sendo amostrada à frequência de 50Hz; cada Minor Frame possui 4000 bits; os conversores analógico-digitais debitam 16 bits e a tensão, à entrada, deve estar compreendida entre 0 e 5V. Responda às seguintes questões, justificando sucintamente as suas respostas. a) Para estes dois parâmetros, determine, se possível, a maior largura de banda que poderão exibir as suas medições. b) Determine, se possível, o menor número de bits que deverá ter associada a medição da velocidade ar verdadeira, para serem cumpridos os requisitos expressos na lista apresentada. c) Para que a medição da aceleração vertical ocorra nas melhores condições possíveis, indique as características que preconiza para o sistema de condicionamento de sinal, a adoptar na ligação entre o acelerómetro e o conversor analógico-digital. d) Desprezando eventuais erros no condicionamento de sinal, determine, se possível, os erros absoluto e de fim de escala associados à medição da aceleração vertical. Estes valores estão de acordo com os requisitos expressos na lista apresentada? e) Determine a menor frequência de amostragem que é possível utilizar. f) Determine a razão de transmissão de bits (bit rate). g) Qual é o menor número de bits que a palavra de sincronismo de Major Frame deverá possuir? 3. Considere um sistema de telemetria com as seguintes características: frequência da portadora de 1490.5MHz (UHF banda L); potência à saída do emissor igual a 10W; antena de emissão perfeitamente isotrópica; potência isotrópica efectivamente radiada igual a 9.6dB; antena de recepção helicoidal, com ganho igual a 16dB; receptor com largura de banda igual a 1MHz; relação sinal-ruído do receptor igual a 12dB; 140dB de perdas no percurso; potência do ruído igual a -145dB; margem de ruído igual a 16dB. a) Determine, se possível, as perdas na linha entre o emissor e a antena de emissão. b) Para a antena de recepção determine, se possível: a temperatura equivalente de ruído, expressa em ºK: a sua figura de mérito. c) Determine, se possível, a relação sinal-ruído à entrada do receptor de telemetria. d) Determine, se possível, o alcance do sistema de telemetria, expresso em Milhas náuticas. e) Qual o maior ritmo de transmissão que pode evidenciar um sistema de aquisição de dados PCM, cuja informação seja transmitida por este sistema de telemetria? Nas mesmas circunstâncias, qual a codificação de cada bit que sugere? f) Determine a variação na margem de ruído que ocorre se o alcance do sistema de telemetria diminuir 50 Milhas náuticas. g) Determine a figura de mérito de uma antena de recepção parabólica, com 3ft de diâmetro e 500ºK de temperatura equivalente de ruído. Esta antena é melhor, ou pior, que a utilizada? Defina os seguintes conceitos e indique qual a sua relevância no âmbito dos ensaios em voo: a) sensibilidade; b) resolução; c) potência isotrópica efectivamente radiada; d) PAM; e) telemetria. 4. Instituto Superior Técnico – DEM - ACMAA Ensaios em Voo – Exame 2 – 28 de Junho de 2011 1. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas, justificando sucintamente as suas respostas. a) A precisão de um sensor não é melhor caso ele seja digital. b) A isenção é uma característica metrológica quantificável. c) As antenas de recepção, utilizadas em ensaios em voo, geralmente, possuem ganhos positivos. d) Entre duas antenas de recepção, deve-se optar pela que exibe maior figura de mérito. e) O alcance de um sistema de telemetria PCM-FM não depende da codificação utilizada na representação de cada bit. f) A palavra de sincronismo de Minor Frame, utilizada em sistemas de instrumentação PCM de Classe I, pode ter 14 bits. g) A sensibilidade de um sensor, utilizado em ensaios em voo, deve ser constante em toda a sua gama de medida. Considere um sistema de instrumentação PCM de Classe I, utilizado na medição, entre outras, das seguintes grandezas (a precisão requerida é traduzida pelo correspondente erro de fim de escala): Grandeza vibração vertical no CG ângulo de ataque Sinal analógico digital Gama de medida -150 a 150m/s -10 a 30º 2 2. Largura de banda 3 