ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для определения величины угловой скорости подвижных объектов в трех плоскостях вращения.
Известен струйный датчик угловой скорости по патенту SU №1005560, G01P 3/26, опубл. 20.08.2005, содержащий нагнетатель, замкнутую газовую цепь, состоящую из формирующего сопла, рабочей камеры, чувствительных элементов, выполненных в виде двух металлических нитей, укрепленных на двух токоподводах - держателях и электроизмерительную схему.
Струйный датчик угловой скорости по патенту РФ №2059251, G01P 3/22, опубл. 27.04.1996 г. содержит герметичный корпус, нагнетатель, рабочее сопло, рабочую камеру с каналом обратного хода газа, термоанеморезисторы, систему стабилизации расхода газа в газовой цепи датчика. Система стабилизации включает в себя термоанеморезистор-излучатель и термоанеморезистор-приемник, установленные в канале обратного хода газа, генератор тепловой метки, регистратор тепловой метки, формирователь временного интервала, схему управления, генератор тактирующих импульсов, счетчик, регистр, ЦАП, задатчик эталонного сигнала, схему сравнения, интегратор, усилитель-преобразователь.
К недостаткам этих устройств следует отнести наличие погрешностей от воздействия перекрестных угловых скоростей, больших технологических погрешностей изготовления и сборки, их однокомпонентность, температурные погрешности теплообмена чувствительных элементов при обдуве струей, недостаточная чувствительность.
Струйный измеритель угловой скорости (Экспресс-информация, КИТ, 1966, №37, реф. №264, с.34-42), содержит внешний источник пневмопитания, сопло, формирующие струи газа из общей для них питающей камеры для двух рабочих камер, в каждой из которых установлены дифференциальные приемники пневматических сигналов от давления струй по каналам после рассекателей, расположенных симметрично относительно осей струй в плоскостях вращения, анемочувствительные элементы, электроизмерительную схему.
Недостатки этого устройства связаны с низкой точностью измерения угловой скорости из-за не идентичности геометрических размеров анемочувствительных элементов, сопел, каналов и рассекателей, наличием погрешности при действии угловой скорости, определяемой разностью динамического напора по каналам при действии перекрестных угловых скоростей объекта, с температурными погрешности теплообмена, отсутствием коррекции по чувствительности; неоднозначностью измерения угловой скорости вследствие ее ограниченного диапазона измерения, отсутствием замкнутости пневматической цепи и корпуса.
Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости по патенту RU №110493 от 20.11.2011 г. Бюл. №32 на полезную модель содержит герметичный корпус, рабочую камеру, нагнетатель, формирующее сопло, измерительную схему, проволочные анемочувствительные элементы, закрепленные на электропроводящих изолированных стойках одинаковой высоты.
К недостаткам следует отнести сложность технологической задачи получения после сборки датчика пневматического нуля, заниженный диапазон измерения угловой скорости и недостаточная чувствительность к угловой скорости.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, взятым за прототип, является двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости согласно патенту RU №120233 от 10.09.2012 г. Бюл. №25 на полезную модель, содержащий корпус, рабочую камеру, в которой установлены нагнетатель и термоанеморезисторный узел, содержащий основание, установленное перпендикулярно направлению протекания струи газа и проницаемому для его протекания в рабочей камере, на котором перпендикулярно ему установлены изолированные стойки, расположенные друг относительно друга ортогонально в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта, на концах которых закреплены проволочные анемочувствительные элементы, причем первые концы всех анемочувствительных элементов электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, высота которой больше высоты внешних стоек, а вторые концы каждого из анемочувствительных элементов закреплены на своих внешних стойках, расположенных симметрично относительно центральной стойки в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта, и включены в измерительную схему, которая образует каналы измерения угловых скоростей в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта, в рабочей камере введен блок формирования струи, включающий регулировочный блок, где выполнены каналы формирования струи, в каждом из которых установлены регулируемые заслонки, блок сопл, каждое сопло которого соединено со своим каналом формирования струи регулировочного блока, и оси которых расположены попарно под малым углом к оси симметрии рабочей камеры в плоскостях "xoz" и "yoz" измерения угловых скоростей, при этом в корпусе блока формирования струи перед регулировочным блоком образован переходной объем, который с каналами формирования струи регулировочного блока и соплами блока сопл образуют пневматические цепи формирования струи в рабочей камере.
z.
