ПРИЕМНИК ДАВЛЕНИЙ

Изобретение относится к области измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов и т.п. относительно текучих сред.

Известен цилиндрический приемник давлений, предназначенный для измерения величины и направления скорости двухмерных газовых потоков при числах Маха М < 0,6 [1] . Приемник выполнен в виде цилиндрической трубки, на поверхности которой в плоскости поперечного сечения расположены приемные отверстия: центральное для измерения полного давления и два периферийных для измерения давлений, используемых при определении углов скоса потока. Приемник обладает наибольшей (из известных приемников) чувствительностью к величине скоростного напора (измерение скорости) и углу скоса потока (измерение направления скорости), что связано с наибольшим перепадом давлений, возникающим между центральным и периферийными приемными отверстиями.

Недостатком приемника является то, что он может быть использован для измерений только в плоских потоках жидкости или газа.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что при использовании цилиндрического приемника в пространственных потоках возникают методические погрешности измерений величины и направления скорости, связанные с влиянием на измерения трехмерного характера обтекания приемника.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является шестиствольный насадок ЦАГИ, представляющий собой цилиндрическую трубку с головной частью полусферической формы [2] - прототип, предназначенный для измерения величины и направления скорости пространственных потоков газа, а также для измерения статического давления в потоке. На головной части приемника расположены приемные отверстия, одно из которых - центральное - служит для измерения полного давления, а периферийные предназначены для измерения давления, используемых при определении углов скоса потока. На цилиндрической части приемника расположены приемные отверстия для измерения статического давления.

Недостатком приемника является его низкая чувствительность к углам скоса и величине скоростного напора, проявляющаяся при измерениях в потоках малых дозвуковых скоростей (числа Маха M<0,3) увеличением погрешностей измерения давлений. Недостаточная чувствительность к измеряемым примерам связана с небольшими перепадами давлений, возникающими на поверхности приемника при малых дозвуковых скоростях.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в отсутствии теоретических методов синтеза приемников давлений, позволяющих получать требуемые метрологические характеристики приемников за счет обеспечения заданной чувствительности.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза оптимальной, с точки зрения чувствительности к измеряемым параметрам и точности измерения давлений, поверхности приемников давлений, используемых в дозвуковых потоках газа и в потоках несжимаемой жидкости.

Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника к углам скоса потока и величине скоростного напора, а также в повышении точности измерения давлений в потоке жидкости или газа за счет увеличения перепадов давлений, действующих на поверхности приемника.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике давлений, представляющем собой тело вращения, имеющее головную и цилиндрическую части, при этом на поверхности головной части расположены центральное приемное отверстие и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости потока жидкости или газа, а на поверхности цилиндрической части расположены приемные отверстия для измерения статического давления, головная часть содержит буртик, поверхность которого образована вращением вокруг оси приемника плавной кривой, лежащей в плоскости симметрии приемника, а периферийные приемные отверстия расположены на поверхности буртика (Определение буртика см. в [3]).

На фиг. 1 изображен общий вид приемника давлений.

На фиг. 2 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей V_τ скорости жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник имеет форму шестиствольного насадка ЦАГИ с безразмерным значением радиуса образующей (L - длина приемника давлений). График 3 соответствует изменению коэффициента угловой чувствительности приемника в зависимости от значения безразмерной продольной координаты График 4 показывает распределение коэффициента давления C_p по поверхности приемника.

На фиг. 3 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей скорости V_τ жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. На головной части приемника расположен буртик 3. График 4 соответствует изменению коэффициента угловой чувствительности S приемника в зависимости от продольной координаты График 5 соответствует распределению коэффициента давления C_p по поверхности приемника безразмерное значение радиуса образующей приемника.

На фиг. 4 для Маха M=0,2 приведены угловые характеристики шестиствольного насадка ЦАГИ - график 2 и заявленного приемника, изображенного на фиг. 1, - график 1. Здесь P_i, P_j - давления в двух приемных отверстиях, расположенных на головной части приемников симметрично относительно продольной оси, скоростной напор в невозмущенном потоке; υ_∞ - скорость невозмущенного потока.

Графики на фиг. 2, 3 получены с помощью выполненного на ЭВМ численного расчета обтекания приемников давлений потоком несжимаемой жидкости [4]. В случае обтекания тел потоком газа полученные результаты могут быть использованы вплоть до чисел Маха M=0,4, когда сжимаемостью газа еще можно пренебречь.

На фиг. 1 изображен заявляемый приемник давлений, представляющий собой тело вращения, состоящее из цилиндрической части 1 и головной части 2, содержащей буртик 3, на поверхности которого находится точка максимальной чувствительности 4, в месте расположения которой размещены периферийные приемные отверстия 5-8, предназначенные для измерения углов скоса и величины скорости потока жидкости или газа, на головной части приемника находится центральные отверстие 9 для измерения полного давления, а на цилиндрической части для измерения статического давления расположены приемные отверстия 10.

