ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
TWO-COMPONENT ANGULAR VELOCITY JET SENSOR

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения величины угловой скорости подвижных объектов в двух плоскостях вращения.
К группе аналогов заявленного технического решения относятся устройства, защищенные патентом США №3205715 и авторским свидетельством СССР №1005560.
Струйный датчик угловой скорости по пат. кл. 73-516, США №3205715 содержит сопло, формирующее струю газа, нагнетатель, рабочую камеру, анемочувствительные элементы, расположенные симметрично относительно оси струи в плоскости вращения и преобразующие отклонение струи газа в электрический сигнал, пропорциональный угловой скорости, измерительные схемы и усилители сигналов. Недостатками этого устройства являются погрешности, возникающие за счет перекрестной влияния угловой скорости; возникновение погрешности при действии угловой скорости, определяемой наличием разности поступательных скоростей струи, покинувших срез сопла в различные моменты времени; неоднозначность измерения угловой скорости вследствие ее ограниченного диапазона измерения.
Струйный датчик угловой скорости по А.С. №1005560 G01P 3/26, опубликованный в бюл. №53, 14.08.79, содержит нагнетатель (источник пневмопитания), два чувствительных элемента в виде проволочек (металлических нитей), расположенные в точках максимального изменения скорости потока под действием угловой скорости на склонах параболического профиля скоростей и включенные в электроизмерительную схему, обеспечивающую режим постоянного сопротивления. Выделение и усиление информационного сигнала чувствительных элементов осуществляется дифференциальными усилителями. Недостатком устройства является низкая точность измерения, обусловленная влиянием контактных сопротивлений проволочных чувствительных элементов и сложностью настройки пневмонуля в процессе эксплуатации устройства, вызванной тем, что винты установки пневмонуля находятся внутри герметизированного объема датчика.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению, взятым за прототип, является двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости по А.С. №1036182 G01P 3/22, опубликованному в бюл. №30, 16.03.81, состоящий из корпуса, нагнетателя, прокачивающего газ через сопло, формирующее струю, чувствительных элементов, установленных в рабочей камере и выполненных в виде термоанемометрических преобразователей. Чувствительные элементы образуют в плане правильный треугольник, центр которого расположен на оси рабочей камеры, при этом первый чувствительный элемент ориентирован параллельно одной из измерительных осей датчика. Чувствительные элементы подключены в соответствующие электроизмерительные схемы, выходные напряжения которых преобразуются соответствующими масштабными усилителями в выходные сигналы датчика.
Недостатки прототипа связаны с низкой точностью измерения угловой скорости из-за неидеальности геометрических размеров анемочувствительных элементов, входящих в термоанемометрический преобразователь, наличия погрешности, вызванной перекрестным взаимовлиянием ортогональных составляющих вектора угловой скорости и отсутствием коррекции по чувствительности.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения за счет уменьшения перекрестного влияния угловых скоростей и коррекции чувствительности в каждой плоскости вращения, а также повышении конструктивно-технологических возможностей, позволяющих более точное воспроизведение геометрических параметров элементов устройства.
Технический результат достигается тем, что в двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости, содержащем нагнетатель, формирующее сопло, анемочувствительные элементы, установленные в рабочей камере, измерительную схему, новым является то, что проволочные анемочувствительные элементы расположены друг относительно друга взаимно ортогонально в плоскостях вращения "хоz" и "yoz" подвижного объекта и закреплены на электропроводящих изолированных стойках, установленных на плоском основании, проницаемом для протекания струи и установленном перпендикулярно направлению ее течения в рабочей камере, причем первые концы всех анемочувствительных элементов электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, а вторые концы каждого из анемочувствительных элементов закреплены на своих стойках, расположенных симметрично относительно центральной стойки в плоскостях вращения объекта, а измерительная схема образована из каналов измерения угловых скоростей в плоскостях вращения "xoz" и "yoz" объекта, в каждом из которых входы электроизмерительных схем подключены к соответствующим анемочувствительным элементам, а выходы электроизмерительных схем соединены соответственно с первыми и вторыми входами сумматоров и вычитающих устройств каждого из каналов, при этом выходы сумматоров связаны со входами блоков коррекции чувствительности, выходы которых соединены с первыми входами усилителей информативных сигналов соответствующих каналов, а выходы вычитающих устройств связаны со вторыми входами усилителей информативных сигналов, выходы которых подключены к первому и второму входам блока преобразования информативных сигналов, выход которого является входом для потребителя информации двухкомпонентного датчика угловой скорости.
