ДАТЧИК С ОСЦИЛЛИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПЕРЕХОДА ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ Российский патент 2013 года по МПК G01H3/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к датчику состояния потока, предназначенному для обнаружения состояния потока вблизи тела, на которое может набегать поток. Кроме того, изобретение относится к устройству для измерения потока, содержащему множество таких датчиков состояния потока, к способу изготовления датчика состояния потока и устройства для измерения потока, а также к способу измерения потока, который можно реализовать с указанным датчиком состояния потока.

Уровень техники

Исследования состояния потока являются важными для проектирования и изготовления воздушного судна, в частности профилей крыла. Как подробно описано в работе М. Gad-el-Hak "Flow Control: Passive, Active and Reactive Flow Management", Cambridge University Press, 2002, исследование состояния потока на крыле во время крейсерского полета особенно желательно в случае режимов управления ламинарным потоком и гибридного управления ламинарным потоком. При этом задачей является определение момента времени и местонахождения перехода потока из ламинарного состояния в турбулентное состояние.

На крыльях воздушного судна (или вообще на телах, вокруг которых протекает воздух) между поверхностью и внешним потоком образуется динамический пограничный слой, который, в частности, приводит к возникновению сопротивления трения тела. В начальном состоянии пограничный слой является ламинарным и имеет низкое сопротивление. Очень малые возмущения, имеющие волновой характер (волны Толмина-Шлихтинга), усиливаются по мере распространения в пограничном слое. Они вызывают переход к турбулентному пограничному слою и, таким образом, к увеличению сопротивления. Частота таких возмущающих волн зависит от характера текучей среды и скорости потока. При испытаниях в аэродинамической трубе эта частота обычно лежит в пределах между 10 Гц и 30 кГц. Во всем мире проводится интенсивная работа, направленная на то, чтобы переместить это изменение, т.е. переход потока из ламинарного в турбулентный на крыльях или хвостовых стабилизаторах, на большую глубину крыла с целью уменьшения сопротивления трения указанных элементов.

В этой работе или в аналогичных научно-исследовательских проектах важно, в частности, получить точное определение перехода при испытаниях в аэродинамической трубе и при летных испытаниях, чтобы, таким образом, оценить эффективность новых технических приемов и формы элементов воздушного судна для уменьшения сопротивления трения.

В устройствах известного уровня техники используются матрицы различных типов датчиков для измерения перехода при испытаниях в аэродинамической трубе и при летных испытаниях. Так, например, в работе F. Hausmann "Entwicklung einer Multisensor-Heissfilmtechnik zur Transitionserkennung im Reiseflug", Dissertation RWTH Aachen, 2004, описано применение датчиков с нагреваемым пленочным элементом, а в работе W. Nitsche, A. Brunn: "Stromungsmesstechnik", 2nd edition, Springer Verlag, 2006, для этой цели предлагается применять анемометры с нитью накала, датчики с поливинилиденфторидной пленкой и микрофоны.

Общим недостатком всех датчиков состояния потока известного уровня техники является относительно сложная конструкция. Еще один недостаток заключается в том, что эти датчики генерируют аналоговый сигнал, который требует трудоемкого усиления, высокой скорости регистрации и поэтому сбора обширных данных, а также анализа данных для принятия решения, является ли поток в геометрическом местоположении отдельного датчика "ламинарным" или "неламинарным". Более подробно это описано в работе I. Peltzer: "Flug- und Windkanalexperimente zur raumlichen Entwicklung von Tollmien-Schlichting-lnstabilitaten in einer Flugelgrenzschicht", Dissertation TU Berlin, 2004.

Кроме того, датчики с нитью накала и датчики с нагреваемым пленочным элементом отличаются высоким потреблением энергии и требуют сложных электронных устройств, а также проведения сложного анализа данных. В частности, датчики с тепловым принципом функционирования в большинстве случаев работают в замкнутой системе автоматического управления. Так, например, устанавливают постоянную температуру, измеряют напряжение, необходимое для поддержания постоянной температуры, и используют его в качестве сигнала датчика. Для работы таких датчиков требуется сравнительно большое количество энергии.

US 5272915 описывает систему измерения воздушного потока, содержащую датчик с нагреваемым пленочным элементом, к которому прикладывается постоянное напряжение в цепи с обратной связью, поддерживающей напряжение на датчике на предварительно заданном уровне. Переходный воздушный поток отличается от турбулентного воздушного потока сигналом, который имеет значительную энергию в полосе низких частот 50-80 Гц. Схема обработки сигнала обеспечивает визуальную индикацию типа анализируемого воздушного потока на трехцветном светодиодном дисплее. Первая проблема, связанная с US 5272915, заключается в необходимости полосового фильтра для определения присутствия энергии в полосе 50-80 Гц. Вторая проблема US 5272915 состоит в невозможности надежного обнаружения полностью турбулентного состояния потока, который обычно имеет значительно количество энергии на частоте, превышающей 1 кГц.

