Струйно-ионный двухкомпонентный измеритель угловой скорости Российский патент 2024 года по МПК G01P3/26 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения угловой скорости подвижных объектов.

К группе аналогов заявленного технического решения относятся устройства для измерения угловой скорости, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения №540213, №1005560, №2516196.

Известно устройство для измерения угловой скорости по авторскому свидетельству на изобретение №540213, МПК G01P 3/46, опубл. в бюл. №47, 08.02.77 – [1], содержащее герметичную рабочую камеру с источником ионов, селектирующими, фокусирующими и отклоняющими электродами, и двумя анодами и усилитель. Аноды разделены щелью и расположены на оси, перпендикулярной к плоскости электродов и проходящей через середину щели. Аноды, образуют с двумя резисторами мостовую схему, к выходу которой через усилитель подключены отклоняющие электроды. Поток ионов от источника ионов под действием электрического поля проходит через селектирующее устройство, которое выделяет ионы с определенной скоростью, а затем проходит через фокусирующие электроды, формирующие поток определенного сечения и направляющие его через отклоняющие электроды на приемное устройство. Поток ионов разряжается через резисторы, вызывая в них токи. Выход измерительной мостовой схемы подключен к усилителю, выходной сигнал которого управляет отклоняющим устройством так, что при отсутствии угловой скорости ω управляющий сигнал равен нулю, а при появлении угловой скорости появляется сигнал, компенсирующий отклонение потока ионов от оси симметрии приемного устройства. О величине и направлении угловой скорости ω судят по величине и фазе компенсирующего сигнала на отклоняющих электродах, которое регистрируется индикатором.

К недостаткам устройства для измерения угловой скорости следует отнести быстрое изнашивание электродов и малую чувствительность к воздействию угловой скорости по сравнению с газовой струёй, обусловленную тем, что скорость движения ионов в вакуумной камере зависит от ускоряющего напряжения под действием электростатического поля и достаточно высока, поэтому время воздействия угловой скорости на поток ионов мало.

Известен струйный датчик угловой скорости по патенту SU №1005560, МПК G01Р 3/26, опубл. в бюл. №23, 20.08.2005 – [2], содержащий корпус, нагнетатель, замкнутую газовую цепь, состоящую из формирующего сопла, рабочей камеры и отверстий в корпусе, связывающих рабочую камеру с нагнетателем, чувствительные элементы, выполненные в виде двух металлических нитей, укрепленных на двух токоподводах – держателях, подключенных к электроизмерительной схеме, устройство выделения информативного сигнала и винты установки пневмонуля.

К недостаткам этого устройства следует отнести измерение одной составляющей угловой скорости, наличие погрешностей от воздействия перекрестных угловых скоростей, больших технологических погрешностей изготовления и сборки, температурные погрешности теплообмена чувствительных элементов при обдуве их струей газового потока, а также влияние температуры окружающей среды на процессы, происходящие в рабочей камере.

Известен двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости по патенту на изобретение RU №2516196, МПК G01Р 3/26, опубл. в бюл. №14, 20.05.2014 – [3], содержащий корпус, рабочую камеру, в которой установлены нагнетатель и термоанеморезисторный узел, содержащий основание, установленное перпендикулярно направлению протекания струи газа и проницаемому для его протекания в рабочей камере, на котором перпендикулярно ему установлены изолированные стойки, расположенные друг относительно друга ортогонально в плоскостях x0z и y0z вращения объекта, на концах которых закреплены проволочные анемочувствительные элементы, причем первые концы всех анемочувствительных элементов электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, высота которой больше высоты внешних стоек, а вторые концы каждого из анемочувствительных элементов закреплены на своих внешних стойках, расположенных симметрично относительно центральной стойки в плоскостях x0z и y0z вращения объекта, и включены в измерительную схему, которая образует каналы измерения угловых скоростей в плоскостях x0z и y0z вращения объекта. В рабочей камере имеется блок формирования струи, включающий регулировочный блок, где выполнены каналы формирования струи, в каждом из которых установлены регулируемые заслонки, блок сопл. Каждое сопло блока соединено со своим каналом формирования струи регулировочного блока, и оси которых расположены попарно под малым углом к оси симметрии рабочей камеры в плоскостях x0z и y0z измерения угловых скоростей. При этом в корпусе блока формирования струи перед регулировочным блоком образован переходной объем, который с каналами формирования струи регулировочного блока и соплами блока сопл образуют пневматические цепи формирования струи в рабочей камере.

