ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения величины угловой скорости подвижных объектов в трех 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, недостаточную 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 неидентичности 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.

Двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости по патенту RU №110493 от 20.11.2011 г. Бюл. №32 на полезную модель содержит герметичный корпус, рабочую камеру, нагнетатель, формирующее сопло, измерительную схему, проволочные анемочувствительные элементы, закрепленные на электропроводящих изолированных стойках одинаковой высоты.

К недостаткам следует отнести сложность технологической задачи получения после сборки датчика пневматического нуля, заниженный диапазон измерения угловой скорости и недостаточную чувствительность к угловой скорости.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, взятым за прототип, является двухкомпонентный струйный датчик угловой скорости согласно патенту RU №120233 от 10.09.2012 г. Бюл. №25 на полезную модель, содержащий корпус, рабочую камеру, в которой установлены нагнетатель и термоанеморезисторный узел, содержащий основание, установленное перпендикулярно направлению протекания струи газа и проницаемое для его протекания в рабочей камере, на котором перпендикулярно ему установлены изолированные стойки, расположенные относительно друг 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, высота которой больше высоты внешних стоек, 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, в рабочей камере 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 образуют пневматические цепи формирования струи в рабочей камере.

К недостаткам прототипа следует отнести отсутствие возможности измерения третьей составляющей угловой скорости ω_z.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности датчика за счет измерения трех составляющих угловой скорости ω_x, ω_y и ω_z в трех плоскостях "xoz", "yoz" и "xoу" вращения объекта.

Технический результат достигается тем, что в трехкомпонентном струйном датчике угловой скорости, содержащем герметичный корпус, в котором последовательно расположены нагнетатель и рабочая камера, в которой на входе размещен блок формирования ламинарной струи, связанный с выходом нагнетателя, а на выходе - анемочувствительный блок, содержащий плоское основание, проницаемое для протекания струи и установленное перпендикулярно направлению ее течения, на котором установлены перпендикулярно ему центральная стойка и электропроводящие изолированные стойки, расположенные относительно друг друга попарно-ортогонально и симметрично относительно центральной стойки в плоскостях "xoz" и "yoz" вращения объекта, анемочувствительные элементы, расположенные перпендикулярно течению струи, первые концы которых электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, а вторые концы каждого из анемочувствительных элементов закреплены на своих стойках и включены в измерительные схемы каналов измерения составляющих угловой скорости ω_x, ω_y измерительного блока, новым является то, что в него введены вторая рабочая камера, расположенная своей осью "z" ортогонально оси первой рабочей камеры в плоскости "xoy" и соединенная своим входом с выходом первой рабочей камеры с образованием замкнутой газовой цепи, при этом во второй рабочей камере на входе размещен блок формирования второй ламинарной струи, а на выходе - второй анемочувствительный блок, содержащий плоское основание, проницаемое для протекания струи и установленное перпендикулярно направлению ее течения, на котором установлены перпендикулярно центральная стойка и электропроводящие изолированные стойки, расположенные относительно друг друга ортогонально и симметрично относительно центральной стойки в плоскости "хоу" вращения объекта, анемочувствительные элементы, расположенные перпендикулярно течению струи, первые концы которых электрически соединены между собой и закреплены на центральной стойке, а вторые концы этих анемочувствительных элементов закреплены на своих стойках, причем в измерительный блок введена измерительная схема канала измерения составляющей угловой скорости ω_z, при этом в каждом из каналов входы элекроизмерительных схем подключены к соответствующим анемочувствительным элементам, а выходы связаны с блоком преобразования информативного сигнала, выходом которого являются информативные сигналы по составляющим угловой скорости ω_z, ω_y и ω_z.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1, на которой представлена структурно-функциональная схема трехкомпонентного струйного датчика угловой скорости.

Здесь:

1 - нагнетатель (источник пневмопитания);

2 - блок формирования струи в первой рабочей камере;

3 - корпус;

4 - первая рабочая камера;

5, 6 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения "xoz";

7, 8 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения "yoz";

9, 10, 11, 12 - изолированные стойки первого анемочувствительного блока;

13 - центральная стойка первого анемочувствительного блока;

14 - основание первого анемочувствительного блока;

15 - блок формирования струи во второй рабочей камере;

16 - вторая рабочая камера;

17, 18 - изолированные стойки второго анемочувствительного блока;

19 - центральная стойка второго анемочувствительного блока;

20, 21 - анемочувствительные элементы в плоскости вращения "хоу";

22 - основание второго анемочувствительного блока;

23, 24, 25 - измерительные схемы;

26 - блок преобразования информативного сигнала;

27 - измерительный блок.

