УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения направления и величины скорости потока воздуха, а также для определения скорости летательного аппарата, преимущественно сверхлегкого, относительно воздушной среды.
Известно устройство для измерения вектора скорости воздушного потока, содержащее корпус и размещенные в корпусе приемник динамического и статического давлений и датчик вектора скорости (RU 2029958 С1, 27.02.1995).
В известном устройстве установлен узел ориентации по потоку датчика вектора скорости, который имеет сложную конструкцию и не обеспечивает высокую точность измерения параметров потока, поскольку выполнен в виде неподвижного полукольца, двух колец с перпендикулярными осями вращения, рамы с грузом и стабилизатором.
Известно также устройство для измерения вектора скорости воздушного потока (прототип), содержащее симметричный относительно центральной оси корпус и расположенные в нем центральный канал, сообщающийся через воздухозаборное центральное отверстие с атмосферой, по меньшей мере два боковых канала, сообщающиеся через воздухозаборные боковые отверстия с атмосферой, и по меньшей мере два канала статического давления, сообщающиеся с атмосферой через отверстия статического давления (RU 2260780 С2, 20.09.2005).
Однако известное из патента RU 2260780 устройство для измерения вектора скорости воздушного потока имеет низкую чувствительность и точность измерения, поскольку приемные отверстия
статического давления выполнены на плоской торцевой поверхности корпуса, а сопряжение сферической поверхности корпуса с торцевой имеет острую кромку. Вследствие этого возникают большие возмущения в потоке, создаваемые корпусом устройства при различных углах атаки набегающего потока. Кроме того, в конструкции известного устройства не предусмотрен канал, соединяющий полость полного и статического давления, при этом полость статического давления выполнена относительно небольшого объема, что также уменьшает точность измерения.
Технически результат полезной модели заключается в повышении чувствительности устройства к углам скоса потока, расширения диапазона измерений направления (угловое положение) вектора (в плоскости до плюс-минус 180 градусов) и точности измерения вектора скорости воздушного потока, особенно при малых скоростях (5-20 м/с).
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для измерения вектора скорости воздушного потока, содержащее симметричный относительно центральной оси корпус и расположенные в нем центральный канал, сообщающийся через воздухозаборное центральное отверстие с атмосферой, по меньшей мере два боковых канала, сообщающиеся через воздухозаборные боковые отверстия с атмосферой, и по меньшей мере два канала статического давления, сообщающиеся с атмосферой через отверстия статического давления, согласно полезной модели, снабжено полостью статического давления, соединенной с каналами статического давления, по меньшей мере тремя измерительными каналами и термоанемометрами. Каждый термоанемометр установлен в соответствующем измерительном канале. Один из измерительных каналов соединен входом с центральным каналом, а остальные соединены входом с соответствующими боковыми каналами. Выходы измерительных каналов сообщаются с полостью статического давления. Поверхность головной части корпуса имеет форму полусферы. Поверхность
средней части корпуса имеет цилиндрическую форму, сопряженную с поверхностью головной части корпуса, а поверхность концевой части корпуса имеет форму сужающего к торцу корпуса усеченного конуса, боковая поверхность которого сопряжена с цилиндрической поверхностью средней части.
Кроме того, боковые воздухозаборные отверстия могут быть расположены по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга на поверхности головной части перед ее сопряжением с поверхностью средней части.
Целесообразно, чтобы центральная ось каждого бокового канала была расположена под углом от 40 до 42 градусов относительно центральной оси корпуса.
Рекомендуется, чтобы отверстия статического давления располагались на поверхности концевой части корпуса перед ее сопряжением с поверхностью средней части, причем центральные оси отверстий статического давления находятся в плоскости поперечного сечения корпуса, а парные отверстия разнесены по диаметру сечения.
Предусмотрено, что устройство снабжается штангой, закрепленной на торце концевой части корпуса соосно последнему.
Целесообразно также, чтобы каждый термоанемометр был выполнен в виде чипа.
На чертеже в поперечном сечении показан общий вид устройства для измерения вектора скорости воздушного потока.
