Устройство для измерения относительной скорости самолетов Советский патент 1945 года по МПК G01P5/02 G01L9/14 G01M9/00 

Настоящее изобретение относится к устройству для измерения относительной скорости самолетов, осуществляемого путем компенсации давления воздушного потока силой, создаваемой электрическим током, автоматически регулируемым при нарушениях равновесия электродвигателем. Предлагаемое устройство Отличается тем, что диск, подвергающийся воздействию воздушной струи, и катушка с током, уравновешивающая давление этой струи, расположены коаксиально и в одной плоскости. Это сделано для того, чтобы равнодействующие сил, действующих на диск и катущку, были приложены в одной точке подвижной части и не увеличивали трения в подпятниках. В качестве элемента, создающего компенсирующую силу, в устройстве быть применен ферродннамический прибор с последовательным соединением подвижной и неподвижной обмоток с той целью, чтобы сила тока в нем была прямо пропорциональна скорости Самолета.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на фиг. которого изображен прибор в трех проекциях с разрезами, на фиг. 4 дан перспективный вид и разрез его с изображением действующих сил, а на фиг. 5 представлена схема включения устройства с автоматическим регулятором силы тока.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем.

В магнитном поле кольцевого электромагнита 1, 2 (фиг. 1) расположена рамка 3, являющаяся частью подвижной системы прибора. Обмотка рамки и катушка 4, питающая электромагнит, соединены последовательно. Взаимодействие между магнитным полем электромагнита и током в рамке создает вращающий момент (относительно оси А-А-фиг. 2), действующий на подвижную систему прибора; величина этого момента зависит от силы тока. Скоростной напор, создаваемый воздущным потоком по направлению стрелки на фиг. 1, действует на диск 5, зак. репленный внутри рамки 3. Вели чина вращающего момента, испытываемого подвижной системой вследствие этого аэродинамического воздействия, зависит от скорости воздушного потока. Моменты, создаваемые воздушным потоком и электромагнитными силами, направлены противополол но. При ПОМОШ.И реостата, включенного в цепь прибора, сила тока автоматически регутируется так, что при данной скорости дв-ижения электромагнитные силы уравновеши. зают действие воздушного потока и подвижная система занимает определенное положение равновесия. При увеличении скорости потока и, следовательно, при увеличении аэродинамического воздействия на .диск 5 в катушку и рамку прибора должна быть послана большая сила тока для удержания подвижной системы в том же положении равновесия. Вот эта то сила тока, измеренная достаточно точным миллиамперметром, включенным в ту ,же цепь, служит мерой скорости движения.

Предлагаемое устройство имеет следующую конструкцию. Электромагнит прибора состоит из цилиндрической катушки 4 и . двух железных цилиндров-внешнего 1 и внутреннего 2. которые скреплены (свинчены) коаксиально, В кольцевом зазоре между поверхяостями железных цилиндров иахо,дится упомянутая цилиндрическая Катушка 4, которая пере . свинчиванием этих цилиндров надевается на цилиндр 2 (катушка 4 имеет .1200 витков изолированного медного провода диаметром 0,4 мм). Стенки наружного цилиндра в .полюсной области на протяжении 12 мм утолш,ены (внутрь). Междуполюсное пространство представляет собой кольцевой воздушный промежуток, ширина которого в радиальном направлении равна 2 мм,а длина (в направлении образующей цилиндра) -12 мм. В этом кольцеобразном промежутке создается радиальное магнитное поле, в котором расаоложена подвижная цилиндрическая рамка 3. Каркас рамки 3 представляет собой легкий алюминиевый цилиндрик (с толщиной стенок 0,2 мм). На этот каркас намотано 60 витков изолированного медного провода (диаметром 0,270,28 мм). Рамка скреплена с легкой алюминиевой трубочкой 6 (наружный диаметр трубочки-2,5 мм), монтированной поворотно относительно оси А-А.