Датчики давления, также способные, в принципе, определять состояние потока у тела, на которое набегает поток, являются чувствительными к вибрациям, к звуку, возникающему в конструкциях, и к температуре. Кроме того, они недостаточно чувствительны для высокодинамических измерений, например для обнаружения перехода при высоких скоростях набегающего потока. Мощные датчики динамического давления, которые также используются для измерения потоков, в большинстве случаев не обладают необходимой чувствительностью для обнаружения перехода.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является обеспечение датчика состояния потока, имеющего простую конструкцию, и простого способа измерения потока для обнаружения состояния потока вблизи тела, на которое набегает поток.

Эта задача решена при помощи датчика состояния потока, имеющего признаки, указанные в п.1 формулы изобретения, устройства для измерения потока, содержащего такой датчик и имеющего признаки, указанные в п.17 формулы изобретения, и способа измерения потока, который может быть реализован с ними и имеет признаки, указанные в п.22 формулы изобретения.

Зависимые пункты формулы изобретения относятся к предпочтительным вариантам осуществления изобретения. Другие независимые пункты формулы изобретения относятся к способу изготовления датчика состояния потока и/или устройства для измерения потока и к компоненту, на который может набегать поток, и который снабжен таким датчиком состояния потока или таким устройством для измерения потока.

Датчик состояния потока согласно изобретению отличается тем, что он содержит по меньшей мере одно устройство для детектирования частот, предназначенное для обнаружения по меньшей мере одной заранее заданной характеристической частоты, которая является характеристикой состояния потока, при этом устройство для детектирования частот содержит по меньшей мере один осциллирующий элемент, который возоуждается потоком до резонансного колебательного движения и имеет резонансную частоту или частоту собственных колебаний, адаптированную к указанной заранее заданной характеристической частоте, в частности, соответствующую указанной заранее заданной характеристической частоте.

Далее приведено подробное описание достоинств, которые можно получить при помощи конструкции согласно изобретению.

Первым признаком перехода потока из ламинарного в турбулентное состояние является появление нестабильностей характеристических частот. Начальные нестабильности потока проявляются в виде уже упомянутых выше волн Толмина-Шлихтинга. Эти характеристические волны распространяются в пограничном слое потока. Они имеют типичные частоты, которые зависят от скорости набегающего потока.

Во время перехода в потоке могут также образовываться другие/дополнительные когерентные структуры с соответствующими характеристическими частотами, например, лямбда-вихри или структуры перекрестных потоков, см. подробно U. Knornschild: "Untersuchungen zum laminar-turbulenten Transitionsprozess bei Anregung und Dampfung schraglaufender Tollmien-Schlichting-Wellen", Dissertation TU Dresden, 2001.

Первый аспект изобретения использует это явление и обеспечивает датчик состояния потока, чувствительный к появлению таких типичных частот. Это позволяет, в частности, но не исключительно, обнаруживать особенно простым способом присутствие ламинарного потока или переход в неламинарное состояние.

Датчик состояния потока согласно изобретению непосредственно обнаруживает типичные характеристики состояния потока.

Согласно другому аспекту изобретения для обнаружения перехода устанавливается, например, только то, является ли поток ламинарным или уже проявляет первые признаки перехода в турбулентное состояние, а именно устанавливается возникновение типичных нестабильностей. В этом случае не требуется трудоемкой обработки данных, поскольку определяется только различие между двумя состояниями.

Таким образом, изобретение или его предпочтительные варианты осуществления позволяют быстрым и простым способом получать информацию о состоянии потока. Расходы, связанные с обработкой данных, можно поддерживать на низком уровне.

В целом можно создать датчики состояния потока, которые имеют очень низкое потребление энергии. Возможно также создание датчиков состояния потока, которые не оказывают влияния или оказывают очень слабое влияние на измеряемый поток.

Состояние потока вблизи тел, вокруг которых проходит поток, можно очень просто охарактеризовать при помощи способа измерения согласно изобретению и датчика состояния потока согласно изобретению. Когерентные структуры в потоке, которые имеют типичные (характеристические) частоты, можно очень просто обнаруживать путем прямого детектирования этих частот. Таким образом, можно также обнаруживать, в частности, переход между различными состояниями потока. Так, например, очень просто можно обнаружить переход во время появления нестабильностей, например, волн Толмина-Шлихтинга, которые обнаруживаются по их типичной частоте.