Кроме того, в двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости основание выполнено в виде диска с отверстиями, образующими ортогонально расположенные перегородки для снижения торможения струи и плавного их обтекания, а герметичный корпус заполнен рабочим газом, что обеспечивает постоянство плотности рабочей среды, более стабильный теплообмен анемочувствительных элементов со струей газа и уменьшение их старения при взаимодействии со средой.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, где представлена структурно-функциональная схема двухкомпонентного струйного датчика угловой скорости.
Здесь:
1 - нагнетатель (источник пневмопитания);
2 - формирующее сопло;
3 - рабочая камера;
4, 7, 9, 10, 11 - изолированные стойки;
5, 12 - анемочувствительные элементы плоскости вращения "yoz";
6, 13 - анемочувствительные элементы плоскости вращения "xoz";
8 - корпус устройства;
14 - основание;
15, 16 - электроизмерительные схемы анемочувствительных элементов в плоскости вращения "xoz";
17, 18 - электроизмерительные схемы анемочувствительных элементов в плоскости вращения "yoz";
19, 22 - сумматоры;
20, 21 - вычитающие устройства;
23 - блок коррекции чувствительности в плоскости вращения "xoz";
24 - усилитель информативного сигнала в плоскости вращения "xoz";
25 - усилитель информативного сигнала в плоскости вращения "yoz";
26 - блок коррекции чувствительности в плоскости вращения "yoz";
27 - блок преобразования информативных сигналов.
Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости включает в себя нагнетатель 1, формирующее сопло 2, рабочую камеру 3, анемочувствительные элементы 5, 12 в плоскости вращения " xoz", анемочувствительные элементы 6, 13 в плоскости вращения "yoz", изолированные стойки 4, 7, 9, 10, 11, расположенные в корпусе устройства 8 на основании 14, электроизмерительные схемы 15, 16 анемочувствительных элементов в плоскости вращения "xoz", электроизмерительные схемы 17, 18 анемочувствительных элементов в плоскости вращения "yoz", сумматоры 19, 22, вычитающие устройства 20, 21, блок коррекции 23 чувствительности в плоскости вращения "xoz", усилитель 24 информативного сигнала в плоскости вращения "xoz", усилитель 25 информативного сигнала в плоскости вращения "yoz", блок коррекции 26 чувствительности в плоскости вращения "yoz" и блок преобразования информативных сигналов 27.
Нагнетатель (источник пневмопитания) 1 создает в корпусе устройства 8 поток газа, который с помощью формирующего сопла 2 преобразуется в ламинарную струю газа в рабочей камере 3, обдувающую анемочувствительные элементы 6, 13 в плоскости вращения "yoz" и анемочувствительные элементы 5, 12 в плоскости вращения "xoz", расположенные взаимно ортогонально друг относительно друга в плоскостях вращения "yoz" и "xoz" и закрепленные на изолированных стойках 4, 7, 9, 10, 11 на основании 14 рабочей камеры 3, при этом с выходов анемочувствительных элементов сигналы поступают на соответствующие входы электроизмерительных схем 15, 16 и 17, 18, образуя каналы измерения угловых скоростей в плоскостях вращения "xoz" и "yoz".
При вращении объекта в плоскости вращения "xoz" с выхода электроизмерительной схемы 15 сигнал поступает на первые входы сумматора 19 и вычитающего устройства 20, с выхода электроизмерительной схемы 16 - на вторые входы сумматора 19 и вычитающего устройства 20, причем сигнал с выход сумматора 19 не изменяется при действии угловой скорости и пропорционален среднему значению скорости обдува анемочувствительных элементов и является входным блока коррекции 23 чувствительности в плоскости вращения "xoz", выходной сигнал вычитающего устройства 20 будет при этом пропорционален величине отклонения струи под действием угловой скорости, т.е. разности средних скоростей обдува анемочувствительных элементов, и является входным усилителя 24 информативного сигнала в плоскости вращения "xoz".
При вращении объекта в плоскости "yoz" аналогично работает второй канал преобразования информативного сигнала по второй составляющей угловой скорости.
