ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА Российский патент 1995 года по МПК G01P5/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения составляющих вектора воздушной скорости, углов атаки и скольжения летательных аппаратов, скорости и направления ветра на метеостанциях и морских судах, скорости и направления газового потока в промышленных установках и т.д.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является измеритель скорости и направления газового потока, содержащий электропривод постоянной скорости вращения, на валу которого установлен генератор опорных напряжений (ГОН) и с помощью торсионного подвеса установлена симметричная штанга. При этом симметричная штанга снабжена датчиком для преобразования ее угловых колебаний в электрический сигнал, который посредством электронной системы преобразуется в ортогональные составляющие. Кроме того, на концах симметричной штанги закреплены две лопатки, которые помещены в двух рабочих камерах, жестко связанных с валом электропривода. Каждая рабочая камера имеет по две приемные щели и разделена помещенной в нее лопаткой на две полости. Каждая полость в боковой стенке имеет одну приемную щель. Приемные щели строго ориентированы по направлению векторов касательных линейных скоростей рабочих камер, создаваемых в результате вращения камер вокруг оси вала электропривода. Одна приемная щель камеры сориентирована по направлению вектора скорости, а другая против направления. Это приводит к тому, что в одной полости камеры создается высокое давление, а в другой низкое. Разность давлений в полостях вызывает перемещение лопаток внутри камер и угловое отклонение симметричной штанги относительно оси ее подвеса. Для обеспечения свободного движения концов штанги относительно стенок рабочих камер в стенках камер выполнены специальные вырезы, размеры которых определяются длиной плеч штанги и величинами максимальных углов ее отклонения.

Недостатком известного измерителя является относительно низкая точность измерения скорости и направления газового потока. Основными причинами указанного недостатка являются большие величины погрешностей, возникающих в результате: перетекания газа в рабочих камерах из полостей с высоким давлением в полости с низким давлением через зазоры между кромками лопаток и внутренними стенками камер; утечки газа из рабочих камер через вырезы, выполненные в стенках камер для концов симметричной штанги; искажения (возмущения) газового потока за рабочими камерами. Кроме того, точность измерения скорости и направления газового потока у известного измерителя резко снижается при наличии в газовом потоке пыли, твердых частиц, капель жидкости и т.д. Под действием центробежных сил пыль, твердые частицы и капли жидкости отбрасываются на внутренние поверхности стенок рабочих камер. В результате происходит частичное или полное заклинивание лопаток внутренних камер. При частичном заклинивании лопаток резко снижается точность, а при полном происходит отказ. Следовательно, известный измеритель имеет не только относительно низкую точность, но и относительно низкую надежность. Сложность конструкции рабочих камер и их крепления на валу электропривода значительно усложняет всю конструкцию измерителя. Так как камеры имеют большое лобовое сопротивление, то для их вращения требуется мощный электропривод.

Технический результат изобретения повышение точности измерения скорости и направления газового потока, повышение надежности и упрощение конструкции измерителя.

Указанный технический результат достигается тем, что в измерителе, содержащем установленный на оси вращения, связанный с приводом подвижный чувствительный элемент, выполненный в виде симметричной двуплечей штанги, установленной с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной оси вращения, и датчик съема сигнала, на концах двуплечей штанги на равных расстояниях от оси вращения закреплены идентичные аэродинамические поверхности, хорды которых установлены под одинаковыми углами к плоскости, проходящей через ось симметрии штанги и ось ее поворота.

Для измерения скоростей от нуля до окружной скорости хорды аэродинамических поверхностей образуют равные, но противоположные по знаку углы с плоскостью, проходящей через ось симметрии штанги и ось ее поворота.

Для измерения скоростей от окружной скорости и выше хорды аэродинамических поверхностей образуют равные углы одного знака с плоскостью, проходящей через ось симметрии штанги и ось ее поворота.

На фиг. 1 представлен предлагаемый измеритель; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 схема электронной системы преобразования электрических сигналов; на фиг. 5-9 принцип действия измерителя.