a 500Hz 0 a 20Hz Precisão 2% 0.1% Considere também o seguinte: a vibração é medida por um conjunto acelerómetro piezoeléctrico/amplificador de carga, com gama de medida compreendida entre ±200m/s2, largura de banda superior a 10kHz, sensibilidade igual a 25mV/(m/s2) e a saída é nula quando a entrada é igual a -200m/s2; o ângulo de ataque aparece 1 vez em cada Major Frame; cada Major Frame possui 4 Minor Frames; cada Minor Frame possui 4000 bits; o ritmo de transmissão (bit rate) é igual a 1.6Mbits/s; os conversores analógico-digitais debitam 12 bits e a tensão, à entrada, deve estar compreendida entre -5 e 5V. Responda às seguintes questões, justificando sucintamente as suas respostas. a) Determine a frequência de amostragem do ângulo de ataque. Este valor é coerente com os requisitos apresentados? b) Determine, se possível, o maior valor do erro de fim de escala que poderá possuir o conjunto acelerómetro piezoeléctrico/amplificador de carga. c) Para a vibração determine, se possível: a menor frequência de amostragem que deverá ser adoptada; o número de amostras que deverá constar em cada Minor Frame e em cada Major Frame. A vibração é então normalmente amostrada, subamostrada ou sobreamostrada? d) Para que a medição da vibração ocorra nas melhores condições possíveis, indique as características que preconiza para o sistema de condicionamento de sinal, a adoptar na ligação entre o conjunto acelerómetro piezo-eléctrico/amplificador de carga e o conversor analógico-digital. e) Determine, se possível, o menor número de bits que deverá possuir o sinal de ângulo de ataque. f) Qual é o menor número de bits que a palavra de sincronismo de Minor Frame deverá possuir? g) Qual é a menor frequência de amostragem que este sistema de instrumentação poderá aplicar? Qual é, neste caso, o maior valor de frequência que o sinal amostrado poderá possuir? 3. Considere um sistema de telemetria com as seguintes características: frequência da portadora de 1490.5MHz (UHF banda L); 0.4dB de perdas na linha, entre o emissor e a antena; antena de emissão perfeitamente isotrópica; potência isotrópica efectivamente radiada igual a 6.59dB; antena de recepção parabólica com 250ºK de temperatura equivalente de ruído e com -3.47dB de figura de mérito; potência do ruído igual a -147.63dB; margem de ruído igual a 20dB; 100 Milhas náuticas de distância entre a aeronave e a estação terrestre. a) Determine, se possível, a potência à saída do emissor e expressa em W. b) Para a antena de recepção determine, se possível, o seu ganho e o seu diâmetro, expresso em ft. c) Determine, se possível, as perdas no percurso. d) Determine, se possível, a largura de banda do receptor de telemetria, expressa em Hz. e) Determine, se possível, a relação sinal-ruído à entrada do receptor de telemetria. f) Determine, se possível, a relação sinal-ruído do receptor de telemetria. Este receptor é melhor ou pior que um que possua uma relação sinal-ruído de 16dB? g) Para a mesma distância entre a aeronave e a estação terrestre, qual a largura de banda do receptor para a qual ocorre uma redução de 6dB na margem de ruído? Defina os seguintes conceitos e indique qual a sua relevância no âmbito dos ensaios em voo: a) relação G/T; b) multiplexagem por divisão do tempo; c) RCC IRIG-106; d) PCM Classe II; e) precisão. 4. Exame Tipo de Ensaios em Voo, 2009/2010 MEAer, 3º ano, 2ºsem. - duração 2h30 1/2 1. Diga se as seguintes afirmações são verdadeiras ou falsas, justificando sucintamente as suas respostas [4 val.]: a) Numa estrutura de dados PCM, se cada Major Frame possuir mais do que uma Minor Frame, a segunda palavra de cada Minor Frame é normalmente constante. b) Um descomutador PCM debita os valores dos vários sinais medidos, expressos em unidades de engenharia. c) Um sensor com saída digital é mais preciso que um sensor com saída analógica. d) Um sistema de medida diz-se pouco isento quando a sua precisão é reduzida 2. Defina os seguintes conceitos e indique qual a sua relevância no âmbito dos ensaios em voo [4 val.]: a) b) c) d) e) multiplexagem por divisão na