УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩАЮЩЕГОСЯ ТЕЛА
DEVICE FOR MEASUREMENT OF MOVING OBJECT SPEED

Изобретение относится к измерению линейной скорости путем определения времени прохождения заданного расстояния, а именно времени пролета телом фиксированной точки.
Известно устройство измерения скорости перемещающегося тела, содержащее два разнесенных датчика в виде электрических контактов, замыкающих электрическую цепь. Эти контакты выполнены подвижными и установлены на гибких пластинах, на которые опираются установленные на границах базового расстояния упругие лепестки, которые, при воздействии перемещающегося тела, взаимодействуют с гибкими пластинами контактов и замыкают их, причем первая пара контактов при замыкании включает измерительный прибор, например частотомер, а вторая - его выключает [1].
Недостатком такого устройства является неточность измерения за счет наличия механических контактов.
Известно устройство для измерения скорости метаемого тела, содержащее два разнесенных датчика и два измерительных прибора, связанных с выходами датчиков. Каждый из датчиков выполнен в виде двух перпендикулярно расположенных линеек излучающих диодов и линеек фотоприемников. Все элементы устройства соединены между собой определенным образом. При этом блок логики состоит из матрицы элементов «И», матрицы триггеров и блока индикации [2].
Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является необходимость использования двух датчиков, разнесенных друг относительно друга, что требует достаточно протяженного пространства, например полигона, и не позволяет осуществлять измерение скорости в лабораторных условиях, например в тире, а также наличие двух измерительных приборов, что усложняет оборудование. Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа, основанное на следующем. Устройство по прототипу измеряет среднюю скорость на дистанции между двумя датчиками, а не мгновенную скорость в определенной точке траектории. На практике во всех справочниках приводится начальная скорость перемещения тела (снаряда, пули) (см. например [3] или [4]). А зная начальную скорость перемещающегося тела, нетрудно определить скорость движения этого тела через какой-либо промежуток времени. Кроме того, если датчик установить в определенную точку траектории движения тела, то можно измерить его скорость в этой точке.
Согласно второму закону Ньютона
m·а=F,
где m - масса тела;
а - ускорение его движения;
F - действующая сила.
В нашем случае после выстрела тело перемещается в воздухе, и уравнение его движения имеет вид [5]
.
Здесь  - ускорение (производная скорости по времени);
X - сила лобового сопротивления (знак «-» означает направление силы противоположно скорости движения).
Воспользуемся выражением для вычисления силы лобового сопротивления, приведенным в [6], с.47:
,
где i - коэффициент формы снаряда.
(см. [6], с.47). Здесь: «С» - баллистический коэффициент снаряда, который приводится в справочной литературе. Например для снаряда калибра 23 мм ОФЗ С=2; для 30 мм снаряда С=1,5 ([6], с.51).
- коэффициент формы эталонного снаряда (среднее значение), характеризующий влияние формы такого снаряда на сопротивление воздуха.
([6], с.46).
- коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела и числа
М, приводится в справочной литературе.
Например, если скорость снаряда равна 700 м/с (начальная скорость снаряда 23 мм с ОФЗ снарядом [4]), т.е. М≈2.0, по справочной литературе определяем . В частности, для снарядов авиационных пушек при таком числе М значение коэффициента  равно 0,8 ([7], с.311, график для тела
2);
ρ - массовая плотность воздуха, в котором перемещается тело (приводится в справочной литературе).
Для определения р можно воспользоваться формулой ([5], с.97):
.
Здесь: Р - давление воздуха, где осуществляется перемещение тела;
Т - температура воздуха, в котором перемещается тело;
R - газовая постоянная; S - площадь миделя снаряда;
. Здесь: d - калибр снаряда.
Тогда
Обозначим  - известная (вычисляемая) величина.
Откуда ;
или .
Проинтегрируем последнее равенство:
получим
Или , откуда получим
1
Здесь: V - начальная скорость тела в момент t=0, измеряемая предлагаемым устройством;
2
2
V - скорость тела в момент времени t;
m - масса перемещающегося тела.
Выразим из последнего соотношения скорость ,
и окончательно .
2
2
1
Таким образом, для определения скорости перемещающегося тела V через время t после выстрела достаточно знать его начальную скорость V и использовать справочные данные.
Технической задачей изобретения является измерение скорости перемещающегося тела в любой точке траектории на основе определения начальной скорости движения или непосредственное измерение скорости в любой точке траектории перемещающегося тела, а также обеспечение компактности предлагаемого устройства (упрощение оборудования и увеличение надежности устройства).
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения скорости перемещающегося тела, содержащем датчики с фотоприемниками, измерительное устройство, содержащее элемент «И», датчик располагается вблизи метающего устройства и представляет собой лазерный излучатель, луч которого пересекает траекторию движения перемещающегося тела и попадает в фотоприемник.
