Устройство для измерения силы трения пограничного слоя потока газа на обтекаемых поверхностях
DEVICE FOR MEASURING THE FRICTION FORCE OF THE BOUNDARY LAYER OF A GAS FLOW ON STREAMLINED SURFACES

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики летательных аппаратов. Устройство может быть использовано на обтекаемых поверхностях аэродинамической трубы, модели самолета, летательного аппарата для изучения пограничного слоя потока газа.
Известно устройство, которое позволяет измерять силы трения пограничного слоя потока газа с применением соленоида, закрепленного на раме (United States Patent, №4,836,035, date of patent: jun. 6, 1989). Рама имеет форму параллелограмма с шарнирным закреплением по углам. Рама крепится к корпусу в двух местах шарнирным соединением. Недостатком данного решения является наличие сил трения в шарнирных соединениях, которое увеличивает погрешность измерения.
Известно другое устройство, содержащее плавающий элемент диаметром 368 мм, упруго соединенный с основанием тремя тензометрическими балками постоянного поперечного сечения для измерения силы трения Fтp=1200 гр с перемещением плавающего элемента 0,2 мм (Winter, K.G., Gaudet, L.: Turbulent boundary-layer studies at high Reynolds numbers at Mach numbers between 0.2 and 2.8. ARC R&M 3712, 1973 г., стр. 4, 57 - приложение; отчет на английском и русском языках). Данный аналог принят за прототип предлагаемого технического решения. В прототипе выявлены следующие недостатки: крупные габаритные размеры устройства (диаметр 368 мм), ограничивающие область применения, а именно, невозможность установить его на аэродинамические модели и летательные аппараты, перемещение плавающего элемента на 0,2 мм увеличивает погрешность измерения, форма круга плавающего элемента увеличивает длину возмущения пограничного слоя, которая приводит к росту погрешности измерения.
Актуальной проблемой (технической задачей) является создание компактного устройства с применением тензорезистеров, позволяющее измерять силу трения потока газа пограничного слоя с установкой его на обтекаемых поверхностях аэродинамических труб, моделей самолетов и летательных аппаратов. Сложность создания данного устройства заключается в измерении малых величин нагрузок с приемлемой точностью при небольших перемещениях плавающего элемента
Техническим результатом является повышение точности измерения силы трения.
Техническим результат достигается тем, что в устройстве для измерения силы трения пограничного слоя потока газа на обтекаемых поверхностях, содержащем плавающий элемент, упруго соединенный с основанием тензометрическими балками, тензометрические балки выполнены из, как минимум, трех участков с переменным моментом инерции их поперечного сечения, при этом два крайних участка выполнены упругими с возможностью изгиба тензометрической балки в направлении предполагаемого потока газа, а тензорезисторы установлены на упругом участке у основания. Плавающий элемент выполнен в виде прямоугольника, установлен длинной стороной вдоль предполагаемого потока газа, а тензометрические балки расположены с возможностью изгиба вдоль длинной стороны прямоугольника. Плавающий элемент, тензометрические балки и основание выполнены из монолита. Устройство снабжено датчиками температуры, расположенными на тензометрических балках. Устройство снабжено датчиками температуры, расположенными на основании. В тензометрических балках выполнены облегчающие пазы. В плавающем элементе выполнены облегчающие пазы.
Техническое предложение поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1 Схематичное изображение устройства.
Фиг. 2 Изображение устройства в изометрии.
Устройство состоит из плавающего элемента 1, упругих участков балки 2 и 3, жесткого участки балки 4, основания 5, тензорезисторов 6 и датчиков температуры 7. Плавающий элемент 1 имеет упругое соединение с основанием 5 через два упругих участка балки 2,3 и жесткий участок балки 4. Упругие участки балки 2,3 и жесткий участок балки 4 имеют разные моменты инерции их поперечного сечения. Упругие участки балки 2,3 имеют меньшую жесткость для возможности изгиба в направлении потока газа 8. Тензорезисторы 6 установлены на упругом участке 3 у основания 5.
Плавающий элемент 1 выполнен в виде прямоугольника. Установлен длинной стороной вдоль предполагаемого потока газа, а упругие участки балки 2,3 расположены с возможностью изгиба вдоль длинной стороны прямоугольника.
