Приемник давлений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов относительно текучих сред. Устройство содержит головную и цилиндрическую части. Головная часть выполнена в виде части сфероида, имеющего центральное и периферийные приемные отверстия. Последние расположены непосредственно перед линией сопряжения головной и цилиндрической частей. Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника давлений к углам скоса потока и к величине скоростного потока, а также в повышении точности измерений, особенно при малых скоростях. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов и т.п. относительно текучих сред.

Известен цилиндрический приемник давлений, предназначенный для измерения величины и направления скорости двухмерных газовых потоков при числах Маха М<0.6 [1]. Приемник выполнен в виде цилиндрической трубки, на поверхности которой в плоскости поперечного сечения расположены приемные отверстия: центральное - для измерения полного давления и два периферийных для измерения давлений, используемых для определения угла скоса потока. Приемник обладает наибольшей (из известных приемников) чувствительностью к величине скоростного напора (измерение скорости) и к углу скоса потока (измерение направления скорости), что связано с наибольшим перепадом давлений, возникающим между центральным и периферийными приемными отверстиями.

Недостатком приемника является то, что он может быть использован для измерений только в плоских потоках жидкости или газа.

Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности приемников давлений к углам скоса потока и к величине скоростного напора, а также в повышении точности измерения давлений в потоке жидкости или газа.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что при использовании цилиндрического приемника в пространственных потоках возникают методические погрешности измерений величины и направления скорости, связанные с влиянием на измерения трехмерного характера обтекания приемника.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является шестиствольный насадок ЦАГИ, представляющий собой цилиндрическую трубку с головной частью полусферической формы [2] - прототип, предназначенный для измерения величины и направления скорости пространственных потоков газа, а также для измерения статического давления в потоке. На головной части приемника расположены приемные отверстия, одно из которых - центральное служит для измерения полного давления, а периферийные, расположенные попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, предназначены для измерения давлений, используемых для определения углов скоса потока. На цилиндрической части приемника расположены приемные отверстия для измерения статического давления.

Недостатком приемника, как и всех известных приемников давлений пространственного потока, является его низкая чувствительность к углам скоса и величине скоростного напора, проявляющаяся при измерениях в потоках малых дозвуковых скоростей (числа Маха М<0.3), увеличение погрешностей измерения давлений. Недостаточная чувствительность к измеряемым параметрам связана с небольшими перепадами давлений, возникающими на поверхности приемника при малых дозвуковых скоростях.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в отсутствии теоретических методов синтеза приемников давлений, позволяющих получать у них требуемые метрологические характеристики за счет обеспечения заданной чувствительности.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза оптимальной, с точки зрения чувствительности к измеряемым параметрам и точности измерения давлений, поверхности приемников давлений, используемых в дозвуковых потоках газа и в потоках несжимаемой жидкости.

Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника к углам скоса потока и величине скоростного напора, а также в повышении точности измерения давлений в потоке жидкости или газа за счет увеличения перепадов давлений, действующих на поверхности приемника.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике давлений, представляющем собой тело вращения, имеющее головную часть и цилиндрическую части, при этом на поверхности головной части расположены центральное приемное отверстие и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости потока жидкости или газа, а на поверхности цилиндрической части расположены приемные отверстия для измерения статического давления, головная часть приемника имеет форму части сфероида, меньшая полуось которого совмещена с осью симметрии тела вращения, а периферийные приемные отверстия расположены перед линией сопряжения головной части с цилиндрической частью приемника.

На фиг.1 изображен общий вид приемника давлений.

На фиг.2 приведены графики распределения газодинамических параметров по поверхности шестиствольного насадка ЦАГИ (прототип).

На фиг.3 приведены графики распределения газодинамических параметров по поверхности заявляемого приемника давлений.

На фиг.4 приведены угловые характеристики прототипа и заявляемого устройства.

На фиг.1 изображен заявляемый приемник давлений, представляющий собой тело вращения, образующая которого представлена кривой 1, с головной частью 2, имеющей форму части сфероида, на которой попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях перед линией сопряжения 3 головной части с цилиндрической частью приемника размещены приемные отверстия 4-7, предназначенные для измерения углов скоса потока и величины скорости, на головной части приемника находится центральное отверстие 8 для измерения полного давления, на цилиндрической части для измерения статического давления расположены приемные отверстия 9.

На фиг.2 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей Vτ скорости жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник имеет форму шестиствольного насадка ЦАГИ с безразмерным значением радиуса образующей (L - длина приемника давлений). График 3 соответствует распределению коэффициента чувствительности приемника к углу скоса α в зависимости от значения безразмерной продольной координаты График 4 показывает распределение коэффициента давления С_р по поверхности приемника.

На фиг.3 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей скорости Vτ жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник представляет собой тело вращения, имеющее головную и цилиндрическую части, причем головная часть имеет форму части сфероида. График 3 соответствует распределению коэффициента чувствительности S приемника к углу скоса потока в зависимости от продольной координаты . График 4 соответствует распределению коэффициента давления С_р по поверхности приемника.

На фиг.4 для числа Маха М=0,2 приведены угловые характеристики шестиствольного насадка ЦАГИ - график 2 и заявляемого приемника давлений, изображенного на фиг.1, - график 1. Здесь Р_i, Р_j - давления в двух приемных отверстиях, расположенных на головной части приемников симметрично относительно продольной оси, - скоростной напор в невозмущенном потоке; υ∞ - скорость невозмущенного потока.

Графики на фиг.2, 3 получены с помощью выполненного на ЭВМ численного расчета обтекания приемников давлений потоком несжимаемой жидкости [3]. В случае обтекания тел потоком газа полученные результаты могут быть использованы вплоть до чисел Маха М=0,4, когда сжимаемостью газа еще можно пренебречь.