Предлагаемый измеритель состоит из электропривода 1, симметричной штанги 2, датчика 3 для преобразования угловых колебаний штанги в электрический сигнал и генератора 4 опорных напряжений. На концах симметричной штанги жестко закреплены идентичные аэродинамические поверхности АП1 и АП2, выполненные в форме круглых пластин. Плечи симметричной штанги жестко связаны между собой кольцом 5. Штанга 2 с помощью торсионного подвеса закреплена на валу 6 электропривода 1. Торсионный подвес состоит из кольца 5, торсионов 7 и втулки 8. Втулка 8 жестко закреплена на валу 6. Концы торсионов 7 также жестко закреплены соответственно в кольце 5 и втулке 8. Оси торсионов располагаются на одной линии, перпендикулярной оси вала электропривода. Датчик для преобразования угловых колебаний штанги в электрический сигнал содержит катушку 9, пакет 10 набранного железа и постоянный магнит 11. Катушка 9 выполнена в форме цилиндра и жестко закреплена на корпусе электропривода 1. Ось намотки катушки 9 совпадает с осью вала 6. Пакет 10 набран из круглых пластин и с помощью втулки 12 жестко закреплен на валу 6 электропривода 1. Постоянный магнит 11 выполнен в форме кольца с двумя диаметрально расположенными зубцами 13, являющимися полюсами магнита. Магнит 11 жестко закреплен на кольце 5. Магнитный поток, создаваемый магнитом 11, замыкается через зубцы 13 и пакет 10. Генератор 4 опорных напряжений содержит статор 14 и ротор 15. Статор 14 с размещенными на его зубцах сигнальными обмотками 16, закреплен в корпусе электропривода 1. Ротор 15 представляет собой постоянный магнит и жестко закреплен на валу 6 электропpивода 1. В качестве электропpивода использован синхронный электродвигатель. Выводы катушки 9 (см.фиг.4) через усилитель 16 соединены с входами двух фазовых дискриминаторов 17 и 18, на которые одновременно с генератора 4 опорных напряжений подаются опорные напряжения, сдвинутые по фазе на 90^о. Выходные сигналы V₁ и V₂ снимаются с выхода фазовых дискриминаторов через сглаживающие фильтры 19 и 20.

Измеритель может выполняться в двух вариантах, которые в конструктивном плане отличаются только направлением углов установки аэродинамических поверхностей АП1 и АП2 на концах симметричной штанги 2. В первом варианте аэродинамические поверхности АП1 и АП2 закреплены на концах штанги 2 таким образом, что с плоскостью ее вращения образуют равные по величине и противоположные по знаку углы α_o (см.фиг.5-7). Во втором варианте аэродинамические поверхности АП1 и АП2 закреплены на концах штанги 2 таким образом, что с плоскостью ее вращения образуют равные по величине и одинаковые по знаку углы α_o (см.фиг.5,8 и 9). Первый вариант предназначен для измерения скоростей газового потока V, величины которых не превышают величину линейной окружности скорости V_оаэродинамических поверхностей, а второй превышающих V_o:
V_o Ωl,(Ω const), где Ω частота вращения вала электропривода 1;
l длина плеча симметричной штанги 2.

Измеритель работает следующим образом. При вращении симметричной штанги 2 электродвигателем 1 и при наличии газового потока, вектор скорости V которого перпендикулярен оси вала 6 электродвигателя, на аэродинамические поверхности действуют силы, равные (см.фиг.5,6-9):
F₁= C_уS F₂= C_уS где F₁ и F₂ силы, действующие на аэродинамические поверхности соответственно АП1 и АП2 вдоль оси О_у;
С_у, S и α_o соответственно аэродинамический коэффициент, площадь и установочный угол (угол атаки) аэродинамических поверхностей АП1 и АП2;
ρ плотность газа;
V₁ и V₂ локальные линейные скорости движения аэродинамических поверхностей соответственно АП1 и АП2 в газе;
V₁ V_x + V_o, V₂ V_x V_o,
Vx проекция вектора скорости газового потока на ось О_х;
V_x V ˙cos(Ωt-Ψ)=V_ζcosΩt+
+ V_ηsinΩ t;
V_ζ и V_η проекция вектора скорости газового потока на оси соответственно O_ζ и O_η
О_xyz система координат, жестко связанная с симметричной штангой 2;
O_ζηζ система координат, жестко связанная с корпусом электропривода 1.

