Устройство для измерения скорости потока Советский патент 1993 года по МПК G01P5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости газового потока у поверхности моделей и натурных объектов авиационной техники.

Известно устройство для измерения быстроменяющихся скоростей потока/содержащее корпус, преобразователь перемещения и чувствительный элемент, один конец которого неподвижно закреплен в корпусе, при этом чувствительный элемент выполнен в виде плоской струны, свободный конец которой соединен с введенной в устройство пружиной, закрепленной в корпусе с возможностью регулирования. Под воздействием динамического давления потока, пропорционального скорости, плоская струна прогибается, зазор между преобразователем перемещения и струной изменяется, что регистрируется в виде измерения уровня сигнала. Недостатком известного устройства является относительно низкая точность измерения, которая зависит от подбора натяжения струны, в результате чего добиваются приемлемого компромисса между статической погрешностью, зависящей в основном от чувствительности струны и скорости потока и динамической погрешностью, зависящей от собственной частоты струны.

Более высокой точностью измерений обладает известное устройство для иэмереVI00

О О

со

4

ния скорости потока, содержащее насадок, связанный с чувствительным элементом и упором, смещенными относительно друг друга в горизонтальной плоскости, державку с приводом ее перемещения и механизм подвески насадка к державке, выполненный. в виде подпружиненного шарнирного параллелограмма. Это устройство является наиболее близким потёхнической сущности и достигаемому результату, в связи с чем оно рассматривается й- йа Гестве прототипа. Наличие механизма подвески насадка к державке, выполненного в виде подпружиненного шарнирного параллелограмма, обеспечивает постоянное прилегание упора в каждой заданной точке криволинейной верхности, при этом чувствительный .элемент, смещенный относительно упора в горизонтальном направлении, находится на фиксированном расстоянии от поверхности. Это расстояние определяется до начала измерения и выставляется с помощью микрометрической гайки, регулирующей положение чувствительного элемента относительно упора в вертикальном направлении. Таким образом., в процессе измерений поддерживается постоянное расстояние между любой точкой криволинейной поверхности и свободным концом чувствительного элемента, вследствие чего достигаемся относительно высокая точность измерения скорости потока. Однако существенным недостатком прототипа является ограниченный диапазон измерений и не вполне достаточная точность. Это объясняется следующим. Известно, что при исследовании потока в пограничном слдё представляет особый интерес получение профиля скоростей, поскольку толщина пограничного слоя весьма мала, а градиенты скорости довольно значительны, при этом профиль скоростей необходимо измерять за очень короткий промежуток времени, т.к; в противном случае возможны измерения режимов потока, а спёдователы-ю - значительные погрешности в точности полученных результатов. Как было сказано выше, в устройстве-прототипе чувствительный элемент в процессе измерений находится на фиксированном расстоянии от поверхности и таким образом возможны измерения скорости потока только в одной заданной точке. При необходимости измерения скорости потока по всей высоте пограничного слоя необходимо после измерения в одной точке прекратить измерение для того, чтобы изменить положение чувствительного элемента по высоте и повторить измерение уже в новой точке, после этого вновь изменить положение чувствительного элемента и снова провести измерение и т.д. В этом случае нельзя добиться удовлетворительной достоверности измерений вследствие возможных измерений режима потока в течение времени указанной серии измерений и возможных суммирующихся погрешностей, возникающих при переналадке положения чувствительного элемента. Кроме того отрицательное влияние на точность измерения

оказывает наличие механических средств выставления чувствительного элемента по высоте (микрометрическая регулировочная гайка), поскольку необходимы измерения предельно: малых величин. ;

5 Цель изобретения - расширение диапазона измерений и повышение их точности. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения скорости потока, содержащее насадок с чувствительным

0 элементом, опорный элемент, смещенный относительно чувствительного элемента в горизонтальной плоскости и контактирующий с криволинейной поверхностью модели, державку с приводом ее перемещения

5 по поперечной и продольной направляющим в горизонтальной плоскости, механизм подвески насадка и опорного элемента к державке, выполненный в виде подпружиненного шарнирного параллелограмма, до.0 полнитёльно введены кожух. Подвижное основание, привод перемещения насадка, при этом, подвижное основание, с размещенным на нем механизмом подвески насадка и с закрепленной на нем стойкой,

5 связанной посредством шарнира с державкой, выполнено в виде платформы с тремя игольчатыми опорами, установленной с возможностью ее перемещения по криволинейной поверхности модели, причем