Плавающий элемент 1, упругие участки балки 2 и 3, жесткий участок балки 4, основание 5 выполнены из монолита.
Датчики температуры 7 установлены на жестком участке балки 4.
Датчики температуры установлены на основании 5.
В жестком участке балки 4 выполнены облегчающие пазы.
В плавающем элементе 1 выполнены облегчающие пазы.
Основание 5 крепится к силовому каркасу объекта исследования.
Устройство работает следующим образом: набегающий поток газа создает силу трения 8 на плавающем элементе 1. Сила трения 8 изгибает упругий участок балки 3, воздействуя на тензоресторы 6. Тензорезисторы 6 являются индикаторами для измерения силы трения 8 от набегающего потока газа.
Технический результат данного предложения достигается путем изменения формы тензометрических балок, выполненных из, как минимум, трех участков с переменным моментом инерции их поперечного сечения, при этом два крайних участка 2,3 выполнены упругими с возможностью изгиба тензометрической балки в направлении предполагаемого потока газа, а средний участок 4 выполнен жестким. Данное решение позволяет увеличить изгибающий момент балки и уменьшить величину прогиба относительно прототипа. Увеличение изгибающего момента позволяет повысить сигнальные напряжения на тензорезисторах 6 и, тем самым, увеличить точность измерения. Уменьшение величины прогиба так же увеличивает точность измерения.
Технический результат достигается тем, что плавающий элемент 1, упругие участки балки 2 и 3, жесткий участок балки 4, основание 5 выполнены из монолита. Это позволяет исключить возможность возникновения зазоров между деталями и повысить точность измерения.
Технический результат достигается тем, что устройство снабжено датчиками температуры 7, расположенными на жестком участке балки 4. Эти датчики измеряют температурный нагрев жесткого участка балки 4 во время эксперимента, влияющий на модуль упругости материала жесткого участка балки 4 и позволяют учесть влияние изменения температуры на измерение силы трения 8, повышая точность измерения.
Технический результат достигается тем, что устройство снабжено датчиками температуры 7, расположенными на основании 5. Эти датчики измеряют температурный нагрев основания 5 во время эксперимента, влияющий на модуль упругости материала основания 5 и позволяют учесть влияние изменения температуры на измерение силы трения 8, повышая точность измерения.
Технический результат достигается тем, что в жестком участке балки 4 выполнены облегчающие пазы. Снижение массы жесткого участка балки 4 позволяет повысить частоты собственных колебаний устройства и тем самым увеличить точность измерения.
Технический результат достигается тем, что в плавающем элементе 5 выполнены облегчающие пазы. Снижение массы плавающего элемента 5 позволяет повысить частоты собственных колебаний устройства и тем самым увеличить точность измерения.
Для измерения силы трения на упругие участки балки монтируются четыре тензорезистора, образую тензоморст. Данная электрическая схема позволяет увеличить сигнал тензорезисторов и повысить точность измерения.
Тензометрические балки представляют собой участки с определенной толщиной и шириной сечения. Геометрические параметры: высота, ширина, толщина рассчитаны и оптимизированы. Для улучшения частотных характеристик были введены облегчающие пазы.
Основание представляет собой массивную пластину, предназначенную для соединения с силовой конструкцией исследуемого объекта. В основании предусмотрено центральное отверстие, позволяющее проложить электрические трассы от датчиков, а также отделено пазом место крепления к силовой части конструкции.
Тензорезисторы - это датчики, позволяющие регистрировать напряженно-деформированное состояние. Датчики температуры позволяют вносить компенсацию, связанную с изменением температуры конструкции. Из-за работы тензорезисторов происходит нагрев балок, в связи с малыми толщинами упругих участков. Изменение температуры окружающей среды во время эксперимента также влияет на модуль упругости конструкции и вносит погрешность при измерении.
Преимущества разработанной конструкции:
1. Компактность (S=40×62 мм - площадь омываемой поверхности);
2. Измерение малых величин нагрузок (0…30 г.);
3. Минимальное перемещение плавающего элемента (0…0,05 мм);
4. Плоскопараллельное перемещение плавающего элемента (это позволяет устранить наличие ступенек вдоль набегающего потока воздуха, повышая точность эксперимента);
5. Высокий диапазон сигналов от тензорезисторных мостов при питании 5В (0…0,39 μВ).