К недостаткам двухкомпонентного струйного датчика угловой скорости следует отнести технологическую сложность выставки пневматического нуля после сборки датчика, ограниченный диапазон измерения угловой скорости; недостаточную чувствительность в диапазоне околонулевых значение угловой скорости, недостаточную точность измерения угловой скорости при воздействии температуры внешней среды и, соответственно, в рабочей камере из за дрейфа нулевого сигнала из за неидентичности характера теплообмена газового потока и проволочными анемочувствительными элементами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, взятым за прототип, является двухкомпонентный измеритель угловой скорости подвижных объектов согласно авторскому свидетельству на изобретение №888041 МПК G01Р 3/26, опубл. в бюл. №45, 07.12.1981 – [4], содержащий корпус, рабочую камеру, нагнетатель, соединенный через ионизационную камеру с формирующим соплом, дифференциальный приемник, выполненный в виде двух плоских электродов, подключенных к электроизмерительной схеме, дополнительное сопло, установленное соосно формирующему соплу и соединенное с нагнетателем, и регулирующий дроссель, установленный между нагнетателем и ионизационной камерой, при этом диаметр дополнительного сопла больше диаметра формирующего сопла.

К недостаткам прототипа следует отнести возможность измерения только одной составляющей вектора угловой скорости подвижного объекта; отсутствие пропорциональной зависимости скорости движения ионов в виде электрического разряда со скоростью движения объекта, что приводит к сложности измерения информативного сигнала; необходимость создания в рабочем пространстве высокого электрического напряжения между электродами разряда для реализации движения ионов, что приводит к быстрому разрушению электродов под воздействием разряда.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении его эффективности, заключающейся в измерении двух составляющих угловой скорости при движении объекта, а также повышении надежности устройства, увеличении точности устройства за счет технологической возможности обеспечения идентичности геометрии приемных поверхностей электродов взаимодействующих с потоком ионов.

Технический результат достигается тем, что в струйно-ионном двухкомпонентном измерителе угловой скорости, содержащем корпус, рабочую камеру, нагнетатель, соединенный через ионизационную камеру с формирующим соплом, сопло с диаметром большим диаметра формирующего сопла, установленное соосно ему и соединенное с нагнетателем, регулирующий дроссель, установленный между нагнетателем и ионизационной камерой, и дифференциальный приемник, выполненный в виде двух плоских электродов, подключенных к электроизмерительной схеме, новым является то, что в рабочую камеру введена вторая пара электродов дифференциального приемника ионов, расположенная в одной плоскости с первой парой электродов, установленные на выходе рабочей камеры ортогонально ее оси симметрии, два канала электроизмерительной схемы, включающей два сумматоры, два вычитающие устройства, блоки коррекции чувствительности по сигналам ω_y и ω_x соответственно, усилители информативных сигналов ω_y и ω_x соответственно, блок обработки сигналов и четыре резистора тока через электроды первой и второй пар электродов дифференциальных приемников ионов, первые выводы которых соединены вместе и подключены к входу ионизационной камеры, а вторые выводы, подсоединены к соответствующим электродам первой и второй пар электродов дифференциальных приемников ионов, ко входам сумматоров каналов и входам вычитающих устройств соответственно, выходы которых подключены к первым входам усилителей информативного сигнала соответственно выходы которых подключены ко входам блока обработки сигналов, выходные сигналы которого являются выходными сигналами каналов струйно-ионного двухкомпонентного датчика угловой скорости по составляющим ω_x, и ω_y вектора угловой скорости, при этом выходы обоих сумматоров связаны со входами блоков коррекции чувствительности по сигналам ω_y и ω_x, выходы которых подсоединены ко вторым входам усилителей информативных сигналов по сигналу ω_y и по сигналу ω_x соответственно, при этом пары электродов выполнены в форме четырех изолированных плоских секторов окружности в виде металлических сеток, выполненных с профилем контура, обеспечивающим линейность преобразования отклонения ионного потока в электрический сигнал пропорциональный компонентам угловой скорости ω_x и ω_y.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на которой представлена структурно-функциональная схема струйно-ионного двухкомпонентного измерителя угловой скорости.

