УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
APPARATUS AND METHOD OF MEASURING SPEED AND DIRECTION OF FLOW OF GASEOUS FLUID MEDIUM

Описание
Изобретение относится к устройству и способу измерения скорости, направления и ориентации течения газообразной текучей среды, такой, например, как воздух.
Существующие устройства и способы измерения скорости течения воздуха используют многочисленные технологии. Среди наиболее распространенных из этих технологий можно упомянуть анемометры с использованием датчика давления типа трубки Пито, анемометры с использованием воздушных крыльчаток, термические анемометры и разработанные сравнительно недавно ультразвуковые зонды.
2
Технология с использованием трубки Пито основывается на измерении дифференциального давления между полным давлением и статическим давлением потока. Это дифференциальное давление является пропорциональным динамическому давлению, определяемому выражением (ΔР = α·1/2·ρ·V), где V представляет собой скорость течения газообразного потока. Трубки Пито особенно хорошо адаптированы к высоким скоростям течения, даже при том, что качество измерения является весьма чувствительным к направлению потока.
Для устройств с использованием воздушной крыльчатки или турбины, располагающихся в течении воздуха, скорость течения определяется скоростью вращения вращающегося элемента. Эти устройства позволяют получить хорошую точность измерения для средних скоростей и в том случае, когда течение направлено по оси вращения таких устройств. Механический износ, связанный с вращательным движением крыльчатки, а также порождаемая этой крыльчаткой потеря напора представляют собой основные недостатки этих устройств.
Другое известное средство представляет собой устройство с использованием горячей проволоки, для которого способ измерения происходит посредством измерения тока, предназначенного для поддержания температуры этой проволоки, охлаждаемой течением воздуха, и сравнения величины этого тока с номинальной величиной при заданной температуре при отсутствии течения воздуха.
В термических анемометрах используется температура чувствительного элемента, которая может быть отрегулирована по току, по температуре или по постоянной разности температуры. Это регулирование представляет собой образ скорости потока. Такие анемометры позволяют обеспечить измерение очень слабого течения, например, струя воздуха, и являются вследствие этого хорошо адаптированными к использованию в области кондиционирования воздуха и вентиляции.
Пример реализации анемометра с использованием постоянной температуры приведен в патентном документе US 4503706.
Такое устройство с горячей проволокой может быть всенаправленным, но в этом случае оно не дает информации относительно направления течения воздуха, или может быть оснащено соответствующим обтекателем таким образом, чтобы создать привилегированное направление измерения и быть способным в этом случае измерять течение в уменьшенном угловом секторе.
Даже если эти устройства, то есть некоторые из них, позволяют обеспечить полное определение характеристик направления течения, различные технологии, представленные в предшествующем изложении, часто позволяют использовать лишь небольшой угловой сектор.
Техническая задача данного изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство и способ измерения течения текучей среды, такой, как воздух, адаптированные для осуществления измерения скорости, направления и ориентации течения в соответствии с возможно более широким диапазоном распределения, и даже с почти сферическим распределением.
В частности, предлагаемое изобретение позволяет измерять три пространственных векторных составляющих течения в как можно более широком угловом секторе, и даже в почти сферическом секторе, причем измерение должно покрывать как можно более широкий телесный угол и в как можно более широком диапазоне температур. Речь идет об устройстве типа статического зонда, имеющего компактные размеры, уменьшенный вес и не содержащего движущихся деталей. Таким образом, этот зонд пригоден для использования в замкнутых пространствах и может устанавливаться на борту летательного аппарата.
Для решения этой технической задачи в данном изобретении предлагается, прежде всего, устройство измерения скорости течения текучей среды, а также ее направления и ориентации, основанное на принципе измерения с использованием термических датчиков, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере два зонда измерения течения, каждый из которых содержит чувствительный элемент и препятствие, маскирующее определенную зону измерения упомянутого чувствительного элемента.
Говоря более конкретно, препятствия образованы элементами маскирования углового сектора зондов измерения течения против чувствительного элемента упомянутых зондов.
В соответствии с предпочтительным способом реализации предлагаемого изобретения устройство измерения содержит сферическую огибающую и зонды измерения течения располагаются на, по меньшей мере, одной круговой образующей линии этой огибающей устройства измерения и покрывают взаимодополняющие угловые сектора.
Говоря более конкретно, зонды измерения течения размещаются в экваториальной плоскости устройства измерения.
