ПРИЕМНИК ДАВЛЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01L19/00 G01P5/14 G01P5/16 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов и т.п. относительно текучих сред.

Известен цилиндрический приемник давлений, предназначенный для измерения величины и направления скорости двухмерных газовых потоков при числах Маха М < 0.6 [1] . Приемник выполнен в виде цилиндрической трубки, на поверхности которой в плоскости поперечного сечения расположены приемные отверстия: центральное - для измерения полного давления и два периферийных для измерения давлений, используемых для определения угла скоса потока. Приемник обладает наибольшей (из известных приемников) чувствительностью к величине скоростного напора (измерение скорости) и углу скоса потока (измерение направления скорости), что связано с наибольшим перепадом давлений, возникающим между центральным и периферийными приемными отверстиями.

Недостатком приемника является то, что он может быть использован для измерений только в плоских потоках жидкости или газа.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что при использовании цилиндрического приемника в пространственных потоках возникают методические погрешности измерений величины и направления скорости, связанные с влиянием на измерения трехмерного характера обтекания приемника.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является шестиствольный насадок ЦАГИ, представляющий собой цилиндрическую трубку с головной частью полусферической формы [2] - прототип, предназначенный для измерения величины и направления скорости пространственных потоков газа, а также для измерения статического давления в потоке. На головной части приемника расположены приемные отверстия, одно из которых - центральное служит для измерения полного давления, а периферийные, расположенные попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, предназначены для измерения давлений, используемых для определения углов скоса потока. На цилиндрической части приемника расположены приемные отверстия для измерения статического давления.

Недостатком приемника, как и всех известных приемников давлений пространственного потока, является его низкая чувствительность к углам скоса и величине скоростного напора, проявляющаяся при измерениях в потоках малых дозвуковых скоростей (числа Маха М < 0.3), увеличением погрешностей измерения давлений. Недостаточная чувствительность к измеряемым параметрам связана с небольшими перепадами давлений, возникающими на поверхности приемника при малых дозвуковых скоростях.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в отсутствии теоретических методов синтеза приемников давлений, позволяющих получать требуемые метрологические характеристики приемников за счет обеспечения заданной чувствительности.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза оптимальной, с точки зрения чувствительности к измеряемым параметрам и точности измерения давлений, поверхности приемников давлений, используемых в дозвуковых потоках газа и в потоках несжимаемой жидкости.

Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника к углам скоса потока и величине скоростного напора, а также в повышении точности измерения давлений в потоке жидкости или газа за счет увеличения перепадов давлений, действующих на поверхности приемника.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике давлений, представляющем собой тело вращения, имеющее головную часть и цилиндрическую часть, при этом на поверхности головной части расположены центральное приемное отверстие и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости потока жидкости или газа, а на поверхности цилиндрической части расположены приемные отверстия для измерения статического давления, поверхность головной части перед периферийными приемными отверстиями выполнена в виде участка с точкой перегиба образующей, а периферийные приемные отверстия расположены непосредственно за участком с точкой перегиба на поверхности, являющейся продолжением головной части. (Определение точки перегиба см. в [3]). Для заявляемого приемника давлений предполагается, что участок с точкой перегиба образующей поверхности содержит расположенные последовательно, начиная от центрального приемного отверстия, вогнутую часть образующей, точку перегиба и выпуклую часть образующей поверхности.

На фиг. 1 изображен общий вид приемника давлений.

На фиг. 2 приведен график - 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей V_τ скорости жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник имеет форму шестиствольного насадка ЦАГИ с безразмерным значением радиуса образующей (L- длина приемника давлений). График 3 соответствует распределению коэффициента чувствительности приемника к углу скоса α в зависимости от значения безразмерной продольной координаты График 4 показывает распределение коэффициента давления С_р по поверхности приемника.

На фиг. 3 приведен график - 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей скорости V_τ жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник имеет форму шестиствольного насадка ЦАГИ с радиусом образующей в область головной части которого введен участок с точкой перегиба образующей поверхности. Положение точки перегиба обозначено позицией 3. График 4 соответствует распределению коэффициента чувствительности S приемника к углу скоса потока в зависимости от продольной координаты График 5 соответствует распределению коэффициента давления C_p по поверхности приемника.

