Ионно-меточный измеритель скорости воздушного потока

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения скорости воздушного потока при метеорологических измерениях на суше и море, при аэродинамических испытаниях, в системах промышленной вентиляции и кондиционирования воздуха, а также при аттестации рабочих мест.
,
Известен тахометрический измеритель скорости воздушного потока. Работа такого анемометра основана на зависимости угловой скорости вращения крыльчатки от скорости набегающего воздушного потока. Преобразование скорости вращения крыльчатки в частоту электрического сигнала может быть осуществлен с помощью различных датчиков, например, оптическими (ФРГ, патент №3812554, G01Р 5/06,1988 г.) или индуктивными (патент РФ № 97198 G01P5/06, 2010г.).
Недостатком тахометрического измерителя является низкая надежность из-за наличия подвижного элемента – крыльчатки. В процессе эксплуатации опоры крыльчатки загрязняются, что приводит к увеличению трения вращению крыльчатки. При этом нарушается установленная зависимость скорости вращения от скорости воздушного потока, что приводит к погрешности измерения. Кроме того, наличие трения и дисбаланса подвижной части ограничивает возможность измерения малых скоростей воздушного потока. Существует принципиальная зависимость чувствительности такого измерителя от размеров крыльчатки, что накладывает ограничения по его миниатюризации. Для измерения в диапазоне больших скоростей конструкция подвижной части измерителя должна обладать достаточной прочностью, что приводит к снижению чувствительности в диапазоне малых скоростей.
Известен термоанемометрический  измеритель скорости воздушного потока (книга Смоляков А. В., Ткаченко В. М. Измерение турбулентных пульсаций. – Л.: Энергия. Ленингр. Отделение, 1980. – 264с., ил. стр. 63- 75).
В качестве датчика термоанемометра используется тонкая (несколько микрон) платиновая нить, растянутая между игольчатыми державками. Такой датчик имеет низкую надежность. Более надежными являются так называемые пленочные термоанемометры, которые представляют собой керамическую пластинку с напыленным металлическим слоем микронной толщины.
Поскольку датчики имеют микронные диаметр проволоки и толщину слоя, а именно эти параметры сильно влияют на их электрические сопротивление, что затрудняют технологию их изготовления и воспроизводимость метрологических характеристик. Поэтому при замене датчика термоанемометра для обеспечения высокой точности измерений скорости воздушного потока требуется проведение тарировки измерителя, что увеличивает эксплуатационные расходы.
Как проволочные, так и пленочные термоанемометры в процессе эксплуатации подвержены загрязнению, что приводит к изменению теплообмена с окружающей средой, а это приводит к погрешности измерения. Для устранения этой погрешности необходимо периодически проводить чистку датчика, что усложняет эксплуатацию термоанемометрических измерителей.
Наиболее близким техническим решением (прототип) является «Ионно-меточный измеритель скорости воздушного потока» (патент РФ на полезную модель №166715 G01Р  5/18, от 17.11.2016г., опубликовано 10.12.2016г., Бюл. №34). В ионно-меточном измерителе воздушной скорости реализуется кинематический способ измерения воздушной скорости, основанный на измерении времени прохождении ионной меткой, создаваемой в воздушном потоке известного расстояния. Особенностью униполярной ионной метки является возможность ее создания с помощью маломощного коронного разряда, а ее регистрация может осуществляться бесконтактно, по импульсу наведенного заряда на металлическом регистрирующем электроде. Результат измерения воздушной скорости при этом не зависит от состояния окружающей среды (температуры, атмосферного давления, плотности, влажности и т.п.).
Измерительный преобразователь прототипа выполнен в виде проточного канала в форме трубки, в которой последовательно по ходу воздушного потока размещены разрядник генератора ионных меток и два электрода регистратора ионных меток. Электроды регистратора ионно-меточного измерителя скорости воздушного потока выполнены в виде изолированных колец диаметром равным диаметру проточного канала и расположены друг от друга на расстоянии, равном полутора радиуса проточного канала. При этом для точного измерения скорости воздушного потока необходимо ориентировать измерительный преобразователь по направлению потока, так чтобы воздушный поток входил в проточный канал со стороны размещения разрядника. Отклонение направления вектора воздушной скорости от оси проточного канала приводит к погрешности измерения, что является недостатком прототипа.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в уменьшении погрешности измерения воздушной скорости за счет усовершенствования конструкции измерительного преобразователя, при которой обеспечивается возможность измерять составляющую вектора скорости воздушного потока не зависимо от угла направления потока.