Предлагаемое устройство, в частности, может содержать четыре зонда измерения течения, располагающиеся под 90° друг относительно друга на общей круговой образующей линии для того, чтобы определить четыре стороны света.
В соответствии с первым альтернативным вариантом реализации устройство содержит шесть зондов измерения течения, располагающихся под 60° друг относительно друга на круговой образующей линии, для того, чтобы реализовать по меньшей мере два наветренных сектора измерения течения и два подветренных сектора измерения течения.
В соответствии с вторым альтернативным вариантом реализации устройство содержит четыре датчика на экваторе огибающей этого устройства и четыре датчика на, по меньшей мере, одном тропике огибающей.
В соответствии с частным вариантом реализации элементы маскирования располагаются снаружи от круга, определяемого одной или несколькими круговыми образующими.
Предпочтительным образом устройство дополнительно содержит зонды измерения, располагающиеся на полярной оси огибающей.
В соответствии с частным вариантом реализации зонды измерения течения закреплены на несущих стойках и эти несущие стойки предпочтительным образом представляют собой упомянутые препятствия.
В соответствии с предлагаемым изобретением несущие стойки могут быть образованы сегментами колец, распределенными вдоль эквидистантных меридианов сферического объема, определяемого огибающей устройства.
В этом контексте, и в соответствии с частным вариантом реализации, зонды измерения течения располагаются на несущих стойках в форме полярных колец, определяющих сферический объем, причем эти зонды располагаются внутри колец на экваториальной линии этого сферического объема.
Также в соответствии с данным изобретением устройство может быть таким, что чувствительные элементы располагаются на шаре, образующем общее препятствие для системы упомянутых зондов измерения течения.
В соответствии с частным вариантом реализации устройство содержит датчик давления и температуры для того, чтобы обеспечить коррекцию измерений.
В рамках предлагаемого изобретения датчики представляют собой, в частности, зонды с резистивными термическими чувствительными элементами, регулируемыми по току, по температуре или по постоянной разности температуры.
Кроме того, предлагаемое изобретение относится к способу измерения характеристик направления, ориентации и скорости течения газообразной текучей среды при помощи устройства в соответствии с этим изобретением, причем этот способ включает в себя этап сравнения ответных сигналов датчиков зондов измерения течения при помощи вычислительного устройства для того, чтобы одновременно оценить три векторных составляющих скорости течения в как можно более широком угловом секторе.
Этот способ, в частности, является таким, что совокупность измерений, реализованных при помощи устройств измерения потенциала, преобразуется в цифровую форму и передается в вычислительное устройство, который сравнивает величины, выдаваемые датчиками.
Говоря более конкретно, на основе изоляции датчиков, предлагаемый способ является таким, что выбирают датчики, на которых осуществляется измерение скорости течения.
Говоря более конкретно, поскольку датчики представляют собой термосопротивления, способ в соответствии с предлагаемым изобретением является таким, что определяют две составляющие скорости течения путем поиска термосопротивления, температура которого является наиболее высокой.
Предпочтительным образом теоретическое определение характеристик течения заставляет использовать один или несколько алгоритмов расчета (ориентация, направление и модуль ) на основе ответных сигналов, предоставленных зондами измерения.
Предлагаемый способ является таким, что имеется возможность определить угол падения струи воздуха на устройство посредством вычислительной части, которая содержит таблицу данных в зависимости от углов падения, путем сравнения информации, предоставленной датчиками, с таблицей зарегистрированных данных.
Другие характеристики и преимущества устройства и способа измерения в соответствии с предлагаемым изобретением будут лучше поняты из приведенного ниже описания не являющихся ограничительными примеров реализации этого изобретения, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, среди которых:
- фигуры 1А и 1В представляют собой перспективные виды спереди и сбоку примера зонда измерения скорости с использованием нагретой проволоки;
- фиг.2 представляет собой перспективный вид чувствительного элемента зонда измерения и примера препятствия в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фигуры 3А и 3В представляют собой два вида сверху и в разрезе конфигурации датчика и препятствия в соответствии с предлагаемым изобретением в течениях воздуха;
- фиг.4 представляет собой схематический вид в разрезе детали позиционирования зонда измерения течения в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.5 представляет собой схематический перспективный вид устройства измерения в соответствии с первым примером конфигурации;
- фигуры 6, 7, 8, 9 и 10 представляют собой перспективные виды пяти примеров реализации устройства в соответствии с предлагаемым изобретением;
- фиг.11 демонстрирует кривые измерений, полученных при помощи устройства, показанного на фиг.6.
