СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТИ ГАЗОВОГО ПОТОКА Российский патент 1994 года по МПК G01P5/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения направления или скоса газового потока в аэродинамических трубах. Оно может быть также использовано в различных газодинамических и вентиляционных устройствах, где требуется определять, например, поле направлений скоростей низкого, порядка единиц и десятков метров в секунду, уровня.

Известен способ определения направления скорости потока в аэродинамической трубе, когда пневмометрический приемник или насадок устанавливается так, чтобы его ось совпадала с осью трубы. Затем во время работы трубы регистрируют показания манометров, соединенных пневмотрассами с приемными отверстиями, которые симметрично расположены относительно оси приемника. Если ось приемника совпадает с направлением потока, то давления в симметричных отверстиях будут равными. Ее отклонение вызывает различие в показаниях манометров, соединенных с приемными отверстиями. При помощи градуировочных графиков в виде зависимости разности давлений от угла определяют соответствующий угол отклонения потока.

Недостаток способа связан с тем, что при измерении направления потоков низких скоростей, порядка единиц и десятков метров в секунду, приходится измерять давления невысокого уровня: например, скорости воздуха 5 м/с в нормальных условиях соответствует давление всего лишь 15 Па (1,6 кгс/м²).

Как известно, измерение таких давлений электрическими датчиками весьма затруднительно из-за высоких температурных погрешностей, главным образом аддитивных, проявляющихся в виде дрейфа показаний. По этой же причине в данном способе не представляется возможным с удовлетворительной точностью измерять одним дифференциальным датчиком непосредственно разность двух давлений, поскольку разности весьма невелики, а роль аддитивной погрешности значительна.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что перед проведением измерений совмещают приемные отверстия пневмометрического приемника, симметрично расположенные относительно его продольной оси, с одной из осей неподвижной системы координат, лежащей в плоскости, перпендикулярной продольной оси приемника, и проводят n ≥ 2 циклов измерений разности давлений в двух положениях, одно из которых соответствует точке нулевого положения приемника, а другое - углу поворота приемника вокруг его продольной оси на угол ϕ= (n-1). Затем возвращают приемник давления в нулевое положение и повторяют следующие циклы измерений. Полученный в каждом цикле измерений информативный сигнал умножают на косинус и синус угла поворота приемника, интегрируют по времени, равному длительности одного цикла. Поворот приемника осуществляют с шагом Ψ , а время выдержки приемника в нулевом положении и в конце каждого цикла измерения выбирают большим времени установления давления в пневмотрассе.

Сущность изобретения поясняется с помощью структурной схемы измерительной системы, в которой реализован способ - фиг. 1. На фиг. 2 показан вид приемника 1 со стороны отверстий 2 и 3. Система состоит из приемника 1 с двумя приемными отверстиями 2 и 3. Симметричные отверстия 2 и 3 приемника 1 соединены с пневмовходами датчика 4. Дифференциальный датчик 4 давления соединен с усилительно-преобразовательным блоком 5, выходы которого соединены с умножителями 6 и 7, а выходы умножителей - с интеграторами 8 и 9.

Измерение направления скорости газового потока основано на измерении разности давлений в симметрично расположенных относительно продольной оси отверстиях пневмометрического приемника. Перед измерением совмещают приемные отверстия с одной из осей неподвижной системы координат, расположенной в плоскости, перпендикулярной продольной оси приемника, и проводят n ≥ 2 циклов измерений разности давлений. Каждый цикл включает в себя измерение в двух положениях приемника в нулевой точке и в положении, соответствующем углу поворота на угол ϕ= (n-1). Далее возвращают приемник в нулевое положение и повторяют следующие циклы измерений, а полученный в каждом цикле измерений сигнал умножают на косинус и синус угла поворота приемника, интегрируют по времени, равном длительности одного цикла, причем поворот осуществляют с шагом Ψ, а время выдержки приемника в нулевом положении и в конце каждого цикла измерения выбирают большим времени установления давления в пневмотрассах.

При пояснении сущности способа с целью упрощения выкладок предположим, что приемник вращается равномерно в одном направлении и начальное положение его отверстий совпадает с осью OZ.

Как известно, направление потока или угол скоса β в горизонтальной плоскости является функцией разности давлений P и Pв симметричных относительно начала координат O точках Z₁ (2 на фиг. 2) и - Z₁ (3 на фиг. 2), лежащих на оси OZ:
β= f(), (I)где = ,
Р_о - давление в критической точке (на оси) приемника;
Р - статическое давление (давление на боковой поверхности приемника).

Соответственно в вертикальной плоскости
α= f(), (2) где ΔP_y= .

При вращении приемника с угловой скоростью ω перепад давлений, выраженный в относительных величинах, следующим образом связан с давлениями в точках 2 и 3:
= cosωt+ sinωt , (3)
ΔP_Z= ΔP(t)/ωt= 0= P₂-P₃/ωt= 0,
ΔP_y= P(t)/ωt= = P₂-P₃/ωt= .

Согласно (1) и (2), для определения αиβ нужно измерить Δ P_Z и Δ P_y, т. е. взять отсчеты в те моменты времени, когда отверстия 2 и 3 совпадают с осями координат OZ и OY.

Вместо (3) для электрического сигнала на выходе блока 5 запишем
ε^(с)(t)= ε_Zm^(c)cosωt+ε_ym^(c)sinωt, (4) где ε_Zm^(c)= SΔP_Z при ωt= 0,
ε_ym^(c)= SΔP_y при ωt= ,
S - коэффициент преобразования блока 5.

