ПРИЕМНИК ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2000 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 шестиствольный насадок (приемник) ЦАГИ, представляющий собой цилиндрическую трубку с головной частью полусферической формы [1], предназначенный для измерения величины и направления скорости пространственных потоков газа или жидкости, 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.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является приемник давлений, представляющий собой тело вращения, имеющее головную и цилиндрическую части, при этом головная часть содержит дополнительный участок поверхности, приводящий к увеличению расстояния от оси симметрии приемника до поверхности головной части, поверхность которого выполнена в виде участка с точкой перегиба образующей, на поверхности головной части расположено центральное приемное отверстие, а непосредственно за дополнительным участком расположены периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости потока жидкости или газа, на поверхности цилиндрической части находятся приемные отверстия для измерения статического давления [2] - прототип. Форма данного приемника позволяет обеспечить высокую чувствительность к углам скоса потока и величине скоростного напора и получить за счет этого требуемую точность измерения давлений жидкости или газа.

Недостатком конструкции приемника являются существенные технологические трудности изготовления дополнительного участка поверхности головной части, который должен иметь образующую, содержащую точку перегиба. Необходимость введения в конструкцию приемников давлений участков с точкой перегиба образующей поверхности с целью увеличения чувствительности приемников к углам скоса потока и величине скоростного напора и с целью увеличения точности измерения давлений - результат аналитического решения задачи синтеза приемников оптимальной формы. Но понятие точки перегиба линии (образующей) y=f(x) в точке с координатой x₀ является чисто математическим, т.к. необходимый признак точки перегиба - равенство нулю в ней второй производной f''_x(x₀)=0, а достаточный признак - изменение знака второй производной f''_x(x) при переходе через точку перегиба. Для изготовления подобных приемников давлений требуется трудоемкий, технологически сложный производственный процесс. Сложным является и контроль поверхностей изготовленных приемников с учетом приведенных признаков точки перегиба. Усложнение технологического процесса при отсутствии эффективных методов контроля обычно приводит к разбросу (нестабильности) геометрических параметров изготовленных деталей (в данном случае приемников давлений), что вызывает увеличение уровня инструментальных погрешностей функционирующих изделий.

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, а также на повышение технологичности изготовления приемников высокой чувствительности и снижение уровня инструментальных погрешностей.

Технический результат заключается в повышении технологичности изготовления приемников давлений высокой чувствительности и в повышении точности измерения давлений в потоке жидкости или газа за счет снижения уровня инструментальных погрешностей, связанных с изготовлением приемников.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике давлений, представляющем собой тело вращения, имеющее головную часть и цилиндрическую часть, 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, при этом головная часть содержит дополнительный участок поверхности, приводящий к увеличению расстояния от оси симметрии приемника до поверхности головной части, а периферийные приемные отверстия располагаются непосредственно за дополнительным участком на поверхности, являющейся продолжением головной части, дополнительный участок имеет форму усеченного конуса, а угол между образующей дополнительного участка поверхности и осью симметрии приемника больше угла между касательной к образующей головной части и осью симметрии приемника в точках сопряжения дополнительного участка с головной частью.

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, имеющая радиус = R/L (где L - длина приемника давлений), представлена кривой 2, при его продольном обтекании. В области головной части приемник содержит дополнительный участок поверхности - 3, приводящий к увеличению расстояния от оси симметрии приемника до поверхности головной части, образующая которого содержит точку перегиба. График 4 соответствует изменению коэффициента угловой чувствительности приемника в зависимости от значения безразмерной продольной координаты =X/L. График 5 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 поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. В области головной части приемник содержит дополнительный участок поверхности - 3, приводящий к увеличению расстояния от оси симметрии приемника до поверхности головной части, имеющий форму усеченного конуса. График 4 соответствует изменению коэффициента угловой чувствительности S приемника 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 аналога - 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 [3]. 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 дополнительный участок поверхности - 3, приводящий к увеличению расстояния от оси симметрии приемника до поверхности головной части, имеющий форму усеченного конуса, сразу за которым на поверхности, являющейся продолжением головной части, находится точка 4, в месте расположения которой попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях размещены приемные отверстия 5-8, предназначенные для измерения углов скоса и величины скорости потока, на головной части приемника находится центральное отверстие 9 для измерения полного давления, на цилиндрической части для измерения статического давления расположены приемные отверстия 10.

Работа заявляемого приемника давлений полностью аналогична работе прототипа. Допустим, что обтекание приемника продольное и определяется величина скорости пространственного потока. Обычно для нахождения величины скорости используют следующую зависимость (см. [4], с. 123), носящую название скоростной характеристики:

где индексы y давлений P соответствуют номерам приемных отверстий заявляемого устройства (фиг. 1). Здесь вместо отверстия 6 могут быть использованы отверстия 5, 7 или 8.