frequência condicionamento de sinal sobrecomutação relação sinal-ruído dB 3. Comente sobre as seguintes afirmações ou elabore sobre os seguintes tópicos específicos de ensaios em voo [6 val.]: a) b) c) d) e) Os ensaios em voo não se limitam aos testes de aeronavegabilidade. Testes de aeroelasticidade e de avaliação estrutural têm objectivos bem distintos. Os testes de separação de cargas visam verificar o seu efeito sobre a aerodinâmica da aeronave. Indique 3 exemplos de fontes naturais de interferências electromagnéticas. As características e o local de instalação da instrumentação utilizada em ensaios em voo são importantes. f) Os ensaios em voo a helicópteros englobam normalmente a avaliação dos sistemas críticos dos mesmos. Exame Tipo de Ensaios em Voo, 2009/2010 2/2 4. Considere que pretende projectar um sistema de instrumentação PCM (conforme à norma IRIG 106), para medição das seguintes grandezas [6 val.]: Grandeza tempo aceleração vertical aceleração lateral ângulo de picada ângulo de rolamento ângulo de guinada ângulo de ataque velocidade ar altitude Tipo digital analógico analógico digital digital digital digital digital digital Gama de medida resolução de 1 ms -3 a 8 g -1.5 a 1.5 g -90 a 90º -90 a 90º 0 a 360º -30 a 40º 0 a 600 kts 0 a 40000 ft Precisão requerida -0.1% 0.1% 0.25% 0.25% 0.25% 0.25% 0.1% 0.05 % Considere também o seguinte: • cada uma das major frames que constituem o sinal PCM terá quatro minor frames; • as palavras de sincronismo de major frame, se necessárias, terão 8 bits; • as palavras de sincronismo de minor frame, se necessárias, terão 24 bits; • o sistema debita um sinal à taxa de 50 Kbits/s. • o sinal de tempo, produzido por um gerador de base de tempo com 32 bits, é normalmente amostrado; • as acelerações, vertical e lateral, devem ser sobreamostradas, a uma frequência 3 vezes superior à de um parâmetro normalmente amostrado, sendo medidas por intermédio de acelerómetros de forças equilibradas, com gama de medida entre -10 e 10g, com precisão de fim de escala de 0.1% e sendo a sua saída uma tensão analógica (-10g corresponde a -5V e 10g corresponde a 5V); • os ângulos de picada, rolamento, guinada e ataque devem ser subamostrados, a uma frequência 4 vezes inferior à de um parâmetro normalmente amostrado, sendo medidos por intermédio de sensores digitais de 14 bits e com gamas de medida iguais às indicadas na tabela; • a altitude e a velocidade ar devem ser subamostradas, a uma frequência 2 vezes inferior à de um parâmetro normalmente amostrado, sendo medidas por intermédio de sensores com saída digital, com 16 bits e com gamas de medida iguais às indicadas na tabela; • antes de ser realizada a multiplexagem dos vários parâmetros medidos, cada um dos parâmetros analógicos é convertido individualmente para um formato digital, através de conversores analógico-digitais de 10 bits, devendo a sua entrada estar compreendida entre 0 e 5V; • todos os conversores analógico-digitais utilizados, incluindo os contidos em sensores, têm frequências de conversão superiores a 1 KHz; Responda às seguintes questões, justificando sucintamente as suas respostas. a) De acordo com os requisitos apresentados anteriormente, e se possível, qual a estrutura interna de cada quadro maior (major frame) que preconiza? b) Com base na resposta anterior, diga qual a frequência de amostragem de cada parâmetro medido. c) Para que a medição dos parâmetros analógicos seja realizada em condições óptimas, é necessária a utilização de meios de condicionamento de sinal? Caso a sua resposta seja afirmativa, indique todas as características que devem possuir os correspondentes meios de condicionamento de sinal, considerando que a largura de banda exibida por cada uma das grandezas analógicas é muito superior à indicada na tabela. d) Considerando que as grandezas analógicas apenas são afectadas por erros nos sensores e de quantificação, determine, se possível, os erros cometidos na medição dos parâmetros analógicos e expressos em unidades de engenharia. Compare estes valores com os especificados na tabela.