ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ СТРУЙНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
THREE-COMPONENT JET ANGULAR RATE TRANSDUCER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения величины угловой скорости подвижных объектов в трех плоскостях вращения.
К группе аналогов заявленного технического решения относятся датчики угловой скорости, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и полезную модель №155046, №2273858, №2516196.
Известен трехкомпонентный измеритель угловой скорости на основе сферического гироскопа с электростатическим подвесом по патенту на полезную модель RU №155046, МПК G01C 19/24, опубл. в бюл. №26, 20.09.2015 - [1], содержащий сферический полый ротор с нанесенным на его поверхность растровым рисунком, заключенный в вакуумную камеру, окруженный тремя парами ортогонально расположенных силовых поддерживающих электродов подвеса с источником высокочастотного напряжения, двухфазный асинхронный двигатель для привода ротора гироскопа с двумя парами диаметрально расположенных в экваториальной плоскости ротора обмоток, соединенных с источником переменного тока, причем одна из пар обмоток соединена с ним через конденсатор, обеспечивающий сдвиг фазы на 90°, а также систему отключения обмоток асинхронного двигателя после набора ротором заданной скорости вращения, обмотки демпфирования ротора, систему измерения перемещений ротора по трем осям, содержит две пары диаметрально расположенных последовательно соединенных обмоток, образующих два датчика момента, оси моментов которых перпендикулярны оси собственного вращения ротора, две пары электрически изолированных сегментных электродов, расположенных в экваториальной плоскости на внутренней поверхности вакуумной камеры, причем электроды каждой пары расположены симметрично по боковым сторонам от поддерживающих электродов. Вдоль оси ОХ расположена пара измерительных электрически изолированных сегментных электродов, а вдоль OY - пара силовых электрически изолированных сегментных электродов, два оптических датчика съема информации, выполненные в виде твердотельного лазера и фотоприемника, два усилителя-преобразователя, при этом выход первого фотоприемника предназначен для определения угла поворота ротора вокруг оси ОХ корпуса, соединен со входом усилителя-преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, одна из которых содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающего момент вокруг оси OY, выход второго фотоприемника, предназначенного для определения угла поворота вокруг оси OY корпуса, соединен со входом другого усилителя-преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, одна из обмоток которого также содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающий момент вокруг оси ОХ, последовательно с обмотками датчиков моментов включены эталонные резисторы, падения напряжения на которых несет информацию об оценках угловых скоростей ω
и ω
объекта, силовая пара электрически изолированных сегментных электродов, расположенных вдоль оси ОХ, соединена последовательно с источником высокочастотного напряжения, дросселем и резистором, образуя цепь возбуждения колебаний, измерительная пара электрически изолированных сегментных электродов, расположенных вдоль оси OY, соединена последовательно с дросселем и эталонным резистором, который соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, выход фазочувствительного выпрямителя соединен со входом масштабирующего устройства, на выходе которого формируется электрический сигнал, пропорциональный измеряемой оценке ω
угловой скорости объекта вокруг оси OZ.
x
y
z
Недостатком такого трехкомпонентного измерителя угловой скорости является влияние на результирующую погрешность составляющей, обусловленной эффектом некоммутативности конечных поворотов осей чувствительности гироскопов. Кроме того, под воздействием климатических и механических факторов возникает нестабильность работы источника и приемника излучение, входящих в датчик съема информации.
Известен трехкомпонентный измеритель угловой скорости по патенту на изобретение RU №2273858, МПК G01P 9/02, опубл. в бюл. №10, 10.04.2006 - [2], содержащий три датчика угловой скорости с взаимно перпендикулярными осями, три трехвходовых сумматора, шесть инвертирующих усилителей, соответствующим образом связанных между собой для формирования выходного сигнала. Датчики угловой скорости могут быть выполнены в виде волоконно-оптических датчиков угловой скорости, или в виде роторных вибрационных гироскопов, или в виде лазерных гироскопов, или в виде микромеханических гироскопов. Коэффициент усиления каждого из инвертирующих усилителей зависит от степени влияния угловой скорости, измеряемой тем датчиком угловой скорости, выход которого соединен с входом инвертирующего усилителя, на датчик угловой скорости, выход которого соединен с первым входом трехвходового сумматора, другой вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя.
