ПРИЕМНИК ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК 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 известный приемник давлений, представляющий собой тело вращения, имеющее головную и цилиндрическую части, 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, дополнительно содержит тело вращения, имеющее форму тора, на поверхности которого размещены периферийные приемные отверстия, а ось симметрии тора совпадает с осью симметрии цилиндрической части приемника.

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 C_p по поверхности приемника.

На фиг. 3 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей скорости V_τ жидкости или газа по дуге окружности, с помощью которой образована проточная часть тела вращения (внутренний контур), имеющего форму тора, при его продольном обтекании. График 2 соответствует распределению коэффициента давления C_p, а график 3 - распределению коэффициента угловой чувствительности S по внутреннему контуру в зависимости от координаты расчетной точки, где L в данном случае - длина тора, измеряемая в направлении продольной оси симметрии тора. График 4 соответствует распределению безразмерной тангенциальной составляющей скорости V_τ жидкости или газа по внешнему контуру тела вращения, имеющего форму тора, при его продольном обтекании. График 5 соответствует распределению коэффициента давления C_p, а график 6 - распределению коэффициента угловой чувствительности S по внешнему контуру в зависимости от координаты расчетной точки.

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 для заявляемого приемника давлений P_i, P_j - давления в двух соседних периферийных приемных отверстиях, расположенных на поверхности тела вращения, имеющего форму тора (например, P₅, P₆ или P₉, P₁₀); - скоростной напор в невозмущенном потоке; ν_∞ - скорость невозмущенного потока.

Графики на фиг. 2 и 3 получены с помощью выполненного на ЭВМ численного расчета обтекания приемников давлений потоком несжимаемой жидкости [3], [4]. В случае обтекания тел потоком газа полученные результаты могут быть использованы вплоть до чисел Маха М = 0,3, 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, содержащий дополнительно тело вращения 3, имеющее форму тора и также являющееся головной частью приемника, крепящееся к цилиндрической части приемника с помощью кронштейнов 4, с расположенными на поверхности периферийными приемными отверстиями 5-12, предназначенными для измерения углов скоса и величины скорости потока жидкости или газа, на головной части 2 приемника находится центральное отверстие 13 для измерения полного давления, а на цилиндрической части для измерения статического давления расположены приемные отверстия 14.

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 5 могут быть использованы отверстия 6-12.

Рассмотрим два приемника давлений: шестиствольный насадок ЦАГИ и заявляемый приемник. Тогда, как это следует из фиг. 3, при обтекании тела вращения, имеющего форму тора, потоком жидкости или газа происходит дополнительный по сравнению с прототипом (см. график 1 на фиг. 2) разгон потока, что иллюстрируется графиками 1 и 4 на фиг. 3 для величины безразмерной тангенциальной составляющей скорости V_τ. Увеличение скорости V_τ в соответствии с уравнением Бернулли сопровождается уменьшением давлений, действующих в соответствующих расчетных точках (см. графики 2 и 5 на фиг. 3 и график 4 на фиг. 2), что приводит к увеличению разности (перепада) давлений, между центральным приемным отверстием 13 и периферийными 5-12. 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.

Факту дополнительного разгона потока жидкости или газа на поверхности тела вращения, имеющего форму тора, по сравнению с любым другим телом вращения, образующая которого может быть представлена плавными кривыми, можно дать простое физическое истолкование. Нетрудно заметить, что тело вращения, имеющее форму тора может быть получено с помощью деформации (изгиба) цилиндрического тела с постоянным значением радиуса окружности поперечного сечения. При этом может быть получено тело, форма которого будет удовлетворять определению тора [5]. Как известно (см. [1]), поперечное обтекание цилиндрического приемника характеризуется максимальным по сравнению с известными приемниками давлений значением тангенциальной скорости V_τ. K тому же тело вращения, имеющее форму тора, является телом с протоком, что по аналогии с трубкой Вентури приводит к дополнительному уже по сравнению с цилиндром увеличению тангенциальной составляющей скорости V_τ в проточной части приемника - область расположения приемных отверстий 6, 7, 9, 11 (см. графики 1 и 4 для V_τ на фиг. 3).

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 давлений, 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^* = P₁₃ - P₅ для него больше, чем для 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 предполагалось, что заявляемый приемник давлений содержит дополнительно тело вращения, имеющее форму тора, с наружным диаметром D_т = 3L, где L - длина тора, а диаметр цилиндрической части приемника D_ц = 0,6L. Для построения угловой характеристики определялась разность давлений в двух соседних периферийных приемных отверстиях 5 и 6. Представленная конструкция приводит к увеличению коэффициента угловой чувствительности по сравнению с прототипом в 2 раза.

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.

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. 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.

4. Маслов Л.А. Программа расчета осесимметричного потенциального обтекания кольцевого крыла с центральным телом (Описание применения). Отчет ЦАГИ, N 10966. 1976.

5. Воднев В.Т., Наумович А.Ф. и др. Математический словарь высшей школы. Под ред. Ю.С. Богданова.- М.: МПИ. 1988. c. 444.

Приемник предназначен для использования в области измерительной техники для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов относительно текучих сред. Приемник в виде тела вращения имеет головную и цилиндрическую части. На поверхности головной части расположены центральное и периферийные приемные отверстия, используемые для определения величины и направления скорости потока. На поверхности цилиндрической части расположены приемные отверстия для измерения статического давления. Увеличение точности измерения давлений в потоке жидкости или газа и увеличение чувствительности приемников давлений к углам скоса потока и величине скоростного напора за счет увеличения перепадов давлений, действующих на поверхности приемников, достигается тем, что приемник дополнительно содержит тело вращения, имеющее форму тора, на поверхности которого размещаются периферийные отверстия, а ось симметрии тора совпадает с осью симметрии цилиндрической части приемника. 4 ил.

Приемник давлений, представляющий собой тело вращения, имеющее головную и цилиндрическую части, 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 он дополнительно содержит тело вращения, имеющее форму тора, на поверхности которого размещены периферийные приемные отверстия, а ось симметрии тора совпадает с осью симметрии цилиндрической части приемника.