ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ АЭРОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель «Циркуляционный измеритель аэрометрических параметров подвижного объекта» относится к области приборостроения, в частности, к приборам определения параметров газовых потоков.
Известно техническое устройство, аналогичного назначения, в котором приемник первичных сигналов содержит узел циркуляционной камеры, присоединенный к узлу внешних дефлекторов, узел циркуляционной камеры включает два параллельных диска, соединенных между собой измерительными модулями, каждый из которых состоит из двух установленных на платформе пластин, внутренние поверхности пластин и платформ образуют коленообразные трубки Вентури прямоугольного сечения, в узких частях которых на пластинах выполнены щелевидные заборники давления, связанные между собой через каналы с анемометрическими преобразователями, подключенными к электроизмерительной схеме обработки сигналов, при этом платформы встроены заподлицо с дисками с дисками циркуляционной камеры, а трубкй Вентури и узел циркуляционной камеры ориентированы относительно внешних дефлекторов (Авторское свидетельство СССР №1839561, кл. G01P 5/00, 1989). Недостатки аналогичного устройства следующие: нелинейность характеристики функции преобразования давления в электрический сигнал, недостаточная эксплуатационная надежность и диапазон измерения.
Из предшествующего уровня техники известно устройство для измерения величины и направления составляющей вектора скорости потока в выбранной плоскости, содержащем корпус, между кольцевыми дисками которого расположены дефлекторы, ориентированные под равными углами к радиальным направлениям дисков, и узел циркуляционной камеры, диски которой связаны между собой закрепленными на платформах измерительными модулями, преобразователи которых подключены к блоку обработки сигналов, каждый из преобразователей измерительных модулей выполнен в виде пластины, консольно связанной со стойкой посредством упругих элементов с закрепленными на них тензорезисторами, при этом пластины установлены в диаметральных плоскостях платформы. Причем пластина может быть выполнена в виде флажка, тыльная часть которого закруглена, а в передней, прилегающей к стойке, и тыльной частях выполнены сквозные отверстия (Патент РФ №2018849, МПК G01P 5/02 опубликован в БИ №16 30.08.1994 г.).
Основным недостатком прототипа является недостаточная чувствительность в рабочем диапазоне измерения величины и направления составляющей вектора скорости потока. Кроме того, к недостаткам можно отнести ограниченные функциональные возможности устройства.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении чувствительности в рабочем диапазоне измерения и расширении функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается за счет информационной избыточности первичных сигналов, несущих информацию об аэрометрических параметрах подвижного объекта путем построения циркуляционного измерителя аэрометрических параметров в виде приемника первичных сигналов, имеющем верхний и нижний кольцевые диски, между которыми расположены дефлекторы, ориентированные под равными углами к радиальным направлениям дисков, и узел циркуляционной камеры, диски которой связаны между собой, измерительные модули, выходы которых подключены к блоку обработки сигналов, новым является то, что к верхнему диску приемника первичных сигналов жестко закреплен перфорированный сферический сегмент с образованием камеры статического давления, над которым жестко соединенный с ним и установленный перпендикулярно оси симметрии приемника первичных сигналов, размещен экран с образованием зазора для протекания воздушного потока, а диски циркуляционной камеры жестко соединены между собой полым стержнем с образованием единого канала, соединяющего камеру статического давления с полостью пилона, где закреплен преобразователь статического давления, выход которого подключен к соответствующему входу блока обработки сигналов.
Блок обработки сигналов включает в себя электроизмерительные схемы, выходы которых подключены к соответствующим входам мультиплексора, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с микроконтроллером, первые выходы которого соединены к соответствующим входам индикаторов скорости и направления потока, статического давления и скорости его изменения, а второй его выход соединен с управляющим входом мультиплексора.
Каждый из измерительных модулей выполнен в виде сферического пьезоэлемента и пьезоэлемента в виде сферического пояса, защищенных покрытием, закрепленных в корпусе, неподвижно размещенном в цилиндре, жестко установленном на стержне, стягивающем диски циркуляционной камеры.
Циркуляционный измеритель аэрометрических параметров подвижного объекта поясняется чертежами:
фиг. 1 - Конструктивная схема измерителя (фронтальная проекция; разрез А-А);
фиг. 2 - Конструктивная схема приемника первичных сигналов (вид Б);
фиг. 3 - Конструктивная схема расположения пьезоэлектрического модуля в приемнике первичных сигналов;
фиг. 4 - Конструктивная схема пьезоэлектрического модуля;
фиг. 5 - Структурная схема блока обработки сигналов;
Фиг. 6 - Общий вид приемника первичных сигналов.
