ВИХРЕВОЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01P5/02 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для преобразования в электрический сигнал скорости потока газа или жидкости, например воздушной скорости летательного аппарата.

Известны меточные датчики скорости потока, принцип действия которых основан на регистрации времени пролета ионной меткой базового расстояния [1] Такие датчики имеют ограничения для применения по условиям эксплуатации, так, например, при повышенной влажности ионная метка интенсивно рекомбинирует, что приводит к параметрическому отказу в работе датчика.

Наиболее близким по технической сущности является вихревой измеритель воздушной скорости самолета [2] включающий клин, установленный на носовой части самолета. Клин имеет переднюю обтекаемую кромку и срезанную заднюю кромку, резонансную камеру, расположенную в теле клина, задняя кромка клина покрыта пластиной, к которой жестко прикреплена трубка. Конец трубки направлен назад и размещается в воздушном следе клина. В резонансной камере размещен микрофон, являющийся чувствительным элементом, который преобразует колебания давления в электрический сигнал. Набегающий поток обтекает клин и создает в воздушном следе вихревые колебания, частота которых зависит от скорости полета.

Недостаток устройства-прототипа заключается в том, что поскольку датчик работает, как правило, в турбулентном потоке, то на периодические колебания давления, образуемые в вихревом следе за клином, будут накладываться пульсации давления, обусловленные турбулентностью. Эти пульсации давления будут восприниматься микрофоном как полезный сигнал, что приведет к появлению дополнительной погрешности измерения воздушной скорости летательного аппарата. При неточной установке датчика и поперечных пульсациях скорости потока, он будет натекать на клин под некоторым углом к плоскости его симметрии. Это приведет к появлению дополнительной погрешности, обусловленной тем, что характерный размер клина по направлению потока будет варьироваться и, следовательно, будет меняться частота вихреобразования, которая обратно пропорциональная характерному размеру. Поскольку микрофон не защищен от вибрационных перегрузок, то появится дополнительная погрешность от внешних вибраций.

Технический результат изобретения повышение точности измерения скорости набегающего потока и расширение диапазона в области малых скоростей.

Указанный результат достигается тем, что вихревой датчик скорости содержит плохо обтекаемое тело, которое состоит их трапецеидальной и прямоугольной призм, соединенных между собой меньшим основанием трапецеидальной призмы и боковой гранью прямоугольной призмы, заключенное в направляющую и установленное на стойку, имеющую в поперечном сечении ламинарный профиль, и ориентированное большим основанием трапецеидальной призмы навстречу потоку, при этом прямоугольная призма выполнена в виде слоистой структуры, состоящей из чередующихся упругих и пьезокерамических пластин, жестко связанных между собой, выходы пьезокерамических пластин подключены к входу электронного процессора, выполняющего вычислительные операции в соответствии с выражением:
,
где U_вых напряжение на выходе электронного процессора;
U_о опорный сигнал;

U_E1 K_1.1U_1.1 + + K_1.п U_1.п;
U_E2 K_2.1.U_2.1. + + K_2.п U_2.п;
U_1.1.U_1.п напряжения с выходов пьезокерамических пластин, расположенных по одну сторону от нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
U_2.1..U_2.п напряжения с выходов пьезокерамических пластин, расположенных с противоположной стороны нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
K_1.1. K_1.п, K_2.1..K_2.п коэффициенты пропорциональности, а частота переключений уровня напряжения на выходе электронного процессора является выходным сигналом датчика.

На фиг. 1 представлен один из вариантов конструктивной реализации предлагаемого вихревого датчика скорости; на фиг. 2 представлено поперечное сечение одного из вариантов технической реализации прямоугольной призмы датчика. Здесь: 1 плохообтекаемое тело; 2 трапецеидальная призма; 3 - прямоугольная призма; 4 цилиндрическая направляющая; 5, 6 проточные каналы; 7 стойка; 8 электронный процессор; 9, 10, 11, 12, 13 упругие пластины; 14, 15, 16, 17 пьезокерамические пластины; 18, 19, 20, 21 - электрические выходы пьезокерамических пластин; 22 форма прогиба прямоугольной призмы.