Здесь:

1 – корпус;

2 – рабочая камера;

3 – формирующее сопло;

4 – распределение скоростей в струе газа и ионов;

5, 8 – первая пара электродов дифференциального приемника ионов;

6, 7 – вторая пара электродов дифференциального приемника ионов;

9 – сопло;

10 – нагнетатель;

11 – ионизационная камера;

12, 13 – первой и второй резисторы тока первой пары электродов;

14, 15 – первый и второй резисторы тока второй пары электродов;

16, 23 – первый и второй блоки коррекции чувствительности по сигналу ω_y и ω_x;

17,18 – усилители информативного сигнала по сигналу ω_y и по сигналу ω_x;

19, 22 – первый и второй сумматоры;

20, 21 – первый и второй вычитающие устройства;

24 – блок обработки сигналов;

ω_x – составляющая вектора угловой скорости вокруг оси координаты x;

ω_y – составляющая вектора угловой скорости вокруг оси координаты y.

Струйно-ионный двухкомпонентный датчик угловой скорости, содержащий корпус 1, рабочую камеру 2, нагнетатель 10, соединенный через ионизационную камеру 11 с формирующим соплом 3, сопло 9 с диаметром большим диаметра формирующего сопла 3, установленное соосно ему и соединенное с нагнетателем 10, регулирующий дроссель 25, установленный между нагнетателем 10 и ионизационной камерой 11, и дифференциальный приемник, выполненный в виде двух плоских электродов 5 и 8, подключенных к электроизмерительной схеме, отличающийся тем, что в рабочую камеру введена вторая пара электродов 6 и 7 дифференциального приемника ионов, расположенная в одной плоскости с первой парой электродов 5 и 8, установленные на выходе рабочей камеры 2 ортогонально ее оси симметрии, два канала электроизмерительной схемы, включающей сумматоры 19 и 22, вычитающие устройства 20 и 21, блоки 16 и 23 коррекции чувствительности по сигналам ω_y и ω_x соответственно, усилители 17 и 18 информативных сигналов ω_y и ω_x соответственно, блок 24 обработки сигналов и четыре резистора 12, 13, 14, 15 тока через электроды первой и второй пар электродов дифференциальных приемников ионов, первые выводы которых соединены вместе и подключены к входу ионизационной камеры 11, а вторые выводы, подсоединены к соответствующим электродам первой и второй парам электродов каналов электроизмерительной схемы дифференциальных приемников ионов, ко входам сумматоров 19 и 22 каналов и входам вычитающих устройств 20 и 21 соответственно, выходы которых подключены к первым входам усилителей 17 и 18 информативного сигнала соответственно выходы которых подключены ко входам блока 24 обработки сигналов, выходные сигналы которого являются выходными сигналами каналов струйно-ионного двухкомпонентного датчика угловой скорости по составляющим ω_x, и ω_y вектора угловой скорости, при этом выходы обоих сумматоров 19 и 22 связаны со входами блоков 16 и 23 коррекции чувствительности по сигналам ω_y и ω_x, , выходы которых подсоединены ко вторым входам усилителей 17, 18 информативных сигналов по сигналу ω_y и по сигналу ω_x соответственно.

При этом обе пары электродов струйно-ионного двухкомпонентного датчика угловой скорости могу быть выполнены в форме четырех изолированных плоских секторов окружности в виде металлических сеток с профилем контура, обеспечивающим линейность преобразования отклонения ионного потока в электрический сигнал, пропорциональный компонентам угловой скорости ω_x и ω_y.

