Прибор для определения скорости воздушного или иного потока Советский патент 1936 года по МПК G01P5/04 

В последнее время привлекают большое внимание электрические методы определения скорости воздушного потока. Эти методы основаны почти исключительно на одном принципе, а именно- на скорости охлаждения проводника, нагретого электрическим тоном.

В воздушный поток вводят проволоку, нагреваемую электрическим током. В зависимости от скорости движения воздуха проволока охлаждается более или менее интенсивно и сопротивление ее меняется; по этим изменениям сопротивления проволоки, обнаруженным электрическими приборами, можно иметь суждение о скорости потока. Обладая совершенно определенными преимуществами (портативностью, большой чувствительностью при низких скоростях), упомянутые электрические термоанемометры имеют также существенные недостатки: малую чувствительность при высоких скоростях, необходимость введения ряда поправок, сложность электрических схем. В виду этого и некоторых других технических грудностей вышеупомянутые электриче:кие методы до сего времени не получили широкого распространения в практике аэрометрии,

В предлагаемом приборе также использовано электричество, однако созершенно другим образом. Прибор принадлежит к типу таких, у которых применено поворотное вокруг горизонтальной оси тело, находящееся под действие измеряемого потока и постороннего механического воздействия для приведени в положение, перпендикулярное к скорости потока. В таких приборах о скорости потока судят по величине постороннего механического воздействия. Существенная особенность предлагаемого прибора состоит в том, что в качестве указанного постороннего механического воздействия применяют пондермоторные силы электромагнитного поля. Для этого может служить, например соленоид, втягивающий сердечник, укрепленный на поворотном теле, находящемся под действием потока. Для того, чтобы сделать прибор чувствительным к малым скоростям, может быть применено поворотное тело, находящееся в положении безразличного равновесия.

1 Как видно из чертежа, изображающего схему прибора, соленоид ЛГ, вь1гнутый по дуге круга некоторого радиуса, прикреплен неподвижно к коленке Е , Подвижной частью прибора является стержень М, изогнутый в точке, совпадающей с осью вращения, под тупыМ углом и прикрепленный к нему сердецник С, сделанный из мягкого железа и выгнутый по дуге круга того же радиуса, как и соленоид. Диаметр сердечника меньше внутреннего диаметра

соленоида лишь настолько, насколько это необходимо для свободного вхождения первого во второй. Подвижная часть прибора может вращаться в стойках L вокруг оси О. С этой осью совпадает, конечно, центр кривизны оси соленоида и сердечника. Особенное внимание должно быть обращено на уменьщение трения в подшипниках.

Соленоид К питают от аккумуляторной батареи. При пропускании через соленоид электрического тока сердечник С втягивается в соленоид К. При увеличении силы тока возрастает и сипа, втягивающая сердечник. Прибор ставят так, как это показано на чертеже, причем плоскость, проходящая через стержень М и ось О, должна быть перпендикулярна к направлению воздушного потока. Воздущный поток действует на оба плеча рычага М, но так как верхнее плечо длиннее нижнего, то равнодействующая сила потока выдвигает сердечник из соленоида, т. е. воздушный поток действует на подвижную систему прибора в направлении, противоположном действию электрического тока. В случае «еобходимости можно специальным щит,ком или кожухом удобообгекаемой формы закрыть от действия потока нижнее гглечо М (или вообще нижнюю часть прибора). В ряде случаев можно этот щиток не ставить. Посредством реостата /, включенного в цепь аккумулятор«О.Й батареи, можно силу тока подобрать так, чтобы при данной скорости движения воздуха эта сила тока уравновещивала действие воздушного потока на стержень М и последний занял бы положение равновесия, в котором его верхнее плечо доДино быть перпендикулярно к подставке S прибора. При повышении скорости потока в обмотке анемометра нужно увеличить силу тока для удержания стержня М в том же положении равновесия. Вот эта-то сила тока, измеренная достаточно точным и чувствительным миллиамперметром, включенным в ту же цепь, служит мерой скорости движения воздуха. Угол изгиба стержня М, размеры этого стержня и сердечника должны быть рассчитаны и подобраны так, чтобы центр тяжести всей этой подвижной детали совпадал э осью вращения, т. е., чтобы система

находилась в состоянии безразличного равновесия, когда прибор находится в неподвижном воздухе и через соленоид не проходит ток.