Недостатком данного устройства является структурная и аппаратная избыточность электрической схемы трехкомпонентного измерителя угловой скорости, которая необходима для компенсации перекрестных угловых скоростей и в конечном итоге снижающая их надежность и повышающая сложность синхронизации источников информации, построенных на различных физических принципах.
«xoz»
«yoz»
«xoz»
«yoz»
«xoz»
«yoz»
«xoz»
«yoz»
Известен двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости по патенту на изобретение RU №2516196, МПК G01P 3/26, опубл. в бюл. №14, 20.05.2014 - [3], 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 и 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 и вращения объекта, и включены в измерительную схему, которая образует каналы измерения угловых скоростей в плоскостях и 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 и 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 двухкомпонентного струйного датчика угловой скорости следует отнести технологическую сложность выставки пневматического нуля после сборки датчика, ограниченный диапазон измерения угловой скорости; недостаточная чувствительность в диапазоне околонулевых значение угловой скорости и отсутствие возможности измерения третьей составляющей угловой скорости ω.
xoz
yoz
ω
, ω
z
хоу
хоу
х
у
z
x
y
z.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, взятым за прототип, является трехкомпонентный струйный датчик угловой скорости согласно патенту на изобретение RU №2527529, МПК G01P 3/26, опубл. в бюл. №25, 10.09.2014 - [4], содержащий 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 четыре электропроводящие изолированные стойки, расположенные друг относительно друга попарно-ортогонально и симметрично относительно центральной стойки в плоскостях "" и "" вращения объекта, четыре анемочувствительных элемента, расположенные перпендикулярно течению струи, первые концы которых электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, а вторые концы каждого из четырех анемочувствительных элементов закреплены на своих стойках и включены в свои измерительные схемы каналов измерения составляющих угловой скорости измерительного блока, и вторая рабочая камера, расположенная своей осью "" ортогонально оси первой рабочей камеры в плоскости ""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 две изолированные стойки, расположенные друг относительно друга ортогонально и симметрично относительно центральной стойки в плоскости "" вращения объекта, два анемочувствительных элемента, 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 трех 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.
z
К недостаткам прототипа следует отнести ограниченное быстродействие датчика при измерении составляющей угловой скорости ω, связанной с необходимостью изменения пространственного положения рабочей струи на переходных режимах движения объекта установки, сложность обеспечения одинакового расхода газа в обеих рабочих камерах при жестких ограничениях массогабаритных характеристик. Кроме того, существенным недостатком струйного датчика является сложность настройки пневмонуля в процессе эксплуатации устройства, вызванной тем, что винты установки пневмонуля находятся внутри герметизированного корпуса датчика.
Существующие датчики и измерители угловой скорости, несмотря на разнообразие методов и принципов их построения: лазерные, вибрационные, магнитогидродинамические, магнитомеханические, вихревые, струйные, не отвечают современным требованиям по числу составляющих вектора угловой скорости, предъявляемым к устройствам измерения угловой скорости, устанавливаемых на малоразмерных летательных аппаратах, в связи с недостаточной механической надежностью, что требует их трехкратного резервирования, а следовательно, ведет к увеличению габаритно-массовых характеристик.
z
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении его эффективности, а именно: повышении надежности и снижении его массогабаратных характристик за счет использования элементов конструкции преобразователя, позволяющих формировать обратное ламинарное течение к нагнетателю, что позволяет получать информацию о третьей составляющей угловой скорости ω, а также в повышении точности, достигаемой за счет проведения коррекции пневматического нуля с помощью регулировочного блока.