В предлагаемом струйно-ионном двухкомпонентном датчике угловой скорости используется принцип принудительного движения ионов в попутном течении ламинарной затопленной струи рабочего газа по сравнению с ускоряющим напряжением вакууме, используемым в прототипе. В этом случае движение заряженных частиц значительно медленнее совместно с потом и время воздействия угловой скорости на струю больше. В результате получается значительное отклонение струи от оси симметрии в рабочей камере в её замкнутом пространстве и высокая чувствительность к угловой скорости объекта с установленным на нем датчиком. Ионный ток разряженного потока ионов замыкается через приемные электроды (пластины) на источник ионов через измерительную схему.

Струйно-ионный двухкомпонентный датчик угловой скорости работает следующим образом. При отсутствии угловой скорости нагнетатель 10, являющийся источником пневмопитания, создает в корпусе устройства 1 поток газа, который с помощью формирующего сопла 3 преобразуется в ламинарную ионизированную струю газа в рабочей камере 2. Струя газа обдувает расположенные взаимно ортогонально друг относительно друга в плоскостях вращения y0z и x0z и пары электродов 5, 8 и 6, 7 дифференциальных приемников, установленных на выходе рабочей камеры 2 ортогонально ее оси симметрии. В этом случае средние скорости струи (потока ) газа, обдувающие каждый электрод дифференциального приемника 5 и 8 в плоскости вращения x0z и 6, 7 в плоскости вращения y0z, одинаковы и, следовательно, равны токи, протекающие через электроды, и напряжения на резисторах на выходах электродов b и e в плоскости вращения x0z и на выходах электродов с и d в плоскости вращения y0z. Суммарные сигналы и пропорциональны средним скоростям параболического закона распределения струи в данном сечении, при этом разности сигналов в соответствующих плоскостях и будут равны нулю.

При появлении угловой скорости в измерительной плоскости струя газа смещается от исходного положения, что приводит к изменению величины средней скорости потока, обдувающего электродные пары дифференциального приемника, и, в конечном счете, к изменению выходных сигналов и в плоскости вращения х0z, одновременно поступающих на сумматор 19 и вычитающее устройство 20, и и – в плоскости вращения y0z, одновременно поступающих на сумматор 22 и вычитающее устройство 21. При этом разностный сигнал , пропорциональный составляющей угловой скорости в плоскости вращения x0z, поступает на вход усилителя 17 информативного сигнала, а разностный сигнал , пропорциональный составляющей угловой скорости в плоскости вращения y0z, поступает на вход усилителя 18 информативного сигнала. При этом в плоскости вращения x0z суммарный сигнал не изменяется, но при действии перекрестного влияния составляющей угловой скорости в плоскости вращения y0z средняя скорость обдува электродов 7 и 8 уменьшается вследствие ухода профиля струи в данном сечении, что приводит к уменьшению сигнала . Суммарные сигналы и пропорциональны средним скоростям параболического закона распределения струи в данном сечении, при этом разностные сигналы в соответствующих плоскостях будут равны и . В этом случае необходимо проводить коррекцию чувствительности выходного сигнала в плоскости вращения x0z от перекрёстной угловой скорости в плоскости вращения y0z, которая осуществляется посредством блока коррекции 16, выполненном на базе операционного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления (Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых И.С. – М.: Сов. Радио, 1980. – 224 с.), в сторону увеличения крутизны преобразования усилителя. Аналогичная картина наблюдается в плоскости вращения y0z с появлением перекрестного влияния составляющей угловой скорости в плоскости вращения x0z, где необходимо провести коррекцию чувствительности посредством блока коррекции 23.

С соответствующих выходов усилителей 17 и 18 сигналы, пропорциональные составляющим угловой скорости ω_y и ω_x в плоскостях вращения x0z и y0z, и через блок 24 обработки сигналов, выполненного на базе микропроцессорного комплекта (Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства. -Л.: Энергоатомиздат. Ленинигр. отд-ие, 1989. – 224 с.), выдаются в удобной для потребителя форме (аналоговой, цифровой и т.д.).

