Двухкомпонентный измеритель угловой скорости подвижных объектов Российский патент 2024 года по МПК G01P3/26 

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

К группе аналогов заявленного технического решения относятся устройства для измерения угловой скорости, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения №2059251, №1005560, №2516196, №540213 и №888041.

Известен струйный датчик угловой скорости по патенту на изобретение РФ №2059251, G01Р 3/22, опубл. 27.04.1996 г. – [1], содержащий герметичный корпус, нагнетатель, рабочее сопло, рабочую камеру с каналом обратного хода газа, термоанеморезисторы, систему стабилизации расхода газа в газовой цепи датчика. Система стабилизации включает в себя термоанеморезистор-излучатель и термоанеморезистор-приемник, установленные в канале обратного хода газа, генератор тепловой метки, регистратор тепловой метки, формирователь временного интервала, схему управления, генератор тактирующих импульсов, счетчик, регистр, ЦАП, задатчик эталонного сигнала, схему сравнения, интегратор, усилитель-преобразователь.

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 этих устройств следует отнести измерение одной составляющей угловой скорости, наличие погрешностей от воздействия перекрестных угловых скоростей, большие технологические погрешности изготовления и сборки, температурные погрешности теплообмена чувствительных элементов при обдуве их струёй газового потока.

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 «xoz» и «yoz» 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 «xoz» и «yoz» вращения объекта, и включены в измерительную схему, которая образует каналы измерения угловых скоростей в плоскостях «xoz» и «yoz» 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 «xoz» и «yoz» 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 значений угловой скорости, недостаточную точность измерения угловой скорости при воздействии температуры внешней среды и, соответственно, в рабочей камере из-за дрейфа нулевого сигнала, возникающего вследствие неидентичности характера теплообмена газового потока и проволочными анемочувствительными элементами.

Известно устройство для измерения угловой скорости по авторскому свидетельству на изобретение №540213, МПК G01P 3/46, опубл. в бюл. №47, 08.02.77 – [4], 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, 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.

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 – [5], 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.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении его эффективности, заключающемся 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 двухкомпонентном измерителе угловой скорости подвижных объектов, 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 что в дифференциальный приемник введена вторая пара электродов, ориентируемая симметрично по осям координат x и y соответственно и расположенная в той же плоскости осесимметрично и ортогонально оси рабочей камеры, что и первая пара электродов, подключенных к электроизмерительной схеме, выходы которой являются выходами двухкомпонентного измерителя угловой скорости по сигналам угловой скорости ω_x по оси х и ω_y по оси y, при этом пары электродов выполнены в виде четырех изолированных плоских секторов окружности 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 двухкомпонентного измерителя угловой скорости подвижных объектов.

На фиг. 1 используются следующие обозначения:

1 – корпус;

2 – рабочая камера;

3 – нагнетатель;

4 – ионизационная камера;

5 – формирующее сопло;

6 – сопло;

7 – регулирующий дроссель;

8, 9 – первая пара электродов дифференциального приемника ионов;

10 – электроизмерительная схема;

11, 12 – вторая пара электродов дифференциального приемника ионов;

13 – распределение скоростей потока в ламинарной струе рабочего газа;

14 – распределение плотности потока ионов в спутном течении ламинарной струи;

ω_x – составляющая вектора угловой скорости вокруг оси координаты x;

ω_y – составляющая вектора угловой скорости вокруг оси координаты y.

Двухкомпонентный измеритель угловой скорости подвижных объектов, 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 ионов, выполненный в виде двух плоских электродов 6 и 7, подключенных к электроизмерительной схеме, отличающийся тем, что в него дополнительно введен дифференциальный приемник выполнен в виде двух пар плоских электродов 8, 9 и 11,12, подключенных к электроизмерительной схеме 10. Выходы электроизмерительной схеме 10 являются выходами двухкомпонентного измерителя угловой скорости по сигналам угловой скорости ω_x вокруг оси х и ω_y вокруг оси y.

Обе пары выполнены симметрично по осям координат x и y соответственно и расположены в той же плоскости осесимметрично и ортогонально оси рабочей камеры 2. Все четыре электрода дифференциального приемника выполнены в виде четырех изолированных плоских секторов окружности с профилем контура, обеспечивающим линейность преобразования отклонения ионного потока в электрический сигнал пропорциональный компонентам угловой скорости ω_x и ω_y.

