УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА Российский патент 2015 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления полного, статического, давления звука, определения скорости потока и т.д.

Известны устройства для измерения давления в газовом потоке аэродинамической трубы (АДТ) при определении скоростного напора q, скорости потока V, числа Маха М, а также для получения картины распределения давления по поверхности испытываемых моделей. В вершине полусферы таких устройств расположено приемное отверстие полного давления, воспринимаемого через ниппель. По окружности цилиндрической части приемника расположено восемь отверстий для приема статического давления через другой ниппель. Показано, что при перемещении приемных отверстий статического давления вниз по потоку измеряемое давление будет приближаться к своему значению в невозмущенном потоке. Малую погрешность измерения имеют также приемники с оживальной головкой. Приемники могут использоваться как при дозвуковых, так и при сверхзвуковых скоростях потока с малой погрешностью измерения. В АДТ дозвуковых скоростей рекомендуют использовать приемники воздушного давления с шестью отверстиями (ПВД-6). В приемнике центральное отверстие используется для измерения полного давления, два отверстия (по вертикальной оси Y) используют для определения разности давлений при определении направления потока в вертикальной плоскости, два отверстия по горизонтальной плоскости для измерения разности давлений при определении направления потока в горизонтальной плоскости, а шестое отверстие для измерения статического давления.

В известной системе измерения параметров потока устройство позволяет измерять и определять параметры потока в АДТ [1] рис. 18, рис. 1-11, рис. 1-12, рис. 1-13 с. 47-48, с. 58-61. Б.С. Дубов. Основы обеспечения качества испытаний в АДТ).

К недостаткам этого устройства можно отнести: измерение полного и статического давления без выделения шумов. А также невозможность измерения изменения пульсаций давления или звукового давления. Эти недостатки являются причиной снижения точности измерения полного и статического давления и, следовательно, снижения точности измерения скорости потока.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению являются трех и/или пяти трубчатые приемники для пространственных течений. Указанные приемники для определения величины и направления вектора скорости в любой точке потока необходимо повернуть относительно продольной оси, а затем измерять давление, воспринятое приемниками. До использования приемники градуируют в потоке. Приемник представляет собой комбинацию из трех и пяти трубок, изготовленных из нержавеющей стали, с внешним диаметром 1,2 мм. В трехтрубчатом приемнике передние кромки двух боковых трубок (А, В) срезаны под углом 45° относительно их центральных осей, а третья имеет прямой срез под углом 90° к оси. Срезы боковых симметрично установленных трубок направлены в противоположные стороны от оси приемника. Все три трубки спаяны между собой и помещены в цилиндрический корпус из нержавеющей стали с внешним диаметром 3 мм, расположенный на расстоянии 10 мм от прямого среза центральной приемной трубки. Промежутки между трубками заполнены эпоксидной смолой. Пятитрубчатые приемники предназначены для измерения величины и направления вектора скорости в пространственных потоках. Трубчатый приемник изготовлен из пяти трубок диаметром 1,3 мм, спаянных между собой. Цилиндрический корпус приемника имеет диаметр 6,4 мм. Вылет приемных трубок из корпуса на обтекание имеет длину 25 мм. Пятая трубка с прямым срезом расположена в центре корпуса, а остальные по две трубки расположены симметрично относительно цилиндрического корпуса в горизонтальной и вертикальной плоскостях проходящих через центральную трубку. Угол среза четырех приемных трубок составляет 45°.

Такие приемники позволяют измерять параметры потока в пространственных течениях.

Устройство имеет следующие недостатки: затруднено выделение из статического давления пульсаций давления, отсутствует возможность раздельного измерения полного давления и давления скоростного напора. (Приемники для определения величины и направления скорости Отделение Научно-Технической Информации ЦАГИ №612, 1982. - 100 с. стр. 66-70, фиг. 100, 101, 103) [2]

Задача настоящего изобретения расширение области применения, повышение информативности измерения, качества и точности измерения. Технический результат достигают за счет применения в приемниках давления компактных чувствительных элементов (ЧЭ) давления и за счет одновременного измерения в заданной точке полного давления, статического давления, скоростного напора, пульсации давления, скорости и направления потока, с выделением внешних и внутренних шумов и помех.