На фиг. 4 для числа Маха М = 0,2 приведены угловые характеристики шестиствольного насадка ЦАГИ - график 2 и заявляемого приемника давлений, изображенного на фиг. 1, - график 1. Здесь P_i, P_j - давления в двух приемных отверстиях, расположенных на головной части приемников симметрично относительно продольной оси, скоростной напор в невозмущенном потоке; ν_∞ - скорость невозмущенного потока.

Графики на фиг. 2, 3 получены с помощью выполненного на ЭВМ численного расчета обтекания приемников давлений потоком несжимаемой жидкости [4]. В случае обтекания тел потоком газа полученные результаты могут быть использованы вплоть до чисел Маха М = 0,4, когда сжимаемостью газа еще можно пренебречь.

На фиг. 1 изображен заявляемый приемник давлений, представляющий собой тело вращения, образующая которого представлена кривой 1, с головной частью - 2, на которой расположен участок с точкой перегиба 3, содержащий вогнутую часть - 4 и выпуклую часть - 5 образующей, сразу за которым на поверхности, являющейся продолжением головной части, находится точка 6, в месте расположения которой попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях размещены приемные отверстия 7 - 10, предназначенные для измерения углов скоса потока и величины скорости, на головной части приемника находится центральное отверстие 11 для измерения полного давления, на цилиндрической части для измерения статического давления расположены приемные отверстия 12.

Приемник давлений работает следующим образом. Допустим, что обтекание приемника продольное и определяется величина скорости пространственного потока. Обычно для нахождения величины скорости используют следующую зависимость (см. [1] с. 123), носящую название скоростной характеристики:

где индексы у давлений P соответствуют номерам приемных отверстий заявляемого устройства (фиг. 1). Здесь вместо отверстия 7 могут быть использованы отверстия 8, 9 или 10.

Рассмотрим два приемника давлений: шестиствольный насадок ЦАГИ и приемник полностью ему идентичный за исключением того, что непосредственно перед периферийными приемными отверстиями, расположенными на головной части, находится участок с точкой перегиба образующей поверхности. Тогда, как это следует из фиг. 3, при обтекании приемника потоком жидкости или газа в области носовой части там, где находится участок с точкой перегиба образующей поверхности, происходит дополнительный, по сравнению с прототипом (фиг.2), разгон потока, что иллюстрируется графиком 1 для величины безразмерной тангенциальной составляющей скорости жидкости V_τ, которая возрастает и достигает в точках расположения приемных отверстий 7 - 10 своего максимального значения. Увеличение V_τ в соответствии с уравнением Бернулли, сопровождается уменьшением давлений, действующих в приемных отверстиях (см. график 5 на фиг. 3 и график 4 на фиг. 2), что приводит к увеличению разности (перепада) давлений, между центральным приемным отверстием 11 и периферийными 7 - 10. Этот эффект вызывает увеличение коэффициента чувствительности

заявляемого приемника к величине скоростного напора. Нетрудно видеть, что при постоянстве скоростного напора q_∞ и увеличении разности давлений между центральным и периферийными приемными отверстиями чувствительность приемника к величине скоростного напора будет возрастать.

Увеличение точности измерений с помощью заявляемого приемника происходит из-за уменьшения величины относительной погрешности измерения давлений. Относительную погрешность можно найти из выражения

где
P^* - измеренное приближенное значение разности давлении, откуда непосредственно следует, что при использовании метрологически идентичных датчиков, имеющих одинаковую абсолютную погрешность измерений Δ(P^*), точность измерения давлений у заявляемого приемника будет выше, т.к. достигнутое значение перепада давлений P^* = P₁₁ - P₇ для него больше, чем дня прототипа.

