Устройство для измерения скорости перемещающегося тела
Владельцы патента RU 2366960:
Ковалев Вячеслав Данилович (RU)
Бондарев Валерий Георгиевич (RU)
Копылов Геннадий Алексеевич (RU)
Ефанов Василий Васильевич (RU)
Изобретение относится к измерениям линейной скорости перемещающегося тела. Устройство содержит измерительный прибор, связанный с выходом датчика, выполненного в виде лазерного излучателя (6) и фотоприемника (7). В состав измерительного прибора входят усилитель-формирователь (8), логический элемент «И» (2), генератор импульсов образцовой частоты (1), двоичный счетчик (3), цифровое вычислительное устройство (4) и цифровое отсчетное устройство (5), а также блок управления (9) и метающее устройство, например пушка (10). Техническим результатом является возможность измерения мгновенной скорости, а не средней, перемещающегося тела в любой точке траектории его полета, упрощение конструкции и уменьшение габаритов. 1 ил.
Изобретение относится к измерению линейной скорости путем определения времени прохождения заданного расстояния, а именно времени пролета телом фиксированной точки.
Известно устройство измерения скорости перемещающегося тела, содержащее два разнесенных датчика в виде электрических контактов, замыкающих электрическую цепь. Эти контакты выполнены подвижными и установлены на гибких пластинах, на которые опираются установленные на границах базового расстояния упругие лепестки, которые, при воздействии перемещающегося тела, взаимодействуют с гибкими пластинами контактов и замыкают их, причем первая пара контактов при замыкании включает измерительный прибор, например частотомер, а вторая - его выключает [1].
Недостатком такого устройства является неточность измерения за счет наличия механических контактов.
Известно устройство для измерения скорости метаемого тела, содержащее два разнесенных датчика и два измерительных прибора, связанных с выходами датчиков. Каждый из датчиков выполнен в виде двух перпендикулярно расположенных линеек излучающих диодов и линеек фотоприемников. Все элементы устройства соединены между собой определенным образом. При этом блок логики состоит из матрицы элементов «И», матрицы триггеров и блока индикации [2].
Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является необходимость использования двух датчиков, разнесенных друг относительно друга, что требует достаточно протяженного пространства, например полигона, и не позволяет осуществлять измерение скорости в лабораторных условиях, например в тире, а также наличие двух измерительных приборов, что усложняет оборудование. Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа, основанное на следующем. Устройство по прототипу измеряет среднюю скорость на дистанции между двумя датчиками, а не мгновенную скорость в определенной точке траектории. На практике во всех справочниках приводится начальная скорость перемещения тела (снаряда, пули) (см. например [3] или [4]). А зная начальную скорость перемещающегося тела, нетрудно определить скорость движения этого тела через какой-либо промежуток времени. Кроме того, если датчик установить в определенную точку траектории движения тела, то можно измерить его скорость в этой точке.
Согласно второму закону Ньютона
m·а=F,
где m - масса тела;
а - ускорение его движения;
F - действующая сила.
В нашем случае после выстрела тело перемещается в воздухе, и уравнение его движения имеет вид [5]
.
Здесь 
- ускорение (производная скорости по времени);
X - сила лобового сопротивления (знак «-» означает направление силы противоположно скорости движения).
Воспользуемся выражением для вычисления силы лобового сопротивления, приведенным в [6], с.47:
,
где i - коэффициент формы снаряда.
(см. [6], с.47). Здесь: «С» - баллистический коэффициент снаряда, который приводится в справочной литературе. Например для снаряда калибра 23 мм ОФЗ С=2; для 30 мм снаряда С=1,5 ([6], с.51).
- коэффициент формы эталонного снаряда (среднее значение), характеризующий влияние формы такого снаряда на сопротивление воздуха.
([6], с.46).
- коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела и числа
М, приводится в справочной литературе.
Например, если скорость снаряда равна 700 м/с (начальная скорость снаряда 23 мм с ОФЗ снарядом [4]), т.е. М≈2.0, по справочной литературе определяем 
. В частности, для снарядов авиационных пушек при таком числе М значение коэффициента равно 0,8 ([7], с.311, график для тела
2);
ρ - массовая плотность воздуха, в котором перемещается тело (приводится в справочной литературе).
Для определения р можно воспользоваться формулой ([5], с.97):
.
Здесь: Р - давление воздуха, где осуществляется перемещение тела;
Т - температура воздуха, в котором перемещается тело;
R - газовая постоянная; S - площадь миделя снаряда;
. Здесь: d - калибр снаряда.
Тогда
Обозначим 
- известная (вычисляемая) величина.
Откуда 
;
или 
.
Проинтегрируем последнее равенство:
получим
Или 
, откуда получим
Здесь: V1 - начальная скорость тела в момент t=0, измеряемая предлагаемым устройством;
V2 - скорость тела в момент времени t2;
m - масса перемещающегося тела.
Выразим из последнего соотношения скорость 
,
и окончательно 
.
Таким образом, для определения скорости перемещающегося тела V2 через время t2 после выстрела достаточно знать его начальную скорость V1 и использовать справочные данные.
Технической задачей изобретения является измерение скорости перемещающегося тела в любой точке траектории на основе определения начальной скорости движения или непосредственное измерение скорости в любой точке траектории перемещающегося тела, а также обеспечение компактности предлагаемого устройства (упрощение оборудования и увеличение надежности устройства).
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения скорости перемещающегося тела, содержащем датчики с фотоприемниками, измерительное устройство, содержащее элемент «И», датчик располагается вблизи метающего устройства и представляет собой лазерный излучатель, луч которого пересекает траекторию движения перемещающегося тела и попадает в фотоприемник.