Тогда, как это следует из фиг. 3, при обтекании приемника потоком жидкости или газа в области головной части там, где находится дополнительный участок поверхности, имеющий форму усеченного конуса, происходит разгон потока, что иллюстрируется графиком 1 для величины безразмерной тангенциальной составляющей скорости жидкости V_τ , которая возрастает и достигает в точках расположения приемных отверстий 5-8 своего максимального значения. Увеличение V_τ в соответствии с уравнением Бернулли сопровождается уменьшением давлений, действующих в приемных отверстиях (см. график 5 на фиг. 3), что приводит к увеличению разности (перепада) давлений между центральным приемным отверстием 9 и периферийными 5-8. Этот эффект вызывает увеличение коэффициента чувствительности S_q заявляемого приемника к величине скоростного напора по сравнению с приемником без дополнительного участка. В случае линейной скоростной характеристики получаем 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.

Введение условия, что угол между образующей дополнительного участка поверхности заявляемого приемника и осью симметрии приемника больше угла между касательной к образующей головной части и осью симметрии приемника в точках сопряжения дополнительного участка с головной частью, является необходимым потому, что оно однозначным образом определяет дополнительное (по сравнению с исходной формой приемника) увеличение расстояния от оси приемника до поверхности головной части, что и является основным условием обеспечения высокой чувствительности и точности измерений параметров движения объектов относительно текучих сред.

Рассмотрим измерение направления потока газа или жидкости 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 - Увеличение перепада давлений |P_i-P_j| между приемными отверстиями, расположенными непосредственно за дополнительным участком поверхности за счет более быстрого изменения давления в зависимости от угла скоса потока, приводит к увеличению коэффициента угловой чувствительности заявляемого приемника.

На фиг. 4 представлены угловые характеристики аналога - график 2 и заявляемого приемника - график 1, полученные для числа Маха М=0,2. При этом в конструкцию заявляемого приемника введен дополнительный участок поверхности, имеющий форму усеченного конуса, приводящий к увеличению расстояния от оси приемника до поверхности головной части на 7%, что приводит к увеличению коэффициента угловой чувствительности в 1,5 раза. Дополнительное увеличение радиуса образующей поверхности в месте введения участка, имеющего форму усеченного конуса, будет приводить к дальнейшему увеличению коэффициента угловой чувствительности.

Для заявляемого приемника считалось, что дополнительный участок приводит к точно такому же увеличению расстояния от оси приемника до поверхности головной части, что и у прототипа. Из сравнения графиков для коэффициентов угловой чувствительности S прототипа и заявляемого приемника (график 4 фиг. 2 и график 4 фиг. 3) следует, что использование вместо дополнительного участка, поверхность которого выполнена в форме участка с точкой перегиба образующей, участка, имеющего форму усеченного конуса, практически не изменяет вид графика для S. При этом максимальное значение S для прототипа совпадает с максимальным значением S для заявляемого приемника.

Таким образом, использование дополнительного участка в форме усеченного конуса, вместо рекомендуемого теорией дополнительного участка, поверхность которого выполнена в виде участка с точкой перегиба образующей, не ухудшает точностных характеристик заявляемого приемника. Но при этом повышается технологичность изготовления приемников давлений высокой чувствительности, т. к. образующей конической поверхности дополнительного участка является отрезок прямой линии. Значительно повышается достоверность методов контроля поверхностей изготовленных приемников и, как следствие этого, повышается точность измерения давлений в потоке жидкости или газа за счет снижения уровня инструментальных погрешностей, связанных с изготовлением приемников.

Источники информации
1. Бедржицкий Е. Л., Егоршев А.В. и др. Аэродинамические и прочностные испытания самолетов. - М.: Машиностроение, 1992, с.159.

2. Патент на изобретение N 2124709. Приемник давлений. /Ледяев В.В. Патентообладатель ПГТУ. Опубл. 10.01.99, Бюл. N 1.

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. Петунин А. Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давлений и скоростного напора). - М.: Машиностроение, 1972, с. 123.

Изобретение относится к измерительной технике 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. В приемнике давления поверхность головной части перед периферийными приемными отверстиями содержит дополнительный участок, имеющий форму усеченного конуса, а угол между образующей дополнительного участка поверхности и осью симметрии приемника больше угла между касательной к образующей головной части и осью симметрии приемника в точках сопряжения дополнительного участка с головной частью. Такое выполнение повышает технологичность изготовления приемника и повышает точность измерения давлений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Приемник давлений, представляющий собой тело вращения, имеющее головную часть и цилиндрическую часть, 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, при этом головная часть содержит дополнительный участок поверхности, приводящий к увеличению расстояния от оси симметрии приемника до поверхности головной части, а периферийные приемные отверстия располагаются непосредственно за дополнительным участком на поверхности, являющейся продолжением головной части, отличающийся тем, что дополнительный участок имеет форму усеченного конуса. 2. Приемник давлений по п.1, отличающийся тем, что угол между образующей дополнительного участка поверхности и осью симметрии приемника больше угла между касательной к образующей головной части и осью симметрии приемника в точках сопряжения дополнительного участка с головной частью.