«xoz», «yoz»
Технический результат достигается тем, что в трехкомпонентном струйном преобразователе угловой скорости, содержащем  герметичный корпус, в котором размещена первая рабочая камера, в которой последовательно расположены нагнетатель и блок формирования ламинарной струи, а на ее выходе установлен первый анемочувствительный блок, включающий плоское основание, проницаемое для протекания струи и расположенное перпендикулярно направлению ее течения, на котором перпендикулярно установлены центральная стойка и четыре электропроводящие изолированные стойки, расположенные друг относительно друга попарно-ортогонально и симметрично относительно центральной стоки в плоскостях вращения объекта, при этом их четыре анемочувствительных элемента расположены перпендикулярно течению струи, первые концы которых электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, а вторые концы соответственно каждого из четырех анемочувствительных элементов закреплены на своих стойках,
вторую рабочую камеру, вход которой пневматически связан выходом первой рабочей камеры, а на выходе установлен проницаемый для протекания струи второй анемочувствительный блок, после которого поток поступает на вход нагнетателя,
x
y
z
x
y
z
при этом выходы первого анемочувствительного блока первой рабочей камеры подключены к входам измерительной схемы канала измерения составляющей угловой скорости ω и измерительной схемы канала измерения составляющей угловой скорости ω, измерительного блока, а выходы второго анемочувствительного блока второй рабочей камеры подключены к входам измерительной схемы канала измерения составляющей угловой скорости ω измерительного блока, выходные сигналы которого являются выходными сигналами трехкомпонентного струйного преобразователя угловой скорости по составляющим угловой скорости ω, ω и ω,
новым является то
, что
вторая рабочая камера образована внешней цилиндрической поверхностью первой рабочей камеры и внутренней поверхностью корпуса, с получением криволинейного щелевого канала, симметрично сужающегося по криволинейной боковой поверхности к выходу по внешней поверхности первой рабочей камеры и расположенного вдоль нее для обеспечения стесненного ламинарного потока с параболическим профилем распределения скоростей в поперечном сечении, и являющегося второй щелевой рабочей камерой, на выходе которой введен регулировочный блок, включающий симметрично установленные две механически связанные и пространственно определенные левую и правую направляющие лопатки, выполненные с возможностью установки пневматического нуля относительно второго аэрометрического блока при отсутствии внешних воздействий по изменению угловой скорости объекта, при этом левая и правая направляющие лопатки синхронно перемещаются перпендикулярно потоку по щелевой камере с помощью левого и правого регулировочных винтов,
z
кроме того, второй анемочувствительный блок закреплен на выходе второй щелевой рабочей камеры и включает основание, установленное вдоль течения потока как продолжение внутренней поверхности паза второй рабочей камеры, и на котором ортогонально и симметрично относительно центральной стойки размещены электропроводящие изолированные стойки, на которых перпендикулярно течению потока закреплены симметрично в центре максимальной скорости распределения скоростей потока анемочувствительные элементы, первые выводы которых электрически соединены и закреплены на центральной стойке, а вторые соответственно на стойках, выходы которых подсоединены к входам измерительной схемы канала измерения составляющей угловой скорости ω измерительного блока.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, на которой представлена структурно-функциональная схема трехкомпонентного струйного преобразователя угловой скорости, и на фиг. 2, на которой представлена развертка внешней поверхности рабочей камеры.