Датчик скорости (фиг.1) содержит плохо обтекаемое тело 1, состоящее из трапецеидальной 2 и прямоугольной 3 призм. Прямоугольная призма 3 выполнена в виде слоистой структуры и состоит из жестко соединенных между собой упругих пластин 9, 10, 11, 12, 13 и пьезокерамических пластин 14, 15, 16, 17. Выходы 18, 19, 20, 21 пьезокерамических пластин подключены к входу электронного процессора 8.

Плохо обтекаемое тело 1 (фиг. 1) заключено в цилиндрическую направляющую 4 и установлено на стойку 7. Стойка 7 имеет в поперечном сечении ламинарный профиль, например профиль Жуковского (сечение А-А, фиг. 1).

Трапецеидальная 2 и прямоугольная 3 призмы установлены поперек направляющей 4 (см. вид А, фиг. 1) и разделяют направляющую 4 на два канала 5 и 6.

Прямоугольная призма (фиг. 2) включает упругие 9, 10, 11, 12, 13 и пьезокерамические 14, 15, 16, 17 пластины, жестко соединенные между собой по сопрягаемым поверхностям, электроды пьезокерамических пластин имеют электрические выходы 18, 19, 20, 21. Стрелкой 22 показана форма возможного прогиба прямоугольной призмы при действии на нее перепада давлений. Ось ОХ совпадает с плоскостью нейтральной поверхности призмы при изгибных деформациях.

Датчик скорости работает следующим образом. При обтекании датчика (фиг. 1) набегающим потоком, на гранях трапецеидальной призмы 2 плохо обтекаемого тела 1 происходит отрыв потока от граней трапецеидальной призмы 2 плохо обтекаемого тела и образуется вихревое течение.

При этом в каналах 5 и 6, образованных между направляющей 4 и плохо обтекаемым телом 1 датчика, образуются две области вихреобразования (фиг.1), ограниченные боковыми стенками тела обтекания 1 и внутренней поверхностью направляющей 4. В начальный момент вследствие неполной симметрии каналов 5 и 6, вихрь на одной из граней призмы 2 зарождается раньше, чем на другой. Образовавшийся вихрь сносится в канал, например 5, при этом задерживается срыв вихря в другой канал 6 до момента выхода вихря из канала 5. За счет направляющей 4 между каналами 5 и 6 в проточной части датчика образуется пневматическая положительная обратная связь и устанавливаются интенсивные устойчивые периодические вихревые колебания. При этом на боковых поверхностях прямоугольной призмы 3 возникает пульсирующий перепад давлений, при этом частота пульсаций пропорциональна скорости потока. Под действием пульсирующего перепада давлений призма 3 совершает изгибные колебания. При изгибе призмы 3 (фиг.2), например, по направлению стрелки 22 пьезокерамические пластины 14 и 15, расположенные выше нейтральной поверхности (ось ОХ), растягиваются, а пластины 16 и 17, расположенные ниже нейтральной поверхности, сжимаются, при этом под действием деформаций на электродах пьезокерамических пластин, расположенных выше оси ОХ, создается напряжение одного знака, а на электродах пьезокерамических пластин, расположенных ниже оси ОХ, противоположных знаков.

Напряжения подаются на вход электронного процессора 8, где производится их вычитание в соответствии с зависимостью (2). Поскольку знаки напряжений U_E1 и U_E2 различны, то после выполнения операций в соответствии с выражением (2) будет сформирован импульс напряжения U_E, амплитуда и форма которого пропорциональна амплитуде и форме пульсации перепада давлений на прямоугольной призме. При появлении на призме пульсации перепада давлений противоположного знака, в соответствии с выражением (2), будет сформирован следующий импульс напряжения U_E.

После сравнения сигналов U_E, пропорциональных импульсам перепада давлений, с заданным уровнем U_o в соответствии с зависимостью (1) на выходе электронного процессора 8 (фиг. 1) будет формироваться последовательность электрических импульсов U_вых, частота которых пропорциональна частоте пульсирующего перепада давлений на прямоугольной призме и, следовательно, скорости потока.

Турбулентность потока не оказывает влияния на точность датчика, поскольку вихревые пространственные пульсации скорости не взаимодействуют непосредственно с плохо обтекаемым телом, которое защищено цилиндрической направляющей.

