Устройство для измерения плотности газа в потоке

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<, 742761 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено Q9Q178 (21) 2567492/25 с присоединением заявки N9 (23) Приоритет (51)М. Кл.

С 01 е(9/24

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 250680. Бюллетень Мо 23

Дата опубликования описания 2506.80 (53) УДК 532.14 (088. 8) (72) Авторы изобретения

А.С.Воронин, Н.Н.Грачев и Б.E.Æåñòêoâ (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ

ГАЗА В ПОТОКЕ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения плотности разреженного газа на орбитальных кос- 5 мических аппаратах и в аэродинамических трубах, моделирующих условия полета на больших высотах.

Известно устройство для измерения плотности газа, установленное на 10 орбитальных космических аппаратах.

Устройство содержит прерыватель потока в виде длинной пластины, приводимой во вращение электродвигателем, преобразователь давления газа, размещенный за прерывателем и выполненный в виде металлической ленты, находящейся между полюсами постоянного магнита, а также предусилитель. Воздействующий поток пРеРывается вРащаю- 20 щейся пластиной и вызывает прогиб ленты, с концов которой снимается электрический сигнал (1).

Недостатками известного устройства является то, что прерыватель и 25 чувствительный элемент обладают недостаточной механической прочностью, а также то, что чувствительный элемент подвержен влиянию механических и электрических помех. Это приводит к понижению надежности работы устройства и снижению точности измерений. Погрешность измерений при использовании этого устройства составляет 30-40%.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее прерыватель потока, выполненный в виде диска с отверстиями, закрепленный на оси электродвигателя и преобразователь

I давления. Преобразователь давления выполнен в виде длинной тонкой пластины, одним концом жестко закрепленной на корпусе между двумя пластинами меньших размеров, образующих двухсекционный емкостный датчик, который подключен к предусилителю. При воздействии потока длинная пластина изгибается, изменяя емкость между пластинами меньших размеров (2).

Недостатками известного устройства является малая жесткость чувствительного элемента и то, что она подвержена влиянию механических воздействий (вибрация, удары) . Кроме того, он. не защищен от попадания заряженных частиц из потока. Это приводит к возникновению электрических и механических наводок, сравнимых с уровнем полезного сигнала. Прерывание потока осуществляется на частоте, равной собственной резонансной частоте пластины, при этом чувствительность устройства изменяется иэ-за изменения резонансной частоты пластины, связанной с фактором усталости материала пластины. Это также приводит к снижению надежности прибора и достоверности его показаний.

Целью изобретения является повышение точности измерений плотности разреженного газа.

Цель достигается тем, что преобразователь давления укреплен в корпусе со сквозными отверстиями, который расположен в цилиндрической камере с отверстиями на ее боковой GoBEрхности и приемным отверстием, расположенном соосно с преобразователем, при этом отверстия камеры снабжены шторками .

На чертеже схематически показана конструкция устройства.

Устройство содержит преобразователь 1 давления, прерыватель 2 по- 25 тока и предусилитель 3. Преобразователь 1 давления состоит из корпуса

4 преобразователя цилиндрической формы, упругой мембраны 5, закрепленной на корпусе 4 и являющейся подвиж- Я ным электродом, и неподвижного электрода б, образующих преобразователь емкостного типа. Неподвижный электрод б укреплен на изоляторе 7, а в корпусе 4 датчика выполнены каналы 8 для З5 выравнивания давления по обе стороны мембраны. Прерыватель 2 потока выполнен в виде диска с отверстиями, приводимого во вращение электродвигателем 9. Электродвигатель 9 и предусилитель 3 помещены в гермоотсеке

10, образованном основанием 11 и крышкой 12. Для передачи вращения в вакуум от электродвигателя к диску прерывателя установлена магнитная муфта 13. Цилиндрическая камера 14 45 имеет приемное отверстие 15 в передней плоской стенке и отверстие 16 на боковой стенке. Отверстие 16 перекрывается шторкой 17, перемещающейся по наружной поверхности камеры 50 в направляющих 18, приемное отверстие закрывается шторкой 19. Шторка

17 и шторка 19 снабжены механизмами

20 для измерения площади бокового отверстия и для перекрывания приемного отверстия.