Технический результат достигается тем, что в ионно-меточном измерителе скорости воздушного потока, содержащий измерительный преобразователь, включающий в себя разрядник генератора ионных меток, подключенный к генератору высоковольтных импульсов, вход которого соединен с блоком обработки сигнала, электроды регистратора меток, новым является то, что измерительный преобразователь состоит из двух одинаковых скрепленных между собой узлов, имеющих форму диска, отстоящих друг от друга, образуя между собой проточный канал, и обращенных рабочей поверхностью друг к другу, при этом каждый узел на рабочей поверхности содержит электрод регистратора меток, расположенный вдоль окружности, центр которого находится в точке размещения разрядника генератора ионных меток, а электроды регистратора меток обоих узлов через усилители связаны с сумматором, выход которого подключен к блоку обработки сигнала.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 приведена конструктивная и функциональная схема меточного измерителя воздушной скорости. На фиг.2 приведен вид измерительного преобразователя по сечению А-А.
Схема ионно-меточного измерителя воздушной скорости (фиг. 1) содержит измерительный преобразователь, состоящий из двух одинаковых узлов 1 и 2, имеющих форму диска, скрепленных стойками 3 и обращенных друг к другу рабочей поверхностью. Узлы измерительного преобразователя отстоят друг от друга, образуя канал для прохождения воздушного потока. Каждый узел на рабочей поверхности содержит электроды регистратора меток 7 и 8, расположенные вдоль окружности радиуса R, центр которого находится в точке размещения разрядника 5, соединенного с генератором высоковольтных импульсов 4 (ГВИ). Электроды регистратора меток обоих узлов через усилители 9 (У1) и 10 (У2)  связаны с сумматором 11 (СУМ), выход которого подключен к блоку обработки сигнала 12 (БОС).
Измеритель воздушной скорости работает следующим образом. В соответствии с заданной программой блок обработки сигнала БОС 12 формирует с определенной периодичностью на управляющем выходе импульсы, которые запускают генератор высоковольтных импульсов ГВИ 4. Короткий высоковольтный импульс поступает на искровой или коронный разрядник и вызывает соответственно искровой или коронный пробой. В результате  пробоя в окрестности разрядника 5 воздух ионизируется, и образуются униполярные ионы, обладающие электрическим зарядом, таким образом, формируется ионная метка 6, которая движется вместе с воздушным потоком.
изм
При прохождении заряженной ионной метки вблизи электродов 7 и 8 за счет электростатической индукции на них наводится импульсы тока, которые усиливаются усилителями 9 и 10. С выхода усилителей импульсы поступают на сумматор 11, где происходит суммирование сигналов. Поскольку амплитуда и временное положение обоих импульсов совпадает, то суммарный импульс на выходе сумматора 11 будет вдвое больше каждого из них. В блоке обработки сигнала 12 происходит измерение временного интервала τ между запускающим ГВИ импульсом и наведенными на электродах 7 и 8  импульсных сигналов. В блоке обработки сигнала БОС 12 вычисляется скорость воздушного потока V = R/τ.
Выполнение измерительного преобразователя имеющих форму диска, отстоящих друг от друга, образуя между собой проточный канал и использование электродов регистратора меток, расположенный вдоль окружности, центр которого находится в точке размещения разрядника генератора ионных меток, позволяет с одинаковой точностью измерять составляющую вектора скорости воздушного потока независимо от угла направления потока.
Использование двух одинаковых скрепленных между собой узлов позволяет сформировать проточный канал, в котором происходит плавное, направленное, безотрывное от рабочей поверхности течение воздушного потока, что повышает точность измерения.
Амплитуда наведенного на регистрирующем электроде импульса зависит от величины заряда униполярной ионной метки. Со временем, из-за процессов рекомбинации ионов, заряд метки уменьшается, и амплитуда импульса становится настолько малой, что теряется в шумах измерительной схемы. Как показывает практика, время «жизни»  ионной метки составляет несколько десятков миллисекунд. Это обстоятельство увеличивает погрешность измерения, особенно в диапазоне малых скоростей, так как время пролета меткой базового расстояния R становится соизмеримым со временем «жизни» ионной метки. Использование двух одинаковых электродов регистратора меток и сумматора позволяет увеличить в два раза амплитуду информативного сигнала, это позволяет уменьшить погрешность во всем рабочем диапазоне измерения, а также расширить диапазон измерения в область малых скоростей.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет улучшить метрологические характеристики ионно-меточного измерителя воздушной скорости.