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 съема 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. N 13.) - [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 кольцевого приемника меток, и электроизмерительную схему, введен второй и третий источники меток, вместе с первым, подключенные к системе генераторов меток электроизмерительной схемы, расположенные в плоскости измерения на линиях, перпендикулярных друг другу, и охваченные кольцевым приемником.

Для повышения чувствительности устройства без увеличения габаритов конструкции может быть использован четвертый источник меток, расположенный симметрично второму или третьему источнику меток относительно первого, также подключенный к системе генераторов меток.

При этом габариты всего устройства определяются радиусом кольцевого приемника.

Сущность изобретения поясняется чертежомлл.

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

Источник меток 1 находится в центре кольцевого приемника 5 с радиусом R, источники 2 и 3 вместе с источником 1 расположены на линиях, перпендикулярных друг другу. Расстояние между источниками меток 2 и 4 равно Z, а между 1 и 3 - Н. Источники меток подключены к системе генераторов 6, а приемник 5 - к регистратору меток 7. Для вычисления величины вектора скорости V_и и угла направления α_и потока газа или жидкости используется устройство обработки 8. Расстояние L₂ от источника 2 до приемника меток 5 определяется выражением

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

Устройство работает следующим образом.

В процессе измерения система генераторов меток 6 формирует импульсы, которые последовательно подаются на источники 1, 2 и 3, а также на устройство обработки 8. В контролируемом потоке создаются метки, которые уносятся в сторону приемного электрода 5 со скоростью V. Режим и алгоритмы работы системы генераторов меток 6 определяются необходимыми задачами измерения.

Источник меток 3 используется для определения одного из двух поддиапазонов измерения (-90^o, 90^oC) или (90^oC, 270^oC) в соответствии с выражением:

где t₁, t₃ - время пролета метками расстояний от источников 1 и 3 соответственно до приемников.

При пролете меток над приемником 5 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 5, 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 четвертый источник меток 4 (фиг. 1). Уравнение преобразования для угла направления потока α_и в этом случае будет иметь вид

где t₄ - время пролета меткой расстояния от источника 4 до приемника 5.

Конструкция изобретения, имеющего один приемник меток, выполненный в виде кольца, более технологична, чем устройство по А.С. 655975, имеющее два приемника, один из которых имеет форму кольца, а второй заполнен 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, например, на летательных аппаратах. Устройство включает первый источник меток, находящийся в центре кольцевого приемника, и второй и третий источники, которые вместе с первым источником расположены на линиях, перпендикулярных друг другу, и охвачены кольцевым приемником. Для повышения чувствительности устройства без увеличения габаритов конструкции может быть использован четвертый источник меток, расположенный симметрично второму или третьему источнику меток относительно первого источника. Обеспечивается уменьшение габаритов и повышение технологичности изготовления. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения скорости и направления потока газа или жидкости, содержащее источник меток, находящийся в центре кольцевого приемника, и электроизмерительную схему, отличающееся тем, что оно содержит второй и третий источники меток, расположенные в плоскости измерения на линиях, перпендикулярных друг другу, и охваченные кольцевым приемником. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит четвертый источник меток, расположенный симметрично второму или третьему относительно первого.