Поперечная составляющая скорости потока, являющаяся источником погрешности, создает пульсацию давления на входе и выходе цилиндрической направляющей одновременно. Можно считать (учитывая малые размеры датчика и значение скорости звука), что пульсация давления, обусловленная поперечной составляющей скорости потока, одновременно воздействует на прямоугольную призму 3 (фиг.1) со всех сторон. При этом пьезокерамические пластины, расположенные и выше и ниже нейтральной поверхности ОХ (фиг.2), испытывают в зависимости от знака внешнего давления или всестороннее сжатие или всестороннее растяжение. При этом напряжение с выхода пьезокерамических пластин и выше и ниже нейтральной поверхности будет иметь один и тот же знак. При выполнении математических операций электронным процессором в соответствии с выражением (2) результирующий сигнал будет равен нулю.

Пульсации давления, которые могли бы возникнуть за стойкой 7 в непосредственной близости от плохо обтекаемого тела 1, также не влияют на точность измерения, поскольку, во-первых, плохо обтекаемое тело 1 защищено цилиндрический направляющей 4, а, во-вторых, стойка 7 в поперечном сечении имеет ламинарный профиль, а ее геометрия подобрана таким образом, что в диапазоне числе Re, при которых работает датчик, имеет место ламинарное обтекание стойки.

Внешние механические вибрации не ухудшают точность измерений, так как они распространяются через элементы конструкции датчика и воспринимаются пьезокерамическими пластинами прямоугольной призмы 3 за счет продольных и поперечных деформаций прямоугольной призмы 3, при этом напряжение на выходах пьезокерамических пластин имеет один и тот же знак. После обработки сигналов с выходов пьезокерамических пластин в соответствии с выражением (2) результирующий сигнал, обусловленный действием внешних механических вибраций, будет равен нулю.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет с высокой точностью измерять скорость газового потока независимо от внешних возмущений, обусловленных турбулентностью потока и механическими вибрациями.

Использование: в области измерительной техники для преобразования в электрический сигнал скорости потока газа или жидкости, например воздушной скорости летательного аппарата. Сущность изобретения: плохо обтекаемое тело состоит из трапецеидальной и прямоугольной призм, соединенных между собой меньшим основанием трапецеидальной призмы и боковой гранью прямоугольной призмы, заключено в направляющую и установлено на стойку, имеющую в поперечном сечении ламинарный профиль, и ориентировано большим основанием трапецеидальной призмы навстречу потоку. При этом прямоугольная призма выполнена в виде слоистой структуры, состоящей из чередующихся упругих и пьезокерамических пластин, жестко связанных между собой. Выходы пьезокерамических пластин подключены к входу электронного процессора, выполняющего вычислительные операции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Вихревой датчик скорости, содержащий плохообтекаемое тело и чувствительный элемент, преобразующий колебания давления в вихревом следе за плохообтекаемым телом в электрический сигнал, отличающийся тем, что плохообтекаемое тело состоит из трапецеидальной и прямоугольной призм, соединенных между собой меньшим основанием трапецеидальной призмы и боковой гранью прямоугольной призмы, заключено в направляющую, установлено на стойку, имеющую в поперечном сечении ламинарный профиль, и ориентировано большим основанием трапецеидальной призмы навстречу потоку, при этом прямоугольная призма выполнена в виде слоистой структуры, состоящей из чередующихся упругих и пьезокерамических пластин, жестко связанных между собой. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что выходы пьезокерамических пластин подключены к входу электронного процессора, выполняющего вычислительные операции в соответствии с выражением

где U_в ы х напряжение на выходе электронного процессора;
U_о опорный сигнал;

U_e 1 K_1 - 1 U_1 - 1 + + K_1 - n U_1 - n;
U_e 2 K_2 - 1 U_2 - 1 + + K_2 - n U_2 - n;
U_1 - 1.U_1 - n напряжения с выходов пьезокерамических пластин, расположенных по одну сторону от нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
U_2 . 1.U_2 . n напряжения с выходов пьезокерамических пластин, расположенных с противоположной стороны нейтральной поверхности прямоугольной призмы для изгибных деформаций;
K_1 . 1.K_1. n, K_2 . 1.K_2 . n коэффициент пропорциональности,
а частота переключения уровня напряжения U_в ы х на выходе электронного процесса является выходнымм сигналом датчика.