Здесь:
1 - корпус;
2 - первая рабочая камера;
3 - нагнетатель;
4 - блок формирования ламинарной струи в первой рабочей камере;
5 - основание первого анемочувствительного блока;
6 - центральная изолированная стойка первого анемочувствительного блока;
7, 8, 9, 10 - изолированные стойки первого анемочувствительного блока;
11, 12 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения «xoz»;
13, 14 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения «yoz»;
15 - вторая щелевая рабочая камера;
16 - измерительный блок;
x
17 - измерительная схема канала измерения составляющей угловой скорости ω;
y
18 - измерительная схема канала измерения составляющей угловой скорости ω;
z
19 - измерительная схема канала измерения составляющей угловой скорости ω;
20 - блок обработки сигналов;
21 - левая направляющая лопатка;
22 - правая направляющая лопатка;
23 - левый регулировочный винт;
24 - правый регулировочный винт;
25 - основания второго анемочувствительного блока;
26 - центральная изолированная стойка второго анемочувствительного блока;
27 - левая изолированная стойка второго анемочувствительного блока;
28 - правая изолированная стойка второго анемочувствительного блока;
29, 30 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения «хоу».
xoz
,
yoz
Трехкомпонентный струйный преобразователь угловой скорости содержит герметичный корпус 1, в котором размещена первая рабочая камера 2. В ней последовательно расположены нагнетатель 3 и блок 4 формирования ламинарной струи. На выходе камеры 2 установлен первый анемочувствительный блок, включающий плоское основание 5, проницаемое для протекания струи и расположенное перпендикулярно направлению ее течения. На основании 5 перпендикулярно установлены центральная стойка 6 и электропроводящие изолированные стойки 7, 8, 9, 10, расположенные друг относительно друга попарно-ортогонально и симметрично относительно центральной стоки 6 в плоскостях «»«»вращения объекта. Анемочувствительные элементы 11, 12, 13, 14 расположены перпендикулярно течению струи. Их первые концы электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке 6, а вторые концы соответственно каждого из анемочувствительных элементов 11, 12, 13, 14 закреплены на своих стойках 7, 8, 9, 10.
В герметичном корпусе 1 содержится вторая рабочая камера 15, вход которой пневматически связан выходом первой рабочей камеры 2. На выходе второй рабочей камеры 15 установлен проницаемый для протекания струи второй анемочувствительный блок, после которого поток поступает на вход нагнетателя 3.
x
y
z
x
y
z
Выходы первого анемочувствительного блока первой рабочей камеры 2 подключены к входам измерительной схемы 17 канала измерения составляющей угловой скорости ω и измерительной схемы 18 канала измерения составляющей угловой скорости ω измерительного блока 16. Выходы второго анемочувствительного блока второй рабочей камеры 15 подключены к входам измерительной схемы 19 канала измерения составляющей угловой скорости ω измерительного блока 16. Выходные сигналы измерительного блока 16 являются выходными сигналами трехкомпонентного струйного преобразователя угловой скорости по составляющим угловой скорости ω, ω и ω.
Вторая рабочая камера 15 образована внешней цилиндрической поверхностью первой рабочей камеры 4 и внутренней поверхностью корпуса 1, с получением криволинейного щелевого канала, симметрично сужающегося по криволинейной боковой поверхности к выходу по внешней поверхности первой рабочей камеры 2 и расположенного вдоль нее для обеспечения стесненного ламинарного потока с параболическим профилем распределения скоростей в поперечном сечении, и являющегося второй щелевой рабочей камерой 15. На выходе камеры 15 введен регулировочный блок, включающий симметрично установленные две механически связанные и пространственно определенные левую 21 и правую 22 направляющие лопатки, выполненные с возможностью установки пневматического нуля относительно второго аэрометрического блока при отсутствии внешних воздействий по изменению угловой скорости объекта. При этом левая 21 и правая 22 направляющие лопатки синхронно перемещаются перпендикулярно потоку по щелевой камере с помощью левого 23 и правого регулировочных винтов 24.
z
Второй анемочувствительный блок закреплен на выходе второй щелевой рабочей камеры 15 и включает основание 25, установленное вдоль течения потока как продолжение внутренней поверхности паза второй рабочей камеры 15. На основании 25 ортогонально и симметрично относительно центральной стойки 26 размещены электропроводящие изолированные стойки 27 и 28, на которых перпендикулярно течению потока закреплены симметрично в центре максимальной скорости распределения скоростей потока анемочувствительные элементы 29 и 30. Первые выводы этих анемочувствительных элементов электрически соединены и закреплены на центральной стойке 26, а вторые соответственно на стойках 27 и 28, выходы которых подсоединены к входам измерительной схемы канала 19 измерения составляющей угловой скорости ω измерительного блока 15.