Используя предпочтительные варианты осуществления датчиков состояния потока согласно изобретению можно также просто создать устройство для измерения потока, пригодное для размещения на поверхности тела, вокруг которого проходит поток, в частности, компонента воздушного судна или модели воздушного судна, при этом устройство для измерения потока производит пространственный анализ состояний потока. Для этой цели предпочтительно обеспечивается матрица датчиков состояния потока, которые являются чувствительными по меньшей мере к одной заранее заданной частоте или которые реагируют только на два различных состояния потока. Такое устройство для измерения потока особенно пригодно для применения при летных испытаниях.

Для применения в условиях полета предпочтительной является матрица, содержащая как можно более простые датчики, каждый из которых, например, для обнаружения перехода, в принципе, должен иметь только два состояния: ламинарное состояние в месте расположения датчика (т.е. поток - ламинарный, состояние "0") и неламинарное состояние в месте расположения датчика (поток неламинарный, состояние "1"). Благодаря такому простому выходному сигналу датчика, даже при большом количестве датчиков можно обеспечить простую оценку данных о состоянии потока в определенном местоположении. Это в особенной степени относится ко всем состояниям потока, которые связаны с заранее установленными характеристическими частотами.

Возможно также небольшое дискретное число состояний, например 1 - "ламинарный", 0 - "переход" и 1 - "полностью турбулентный". Поэтому датчик состояния потока предпочтительно конфигурируется для обнаоужения и выводя цифрового сигнала только для двух состояний потока или для небольшого числа дискретных состояний (например, только для трех состояний, только для четырех состояний).

Датчик состояния потока содержит по меньшей мере один резонансный сенсорный элемент или осциллирующий элемент, который возбуждается до колебаний с заранее заданной частотой. Частота собственных колебаний или резонансная частота осциллирующего элемента адаптируется к типичной характеристической частоте состояния потока, подлежащего определению. Так, например, частота собственных колебаний адаптируется к частоте волн Толмина-Шлихтинга, т.е., например, является равной частоте (или ее гармонике) или близкой к этой частоте (или к ее гармонике).

Если предусмотрено множество осциллирующих элементов с различными частотами собственных колебаний, можно, с одной стороны, определять различные состояния потока, соответствующие различным характеристическим частотам. С другой стороны, можно также определять состояния потока, типичные частоты которого изменяются в результате изменения определенных параметров. Так, например, осциллирующие элементы можно настроить на типичные волны Толмина-Шлихтинга при различных типичных скоростях набегающего потока. Кроме того, состояния, которые возникают, можно более точно определить при помощи появляющихся типичных частот.

В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения по меньшей мере один осциллирующий элемент возбуждается анализируемым потоком до появления механических колебаний с заранее заданной частотой. Колебания осциллирующего элемента можно обнаружить различными известными способами (например, емкостным или индуктивным). В особенно предпочтительном варианте осуществления механическая энергия колебаний используется для генерирования электрической энергии. Так, например, механическая энергия колебаний небольшого осциллирующего элемента, например при соединении с магнитным элементом, является достаточной для генерирования небольшого электрического и/или магнитного переменного поля, при помощи которого можно создать бит элемента памяти. Затем этот бит можно считывать простым способом, предпочтительно - с использованием беспроводного соединения.

Таким образом, датчик состояния потока может функционировать независимо, и его состояние можно предпочтительно определять при помощи беспроводного соединения. В этом случае датчик состояния потока не треоует каких-либо кабелей для электропитания и передачи информации.

Для изготовления датчиков можно использовать, в частности, технологию микротехники, более конкретно - микропроцессорной техники или микросистемной техники. Благодаря малым размерам датчиков состояния потока, получаемых при помощи микротехники, можно, в частности, изготовить устройство для измерения потока с матрицей, содержащей множество датчиков состояния потока и позволяющей производить точные пространственные измерения на поверхности тела, по поверхности которого или вокруг которого проходит поток. Кроме того, достоинство технологии микротехники заключается в возможности изготавливать датчики состояния потока с низким весом. Это позволяет устанавливать датчик состояния потока или устройство для измерения потока, содержащее множество таких датчиков состояния потока, на поверхности компонента, например, крыла воздушного судна или модели воздушного судна.

Кроме того, осцилляционные характеристики устройства для детектирования частот, в частности, для детектирования резонансной частоты по меньшей мере одного осциллирующего элемента, можно просто адаптировать при помощи технологии микротехники. С одной стороны, резонансную частоту можно адаптировать при помощи геометрии устройства для детектирования частот, в частности, при помощи изменения геометрии осциллирующего элемента. Кроме того, можно оказывать влияние на осцилляцию путем применения специального материала с использованием микротехнологии. Так, например, путем нанесения тонких слоев можно изменять механические напряжения в осциллирующем элементе датчика состояния потока и, таким образом, оказывать влияние на его осцилляционные характеристики.