Приемник давлений работает следующим образом. Допустим, что обтекание приемника продольное и определяется величина скорости пространственного потока. Обычно для нахождения величины скорости используют следующую зависимость (см. [1], с.123), носящую название скоростной характеристики:

где индексы у давлений Р соответствуют номерам приемных отверстий заявляемого устройства (фиг.1). Здесь вместо отверстия 7 могут быть использованы отверстия 4, 5 или 6.

Рассмотрим два приемника давлений: шестиствольный насадок ЦАГИ и приемник, полностью ему идентичный, за исключением того, что головная часть приемника имеет форму части сфероида (сжатой сферы). Тогда, как это следует из фиг.3, при обтекании приемника потоком жидкости или газа в области носовой части там, где находятся периферийные приемные отверстия, происходит дополнительный по сравнению с прототипом (фиг.2) разгон потока, что иллюстрируется графиком 1 для величины безразмерной тангенциальной составляющей скорости жидкости Vτ, которая возрастает и достигает в точках расположения приемных отверстий 4-7 своего максимального значения. Увеличение Vτ в соответствии с уравнением Бернулли сопровождается уменьшением давлений, действующих в приемных отверстиях (см. график 4 на фиг.3 и график 4 на фиг.2), что приводит к увеличению разности (перепада) давлений между центральным приемным отверстием 8 и периферийными 4-7. Этот эффект вызывает увеличение коэффициента чувствительности (для линейной скоростной характеристики) заявляемого приемника к величине скоростного напора. Нетрудно видеть, что при увеличении разности давлений между центральным и периферийными приемными отверстиями чувствительность приемника к величине скоростного напора будет возрастать.

Увеличение точности измерений с помощью заявляемого приемника происходит из-за уменьшения величины относительной погрешности измерения давлений. Относительную погрешность можно найти из выражения где Р* - измеренное приближенное значение разности давлений, откуда непосредственно следует, что при использовании метрологически идентичных датчиков, имеющих одинаковую абсолютную погрешность измерений Δ(P*), точность измерения давлений у заявляемого приемника будет выше, т.к. достигнутое значение перепада давлений P*=P₈-P₇ для него больше, чем для прототипа.

Рассмотрим измерение направления потока газа с помощью заявляемого приемника давлений. Обычно для измерения направления пространственного потока используют четыре приемных отверстия, расположенных попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, формируя разности давлений отдельно между двумя приемными отверстиями, расположенными симметрично относительно продольной оси приемника. Для получения угловых характеристик, не зависящих от числа Маха, дополнительно используют давление, измеренное в центральном приемном отверстии. В общем случае угловая характеристика (без использования центрального приемного отверстия) может быть представлена в виде , а выражение для коэффициента угловой чувствительности -

На фиг.4 представлены угловые характеристики прототипа - график 2 и заявляемого приемника - график 1, полученные для числа Маха М=0,2. При этом отношение большей полуоси сфероида к меньшей равно четырем, что приводит к увеличению коэффициента угловой чувствительности почти в 3 раза (см. график 3 на фиг.3 и график 3 на фиг.2). Дополнительное увеличение отношения большей полуоси сфероида к меньшей будет приводить к дальнейшему увеличению коэффициента угловой чувствительности.

При одном и том же значении угла скоса потока у заявляемого устройства величина разности давлений Р_i-P_j больше, чем у прототипа, что по аналогии с измерением скорости приводит к более высокой чувствительности приемника к углам скоса потока (см. фиг.4, чувствительность к углу скоса - тангенс угла наклона касательной к угловой характеристике) и вследствие этого к более высокой точности измерения соответствующих давлений за счет уменьшения величины относительной погрешности.

Повышение чувствительности приемников давлений к углам скоса потока за счет более быстрого увеличения радиуса образующей головной части известно [4]. Но достигаемое за счет этого увеличение коэффициента угловой чувствительности значительно меньше, чем для заявляемого приемника, у которого при увеличении отношения большей полуоси сфероида к меньшей наблюдается увеличение кривизны образующей. В месте наибольшей кривизны образующей и следует размещать приемные отверстия, т.к. именно в данном месте коэффициенты чувствительности приемника максимальны, максимальна и точность измерения давлений. При изменении отношения полуосей сфероида координаты точки с максимальной кривизной образующей будут изменяться, но расположена данная точка будет всегда перед линией сопряжения головной части с цилиндрической частью приемника.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давлений и скоростного напора). М:. Машиностроение. 1972. С.88.

2. Бедржицкий Е.Л., Егоршев А.В. и др. Аэродинамические и прочностные испытания самолетов. М:. Машиностроение. 1992. С.159.

3. Маслов Л.А., Левшина З.Г. Программа расчета распределения давлений и турбулентного пограничного слоя на теле вращения под углом атаки. Отчет ЦАГИ №9270. 1976.

4. Nordstrom J. Wind Tunnel Calibration of a Hemispherical Head Angle of Attack and Angle of Sideslip Indicator // FFA. TN. 1984-11.

Формула изобретения

Приемник давлений, представляющий собой тело вращения, имеющее головную и цилиндрическую части, при этом на поверхности головной части находятся центральное приемное отверстие и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых для определения направления и величины скорости потока жидкости или газа, а на поверхности цилиндрической части находятся приемные отверстия для измерения статического давления, отличающийся тем, что головная часть приемника имеет форму части сфероида, меньшая полуось которого совмещена с осью симметрии тела вращения, а периферийные приемные отверстия расположены перед линией сопряжения головной части с цилиндрической частью приемника.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4