Задача и технический результат достигаются тем, что в устройстве для измерения параметров потока, содержащем приемник давления, состоящий из трех и/или пяти трубок, симметрично расположенных внутри цилиндрического корпуса, трубки между собой скреплены клеем на основе эпоксидной смолы, срез одной трубки выполнен под углом 90°, сечения всех остальных трубок под углом 45°, расположение устройства в исследуемом объекте нормальное и под разными углами со свободным перемещением, в нем дополнительно введены датчики давления, аппаратура низкой частоты, блок питания и поляризации, усилитель заряда, нормирующий усилитель напряжения, блок вычитания, защитные конденсаторы, монтажная плата, индикатор, координатник и блок координатника, причем датчики, состоящие из симметричного соосного тензометрического моста, один датчик смонтирован внутри трубки приемника давления заподлицо с поверхностью под углом 90°, остальные датчики внутри трубки расположены под углом среза 45°, причем датчики могут быть расположены на одном уровне на горизонтальной плоскости по оси x и могут быть смещены относительно друг друга по вертикальной плоскости оси y, одно плечо тензометрического моста и вход емкостного чувствительного элемента соответственно соединены с блоком питания и поляризации, другое плечо тензометрического моста через аппаратуру низкой частоты и блок вычитания соединено к входам индикатора, выход емкостных чувствительных элементов через защитные конденсаторы, усилитель заряда, нормирующий усилитель напряжения и блока вычитания соединены к другому входу индикатора, усилитель заряда и защитные конденсаторы монтированы на монтажной плате, координатник жестко соединен с цилиндрическим корпусом устройства, на нижней обкладке, на экране датчика и монтажной платы выполнены опорные отверстия и связанные с атмосферой через электромеханический сканер, положение устройства в исследуемом объекте задают с помощью блоков управления, индикатора и координатника.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами.

На фиг. 1а, в, с показана конструкция приемной части трехтрубчатого приемника и ее положение в пространстве, на фиг. 2 показано предложенное устройство, смонтированное внутри исследуемого объекта (ИО), например, в газовом потоке рабочей части АДТ, а на фиг. 3 показана упрощенная конструкция устройства для измерения параметров потока, на фиг. 4 показана блок-схема измерения параметров потока.

На фиг. 1 показан трехтрубчатый приемник воздушного потока, содержащий три трубки A, B, C, изготовленные из нержавеющей стали. Все трубки расположены в цилиндрическом корпусе D с наружным диаметром 10 мм, изготовленном из нержавеющей стали и залитым мягким герметиком фиг. 1а, в, с.

На фиг. 2 показано устройство 7, содержащее трехтрубчатый приемник, многоступенчатый координатник 2. Координатник позволяет перемещать устройство 1 по углу атаки и по углу скольжения при помощи команд от блока управления координатника 4 (фиг. 1). Устройство 1 установлено в рабочей части аэродинамической трубы 3, соответственно по осям x, y, z по направлению распределения вектора скорости потока V, где ось приемника (устройства) совмещена с осью z. Положение устройства в рабочей части АДТ 3 регулируется блоком управление координатника 4.

На фиг. 3 показано предлагаемое устройство 1, в каждой трубке A, B, C 1 смонтирован датчик давления 5. Датчик давления 5 состоит из тензометрического моста (ТМ) 6 и емкостных чувствительных элементов (ЕЧЭ) трубок A, B, C (фиг. 3, 4) расположенных на одной оси (соосно). Причем каждый ЕЧЭ содержит верхнюю 7обкладку конденсатора, представляющую собой, мембрану датчика, нижнюю 8 обкладку конденсатора, диэлектрическое кольцо 9, экран 10 с электроизоляцией 11. ЕЧЭ и ТМ разделены между собой изолирующей диэлектрической пленкой 12. Полость 13 ЕЧЭ за мембраной 7 с атмосферой связаны 10-ю опорными отверстиями 14 выполненными в монтажной плате 15. Монтажная плата 15, на которой осуществляется сборка всех деталей датчика давления, содержит также защитные конденсаторы 16 и усилители заряда 17, монтажные провода 18. Датчик давления 5 и монтажная плата 15 внутри трубок A, B, C и трубки между собой скреплены клеем на основе эпоксидной смолы. На фиг. 4 блок-схема измерения параметров потока содержит по три ТМ 6, ЕЧЭ A, B, C, аппаратуру низкой частоты (АНЧ) 19, блок питания ТМ 6 и поляризации ЕЧЭ A, B, C 20, защитные конденсаторы 16, блок вычитания 21, усилитель заряда 17, нормирующий усилитель напряжения 22 и индикатор (компьютером) 23.

На фиг. 3 три датчики давления 5 в могут быть смонтированы внутри трех трубок в следующих 4-х рабочих поверхностях:

1 - на одной плоскости горизонтальной поверхности по оси Y (сеч. А-А). При этом датчик давления 5 находится внутри трубки C на глубине l, а датчики 5 в трубках (приемниках) A, B смонтированы заподлицо со стенкой этих трубок (фиг. 3 сеч. А-А);

2 - датчики давления могут быть смонтированы по наружному диаметру d трубок A, B, C, (фиг. 1) при этом наружный диаметр основания датчика необходимой формы равняется наружному диаметру трубок A, B, C;

3 - три датчика давления смонтированы заподлицо со стенками в трех трубках A, B, C (сеч. Б-Б), при этом два основания двух датчиков давления в трубках A и B соответствуют форме сечения трубок A, B под углом среза 45°; (в вертикальной плоскости по оси Y);

4 - датчик давления в трубке C смонтирован заподлицо со стенкой трубы в точках n (сеч. Б-Б), а два датчика, находящиеся в трубках A, B смонтированы заподлицо с начальной кромкой (в точке б) среза 45° трубок A, B (сеч. А-А); в плоскостях X, Y трубки смещены относительно друг друга.