На фигурах 1А и 1В проиллюстрировано устройство измерения скорости течения воздуха, с использованием горячей проволоки из предшествующего уровня техники, снабженное обтекателем, предназначенным для выбора привилегированного направления измерения.
В этом устройстве датчик А с использованием горячей проволоки, имеющий в своем составе термическое сопротивление, располагается в трубке С, снабженной двумя симметричными по отношению к оси этой трубки отверстиями В.
Как об этом уже было сказано в предшествующем изложении, такое устройство в этом случае способно обеспечить измерение течения только в уменьшенном угловом секторе, приблизительно соответствующем оси отверстий В.
Устройство измерения скорости, направления и ориентации течения текучей среды в соответствии с предлагаемым изобретением, основанное на принципе измерения с использованием термических датчиков, содержит по меньшей мере два зонда измерения течения, в каждый из которых встроен чувствительный элемент 2 и препятствие 3, маскирующее зону измерения чувствительного элемента, как это показано на фиг.2.
Принцип определения ориентации и направления потока воздуха при помощи устройства в соответствии с предлагаемым изобретением заключается в частичном маскировании каждого термического сопротивления устройства.
Определение ориентации и направления потока воздуха при помощи устройства в соответствии с предлагаемым изобретением основано, таким образом, на принципе придания направленности, путем пространственного размещения, комбинации чувствительных элементов.
Реализация направленности чувствительности этих элементов оказывается возможной в результате наличия препятствий, которые могут иметь различный характер. Твердое препятствие, размещенное в потоке, играет роль точки остановки, где V = 0 в точке соударения, и формирует спутный след позади себя, где характеристики течения и, в частности, скорость оказываются измененными. Изолирующая краска также может быть нанесена непосредственно на чувствительный элемент и может, таким образом, маскировать сектор измерения.
Таким образом, устройство в соответствии с предлагаемым изобретением является адаптированным для измерения трех векторных составляющих скорости течения в широком угловом секторе и в широком диапазоне температур.
Такое устройство может быть использовано на летательном аппарате для летных испытаний и позволяет, вследствие своей компактности, измерять течения в труднодоступных зонах, таких, например, как зоны присоединения закрылков или предкрылков к крылу.
Представление течения для чувствительного элемента приведено на фигурах 3А и 3В. Вид, показанный на фиг.3А, соответствует течению, направленному на чувствительный элемент, и вид, показанный на фиг.3В, соответствует течению, для которого чувствительный элемент замаскирован препятствием.
Диапазон измерения чувствительного элемента соответствует сектору, определенному углом М, показанным на фиг.3А, тогда как диапазон маскирования соответствует сектору, определенному углом N, показанным на фиг.3В.
Препятствия 3 образуют элементы 4 маскирования углового сектора зондов измерения течения против чувствительного элемента упомянутых зондов.
Таким образом, вдоль направления потока газообразной текучей среды, свойства которого желательно измерить, каждый чувствительный элемент различным образом подвергается воздействию этого потока.
Чувствительные элементы ориентированы таким образом, чтобы комбинация совокупности ответных сигналов каждого датчика давала возможность одновременно оценить три векторных составляющих скорости воздуха в широком угловом секторе и в широком диапазоне температур.
Что касается модуля скорости, то он оценивается при помощи зонда, который в некоторых вариантах реализации может быть всенаправленным.
Теоретическое определение характеристик течения может приводить к необходимости использования одного или нескольких алгоритмов для расчета ориентации, направления и скорости течения на основе ответных сигналов, выдаваемых зондами измерения.
Эта операция определения угла падения потока воздуха на устройство также может осуществляться на основе упомянутой таблицы данных в зависимости от углов падения.
Эта таблица формируется в процессе осуществления фазы эталонной калибровки каждого датчика, которая состоит в размещении устройства в аэродинамической трубе и в продувке совокупности углов падения в трехмерной системе координат с определенным шагом.
Определение угла падения затем осуществляется путем сравнения информации, выдаваемой термическими сопротивлениями, с таблицей зарегистрированных данных.
Могут быть рассмотрены несколько вариантов реализации предлагаемого изобретения. Геометрические и технологические критерии, связанные с ними, могут изменяться в зависимости от выбранного технического решения.