Взаимодействие электромагнитного поля с воздушным потоком выражается в следующем (фиг. 2). Концентрически (коаксиально) расположенные кольцеобразные магнитные полюсы обусловливают радиальный и симметричный характер поля. Цилиндрическая форма рамки и положение ее в этом поле (фиг. 1 и 2) обусловливают то, что направление тока во всех элементах рамки перпендикулярно линиям поля, а элементы обмотки (рамки) находятся в зоне с практически одинаковой плотностью магнитного потока. При работе прибора подвижная система колеблется в некоторых пределах, ко эти отклонения рамки в ту или другую сторону от положения равновесия не превышают 1-1,5 мм, а в этих пределах плотность магнитного потока практически одинакова. Магнитное поле не вращает рамку (которая получает импульс к поступательному перемещению, согласно правилу левой руки), а выталкивает или втягивает ее, в зависимости от направления тока и, таким образом, создает вращающий момент, действующий на подвижную систему относительно оси А-А Благодаря такой конструкции прибора, почти вся обмотка рамки, находясь по всей своей длине в поле с одинаковой плотностью потока,является активной. Вырез в конце наружного железного цилиндра нужен для введения (при сборке) и колебаний алюминиевой трубки 6.

В том же цилиндре -диаметрально противоположно с первь м вырезом-сделан такой же второй вырез, прежде всего, для сохранения симметрии поля, благодаря чему равнодействующая сил, действующих на все элементы рамки, будет приложена в центре рамки. Кроме того вследствие некоторого уменьшения площади действующего сечения воздушного промежутка, получается более выгодное соотношение между площадью поперечного сечения воздушной части магнитной цепи и площадью поперечного сечения железа (при той же индукции в воздушном промежутке получается менее высокая индукция в железе). Один конец обмотки рамки проходит (изолированно) внутри алюминиевой трубки 6 (фиг. 1) и выходит через боковое отверстие В в этой трубке на очень небольшом расстоянии от оси качаний А-А. Второй конец обмотки припаян к латунной пластинке 7, скрепленной с алюминиевой трубкой 6. Ток к рамке подводится посредством серебряных „безмоментных ленточек 8 и 9. Токоподводящая ленточка 8 соединяет первый конец обмотки с изолированным (посредством пертинаксовой втулки) штифтом 10, амонтированным в стенке корпуса прибора. Токоподводящая ленточка 9 припаяна одним концом к осевой латунной втулке 11, а другим концом-к латунной шпильке 12, ввинченной (или заклепанной) в корпус прибора, и соединяет (электрически) с этой шпилькой подвижную трубку 6 и вместе с этим один из концов подвижной рамки.

Так как токоподводящие ленточки .соединены с подвижной системой почти у самой оси качаний, где амплитуда колебаний очень мала (0,1-0,2 мм), то эти „безмоментные ленточки практически не оказывают никакого противодействия колебаниям подвижной системы.

Один из концов (начало) неподвижной обмотки-катушки 4-припаян к тому же изолированному штифту 20, к которому подключен один из концов рамки. Таким образом неподвижная катушка и подвижная рамка соединены последовательно. Ко второму концу катушки 4 и к шпильке 12 подведены (припаяны) гибкие изолированные проводники 13 и 14, посредством которых катушка и рамка включаются в цепь источника тока. Внутри рамки 3 закреплен тонкий алюминиевый диск 5 таким