Предпочтительно применять демпфирующее устройство с целью изоляции датчика состояния потока от внешних вибраций и колебаний конструкции, которые могут мешать детектированию частот. Пригодная схема демпфирующего устройства позволяет выделять только сигнал потока.

Как указано выше, в соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения можно использовать энергию, которую генерирует осциллирующий конструктивный элемент, настроенный на резонансные колебания. В частности, в случае резонансных колебаний эту энергию можно использовать для генерирования сигнала, который показывает, что поток больше не является ламинарным. Только в этом случае резонансная конструкция реагирует, поскольку только тогда присутствуют характеристические частоты, вызывающие резонанс.

Энергия, которая генерируется в результате реакции, является достаточной, например, для ввода одного бита в запоминающее устройство.

Краткое описание чертежей

Далее приведено подробное описание иллюстративных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлены:

фиг.1 - схематическое упрощенное изображение в перспективе первого варианта осуществления резонансного датчика состояния потока;

фиг.2 - схематическое упрощенное изображение в перспективе второго варианта осуществления резонансного датчика состояния потока;

фиг.3 - схематический вид в разрезе датчика состояния потока согласно второму варианту осуществления с фиг.2, используемому в компоненте, вокруг которого проходит поток;

фиг.4 - схематическое упрощенное изображение устройства для измерения потока, содержащего множество датчиков состояния потока с фиг.3 и встроенного в компонент, вокруг которого проходит поток;

фиг.5 - продольный разрез устройства для измерения потока, показанного на фиг.4; и

фиг.6 - схематическое упрощенное изображение в перспективе третьего варианта осуществления резонансного датчика состояния потока.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан первый иллюстративный вариант осуществления датчика состояния потока на поверхности 14 тела 16, на которое набегает поток 12. Тело 16 представляет собой, например, компонент 18 воздушного судна, вокруг которого проходит поток, в частности, компонент крыла (или компонент хвостового стабилизатора или компонент фюзеляжа), с которым проводятся летные испытания, или модели воздушного судна, используемой, например, для испытаний в аэродинамической трубе.

Датчик 10 состояния потока содержит устройство 20 для детектирования частот, предназначенное для обнаружения заранее заданной частоты потока 12. Устройство 20 для детектирования частот содержит резонансный элемент или осциллирующий элемент 22, способный к осцилляции с частотой собственных колебаний, которая адаптируется к частоте, подлежащей детектированию. Для этой цели осциллирующий элемент 22 в показанном примере имеет удлиненную форму и длину обычно менее 2 мм. В показанных примерах осциллирующий элемент 22 представляет собой тонкую криволинейную полосу 24, один конец 26 которой консольно закреплен, а другой, свободный конец 28 колеблется вверх и вниз. Когда появляется частота, подлежащая детектированию, свободный конец 28 начинает совершать резонансное колебательное движение 30. Обычно осциллирующий элемент имеет резонансную частоту или частоту собственных колебаний, превышающую 1 кГц. Если осциллирующий элемент используется в условиях полета, то резонансная частота предпочтительно лежит между 1 кГц и 10 кГц. Если осциллирующий элемент используется для испытания в аэродинамической трубе, то может потребоваться более высокая резонансная частота - до 30 кГц.

Осциллирующий элемент может быть установлен в направлении воздушного потока или в направлении, противоположном направлению воздушного потока. Альтернативно он может быть расположен под углом к воздушному потоку, выступая с поверхности 14 или находясь заподлицо с поверхностью 14. Во всех случаях колебательное движение осциллирующего элемента представляет собой изгибающее движение, направленное перпендикулярно его длине.

Колебательное движение 30 можно обнаружить при помощи генератора 32 энергии. Последний в примере, показанном на фиг.1, содержит магнитный материал на свободном конце 28, в данном случае - в виде магнитного слоя 34, и электрический проводник 36 на поверхности 14. Проводник 36 имеет такую конструкцию, при которой колебательное движение 30 и результирующее относительное перемещение магнитного материала индуцирует напряжение, при помощи которого в подключенный элемент памяти 38 может быть введен один бит. При помощи беспроводной связи этот бит может быть затем запрошен устройством 40 обработки данных.

Энергию можно обнаружить не только электромагнитным способом, но и другими известными способами, например пьезоэлектрическим способом при помощи тонкого пьезоэлектрического слоя. В соответствии с этим генератор 32 энергии в другом, не показанном варианте осуществления, содержит пьезоэлемент, который преобразует колебательное движение в форму энергии, пригодную для ввода одного бита.