Как это можно видеть на фиг.5, зонды 1а,…,1f измерения течения располагаются на общей круговой образующей линии 5 и покрывают взаимодополняющие угловые сектора.
В соответствии с первым вариантом реализации устройство может содержать четыре зонда измерения течения, располагающихся под 90° друг относительно друга на круговой образующей линии 5, чтобы определить четыре стороны света, и два полярных зонда 8а и 8b, располагающихся на полюсах 13. Как это можно видеть на фигурах 5, 6, 7 и 8, устройство предпочтительным образом содержит шесть зондов 1а,…,1f измерения течения, располагающихся под 60° друг относительно друга всегда на круговой образующей линии 5, чтобы реализовать по меньшей мере два наветренных сектора измерения течения и два подветренных сектора измерения течения. Такая конфигурация дополнительно позволяет обеспечить взаимное перекрытие зон измерения для того, чтобы исключить существование слепых зон.
Как это можно видеть на фиг.4, зонды 1 измерения течения закреплены на несущих стойках 7, играющих роль препятствия для потока. Эти стойки предпочтительным образом представляют собой трубку, внутри которой проходят питающие провода 11. Чувствительные элементы вставляются в отверстия, выполненные в этих несущих стойках 7, и выступают из этих стоек на некоторое расстояние, адаптированное таким образом, чтобы оптимизировать их сектор маскирования.
Эти несущие стойки, например, представляют собой трубки, имеющие диаметр 1 мм, причем предлагаемое устройство должно иметь в целом диаметр порядка 25 мм.
В соответствии с примером, представленным на фиг.6, несущие стойки 7 образованы сегментами колец, распределенными по эквидистантным меридианам 12 сферического объема. Зонд 8а является независимым, и зонд 8b удерживается при помощи трехгранника.
Пример, представленный на фиг.7, демонстрирует устройство, содержащее экваториальную кольцевую опору, на которой закреплены датчики зондов измерения течения и для которой зонды 8а и 8b располагаются вблизи от полюсов 13 одного и того же полярного круга.
В соответствии с фиг.8, зонды 1а,…,1f измерения течения располагаются на несущих стойках в форме полярных колец, определяющих сферический объем, причем зонды располагаются изнутри этих колец на экваториальной линии сферического объема.
Пример, представленный на фиг.9, демонстрирует альтернативный вариант реализации, для которого чувствительные элементы 2 располагаются на шаре 9, образующем общее препятствие для совокупности упомянутых зондов измерения течения. Этот пример реализации требует использования несколько большего количества датчиков вследствие того, что объем шара образует препятствие больших размеров, в еще большей степени ограничивающее зону измерения датчиков.
Пример, представленный на фиг.10, демонстрирует вариант реализации, для которого серия из четырех датчиков с 10а по 10d располагается на экваториальной окружности сферической огибающей, определяющей объем данного устройства, тогда как четыре других датчика с 11а по 11d располагаются на тропике 10 упомянутой огибающей. Такая реализация не требует использования полярных зондов.
Каков бы ни был вариант реализации, количество элементов измерения зависит от требуемой точности и чувствительности.
Зонды измерения предпочтительным образом представляют собой так называемые резистивные элементы, в которых внутреннее электрическое сопротивление элемента изменяется в зависимости от его температуры. Чувствительные элементы типа CTN, СТР (то есть термические сопротивления с отрицательным температурным коэффициентом или с положительным температурным коэффициентом), а также элементы типа РТ100, РТ1000 представляют собой не являющиеся ограничительными примеры таких элементов.
Для реализации измерения характеристик течения датчики связаны с устройством питания, которое может иметь различную природу. При питании датчиков постоянным током поток воздуха в зависимости от своей интенсивности в большей или меньшей степени понижает температуру чувствительного элемента, на клеммах которого измеряют потенциал.
Для функционирования при постоянной температуре сопротивление каждого чувствительного элемента поддерживается постоянным при помощи токовой следящей системы. Это регулирование является пропорциональным скорости течения.
И наконец, можно запитывать данное устройство таким образом, чтобы получать постоянную разность температуры между элементом измерения и окружающей средой, благодаря соответствующему зонду компенсации.
Предпочтительный вариант реализации предлагаемого устройства, схематически изображенный на фиг.5, представлен на фиг.6 и более подробно описан в последующем изложении.
