Термоанемометрический датчик

Рассмотрим следующее изобретение патент РФ № 1819821 (1993) Способ определения воздушной скорости летательного аппарата.

Основной технической предпосылкой разработки данного устройства явилась необходимость повышение точности измерения малых скоростей.

Рис. 21   Структурно – функциональная схем датчика измерителя воздушной скорости

1 – воздушный  поток; 2 – приемник воздушных  давлений;

3 – приемное  отверстие полного давления; 5,6 –  приемное отверстие статического давления; 7 – приемник температуры заторможенного потока; 8,12 – датчик температуры; 9 – вычислитель; 10 – первая камера статического давления; 11 – третья камера статического давления; 13 – соединительный канал; 14 –датчик скорости перетекания воздуха в канале.

 

 

 

 

Рассмотрим работу устройства, с точки зрения обеспечения возможности достижения заданных характеристик.

Способ определения воздушной скорости летательного аппарата, заключается в том, что из воздушного потока отбирают часть воздуха и подают в камеру статического давления, приемника воздушного давления, выполненного с компенсатором, часть воздуха тормозят до нулевой скорости, измеряют давление и температуру заторможенного потока давления в статических камерах и вычисляют воздушную скорость. Данный метод отличается тем. что, с целью повышения точности измерения малых скоростей. первую и третью камеры статических давлений соединяют между собой, измеряют скорость перетекания воздуха, температуру воздуха в первой камере статического давления, а воздушную скорость определяют по формуле

Из всех рассмотренных выше прототипов, с точки зрения обеспечения требуемых характеристик, наиболее технически-совершенным является: Патент РФ № 1819821 (1993) - Способ определения воздушной скорости летательного аппарата. На его основе в дальнейшем и будем разрабатывать наш прибор.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Теоретическое исследование структурно-функциональной схемы датчика скоростного напора

 

Уменьшение температурных погрешностей расходомера, а также повышение линейности его выходной характеристики можно достигнуть в случае его построения в соответствии со структурной схемой, показанной на рис.22.

 

Рис.22. Структурная схема, построенного на сочетании метода динамического перепада и теплового метода:; 1 - байпасный канал; 2 - термоанемометрический преобразователь с измерительным и компенсационным АЧЭ; 3 - делительное устройство.

Выходной сигнал в этой схеме определяется выражением:

                                                      

                                             (21)                                 

где ∆Ua2- сигнал коррекции, необходимый для уменьшения температурного дрейфа параметров АЧЭ  и элементов электроизмерительной схемы его включения.

Усовершенствование дальнейших поколений расходомеров велось путем расширения их функциональных возможностей на основе принципов комплексирования и модуляции[8]. На рис.6 представлена структурная схема массового расходомера, построенного на сочетании теплового и ультразвукового метода измерения. Особенность работы расходомера, построенного по этой схеме состоит в том, что для обеспечения работы измерительного АЧЭ на участке с высокой крутизной характеристики в структуру измерителя расхода введен источник опорного расхода Go, который создается микронагнетателем, управляемый схемой, включающей ультразвуковой преобразователь расхода, задатчик и генератор привода микронагнетателя. Эта схема стабилизирует величину опорного расхода газа, проходящего через канал, содержащий   измерительный   АЧЭ,   поэтому   выходной   сигнал   струйно-конвективного преобразователя будет пропорционален сумме опорного G o и информативного Gи расходов. Это существенно повышает уровень выходного сигнала и его помехоустойчивость, особенно в диапазоне низких значении измеряемого расхода.

Выходной сигнал измерителя расхода формируется на основе осреднения информативных сигналов по расходу, получаемых от струйно-конвективного преобразователя и ультразвукового преобразователя, акустопара которого размещена на мерном участке измерительной трубки. В результате обработки этих сигналов формируется сигнал в виде напряжения пропорционального массовому расходу. Подавая этот сигнал совместно с сигналом объемной скорости на вход блока деления, получаем на его выходе значение плотности измеряемого вещества. Возможность дальнейшего совершенствования расходомеров заключается в дополнительной обработке полученной выходной информации, которая осуществляется путем деления значения массовой скорости на значение плотности.