В измерителе угловой скорости используется принцип принудительного движения ионов 14 в попутном течении ламинарной затопленной струи 13 рабочего газа. В этом случае движение заряженных частиц значительно медленнее совместно с потоком, а время воздействия угловой скорости на струю больше. В результате получается значительное отклонение струи от оси симметрии в замкнутом пространстве рабочей камере, что делает измеритель высоко чувствительным к изменениям угловой скорости объекта. Ионный ток разряженного потока ионов замыкается через приемные электроды (пластины) на источник ионов через измерительную схему.

Нагнетатель 3 формирует поток газа, который протекая через сопло 6 преобразуется в ламинарную газовую струю в рабочей камере 2. Часть потока от нагнетателя через регулирующий дроссель 7 поступает в ионизационную камеру 4, из которой через формирующее сопло 5 создает в центральной части рабочей камеры 2 в концентрично газовой струе поток ионов. Скорость потока ионов регулируется дросселем 7 таким образом, что скорость ионизированных частиц его периферийной части была равна скорости пограничного слоя окружающей его газовой струи.

Одновременно газовый поток обеспечивает получение длинной и тонкой ионной струи, т.е. дает возможность значительно увеличить крутизну преобразования угловой скорости. Результирующий газовый и ионный поток омывает электроды 8, 9, 11 и 12 дифференциальных приемников, на которых происходит разряд ионного потока. Далее газ по пневматическим каналам возвращается к нагнетателю 3. При отсутствии скорости ω токи через все электроды дифференциальных приемников равны, и на выходе электроизмерительной схемы выходные сигналы по составляющим угловой скорости U_выхω_x =0 и U_выхω_y =0. При появлении угловой скорости происходит совместное отклонение суммарного спутного газового и ионного потоков и на выходе дифференциального приемника появляются разностные токи, которые на выходе электроизмерительной схемы преобразуются в сигналы, пропорциональные составляющим угловой скорости ω_x и ω_y.

Корпус измерителя является герметичным и заполнен газом, например, азотом, который химически не активен и не взаимодействует элементами конструкции датчика, что увеличивает надежность измерителя.

Выполнение дифференциального приемника для измерения тока ионного потока в виде двух симметрично расположенных пар электродов, расположенных в одной плоскости, перпендикулярных оси движения суммарного потока ионов и рабочего газа, позволяет фиксировать две составляющие угловой скорости ω_x и ω_y в плоскостях пластин, величина которых зависит от разности токов, протекающих через электроды.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения угловой скорости подвижных объектов в двух плоскостях вращения. Двухкомпонентный измеритель угловой скорости подвижных объектов содержит корпус, рабочую камеру, нагнетатель, при этом в рабочую камеру введена вторая пара электродов дифференциального приемника, расположенная симметрично первой паре, установленная в одной плоскости с первой осесимметрично и ортогонально оси рабочей камеры на её выходе и подключенная к соответствующим входам электроизмерительной схемы, на выходах которой формируются информативные сигналы двухкомпонентного измерителя угловой скорости по составляющим вектора угловой скорости вокруг оси х и вокруг оси y. Технический результат – возможность измерения двух составляющих угловой скорости при движении объекта, повышение надежности устройства, повышение точности измерения угловой скорости. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухкомпонентный измеритель угловой скорости подвижных объектов, содержащий корпус 1, рабочую камеру 2, нагнетатель 3, соединенный через ионизационную камеру 4 с формирующим соплом 5, сопло 6 с диаметром, большим диаметра формирующего сопла 5, установленное соосно ему и соединенное с нагнетателем 3, регулирующий дроссель 7, установленный между нагнетателем 3 и ионизационной камерой 4, и дифференциальный приемник, выполненный в виде двух плоских электродов 8 и 9, подключенных к электроизмерительной схеме 10, отличающийся тем, что в рабочую камеру введена вторая пара электродов 11 и 12 дифференциального приемника, расположенная симметрично первой паре 8 и 9, установленная в одной плоскости с первой осесимметрично и ортогонально оси рабочей камеры 2 на её выходе и подключенная к соответствующим входам электроизмерительной схемы 10, на выходах которой формируются информативные сигналы двухкомпонентного измерителя угловой скорости по составляющим вектора угловой скорости вокруг оси х и вокруг оси y.

2. Двухкомпонентный измеритель угловой скорости подвижных объектов по п.1, отличающийся тем, что пары электродов выполнены в форме четырех изолированных плоских секторов окружности.

3. Двухкомпонентный измеритель угловой скорости подвижных объектов 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