Измеритель скорости и направления газового потока
Использование: в измерительной технике для измерения составляющих вектора воздушной скорости, углов атаки и скольжения летательного аппарата скорости и направления ветра на метеостанциях, морских судах и т.д. Сущность изобретения: измеритель содержит электродвигатель, на валу которого с помощью упругого подвеса закреплена симметричная штанга с двумя аэродинамическими поверхностями на концах. Штанга снабжена датчиком для измерения и преобразования величин параметров ее угловых движений. Конструкция измерителя приводит к повышению точности измерения скорости и направления потока. 2 з. п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения составляющих вектора воздушной скорости, углов атаки и скольжения летательных аппаратов, скорости и направления ветра на метеостанциях и морских судах, скорости и направления газового потока в промышленных установках и т.д.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является измеритель скорости и направления газового потока, содержащий электропривод постоянной скорости вращения, на валу которого установлен генератор опорных напряжений (ГОН) и с помощью торсионного подвеса установлена симметричная штанга. При этом симметричная штанга снабжена датчиком для преобразования ее угловых колебаний в электрический сигнал, который посредством электронной системы преобразуется в ортогональные составляющие. Кроме того, на концах симметричной штанги закреплены две лопатки, которые помещены в двух рабочих камерах, жестко связанных с валом электропривода. Каждая рабочая камера имеет по две приемные щели и разделена помещенной в нее лопаткой на две полости. Каждая полость в боковой стенке имеет одну приемную щель. Приемные щели строго ориентированы по направлению векторов касательных линейных скоростей рабочих камер, создаваемых в результате вращения камер вокруг оси вала электропривода. Одна приемная щель камеры сориентирована по направлению вектора скорости, а другая против направления. Это приводит к тому, что в одной полости камеры создается высокое давление, а в другой низкое. Разность давлений в полостях вызывает перемещение лопаток внутри камер и угловое отклонение симметричной штанги относительно оси ее подвеса. Для обеспечения свободного движения концов штанги относительно стенок рабочих камер в стенках камер выполнены специальные вырезы, размеры которых определяются длиной плеч штанги и величинами максимальных углов ее отклонения. Недостатком известного измерителя является относительно низкая точность измерения скорости и направления газового потока. Основными причинами указанного недостатка являются большие величины погрешностей, возникающих в результате: перетекания газа в рабочих камерах из полостей с высоким давлением в полости с низким давлением через зазоры между кромками лопаток и внутренними стенками камер; утечки газа из рабочих камер через вырезы, выполненные в стенках камер для концов симметричной штанги; искажения (возмущения) газового потока за рабочими камерами. Кроме того, точность измерения скорости и направления газового потока у известного измерителя резко снижается при наличии в газовом потоке пыли, твердых частиц, капель жидкости и т.д. Под действием центробежных сил пыль, твердые частицы и капли жидкости отбрасываются на внутренние поверхности стенок рабочих камер. В результате происходит частичное или полное заклинивание лопаток внутренних камер. При частичном заклинивании лопаток резко снижается точность, а при полном происходит отказ. Следовательно, известный измеритель имеет не только относительно низкую точность, но и относительно низкую надежность. Сложность конструкции рабочих камер и их крепления на валу электропривода значительно усложняет всю конструкцию измерителя. Так как камеры имеют большое лобовое сопротивление, то для их вращения требуется мощный электропривод. Технический результат изобретения повышение точности измерения скорости и направления газового потока, повышение надежности и упрощение конструкции измерителя. Указанный технический результат достигается тем, что в измерителе, содержащем установленный на оси вращения, связанный с приводом подвижный чувствительный элемент, выполненный в виде симметричной двуплечей штанги, установленной с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной оси вращения, и датчик съема сигнала, на концах двуплечей штанги на равных расстояниях от оси вращения закреплены идентичные аэродинамические поверхности, хорды которых установлены под одинаковыми углами к плоскости, проходящей через ось симметрии штанги и ось ее поворота. Для измерения скоростей от нуля до окружной скорости хорды аэродинамических поверхностей образуют равные, но противоположные по знаку углы с плоскостью, проходящей через ось симметрии штанги и ось ее поворота. Для измерения скоростей от окружной скорости и выше хорды аэродинамических поверхностей образуют равные углы одного знака с плоскостью, проходящей через ось симметрии штанги и ось ее поворота. На фиг. 1 представлен предлагаемый измеритель; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 схема электронной системы преобразования электрических сигналов; на фиг. 5-9 принцип действия измерителя. Предлагаемый измеритель состоит из электропривода 1, симметричной штанги 2, датчика 3 для преобразования угловых колебаний штанги в электрический сигнал и генератора 4 опорных напряжений. На концах симметричной штанги жестко закреплены идентичные аэродинамические поверхности АП1 и АП2, выполненные в форме круглых пластин. Плечи симметричной штанги жестко связаны между собой кольцом 5. Штанга 2 с помощью торсионного подвеса закреплена на валу 6 электропривода 1. Торсионный подвес состоит из кольца 5, торсионов 7 и втулки 8. Втулка 8 жестко закреплена на валу 6. Концы торсионов 7 также жестко закреплены соответственно в кольце 5 и втулке 8. Оси торсионов располагаются на одной линии, перпендикулярной оси вала электропривода. Датчик