Чтобы определить направление скорости потока в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, необходимо, имея в виду сигналы, измерить ε_Zm^(c) и ε_ym^(c)). Для этого достаточно умножить выходной сигнал блока 5 на две периодические функции: на cos ω t и sin ω t они соответствуют закону движения приемника, причем вторая из них является аналогом первой, но сдвинута относительно нее на четверть периода. Полученные произведения необходимо проинтегрировать за время Т, равное длительности одного оборота приемника
T= .

Действительно, после умножения и интегрирования будем иметь для I-го канала, состоящего из 6 и 8:
(5) Практически выходной сигнал датчика и соответственно блока 5, кроме полезной (информативной) составляющей ε_n^(c) (t), содержит составляющую начального разбаланса ε_o^(c)U, зависящую от времени составляющую температурного дрейфа ε_д^(c)(t):
ε^(c)(t)= ε_n^(c)(t)+ε_o^(c)+ε_д^(c)(t), или (6)
ε^(c)(t)= ε_Zm^(c)cosωt+ε_ym^(c)sinωt+ε_o^(c)+ε_g^(c)(t).

Подставляя (6) в (5), получим (7)
Допустим в качестве примера, что дрейф может быть аппроксимирован линейной функцией времени
ε_g^(c)(t)= ε_go^(c)+ at. (8)
Подставляя (8) в (7), после интегрирования получим
ε_I^(c)(t)= ε_Z^(c)(t)= ε_Zm^(c),
ε(cII

Собственно составляющие, обусловленные дрейфом, выражаются следующим образом:
0 (9) Относительная аддитивная погрешность, обусловленная температурным дрейфом,
δ_д= 2. (10)
Предположим для примера, что секундный дрейф нуля составляет 1% от номинальной величины измеряемого сигнала, т. е.

= 0,01 при t = 1 с.

Допустим, что число оборотов приемника n = 300 об/мин или ω= 3,14 1/с. Таким образом, даже при большом дрейфе нуля, который мы задали (за 100 с дрейф составляет 100% , т. е. полный диапазон измерения), ошибка от дрейфа ничтожно мала. Попутно обеспечивается нечувствительность к начальному разбалансу.

Анализ способа, выполненный в предположении непрерывного равномерного вращения приемника, показал его эффективность. Практически предусматривается шаговый характер вращения приемника вокруг его продольной оси с шагом Ψ, что означает выдержку приемника в моменты взятия отсчетов, т. е. когда его отверстия совпадают с плоскостями XOY и XOZ, в которых необходимо определять направление скорости потока. Выдержка нужна для выравнивания давлений в пневмотрассах. В общем случае при вращении приемника в одном направлении количество отчетов составит n, а угол поворота из начального положения ϕ= (n-1). Однако практически нецелесообразно организовывать непрерывное вращение приемника в одном направлении, поскольку тогда бы пришлось для передачи сигналов датчика, если он расположен внутри приемника, вводить в систему токосъемник, что ее усложнило бы. Достаточно ограничиться, например, одним оборотом, тогда n = 5, а ϕ= 2π . Очевидно, что минимально возможный по величине угол поворота равен ϕ= , а соответственно n = 2. В пределах угла ϕ= 2π приемник может быть подвергнут возвратно-поступательному вращению шагового характера. (56) Прикладная аэромеханика. Под ред. Н. Ф. Краснова. М. : Высшая школа, 1974, с. 79-80.

Использование: для измерения скоса газового потока в аэродинамическом эксперименте. Сущность изобретения: перед проведением измерений совмещают приемные отверстия пневмометрического приемника с одной из осей неподвижной системы координат, лежащей в плоскости, перпендикулярной продольной оси приемника, и проводят n≥ 2 циклов измерений разности давлений, каждый из которых включает в себя измерение разности давлений в двух положениях, одно из которых соответствует точке нулевого положения приемника давления, а другое - углу поворота приемника вокруг его продольной оси на угол ϕ=Π/2(n-1), возвращают приемник давления в нулевое положение и повторяют следующие циклы измерений, при этом полученный в каждом цикле измерений информативный сигнал поочередно умножают на косинус и синус угла поворота приемника, интегрируют его по времени, равному длительности одного цикла, причем поворот приемника осуществляют с шагом α, а время выдержки приемника в нулевом положении и в конце каждого цикла измерений выбирают большим времени установления давления в пневмотрассах. 2 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТИ ГАЗОВОГО ПОТОКА, заключающийся в измерении разности давлений в приемных отверстиях, симметрично расположенных относительно продольной оси пневмометрического приемника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, перед проведением измерений совмещают приемные отверстия пневмометрического приемника с одной из осей неподвижной системы координат, лежащей в плоскости, перпендикулярной продольной оси приемника, и проводят n ≥ 2 циклов измерений разности давлений, каждый из которых включает в себя измерение разности давлений в двух положениях, одно из которых соответствует точке нулевого положения приемника давления, а другое - углу поворота приемника вокруг его продольной оси на угол ϕ= (n-1) возвращают приемник давления в нулевое положение и повторяют следующие циклы измерений, при этом полученный в каждом цикле измерений информативный сигнал, умножают на косинус и синус угла поворота приемника, интегрируют его по времени, равному длительности одного цикла, причем поворот приемника осуществляют с шагом α, а время выдержки приемника в нулевом положении и в конце каждого цикла измерения выбирают большим времени установления давления в пневмотрассах.