Когда датчики находятся на одном уровне заподлицо со стенками приемников (во втором случае), измерения давления производится на «проходе» (практически без потери времени) одновременно и без задержки в трубках A, B, C. В первом случае может наблюдаться задержка измеряемого давления в трубке C из-за углубления датчика вовнутрь трубки на глубину l (фиг. 3).

Датчик давления 5, содержащий ТМ и ЕЧЭ, сформирован методом катодного напыления в вакууме на основе монокристаллической структуры «кремний на сапфире» с диэлектрической изоляцией 11, 12 из любого диэлектрика, в частности из искусственного сапфира или Al₂O₃, толщиной около одного мкм и больше. Диэлектрическое кольцо 9 в конструкции ЕЧЭ A, B, C может иметь толщину 2-40 мкм с диаметром отверстия под мембраной больше 3 мм. Толщина верхней обкладки мембраны 7 ЕЧЭ от 2 мкм до 20 мкм и больше, из любого твердого сплава, например, из титанового сплава ВТ-9. Толщина нижней обкладки 8 составляет 2-3 мкм. Толщина экранов 10 от 0,5 до 1,0 мкм. Основание ЕЧЭ A, B, C, состоящее из экрана 10, изоляции 11 и нижней обкладки 8 перфорированы опорными отверстиями 14 диаметром не более 0,35 мм, поддерживают связи с полостью датчика 13, с атмосферным давлением p_а, через опорные отверстие 14 на монтажной плате 75 и держателем из металлической трубы координатника 2. Защитные конденсаторы и усилители заряда 17 монтированы на поверхности монтажной платы 15. Расположение монтажной платы внутри цилиндрического корпуса D позволяет защищать усилитель заряда 17 (УЗ) и ЕЧЭ от трибоэлектрического эффекта, шумов и помех. Цилиндрический корпус Д скреплен с координарником так, чтобы была возможность устройства 1 перемещаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях по углам атаки и скольжения. Монтажные провода устройства 1 с внешними блоками соединяют антивибрационными кабелями марки АВКТ-6 с ⌀ 1 мм. Жгут проводов ведется по поверхности трубы координатника 2.

Блок-схема измерения параметров потока на фиг. 4 состоит из трех измерительных каналов, содержащих ТМ 6 с диагоналями а, б (первое плечо), в, г (второе плечо) и активным сопротивлением r₁, r₂, r₃, r₄. Использована многоканальная АНЧ 19. Диагонали а, б ТМ и обкладок 7 ЕЧЭ A, B, C, соединены с источником питания 20. Конструкцию ЕЧЭ A, B, C состоящий из обкладок 7, экрана 10 и диэлектрической пленки 11, 12 и ТМ 6 образуют датчик давления 5. Выходы ЕЧЭ датчика через защитные конденсаторы 16 (защита от перенапряжения), УЗ 17, усилители напряжения (УН) 22 соединены со входами блоков вычитания 21 индикатором 23. Другие диагонали ТМ в, г через АНЧ соединены с входами блоков вычитания 21. Входом датчика давления 5 являются слои металлической 7, диэлектрической пленок 12 и ТМ 6, на которые подают давление. Антивибрационный кабель 18 марки АВКТ-6 используют в условиях эксплуатации с повышенной радиацией, вибрацией, температурой. Экран 10 ЕЧЭ вместе с экраном кабеля защитного конденсатора 16 соединяют на выходе УЗ 17, находящимся на монтажной плате 15 или в точке B местного заземления (фиг. 4). Все выходы указанных блоков соединяют с входами индикаторного блока 23.

Индикатор осуществляет сбор и обработку результатов измерений с использованием программы основанной на специализированном алгоритме. Индикатор связан с блоком управления сканером 4 и координатником 2. Блок 4 позволяет в аэродинамическом эксперименте изменить угловые положения устройства при его перемещении по углу атаки α и по углу скольжения β. Индикаторный блок в своем составе имеет измерительно-вычислительную базу, обеспечивающую сбор, обработку и выдачу результатов измерения в форме протокола окончательных результатов измерения с необходимой точностью.

Предложенное устройство для измерения параметров потока может быть одноканальным или более без ограничения числа каналов. Все использованные элементы унифицированы и выпускаются электронной промышленностью.

