ЧЕТЫРЕХСТВОЛЬНЫЙ ПНЕВМОМЕТРИЧЕСКИЙ НАСАДОК Российский патент 1995 года по МПК G01P5/165 

Изобретение относится к измерительным приборам и может быть использовано для одновременного измерения скорости, статического давления и углов скоса трехмерного потока в данной точке при проведении экспериментов в аэродинамической трубе.

Известно устройство [1] имеющее головную часть в виде усеченной трехгранной пирамиды с центральным отверстием. Три других отверстия расположены на гранях пирамиды и равноудалены от носка насадка. Параметры потока определяются из безразмерных комплексов
X₁= X₂= ;
X X_т= где Р_о давление в центральном канале,
Р₁, Р₂, Р₃ давление в каналах в порядке убывания,
скоростной напор,
Р_т полное давление.

Эти уравнения определяются при градуировке, а параметры потока находятся в обратной последовательности.

Однако, в указанном устройстве из-за несимметричного расположения отверстий на головной части вычисление характеристик потока требует использования сложных математических выражений, что приводит к увеличению погрешности и снижению их точности.

Кроме того, известно устройство [2] содержащее державку и измерительную головку в виде четырехгранной пирамиды с одинаковыми противоположными гранями и различными углами между ними: ϕ 80 160^о и α 15-70^о, причем их разность составляет 50-130^о. Каждая из граней пирамиды снабжена приемными отверстиями для измерения давления. Насадок с помощью координатника ориентируется по направлению потока. Отверстия в гранях с меньшим углом раскрытия (α 15 70^о) служат для ориентации насадка в плоскости, перпендикулярной оси державки и для измерения статического давления в потоке. Отверстия в гранях с большим углом раскрытия служат для измерения полного давления и угла скоса потока в плоскости, проходящей через ось державки. Скорость потока определяется из известного соотношения по разнице между полным и статическим давлениями.

Однако, указанное устройство имеет невысокую точность, так как рекомендуемые диапазоны углов не обеспечивают одновременного измерения с малой погрешностью давлений и углов скоса потока. Так, при максимальных значениях угла ϕ 150-160^о измеряемое на соответствующих гранях давление можно достаточно точно считать полным давлением, но при этом будет мала чувствительность насадка к скосам потока в плоскости, перпендикулярной граням. При минимальном значении ϕ 80 90^о высока чувствительность к скосам потока, но измеренное давление будет отличаться от полного на десятки процентов, что приведет к искажению величины скорости. Давление, измеряемое на других гранях, угол α между которыми составляет 15-20^о, отличается от статического на несколько процентов; при увеличении угла до 60-70^о погрешность многократно возрастает.

В настоящее время при проведении экспериментов в аэродинамической трубе бывает необходимо в данной точке определить одновременно все характеристики трехмерного потока: скорость, статическое давление, углы скоса потока в горизонтальной и вертикальной плоскостях, причем прибор для измерения должен быть как можно более миниатюрным, чтобы искажение потока в данной точке, вызванное внесением в нее прибора, было минимальным, а результаты измерений должны быть точными в широком диапазоне изменения характеристик потока. Для решения этой проблемы головная часть с четырьмя приемными отверстиями известного устройства выполнена в виде четырехгранника с гранями, сходящимися в линию или точку, при этом углы наклона противоположных граней равны, а смежных отличны, а приемные отверстия расположены на осях симметрии граней, причем равноудалены от носка насадка отверстия противоположных граней, и на разном расстоянии от носка насадка отверстия смежных граней. Углы наклона смежных граней равны 40^о и 50^о.

Совокупность известных и предложенных признаков позволяет получить прибор, измеряющий параметры потока с большей точностью, причем самая высокая точность измерений достигается при угле наклона смежных граней 40^о и 50^о.

На фиг. 1 представлен четырехствольный насадок с носком в виде точки, с разрезом части насадка; на фиг.2 то же, вид спереди; на фиг.3 грудуировочные характеристики насадка.

Р_у полусумма коэффициентов давлений в отверстиях, лежащих в горизонтальной плоскости.

Р_z полусумма коэффициентов давлений в отверстиях, лежащих в вертикальной плоскости.

D_p разность коэффициентов давлений в отверстиях, лежащих в горизонтальной плоскости.