При воздействии на датчик одновременно двух составляющих угловой скорости объекта уменьшается среднее значение обдува всех анемочувствительных элементов 5, 6, 12, 13 относительно заданного в блоках коррекции 23, 25 и на их выходах появятся сигналы, увеличивающие чувствительность преобразования усилителей информативных сигналов 24, 25, и, следовательно, на их выходах будут соответствовать величине составляющих угловой скорости, которые поступают на вход блока 27 преобразования информативных сигналов для потребителя.
Кроме того, основание 14, на котором закреплены изолированные стойки 4, 7, 9, 10, 11, выполнено в виде диска с отверстиями, образующими ортогонально расположенные перегородки, а герметичный корпус устройства 8 заполнен рабочим газом.
Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости работает следующим образом.
y1
y2
x1
x2
ΣY
y1
y2
Σx
x1
x2
y
y1
y
x
x1
x2
При отсутствии угловой скорости нагнетатель (источник пневмопитания) 1 создает в корпусе устройства 8 поток газа, который с помощью формирующего сопла 2 преобразуется в струю газа, ось которой совпадает с центром в точке О, являющейся общей точкой взаимно ортогонального расположения анемочувствительных элементов 6, 13 и 5, 12, закрепленных на изолированных стойках 4, 7, 9, 10, 11 рабочей камеры 3. При этом средние скорости, обдувающие каждый анемочувствительный элемент 6, 13 в плоскости вращения "xoz" и 5, 12 в плоскости вращения "yoz", одинаковы и, следовательно, равны напряжения Uω - Uω на выходах электроизмерительных схем 15, 16 в плоскости вращения "xoz" и Uω=Uω на выходах электроизмерительных схем 17, 18 в плоскости вращения "yoz". Суммарные сигналы U=Uω+Uω, U=Uω+Uω пропорциональны средним скоростям параболического закона распределения струи в данном сечении, при этом разность сигналов Uω=Uω-Uω=0 и Uω=Uω-Uω=0.
x1
x2
x1
x2
y
yx1
y2
x
x1
x2
ΣY
ΣY
При появлении угловой скорости в измерительной плоскости струя газа смещается от исходного положения, что приводит к изменению величины средней скорости, обдувающего анемочувствительные элементы, и, в конечном счете, к изменению выходных сигналов Uω, Uωв плоскости вращения yoz", одновременно поступающих на сумматор 22 и вычитающее устройство 21, и Uω, Uω - в плоскости вращения "xoz", одновременно поступающих на сумматор 19 и вычитающее устройство 20. При этом разность сигналов Uω=Uω-Uωпропорциональна составляющей угловой скорости в плоскости вращения "xoz" и поступает на вход усилителя 24 информативного сигнала, Uω=Uω-Uω пропорциональна составляющей угловой скорости в плоскости вращения yoz" и поступает на вход усилителя 25 информативного сигнала. В плоскости вращения "xoz" суммарный сигнал U не изменяется, но при действии перекрестного влияния составляющей угловой скорости в плоскости вращения "yoz" средняя скорость обдува анемочувствительных элементов 6, 13 уменьшается вследствие ухода профиля струи в данном сечении, что приводит, таким образом, к уменьшению сигнала U, и, следовательно, необходимо провести коррекцию чувствительности в этой плоскости вращения, которая осуществляется посредством блока коррекции 23, выполненном на базе операционного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления (Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых И.С. - М.: Сов. радио. 1980 - 224 с.), в сторону увеличения крутизны преобразования усилителя. Аналогичная картина наблюдается в плоскости вращения "yoz" с появлением перекрестного влияния составляющей угловой скорости в плоскости вращения "xoz", где необходимо провести коррекцию чувствительности посредством блок коррекции 26.
С соответствующих выходов усилителей 24, 25 сигналы, пропорциональные составляющим угловой скорости в плоскостях вращения "xoz" и "yoz",  и  через блок преобразования информативного сигнала 27, выполненного на базе микропроцессорного комплекта (Цветков Э.И. Процессорные измерительные средства. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинигр. отд-ие, 1989. - 224 с., ил.), выдаются в удобной для потребителя форме (аналоговой, цифровой и т.д.).
Таким образом, заявляемый двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости позволяет увеличить точность измерения за счет уменьшения перекрестного влияния угловых скоростей в каждой плоскости вращения и коррекции чувствительности, что достигается введением сумматоров, вычитающих устройств, блоков коррекции в каждый из каналов измерения составляющей угловой скорости, а также повышением конструктивно-технологических возможностей с более точным воспроизведением геометрических параметров элементов устройства, причем датчик угловой скорости реализуется на стандартных элементах.