Таким образом, заявляемый струйно-ионный двухкомпонентный датчик угловой скорости позволяет фиксировать две составляющих угловой скорости за счет регистрации токов ионов потока посредством четырех электродов, расположенных в одной плоскости перпендикулярной оси движения суммарного потока ионов и рабочего газа; обладает увеличенной точностью измерения за счет уменьшения перекрестного влияния угловых скоростей в каждой плоскости вращения и коррекции чувствительности, что достигается введением сумматоров, вычитающих устройств, блоков коррекции в каждый из каналов измерения составляющей угловой скорости, повышенной надежностью датчика за счет того, что заполнение рабочей камеры датчика инертным газом, например, азотом, который химически не активен и не взаимодействует элементами конструкции датчика, и улучшенными конструктивно-технологическими характеристиками с более точным воспроизведением геометрических параметров элементов устройства, причем датчик углов, реализуемых на стандартной элементной базе.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения угловой скорости подвижных объектов. Сущность изобретения заключается в том, что в рабочую камеру струйно-ионного двухкомпонентного датчика угловой скорости введена вторая пара электродов дифференциального приемника ионов, расположенная в одной плоскости с первой парой электродов, установленной на выходе рабочей камеры ортогонально ее оси симметрии, два канала электроизмерительной схемы, включающей сумматоры, вычитающие устройства, блоки коррекции чувствительности, усилители информативных сигналов, блок обработки сигналов и четыре резистора тока через электроды первой и второй пар электродов дифференциальных приемников ионов, первые выводы которых подключены к входу ионизационной камеры, а вторые к электроизмерительной схеме дифференциальных приемников ионов. Технический результат – возможность измерения двух составляющих угловой скорости при движении объекта, повышение надежности устройства, повышение точности измерения угловой скорости. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Струйно-ионный двухкомпонентный датчик угловой скорости, содержащий корпус 1, рабочую камеру 2, нагнетатель 10, соединенный через ионизационную камеру 11 с формирующим соплом 3, сопло 9 с диаметром, большим диаметра формирующего сопла 3, установленное соосно ему и соединенное с нагнетателем 10, регулирующий дроссель 25, установленный между нагнетателем 10 и ионизационной камерой 11, и дифференциальный приемник, выполненный в виде двух плоских электродов 5 и 8, подключенных к электроизмерительной схеме, отличающийся тем, что в рабочую камеру введена вторая пара электродов 6 и 7 дифференциального приемника ионов, расположенная в одной плоскости с первой парой электродов 5 и 8, установленной на выходе рабочей камеры 2 ортогонально ее оси симметрии, два канала электроизмерительной схемы, включающей сумматоры 19 и 22, вычитающие устройства 20 и 21, блоки 16 и 23 коррекции чувствительности по сигналам и соответственно, усилители 17 и 18 информативных сигналов и соответственно, блок 24 обработки сигналов и четыре резистора 12, 13, 14, 15 тока через электроды первой и второй пар электродов дифференциальных приемников ионов, первые выводы которых соединены вместе и подключены к входу ионизационной камеры 11, а вторые выводы подсоединены к соответствующим электродам первой и второй пар электродов каналов электроизмерительной схемы дифференциальных приемников ионов, ко входам сумматоров 19 и 22 каналов и входам вычитающих устройств 20 и 21 соответственно, выходы которых подключены к первым входам усилителей 17 и 18 информативного сигнала соответственно, выходы которых подключены ко входам блока 24 обработки сигналов, выходные сигналы которого являются выходными сигналами каналов струйно-ионного двухкомпонентного датчика угловой скорости по составляющим и вектора угловой скорости, при этом выходы обоих сумматоров 19 и 22 связаны со входами блоков 16 и 23 коррекции чувствительности по сигналам и , выходы которых подсоединены ко вторым входам усилителей 17, 18 информативных сигналов по сигналу и по сигналу соответственно.

2. Струйно-ионный двухкомпонентный датчик угловой скорости по п.1, отличающийся тем, что пары электродов выполнены в форме четырех изолированных плоских секторов окружности.

3. Струйно-ионный двухкомпонентный датчик угловой скорости по п.1, отличающийся тем, что пары электродов выполнены в форме четырех изолированных в плоскости секторов окружности в виде металлических сеток.

4. Струйно-ионный двухкомпонентный датчик угловой скорости по п.2, отличающийся тем, что пары электродов выполнены с профилем контура, обеспечивающим линейность преобразования отклонения ионного потока в электрический сигнал, пропорциональный компонентам угловой скорости и .