Измеритель воздушной скорости
AIR SPEED METER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах измерения расходов газообразных сред, скорости подвижных объектов, например, планеров, дронов, вертолетов в качестве элементов «условного ПВД» (приемник воздушного давления) и резервных измерителях скорости движения электровозов.
Известны измерители скорости потока (анемометры) - см. http://www.eksis.ru/catalog/measures-the-speed-of-the-air-flow-anemometers. Анемометры - приборы для измерения скорости потока воздуха, которые наиболее широко используются для оценки эффективности работы систем вентиляции и кондиционирования; аттестации аэродинамических установок; оценки качества работы авиационных двигателей; измерения скорости направленного воздушного потока в жилых и производственных помещениях и др. Данные измерения скорости предоставлены в цифровой форме.
Чашечные или крыльчатые анемометры работают по принципу отмеривания определенного объема или массы измеряемого вещества подвижными элементами их конструкций. Скорость вращения подвижных элементов приборов, измеряемая тахометром, пропорциональна скорости измеряемого потока. Недостатки подобных анемометров- крупные габариты, подвижные элементы, ограничения измерения малых скоростей потока.
Тепловые измерители скорости потока воздуха - термоанемометры - работают по принципу «нагретой проволоки». Принцип основан на изменении мощности нагрева чувствительного элемента, пропорциональном скорости аспирации этого элемента потоком воздуха. Чувствительные элементы, лежащие в основе измерительных преобразователей, могут быть проволочного, пленочного и терморезисторного типов. Чаще всего анемометры такого типа применяются при измерениях малых расходов газа. Недостатки подобных анемометров в необходимости стабилизированного внешнего питания.
Известен струйный измеритель скорости течения жидкости или газа (RU 2 277 224 С2, 27.05.2006), содержащий автогенератор, состоящий из струйных элементов с соплами и приемными каналами. Недостатки:
- уменьшение камеры взаимодействия струй управления и питания приводит к стесненной работе объемов в камере, их перемещению в пространстве, повышению давления внутри камеры и изменению плотности среды в камере, недостаточно эффективной работе отражателя суммарной струи на больших частотах переключения струи, к сбоям при переключении и искажению результата измерения по частоте,
- трудности при малой камере в конструировании геометрии подвода сопел управления и каналов слива, при устранении которых увеличиваются между ними расстояния для обеспечения герметичности отвода и в целом к увеличению габаритов устройства,
- значительно уменьшены длины участков стены, к которым примыкает силовая струя, что ухудшает характеристики струйного элемента генератора за счет снижения эффект примыкания с появлением дребезга сигнала, появлению дополнительной помехи в информационном частотном сигнале,
- заявлено, что «сопла струйных элементов спрофилированы таким образом, что скорость в соплах и в поперечных сечениях силовых струй в пределах ядра турбулентной струи распределяется равномерно при ламинарной, турбулентной и смешанной формах течения». Однако не показывается, как практически это выполнить, тем более что величина ядра турбулентной струи не имеет отношения к ламинарному течению потока.
Известен многоканальный аэрометрический преобразователь (RU 2042137 С1, 20.08.1995), принятый за прототип, который решает задачу измерения вектора скорости воздушного потока в плоскости. Это устройство содержит сложное аэродинамическое тело, снабженное радиально расположенными трубчатыми приемниками полного давления, аэродинамическое тело выполнено в виде двух шаровых сегментов, обращенных друг к другу шаровыми поверхностями и соединенных между собой держателями, на которых закреплены трубчатые приемники полного давления. Каждая из полостей снабжена приемными отверстиями статического давления, расположенными на плоских поверхностях конусовидных выборок в обеих частях аэродинамического тела.
Недостатками известного измерителя состоят в сложной пространственной форме конструкции с измерением в аналоговой форме параметров набегающего потока в виде скоростного (динамического) и статического давлений, нелинейная связь входного и выходного сигнала.