Трехкомпонентный струйный преобразователь угловой скорости работает следующим образом. При отсутствии угловой скорости нагнетатель 2 создает в первой рабочей камере 2 устройства замкнутый поток газа, который далее через блок 4 формирования ламинарной струи преобразуется в ламинарную затопленную струю газа. Далее струя, проходя через первый анемочувствительный блок ко входу второй щелевой рабочей камеры 15, за счет ее криволинейной боковой поверхности преобразуется в стесненный ламинарный поток с параболическим профилем скоростей газа, который затем омывает второй анемочувствительный блок.
x
y
z
Оси симметрии параболического распределения скоростей в ламинарной струе в первой рабочей камере 2 и в ламинарном потоке второй рабочей камеры 15 в поперечном сечении должны совпадать с центром симметрии анемочувствительных блоков, т.е. положением центральных стоек 6 и 26, создавая одинаковый средний обдув пар анемочувствительных элементов по трем составляющим ω, ω и ω угловой скорости, что в первой рабочей камере обеспечивается с помощью блока 4 формирования струи, а во второй с помощью регулировочного блока, состоящего из левой 21 и правой 22 направляющих лопаток (относительно потока), положение которых синхронно устанавливается с помощью регулировочных винтов 22 и 23 соответственно.
x
y
x
y
x
y
z
z
U
U
xoz
yoz
.
U
При появлении угловых скоростей ω, ω, струя газа смещается от исходного положения в первой рабочей камере 2, что приводит к изменению величины средней скорости потока газа, обдувающего анемочувствительные элементы 11, 12, 13, 14, и, в конечном счете, к пропорциональному изменению выходных сигналов ,  на выходе измерительных схем 17 и 18 измерительного блока 16 по составляющим ω, ω угловой скорости в плоскостях «» и «»При этом эти составляющие не влияют на ламинарный поток второй рабочей камеры 15, и не выделяется информативный сигнал , то есть информация по составляющей ω на выходе измерительной схемы 19 измерительного блока 16 отсутствует.
z
z
z
U
xoz
При появлении составляющей угловой скорости ω поток деформируется во второй рабочей камере таким образом, как показано на фиг. 2, за счет воздействия направляющих боковых стенок второй щелевой рабочей камеры 15 на поток. При этом изменяется режим обдува анемочувствительных элементов 29 или 30. Если поток взаимодействует с левой направляющей лопаткой 21, то он смещается к правой направляющей лопатке 22, во второй рабочей камере 15 происходит деформация параболического профиля стесненного ламинарного потока. Информативным будет правый анемочувствительный элемент 30 (фиг. 2). Если поток взаимодействует с правой направляющей лопаткой 22, то поток смещается к левой направляющей лопатке 21, происходит деформация параболического профиля стесненного ламинарного потока во второй рабочей камере 15. При этом информативным будет левый анемочувствительный элемент 29. На выходе измерительной схемы 19 появляется сигнал по напряжению , пропорциональный угловой скорости ω в плоскости «».
xoz
yoz
хоу
Таким образом, заявляемый трехкомпонентный струйный преобразователь угловой скорости позволяет измерять угловую скорость в трех плоскостях «», «» и «», обладает повышенной надежностью за счет упрощения конструкции, упрощения установки пневматического нуля во второй рабочей камере и точности во времени экскплуатации за счет использования последовательной замкнутой пневматической цепи, приводит к одинаковому расходу газа в обеих рабочих камерах, а также обладает компактными массогабаритными характеристиками. При этом конструкция трехкомпонентного струйного преобразователя угловой скорости проста в изготовлении и надежна и безопасна в работе.