Монтажная плата изготовлена из диэлектрика покрытого медью, например из стеклотекстолита, толщиной 2-3 мм. Дорожки на поверхности стеклотекстолита формируются методом фотолитографии. Цилиндрический корпус заполняют мягким заливочным компаундом, марки ЭЛК-12, (фиг. 1). Компаунд, марки ЭЛК-12, работоспособный при высоких вибрационных ударных нагрузках в интервале температур от -60 до +120°C. В стадии наполнения цилиндрического корпуса компаундом следует не нарушать связи приемников с атмосферным давлением P_а (фиг. 3). В случае необходимости соединения с ЭЛК-12 могут быть демонтированы.

Использованный АНЧ известен в измерительной технике в 4-х и 8-ми канальном исполнении на несущей частоте. Четырех- и восьмиканальные АНЧ предназначены для усиления сигналов с ТМ при измерении раздельно или одновременно полного давления, давления звука, звукового давления и статического давления исследуемого объекта. Согласование электрического сигнала с выхода высокоомного ЕЧЭ осуществляют УЗ, затем усиливают, нормируют в УН и подают на индикатор. Согласование и усиление электрического сигнала с выхода емкостного датчика можно осуществить аппаратурой фирмы «Брюль и Къер» (Дания), РИОН (Япония), RFT (Германия). Отечественные УЗ выполнены на интегральной микросхеме 544УД1. Электрическая емкость датчиков от 3 пФ и выше (практически без ограничений) согласуется со входом УЗ. Выходное напряжение 5 В, 10 В. Выход аппаратуры рассчитан на работу с аналого-цифровыми преобразователями, магнитными накопителями и т.д. В АНЧ до согласования ТМ с внешней электрической цепью используют усилитель постоянного тока (УПТ), затем выход УПТ согласуют с входом усилителя низкой частоты. Входной каскад УПТ выполнен по дифференциальной схеме. Надежность устройства повышается за счет защиты УЗ от попадания напряжения поляризации на вход УЗ путем введения защитных конденсаторов между ЕЧЭ и УЗ.

Четырехплечий ТМ с разными сопротивлениями от r=30-400 Ом; r=100-400 Ом; r=200-400 Ом. При этом напряжение на выходе АНЧ U_ВЫХ=±5 В (при сопротивлении нагрузки 160-170 Ом). ТМ, разработанный на базе «кремния на сапфире», питают напряжением постоянного тока 36 В или 15-42 В. Одновременно эти напряжения могут являться напряжением поляризации ЕЧЭ. Для повышения чувствительности ЕЧЭ напряжение поляризации могут увеличить <100 В с другого выхода блока поляризации 20. Таким образом, предполагается, что устройство позволяет в заданной точке исследуемого объекта, одним датчиком, состоящим соосно из ТМ и ЕЧЭ, одновременно измерять, давление скоростного напора, полное давление, статическое давление, пульсации и/или звуковое давление без влияния шумов и помехи.

Координатник 2 состоит из шарнирного механизма, угловых датчиков, усилителей, координатора и т.д., и управляется индикаторным блоком и блоком координатника 4, состоящим из редуктора двигателя, схемы управления, дает количественную оценку значений этих параметров в системе координат x, y, Z.

Одним из основных видов измерения при определенных параметрах потока является измерение полного P₀, статического P и перепада давления ΔP. Измерения давления в АДТ 3 используется для определении скоростного напора q, скорости потока V, числа Маха М, числа Рейнольдса Re, а также для получения полей распределения давления, моделируемого в АДТ.

Как правило, результаты испытания в АДТ определяются в виде функциональных зависимостей от угловых положений (α, β) при V=const, M=const или при измерении скорости потока V по углам атаки а при угле скольжения β=const. Испытание АДТ проводится как при фиксированном угле атаки устройства, состоящего из трех трубчатого приемника 1 (фиг. 2) (α=const) с изменением скорости потока V, так и при фиксированной скорости потока (M=const).

Показанные на фиг. 1а скошенные приемники A, B являются чувствительными к скосам потока когда угол атаки α=0, по сравнению с прямым приемником C. Кроме того, для показанных скошенных приемников их характеристика слабо зависят от их длины. Поэтому полученные результаты испытания в зависимости от L/d справедливы для других значений L/d, где d - наружный диаметр трубки A, B, C

В случае сверхзвукового обтекание также известно что расположение скошенных приемников A, B, навстречу потоку позволяет уменьшить градиент статического давления вдоль критической образующей до нуля, не вызывая срыва пограничного слоя. Вызванное скошение начального участка приемника и местное дополнительное увеличение угла скольжения обычно приводят к ослаблению скачка уплотнения в начальной зоне. При уменьшении интенсивности скачка уплотнения приемника (трубки) и при меньшей длине поверхности сжатия практически не происходит искажения полного давления [2].