Здесь все чувствительные элементы запитываются постоянным током. Температура и, следовательно, внутреннее электрическое сопротивление этих элементов изменяются в зависимости от их расположения в потоке. Измерение осуществляется при помощи определения потенциала на клеммах этих резистивных элементов. Имеется также возможность отрегулировать подаваемый электрический ток в соответствии с температурой окружающей среды. Обычно распределяемый электрический ток увеличивается вместе с повышением температуры окружающей среды.
Так называемые меридиональные зонды 1а,…,1f позволяют прежде всего оценить угол 14 поворота вдоль полярной оси 6 зонда, как это представлено на фиг.5. Эти зонды также могут быть использованы с дополнением зондов 8а и 8b, располагающихся на полярной оси, обозначенной позицией 6 на фиг.5, для того, чтобы дополнить информацию относительно направления течения, выдавая его наклон 15 или подъем по отношению к экваториальной плоскости 5 устройства.
Свободные концы несущих стоек содержат покрытие, предназначенное для ограничения возмущений течения, которые эти стойки создают вблизи от зондов измерения течения.
Метод определения основывается на принципе сравнения ответных сигналов каждого чувствительного элемента, которые в данном случае представляют собой элементы типа CTN.
Когда поток воздуха встречает на своем пути устройство, чувствительные элементы типа CTN, располагающиеся против потока, охлаждаются в большей степени, чем чувствительные элементы, располагающиеся позади препятствия типа несущих стоек. Измерение величин, выдаваемых зондами, позволяет восстановить биективным образом направление потока воздуха, поступающего на зонд, в зависимости от того, что различные элементы типа CTN в большей или меньшей степени спрятаны препятствием.
Для реализации измерения течения элементы типа CTN связаны с устройством измерения, содержащим генератор постоянного тока для каждого элемента типа CTN и устройство измерения электрического потенциала на клеммах каждого из них.
Совокупность измерений, реализованных упомянутыми устройствами, преобразуется в цифровую форму и передается в вычислительное устройство, которое выполняет анализ этих данных.
Эта операция определения угла падения струи воздуха на устройство также может осуществляться при помощи вычислительной части, содержащей таблицу данных в зависимости от угла падения.
Эта таблица формируется в процессе осуществления фазы эталонной калибровки каждого датчика, которая состоит в размещении устройства в аэродинамической трубе и в продувке с некоторым шагом совокупности различных углов падения в трехмерной системе координат.
Определение угла падения осуществляется затем путем сравнения информации, выдаваемой термическими сопротивлениями, с таблицей зарегистрированных данных.
-1
Пример кривой откликов меридиональных элементов 1а,…,1f типа CTN устройства измерения с шестью меридиональными зондами, показанного на фиг.6, представлен на фиг.11 в зависимости от направления течения. График представляет температурные отклики шести меридиональных элементов типа CTN на один полный оборот для заданных угла подъема и скорости, составляющих в данном случае соответственно 30° и 10 м.с. Эта кривая используется для определения угла 14 поворота потока.
Для этого среди полученных показаний температуры на всех шести меридиональных чувствительных элементах типа CTN в фиксированном угловом положении производят поиск наиболее горячего элемента типа CTN. После изоляции датчиков, по которым будут осуществляться расчеты, реализуется алгоритм для определения угла поворота.
Угол 15 подъема оценивается при помощи алгоритма, применяемого главным образом к откликам полярных зондов 8а и 8b. Данные, поступающие от меридиональных зондов, могут дополнять эту информацию.
Модуль скорости определяется благодаря одному зонду, который в некоторых способах реализации может быть всенаправленным.
Ожидаемая точность составляет примерно ±10% для модуля скорости, ±15° для угла поворота и ±30° для угла подъема. Поворот покрыт на 360°, тогда как диапазон подъема располагается от 0° до 120°, то есть телесный угол в 3π.
Устройство дополнительно может содержать датчик абсолютного давления, а также датчик температуры. Действительно, свойства газообразной текучей среды, такие, например, как удельная масса или коэффициент конвективной передачи, зависят от этих физических величин и оказывают влияние на полученные результаты. Таким образом, необходимо учитывать изменение условий окружающей среды для того, чтобы соответствующим образом корректировать измерения.
Предлагаемое изобретение не ограничивается представленными здесь примерами его реализации. Кроме того, конфигурация, для которой размещение датчиков отличается от описанного выше и для которой, в частности, четыре первых датчика располагаются на первом тропике и четыре вторых датчика располагаются на втором тропике, не выходит за рамки предлагаемого изобретения.