Устройство для измерения вектора скорости воздушного потока состоит из симметричного относительно центральной оси корпуса (1) и расположенных в нем центрального канала (2), сообщающегося через воздухозаборное центральное отверстие с атмосферой, по меньшей мере двух боковых каналов (3), сообщающихся через воздухозаборные боковые отверстия с атмосферой, и по меньшей мере двух каналов
статического давления (4), сообщающиеся с атмосферой через отверстия статического давления. Устройство также снабжено полостью статического давления (5), соединенной с каналами статического давления, по меньшей мере тремя измерительными каналами (6) и термоанемометрами (7). Термоанемометр выполнен на основе теплового микропреобразователя. Каждый термоанемометр установлен в соответствующем измерительном канале. Суммарное гидравлическое сопротивление каналов статического давления должно быть меньше суммарного гидравлического сопротивления измерительных каналов. Один из измерительных каналов соединен входом с центральным каналом, а остальные соединены входом с соответствующими боковыми каналами. Выходы измерительных каналов сообщаются с полостью статического давления.
Поверхность головной части корпуса имеет форму полусферы. Поверхность средней части корпуса имеет цилиндрическую форму, сопряженную с поверхностью головной части корпуса. Поверхность концевой части корпуса имеет форму усеченного конуса, сужающего к торцу корпуса. Боковая поверхность конуса сопряжена с цилиндрической поверхностью средней части. Такая конструкция корпуса практически исключает влияние срыва воздушного потока на результате измерения скорости.
Для расширения диапазона измерения и повышения точности измерения величины вектора скорости на больших углах атаки, боковые воздухозаборные отверстия расположены по окружности на одинаковом расстоянии друг от друга на поверхности головной части перед ее сопряжением с поверхностью средней части. Целесообразно, чтобы центральная ось каждого бокового канала располагалась под углом от 40 до 42 градусов относительно центральной оси корпуса. Рекомендуется, чтобы отверстия статического давления располагались на поверхности концевой части корпуса перед ее сопряжением с поверхностью средней
части, причем центральные оси отверстий статического давления находятся в плоскости поперечного сечения корпуса, а парные отверстия разнесены по диаметру сечения. Для крепления корпуса устройства к объекту и уменьшения влияния вихрей, образующихся в результате обтекания воздушным потоком корпуса, на результаты измерений, устройство снабжено штангой (8), закрепленной на торце концевой части корпуса соосно последнему.
Каждый термоанемометр выполняется в виде чипа, что позволяет получить большой выходной сигнал (сотни мВ), малый расход энергии и микро размеры прибора. Структура чипа позволяет использовать его как чувствительный элемент термоанемометра с косвенным подогревом. Конструкция чипа состоит из тонкой многослойной мембраны, лежащей на кремниевом основании. В центральной части мембраны сформирован пленочный нагреватель, по обе стороны которого расположены «горячие» концы пленочных термопар. «Холодные» концы термопар расположены над кремниевым обрамлением, что обеспечивает необходимый отвод тепла. Термопары объединены в термопарные батареи.
Устройство для измерения вектора скорости воздушного потока работает следующим образом.
При обтекании потоком корпуса устройства распределение давления на полусфере зависит от величины и направления (вектора) скорости набегающего потока. Набегающий поток воздуха проходит через центральный и боковые каналы и попадает в измерительные каналы с установленными в них термоанемометрами, выполненными в виде чипа. При прохождении потока вдоль поверхности чипа в направлении от одной батареи термопар к другой через область нагревателя, температура батареи термопар на входе определяется параметрами внешнего потока, а температура батареи термопар на выходе определяется процессом тепло-массообмена, определяемого скоростью потока, тепловыделением в
поток от нагревателя и температурой внешнего потока. Разность ЭДС термопарных батарей на входе и выходе зависит от скорости (расхода) воздушного потока. При прохождении воздуха по центральному и боковым каналам, и далее по измерительным каналам и выходом его в полость статического давления, возникает разность давлений, которая определяет величину расхода в каждом измерительном канале. Отбор статического давления потока обеспечивается через отверстия и каналы статического давления.