Техническим результатом является расширение диапазона измерения воздушной скорости, автономности измерения, не используя дополнительный источник питания, отсутствие вспомогательных параметров в виде статического давления и скоростного напора, увеличения чувствительности, отсутствия аналогового измерения параметра скорости, непосредственного преобразования воздушной скорости в частотный сигнал пропорциональный измеряемой скорости (линейная связь), независимость измеренной величины скорости от плотности измеряемого потока, чувствительный элемент не имеет подвижных частей.
Технический результат достигается тем, что предложенный измеритель воздушной скорости, характеризуется тем, что содержит проточный корпус с расположенной внутри, перпендикулярно потоку пластиной, на которой размещены по ее разные стороны в потоке струйные элементы, на одной стороне - два элемента, на другой - один элемент, соединенные каналами управления в последовательную цепь и замкнутую с выхода последнего элемента на вход первого элемента и подключенные соплами питания к потоку, при этом выход последнего струйного элемента подключен каналами к пневмоэлектропреобразователю, и далее к индикатору скорости потока, причем атмосферные каналы элементов выведены в общую полость, связанную с набегающим потоком через прорези в корпусе.
Предлагается непосредственное измерение воздушной скорости набегающего потока, т.е. «скорость в скорость объекта» через частоту. Часть функций в приемнике воздушного давления (ПВД) можно заменить прибором- измерителем воздушной скорости (ИВС). При этом важно, что показания измеренной истинной воздушной скорости не зависят от плотности воздушной среды и соответственно высоты полета изделия.
ИВС можно применять в качестве измерения угла скоса потока на фюзеляже, угла атаки на лопасти, скорости перемещения ее отдельных секций, вертикальной скорости всего изделия.
На фиг. 1 представлен измеритель воздушной скорости в разрезе по разным плоскостям.
На фиг. 2 показан вид на пластину 2 (сторона 3) без корпуса 1 и крышки 12.
На фиг. 3 показан поперечный разрез измерителя и пластины 2 по стороне 4.
Предложенный измеритель воздушной скорости содержит проточный корпус 1 (рис. 1) с расположенной, перпендикулярно потоку 5, внутри пластиной 2, на которой размещены по ее разные стороны 3 и 4 в потоке струйные элементы 6 и 7 на стороне 4, на другой стороне 3 - струйный элемент 8. На фиг. 1, 2, 3 струйные элементы обозначены принадлежностью сопел питания и соединены каналами управления 9 в последовательную цепь, замкнутую с выхода 11 последнего элемента 8 на вход 12 первого элемента 6, и подключенные соплами питания 6, 7, 8 к потоку 5, из круговой камеры 10 (фиг. 2 и 3), которая позволяет одновременно запитать струйные элементы более равномерно. Отсутствие стенки прилипания в геометрии струйных элементов позволило повысить чувствительность и снизить минимальный уровень скорости входного потока. Расположение струйных элементов друг над другом 3 и 4 сократило каналы связи между ними, что повысило частоту выходного сигнала и точность отсчета. Выход 11 последнего струйного элемента 8 через каналы управления 12 подключен каналами 13 к пневмоэлектропреобразователю 14, и далее через пневмосъем 15 к индикатору скорости потока (на фиг. 1 не показан), атмосферные каналы 16 элементов 6, 7, 8 соединены в общую полость 17, связанную с набегающим потоком 5 через прорези 18 в корпусе 1. Сторона 3 пластины 2 закрыта верхней крышкой 19. Сторона 4 закрыта нижней крышкой 20, в которой атмосферные отверстия 21 связывают каналы 16 с полостью 17. На входе корпуса 1 расположен фильтр 22 и внутри корпуса электрообогреватель 23. На верхней крышке 19 показано в разрезе типичное соединение винтами (на фиг. 2 обозначено АА). Нижняя крышка 20 на рис. 1 показана в разрезе ББ (фиг. 3).