Целью изобретения Патента РФ № 1819821 (1993)[9] является повышение точности измерения малых скоростей. Рассмотрим рис. 21, с помощью приемника воздушного давления 2 часть воздуха подают в первую 14 и третью 15 камеру статического давления: замеряют температуру торможения датчиком 8, а датчиком 16 – температуру в первой 14 камере статического давления, затем с  помощью датчика 18 измеряют скорость движения потока воздуха в соединительном канале 17, а вычислителем 9 определяют воздушную скорость по формуле …….

Цель достигается тем, что по способу определения скорости летательного аппарата, заключающемуся в том, что из воздушного потока отбирают часть воздуха и подают в камеру статического давления приемника воздушного давления, выполненного с компенсатором, часть воздуха тормозят до нулевой скорости, измеряют давление и температуру заторможенного потока, давление в статических камерах и вычисляют воздушную скорость, первую тертью камеры статических давлений соединяют между собой, измеряют скорость перетекания воздуха, температуру воздуха в первой камере статического давления, а воздушную скорость определяют по формуле,

                                                      

;                                                  (22)

                                                     

,                                                   (23)

где Тт – температура заторможенного потока; Т1-температура воздуха в первой камере статического давления; Vn-скорость перетекания воздуха из первой камеры в третью; рn- давление заторможенного потока; р1- давление в первой камере статического давления; р3- давление в третьей камере статического давления.

На рис. 23 изображена схема устройства для реализации известного способа; на рис. 22- схема для реализации предлагаемого способа; на рис. 24 – представлены зависимости среднеквадратических отклонений определения воздушной скорости от измеряемой известным и предлагаемым способами.

На рис. 23 показаны воздушный поток 1, приемник воздуных давлений 2, с приемным отверстием 3 полного давления, соединенными с камерой 4 полного давления и приемным отверстием 5 статического давления, соединенным с камерой 6 статического давления, приемник 7 температуры с датчиком 8 температуры, вычислитель 9, на первых вход которого подают сигнал с датчика 10 полного давления, на второй вход подают сигнал с датчика 11 статического давления в камере 6 статического давления, на третий вход вычислителя 9 подают сигнал с датчика 8 приемника 7 температуры заторможенного потока.

На рис. 21 показан воздушный поток 1, приемник 2 воздушных давлений с приемным отверстием 3 полного давления и приемными отверстиями 5, 12, 13, статического давления, причем отверстие 5 соединено с первой камерой 14 статического давления, а приемное отверстие 13 соединено с третьей камерой 15 статического давления, приемник 7 температуры заторможенного потока, с датчиком 8 температуры, выход которого подключен на третий вход вычислителя 9, датчик 16 температуры воздуха в первой камере 14 статического давления, выход которого подключен на четвертый вход вычислителя 9, канал 17, соединяющий первую и третью камеры статического давления, датчика 16 скорости перетекания воздуха в канале 17, выход которого подключен на пятый вход вычислителя 9.

Измерение скорости производиться следующим образом.

Из воздушного потока 1, движущегося со скоростью V с помощью отверстий 5 и 13 приемника воздушных давлений 2 отбирают часть воздуха со статически давлением и подают в первую 14 и третью 15 камеры статического давления, часть воздушного потока 1 тормозят в приемнике 7 температуры до нулевой скорости и с помощью датчиков 8 температуры измеряют температуру заторможенного потока Тм в приемнике 7 температуры и температуру воздуха Т1 в первой камере 14 статического давления с помощью датчика 18 измеряют скорость Vn движения воздуха в соединительном канале 17, измеренные величины передают в вычислитель 9, где по формуле вычисляют воздушную скорость.

На рис. 24 представлены зависимости среднеквадратических отклонений определения воздушной скорости от измеряемой: линия А – для известного способа, линия Б – для предлагаемого способа с датчиком скорости на основе массового расходомера воздуха.

Рис. 23 Схема устройства для реализации известного способа

       Рис. 24 Зависимости среднеквадратических отклонений определения воздушной скорости от измеряемой.