Оси прямоугольных систем координат О_xyz и O_ζηζ имеют следующие направления. Ось О_х совпадает с осью торсионов 7, О_z с осью симметричной штанги 2. Ось O_ζ совпадает с осью вала 6 электропривода 1. Оси O_ζ и O_η перпендикулярны оси вала 6 и образуют плоскость, в которой расположен вектор скорости V.

Силы F₁ и F₂ создают суммарный момент М_х, действующий на штангу 2 относительно оси Ох. Данный момент равен
М_х F₁ ˙ l F₂ l 2C_yS α_oρ V_oV_x.

Так как штанги вращается, то величина V_x является гармоническим сигналом, модулированным на частоте Ω. Следовательно, момент М_х также является гармоническим сигналом и вызывает гармонические угловые движения штанги 2 относительно оси О_х, амплитуда которых пропорциональна величине V, а фаза определяет угол Ψ. Угол отклонения штанги 2 на фиг.5 обозначен символом β. В результате указанных гармонических угловых движений штанги 2 и жестко связанного с ней магнита 11 в катушке наводится гармоническая ЭДС, амплитуда которой пропорциональна модулю скорости газового потока V, а фаза определяет векторную направленность газового потока Ψ. Снимаемый с выводов катушки 9 сигнал U_с усиливается усилителем 16 и подается на фазовые дискриминаторы 17 и 18. На фазовые дискриминаторы также подаются опорные напряжения, генерируемые генератором опорных напряжений 4 на частоте Ω. Опорные напряжения U₀₁ и U₀₂, отдельно подаваемые на дискриминаторы 17 и 18 соответственно, отличаются друг от друга только фазовым сдвигом, равным 180^о. С выходов фазовых дискриминаторов снимаются сигналы, имеющие постоянные и гармонические (на частоте 2 Ω ) составляющие. Гармонические составляющие отфильтровываются фильтрами 19 и 20, установленными на выходах дискриминаторов. С выходов фильтров 19 и 20 снимаются напряжения U₁ и U₂, величины которых пропорциональны постоянным составляющим. При этом величина U₁ пропорциональна величине V_ζ, а U₂ величине V_η. Знаки напряжений U₁ и U₂ соответствуют направлениям проекций V_ζ и V_η. Величины V и Ψ определяются из выражений
V= u=,
Ψ arctg arctg
Как показали результаты теоретических расчетов и проведенных экспериментов с макетными образцами, предлагаемый измеритель скорости и направления газового потока, по сравнению с прототипом, обладает как минимум в 3-5 раз лучшей точностью. В основном это достигнуто тем, что у предлагаемого измерителя в 10 раз лучше чувствительность и отсутствуют погрешности измерений, которые обусловлены наличием у прототипа рабочих камер и особенностями их конструкций. Чувствительность предлагаемого измерителя в первом варианте практически составляет порядка 0,1 м/с. Теоретически она может составлять 0,01-0,1 м/с. Более простая и более технологичная конструкция предлагаемого измерителя также является значительным фактором, обусловливающим повышение точности.

Использование: в измерительной технике для измерения составляющих вектора воздушной скорости, углов атаки и скольжения летательного аппарата скорости и направления ветра на метеостанциях, морских судах и т.д. Сущность изобретения: измеритель содержит электродвигатель, на валу которого с помощью упругого подвеса закреплена симметричная штанга с двумя аэродинамическими поверхностями на концах. Штанга снабжена датчиком для измерения и преобразования величин параметров ее угловых движений. Конструкция измерителя приводит к повышению точности измерения скорости и направления потока. 2 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА, содержащий установленный на оси вращения, связанный с приводом подвижный чувствительный элемент, выполненный в виде симметричной двуплечей штанги, установленной с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной оси вращения, и датчик съема сигнала, отличающийся тем, что на концах двуплечей штанги на равных расстояниях от оси вращения закреплены идентичные аэродинамические поверхности, хорды которых установлены под одинаковыми углами к плоскости, проходящей через ось симметрии штанги и ось ее поворота. 2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что хорды аэродинамических поверхностей образуют равные, но противоположные по знаку углы с плоскостью, проходящей через ось симметрии штанги и ось ее поворота. 3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что хорды аэродинамических поверхностей образуют равные углы одного знака с плоскостью, проходящей через ось симметрии штанги и ось ее поворота.