УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01P5/18 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении направления и величины вектора скорости потока газа или жидкости, например, на летательных аппаратах.

Известны устройства для измерения величины и направления вектора скорости потока газа: пневмометрические, флюгерные, меточные и др.

Работа пневмометрического датчика угла направления (для ЛА - аэродинамических углов) (Авиационные приборы и измерительные системы: Учебник для вузов гражданской авиации. / В.Г.Воробьев, В.В.Глухов, А.Л.Грохольский и др. Под ред. В.Г.Воробьева. - М.: Транспорт, 1981. - 391 с.) - [1] основана на связи распределения давлений или скоростей на поверхности или вблизи обтекаемого тела с величиной и направлением набегающего потока. Преобразование давлений, характеризующих измеряемые параметры вектора скорости потока в выходной сигнал требуемой формы, осуществляют с использованием различных схем.

Основные погрешности пневмометрических датчиков складываются из инструментальных погрешностей изготовления, влияния температуры, ускорений, вибрации на чувствительный элемент, погрешностей сьема сигнала и др.

Принцип действия флюгерных датчиков направления потока (аэродинамических углов) [1] заключается в следующем: под действием аэродинамических сил закрепленное в опорах удобообтекаемое тело (флюгер), центр давления которого не совпадает с осью вращения, устанавливается по направлению набегающего потока и преобразуется в выходной электрический сигнал.

Приборы этой подгруппы отличаются друг от друга геометрической формой и размерами, типом выходного устройства и другими конструктивными особенностями.

Основными недостатками флюгерных датчиков являются низкая точность на малых скоростях контролируемого потока при выполнении эволюций и на неустановившихся режимах, а также малая полоса пропускания частот.

Принцип действия меточных измерительных преобразователей основан на определении скорости и (или) угла направления потока газа или жидкости путем создания в контролируемом потоке метки и регистрации времени пролета ею определенных базовых расстояний (А.с. 655975, МКИ G 01 P 5/18. Устройство для измерения скорости потока газа или жидкости / А.С. Иванчук, В.М. Солдаткин, В.А. Ференец / Опуб. 1979, Бюлл. N13) - [2].

Для сравнительного анализа с заявляемым изобретением выбрано устройство для измерения скорости потока газа или жидкости по А.С. N 655975, которое содержит один источник меток, охваченный двумя приемниками, и измерительную схему. Один из приемников выполнен в виде кольца, а форма исполнения другого соответствует уравнению
ρ = R + f(α), (1)
где ρ - текущее значение расстояния от источника меток до приемника;
R - минимальное расстояние между источником меток и приемником;
α - угол натекания потока, определяющий направление потока газа или жидкости относительно заданной оси.

Для получения сигнала по скорости и направлению потока в этом устройстве производится измерение двух временных интервалов, соответствующих времени прохождения меткой до кольцевого приемника, расположенного на расстоянии R от приемника, выполненного, например, в виде спирали Архимеда (f(α) - kα, где k - крутизна спирали Архимеда).

Недостатком данного устройства являются большие габариты из-за наличия второго приемника, расстояние ρ до которого от источника меток связано с измеряемым углом соотношением (1).

При этом вид функции f(α) будет определять как чувствительность измерительной схемы, так и габариты всего прибора, причем габариты прямо пропорционально зависят от чувствительности.

Изобретение решает задачу уменьшения габаритов устройства и повышения технологичности его изготовления.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для измерения скорости и направления потока газа или жидкости, содержащее источник меток, находящийся в центре одного из двух приемников, выполненного в виде кольца, и электроизмерительную схему, введен второй источник меток, расположенный с первым в плоскости измерения и в плоскости, перпендикулярной оси симметрии приемника, являющегося полукольцом, и охваченный первым приемником.

Для повышения чувствительности устройства без увеличения габаритов конструкции может быть использован третий источник меток, расположенный симметрично второму источнику меток относительно первого.

При этом габариты всего устройства определяются радиусом кольцевого приемника.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Здесь: 1-3 - источники меток; 4, 5 - приемники меток; 6 - генератор меток; 7 - регистратор меток; 8 - устройство обработки.

Источник меток 1 находится в центре кольцевого приемника 4 с радиусом R, источники 2 и 3, охваченные кольцевым приемником и расположенные симметрично относительно источника меток 1 на расстоянии Z друг от друга. Источник меток 1 охвачен приемником меток 5, являющимся полукольцом, расположенным на окружности радиуса не более R. Ось симметрии приемника 5 перпендикулярна линии расположения источников 1, 2 и 3. Источники меток подключены к генератору 6, а приемник 4 - к регистратору меток 7. Для вычисления величины вектора скорости V_и и угла направления α_и потока газа или жидкости используется устройство обработки 8. Расстояния L₂ и L₃ от источников 2 и 3 до приемника меток соответственно определяются выражениями


где α - угол между траекторией движения меток и осью симметрии приемника.

Устройство работает следующим образом.

В процессе измерения генератор меток 6 формирует импульсы, которые последовательно подаются на источники 1 и 2, а также на устройство обработки 8. В контролируемом потоке создаются метки, которые уносятся в сторону приемного электрода 4 со скоростью V.

Приемник меток 5 используется для получения сигнала о том, в каком из двух поддиапазонов происходит измерение в данный момент времени.

При пролете меток над приемником 4 регистратор меток 7 формирует импульсы, пропорциональные расстояниям L₁ и L₂, которые подаются на устройство обработки 8.

Устройство обработки 8 производит измерение временных интервалов t₁ и t₂, равных временам пролета меток расстояний от источников меток 1 и 2 соответственно до приемника 4, и формирует сигналы V_и и α_и, пропорциональные величине скорости V и углу направления потока α в соответствии с соотношениями


С целью увеличения крутизны выходной характеристики устройства при измерении угла направления в устройство может быть введен третий источник меток 3 (см. чертеж). Уравнение преобразования для угла направления потока α_и в этом случае будет иметь вид

где t₃ - время пролета меткой расстояния от третьего источника до приемника 4.

Конструкция изобретения, имеющего один приемник меток, выполненный в виде полукольца, более технологична, чем устройство по А.С. 655975, имеющее два приемника, один из которых имеет форму кольца, а второй выполнен в виде спирали. Изготовление одного кольцевого электрода более технологично по сравнению с изготовлением электрода в виде спирали.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении направления и величины вектора скорости потока газа или жидкости, например, на летательных аппаратах. Технический результат - уменьшение габаритов устройства и повышение технологичности его изготовления. Устройство содержит первый источник меток, находящийся в центре кольцевого приемника, второй и третий источники меток, охваченные кольцевым приемником и расположенные симметрично относительно первого источника меток. Первый источник меток охвачен вторым приемником меток в виде полукольца. Ось симметрии второго приемника перпендикулярна линии расположения источников. Источники меток подключены к генератору, а приемник - к регистратору меток. Для вычисления величины вектора скорости и угла направления потока газа или жидкости используется устройство обработки. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения скорости и направления потока газа или жидкости, содержащее источник меток, находящийся в центре одного из двух приемников, выполненного в виде кольца, и электроизмерительную схему, отличающееся тем, что оно содержит второй источник меток, расположенный с первым в плоскости измерения и в плоскости, перпендикулярной оси симметрии приемника, являющегося полукольцом, и охваченный первым приемником. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит третий источник меток, симметрично расположенный второму источнику меток относительно первого.