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливается на объекте или в аэродинамической траубе таким образом, чтобы плоскость мемб- 6О раны 5 была перпендикулярна вектору скорости потока. Под действием силы

Р, действующей со стороны потока, мембрана 5 прогибается, что приводит к изменению Л С емкости мембраны — 65 неподвижный электрод 6 и появлению на выходе преобразователя электрическогo . сигнала g U, пррпорционального скоростному напору — -- набегаю Р

2 щего потока .Р гг

Й(У-ь С -С (c(, Ю вЂ” А Б пы, где С (с(, 6 ) — коэффициент аэродинамического сопротивления пластины (мембраны), зависящИй от коэффициента a(аккомодации нормального импульса и угла 6 между вектором скорости потока и нормалью к мембране, Ю— частота прерывания потока. Напряжение

U на входе предусилителя пропорционально скоростному напору набегающего свободномолекулярного потока

У=К

Р2/ (2)

Д

При установке на борту орбитального космического аппарата по выходному напряжению устройства и известной скорости объекта, (определяемой путем наземных измерений), находится плотность атмосферы / (3)

В связи с тем, что каналы 8, выполнены в корпусе 4 датчика для. выравнивания давлений по обе стороны мембраны 5 и модуляции потока, датчик оказывается практически нечувствительным к гаэоотделению. Установка преобразователя в цилиндрической камере 14 с отверстием 15 для входа потока на передней плоской стенке и отверстием 16 регулируемой площади, на боковой поверхности, позволяющей поддерживать заданное давление газа перед мембраной, обеспечивает идентичность условий при градуировке. При измерениях площадь бокового отверстия регулируют таким образом, чтобы обеспечить в камере перед мембраной заданное давление. Высота камеры, например, взята, небольшой (20 мм) с тем, чтобы снизить расстояние частиц потока в камере.

Поток, поступающий на мембрану через входное отверстие, создает перед мембраной. статическое давление P это давление, зависящее от. величины скоростного напора — добавляется

Рр2

2 к давлению остаточного газа Р в рабочей камере установки.

P Р + Р

Давление эа входным отверстием при скоростном отношении в потоке

$ >P 1 равно р, = g — " ""

"о (4) где Т1 и Т вЂ” температура стенок датчика и температура торможения

742761

Регулируя площадь отверстия на боковой поверхности, можно обеспечить заданный уровень давления перед мембраной. При площади отверстия в боковой поверхности S = nS, где S площадь входного отверстия, давле- 5 ние перед мембраной составляет

При этом перед мембраной обеспечиваются давления j в диапазоне, например (1-30) ° 10 Па, перекрывающем диапазон изменений давления P в устройстве в условиях полета. Из-за небольших размеров камеры (Г = 20 мм)

15 рассеяние частиц потока при максимальном давлении (-3.10 Па) не превышает 34. В силу того, что быстрые частицы потока рассеиваются,при этом на тепловых молекулах уменьшением импульса, передаваемого пластине, можно пренебречь.

Устройство градуируют в аэродинамической трубе, моделирующей условия полета на высотах 140-350 км. По данным градуировки определяется коэффициент пропорциональности К в формуле (3). Испытания проводятся в вакуумной аэродинамической трубе предприя- 30 тия при скорости потока V = 4 км/с, температуре торможения T = 6000 К, числе Маха потока М 10. Моделируе-, мые высоты полета составляют Н вЂ” 140-300 км. 35

Устройство позволяет измерять плотность атмосферы в диапазоне

-Щ /ф

10 — 3 ° 10 г/см, соответствующем диапазону высот 140-350 км. Погрешность измерений не превышает 10-20Ъ соответственно для нижней и верхней границы диапазона высот по сравнению с 30-40% для известных измерений.

Формула изобретения

Устройство для измерения плотности газа в потоке, содержащее преобразователь давления емкостного типа, прерыватель потока, состоящий из диска с отверстиями, закрепленного на валу электродвигателя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения плотности разреженного газа, преобразователь давления укреплен в корпусе со сквозными отверстиями, который расположен в цилиндрической камере с отверстиями на ее боковой поверхности и приемным отверстием, расположенным соосно с преобразователем, при этом отверстия камеры снабжены шторками.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. BrogIio L. San Marco i0 Measurements of EguatoriaI Atmospheric

Density at Heights Between 200 and

300 km., .Atmosph. Terr. Phys. V. 33, 9, р. 1473, 1971.

2. Патент США 9 2968947, кл. 73-398, 1964.

742761

Сост ави тель Л. Св ешни кова

Техред Р. Олиян Корректор N.ØàÐOØH

Редактор Ю. Петрушко

Филиал ППП Патент, г. ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ Зб 11/11 .. Тираж 10 19 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наО., д. 4/5