образом, что плоскость диска параллельна виткам рамки и центр диска совпадает с центром рамки. В собранном приборе дись: 5 расположен внутри внутреннего железн-)го цилинлра 2 так, что между диском и внутренней поверхностью цилиндра остается зязор одинаковой ширины в 0,5 мм. ВоздyDJный iiOTOK, проникая п иeмнyю трубку 15 и далее-через трубчатый сердечник 2, действует на диск 5 и создает врашнющий момент, действующий на подвижную систему в направлении, пр )тивоположном действию электромагнитной силы. При этом аэродинамическая сила и электромагнитн. я сила противоположно направлены и действуют в одноГг точке (в центре диска), а, следовательно, никакой нагрузки на ось качания не производят. Подвижная система монтирована на кернах и подпятниках. Ось 16 подвижной системы стальная и имеет тонко отполированные керны. Опорные винты 17 изготовлены из латуни, подпятники сделаны из твердого камня (сапфира или агата). Радиусы закруглений кернов и дна кратеров опорных камней подобраны в соответствии с весом подвижной системы и условиями работы прибора. Монтаж на кернах позволяет получить очень незначительное трение, тем более, что ось прибора вертикальна. Допускается также вместо установки на кернах применять установку на цапфах. Подвижная система сбалансирована; она Сконструирована и рассчитана так, что ее центр тяжести совпадает с осью качаний. Это необходимо для того, чтобы не только при вертикальном, но и при всяком ином положении оси качаний сила тяжести не соз гавала вращающего момента и не оказывала влияния на показиния прибора. Сбалансированность подвижной системы важна еще и потому, что уравнонешенную систему внешние сотрясения и колебания не так легко могут привести в интенсивное колебательное движение относительно корпуса прибора.

Латунные мягко пружинящие пластинки 19а и 19Ь и вмонтированные в стенках корпуса прибора изолированные (в пертинаксовых втулках) контактные винты 20а и 20Ь представляют собой контактное устройство, необходимое для автоматического регулирования силы тока, протекающего через рамку и неподвижную катушку прибора. В соответствующих местах напаяны серебряные (или платиновые) контакты. Зазоры между контактными пластинками и винтами можно регзлировать путем ввинчивания последних. При равновесном полол ении подвижной системы величина этих зазоров-порядка 0,3- 0,5 мм. От контактов 20а и 20Ь выведены изолированные мягкие проводники 21 а и 21Ь, которые подключаются к автоматическому регулятору силы тока. Что касается контактных пластинок 19а и 19Ь, то они оказываются включенными Б цепь реле регулятора благодаря тому, что соединены с трубкой 6 и, следовательно, с проводником 14.

Когда моменты, создаваемые аэродинамическими и электромагнитными силами по величине равны между собой, подвижная система занимает положение равновесия (плоскость диска 5 перпендикулярна оси сердечника 2) и показание миллиамперметра, включенного в цепь прибора, соответствует данной скорости движения самолета или скорости движения воздуха в аэродинамической трубе. Если скорость движения увеличивается или уменьшается, то от изменения аэродинамического воздействия на диск 5 подвижная система отклоняется в ту или другую сторону, замыкая при этом один из контактов (20а или 20Ь) и, приведя, таким образом, в действие автоматический регулятор силы тока, благодаря чему сила тока изменяется до величины, достаточной только для уравновешивания нового аэродинамического момента.

Включенный в цепь прибора миллиамперметр градуирован на м/сек. или км/час и его показания непосредственно дают величину скорости движения. Корпус прибора составляют наружный железный цилиндр и привинченная к нег.у коробка 22 прямоугольного сечения, изготовленная из дюралюминия (толщина стенок 1 мм). OAISH из стенок 23 корпусной коробг-с приставная. Вырез в наружной части цилиндра 1 в собранном приборе закрыт тонкой дюрялюмкниевой пластинкой. Опорные .винты 17 монтированы в -латунных или дюралюминиевых пластинках 24а и 24Ь, которые привинчены к стеикам корпуса. Отверстия в стенках. через которые проходят винтики для крепления пластинок 24а и 24Ь, имеют , элиптическую форму, что дает возможность при сборке прибора точно отрегулировать положение подвижной системы.