Устройство 1 (фиг. 3) функционирует следующим образом: располагают в нормальном положении (фиг 1); ИО 3 (фиг. 2) Из источника 20 одновременно с одинаковым (или разным) напряжением питают ТМ 6 и поляризуют ЕЧЭ A, B, C

- положение для измерения угла α (фиг. 1в);

- положение для измерения угла β (фиг. 1с).

При нормальном положении на устройство не задают давление (поток скорости в ИО равен нулю). При этом с выхода АНЧ 19 (из каждого приемника A, B, C) и УН 22 (из каждого приемника A, B, C) на индикаторе регистрируют сумму сигналов собственных шумов аппаратуры и внешние помехи, т.е. измеряют нулевые сигналы. На выходе АНЧ регистрируют электрический сигнал U₀, т.е. электрический сигнал, пропорциональный начальному нулевому сигналу. На выходе УН регистрируют - $${\tilde{U}}_0$$ .

На датчики задают стандартное калибровочное, звуковое давление $${\tilde{P}}_{К}$$ не равное нулю. В этом случае с выхода АНЧ регистрируют сигнал U_ВЫХ и на выходе $$УН-{\tilde{U}}_{ВЫХ}$$ , т.е. измеряют основной сигнал. Оба сигнала регистрируют в индикаторе, затем определяют коэффициенты преобразования измерительных каналов, т.е. определяют значение последних сигналов с выхода АНЧ $$\Delta U_{ВЫХ}=\sqrt{U_{ВЫХ}^2-U_0^2}$$ ; с выхода $$УН-\Delta U_{ВЫХ}=\sqrt{{\tilde{U}}_{ВЫХ}^2-{\tilde{U}}_0^2}$$ ; при этом коэффициенты преобразования (в каждой трубке A, B, C) каналов определяют как: $$S_{\Delta U_{ВЫХ}}=\frac{\Delta U_{ВЫХ}}{{\tilde{P}}_{К}}$$ ; $$S_{\Delta {\tilde{U}}_{ВЫХ}}=\frac{\Delta {\tilde{U}}_{ВЫХ}}{{\tilde{P}}_{К}}$$ . Затем задают статическое градировочное давление P_г в потоке. Не исключено, что градуировку устройства в потоке могут осуществлять специальной АДТ малой скорости потока 20 м/с [2]. Такой эксперимент позволяет приближаться к реальным экспериментам в АДТ. В этом случае с выхода АНЧ регистрируют сигнал $${\tilde{U}}_{ВЫХ}\equiv P_{Г}$$ и на выходе $$УН-{\tilde{U}}_0$$ (в каждой трубке A, B, C), т.е. измеряют основной сигнал в стадии градуировки датчиков статическим давлением. Оба сигнала регистрируют в индикаторе, затем определяют коэффициенты преобразования измерительных каналов, т.е. определяют значение последних сигналов с выхода АНЧ $$\Delta {\overline{U}}_{ВЫХ}={\overline{U}}_{ВЫХ}-U_0$$ ; с выхода УН $$\Delta {\overline{U}}_{ВЫХ}=\sqrt{{\tilde{U}}_0^2-{\tilde{U}}_0^2}=0$$ ; при этом коэффициенты преобразования каналов (в каждой трубке A, B, C) определяют как: для АНЧ $$S_{\Delta {\overline{U}}_{ВЫХ}}=\frac{\Delta {\overline{U}}_{ВЫХ}}{P_{Г}}$$ ; для $$УН-S_{\Delta {\overline{U}}_{ВЫХ}}=\frac{0}{P_{Г}}$$ .

Устройство устанавливают в рабочем нормальном положении (фиг. 1а, фиг. 2) в потоке ИО и определяют направление вектора скорости в точке измерения способом нахождения двух углов α и β [2], следующим образом:

- определяют угол α, поворачивая устройство 1 относительно продольной оси до тех пор, пока давление, регистрируемое ТМ и ЕЧЭ в приемниках A и B (фиг. 1а, фиг. 2), не станут равными друг друга. В этом режиме ТМ в каналах с трубками A, B, C (фиг. 3, фиг. 4) одновременно преобразуют переменное полное (пульсации и/или звуковое) давление в виде электрического сигнала через АНЧ и ЕЧЭ подают на входы блока вычитания 19 и в индикатор для регистрации и запоминания. При этом с выходов ЕЧЭ в этих же каналах пульсаций давления (или/и звуковое давления) $$\tilde{P}\equiv U$$ преобразованное в электрический сигнал, через УЗ и УН подают на входы блока вычитания и индикаторный блок.

В блоке вычитания после вычитания из полного давления P₀ (в каждом приемнике A, B, C) переменной составляющей давления $$\tilde{P}$$ , поступающей с выхода УН, на вход блока вычитания. После вычитания $$P_0-\tilde{P}=P$$ на выходе блока вычитания имеем информацию о величине статического давления $$P\equiv U$$ в каждом канале (приемнике) в отдельности и регистрируем в индикаторе. Все операции выполняются в индикаторе и запоминаются. В этом случае (фиг. 1в) трубки A и B располагаются симметрично относительно плоскости (с помощью блока управления 4 и ЭМС 2), в которой располагается вектор скорости V [2].