0 вертикальная ось симметрии одной из опор пересекает продольную ось симметрии насадка, выполненного в виде штанги, выступающей относительно подвижного основания перпендикулярно направлению по5 тока, при этом привод перемещения насадка выполнен в виде нити, закрепленной в цилиндрическом корпусе, установленном на подвижном основании и соединенной через тягу с шарнирным па0 раллелограммом, при этом индикатор Перемещения привода содержит потенциометр, движок которого жестко связан с механизмом подвески насадка. Наличие шарнирно соединенного с державкой подвижного ос5 нования, выполненного с возможностью перемещения по криволинейной поверхности, на котором установлен механизм подвески насадка и связанный с ним привод перемещения насадка в вертикальной плоскости, позволяет обеспечить в процессе измерений перемещение чувствительного элемента по высоте с одновременной регистрацией значений скорости потока в пограничном слое на любой высоте. При этом использование термопривода в качест- ве упомянутого привода перемещения насадка позволяет осуществлять плавные, бёзынерционные перемещения чувствительного элемента по вертикальной координате. Выполнение подвижного основания в виде самоориентирующейся платформы с тремя игольчатыми опорами обеспечивает устойчивое базирование устройства на криволинейной поверхности. Выполнение насадка в виде выступающей относительно подвижного основания штанги дает возможность выноса чувствительного элемента в зону, Свободную от возмущений, вызванных нахождением устройства в потоке. Установка на подвижном основании по- тенциометра, связанного с механизмом подвески насадка, приводит к тому, что в начале каждого измерительного цикла при касании упором поверхности с помощью потенциометра выдается значение условно- го нуля, что повышает точность измерений и дает возможность регистрации распределения скоростей потока в пограничном слое.

На фиг.1 представлено устройство для измерения скорости потока, вид против потока; на фиг. 2 - то же, вид сверху, кожух 20 и державка4 условно сняты.

Устройство для измерения скорости потока содержит подвижное основание, вы- полненное в виде платформы 1 с тремя игольчатыми опорами 2. Ни платформе 1 жестко закреплена стойка 3, связанная с державкой 4 посредством шарнира 5 (в предпочтитеж й с луЧа е пЬсрёдством шарнира Тука). Привод перемещения державки 4 на чертеже не показан. На платформе 1 расположен механизм подвески насадка б, выполненного в виде штанги, выступающей относительно платформы 1. На конце насадка 6 расположен упор 7 и смещенный относительно последнего в горизонтальном и вертикальном направлении чувствительный элемент 8, выполненный в виде ермоанёмометрйческой нити. Меха- низм подвески насадка 6 представляет собой шарнирный параллелограмм, в котором боковые коромысла 9 связывают его соответственно со стойкой 3 и держателем 10 насадка 6, верхнее коромысло 11 связано с приводом перемещения насадка б в вертикальном направлении, а нижнее коромысло 12 подпружинено относительно платформы 1 с помощью пружины 13. Привод перемещения насадка б в вертикальном направлении выполнен в виде термопривода и состоит из нити 14, закрепленной посредством двух заглушек-изоляторов 15 в цилиндрическом корпусе 16 из кварцевого стекла с перфорированными стенками, способствующими улучшению теплообмена, а также тяги 17, соединяющей нить 14 с верхним коромыслом 11 параллелограммного механизма. На платформе 1 расположен потенциометр 18, жестко связанный своим ползунком 19 с держателем 10 насадка б, а также с контрольно-регистрирующей аппаратурой (на чертеже не показана). Все элементы, установленные на платформе 1, покрыты кожухом 20, а все электрические цепи объединены в электрожгут 21, который пропущен внутри державки 4 в направлении к контрольно-регистрирующей аппаратуре. Скользящие опоры 2 располагаются таким образом, что вертикальная ось одной из них пересекает продольную ось насадка 6. В предпочтительном случае они должны иметь наконечники из шлифованного корунда. Высота опор 2 не должна быть меньше, чем максимальная толщина пограничного слоя над измеряемой поверхностью 22. Для обеспечения легкого хода и отсутствия люфтов боковые коромысла 9 в предпочтительном случае должны быть выполнены в виде рубиновых игольчатых опор.

Устройство работает следующим образом.