Реализация предлагаемого циркуляционного измерителя аэрометрических параметров подвижного объекта представлена на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Здесь: 1 - диски, 2 - дефлекторы, 3 - цилиндр, 4 - стержень, 5 - пьезоэлектрический модуль, 6 - узел циркуляционной камеры, 7 - сферический сегмент, 8 - пилон, 9 - фланец, 10 - разъем, 11 - экран, 12 - опора, 13 - преобразователь статического давления, 14 - блок обработки сигналов, 15, 16 - пьезоэлементы, 17 - покрытие защитное, 18 - корпус, 19 - электроизмерительные схемы (ЭИС), 20 - аналого-цифровой преобразователь, 21 - мультиплексор, 22 - микроконтроллер, 23 -цифровой указатель скорости, 24 - цифровой указатель направления потока, 25 - цифровой указатель статического давления (барометрической высоты), 26 - цифровой указатель скорости изменения статического давления (вертикальной скорости объекта).
Циркуляционный измеритель аэрометрических параметров подвижного объекта содержит приемник первичных сигналов, имеющий верхний и нижний кольцевые диски 1. Между дисками расположены дефлекторы 2, ориентированные под одинаковыми углами к радиальным направлениям дисков и узел циркуляционной камеры 6. В центре узла циркуляционной камеры расположен стержень 4, стягивающий диски циркуляционной камеры. К верхнему диску приемника прикреплен перфорированный сферический сегмент 7 с отверстиями, над которым на расстоянии 0,1 радиуса перфорированного сферического сегмента находится экран 11, установленный с помощью опоры 12 к верхнему диску приемника. Сигнал по статическому давлению, сформированный в полости между верхним диском и перфорированным полусферическим сегментом, поступает через преобразователь статического давления 13, установленный в пилоне 8 и разъем 10, закрепленный на фланце 9, к соответствующему входу блока обработки сигналов.
Блок обработки сигналов 14 включает в себя электроизмерительные схемы (ЭИС) 19, выходы которых подключены к мультиплексору 21, соединенному с аналого-цифровым преобразователем 20, выход которого соединен с микроконтроллером 22, имеющим обратную связь с мультиплексором. Выходы микроконтроллера подключены, соответственно, к цифровым указателям скорости 23 и направления потока 24, статического давления 25 и скорости его изменения 26.
Одновременно на стержне 4 жестко установлен цилиндр 3, по периферии которого равномерно размещены пьезоэлектрические модули 5. Каждый пьезоэлектрический модуль выполнен в виде сферического пьезоэлемента 15 и пьезоэлемента 16 в виде сферического пояса, защищенных покрытием 17, закрепленных в корпусе 18.
Циркуляционный измеритель работает следующим образом.
1
1
2
3
2
3
При движении объекта в рабочей среде поток, набегающий на приемник первичных сигналов, за счет дефлекторов 2 закручивается в циркуляционной камере, что усиливает интенсивность потока и тем самым повышается чувствительность к малым скоростям набегающего на приемник потока. При этом пульсации скоростного напора воздействуют через покрытия как на пьезоэлемент 15, выполненный в виде сферического сегмента с углом раскрыва Θ, удовлетворяющим условию 0<Θ≤40°, так и на второй пьезоэлемент 16, имеющий противоположную поляризацию и выполненный в виде сферического пояса с углами раскрыва Θ, Θ, удовлетворяющий условию 40°<Θ<Θ≤190°.
Электрические заряды, снимаемые с электродов пьезоэлементов, суммируются. Полная электрическая компенсация от изотропных воздействий со стороны среды достигается при выполнении условия:
,
1
2
где S, S - площади наружной поверхности, соответственно, первого и второго пьезоэлементов;
1
2
d, d, - диаметры, соответственно, первого и второго пьезоэлементов.
Электрические сигналы с пьезоэлектрических модулей поступают на электроизмерительные схемы 19, выходы которых подключены к мультиплексору 20, соединенному с аналого-цифровым преобразователем 21, выход которого соединен с микроконтроллером 22, имеющим обратную связь с мультиплексором.
В микроконтроллере реализуются алгоритмы обработки информации, позволяющие получить информацию по величине и направлению вектора скорости подвижного объекта. Эти алгоритмы аналитически описываются следующими выражениями, приведенными ниже. Так информация по величине вектора скорости подвижного объекта формируется путем осреднения сигнала со всех пьезоэлектрических модулей:
,
i
где U - электрические сигналы с n пьезоэлектрических модулей. В нашем случае n=6.
Информация по направлению вектора скорости объекта формируется путем поиска максимального значения в спектрального сигнале (на эпюре распределения давлений циркуляционной камеры):
,
i
где φ - текущее значение направления составляющей вектора скорости потока в выбранной плоскости измерения;
- значение сигнала в электрической форме в соответствующей точке на эпюре распределения давлений в циркуляционной камере.
Информация по статическому давлению формируется преобразователем статического давления 13, встроенного в пилон 8 приемника первичных сигналов.
Полученная, таким образом, информация с выходов микроконтроллера поступает, соответственно, к цифровым указателям скорости 23 и направления 24 потока, статического давления 25 и скорости его изменения 26.
Предложенный в качестве полезной модели циркуляционный измеритель аэрометрических параметров подвижного объекта позволяет повысить чувствительность в рабочем диапазоне измерения и расширить функциональные возможности за счет измерения сигнала по статическому давлению и скорости его изменения.