Пластинка 24Ь вместе с опорным винтом крепится (в виде мостика) при снятой стенке 23. Таким образом установку подвижной системы, регулирование ее положения и вообще весь монтаж внутри прибора очень удобно делать, благодаря тому, что прибор во время этой работы совершенно открыт. Все четыре проводника 13,

14,21а и 21Ь проходят внутри корпусной коробки и перед выходом из последней сплетены в один шнур. Посредством этого четырехпроводникового шнура, толщина которого 1,5-2 мм, осуществляется соединение прибора (приемника) с источникрм тока, миллиамперметром и автоматом. Когда прибор отрегулирован, привинчивают стенку 23 и, надевают алюминиевую крышку 25, пропустив предварительно через отверстие в последней упомянутый вь1ше четырехпроводниковый шнур.

Предлагаемое устройство предназначено для измерения относительной скорости движения самолета. Весь прибор (приемник) укрепляется в горизонтальном положении внутри крыла самолета таким образом, что снаружи остается только часть приемной трубки

15.Наружная часть приемной трубки расположена параллельно направлению воздушного потока. Чтобы исключить возможность глубокого проникания дождевых канель в приемную трубку, последняя имеет плавный изгиб (в вертикальнон плоскости). С этой же целью можно внутри канала приемной трубки вделать тонкую металлическую сетку. Наружную часть приемной трубки легко отеплить посредством спирали, питаемой от от общего источника тока. Так как из крыла выступает только часть тонкой трубки, расположенная, к тому же, параллельно воздушному потоку, то сопротивление движению практически ничтожно.

Упомянутый выше четырехпроводниковый электрический шнур включен в резиновую трубочку и проведен внутри крыла от приемника к аккумулятору и миллиамперметру. Последний представляет собой магнитоэлектрический прибор с равномерной круговой шкалой на - 300°, градуированный на м/сек или км/час, имеющий форму и размеры, принятые для авиаприборов, и монтированный на том же щите, что и прочие авиационные приборы.

На фиг. 5 дана схема автоматического приспособления для регулирования силы тока. Маленький электромотор М (мощностью в несколько ватт) посредством червячной передачи А может вращать круговой реостат R в том или другом направлении, в зависимости от направления тока в обмотке якоря или магнитов электромотора. Ползунок В остается неподвижным. Две металлические пружинящие пластинки С и С, смонтированы (изолированно) на колонке и скреплены (также изолированно) с железной пластинкой Е, которая может перемещаться в зазоре между двумя маленькими электромагнитами S и Sj. Концы пластинок G и Cj, с серебряными (или платиновыми) напайками расположены между двумя парами контактов F и Fj. Контакты F и FJ соединены между собою так, как в обыкновенном лабораторном коммутаторе;катим контактам подключен якорь электромотора М. Один из концов обмотки магнитов электромотора соединен с пластинкой С; другой конец обмотки магнитов электромотора и пластинка С, подключены к полюсам аккумулятора. Из схел1ы видно, что ток течет через электромотор только тогда, когда один из электромагнитов (S или Sj) притягивает железную пластинку Е, прижимая таким образом пластинки С и Cj к той ;лп друго паре контактов (F или F), причем нпп -авление тока в обмотке мпгиьтоп мотора всегда одно и то же, в ; лг равление тока в якоре и, следовательно, направление вращения реостата 1 зависит от того, какой именно электромагнит притягивает пластинку Е. К одному из полюсов аккумулятора подведено по одному концу обмотки каждого ив электромагнитов S и Sj; другие концы обмотки этих электромагнитов соединяются (посредством проводников 21 а и 21Ь) с изолированными контактами 20аН 20Ьферродинамического прибора (фиг. 1). Реостат R и миллиамперметр включены последовательно в цепь обмотки последнего.

Устройство работает следующим образом: когда сила тока (питающего катущку и рамку анемометра) уравновешивает аэродинамическое воздействие, подвижная система анемометра (приемника) занимает положение равновесия; поэтому через электромагниты автомата ток не идет и реостат остается неподвижным. При силе тока большей или меньшей, чем это нужно для уравновещивания аэродинамических сил (дейстующих на подвижную систему „приемника), и. следовательно, замыкании в приемнике соответствующего контакта, электрический ток потечет через соответствующий электромагнит (S или Sj). Тогда реостат повернется на некоторый угол в том или другом направлении и изменит, таким образом, силу тока до величины, достаточной только для уравновешивания действующих на приемный диск аэродинамических

сил/Таким образом прибор сам устанавливается, приведя стрелку миллиамперметра (градуированного на единицы скорости) к делению, соответствующему данной скорости движения. Проводники 13, 14, 21а и21Ь, как это видно из фиг. 1, выведены из приемника. Приемник и автоматическое приспособление можно питать от одного аккумулятора (напряжение- 6 в; максимальная потребляемая мощность 8-10 ватт).

