СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И УГЛА СКОСА ПОТОКА ЖИДКОСТИ И КОМБИНИРОВАННЫЙ ПРИЕМНИК СКОРОСТИ И УГЛА СКОСА Российский патент 2003 года по МПК G01P5/16 

Изобретение относится к области экспериментальной аэрогидромеханики, в частности к способам экспериментального исследования параметров потока жидкостей, и может быть использовано для измерения скорости движения судов, летательных и подводных аппаратов.

Известен способ определения скорости потока жидкости, протекающей в трубе, и сопутствующий ему способ определения расхода (см. ГОСТ 8.361-79 ГСИ "Расход жидкости и газа. Методика выполнения измерений по скорости в одной точке сечения трубы"). ГОСТ предусматривает использование приемников давления.

Наиболее близким, выбранным за прототип, является общеизвестный в гидромеханике способ определения скорости потока жидкости, теоретически основанный на уравнении Бернулли (см. Патрашев А.Н., Кивако Л.А., Гожий С.И. "Прикладная гидромеханика". М., Воениздат, 1970 г., гл. 4, 5, стр. 92-98 и рис. 2.3). Способ включает торможение потока жидкости трубкой Пито, измерение датчиком полного давления Р_о (полного напора) заторможенной жидкости, а также торможение потока внутренней стенкой пьезометрической трубки и измерение датчиком давления гидростатического давления (статического напора) Р_ст в потоке. Скорость потока определяют по уравнению Бернулли

где
- коэффициент пропорциональности,
k₁ - поправочный коэффициент.

Способ реализуется как простейшими устройствами (см., например, Авт. свидетельство 317903 и Информационный листок 760744 ВИМИ), так и специальными комбинированными приемниками скорости потока - ТРУБКАМИ ПИТО-ПРАНДТЛЯ (см. "Прикладная аэродинамика" под ред. Н.Ф. Краснова, М.. Высшая школа, 1974 г., стр.65-71 и рис. 2.1.35). Вторичные преобразователи давления заторможенной жидкости - регистраторы и вычислители - весьма разнообразны (см., например, Спектор С. А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений. Л. , Энергоатомиздат, ЛО, 1987 г., 9.4, стр. 204, рис. 9.8) и обеспечивают высокую точность измерения давлений и линеаризацию зависимостей. Для определения разности давлений в схемах высокой точности используется дифференциальный датчик, а линеаризации подвергается его выходной сигнал, например в виде постоянного напряжения, амплитуда которого квадратично пропорциональна скорости потока жидкости или скорости движения судна (см. Судовые измерители скорости. Справочник. Л., Судостроение, 1978 г., А.А. Хребтов и др.).

В последнем случае, для ЛАГов, измерению скорости часто сопутствует измерение угла скоса потока в горизонтальной плоскости (угла дрефа), учет которого повышает точность навигации. Подобная задача решается в авиации, (см. В. Г. Денисов "Навигационное оборудование летательных аппаратов"), а также в экспериментальной гидро-аэродинамике, где широко применяются 3- или 5-точечные шаровые зонды для определения угла скоса потока; в одной - для 3-точечного, и в двух взаимно перпендикулярных плоскостях для 5-точечного зонда, причем, в 3- или 5-точечном приемнике центральное отверстие также служит для измерения полного напора, а другие одна или две пары отверстий комбинированного приемника лежат в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и расположены симметрично относительно центрального на передней полусфере зонда под углом, обычно равным 90 градусов (т.е. под углом 45^o к оси центрального отверстия). Шаровое исполнение зонда обусловлено стремлением уменьшить базу измерения, технику калибровки зонда и достоверность интерпретации результатов. При наличии измеренного на стенке или в другой точке потока величины статического давления, 3- или 5-точечный зонд позволяет определить скорость и углы скоса потока, жидкости или газа. Учитывая сложность совмещения (при измерении скорости и углов скоса потока одним комбинированным датчиком), связанную с миниатюризацией таких приемников, и гидродинамические особенности обтекания державок чаще всего прибегают к раздельному измерению скорости потока и углов скоса, проводя эксперимент два раза с двумя типами комбинированных приемников. Первый раз проводят измерение скорости потока трубкой Пито-Прандтля, а затем зондом определяют углы скоса потока в интересующих экспериментатора точках потока. Рациональность такой методики подтверждена описанием инструмента, используемого для получения характеристик потоков, данных в публикациях многих авторов.

