СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГАЗОВОГО ПОТОКА Российский патент 1996 года по МПК G01P5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборостроении при создании измерителей истинной скорости для авиации, а также в метеорологии.

Известен эффект возникновения подъемной силы при вращении кругового цилиндра в поперечном потоке жидкости или газа, так называемый эффект Магнуса. Этот эффект нашел достаточно широкое применение в измерительной технике.

Известно устройство [1] для измерения скорости потока, в котором подъемная сила, возникающая на каждом из двух вращающихся цилиндров, установленных на поворотной раме, преобразуется в крутящий момент и воспринимается упругим элементом, жестко связанным с поворотной рамой и корпусом измерителя. По величине углового отклонения рамы от первоначального положения судят о величине измеряемой скорости.

Известное устройство обладает рядом недостатков. Во-первых, наличие упругого элемента, обладающего недостатками, свойственными всем упругим элементам в принципе, снижает точность измерения скорости потока с целом. Во-вторых, рама, на которой расположены вращающиеся цилиндры, должна быть обязательно поворотной, это усложняет конструкцию и соответственно снижает надежность. В-третьих, известное утсройство при установке на летательный аппарат (ЛА) измеряет приборную скорость, параметр важный для пилотирования. Но на борту ЛА необходимо иметь измеритель и истинной скорости, показания которого нужны для воздушной навигации, прицеливании при стрельбе и бомбометании и некоторых других задач.

Наиболее близким по технической сущности и совпадающий по основному признаку с заявленным изобретением является расходомер, основанный на эффекте Магнуса [2] В измерительной камере расходомера перпендикулярно ее продольной оси расположен горизонтальный цилиндр, вращаемый с постоянной угловой скоростью. Поток жидкости (газа) обтекает цилиндр по двум зазорам между цилиндром и стенками камеры, давление в которых оказывается разным. Величина разности давлений, измеряемая в диаметрально-противолежащих точках поперечного сечения камеры, прямо пропорциональна массовому расходу, т. е. величина абсолютной погрешности во всем диапазоне измерения одинакова.

Цель изобретения повышение точности измерения скорости.

Цель достигается тем, что при обтекании кругового цилиндра, вращаемого вокруг его продольной оси, радиус цилиндра и минимальную скорость его вращения выбирают из условия, при котором циркуляция скорости не превышает величины 4πRV_∞min, на поверхности цилиндра размещают чувствительный к скорости потока элемент, по сигналу с чувствительного элемента последовательно регистрируют две критические точки на поверхности цилиндра, в которых местная скорость равна нулю, поддерживают постоянный угол между этими точками путем регулирования скорости вращения цилиндра, а по величине скорости вращения цилиндра судят о скорости газового потока.

На фиг. 1 изображена картина поперечного обтекания потенциальным потоком вращаемого цилиндра для сдлучая Г < 4πRV_∞, где Г циркуляция скорости; R радиус цилиндра; V_∞ истинная скорость потока; на фиг. 2 эпюра скоростей по поперечному сечению кругового цилиндра; на фиг. 3 блок-схема устройства; на фиг. 4 эпюра напряжений.

Предложенный способ основан на определенном распределении скорости по круговому поперечному сечению цилиндра, непрерывно вращаемого в поперечном квазипотенциальном потоке жидкости или газа для случая Г < 4πRV_∞ (условие осуществления двух критических точек потока, см. фиг. 1).

Известно, что при поперечном потенциальном обтекании скорость по сечению определяется выражением
V 2V_∞•sinθ+ (1) где θ угол между радиусом, проведенным из центра сечения цилиндра в данную точку на поверхности, и направлением истинной скорости V_∞.

В критических точках скорость V 0, следовательно, (1) имеет вид:
2V_∞•sinθ_кр+ 0 или Г -4πRV_∞•sinθ_кр (2)
Из (2) следует, что при постоянной величине θ _кр циркуляция скорости Г прямо пропорциональна истинной скорости потока V_∞.