Перед известными измерителями скорости самолета(например, трубка Пито) описываемый ферродинамический прибор имеет ряд преимуществ, из которых наиболее важные следующие. Прибор имеет равномерную шкалу, в силу самого принципа измерения, между тем, как вследствие квадратичной зависимости между давлением и скоростью, измеритель скорости с трубкой Пито имеет неравномерную шкалу; последняя в начальной части сжата тем более, чем на большие скорости рассчитан измеритель. Если, например, обычный измеритель скорости рассчитан на скорость до 400-500 км/час, то при средних скоростях он мало чувствителен, а определить скорость порядка посадочной почти невозможно. Что же касается разных выравнивающих шкалу механизмов, то они не вполне достигают цели и сопряжены с дополнительным трением, вредно отражающимся на чувствительности и точности прибора.

Вторым весьма важным преимуществом предлагаемого прибора является полное отсутствие воздушных трубопроводов, неизбежных при трубке Пито и являющихся, обычно, источником ошибок, вследствие недостаточной герметичности. Это же обстоятельство позволяет расположить описываемый приемник на любом расстоянии от фюзеляжа в месте, где поток наименее возмущен. Устройство обладает большой точностью и имеет хорошую защиту от атмосферных осадков.

Описываемый ферродинамический измеритель скорости может быть также с успехом применен в аэродинамических лабораториях и вообще для аэрометрических работ. При помощи его можно с большой точностью измерять скорость воздушного потока в аэродинамических трубах. В аэродинамической трубе прибор монтируется так, что в воздушный поток введена только часть приемном трубки, весь же прибор находится вне трубы. Ясно, что приемная трубка прибора будет меньше возмущать поток, чем трубка Пито с державкой.

Если прибор предназначен для измерения малых скоростей, то некоторым увеличением диаметра диска 5 можно достичь значительного увеличения вращающего момента прибора. Например, если вместо диска с диаметром 6 мм установить диск, диаметр которого равен 8 м, то вращающий момент прибора возрастет, примерно, в 2 раза.

Измерителем силы тока при этих условиях работы может обыкновенный магнитоэлектрический, достаточно точный, миллиамперметр лабораторного типа с зеркальной шкалой. Целесообразно взять подобный миллиамперметр, имеющий несколько пределов измерений; соответствующий магнитоэлектрический прибор на три предела измерений легко подобрать.

Предмет изобретения

1. Устройство для измерения относительной скорости самолетов, основанное на компенсации давления воздушного потока силой, создаваемой электрическим током, автоматически регулируемым при нарушениях равновесия электродвигателем, отличающееся тем, что диск, подвергающийся воздействию воздушной струи, и катушка с током, уравновешивающая давление воздушной струи, расположены коаксиально и в одной плоскости, с той целью, чтобы равнодействующие сил, действующих на диск и катушку, были

приложены в одной точке подвижной части и не увеличивали трения в подпятниках.

2. В устройстве по п. 1 примение и качестве элемента, создающего компенсирующую силу, ферФиг, 1

родинамического прибора с последовательным соединением подвижной и неподвижной обмоток, с той целью, чтобы сила тока в нем была прямо пропорциональна скорости самолета.

Фиг. 2

щ4шг1

я i «.V

-Smil иэ 11 -iT/

i i: JU

v aji-i s - ц;у7л,

|Г- -if-js .:.гз....эг r:. t

pi ijbaj

Фиг. 3

ыи