Угол α отсчитывается непосредственно блоком управления, в котором заложены принципы и программа сканирования устройства с трех и пяти трубчатыми приемниками. Органы управления и программное обеспечение блока управления связаны и обеспечиваются индикатором. Причем угол α не влияет на градировочные характеристики в нормальном положении устройства фиг. 1а, для определения угла β.

По команде блока управления ЭМС и индикаторного блока устройство 1 (фиг. 2) поворачивается на 90° (фиг. 1с). Согласно [2] в этом положении вектор скорости лежит в плоскости, проходящей через оси трубки A, B. Производится запись давлений, воспринятых одновременно всеми тремя трубками A, B, C. Аналогично, в случае нормального положения устройства в ИО с использованием коэффициентов преобразования каждого канала, в потоке производят запись давления, P_A≡U_A, P_B≡U_B, P_C≡U_C, звукового давления $$\tilde{P}$$ , преобразованного в электрический сигнал, регистрируют в индикаторе и запоминают. По результатами измеренного давления P_A, P_B, P_C определяют угол β, величину вектора скорости V, статическое P и полное P₀ давления, используя три взаимозависимых отношения давлений, полученных с помощью параметров градировки в потоке как [2]:

f(β)=(P_A-P_C)/(P_B-P_C); g(β)=(P_A-P_C)/(P₀-P); h(β)=(P₀-P_C)/(P_B-P_C).

В этих зависимостях величины полного P₀ и статического давления P в потоке определены в первом эксперименте, т.е. нормальном положение устройства согласно фиг. 1а и фиг. 2 в рабочем режиме. Согласно блок-схемы фиг. 4 полное давление в потоке регистрируют на выходе АНЧ U_n≡P₀, а статическое давление P≡U - регистрировано на выходе блока вычитания, определяют как: в блоке вычитания из полного давления вычитают давление скоростного напора P_q, поступающее с выходов ЕЧЭ, т.е. $$P_0-P_q=P+\frac{\rho V^2}{2}-\frac{\rho V^2}{2}=P$$ , ρ - плотность потока 1,4; V - скорость потока. Когда угол β>0, значит P_A<P_B. При отрицательном угле β роль трубок A и B меняется, и в выражениях f(β), g(β) и h(β) можем найти угол β, величину вектора скорости V как:

f(β)=(P_B-P_C)/(P_A-P_C); q(β)=(P_B-P_C)/(P₀-P); h(β)=(P₀-P_C)/(P_A-P_C).

Далее на блоке вычитания получим сигнал несущей информацию об избыточном статическом давлении в потоке P, т.е. имеем, $$P=\frac{U}{S_{\Delta U_{ВЫХ}}}$$ . Полное давление на выходе АНЧ, $$P_0=\frac{U_{п}}{S_{\Delta {\overline{U}}_{ВЫХ}}}$$ . Пульсации и/или звуковое давление пропорционально давлению скоростного напора и определяют на выходе УН как: $$\tilde{P}=P_q=\frac{\tilde{U}}{S_{\Delta {\tilde{U}}_{ВЫХ}}}$$ . Где $$S_{\Delta {\stackrel{⃛}{U}}_{ВЫХ}}$$ , $$S_{\Delta {\tilde{U}}_{ВЫХ}}$$ - коэффициенты преобразования каналов (в каждой трубе A, B, C) содержащий АНЧ УН соответственно.

Принцип работы устройства. При изменении давления в потоке газа Ар деформируются слои металлической 7 и диэлектрической 12 пленок. За счет деформации мембраны одновременно изменяется расстояние между мембраной 7 и нижней ответной обкладкой конденсатора 8. За счет прогиба мембраны 7 происходит деформация ТМ 6. В результате прогиба мембраны изменяется начальная емкость c₀ ЕЧЭ A, B, C, сопротивление ТМ 6 r₀, приращения Δc, Δr и относительное изменение емкости $$\frac{\Delta c}{c_0}$$ ЕЧЭ и $$\frac{r}{r_0}$$ ТМ. Напряжение поляризации постоянного тока из выходов блока 20 подают к одной из диагоналей а, б ТМ 6. При этом напряжение на выходе ЕЧЭ (между обкладками 7 и 8), ТМ (между диагоналями в, г моста) пропорционально приращению $$\frac{\Delta c}{c}$$ , $$\frac{\Delta r}{r}$$ , напряжению поляризаций ЕЧЭ и питанию ТМ соответственно.