Кроме того, устройство содержит генератор импульсов образцовой частоты, цифровое вычислительное и цифровое отсчетное устройства в качестве измерительного устройства. В фотоприемнике формируется импульс электрического напряжения, совпадающий с длительностью перекрытия луча τи. Измерение длительности этого импульса осуществляется путем подсчета числа импульсов N образцовой частоты
с периодом
Т0 (называемых метками времени) за промежуток времени, равный измеряемому интервалу τи:
.
Откуда измеряемый интервал равен τи=N·T0.
Вычисление скорости перемещающегося тела осуществляется по формуле
.
Здесь L - протяженность перемещающегося тела.
Например, у снаряда калибра 30 мм с ОФЗ снарядом к пушке HP - 30 [3] средняя длина L = 137,865 мм.
Перемещающееся тело может иметь любую форму и быть изготовлено из любого материала.
На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения скорости быстро перемещающегося тела.
Устройство для измерения скорости перемещающегося тела содержит световой лазерный (или любой другой) излучатель 6 и фотоприемник 7. Лазерный излучатель предпочтительнее тем, что его луч слабо расходится, оставаясь практически постоянным в сечении на используемой длине. Между излучателем 6 и фотоприемником 7 перемещается тело 11. За фотоприемником 7 располагается усилитель-формирователь 8, на который поступает сигнал с фотоприемника 7. Генератор импульсов образцовой частоты 1 формирует импульсы, которые поступают на логический элемент «И» 2, на этот элемент поступает сигнал с усилителя - формирователя 8. Блок управления 9 выдает сигналы на двоичный счетчик 3 и метающее устройство, например пушку 10. Цифровое вычислительное устройство 4 принимает сигнал с двоичного счетчика 3. На цифровое отсчетное устройство 5, например, на жидкокристаллических или светодиодных индикаторах, сигнал поступает с цифрового вычислительного устройства 4.
Описание работы устройства.
По команде «Пуск», поступающей на вход блока управления 9, в нем формируются одиночные импульсы «сброс» и «выстрел». Импульс «сброс» поступает с первого выхода блока управления на второй вход двоичного счетчика 3 и осуществляет обнуление всех его триггеров. Импульс «выстрел» поступает со второго выхода блока управления 9 на метающее устройство (например, пушку) 10 и обеспечивает выброс (выстрел) тела, в результате чего тело (снаряд) 11, пролетая по траектории, пересекает световой луч излучателя 6, направленного на фотоприемник 7, обеспечивает формирование «строб» - импульса длительностью 
на выходе усилителя - формирователя 8, своим входом связанного с выходом фотоприемника 7.
Импульсы с выхода генератора импульсов образцовой частоты 1, следующие с периодом Т0, подаются на вход логического элемента «И» 2, который пропускает их на первый вход двоичного счетчика импульсов 3 в течении «строб» - импульса. Выходной сигнал счетчика 3 в виде числа импульсов 
представленных в двоичном коде, подается на вход цифрового вычислительного устройства 4, выполняющего вычисление скорости движения тела по формуле 
и формирование кода для индикации этой величины в цифровом отсчетном устройстве 5.
Так как перемещающееся тело 11 имеет небольшую протяженность, то можно считать его скорость постоянной на интервале τи. Если требуется определить начальную скорость движения тела, то лазерный излучатель с фотоприемником 7 размещают рядом с метающим устройством 10, например у среза ствола пушки. Когда же необходимо измерить скорость перемещения тела в какой-либо точке траектории, то датчик располагают в этой точке.
Предлагаемое устройство обеспечивает измерение мгновенной скорости перемещения тела (а не средней) в любой точке траектории полета тела.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2216025, кл. G01Р 3/66, опубл. 10.11.2003.
2. Патент РФ на изобретение №2285267, кл. G01Р 3/66, опубл. 10.10.2006 (прототип).
3. 30 мм патрон с беспламенным порохом с осколочно-зажигательным (ОФЗ) снарядом и взрывателем А-30А к пушке НР-30. Техническое описание и указания по эксплуатации. - 1974. Введено в действие командиром в/ч 73855-А.
4. 23 мм патрон с осколочно-зажигательно-трассирующим снарядом к пушке НР-23. Техническое описание. - 1974. Введено в действие командиром в/ч 73855-А.
5. Авиационные боеприпасы. Задания на полигонные работы. - Даугавпилс, 1987. - с.97.
6. Васильев В.А. Внешняя баллистика авиационных ракет и снарядов. - Киев. 1966. - с.46, с.47, с.51.
7. Мельников А.П. Аэродинамика больших скоростей. - М.: Военное издательство МО СССР, 1961. - с.311.
Устройство для измерения скорости перемещающегося тела, содержащее световой датчик в виде излучателя и фотоприемника, а также измерительное устройство, содержащее логический элемент «И», отличающееся тем, что в измерительное устройство введены генератор импульсов образцовой частоты, двоичный счетчик, цифровое вычислительное устройство, цифровое отсчетное устройство, усилитель-формирователь, блок управления, причем излучатель и фотоприемник располагаются в любой точке вдоль траектории движения перемещающегося тела так, чтобы лазерный луч пересекал эту траекторию под прямым углом и попадал в фотоприемник, который соединен с усилителем-формирователем «строб» - импульса, а последний, в свою очередь, связан с вторым входом логического элемента «И», соединенного первым входом с генератором импульсов образцовой частоты, а своим выходом - с первым входом двоичного счетчика, второй вход которого связан с блоком управления, соединенного также с устройством для метания тела, например пушкой, а выход двоичного счетчика связан с цифровым вычислительным устройством, соединенным с цифровым отсчетным устройством.