К недостаткам прототипа следует отнести отсутствие возможности измерения третьей составляющей угловой скорости ω
x
y
z
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности датчика за счет измерения трех составляющих угловой скорости ω, ω и ω в трех плоскостях "xoz", "yoz" и "xoy" вращения объекта.
x
y
z
х
y
z
Технический результат достигается тем, что в трехкомпонентном струйном датчике угловой скорости, содержащем герметичный корпус, в котором последовательно расположены нагнетатель и рабочая камера, в которой на входе размещен блок формирования ламинарной струи, связанный с выходом нагнетателя, а на выходе анемочувствительный блок, содержащий плоское основание, проницаемое для протекания струи и установленное перпендикулярно направлению ее течения, на котором установлены перпендикулярно ему центральная стойка и электропроводящие изолированные стойки, расположенные друг относительно друга попарно - ортогонально и симметрично относительно центральной стойки в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта, анемочувствительные элементы, расположенные перпендикулярно течению струи, первые концы которых электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, а вторые концы каждого из анемочувствительных элементов закреплены на своих стойках и включены в измерительные схемы каналов измерения составляющих угловой скорости ω, ω измерительного блока, новым является то, что в него введены вторая рабочая камера, расположенная своей осью "z" ортогонально оси первой рабочей камеры в плоскости "xoy" и соединенная своим входом с выходом первой рабочей камеры с образованием замкнутой газовой цепи, при этом во второй рабочей камере на входе размещен блок формирования второй ламинарной струи, а на выходе второй анемочувствительный блок, содержащий плоское основание, проницаемое для протекания струи и установленное перпендикулярно направлению ее течения, на котором установлены перпендикулярно центральная стойка и электропроводящие изолированные стойки, расположенные друг относительно друга ортогонально и симметрично относительно центральной стойки в плоскости "xoy" вращения объекта, анемочувствительные элементы, расположенные перпендикулярно течению струи, первые концы которых электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, а вторые концы этих анемочувствительных элементов закреплены на своих стойках, причем в измерительный блок введена измерительная схема канала измерения составляющей угловой скорости ω, при этом в каждом из каналов входы элекроизмерительных схем подключены к соответствующим анемочувствительным элементам, а выходы связаны с блоком преобразования информативного сигнала, выходом которого являются информативные сигналы по составляющим угловой скорости ω, ω и ω.
Сущность полезной модели поясняется на фиг.1, на которой представлена структурно-функциональная схема трехкомпонентного струйного датчика угловой скорости.
Здесь:
1 - нагнетатель (источник пневмопитания);
2 - блок формирования струи в первой рабочей камере;
3 - корпус;
4 - первая рабочая камера;
5, 6 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения "xoz";
7, 8 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения "yoz";
9, 10, 11, 12 - изолированные стойки первого анемочувствительного блока;
13 - центральная стойка первого анемочувствительного блока;
14 - основание первого анемочувствительного блока;
15 - блок формирования струи во второй рабочей камере;
16 - вторая рабочая камера;
17, 18 - изолированные стойки второго анемочувствительного блока;
19 - центральная стойка второго анемочувствительного блока;
20, 21 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения "xoy";
22 - основание второго анемочувствительного блока;
23, 24, 25 - измерительные схемы;
26 - блок преобразования информативного сигнала;
27 - измерительный блок.