Величина циркуляции зависит от угловой скорости вращения цилиндра ω и радиуса R цилиндра и выражается зависимостью
Г 2π R²·ω (3)
Приравняв правые части (2) и (3), получим:
2πR²ω -4πRV_∞•sinθ_кр, отсюда
V_∞= •ω (4)
Из (4) следует, что если величина θ _кр поддерживается постоянной, то измеряемая скорость V_∞ прямо пропорциональна угловой скорости вращения ω
Если обозначить K const, то (4) примет вид
V_∞= K•ω (5)
Практическую реализацию предложенного способа проиллюстрируем возможным вариантом устройства для измерения скорости потока.

Устройство имеет круговой цилиндр 1 с расположенным на его поверхности термоанемометром 2, приводимый во вращение приводом 3, токосъемник 4, преобразователь сопротивление напряжение 5, дифференциатор 6, компаратор 7, триггер 8, преобразователь 9 последовательного счета, устройство 10 сравнения, регулятор 11 оборотов, датчик 12 угловой скорости вращения.

Устройство работает следующим образом.

Круговой цилиндр 1 с расположенным на его поверхности термоанемометром 2 приводится во вращение приводом 3, и обдувается газовым потоком, скорость которого измеряется.

Поскольку сопротивление термоанемометра будет зависеть от скорости омывающего его потока V, а эпюра скорости по сечению цилиндра дана на фиг. 2, то сопротивление термоанемометра будет изменяться, причем характер изменения представлен на фиг. 4а.

Сигнал термоанемометра через токосъемник 4 поступает на преобразователь сопротивление напряжение 5, на выходе которого будет напряжение, вид изменения которого представлен на фиг. 4б.

Дифференциатор 6, получая на вход сигнал с преобразователя 5, создает выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения входного. На выходе дифференциатора 6 будет сигнал, вид которого представлен на фиг. 4в.

На первый вход компаратора 7 поступает сигнал с дифференциатора 6, а на второй вход опорное напряжение U_оп, значение которого равно 0, т. е. U_оп 0.

Таким образом, на выходе компаратора 7 будет присутствовать сигнал в те же моменты времени, когда выходной сигнал дифференциатора 6 положителен. Вид выходного сигнала с компаратора 7 представлен на фиг. 4г. Выходной сигнал с компаратора 7 поступает на вход триггера 8.

Триггеры с динамическим управлением в зависимости от схемы исполнения реагируют на перепад напряжения от нуля к единице (активный фронт), либо от единицы к нулю (активный срез управляющего импульса), т. е. сигналы, поступающие на динамический вход, воспринимаются только в те моменты времени, когда их состояние изменяется определенным образом.

Триггер 8, получая на вход сигнал с компаратора 7 (вид сигнала см. фиг. 4г), по фронту первого импульса выставляет на выходе сигнал, а по фронту второго импульса его снимает.

Таким образом, выходной сигнал триггера 8 представляет собой последовательность прямоугольных импульсов, изображенную на фиг. 4д.

Выходной сигнал с термоанемометра 2 (фиг. 4а) представляет собой последовательность чередующихся пар полупериодов, причем первый полупериод имеет большую длительность, чем второй. Такая форма выходного сигнала термоанемометра легко объяснима, если обратиться к фиг. 2, на которой представлена эпюра скорости при поперечном обтекании вращаемого цилиндра. В точке А скорость равна нулю, причем при движении в направлении, указанном на фиг. 2 стрелкой от т. А к т. В, скорость сначала возрастает, а затем убывает и в т. В опять равна нулю.

При движении от т. В скорость опять сначала возрастает, а затем убывает и в т. А равна нулю.

Поскольку термоанемометр реагирует на величину воздушной скорости, то и изменение выходного сигнала термоанемометра аналогично изменению величины скорости.

Таким образом, длительность малого полупериода выходного сигнала термоанемометра соответствует времени прохождения им дуги между т. В и т. А, ограниченной углом γ_кр (см. фиг. 2).

Как видно на фиг. 4, прямоугольные импульсы на выходе триггера 8 имеют длительность, равную времени прохождения термоанемометра 2 дуги между критическими точками (дуга ВА на фиг. 2). Выходной сигнал с триггера 8 поступает на вход преобразователя последовательного счета 9.

Преобразователь 9 измеряет длительность прямоугольных импульсов, формируемых триггером 9, т. е. на основании вышеизложенного, время, в течение которого термоанемометр 2 проходит расстояние между двумя критическими точками (дуга ВА на фиг. 2), обозначим его символом τ_изм.