Рассмотрим измерение направления потока газа с помощью заявляемого приемника давлений. Обычно для измерения направления пространственного потока используют четыре приемных отверстия, расположенных попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, формируя разности давлений отдельно между двумя приемными отверстиями, расположенными симметрично относительно продольной оси приемника. Для получения угловых характеристик, не зависящих от числа Маха, дополнительно используют давление, измеренное в центральном приемном отверстии. В общем случае угловая характеристика (без использования центрального приемного отверстия) может быть представлена в виде

а выражение для коэффициента угловой чувствительности

На фиг. 4 представлены угловые характеристики прототипа - график 2 и заявляемого приемника - график 1, полученные для числа Маха М = 0,2. При этом в конструкцию заявляемого приемника введен участок с точкой перегиба образующей поверхности, приводящий к увеличению радиуса образующей на 7% и к увеличению коэффициента угловой чувствительности в 1,5 раза (см. график 4 на фиг. 3 и график 3 на фиг. 2). Дополнительное увеличение радиуса образующей в месте введения участка с точкой перегиба образующей поверхности будет приводить к дальнейшему увеличению коэффициента угловой чувствительности.

При одном и том же значении угла скоса потока у заявляемого устройства величина разности давлений P_i - P_j больше, чем у прототипа, что по аналогии с измерением скорости приводит к более высокой чувствительности приемника к углам скоса потока (см. фиг. 4, чувствительность к углу скоса - тангенс угла наклона касательной к угловой характеристике) и, вследствие этого, к более высокой точности измерения соответствующих давлений за счет уменьшения величины относительной погрешности.

Повышение чувствительности приемников давлений к углам скоса потока за счет более быстрого увеличения радиуса образующей головной части (уменьшение кривизны образующей) известно [5]. Но достигаемое за счет этого увеличение коэффициента угловой чувствительности значительно меньше, чем для заявляемого приемника, содержащего участок с точкой перегиба образующей поверхности. К тому же точки с максимальной чувствительностью располагаются в конце головной части, где становятся существенны вязкие эффекты в обтекании приемников.

Источники информации
1. Петунин А. Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давлений и скоростного напора) -М: Машиностроение. 1972. С. 88.

2. Бедржицкий Е.Л., Егоршев А.В., и др. Аэродинамические и прочностные испытания самолетов. -М:. Машиностроение. 1992. С. 159.

3. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике -М:. Физматлит. 1995. С. 374.

4. Маслов Л.А., Левшина З.Г. Программа расчета распределения давлений и турбулентного пограничного слоя на теле вращения под углом атаки. Отчет ЦАГИ N 9270. 1976.

5. Nordstrom J. Wind Tunnel Calibration of a Hemispherical Head Angle of Attack and Angle of Sideslip Indicator // FFA. TN. 1984- 11.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов относительно текучих сред. Сущность изобретения состоит в том, что поверхность головной части приемника перед периферийными приемными отверстиями выполнена в виде участка с точкой перегиба образующей, а сами периферийные приемные отверстия расположены непосредственно за участком с точкой перегиба на поверхности, являющейся продолжением головной части, причем участок с точкой перегиба содержит расположенные последовательно, начиная от центрального приемного отверстия, вогнутую часть образующей, точку перегиба и выпуклую часть образующей поверхности. Такое выполнение позволяет увеличить точность измерения давлений и повысить чувствительность приемника давлений к углам скоса потока и величине скоростного напора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Приемник давлений, представляющий собой тело вращения, имеющее головную часть и цилиндрическую часть, при этом на поверхности головной части расположены центральное приемное отверстие и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости потока жидкости или газа, а на поверхности цилиндрической части расположены приемные отверстия для измерения статического давления, отличающийся тем, что поверхность головной части перед периферийными приемными отверстиями выполнена в виде участка с точкой перегиба образующей, а периферийные приемные отверстия расположены непосредственно за участком с точкой перегиба на поверхности, являющейся продолжением головной части. 2. Приемник давлений по п.1, отличающийся тем, что участок с точкой перегиба образующей поверхности содержит расположенные последовательно, начиная от центрального приемного отверстия, вогнутую часть образующей, точку перегиба и выпуклую часть образующей поверхности.