x
y
z
x
y
z
Трехкомпонентный струйный датчик угловой скорости, содержит герметичный корпус 3, в котором последовательно расположены нагнетатель 1, первая рабочая камера 4 и вторая рабочая камера 16, в которых на входе размещены блоки 2, 15 формирования ламинарной струи. Причем блок 2 формирования ламинарной струи связан с выходом нагнетателя 1. На выходах рабочих камер 4, 16 расположены анемочувствительные блоки, содержащие плоские основания 14, 22, проницаемые для протекания струи и установленные перпендикулярно направлению ее течения, на которых установлены перпендикулярно им центральные стойки 13, 19 и электропроводящие изолированные стойки 9, 10, 11, 12, 17, 18, расположенные друг относительно друга попарно - ортогонально и симметрично относительно центральных стоек 13, 19 в плоскостях "xoz", "yoz" и "хоу" вращения объекта, анемочувствительные элементы 5, 6, 7, 8, 20, 21, расположенные перпендикулярно течению струи, первые концы которых электрически соединены между собой и закреплены на центральных стойках 13, 19 соответственно, а вторые концы каждого из анемочувствительных элементов 5, 6, 7, 8, 20, 21 закреплены на своих стойках 9, 10, 11, 12, 17, 18 и включены в измерительные схемы 23, 24, 25 каналов измерения составляющих угловой скорости ω, ω, ω. измерительного блока 27. При этом в каждом из каналов входы элекроизмерительных схем 23, 24, 25 подключены к соответствующим анемочувствительным элементам 5, 6, 7, 8, 20, 21, а выходы связаны с блоком 26 преобразования информативного сигнала, выходом которого являются информативные сигналы по составляющим угловой скорости ω, ω и ω.
Трехкомпонентный струйный датчик угловой скорости работает следующим образом.
x
y
z
При отсутствии угловой скорости нагнетатель (источник пневмопитания) 1 создает в герметичном корпусе 3 устройства поток газа, который с помощью блока формирования струи газа 2 преобразуется в струю газа в первой рабочей камере 4, и одновременно с помощью блока 15 формирования струи во второй рабочей камере 16 во вторую струю газа, оси симметрии распределения скоростей в поперечном сечении которых должны совпадать с центрами в точках О, O1, являющимися общими точками соединения на центральных стойках 13, 19 попарно - ортогонально расположенных анемочувствительных элементов 5, 6, 7, 8, 20, 21, закрепленных на изолированных стойках 9, 10, 11, 12, 17, 18 и центральных стойках 13, 19 на основаниях 14, 22, которые размещены в первой и во второй рабочих камерах 4, 16 соответственно. Средние скорости параболического распределения скоростей в поперечном сечении струи, обдувающие каждый анемочувствительный элемент 5, 6 в плоскости вращения "xoz", 7, 8 в плоскости вращения "yoz” 20, 21 в плоскости вращения "xoy" должны быть одинаковы при отсутствии угловой скорости. Выполнение этого условия обеспечивается блоками 2, 15 формирования струи, то есть установкой пневматического нуля сигнала по составляющим угловой скорости ω, ω и ω.
x
y
х
z
z
При появлении угловой скорости в измерительных плоскостях "xoz", "yoz" струя газа смещается от исходного положения в первой рабочей камере 4, что приводит к изменению величины средней скорости потока газа, обдувающего анемочувствительные элементы 5, 6, 7, 8 и, в конечном счете, к пропорциональному изменению выходных сигналов U, U на выходе измерительных схем 23, 24 по составляющим ω, ωy угловой скорости в плоскостях "xoz", "yoz". При этом струя газа во второй рабочей камере 16 не смещается вдоль "xoy", и не выделяется информативный сигнала U, то есть информация по составляющей ω.
z
z
При появлении угловой скорости в измерительной плоскости "xoy", струя газа не смещается от исходного положения в первой рабочей камере 4, так как движение струи будет совпадать с осью симметрии чувствительных элементов 5, 6, 7, 8, а на выходе измерительной схемы 25 появится выходной сигнал U, то есть информация по составляющей ω.
x
y
z
Таким образом, заявляемый трехкомпонентный струйный датчик угловой скорости позволяет измерять угловую скорость в трех плоскостях "yoz", "yoz" и "xoy", то есть составляющие ω, ω, ω, которая может быть в других диапазонах, зависящих от длины второй рабочей камеры 16, а последовательная замкнутая пневматическая цепь повышает точность измерения за счет одинакового расхода газа в обеих рабочих камерах.