Коэффициент пропорциональности k для ЛАГов и др. высокоточных трубок Пито-Прандтля и зондов определяется в процессе проведения калибровки и задается аттестатом на приемник скорости потока согласно требованиям ГОСТ 8.328-78.

Основным недостатком способа-прототипа, реализуемого с помощью известных конструкций трубок Пито-Прандтля, является ограниченная точность измерения скорости потока. Так, обычно приведенная погрешность для начальных участков калибровочной кривой по скорости составляет 2÷3% и более (при оценке по квадратичной зависимости уравнения Бернулли), а для углов скоса не менее 1÷2^o при Р=0,95, что заставляет, несмотря на привлекательную простоту способа-прототипа, применять другие способы измерения (см. например, Дюррани Т. , Грейтид К. Лазерные системы в гидродинамических измерениях: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1980. - 336 с). Техническая и метрологическая эксплуатация таких сложных систем связана с повышенными требованиями к оператору и обслуживающим систему службам, и зачастую не оправдывает значительных эксплуатационных расходов.

Гидродинамической причиной указанного недостатка прототипа является эффект вихреобразования в нише приемного отверстия пьезометрической трубки или в приемных отверстиях для забора статического давления, расположенных на цилиндрической части профилированного корпуса трубки Пито-Прандтля и отстоящих от носика трубки более чем на 3÷3,5 калибра трубки (см., например, Михайлов В.Н., Ткачук Г.Н. "Влияние шероховатости корпуса судна на сопротивление воды". Л. , Судостроение, 1971, гл. V, стр. 111-130 и рис. 56 ÷70). Это касается и зондов для измерения углов скоса потока.

Задачей заявленного технического решения является повышение точности измерения скорости потока жидкости (или газа) и достоверности результатов измерений, а также дополнительно, сокращение времени измерения параметров потока в заданной точке потока для пульсирующих потоков жидкости, в струйных течениях, течениях в следе за телом и др., а также повышение точности измерения углов скоса потока.

Поставленная задача решается путем ликвидации гидродинамического эффекта вихреобразования в приемных отверстиях трубки Пито-Прандтля или зонда. Это достигается формированием безвихревого течения жидкости над приемными отверстиями корпуса трубки, для чего до начала измерений наращивают афинно по толщине проницаемым мембранным кожухом со связующим обводы корпуса комбинированного приемника (трубки Пито-Прандтля или зонда), причем толщину кожуха увеличивают пропорционально амплитуде пульсаций исследуемого потока жидкости и обратно пропорционально частоте пульсации потока, значения которых обычно спрогнозированы или определяются в процессе эксперимента методом последовательного согласования параметров потока и параметров кожуха.

Реализация заявленного способа обеспечивается инструментом - комбинированным приемником скорости потока, причем принятый за прототип приемник (см. "Прикладная аэродинамика", под ред. Н.Ф. Краснова, М., ВШ, 1974 г., стр. 65-71 и рис.2.1.35), содержит цилиндрический корпус с профилированным носиком и приемными отверстиями полного напора и статического давления, соединенными полостями торможения жидкости и напорными линиями с дифференциальным датчиком давления, дополнен конструктивными особенностями.

Корпус заявленной трубки Пито-Прандтля снабжен проницаемым (в радиальном направлении) кожухом, образующим упругую проницаемую мембрану над зоной приемных отверстий статического давления, причем мелкопористая структура кожуха заполнена по остальной поверхности корпуса трубки Пито-Прандтля связующим, обеспечивая гидравлическую гладкость корпуса и афинное подобие по профилированной части носика. Такое выполнение трубки Пито-Прандтля, как показано в описании способа, обеспечивает более высокую точность измерения скорости потока, сохраняя привлекательную простоту использования прототипа.