В результате использования известных технических решений т.е. использования трех и пяти трубчатых аэродинамических приемников для измерения величины и направления скорости в пространственных потоках, полное давление P₀, статическое давление P, давление скоростного потока Pq, пульсации и/или звуковое давления $$\tilde{P}$$ и эти параметры преобразованное в электрический сигнал с помощью ТМ и ЕЧЭ, и новая конструкция предложенного устройства, выгодно отличается от выбранного прототипа и аналога.

С этой целью в ЦАГИ был изготовлен на базе ЕЧЭ девятью элементный дифференциальный модуль давления. Расстояние между ЧЭ 10 мм, размер обкладки прямоугольной формы 4×6 мм, кольцо между обкладками конденсатора толщиной 20 мкм, диаметром ячейки (кольца) 3 мм. Обкладки конденсатора были сформированы из медной фольги на поверхности стеклотекстолита толщиной 1,5 мм путем фотолитографии. На поверхности ЕЧЭ высверлены сквозные симметричные отверстие и одеты трубки. Давление на ЕЧЭ подают через трубки длиной 12 мм с внутренним диаметром 1 мм. Трубки с поверхностью фольги, служащей в качестве экрана ЕЧЭ, скрепляют обычной пайкой и заливают места пайки клеем эпоксидной смолы. Макет модуля дифференциального давления проверяли под воздействием избыточного давления 10 кПа и 25 кПа. Точность измерения давления 0,5%, нелинейность градировочной характеристики 2-3%. Измерение давления было осуществлено мостом переменного тока типа Р-589. Также были изготовлены ЕЧЭ и проверены в лабораторных условиях под воздействием звукового давления 120 дБ. Напряжение поляризации ЕЧЭ 100 В, коэффициент преобразования измерительного канала $$\mathrm{1,26}\frac{мВ}{Па}$$ . Также, с целью минимизации размеров мембраны был испытан датчик, разработанный на базе искусственных пъезо-пироэлектрических материалов, для измерения звукового давления. Размеры ЧЭ 2×2 мм, позволяет измерить звуковое давление 140 дБ.

ТМ сопротивлением r₀=800 Ом создан на базе чувствительных элементов давления толщиной 15 мкм, диаметром 3 мм из кремния. С помощью этого датчика возможно измерять звуковое давление (при условии, что статическое давление равно нулю), давление звука и статическое давление (при условии, если звуковое давление ИО равно нулю). Коэффициенты преобразования этих датчиков $$\mathrm{0,55}-\mathrm{3,5}\frac{мкВ}{Па}$$ . Напряжение питания ТМ 5 В.

Согласно [2] приемники изготовлены из пяти трубок диаметром 1,3 мм, спаянных между собой, цилиндрический корпус, преемник имеет диаметр 6,4 мм. Вылет приемных трубок у корпуса составляет L≈25 мм. Для установленных неподвижно приемников необходимо при градуировке определить безразмерные коэффициенты давления, представляющие соотношения между давлениями, измеренными приемными отверстиями, величиной и направлением скорости, а также полным и статическим давлениями в потоке. При определении коэффициентов давления в качестве нормирующего параметра использовалась величина $$\overline{P}=\frac{P_2+P_3+P_4+P_5}{4}$$ . При этом достигалось уменьшение разброса градировочных данных по сравнению с нормированными по истинному динамическому давлению. Рассматриваются следующие градировочные коэффициенты:

Для угла скольжения:

Для угла атаки;

Для полного давления

Для статического давления где P₁…P₅ - давление в пяти трубках преемника. Первая трубка расположена в центре цилиндрического корпуса, остальные четыре трубки расположены симметрично по осям x, y посредственной близости внутри поверхности цилиндрического корпуса.

Результаты испытаний в трехмерном потоке [2] в АДТ с размерами рабочей части 0,3×0,3 м при скорости потока менее 20 м/с. При таких скоростях влияние числа Рейнольдса на градуировку в диапазоне углов скоса потока от 45° до -45° было пренебрежимо мало. Угол установки устройства относительно потока изменялся с шагом в 2°, 5. Было установлено, что значения градировочных характеристик для отрицательных углов скоса была на 6% выше получаемых при положительных углах. Величину не симметричности можно снизить за счет тщательного изготовления приемной головки приемника. Это позволило при -45°<β<+45° использовать характеристику, полученную для углов β=0-45°. Из рассмотрения характеристик, следует, что преемники имеют достаточно высокую чувствительность к углу скоса β=0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 30°, 40°, 45° (по оси x). Значение функции f, g, h, (по оси y) равные -0,6; -0,4; -0,2; 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0. Предполагается, что трех трубчатые приемники (фиг. 1) будут обеспечивать большую точность результатов измерений скорости в потоках со значительными градиентами скорости. Практически они позволяют измерить угол скоса потока с погрешностью ±0°, 25, скорости потока с погрешностью менее ±0,5 м/с.