Включается привод державки 4, которая, перемещаясь, воздействует через шарнир 5 на стойку 3, при этом платформа 1 начинает перемещаться скользящими опорами 2 по криволинейной поверхности 22. Переместившись в заданное место, платформа 1 устанавливается таким образом, чтобы ось насадка 6 была нормальна направлению измеряемого потока. После этого на нить 14 термопривода, закрепленную с помощью заглушек изоляторов 15 в корпусе 16, подается соответствующий импульс напряжения. Нить 14 под действием нагрева удлиняется и пружина 13 притягивает параллелограммный механизм, включающий верхнее коромысло 11, связанное тягой 17с нитью 14, нижнее коромысло 12, боковое коромысло 9 и держатель 10 насадка 6, в направлении к криволинейной поверхности 22. При этом насадок б опускается в вертикальном направлении до касания упо- ром 7 поверхности 22. Одновременно ползунок 19, связанный с держателем 10 насадка 6, перемещается по поверхности потенциометра 18 и отображает на регистрирующем приборе (на чертеже не показан) изменение вертикальной координаты чувствительного элемента 8. При соприкосновении упора 7 с поверхностью потенциометр 18 отмечает положение условного нуля. По мере остывания нити 14, нагретой при прохождении импульса тока, она укорачивается и посредством тяги 17 возвращает шарнирный параллелограмм, а следовательно и насадок б в первоначальное положение. Таким образом, устройство осуществляет почти мгновенную регистрацию распределения скоростей потока в пограничном слое, при этом фиксация текущего значения скорости потока производится практически синхронно с регистрацией изменения вертикальной координаты чувствительного элемента, следовательно, обеспечивается возможность привязки скорости к координате, что обусловлено чрезвычайно малой инерционностью термоанемометрической нити, составляющей доли микросекунд.

Существует и другой режим измерения - это стационарное удержание чувствительного элемента 8 на заданной высоте. В этом случае на нить 14 термопривбда подается такое напряжение, которое вызывает соответствующее ее удлинение, достаточное для

удерживания чувствительного элемента 8 на заданной высоте, при этом в отличие от устройства-прототипа, где положение упомянутого элемента регулируется микрометрической гайкой, в предлагаемом случае можно добиться значительно более точной установки положения чувствительного элемента 8 за счет соответствующего, подбора .величины напряжения.

По сравнению с устройством-прототипом устройство, Согласно изобретению, имеет следующие преимущества: возможность точной привязки скорости к вертикальной координате Н; возможность

многократных циклических измерений в любой точке исследуемой зоны; плавность перемещения чувствительного элемента; возможность фиксации чувствительного элемента на заданной высоте с высокой точностью; значительный ресурс; отсутствие искажения поля давления и скоростей в зоне измерений; отсутствие необходимости многократной переналадки устройства в процессе измерений, приводящей к суммирооанию погрешностей.

Использование: измерение скорости газового потока у поверхности моделей и натурных объектов авиационной техники. Сущность изобретения: устройство содержит кожух, подвижное- основание, выполненное в виде платформы е тремя игольчатыми опорами, насадок с чувствительным элементом, опорный элемент, смещенный относительно чувствительного элемента в горизонтальной плоскости, державку с приводом её перемещения, механизм подвески насадка и опорного элемента к державке, выполненный в виде подпружиненного шарнирного параллелограмма, потенциометр, жёстко связанный с механизмом подвески насадка. Насадок выполнен в виде штанги, выступающей относительно подвижного основания перпендикулярно направлению потока Привод перемещения насадка выполнен § виде тёр- мопривода, содержащего нить, закрепленную в цилиндрическом корпусе, и тягу, соединяющую нить с шарнирным параллелограммом. На подвижном оснований жестко закреплена стойка, связанная с державкой с помощью шарнира. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. ел С

- .., формула изобрет е н и я 1. Устройство для измерения скорости потока, содержащее насадок с чувствительным элементом, опорный элемент, смещённый относительно чувствительного элемента в горизонтальной плоскости и контактирующий с криволинейной поверхно- стью модели, державку с приводом ей перемещения по поперечной и продольной направляющим в горизонтальной плоско- сти, механизм подвески насадка и опорного элемента к державке, выполненный в виде подпружиненного шарнирного параллелограмма,отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапа- зона измерений, в него дополнительно введены кожух, подвижное основание, привод перемещения насадка, при этом подвижное основание с размещенным на нем механизмом подвески насадка и с закрепленной на нем стойкой, связанной посредством шарнира с державкой, выполнено в виде платформы с тремя игольчатыми опорами, установленной с возможностью ее перемещения по криволинейной поверхности модели, причем вертикальная ось симметрии одной из опор пересекает продольную ось симметрии насадка, выполненного в виде штанги, выступающей относительно подвижного основания перпендикулярно направлению потока.

; - ;., /. J. s -77-7-7-7 / / / / / / . / 71/ / x

.::Ј-- W /-f:.fyr:-j .&

г iS Ъ 9 jo в

Фиг2