На фиг. 1 представлена схематично обставка в гидродинамическом лотке открытого типа, где проводят измерения. На фиг.2 представлена конструкция 5-точечного комбинированного приемника скорости и параметров потока.

В состав установки для гидродинамических исследований (фиг.1) входит лоток I, движущаяся в котором вода обтекает исследуемый объект 2 (спрямляющий аппарат - решетку), гидродинамический след которой подлежит изучению. На координатнике 3 с лимбом 4 для определения координат точки потока установлен комбинированный приемник 5 скорости и углов скоса потока. Приемник работает на три канала измерения: скорости потока, угла атаки и угла дрейфа. Все три канала идентичны по составу, так что соответствующие напорные линии соединены с полостями дифференциального датчика 6 канала скорости и углов атаки 7 и дрейфа 8. Так, в канале измерения скорости потока дифференциальный датчик давления 6 преобразует измеренную разность давления в частоту, которая фиксируется индикатором 9.

Конструкция комбинированного приемника скорости и параметров потока представлена на фиг. 2. Приемник содержит цилиндрический корпус 10 с профилированным носиком. Приемное отверстие II полного напора потока жидкости и отверстия 12 статического давления канала измерения скорости потока передают давление на дифференциальный датчик 6. Приемные отверстия 13 и 14, расположенные в горизонтальной плоскости, передают давление на дифференциальный датчик 8, а отверстия 15 и 16 - на датчик 7. Кожух 17 комбинированного приемника плотно посажен на исходный обвод корпуса и пазом 18 и резьбовым хвостовиком 19 четко фиксируется в заданном положении относительно базовой измерительной системы координат X₁, У₁, Z₁. Связующее 20 (пластилин, в частном случае) в порах кожуха "затерт" для обеспечения гидравлической гладкости обводов (если указанное влияет на характер взаимодействия приемника с исследуемым потоком жидкости), причем зона 21 кожуха 17 проницаема в радиальном направлении (в порах кожуха связующее отсутствует, и заранее выполнена с перекрытием по площади диаметра приемного отверстия 12). Зоны 22, 23 кожуха 17, и зоны 24, 25, противолежащие приемным отверстиям 13, 14 и 15, 16 соответственно, выполнены аналогичным образом проницаемыми.

Типовая методика выполнения измерений (МВИ) предусматривает следующие операции:
1. Оператор прокачивает водой измерительные напорные линии и вводит координатником 3 комбинированный приемник 5 в заданную программой испытаний начальную точку потока жидкости, движущейся за объектом 2.

2. По шкалам и лимбу 4 измеряют координаты начальной точки и данные заносят в Протокол испытаний.

3. Приемным отверстием II трубки Пито-Прандтля вырезают в потоке струйку тока, затормаживают струйку стенками отверстия II и приемной камеры, а давление торможения полного напора по напорной линии подается на первый входной патрубок дифференциального датчика 6 измерительного канала "Скорость", причем на второй входной патрубок датчика 6 подается давление торможения в полости 12, равное статическому давлению жидкости в исследуемой точке потока. Измеренная датчиком 6 разность давления полного напора и статического давления в точке потока преобразуется в напряжение, пропорциональное прогибу измерительной мембраны датчика 6, а затем, аналого-частотным преобразователем (АЧП) - в частоту. Последний сигнал подается на информационное табло индикатора 9 и, после окончания переходного процесса, заносится оператором в протокол испытаний.

Аналогичным образом ведут измерения по каналу "Угол скоса α" и "Угол скоса β", причем скорость потока определяют по уравнению Бернулли.

Учитывая, что приемные отверстия 12 статического давления и отверстия 13÷16 углов скоса комбинированного приемника 5 экранированы от потока жидкости мелкопористой структурой проницаемого кожуха 17, в приемных отверстиях 12÷16 и полостях отсутствуют вихревые движения торможения (циркуляция в нишах и отверстиях, как известно, приводит к образованию зон разрежения, см., например, Михайлов В.Н., Ткачук Г.Н. "Влияние шероховатости корпуса судна на сопротивление воды", Л. , Судостроение, 1971 г., 15, стр. 112-120 и рис. 58). Это объясняет физику явления, лежащую в основе предложенного способа измерения и причину повышенной точности измерения параметров потока жидкости или газа с использованием предложенного приемника по сравнению с известным - Трубкой Пито-Прандтля.

