Способ измерения составляющей вектора скорости потока газа или жидкости Советский патент 1981 года по МПК G01P5/06 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТЛВЛЯКЯЦВЙ ВЕКТОРА СКОРОСТИПОТОКА ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ

1

Изобретение относится к приборостроению и можез; быть использовано в метереологии, гидрологии, вентиляционной технике, в других областях народного хозяйства, а также для обслуживания спортивных соревнований.

Для измерения составляющей вектора скорости потока жидкости или газа преобразователем пропеллярного типа необходимо, чтобы последний имел точно косинусоидальную угловую характеристику (зависимость выходного сигнала от угла между направлением

измерительной оси измерительного пр.еобразователя и вектором скорости потока). У известных винтовых или пропеллярных измерительных преобразователей угловые характеристики имеют отличия от косинусоидальной формы. Поэтому при непосредственном их использовании для измерений составляющей вектора скорости потоков возникают существенные (до 10-20%) систематические погрешности.

Известен способ измерения составляющих вектора скорости ветра, при котором пропеллерный измерительный преобразователь при измерениях ориентируют по направлению ветра при помощи флюгера, на котором он установлен, а составляющие вектора ветра вычисляют, умножая сигнал от измерительного преобразователя на синус и косинус угла, измеренного флюгером. В этом случае форма угловой характеристики не имеет значения, так как измерительный преобразователь измеряет вседа полный вектор ветра 1.

10

Но этому способу присущи погрешности, возникающие при изменениях направления потока и обусловленные инерционностью и недостаточной чувствительностью всей системы, приводи15 МОЙ в движение лопастью флюгера. При этом неточно определяется направление потока, а неточная ориейтация пропеллера .приводит к занижению значений вектора скорости потока.

20

Наиболее близким к предлагаемому является .способ измерения составляющей вектора скорости преобразователями пропеллерного типа путем

25 измерения скоростей в нескольких направлениях, под различными углами к измеряемой составляющей вектора скорости и суммирования полученных результатов измерений с учетом весовых