В работе [2] рассматривается поведение приемников полного давления при их установке в равномерном потоке под углом 90° и 180° к вектору скорости. Показано, что используемые в качестве приемников полного давления в ламинарных и турбулентных потоках традиционные приемники в виде трубок Пито круглого сечения с прямим срезом и соотношением около 0,6, не чувствительны к скосу потока в пределах ±10° относительно оси преемника. При исследованиях поведения преемников Пито при больших углах скоса угол 90° был выбран произвольно, а угол 180° был выбран для уменьшения интерференционного влияния преемника в вихревом течении. Исследование приемника проводились в АДТ, где турбулентность составляла 0,07%. Установлено, что по сравнению с цилиндрическим приемником приемник Пито менее чувствителен к изменению угла скоса при значениях угла скоса близких к нулю. С помощью трубки Пито можно регистрировать величину статического давления до углов 60°, в то время как при использовании цилиндрического приемника этот угол составляет 35°. Минимум давления приемником Пито был зарегистрирован при 90°, после чего давление с ростом угла монотонно увеличивалось, достигнув при 180° величины статического давления в невозмущенном потоке. При установке приемника под углом равным 0, 60°, 90° и 180° к вектору скорости, считают характерным при обтекании преемника полного давления с прямым срезом, при изменении его положений в потоке относительно вектора скорости в диапазоне углов скоса от 0 до 180°. Определены коэффициенты для приемников с отношением диаметров от 0,6 до 0,72, а в другой группе 0,77-0,86. Приводятся результаты испытаний серии приемников с постоянным внешним диаметром, равным 6 мм, сделан вывод о том, что при увеличении внутреннего диаметра давление, показываемое приемником возрастало. При расположении приемника Пито по потоку под углом 180° он измеряет давление, отличающееся от местного статического давления примерно на 4-12% в зависимости от отношения диаметров приемника и числа Рейнольдса.

Изобретение относится к измерительной технике для измерения параметров потока, в частности полного давления, давления скоростного напора, статического давления, пульсации и/или звукового давления, измерения величины и направления скорости в пространственных потоках. Устройство содержит датчики давления. Датчик давления содержит емкостные чувствительные элементы (ЕЧЭ), соосные с тензометрическим мостом (ТМ). ЕЧЭ через усилитель заряда и напряжения (УН) соединен с индикатором. ТМ на выходе имеет аппаратуру низкой частоты (АНЧ) и соединен с индикатором. Устройство содержит цилиндрический корпус, внутри которого расположен трех- и/или пятитрубчатый приемник, залитый мягким герметиком. Приемные части двух приемников срезаны под углом 45°. Устройство в рабочем участке аэродинамической трубе перемещается с помощью электромеханического сканера. Управление сканера осуществляется блоком управления. Соосные ТМ и ЕЧЭ монолитной конструкции расположены в трех трубках заподлицо с поверхностью среза этих приемников. Внутренние диаметры трубок 3 мм и больше, длиной от 0 до 30 мм. Материал корпуса и трубок - нержавеющая сталь. Техническим результатом изобретения является повышение качества и точности измерения давления. 4 ил.

Устройство для измерения параметров потока, содержащее приемник давления, состоящий из трех и/или пяти трубок симметрично расположенных внутри цилиндрического корпуса, скрепленных между собой клеем на основе эпоксидной смолы, срез одной из трубкок выполнен под углом 90°, срезы всех остальных трубок выполнены под углом 45° по отношению к центральным осям трубок, расположенное в исследуемом потоке нормально с возможностью углового перемещения, отличающееся тем, что в каждой из трубок приемника давления установлены соосно емкостные, тензометрические чувствительные элементы давления, соединенные электрически соответственно с установленными вне аэродинамической трубы аппаратурой низкой частоты, блоком питания и поляризации, усилителем заряда, нормирующим усилителем напряжения, блоком вычитания, защитными конденсаторами, координатником с блоком управления, монтажной платой, индикатором, причем датчики, состоят из симметричного соосного тензометрического моста и емкостного чувствительного элемента, датчики смонтированы внутри трубок приемников давления заподлицо с поверхностью, причем датчики могут быть расположены на одном уровне на горизонтальной плоскости по оси x и могут быть смещены относительно друг друга по вертикальной плоскости оси y, одно плечо тензометрического моста и вход емкостного чувствительного элемента соответственно соединены с блоком питания и поляризации, другое плечо тензометрического моста через аппаратуру низкой частоты и блок вычитания электрически соединено со входом индикатора, выходы емкостных чувствительных элементов через защитные конденсаторы, усилитель заряда, нормирующий усилитель напряжения и блок вычитания подсоединены к другому входу индикатора, усилитель заряда и защитные конденсаторы смонтированы на монтажной плате, координатник жестко соединен с цилиндрическим корпусом устройства, в экране датчика и монтажной плате выполнены опорные отверстия, связанные с атмосферой через координатник, положение устройства в исследуемом потоке задают с помощью блоков управления, индикатора и координатника.