В случае первого варианта осуществления датчика 10 состояния потока, показанного на фиг.1, осциллирующий элемент 22 установлен на взаимодействующей с потоком поверхности 14 тела 16, вокруг которого проходит поток. Поэтому положение осциллирующего элемента 22 может быть оптимально скоординировано с потоком 12.

Однако в этом случае существует возможность того, что осциллирующий элемент 22 будет оказывать влияние на поток 12, находящийся за осциллирующим элементом 22.

Для того чтобы уменьшить или исключить такое влияние, предусмотрен управляемый блок 42 демпфирования, при помощи которого колебательное движение осциллирующего элемента демпфируется, или он неподвижно закрепляется для исключения внешнего воздействия. В одном представленном здесь варианте осуществления блок 42 демпфирования использует вышеуказанные элементы 34, 36 генератора 32 энергии. Так, например, при приложении напряжения к проводнику 36 создается магнитное поле, которое действует на магнитный слой в целях демпфирования или фиксации. При помощи блока 42 демпфирования можно предотвратить потенциальное влияние на поток последующих колебаний осциллирующего элемента 22 после того, как будет получена реакция осциллирующего элемента 22.

Альтернативно или дополнительно обеспечивается ограничительное устройство 44, при помощи которого амплитуда колебаний в случае резонанса ограничивается до такой степени, чтобы влияние на поток 12 было ничтожно малым. Ограничительное устройство 44 может быть выполнено, например, в виде ограничителя свободного конца 28. В показанном примере ограничитель представляет собой просто поверхность 14, при этом полоса 24 имеет такую форму, что, начиная с определенной амплитуды колебаний, которая является еще недостаточной для оказания значительного влияния на поток 12, свободный конец 28 упирается в поверхность 14.

На фиг.2 показан второй вариант осуществления датчика состояния потока. Одинаковые ссылочные номера использованы для обозначения соответствующих компонентов. Для обеспечения лучшей защиты датчика состояния потока от условий внешней окружающей среды резонансный сенсорный элемент, в частности, по меньшей мере один осциллирующий элемент 22, расположен с обратной стороны 46 мембраны 48 относительно потока. Осциллирующий элемент 22 в этом случае выполнен в виде многослойной полосы 24, содержащей множество слоев, составленных при изготовлении таким образом, чтобы получить указанную частоту собственных колебаний.

На фиг.3 показан датчик 10 состояния потока, встроенный в компонент 18 в соответствии со вторым вариантом осуществления. Датчик состояния потока 10 имеет корпус 50, который с точки зрения осцилляции изолирован от компонента 18 при помощи демпфирующего устройства 52. Демпфирующее устройство 52 вместе с корпусом 50 встроено в полость 54 компонента 18 и содержит демпфирующий слой 56 и демпфирующий материал 60, которые эффективно гасят колебания конструкции и вибрацию компонента 18.

Осциллирующий элемент 22 расположен в выемке 58 в корпусе 50, при этом указанная выемка 58 закрыта от потока 12 мембраной 48, которая, таким образом, очень хорошо защищает его от влияния окружающей среды. В этом случае осциллирующий элемент 22 также выполнен в виде многослойной полосы 24d. Многослойная конструкция полосы 24d может оказывать влияние на осцилляционные характеристики полосы 24d.

Во время работы поток 12 вызывает колебания мембраны 48, которые передаются на осциллирующий элемент 22 флуктуациями давления воздуха в пределах полости 54. Когда появляется заранее заданная частота, возникает резонанс, который распознается и подается на устройство 40 обработки данных аналогично тому, как это описано для первого иллюстративного варианта осуществления изобретения.

Дополнительное достоинство варианта осуществления датчика состояния потока, заключенного в камеру и показанного на фиг.2 и 3, заключается в том, что поток 12 не подвергается дальнейшему возбуждению вследствие колебаний осциллирующего элемента 22 и состояние потока не изменяется.

В особенно предпочтительном варианте осуществления резонансная частота мембраны 48 адаптируется к резонансной частоте осциллирующего элемента 22, который в данном случае выполнен в виде полосы 24d.

При всех условиях мембрана 48 имеет такую конструкцию, при которой ее движение оказывает на поток 12 минимальное возможное влияние или совсем не оказывает влияния, однако, присоединенный к ней осциллирующий элемент 22 создает колебания.