Эго необходимо для того, чтобы воздушному потоку и электрическому току не приходилось, при выведении стержня М из положения равновесия, преодолевать момент силы тяжести, что уменьшило бы чувствительность прибора как по отношению к изменению скорости потока, так и к изменению силы тока. Кроме того, благодаря такому устройству подвижной системы прибор можно, как это часто необходимо на практике, располагать так, что верхняя часть стержня в положении равновесия занимает вертикальное, горизонтальное или иное положение, перпендикулярное к направлению потока. Как видно из чертежа, в равновесном положении сердечник не полностью вдвинут в соленоид. При помощи теоретических рассуждений и опь1тным путем чожно подобрать такое взаимное положение сердечника и соленоида при равновесии, при котором чувствительность прибора по отношению к изменению силы тока будет наибольшей.

flpH тарировании прибора и измерениях при помощи его необходимо, чтобы стержень М занимал каждый раз то же самое равновесное положение. Способ определения равновесного положения при помощи какого-нибудь неподвижного указателя неудобен и неточен.

В данной схеме осуществлен электри ческий способ определения положения равновесия. Указателями служат две электрических лампочки, питаемые от электрической сети или другого источника Г-клеммы рубильника или гнезда обыкновенного 111тепселя. На подставке прибора смонтированы две металлических колонки Р. Посредством специальных зажимов в этих колонках закрепляются металлические горизонтально расположенные стерженьки //; концы последних, загнутые под прямым углом, расположены по обе стороны нижней части стержня М на достаточно близком от него расстоянии, которое подбирается эмпирически. Для возможности такого подбора контактные стерженьки //устроены выдвижными, В положении равновесия стержень Ж не касается стерженьков Н, ко если стержень отклоняется от положения равновесия в ту или другую сторону, то устанавливается контакт между ним и одним из контактных стерженьков Н.

Колонки Р и центральная металлическая стойка L посредством соединительных проводов включены в цепь указательных ламп N так, как это показано на схеме. Из этой схемы видно, что при силе тока, большей, чем это нужно для уравновешивания действия воздушногопотока, стержень М отклоняется вправо и устанавливается контакт между ним и стерженьком Н и зажигается правая лампа N; если перевешивает действие потока, то стержень отклоняется влево, приходит в соприкосновение с Н отчего вспыхивает левая лампа N. При равновесии действий электрического тока и воздушного потока обе лампы не светят (если скорость потока постоянная) или вспыхивают и гаснут поочередно с приблизительно одинаковой частотой, если имеют место некоторые колебания скорости, что чаще всего встречается на практике. Можно пользоваться только одной лампой N тогда стержень Н отводят дальше от М, а стержень Н устанавливают так, что с ним в положении равновесия соприкасается стержень М: равновесное положение определяют моментами вспыхивания и затухания лампы N. Обыкновенные электрические лампы недостаточно пригодны в этой схеме, так как обладают тепловой инерцией и, следовательно, их зажигание и затухание отстают во времени от моментов замыкания и раЪмыкания цепи, причем имеет большое значение также окисление металла в точках, между которыми осуществляется контакт, почему лучшие результаты получаются при напайке в соответствующих местах (на стержнях М, Н и Н) платиновых контактов.

Лучше применить в качестве указателей неоновые лампы, например, обыкновенные колпачковые на 110 вольт, которые удобнь и дешевы. Неоновые лампы имеют очень малую „инерцию и работают в этой схеме хорошо даже без платиновых контактов также и тогда.

когда стержень М испытывает частые колебания.

Ниже дается приводимая автором элементарная теория прибора. Если сердечник намагничивается не до степени насыщения, то магнитную индукцию в нем можно считать пропорциональной силе тока в соленоиде (в первом приближении). Так как сила FI, втягивающая сердечник, пропорциональна квадрату магнитной индукции, то. следовательно, эта сила также пропорциональна квадрату силы тока FI . Вращающий момент, создаваемый электрическим током и действующий на подвижную систему прибора, будет пропорционален Хиле -

FI: М1 K;FI ... (1)

С другой стороны, как известно из аэродинамики, аэродинамическое воздействие на цилиндрическое тело, образующая которого перпендикулярна к направлению воздушного потока, можно свести к одной силе, величина которой может быть определена по уравнению:

fn (2)

где С-есть некоторый коэфициент, зависящий от данного стержня, р-плотность воздуха, г -скорость движения воздуха, S-площадь.

Считая в первом приближении р постоянным, получаем, что для данного стержня при данной среде сила пропорциональна квадрату скорости потока:

F Ci v

Момент, создаваемый воздушным потоком М и противодействующий момент Ml будет пропорционален силе ()«: М„ .C.; ,-у2 .. (3)

По достижении прибором состояния равновесия будем иметь:

/ з/ Сзг-П . . . .(4)

т. е. сила тока, уравновешивающая действие воздушного потока, пропорциональна скорости потока. Выведенная выше простая зависимость (4) имеет значение только, как самое первое приближение.