1
1
1
2
1
2
1
2
При использовании предложенного измерителя воздушной скорости, например, на летательном аппарате -планере, набегающий поток 5 воздуха через фильтр 22 проходит через вход корпуса 1 сечением А, скоростью ϑ, давлением р внутрь корпуса 1, и далее в круговую камеру 10, окружающей пластину 2 с расположенными на ней струйными элементами 6, 7, 8 в сопла питания общим суммарным сечением А всех струйных элементов 6, 7, 8. Далее поток проходит через камеры взаимодействия струйных элементов и атмосферные каналы 16 в полость 17, герметично отделенной от струйных элементов 6 и 7, расположенных на пластине 2 со стороны 4. Из полости 17 поток проходит через прорези 18 в атмосферу с набегающим потоком 5, который на прорезях 18 создает пониженное давление и компенсирует эффект сжатия газа путем увеличения проводимости сопел питания струйных элементов. В устройстве по описанной схеме соединения струйных элементов при наличии на входе 22 воздушной скорости ϑ возникает процесс автоколебаний с некоторой частотой ƒ (автогенерация). Направление струи питания внутри каждого струйного элемента периодически изменяется в процессе ее автоколебаний, и в приемных каналах на выходе струйных элементов возникают импульсы давления, частота ƒ которых пропорциональна скорости ϑ (см. например RU 2 277 224 С2). В отсутствии сжатия воздуха отношение скоростей равно - ϑ/ϑ=1.
2
2
2
2
3
2
1
d=15
2
1
Для конкретного прибора ИВС (фиг. 1) рассчитаем скорость набегающего потока для принятых параметров: Δр=5000 (Па = Н/м)(сжимаемость воздуха практически отсутствует), А=13 мм, A= F = 176 мм, (А/А)=0,005≅0, ρ=1,22 кг/м - плотность воздуха на уровне Н=0 м (стандартная атмосфера).
2
2
2
1
1
2
2
Принимаем, что для одного струйного элемента с суммарным живым сечением А сопел питания струйных элементов и осредненном давлении р скорость ϑ потока сопла питания будет, [м/с], k [м/с Гц] - коэффициент скорости потока, ƒ [Гц] - частота выходного сигнала, измеряющего скорость потока. В частном примере k=0,04 (м/с)/Гц, т.е. при ϑ=0,5 м/с, ƒ=12,5 Гц и при ϑ=100 м/с, ƒ=2500 Гц.
1
2
2
1
1
2
2
Определяя частоту ƒ выходного сигнала от скорости набегающего потока ϑ, которая мало отличается от частоты скорости течения в сопле струйного элемента ϑ и (при подстановке данных (A/A)≅0), будем иметь равенство ϑ ≅ ϑ = 91 м/с = 326 км/ч.
2
1
Таким образом, имеем пропорциональную зависимость между величиной воздушной скорости, поступающей в измерительный прибор, и частотным сигналом ƒ в виде ƒ=k ϑ.
2
1
Поскольку скорость струи питания зависит только от перепада давления на сопле питания, она зависит от плотности среды конкретного набегающего потока в данных условиях полета, характеризующего общее сопротивление, например, летательного аппарата, к которому прикреплен разработанный измеритель воздушной скорости. Например, при полете в облаках с другим значением плотности ρ будет другая большая величина сопротивления, требующая проталкивания аппарата в этой среде, ей будет соответствовать полет с другой измеренной воздушной скоростью ϑ. Каналы 13 подсоединены к пневмоэлектропреобразователю 14, например, пьезокристаллического типа, в котором струйные импульсные сигналы давления преобразуются в электрические. Частота ƒ импульсов давления является показателем истинной воздушной скорости ϑ набегающего потока и фиксируется на индикаторе 15.
От проникновения воды, льда, мелких крылатых насекомых и др., содержащихся в потоке 5, измеритель защищен на входе фильтром 22 и обогревателем 23, расположенным внутри корпуса 1.