Местоположение осциллирующего элемента 22 определяется с максимально возможной точностью в соответствии с необходимостью гарантировать максимальную передачу измеряемых колебаний или измеряемых частот. Местоположение может зависеть от конкретной измеряемой частоты. Предпочтительно перед изготовлением произвести расчеты моделирования мод колебаний мембраны 48 для того, чтобы определить местоположение максимальной передачи конкретной требуемой заранее заданной частоты.

Размеры выемки 58, в которой расположен сенсорный элемент, в данном случае - полоса 24, 24d - также могут быть адаптированы к требуемой резонансной частоте. Специальный корпус 50 содержит необходимую выемку 58, имеющую пригодные осцилляционные или акустические характеристики.

В демпфирующем устройстве 52 между корпусом 50 и гибкой мембраной 48 расположен демпфирующий материал 60, который препятствует передаче колебаний конструкции мембране 48 и резонансному осциллирующему элементу 22 и тем самым предотвращает искажение результата измерения. Таким же образом сам корпус 50 может иметь такую конструкцию, которая, благодаря пригодной структуре или при помощи вышеуказанного демпфирующего слоя 56, исключает насколько возможно передачу вибраций сенсорному элементу 22.

На фиг.4 и 5 показано устройство 62 для измерения потока, состоящее из множества датчиков состояния потока. Устройство 62 для измерения потока содержит матрицу датчиков состояния потока, установленных в определенном пространственном порядке для того, чтобы определять, является ли состояние потока в месте расположения соответствующего датчика состояния потока ламинарным или неламинарным. Устройство для измерения потока установлено заподлицо с поверхностью 14 компонента 18.

Датчики 10 состояния потока устройства 62 для измерения потока предпочтительно изготавливаются совместно способами микротехнологии. Для этой цели устройство 62 для измерения потока получают с использованием двух подложек 64 и 66, которые соединяют друг с другом.

Первую подложку 64 изготавливают, в частности, из полупроводникового материала, например из кремния или из полимерной пленки. На первой подложке 64 получают гибкие мембраны 48, содержащие резонансные осциллирующие элементы 22, а также механизм 68 считывания и соответствующие выводы 74.

Возможность получения резонансного датчика внутри или на поверхности предпочтительно тонкой, гибкой подложки, например на полимерной пленке, имеет большое достоинство для установки, например на крыле, поскольку датчик можно прикрепить таким образом к компоненту, например к воздушному судну, а при испытаниях в аэродинамической трубе можно устанавливать на моделях без необходимости адаптировать эти модели.

В показанном примере механизм 68 считывания предназначен для емкостного считывания данных. Для этой цели полоса 24, 24d содержит по меньшей мере один слой электропроводного материала 70 или выполнена из такого материала. Свободный конец 28 перекрывает неподвижно закрепленную электропроводную пластину 72. Таким образом, получается конденсатор, емкость которого изменяется в зависимости от расстояния между электропроводной пластиной 72 и электропроводным материалом на свободном конце 28. Это позволяет обнаруживать колебательное движение 30 при помощи измерения или определения изменения емкости.

Во второй подложке 66 выполнены полости 54 или выемки 58, а также сквозные отверстия 76 для соединения электрических выводов 74 и линий.

Затем обе подложки 64, 66 соединяют вместе, получая неподвижную посадку при помощи клеевого соединения.

При изготовлении получают осциллирующие элементы 22 с заранее заданной частотой собственных колебаний. Изменение частоты собственных колебаний можно произвести путем нанесения или удаления материала и/или путем изменения формы и/или размеров осциллирующих элементов 22. Частоты собственных колебаний адаптируют к частотам волн Толмина-Шлихтинга, которые ожидаются при последующих измерениях, выполняемых датчиками 10 состояния потока на компоненте 18, таким образом, чтобы эти частоты возбуждали резонансные колебания.

На фиг.6 показан третий вариант осуществления датчика состояния потока. Третий вариант осуществления отличается от второго варианта осуществления тем, что устройство для детектирования частот содержит множество осциллирующих элементов 22a, 22b, 22c, также выполненных в виде полос 24a, 24b, 24c, которые имеют различные частоты собственных колебаний. В соответствии с этим устройство для детектирования частот является чувствительным к множеству различных резонансных частот. Таким образом, можно более точно определить характеристики типичных частот.

Как правило, появление частот, характерных для определенных типов состояния потока, можно обнаружить при помощи датчиков 10 состояния потока, показанных на чертежах. Выходной сигнал датчика состояния потока является цифровым, а именно "1" для присутствия определенной частоты и, следовательно, для наличия определенного состояния потока, подлежащего определению и "0" для отсутствия. Поскольку в случае такого типа датчика необходимо определять только два состояния, конструкция устройства 40 обработки данных может быть чрезвычайно простой. Количество данных, которые необходимо передавать, является очень малым, поэтому беспроводную связь можно реализовать при помощи простых средств. Поэтому описанный здесь тип датчика обладает очевидными преимуществами по сравнению с известными датчиками состояния потока, которые используют в настоящее время для определения перехода.