 

 

6. Расчет параметров, характеристик элементов и режимов их работы

 

1. Расчет информативного перепада давления в диапазоне скоростей. Исходя из функциональной схемы пневматического канала скорости информативным сигналом является перепад давления[3,10]:

              ∆ρ=ρп –ρг                                                                                                       (24)

При этом ρп - опорный сигнал, не зависящий от скорости, а ρг – информативный сигнал, зависящий от скорости.

При отклонении в ту или другую сторону информативным будет то приемное отверстие, вдоль которого будет скользить поток:

              ∆ρ=χ∙(ρν2/2),                                                                                          (25)

где χ=0.95 – коэффициент восстановления давления

       ρ=1.225 кг/м2 – плотность воздуха.

2. Определяющим с точки зрения  гидравлического сопротивления является термоанемометрический модуль для пневматического канала[11].

       При режиме ламинарного течения воздуха, расход:

       Gm=∆ρ/∑Ri,                                                                                                   (26)

где Ri – гидравлическое сопротивление до Re<500, V<30 м/с при турбулентном потоке, т.е. Re>500, V>30 м/с

                                                                                                             (27)

                Ri=128∙(vƖ/πd4),                                                                                         (28)

где v=14.9*104 – кинематическая вязкость; Ɩ – длина канала; d – диаметр канала.

3. Расчет гидравлического сопротивления  приемника

выбираем: Ɩп=0,2м – длина приемника; d=0,003м – его диаметр;

                  Rп=

4. Расчет гидравлического сопротивления  трубопровода

выбираем: Ɩтп=0,1м – длина трубопровода; d=0,003м – его диаметр;

                       Rтп=

5. Сумма двух сопротивлений:  приемника и трубопровода

                    R∑= Rтп+ Rп                                                                                                         (29)

                       R∑=14,99∙105+ =8,99∙106

6. Расчет гидравлического сопротивления  канала статического давления

выбираем: Ɩпк=0,12м – длина канала статического давления; d=0,006м – его диаметр;

                       RKC=

7. Расчет гидравлического сопротивления канала полного давления

выбираем: Ɩпк=0,17м – длина канала статического давления; d=0,008м – его диаметр;

                    RKC=

8. Расчет гидравлического сопротивления  термоанемометрического модуля

выбираем: Ɩпк=0,001м – длина канала статического давления; d=0,008м – его диаметр;

                       RKC=

9. Определим массовый расход Gm по формуле 25:

 Gm1=                           Gm6=

Gm2=                           Gm7=

Gm3=                          Gm8=

 Gm4=                           Gm9=

Gm5=                          Gm10=

10. Определим число Рейнольдса Re для бусинки термоанемометра по формуле:

                                            Reб=   ,                                                             (30)

где =18*10-6 (Па*с)– кинематическая вязкость воздуха; d=0,1 м - диаметр бусинки.

Reб1=0,37 (0,61);                 Reб6=30,3 (5,5);

Reб2=1,89 (1,37);                Reб7=37,4 (6,12);

Reб3=3,79 (1,94);                 Reб8=113,8 (10,6);

Reб4=11,3 (3,7);                   Reб9=227 (15,08);

Reб5=22,9 (4,78);                 Reб10=379 (19,4);

 

11. Определим число Рейнольдса Re для токопровода по формуле:

                                            Reт=   ,                                                             (31)

где =18*10-6 (Па*с)– кинематическая вязкость воздуха; d=0,08 м - диаметр токопровода.

Reт1=0,46 (0,68);              Reт6=37,7 (6,14);

Reт2=2,35 (1,53);               Reт7=46,64 (6,82);

Reт3=4,72 (2,17);             Reт8=141,8 (11,9);

Reт4=14,1 (3,76);               Reт9=283,3 (16,8);

Reт5=28,5 (5,33);               Reт10=472 (21,73);

                 Рис. 25 Зависимость коэффициента  рассеяния Н от чисел  
                  Рейнольдса Re.

12. По графику зависимости рис. 25 коэффициента Н от Re определим соответствующий каждому числу Рейнольдса коэффициент рассеяния Н и запишем найденные значения в табл. 6.