30 коэффициентов 2. Недостатком этого способа является необходимость определения чувствительности всей системы в аэродинамической трубе, так как для повышения точности нужно.ввести поправки в величину чувствительности преобразователей, учитывающие их работу в ограниченной области углов. Способ не даёт возможности увеличения точно ти при увеличении количества отдельных измерений из-за наличия систематических погрешностей, обусловленных некосинусоидальностью диаграммы направленности преобразователей. Цель изобретения - повышение точйости измерений составляющей вектора скорости потока жидкости или газа за счет исключения систематических погрешностей, обусловленных некосину соидальностью диаграммы направленнос ти преобразователей. Поставленная цель достигается тем что в известном способе измерения составляющей вектора скорости потока газа или жидкости преобразователями Пропеллерного типа путем измерения скоростей в нескольких направлениях под различньлми углами к измеряемой составляющей вектора скорости и суммирования полученных результатов измерений с учетом- весовых коэффициентов, направления измерений выбирают симметричными относительно измеряемой составляющей вектора скорости и параллельно плоскости изменений направления вектора скорости, а углы и весовые коэффициенты определяют с учетом взаимной компенсаци наибольших нечетных гармоник угловы характеристик измерительных преобра вателей из системы уравнений И . Cg-t-0.II; 0,003 ( I 0.Co- i5i:CnCOsK:ict 0где К - номера компенсируемых нечетных гармоник; п - номер пары сик метричных относительно измеряемой составляющей вектора скорости потока измерений, производимых под уг лами cL к этой составляющей ; N - число пар измерений; Су1 - весовой коэффициент для результатов. п-Й пары измерений ; GO - весовой коэффициент для результата измерений при d- 0, Сущность предлагаемого способа заключается в том, что хотя угловая характеристика измepитeльнoгq преобразоват.еля составляющей вектора скорости потока имеет, отклонения от косинусоидального закона, она симметрична относительно направления измерения. Спектр разложения такой характеристики в ряд фурье содержит кроме первой гармоники только нечетные гармоники, сумма которых определяет отклонение реальной угловой характеристики от идеальной и величину погрешности при измерениях составляющей вектора скорости потока. Амплитуда гармоник в спектре разложения реальных измерительных преобразова.телей составляющей скорости потока быстро убывает с увеличением номера гармоники. Поэтому для уменьшения погрешности достаточно скомпенсировать низшие нечетные гармоники, начиная с третьей. Количество компенсируемых гармоник определяется требованиями к точности измерений. В общем случае величины углов и весовыхг коэффициентов могут быть на 1дены путем системы решений системы уравнений, .составленной с учетом следующих условий. Условие полной взаимной компенсации гармоники с номером К при N измерениях определяется выражением r:CnC.osX..d. , Условие сохранения средней чувствительности измерительного преобразователя для вычисленного результа.та совокупности из измерений 22 n л5cLf| Условие симметрии относительно направления измеряемой составляющей вектора скорости потока состоит в попарном равенстве углов и весовых коэффициентов. Предлагаемый способ измерений может быть использован непосредственно или в устройствах с одним измерительным преобразователем составляющей вектора скорости потомка, ориентируемым .поочередно под разными углами или одновременно несколькими идентичными измерительными преобразователями, установленными под этими углами. Поочередные измерения одним измерительным преобразователем предпочтительнее тогда, когда нельзя пренебречь пространственными неоднородностями потока, сравнимыми с расстояниями возможной установки нескольких измерительных преобразователей, но имеется возможность обеспечить неизменность-скорости потока в течение периода измерения. Такие условия могут иметь место в аэродинамических трубах, вентиляционных системах, гидрологических лотках, русловых моделях. Вариант с одновременными измерениями несколькими измерительными преобразователями применим в крупномасштабных нестационарных потоках без мелких турбулентностей, наприме при измерениях ветра на открытых площадках или течений в крупных водоемах . В предпочтительном варианте прои водятся три измерения по углам cLi dr 45 , ci3 о и алгебраиче ки суммируются с весовыми множителя V-1 -fT В этом.случае небольшом колипри относительно честве измерений обеспечивается взаимная компенсация гармоник с но 1ерами К 3, 5, 11, 13,. 19 и т.д. j6e3 изменения фазы и амплитуды других гармоник. Введение весовых коэффициентов , можно осуществлять соответствующим измерением интервалов времени, в течение которых производится подсчет оборотов винта. Так, например, если подсчет оборотов винта для определения составляющей скорости потока должен осуществляться в течение- 100 с, то при- варианте трех измерений производят одно измерение под углом-45° вправо от направления измеряемой составляющей в течение 100 X j| 35,36 с, затем под углом 45 влево в течение такого же време ни, после чего вдоль измеряемой сос тавляющей в течение 100 х -i 50 с складывают результаты измерений. Эффект от применения предлагаемо способа определяется повышением точ ности измерений. Если погрешность измерений составляющих скорости пото ка винтовыми датчиками составляют 10-20% от величины модуля вектора потока, то при применении предлагае мого способа npix трех измерениях удается уменьшить величину этой пог решности ;с(о долей процента. Формула изобретения Способ измерения составляющей ве тора скорости потока газа или жидкости преобразователями пропеллерного типа путем измерения скоростей в нескольких направлениях под различными углами к измеряемой составляющей вектора скорости и суммирования полученных результатов измерений с учетом весовых коэффициентов, отличающийся т,ем, что, с целью повышения точности измерений за счет исключения систематических погрешностей, обусловленных н«косйнусоидальностью диаграммы направленности преобразователей, направления измерений выбирают симметричными относительно измеряемой соста.вляющей вектора скорости и параллельно плоскости изменений направления вектора скорости, а углы и весовые коэффициенты определяют с учетом взаимной компенсации небол| ших нечетных гармоник угловых характеристик измерительных преобразователей из системы уравнений Г t Cg+lC tnCOSdn l I (ConelCnC05K t 0, . О-Л где К- - номера компенсируемых нечетных гармоник; п - номер пары сиг метричных относительно измеряемой составляющей вектора ско. ростй потока измерений, производимых под углами Лр к этой.составляющей; N - число пар измерений; С,, - весовой коэффициент для результатов п-Й пары измерений;Со - весовой коэффициент для результата измерений при .Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Протопопов Н.Г, Проектирование етроизмерительных приборов. Л., идрометеоиздат, 1976, с. 43. 2.Патент Франции № 2356946, л. G 01 Р 5/00, W 7/00, публик. 1978 (прототип).