Датчик состояния потока согласно настоящему изобретению пригоден для определения потоков в любых текучих средах. Предпочтительной областью его применения является определение потоков воздуха, в частности, связанных с воздушным судном. Однако указанный датчик состояния потока можно также использовать, например, для воды, например, в связи с движением тел в воде (судов и т.п.).

Изобретение описано выше со ссылками на один или более предпочтительных вариантов осуществления, однако следует понимать, что различные изменения или модификации могут быть внесены без отклонения от объема изобретения, который определяет прилагаемая формула изобретения.

Перечень позиционных обозначений на чертежах

10 Датчик состояния потока

12 Поток

14 Поверхность

16 Тело

18 Компонент

20 Устройство для детектирования частот

22 Осциллирующий элемент

22а Первый осциллирующий элемент

22b Второй осциллирующий элемент

22 с Третий осциллирующий элемент

24 Полоса

24a Первая полоса

24b Вторая полоса

24c Третья полоса

24d Многослойная полоса

26 Неподвижно закрепленный конец

28 Свободный конец

30 Колебательное движение

32 Генератор энергии

34 Магнитный слой

36 Проводник

38 Элемент памяти

40 Устройство обработки данных

42 Управляемый блок демпфирования

44 Ограничительное устройство

46 Сторона, противоположная течению потока

48 Гибкая мембрана

50 Корпус

52 Демпфирующее устройство

54 Полость

56 Демпфирующий слой

58 Выемка

60 Демпфирующий материал

62 Устройство для измерения потока

64 Первая подложка (гибкая мембрана)

66 Вторая подложка (опорный материал)

68 Механизм считывания

70 Электропроводный материал

72 Электропроводная пластина

74 Выводы

76 Сквозные отверстия

Изобретения относятся к экспериментальной аэродинамике и могут быть использованы для исследования состояния потока вблизи тела, на которое может набегать поток. Датчик состояния потока содержит, по меньшей мере, одно устройство для детектирования частот, предназначенное для обнаружения, по меньшей мере, одной заранее заданной характеристической частоты состояния потока. При этом устройство для детектирования частот содержит, по меньшей мере, один осциллирующий элемент, который возбуждается потоком до резонансного колебательного движения, и имеет резонансную частоту или частоту собственных колебаний, адаптированную к указанной заранее заданной характеристической частоте, в частности, соответствующую указанной заранее заданной характеристической частоте. Кроме того, предлагается применение датчика состояния потока в устройстве для измерения потока и в способе измерения потока, а также предпочтительный способ изготовления датчика состояния потока. Технический результат заключается в упрощении конструкции и простоте эксплуатации. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Датчик (10) состояния потока для обнаружения состояния потока вблизи тела (16), на которое набегает поток (12), содержащий, по меньшей мере, одно устройство (20) для детектирования частот, выполненное с возможностью обнаружения, по меньшей мере, одной заранее заданной характеристической частоты, которая является характеристикой состояния потока, при этом устройство (20) для детектирования частот содержит, по меньшей мере, один осциллирующий элемент (22, 22a, 22b, 22c), который возбуждается потоком (12) до резонансного колебательного движения (30) и имеет резонансную частоту или частоту собственных колебаний, адаптированную к указанной заранее заданной характеристической частоте, в частности, соответствующую указанной заранее заданной характеристической частоте.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что содержит множество осциллирующих элементов (22a, 22b, 22c), имеющих различные резонансные частоты или частоты собственных колебаний, для детектирования множества различных характеристических частот.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что указанный, по меньшей мере, один осциллирующий элемент (22a, 22b, 22c) установлен на гибкой пленочной или листовой подложке (64).

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что указанный, по меньшей мере, один осциллирующий элемент (22, 22a, 22b, 22c) сконфигурирован с возможностью установки на поверхность (14) тела (16), на которое набегает поток, при этом указанная поверхность (14) подвергается воздействию потока (12).

5. Датчик по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он содержит мембрану (48), на которую может набегать поток (12) и которая соединена с устройством (20) для детектирования частот или является частью устройства (20) для детектирования частот, для обнаружения колебаний, возбуждаемых потоком (12).

6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что указанный, по меньшей мере, один осциллирующий элемент (22, 22a, 22b, 22c) соединен с обратной по отношению к потоку (12) стороной (46) мембраны (48) или расположен на обратной по отношению к потоку (12) стороне (46) мембраны (48).

