ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
DOUBLE-COMPONENT JET SENSOR OF ANGULAR SPEED

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения величины угловой скорости подвижных объектов в двух плоскостях вращения.
Известен струйный датчик угловой скорости по патенту SU №1005560, G01P 3/26, опубл. 20.08.2005, содержащий нагнетатель, замкнутую газовую цепь, состоящую из формирующего сопла, рабочей камеры, чувствительных элементов, выполненных в виде двух металлических нитей, укрепленных на двух токоподводах - держателях и электроизмерительную схему.
Струйный датчик угловой скорости по патенту РФ №2059251, G01P 3/22, опубл. 27.04.1996 г. содержит герметичный корпус, нагнетатель, рабочее сопло, рабочую камеру с каналом обратного хода газа, термоанеморезисторы, систему стабилизации расхода газа в газовой цепи датчика. Система стабилизации включает в себя термоанеморезистор-излучатель и термоанеморезистор-приемник, установленные в канале обратного хода газа, генератор тепловой метки, регистратор тепловой метки, формирователь временного интервала, схему управления, генератор тактирующих импульсов, счетчик, регистр, ЦАП, задатчик эталонного сигнала, схему сравнения, интегратор, усилитель-преобразователь.
К недостаткам этих устройств следует отнести наличие погрешностей от воздействия перекрестных угловых скоростей, больших технологических погрешностей изготовления и сборки, их однокомпонентность, температурные погрешности теплообмена чувствительных элементов при обдуве струей, недостаточная чувствительность.
Струйный измеритель угловой скорости (Экспресс-информация, КИТ, 1966, №37, реф. №264, с.34-42), содержит внешний источник пневмопитания, сопло, формирующие струи газа из общей для них питающей камеры для двух рабочих камер, в каждой из которых установлены дифференциальные приемники пневматических сигналов от давления струй по каналам после рассекателей, расположенных симметрично относительно осей струй в плоскостях вращения, анемочувствительные элементы, электроизмерительную схему. Недостатки этого устройства связаны с низкой точностью измерения угловой скорости из-за не идентичности геометрических размеров анемочувствительных элементов, сопел, каналов и рассекателей, наличием погрешности при действии угловой скорости, определяемой разностью динамического напора по каналам при действии перекрестных угловых скоростей объекта, с температурными погрешности теплообмена, отсутствием коррекции по чувствительности; неоднозначностью измерения угловой скорости вследствие ее ограниченного диапазона измерения, отсутствием замкнутости пневматической цепи и корпуса.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, взятым за прототип, является двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости согласно патенту RU №110493 от 20.11.2011 г. Бюл. №32 на полезную модель, содержащий нагнетатель, формирующее сопло, измерительную схему, проволочные анемочувствительные элементы расположены друг относительно друга ортогонально в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта и закреплены на электропроводящих изолированных стойках одинаковой высоты, размещенных перпендикулярно плоскому основанию проницаемому для протекания струи и установленному 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 "xoz" и "yoz" вращения 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 измерения, 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 с вторыми входами усилителей информативных сигналов, выходы которых подключены к первому и второму входам блока преобразования информативных сигналов, выход которого связан с потребителем информации двухкомпонентного датчика угловой скорости.
К недостаткам прототипа следует отнести сложность технологической задачи получения после сборки датчика пневматического нуля, т.е. совпадения центра параболического распределения скоростей ламинарной затопленной газовой струи в рабочей камере с центром осей симметрии расположения анемочувствительных элементов при отсутствии угловой скорости, заниженный диапазон измерения угловой скорости и недостаточная чувствительность к угловой скорости.
x
y
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности датчика за счет повышения точности установки пневматического нуля, повышения чувствительности к угловой скорости и расширения диапазона измерения составляющих ω и ω угловой скорости.
Технический результат достигается тем, что в двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости, содержащем 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 "xoz" и "yoz" вращения объекта, на концах которых закреплены проволочные анемочувствительные элементы, 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 внешних стойках, расположенных симметрично относительно центральной стойки в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта, и включены в измерительную схему, которая образует каналы измерения угловых скоростей в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта, новым является то, что в рабочую камеру 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 "xoz" и "yoz" 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 образует пневматические цепи формирования струи в рабочей камере.
В двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости в термоанеморезисторном узле центральная стойка имеет высоту, не равную высоте внешних стоек.
В двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости на выходе регулировочного блока в каналах формирования струи газа в рабочей камере перед соплами введены ресиверы.
В двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости в регулировочном блоке в каналах формирования струи газа в рабочей камере заслонки выполнены в виде двух пар поворотных дисков, установленных перпендикулярно каналам и взаимно перпендикулярно по парам в регулировочном блоке, синхронно подвижных вокруг своей оси, соединенных механически, перераспределяющих расход газа по каналам в своей плоскости измерения и расположенных в плоскостях "xoz" и "yoz" измерения угловых скоростей и связанных с регулировочными элементами.
В двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости в регулировочном блоке заслонки выполнены в виде пластин с отверстиями и с возможностью линейного перемещения в плоскостях "xoz" и "yoz" измерения угловых скоростей и перераспределяющих расход газа между собой в своей плоскости измерения и связанных с регулировочными элементами. Сущность изобретения поясняется на фиг.1 - фиг.3, где:
фиг.1 - структурно-функциональная схема двухкомпонентного струйного датчика угловой скорости;
фиг.2 - конструкция блока формирования струи в рабочей камере;
фиг.3 - сечения А-А и Б-Б регулировочного блока, входящего в блок формирования струи в рабочей камере.
Здесь:
1 - нагнетатель (источник пневмопитания);
2 - блок формирования струи в рабочей камере;
3 - рабочая камера;
4, 7, 9, 11, 10 - изолированные стойки;
5, 12 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения "yoz";
6, 13 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения "xoz";
8 - корпус;
14 - основание;
15 - измерительная схема;
16 - регулировочный блок;
17 - канал формирования струи в регулировочном блоке 16;
18 - заслонка каналов 17, 25;
19 - элемент регулировки каналов 17, 25;
20 - блок сопл;
21 - сопло формирования струи в рабочей камере 3 канала 17;
22 - сопло формирования струи в рабочей камере 3 канала 25;
23 - корпус блока 2 формирования в рабочей камере 3;
24 - переходной объем;
25 - канал формирования струи в регулировочном блоке 16;
26 - заслонка каналов 30, 31;
27 - элемент регулировки каналов 17, 25;
28 - ресивер канала 25;
29 - ресивер канала 17;
30 - канал формирования струи в регулировочном блоке 16;
31 - канал формирования струи в регулировочном блоке 16;
32 - элемент регулировки каналов 30, 31;
33 - элемент регулировки каналов 30, 31.
Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости включает в себя корпус 8, рабочую камеру 3, в которой установлены нагнетатель 2 и термоанеморезисторный узел, содержащий основание 14, установленное перпендикулярно направлению протекания струи газа и проницаемому для его протекания в рабочей камере 3, на котором перпендикулярно ему установлены изолированные стойки 4, 7, 9, 11, 10, расположенные друг относительно друга ортогонально в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта, на концах которых закреплены проволочные анемочувствительные элементы 5, 6, 12, 13, причем первые концы всех анемочувствительных элементов 5, 6, 12, 13 электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке 10, а вторые концы каждого из анемочувствительных элементов 5, 6, 12, 13 закреплены на своих внешних стойках 4, 7, 9, 11, расположенных симметрично относительно центральной стойки 10 в плоскостях в"xoz" и "yoz" вращения объекта, и включены в измерительную схему 15, которая образует каналы измерения угловых скоростей в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта, в рабочей камере 3 установлен блок 2 формирования струи, включающий регулировочный блок 16, где выполнены каналы 17, 25, 30, 31, в каждом из которых установлены регулируемые заслонки 18 в плоскости "yoz" и 26 в плоскости "xoz", блок 20 сопл, каждое сопло 21, 22 в плоскости "yoz" и аналогичные в плоскости "xoz" которого соединено со своим каналом 17, 25, 30, 31 формирования струи регулировочного блока 16, и оси которых расположены попарно под малым углом к оси симметрии рабочей камеры 3 в плоскостях "xoz" и "yoz" измерения угловых скоростей, при этом в корпусе 23 блока 2 формирования струи перед регулировочным блоком 16 образован переходной объем 24, который с пневматическими каналами 17, 25, 30, 31 регулировочного блока 16 и соплами 21, 22 в плоскости "yoz" и в плоскости "xoz" блока 20 сопл образует пневматические цепи формирования струи в рабочей камере 3.
В двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости в термоанеморезисторном узле центральная стойка 10 имеет высоту не равную высоте внешних стоек 4, 7, 9, 11.
Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости на выходе регулировочного блока 16 в каналах формирования струи газа в рабочей камере перед соплами содержит ресиверы 28, 29 в плоскости "yoz" и аналогичные в плоскости "xoz" в каналах 17, 25, 30, 31 регулировочного блока перед соплами 21, 22 в плоскости "yoz" и аналогичными в плоскости "xoz" блока 20 сопл.
В двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости в регулировочном блоке 16 в каналах 17, 25, 30, 31 формирования струи газа в рабочей камере 3 заслонки 18, 26 в плоскостях "yoz" и "xoz" выполнены в виде двух пар поворотных дисков, установленных перпендикулярно каналам 17, 25 и взаимно перпендикулярно по парам в плоскости "yoz" и аналогичными в плоскости "xoz" в регулировочном блоке 16, синхронно подвижных вокруг своей оси, соединенных механически, перераспределяющих расход газа между собой при регулировке пневматического нуля в своей плоскости измерения и связанных с регулировочными элементами 19, 27, 32, 33.
В двухкомпонентном струйном датчике угловой скорости в регулировочном блоке 16 заслонки 18, 26 выполнены в виде пластин с отверстиями и с возможностью линейного перемещения в плоскостях "xoz" и "yoz" измерения угловых скоростей и перераспределяющих расход газа между собой при регулировке пневматического нуля в своей плоскости измерения и связанных с регулировочными элементами 19, 27, 32, 33.
Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости работает следующим образом. При отсутствии угловой скорости нагнетатель (источник пневмопитания) 1 создает в герметичном корпусе 8 устройства поток газа, который с помощью блока 2 формирования струи газа преобразуется в струю газа в рабочей камере, ось симметрии распределения скоростей в поперечном сечении которой должна совпадать с центром в точке, являющейся общей точкой соединения на центральной стойке 10 взаимно ортогонально расположенных анемочувствительных элементов 6, 13 и 5, 12, закрепленных на изолированных стойках 4, 7, 9, 10, 11 на основании 14, которое размещено в рабочей камере 3. При этом средние скорости, обдувающие каждый анемочувствительный элемент 6, 13 в плоскости вращения "xoz" и 5, 12 в плоскости вращения "yoz", должны быть одинаковы. Для выполнения этого условия, т.е. устранения технологических погрешностей изготовления деталей и сборки датчика, осуществляют смещение профиля струи с помощью изменения положения заслонки 18 с помощью элементов 19, 27 регулировки в каналах 25, 17 формирования струи в плоскости "yoz" и, аналогично, заслонкой 26 с помощью элементов 32, 33 регулировки в каналах 30, 31 в плоскости "xoz" и, следовательно, перераспределения скоростей истечения газа из двух пар сопл 21, 22 и аналогичных в плоскости "xoz" находящихся в плоскостях измерения. При этом дифференциальная регулировка обеспечивает неизменность суммарного расхода газа в струе, т.е. в рабочей камере 3 путем его перераспределения межу парами сопл 21, 22 каналов 17, 25 и аналогичной парой в плоскости "xoz" каналов 30, 31 формирования суммарной струи газа в рабочей камере 3, а это в итоге смещает профиль струи в плоскостях регулировки пневматического нуля. Ресиверы 28, 29 каналов 17, 25 и аналогично каналов 30, 31 в регулировочном блоке 16 формирования перед каждым соплом формирования суммарной струи каналов 17, 25, 30 и 31 необходимы для обеспечения плавности втекания газа в сопла 21, 22 и аналогичной пары сопл в плоскости "xoz" каналов после торможения потока заслонками 18 и 26, т.е. для устранения турбулентности втекания потока газа в сопла.
x
y
При появлении угловой скорости в измерительной плоскости струя газа смещается от исходного положения, что приводит к изменению величины средней скорости потока газа, обдувающего анемочувствительные элементы 5, 6, 12, 13 и, в конечном счете, к пропорциональному изменению выходных сигналов на выходе измерительной схемы 15 по составляющим ω и ω угловой скорости в плоскостях "xoz" и "yoz".
Таким образом, заявляемый двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости позволяет увеличить точность измерения за счет устранения технологических погрешностей изготовления деталей и сборки датчика путем регулировки пневматического нуля в двух плоскостях при отсутствии угловой скорости, расширить диапазон и измерения угловой скорости, если центральная стойка выше внешних, в результате увеличения площади поверхности анемочувствительных элементов участвующей в теплообмене вдоль оси струи и уменьшения среднего расстояния от среза сопл блока сопл до анемочувсвительных элементов и, следовательно, при более высоком значении угловой скорости заканчивается теплообмен с анемочувствительными элементами, а если центральная стойка ниже внешних, то увеличивается чувствительность к угловой скорости, т.к. увеличивается среднее расстояние, что позволило увеличить эффективность датчика.