Устройство 10 сравнения получает на один свой вход сигнал τ_изм(время, за которое термоанемометр проходит расстояние между критическими точками, дуга ВА на фиг. 2) от преобразователя 9 и на другой вход сигнал о величине угловой скорости ω кругового цилиндра 1 от датчика 12 угловой скорости.

Поддержание постоянного значения величины θ_кр (см. формулу (4)) эквивалентно поддержанию постоянного значения величины γ_кр, так как согласно фиг. 2 величины θ_кр и γ_кр связаны линейной зависимостью.

γ_кр 180-2 ·θ_кр (6)
С другой стороны, величина γ_кр определяется как произведение угловой скорости вращения кругового цилиндра 2 с расположенным на нем термоанемометром 2 на время прохождения термоанемометром расстояния между критическими точками τ_изм.
γ_кр ω· τ_изм (7)
Таким образом, устройство 10 сравнения, получая на вход сигналы ω и τ_изм, производит их перемножение и полученный результат сравнивает с величиной γ_кр.зад.
Численное значение величины γ_кр.зад определяется по формуле (6) при подстановке в нее заданного, исходя из конструктивных особенностей, определяемых при проектировании устройства, значения θ_кр, которое необходимо поддерживать постоянным.

Если полученное значение γ_кр больше γ_кр.зад, то устройство 10 подает на регулятор 11 оборотов команду "Убавь обороты", если γ_кр < γ_кр.зад, то устройство 10 подает на регулятор 11 команду "Увеличь обороты".

Если γ_кр γ_кр.зад, то на выходе устройства 10 нет сигнала (нулевой сигнал) и измерительная система находится в состоянии динамического баланса, тем самым обеспечивается нулевой метод измерения.

Регулятор 11 оборотов осуществляет увеличения или уменьшения оборотов привода вращения 3 в соответствии с той командой, которая в данный момент поступает на его вход с устройства 10. Если на входе регулятора 11 нет сигнала с устройства 10, то регулятор обеспечивает постоянные обороты привода вращения 3, соответствующие той величине, которую они имели в момент, когда предыдущая команда устройства 10 сменилась на нулевой сигнал.

Датчик 12 угловой скорости вращения изменяет угловую скорость привода 3 и выдает сигнал (как это было описано выше) на вход устройства 10 сравнения, и одновременно датчик 12 выдает сигнал ω на выход устройства, причем этот сигнал, как следует из (5), пропорционален измеряемой скорости V_∞
Таким образом, при работе устройства происходит стабилизация (поддержание постоянного значения) величины угла θ_кр (или γ_кр, что одно и то же) за счет изменения угловой скорости вращения цилиндра 1 приводом 3, а выходной сигнал устройства угловая скорость ω формируется датчиком 12. При этом величина прямо пропорциональна величине измеряемой скорости газового потока V_∞ и, следовательно, величина абсолютной погрешности во всем диапазоне будет одинаковой.

Использование: в приборостроении при создании измерителей истинной скорости для авиации, а также в метеорологии. Сущность изобретения: способ осуществляется при поперечном обтекании кругового цилиндра, непрерывно вращаемого вокруг своей продольной оси, размещением на поверхности цилиндра элемента, чувствительного к скорости газового потока, по сигналу с чувствительного элемента последовательно регистрируются две точки на поверхности цилиндра, в которых местная скорость равна нулю, поддерживается постоянный угловой интервал между этими точками путем регулирования угловой скорости вращения цилиндра, при этом по величине угловой скорости привода вращения судят о величине измеряемой скорости газового потока. 4 ил.

Способ измерения скорости газового потока путем поперечного квазипотенциального обтекания кругового цилиндра, вращаемого вокруг его продольной оси, отличающийся тем, что радиус R цилиндра и минимальную скорость V_m i n его вращения выбирают из условия, при котором циркуляция скорости не превышает величины 4πRV_∞min , на поверхности цилиндра размещают чувствительный к скорости потока элемент, по сигналу с чувствительного элемента последовательно регистрируют две критические точки на поверхности цилиндра, в которых местная скорость равна нулю, поддерживают постоянный угол между этими точками путем регулирования скорости вращения цилиндра, а по величине скорости вращения цилиндра судят о скорости газового потока.