для преобразования угловых колебаний штанги в электрический сигнал содержит катушку 9, пакет 10 набранного железа и постоянный магнит 11. Катушка 9 выполнена в форме цилиндра и жестко закреплена на корпусе электропривода 1. Ось намотки катушки 9 совпадает с осью вала 6. Пакет 10 набран из круглых пластин и с помощью втулки 12 жестко закреплен на валу 6 электропривода 1. Постоянный магнит 11 выполнен в форме кольца с двумя диаметрально расположенными зубцами 13, являющимися полюсами магнита. Магнит 11 жестко закреплен на кольце 5. Магнитный поток, создаваемый магнитом 11, замыкается через зубцы 13 и пакет 10. Генератор 4 опорных напряжений содержит статор 14 и ротор 15. Статор 14 с размещенными на его зубцах сигнальными обмотками 16, закреплен в корпусе электропривода 1. Ротор 15 представляет собой постоянный магнит и жестко закреплен на валу 6 электропpивода 1. В качестве электропpивода использован синхронный электродвигатель. Выводы катушки 9 (см.фиг.4) через усилитель 16 соединены с входами двух фазовых дискриминаторов 17 и 18, на которые одновременно с генератора 4 опорных напряжений подаются опорные напряжения, сдвинутые по фазе на 90о. Выходные сигналы V1 и V2 снимаются с выхода фазовых дискриминаторов через сглаживающие фильтры 19 и 20. Измеритель может выполняться в двух вариантах, которые в конструктивном плане отличаются только направлением углов установки аэродинамических поверхностей АП1 и АП2 на концах симметричной штанги 2. В первом варианте аэродинамические поверхности АП1 и АП2 закреплены на концах штанги 2 таким образом, что с плоскостью ее вращения образуют равные по величине и противоположные по знаку углы o (см.фиг.5-7). Во втором варианте аэродинамические поверхности АП1 и АП2 закреплены на концах штанги 2 таким образом, что с плоскостью ее вращения образуют равные по величине и одинаковые по знаку углы o (см.фиг.5,8 и 9). Первый вариант предназначен для измерения скоростей газового потока V, величины которых не превышают величину линейной окружности скорости Vоаэродинамических поверхностей, а второй превышающих Vo: Vo l,( const), где частота вращения вала электропривода 1; l длина плеча симметричной штанги 2. Измеритель работает следующим образом. При вращении симметричной штанги 2 электродвигателем 1 и при наличии газового потока, вектор скорости V которого перпендикулярен оси вала 6 электродвигателя, на аэродинамические поверхности действуют силы, равные (см.фиг.5,6-9): F1= CуS F2= CуS где F1 и F2 силы, действующие на аэродинамические поверхности соответственно АП1 и АП2 вдоль оси Оу; Су, S и o соответственно аэродинамический коэффициент, площадь и установочный угол (угол атаки) аэродинамических поверхностей АП1 и АП2; плотность газа; V1 и V2 локальные линейные скорости движения аэродинамических поверхностей соответственно АП1 и АП2 в газе; V1 Vx + Vo, V2 Vx Vo, Vx проекция вектора скорости газового потока на ось Ох; Vx V cos(t-)=Vcost++ Vsin t;
V и V проекция вектора скорости газового потока на оси соответственно O и O
Оxyz система координат, жестко связанная с симметричной штангой 2;
O система координат, жестко связанная с корпусом электропривода 1. Оси прямоугольных систем координат Оxyz и O имеют следующие направления. Ось Ох совпадает с осью торсионов 7, Оz с осью симметричной штанги 2. Ось O совпадает с осью вала 6 электропривода 1. Оси O и O перпендикулярны оси вала 6 и образуют плоскость, в которой расположен вектор скорости V. Силы F1 и F2 создают суммарный момент Мх, действующий на штангу 2 относительно оси Ох. Данный момент равен
Мх F1 l F2 l 2CyS o VoVx. Так как штанги вращается, то величина Vx является гармоническим сигналом, модулированным на частоте . Следовательно, момент Мх также является гармоническим сигналом и вызывает гармонические угловые движения штанги 2 относительно оси Ох, амплитуда которых пропорциональна величине V, а фаза определяет угол . Угол отклонения штанги 2 на фиг.5 обозначен символом . В результате указанных гармонических угловых движений штанги 2 и жестко связанного с ней магнита 11 в катушке наводится гармоническая ЭДС, амплитуда которой пропорциональна модулю скорости газового потока V, а фаза определяет векторную направленность газового потока . Снимаемый с выводов катушки 9 сигнал Uс усиливается усилителем 16 и подается на фазовые дискриминаторы 17 и 18. На фазовые дискриминаторы также подаются опорные напряжения, генерируемые генератором опорных напряжений 4 на частоте . Опорные напряжения U01 и U02, отдельно подаваемые на дискриминаторы 17 и 18 соответственно, отличаются друг от друга только фазовым сдвигом, равным 180о. С выходов фазовых дискриминаторов снимаются сигналы, имеющие постоянные и гармонические (на частоте 2 ) составляющие. Гармонические составляющие отфильтровываются фильтрами 19 и 20, установленными на выходах дискриминаторов. С выходов фильтров 19 и 20 снимаются напряжения U1 и U2, величины которых пропорциональны постоянным составляющим. При этом величина U1 пропорциональна величине V, а U2 величине V. Знаки напряжений U1 и U2 соответствуют направлениям проекций V и V. Величины V и определяются из выражений
V= u=,
arctg arctg
Как показали результаты теоретических расчетов и проведенных экспериментов с макетными образцами, предлагаемый измеритель скорости и направления газового потока, по сравнению с прототипом, обладает как минимум в 3-5 раз лучшей точностью. В основном это достигнуто тем, что у предлагаемого измерителя в 10 раз лучше чувствительность и отсутствуют погрешности измерений, которые обусловлены наличием у прототипа рабочих камер и особенностями их конструкций. Чувствительность предлагаемого измерителя в первом варианте практически составляет порядка 0,1 м/с. Теоретически она может составлять 0,01-0,1 м/с. Более простая и более технологичная конструкция предлагаемого измерителя также является значительным фактором, обусловливающим повышение точности.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9