7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он содержит управляемый блок (42) демпфирования для управления демпфированием и/или для неподвижного закрепления указанного по меньшей мере одного осциллирующего элемента (22, 22a, 22b, 22c) и/или ограничительное устройство (44) для ограничения амплитуды колебаний указанного, по меньшей мере, одного осциллирующего элемента (22, 22a, 22b, 22c).

8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что устройство (20) для детектирования частот содержит генератор (32) энергии для преобразования механической энергии колебаний, возбуждаемых заранее заданной частотой, в пригодную для использования электрическую энергию.

9. Датчик по п.8, отличающийся тем, что энергия колебаний генерирует электрической сигнал, который является показателем неламинарного состояния потока.

10. Датчик по п.8 или 9, отличающийся тем, что он содержит элемент (38) памяти емкостью, по меньшей мере, один бит, состояние которого может быть изменено посредством генератора энергии.

11. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью беспроводного соединения с устройством (40) обработки данных для считывания информации.

12. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он содержит демпфирующее устройство (52) для уменьшения или исключения передачи колебаний от тела (16) устройству (20) для детектирования частот.

13. Датчик по п.1, отличающийся тем, что осциллирующий элемент имеет резонансную частоту или частоту собственных колебаний, большую, чем 1 кГц, предпочтительно меньшую, чем 30 кГц, наиболее предпочтительно меньшую, чем 10 кГц.

14. Датчик по п.1, отличающийся тем, что осциллирующий элемент имеет удлиненную форму, неподвижно закреплен на одном конце, при этом другой, свободный, конец осциллирующего элемента может совершать резонансное колебательное движение.

15. Датчик по п.14, отличающийся тем, что осциллирующий элемент имеет длину менее 2 мм.

16. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он содержит средство для обнаружения резонансного колебательного движения осциллирующего элемента и генерирования выходного сигнала, который является показателем определенного состояния потока вблизи тела при обнаружении резонансного колебательного движения.

17. Устройство (62) для измерения потока, выполненное с возможностью обнаружения состояния потока вблизи тела (16), на которое набегает поток (12), отличающееся тем, что оно содержит матрицу, состоящую из множества датчиков (10) состояния потока, охарактеризованных в любом из предшествующих пунктов, выполненных с возможностью обнаружения состояния потока с пространственным разрешением во множестве точек измерения, расположенных на расстоянии друг от друга на теле (16), на которое набегает поток.

18. Компонент (18), на который может набегать поток, в особенности воздушное судно или модель воздушного судна, предназначенная для испытаний в аэродинамической трубе, отличающийся тем, что на поверхности (14) компонента (18) или заподлицо с поверхностью (14) компонента (18) расположен датчик (10) состояния потока, охарактеризованный по любому из пп.1-16, или устройство (62) для измерения потока, охарактеризованное по п.17, при этом на указанную поверхность (14) может набегать поток (12).

19. Способ изготовления датчика (10) состояния потока, охарактеризованного по любому из пп.1-16, или устройства (62) для измерения потока, охарактеризованного по п.17, в котором для изготовления, по меньшей мере, устройства (20) для детектирования частот используют технологию микротехники.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что устройство (20) для детектирования частот изготавливают на гибкой листовой подложке (64).

21. Способ по п.19 или 20, отличающийся тем, что осцилляционные характеристики и/или частоту собственных колебаний механического осциллирующего элемента (22, 22a, 22b, 22c) устройства (20) для детектирования частот устанавливают путем адаптации геометрии осциллирующего элемента (22, 22a, 22b, 22c) и/или путем нанесения, по меньшей мере, одного слоя материала на осциллирующий элемент (22, 22a, 22b, 22c).

22. Способ измерения для определения состояния потока вблизи тела (16), на которое может набегать поток (12), отличающийся тем, что используют, по меньшей мере, один датчик (10) состояния потока, охарактеризованный по любому из пп.1-16, для обнаружения двух состояний потока, именно ламинарного состояния, в котором поток является ламинарным, и неламинарного состояния, в котором поток является неламинарным.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что устройство (20) для детектирования частот настраивают на обнаружение частоты, типичной для неламинарного состояния потока, причем при обнаружении типичной частоты фиксируют неламинарное состояние потока, а при отсутствии обнаружения типичной частоты фиксируют ламинарное состояние потока.

24. Способ по п.22, отличающийся тем, что неламинарное состояние потока представляет собой полностью турбулентное состояние потока.

25. Способ по одному из пп.22-24, отличающийся тем, что определяют наличие резонансного колебательного движения осциллирующего элемента и обеспечивают генерирование выходного сигнала, который является показателем неламинарного состояния потока вблизи тела при обнаружении резонансного колебательного движения.