Термоанемометрический датчик

а давление компрессора

                                 ,                                                                 (8)

где - постоянный коэффициент.

Отсюда следует, что при равенстве и угловая скорость пропорциональна . Преобразование в электрический сигнал может быть осуществлено с помощью тахогенератора или датчика импульсов.

Если плотность воздуха в компрессоре не равна плотности воздуха окружающей атмосферы, возникает погрешность измерения скорости. Для обеспечения равенства температура компрессора поддерживается равной температуре наружного воздуха путем непрерывного омывания корпуса насоса наружным воздухом, подаваемым по дополнительной трубе.

Рассмотренный способ измерения ИВС в реализации более сложен, чем манометрический, и менее надежен вследствие наличия вращающихся частей.

Погрешность:

- погрешность, обусловленная отклонением температуры окружающего самолёт воздуха от значения для стандартной атмосферы;

-погрешности, обусловленные влиянием вредных сил;

- температурные погрешности, вызываемые  влиянием температуры окружаемой среды на физические параметры и геометрические размеры деталей;

- погрешности от гистерезиса  и упругого последействия;

-погрешности от влияния давления окружающей среды;

 

 

Термодинамический метод

 

Термодинамический метод основан на измерении температуры торможения встречного потока воздуха[4].

При полном торможении потока

                                              .                                                         (9)

При неполном торможении

                                             ,                                                       (10)

где - коэффициент торможения, зависящий от конфигурации препятствия, расположенного в потоке воздуха, и от точки поверхности, в которой измеряется температура.

Если поместить в воздушном потоке два датчика температуры (термопары, термосопротивления и т. п.) с одинаковыми характеристиками и с различными, не зависящими от числа М коэффициентами торможения и , то сигналы датчиков будут соответственно

                                       ,                                                  (11)

                                       ,                                                (12)

где  и - температуры, измеренные датчиками; - чувствительность датчиков.

Отношение сигналов и не зависит от :

                                          ,                           

откуда

                                             .                                                           (13)                                                                                              

Если по формуле (14) построить счетно-решающую схему, на вход которой поступают сигналы и , то сигнал на выходе будет пропорционален .

Можно вывести также формулу для определения истинной воздушной  скорости по значениям сигналов и .

Выражения для и можно переписать в виде

                                                  ;

                                                  .

Разность сигналов

                                             .                                              (14)

Имея в виду, что , и подставляя это значение в уравнение (14), получим

.

Заменяя , определяем

                                                 .                                                      (15)

По формуле (15) может быть построен термодинамический измеритель ИВС.

 

 

 

Тепловой метод

 

Тепловой метод основан на зависимости теплоты, теряемой нагретым телом, от скорости потока воздуха, обдувающего это тело.

Измерение температуры можно осуществить по одной из двух схем, представленных на рис. 2.10.

Рис. 10 Схемы измерения воздушной скорости при помощи тепловых расходомеров: а- схема с термопарой   б- схема с термосопротивлением

 

В обеих схемах чувствительным элементом служит проволочная нить, нагреваемая протекающим по ней электрическим током.

Зависимость температуры нити от скорости потока определяется из условия баланса выделяемого в единицу времени тепла и отдаваемого тепла .

Отдаваемое тепло

                                 ,                                                (16)

где температура окружающей среды; , и соответственно теплопроводность, плотность и теплоемкость воздуха при постоянном объеме; диаметр нити.

Приравнивая и , определяем температуру нити:

                                .                                                      (17)

Из формулы (17) следует, что температура нити является нелинейной функцией скорости и зависит также от параметров окружающей атмосферы.

Следовательно, измеряя температуру нити Тн , зависящую от скорости V , например с помощью термопары, получим:

                          ,                                               (18)

где R- омическое сопротивление

Достоинством метода является малая инерционность преобразования скорости потока в электрическую величину, что делает этот метод пригодным для измерения быстродействующихся процессов, например для исследования турбулентности воздушного потока.

Недостаток метода – зависимость результата измерения от ряда переменных параметров атмосферы.

 

Турбинный метод

 

Турбинный метод основан на использовании кинетической энергии потока воздуха для вращения турбины, установленной в подшипниках с малым трением. Турбина может быть тангенциальной или аксиальной. Простейшим вариантом тангенциальной турбины является крестовина с четырьмя или более полушариями на концах (рис. 11, а).

Если пренебречь моментом трения в подшипниках, то установившаяся скорость вращения крестовины, определяемая из условия равенства моментов сил, действующих на верхнее и нижнее полушария, будет

                                         ,                                              (19)

где  и - аэродинамические коэффициенты сопротивления верхнего и нижнего полушарий.

Скорость вращения можно преобразовать в электрическое напряжение (с помощью тахогенератора) или в электрические импульсы.