Приемник давлений работает следующим образом. Рассмотрим определение скорости пространственного потока для случая продольного обтекания приемника. Обычно для нахождения величины скорости используют следующую зависимость (см. [1] с. 123), носящую название скоростной характеристики

где индексы у давлений P соответствуют номерам приемных отверстий заявляемого устройства (фиг. 1). Здесь вместо отверстия 6 могут быть использованы отверстия 5, 7 или 8.

Рассмотрим два приемника давлений: шестиствольный насадок ЦАГИ и заявляемый приемник с периферийными приемными отверстиями, расположенными в области головной части на поверхности буртика. При этом следует отметить, что приемник, представленный на фиг. 1, без буртика является коническим приемником, чувствительность которого к углам скоса потока и величине скоростного напора гораздо ниже, чем у насадка ЦАГИ. Тогда как это следует из фиг. 3, при обтекании заявляемого приемника потоком жидкости или газа в области головной части там, где находится буртик, происходит дополнительный, по сравнению с прототипом (фиг. 2), разгон потока, что иллюстрируется графиком 1 для величины безразмерной тангенциальной составляющей скорости жидкости V_τ, которая возрастает и достигает в точках расположения периферийных приемных отверстий 5-8 своего максимального значения. Увеличение V_τ, в соответствии с уравнением Бернулли, сопровождается уменьшением давлений, действующих в приемных отверстиях (см. график 5 на фиг.3 и график 4 на фиг. 2), что приводит к увеличению разности (перепада) давлений, между центральным приемным отверстием 9 и периферийными 5-8. Этот эффект вызывает увеличение коэффициента чувствительности S_q заявляемого приемника к величине скоростного напора. В случае линейной скоростной характеристики получаем Нетрудно видеть, что при постоянстве скоростного напора q_∞ и увеличении разности давлений между центральным и периферийными приемными отверстиями чувствительность приемника к величине скоростного напора будет возрастать.

Увеличение точности измерений с помощью заявляемого приемника происходит из-за уменьшения величины относительной погрешности измерения давлений. Относительную погрешность можно найти из выражения где P^* - измеренное приближенное значение разности давлений, откуда непосредственно следует, что при использовании метрологически идентичных датчиков, имеющих одинаковую абсолютную погрешность измерений Δ(P^*), точность измерения давлений у заявляемого приемника будет выше, т.к. достигнутое значение перепада давлений P^*=P₉-P₆ для него больше, чем для прототипа.

Рассмотрим измерение направления потока газа с помощью заявляемого приемника давлений. Обычно для измерения направления пространственного потока используют четыре приемных отверстия, расположенных попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, формируя разности давлений отдельно между двумя приемными отверстиями, расположенными симметрично относительно продольной оси приемника. Для получения угловых характеристик, не зависящих от числа Маха, дополнительно используют давление, измеренное в центральном приемном отверстии. В общем случае угловая характеристика (без использования центрального приемного отверстия) может быть представлена в виде а выражение для коэффициента угловой чувствительности -
На фиг. 4 представлены угловые характеристики прототипа - график 2 и заявляемого приемника - график 1, полученные для числа Маха M=0,2. При одном и том же значении угла скоса потока у заявляемого устройства величина разности давлений больше, чем у прототипа, что по аналогии с измерением скорости приводит к более высокой чувствительности заявляемого приемника к углам скоса потока (чувствительность к углу скоса - тангенс угла наклона касательной к угловой характеристике) и, вследствие этого, к более высокой точности измерения соответствующих давлений за счет уменьшения величины относительной погрешности.

Введение буртика, реальное соотношение размеров которого с размерами приемника представлено на фиг. 3, приводит к увеличению коэффициента угловой чувствительности самого конического приемника в 3,5 раза. Угловая чувствительность заявляемого приемника для выбранного соотношения размеров становится больше угловой чувствительности прототипа в 1,7 раза (см. график 4 на фиг. 3 и график 3 на фиг. 2). Дополнительное увеличение диаметра буртика будет приводить к дальнейшему росту коэффициента угловой чувствительности.

Источники информации
1. Петунин А. Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемника давлений и скоростного напора). М: Машиностроение, 1972, с. 88.

Бедржицкий Е. Л. Егоршев А.В., и др. Аэродинамические и прочностные испытания самолетов. М: Машиностроение 1992, с. 159.

3. Крайнов А. Ф. Словарь-справочник по механизмам. М: Машиностроение. 1981, с. 30.

4. Маслов Л.А., Левшина З.Г. Программа расчета распределения давлений и турбулентного пограничного слоя на теле вращения под углом атаки. Отчет ЦАГИ N 9270, 1976.