Рассмотрим один из конкретных примеров четырехствольного пневмометрического насадка. Насадок состоит из державки 1 (фиг.1), тела насадка 2, имеющего головную часть 3 с носком в виде точки 4 и двумя парами взаимно перпендикулярных отверстий 5 и 6 (фиг.2), являющихся приемниками давления. Пары отверстий расположены на гранях 7 и 8, имеющих разный угол наклона (грани, лежащие в вертикальной плоскости 40^о, грани лежащие в горизонтальной плоскости 50^о) на разном расстоянии от носка насадка.

В качестве приемников давления 5 и 6 (фиг.1) используются тонкостенные никелевые трубки, спаянные между собой однозначным образом в приспособлении и помещенные в кожух 9 (фиг.1). Заточка углов головной части производитcя на делительной головке. Перед тем, как производить измерения, предлагаемый насадок необходимо проградуировать. Градуировка насадка проводится в аэродинамической трубе. Для каждой комбинации углов тангажа θ и рысканья β в диапазоне (-40)-(+ 40^о) с шагом 10^о измеряется давление в каналах насадка и вычисляются значения безразмерных комплексов
Р_z (Р₁ + Р₂)/2; Р_у (Р₃ + Р₄)/2;
D_z (Р₁ Р₂) D_p (Р₃ Р₄);
Р_р Р_z Р_у; где Р₁ и Р₂ коэффициент давления в каналах, лежащих горизонтально плоскости.

Р₃ и Р₄ коэффициенты давления в каналах, лежащих в вертикальной плоскости.

По этим значениям строятся градуировочные кривые в функции от угла β для всех углов θ.

Расположение отверстий на смежных гранях головной части насадка на разных расстояниях от его носка позволит увеличить разность коэффициентов давлений во взаимно перпендикулярных плоскостях и, таким образом "развести" градуировочные кривые полусумм коэффициентов давлений в симметричных парах приемных отверстий (см. фиг.3), и тем самым избавиться от неоднозначности при определении статического давления и скорости потока. Эффект может быть усилен, если сделать разные наклоны смежных граней.

Каждый полученный комплекс, представляющий собой простое математическое выражение, в зависимости от угла β может быть описан полиномом второй степени
f(β) а_o + а₁ β + а₂² β² (за исключением D_р, который не зависит от β, а зависит только от θ ).

Коэффициенты полинома а_o, а₁, а₂ для каждой зависимости находятся аппроксимацией по методу наименьших квадратов. После получения коэффициентов полиномов для фиксированных углов θ (для D_р для фиксированных β ), проводится аппроксимация коэффициентов при одинаковых степенях по всем углам θ
а b_oi + b_1i θ + b_2i θ ².

Таким образом получены математические выражения, однозначно определяющие значения комплексов Р_у, Р_z, D_z, D_p, P_р от углов скоса потока θ и β.

Предлагаемый насадок имеет угол между одной парой граней α 50^о и между другой ϕ 40^о. Давления, измеряемые на гранях, не являются в общем случае ни полными, ни статическими, однако представленная градуировка позволяет связать их между собой и с углами скоса потока и повысить точность по сравнению с прототипом.

При экспериментальном исследовании характеристик насадка углы при вершине варьировались в широких пределах, однако именно углы α 50^о и ϕ 40^о дали наилучшие соотношения точности измерений как скосов потока, так и давлений. Кроме того, уменьшаются его габаритные размеры, что приводит к меньшему искажению потока.

Использование: для одновременного измерения скорости, статического давления и углов скоса трехмерного потока в данной точке при проведении экспериментов в аэродинамической трубе. Сущность изобретения: насадок состоит из державки и тела насадка, имеющего головную часть, выполненную в виде четырехугольника с одинаковыми противоположными гранями. Приемные отверстия располагается на осях симметрии граней, причем равноудалены от носка насадка отверстия противоположных граней и на равном расстоянии от носка насадка отверстия смежных граней, Угол между одной парой граней 50°, угол между другой парой граней 40°. Такое конструктивное решение позволит повысить точность определяемых величин в широком диапазоне измерения углов скоса потока. 3 ил.

Насадок для измерения скорости, направления и давления в трехмерном потоке газа, содержащий державку и измерительную головку в виде четерехгранной пирамиды с одинаковыми противоположными гранями, с углом 50^o между одной парой граней и приемными отверстиями на каждой грани, отличающийся тем, что угол между другой парой граней составляет 40^o.