Трехкомпонентный струйный датчик угловой скорости содержит герметичный корпус 3, в котором последовательно расположены нагнетатель 1, первая рабочая камера 4 и вторая рабочая камера 16, в которых на входе размещены блоки 2, 15 формирования ламинарной струи. Причем блок 2 формирования ламинарной струи связан с выходом нагнетателя 1. На выходах рабочих камер 4, 16 расположены анемочувствительные блоки, содержащие плоские основания 14, 22, проницаемые для протекания струи и установленные перпендикулярно направлению ее течения, на которых установлены перпендикулярно им центральные стойки 13, 19 и электропроводящие изолированные стойки 9, 10, 11, 12, 17, 18, расположенные относительно друг друга попарно-ортогонально и симметрично относительно центральных стоек 13, 19 в плоскостях "xoz", "yoz" и "хоу" вращения объекта, анемочувствительные элементы 5, 6, 7, 8, 20, 21, расположенные перпендикулярно течению струи, первые концы которых электрически соединены между собой и закреплены на центральных стойках 13, 19 соответственно, а вторые концы каждого из анемочувствительных элементов 5, 6, 7, 8, 20, 21 закреплены на своих стойках 9, 10, 11, 12, 17, 18 и включены в измерительные схемы 23, 24, 25 каналов измерения составляющих угловой скорости ω_x, ω_y, ω_z измерительного блока 27. При этом в каждом из каналов входы элекроизмерительных схем 23, 24, 25 подключены к соответствующим анемочувствительным элементам 5, 6, 7, 8, 20, 21, а выходы связаны с блоком 26 преобразования информативного сигнала, выходом которого являются информативные сигналы по составляющим угловой скорости ω_x, ω_y и ω_z.

Трехкомпонентный струйный датчик угловой скорости работает следующим образом.

При отсутствии угловой скорости нагнетатель (источник пневмопитания) 1 создает в герметичном корпусе 3 устройства поток газа, который с помощью блока формирования струи газа 2 преобразуется в струю газа в первой рабочей камере 4 и одновременно с помощью блока 15 формирования струи во второй рабочей камере 16 во вторую струю газа, оси симметрии распределения скоростей в поперечном сечении которых должны совпадать с центрами в точках О, O1, являющимися общими точками соединения на центральных стойках 13, 19 попарно-ортогонально расположенных анемочувствительных элементов 5, 6, 7, 8, 20, 21, закрепленных на изолированных стойках 9, 10, 11, 12, 17, 18 и центральных стойках 13, 19 на основаниях 14, 22, которые размещены в первой и во второй рабочих камерах 4, 16 соответственно. Средние скорости параболического распределения скоростей в поперечном сечении струи, обдувающие каждый анемочувствительный элемент 5, 6 в плоскости вращения "xoz", 7, 8 в плоскости вращения "yoz", 20, 21 в плоскости вращения "хоу", должны быть одинаковы при отсутствии угловой скорости. Выполнение этого условия обеспечивается блоками 2, 15 формирования струи, то есть установкой пневматического нуля сигнала по составляющим угловой скорости ω_x, ω_y и ω_z.

При появлении угловой скорости в измерительных плоскостях "xoz", "yoz" струя газа смещается от исходного положения в первой рабочей камере 4, что приводит к изменению величины средней скорости потока газа, обдувающего анемочувствительные элементы 5, 6, 7, 8, и в конечном счете к пропорциональному изменению выходных сигналов U_x, U_y на выходе измерительных схем 23, 24 по составляющим ω_x, ω_y угловой скорости в плоскостях "xoz", "yoz". При этом струя газа во второй рабочей камере 16 не смещается вдоль "хоу" и не выделяется информативный сигнала U_z, то есть информация по составляющей ω_z.

При появлении угловой скорости в измерительной плоскости "хоу" струя газа не смещается от исходного положения в первой рабочей камере 4, так как движение струи будет совпадать с осью симметрии чувствительных элементов 5, 6, 7, 8, а на выходе измерительной схемы 25 появится выходной сигнал U_z, то есть информация по составляющей ω_z.

Таким образом, заявляемый трехкомпонентный струйный датчик угловой скорости позволяет измерять угловую скорость в трех плоскостях "xoz", "yoz" и "xoy", то есть составляющие ω_x, ω_y и ω_z, которая может быть в других диапазонах, зависящих от длины второй рабочей камеры 16, а последовательная замкнутая пневматическая цепь повышает точность измерения за счет одинакового расхода газа в обеих рабочих камерах.