Заявителем апробированы две конструкции приемника: с кожухом из материала производства Выксунского металлургического комбината для измерения параметров потока жидкости и простейшая конструкция кожуха из одно-трехслойного капрона, который натягивали на штатную трубку Пито-Прандтля при измерениях профилей скорости воздушного потока за формирователем эпюры скорости в 100 мм трубе. В последнем случае приемник позволил существенно сократить (в два-три раза) время проведения типового эксперимента по определению эпюры профиля скорости на выходе трубы, обеспечив заданную точность измерения за один проход приемника по сечению трубы.

Использование заявленного способа и устройства для его реализации (по сравнению с прототипом) позволяет, таким образом, повысить точность измерения скорости потока жидкости (или газа), достоверность результатов измерения, обладает простотой реализации и эксплуатации при съемной конструкции кожуха) и сохраняет все преимущества простоты использования в различных областях прикладной гидроаэродинамики широко распространенного прототипа-трубки Пито-Прандтля, а также в 3- или 5-точечных зондах (комбинированных приемниках углов скоса потока).

Дополнительно можно отметить, что использование способа для 3- или 5-точечных зондов позволяет упростить известную методику выполнения измерений углов скоса потока, обеспечивая повышенную точность измерения углов без дополнительных операций по угловым перемещениям зонда для определения и измерения его положения, соответствующего нулевому показанию дифференциального датчика 7 или 8. Для ЛАГов, в которых измерение скорости судна совмещено с измерением угла дрейфа судна, реализация съемного кожуха позволит просто бороться с обрастанием профилированных частей балянусами и др. организмами.

Изобретение относится к экспериментальной аэрогидромеханике, в частности к способам экспериментального исследования параметров потока жидкостей, и может быть использовано для измерения скорости движения судов, летательных и подводных аппаратов. Для измерений используется трубка Пито-Прандтля, корпус которой снабжен проницаемым мембранным кожухом со связующим, заполняющим поры мембраны по всей поверхности, за исключением зон, противолежащих приемным отверстиям, при этом толщина кожуха выбирается пропорциональной амплитуде и обратно пропорциональной частоте прогнозируемых пульсаций скорости потока жидкости. Техническим результатом является повышение точности измерений. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения скорости и угла скоса потока жидкости, включающий торможение потока стенками приемных полостей комбинированного приемника и измерение одним дифференциальным датчиком разности давления полного напора жидкости и гидростатического давления с вычислением скорости потока по уравнению Бернулли, а другим - разности давления жидкости, заторможенной в двух приемных отверстиях профилированного носика, расположенных навстречу потоку в одной плоскости симметрично относительно отверстия полного напора, отличающийся тем, что до начала измерений наращивают по толщине проницаемым мембранным кожухом обвод корпуса приемника пропорционально амплитуде и обратно пропорционально частоте прогнозируемых пульсаций скорости потока жидкости и формируют этим кожухом безвихревое обтекание приемных полостей носика. 2. Комбинированный приемник скорости и угла скоса потока жидкости, содержащий цилиндрический корпус с профилированным носиком и приемными отверстиями полного и гидростатического давления и парой измерительных отверстий, расположенных в одной плоскости симметрично относительно приемного отверстия полного напора, два дифференциальных датчика давления, входные патрубки которых соединены с соответствующими приемными отверстиями, отличающийся тем, что корпус трубки снабжен проницаемым мембранным кожухом со связующим, заполняющим поры мембраны по всей поверхности, за исключением зон, противолежащих приемным отверстиям, при этом толщина кожуха выбирается пропорциональной амплитуде и обратно пропорциональной частоте прогнозируемых пульсаций скорости потока жидкости.