и
Кроме того, устройство содержит генератор импульсов образцовой частоты, цифровое вычислительное и цифровое отсчетное устройства в качестве измерительного устройства. В фотоприемнике формируется импульс электрического напряжения, совпадающий с длительностью перекрытия луча τ. Измерение длительности этого импульса осуществляется путем подсчета числа импульсов N образцовой частоты
с периодом
0
и
Т (называемых метками времени) за промежуток времени, равный измеряемому интервалу τ:
.
и
0
Откуда измеряемый интервал равен τ=N·T.
Вычисление скорости перемещающегося тела осуществляется по формуле
.
Здесь L - протяженность перемещающегося тела.
Например, у снаряда калибра 30 мм с ОФЗ снарядом к пушке HP - 30 [3] средняя длина L = 137,865 мм.
Перемещающееся тело может иметь любую форму и быть изготовлено из любого материала.
На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения скорости быстро перемещающегося тела.
Устройство для измерения скорости перемещающегося тела содержит световой лазерный (или любой другой) излучатель 6 и фотоприемник 7. Лазерный излучатель предпочтительнее тем, что его луч слабо расходится, оставаясь практически постоянным в сечении на используемой длине. Между излучателем 6 и фотоприемником 7 перемещается тело 11. За фотоприемником 7 располагается усилитель-формирователь 8, на который поступает сигнал с фотоприемника 7. Генератор импульсов образцовой частоты 1 формирует импульсы, которые поступают на логический элемент «И» 2, на этот элемент поступает сигнал с усилителя - формирователя 8. Блок управления 9 выдает сигналы на двоичный счетчик 3 и метающее устройство, например пушку 10. Цифровое вычислительное устройство 4 принимает сигнал с двоичного счетчика 3. На цифровое отсчетное устройство 5, например, на жидкокристаллических или светодиодных индикаторах, сигнал поступает с цифрового вычислительного устройства 4.
Описание работы устройства.
По команде «Пуск», поступающей на вход блока управления 9, в нем формируются одиночные импульсы «сброс» и «выстрел». Импульс «сброс» поступает с первого выхода блока управления на второй вход двоичного счетчика 3 и осуществляет обнуление всех его триггеров. Импульс «выстрел» поступает со второго выхода блока управления 9 на метающее устройство (например, пушку) 10 и обеспечивает выброс (выстрел) тела, в результате чего тело (снаряд) 11, пролетая по траектории, пересекает световой луч излучателя 6, направленного на фотоприемник 7, обеспечивает формирование «строб» - импульса длительностью  на выходе усилителя - формирователя 8, своим входом связанного с выходом фотоприемника 7.
0
Импульсы с выхода генератора импульсов образцовой частоты 1, следующие с периодом Т, подаются на вход логического элемента «И» 2, который пропускает их на первый вход двоичного счетчика импульсов 3 в течении «строб» - импульса. Выходной сигнал счетчика 3 в виде числа импульсов  представленных в двоичном коде, подается на вход цифрового вычислительного устройства 4, выполняющего вычисление скорости движения тела по формуле  и формирование кода для индикации этой величины в цифровом отсчетном устройстве 5.
и
Так как перемещающееся тело 11 имеет небольшую протяженность, то можно считать его скорость постоянной на интервале τ. Если требуется определить начальную скорость движения тела, то лазерный излучатель с фотоприемником 7 размещают рядом с метающим устройством 10, например у среза ствола пушки. Когда же необходимо измерить скорость перемещения тела в какой-либо точке траектории, то датчик располагают в этой точке.
Предлагаемое устройство обеспечивает измерение мгновенной скорости перемещения тела (а не средней) в любой точке траектории полета тела.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2216025, кл. G01Р 3/66, опубл. 10.11.2003.
2. Патент РФ на изобретение №2285267, кл. G01Р 3/66, опубл. 10.10.2006 (прототип).
3. 30 мм патрон с беспламенным порохом с осколочно-зажигательным (ОФЗ) снарядом и взрывателем А-30А к пушке НР-30. Техническое описание и указания по эксплуатации. - 1974. Введено в действие командиром в/ч 73855-А.
4. 23 мм патрон с осколочно-зажигательно-трассирующим снарядом к пушке НР-23. Техническое описание. - 1974. Введено в действие командиром в/ч 73855-А.
5. Авиационные боеприпасы. Задания на полигонные работы. - Даугавпилс, 1987. - с.97.
6. Васильев В.А. Внешняя баллистика авиационных ракет и снарядов. - Киев. 1966. - с.46, с.47, с.51.
7. Мельников А.П. Аэродинамика больших скоростей. - М.: Военное издательство МО СССР, 1961. - с.311.