Аксиальная турбина, выполненная в виде крыльчатки с наклонными лопастями, изображена на рис. 11, б.

 

 

Рис. 11. Схемы воздушных турбин:

а — тангенциальной;  б — аксиальной

 

Если ось турбины нагружена дополнительным моментом, то ее угловая скорость перестает быть пропорциональной ИВС и возникает погрешность измерения скорости потока.

Недостатком метода является относительно низкая надежность турбины в связи с возможностью ее обледенения, загрязнения подшипников и механических повреждений. 
       Погрешность турбины:

- погрешности от нагрузки крыльчатки;

- погрешность измерения угловой  скорости крыльчатки

 

 

Ультразвуковой метод

 

Ультразвуковой метод основан на том, что при распространении звуковых колебаний в потоке воздуха вектор скорости звука относительно летательного аппарата равен векторной сумме скорости звука относительно воздуха и истинной воздушной скорости летательного аппарата.

Измерение скорости потока может быть осуществлено путем измерения разности времен распространения ультразвуковых колебаний по потоку и против него с помощью двух пьезоэлементов, расположенных один за другим в потоке жидкости и являющихся одновременно излучателями и приемниками ультразвука.

Если расстояние между элементами равно , то время прохождения звука от одного элемента к другому против потока и по потоку соответственно равно

 и  ,

где скорость распространения звука в жидкости; скорость потока.

Разность времени

.

Если , то разность времени пропорциональна :

.

Измерение разности может осуществляться различными способами: непосредственным измерением времени распространения ультразвука; измерением сдвига фаз между колебаниями, направленными по потоку и против него; измерением разности частот повторения коротких импульсов, направляемых по потоку и против него, причем каждый последующий импульс возбуждается предыдущим, пришедшим на приемник ультразвука и т. д.

Число может измеряться также при излучении звуковых колебаний в направлении, перпендикулярном потоку. Источником ультразвука является пьезоэлемент 1, приемниками служат два пьезоэлемента 2 и 3, расположенные один за другим по потоку и смещенные относительно элемента 1 на величину . Приемники установлены так, что при скорости потока, равной нулю, их сигналы одинаковы по величине. При движении летательного аппарата с некоторой скоростью ультразвуковой пучок  отклоняется по направлению потока; величина смещения пучка вдоль линии, соединяющей приемники 2 и 3, определяется из соотношения ,

Откуда

                                                      .                                                     (20)

Следовательно, величина пропорциональна числу .

Рис. 12. Схема    ультразвукового измерителя числа М

              1,2,3- пьезоэлементы

 

Измерение числа может производиться двумя способами:

а) измерением отношения амплитуд выходных сигналов пьезоэлементов 2 и 3;

б) непрерывным перемещением пьезоэлементов 2 и 3 относительно элемента 1 вдоль потока (или перемещением элемента 1 относительно элементов 2 и 3) с помощью следящей системы так, чтобы разность выходных сигналов элементов 2 и 3 равнялась нулю; при этом величина перемещения подвижных пьезоэлементов будет определяться по формуле  (2.20).

Основные источники погрешностей:

-неправильный учет влияния профиля скорости;

- изменение скорости ультразвука  в измеряемом веществе;     

-паразитные акустические сигналы;

-асимметрия электронно-акустических  каналов.

 Кроме этих источников, рассматриваемых далее, имеются еще погрешности, вносимые электронной схемой. Он зависит от характера схемы и должны оцениваться самостоятельно.

  Характеристики методов измерения скорости. Таблица № 4

Метод измерения	Диапазон, м/с	Погрешность, %	Быстродействие, с
Аэродинамический
Термодинамический	7–104	1	0,01–0,5
Манометрический	10–103	1,5	0,2-0,9
Тепловой
Турбинный
Ультразвуковой

3. Анализ результатов  патентно-реферативного поиска

 

С целью определения уровня технического развития был проведён отбор патентов, публикаций и статей[П1]. Задачей патентно-реферативного  поиска является получение данных, для определения уровня,   достигнутого в разработке датчиков воздушной скорости.

Материалы патентно-реферативного поиска были найдены в следующих фондах:

- Научно-технический отдел КГТУ  им. А.Н.Туполева 

- Национальная библиотека Республики Татарстан

Динамика Публикаций

Таблица 5

 

 
* - сведения отсутствуют 

 

  Таблица 5 позволяет определить актуальность темы, а также выделить лидеров по числу публикаций.

   В таблице П1 представлены технические решения аналогов разрабатываемого устройства как зарубежные, так и отечественные.

Проведённый поиск, анализ и изучение патентных публикаций позволили отобрать для последующего исследования технических решений перечень, который представлен в таблице П2.