МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОЛЕТА

Для измерения параметров движения летательного аппарата относительно воздуха (индикаторной скорости, ИВС и числа М) применимы манометрический, термодинамический, тепловой, тур­бинный и ультразвуковой методы.

Путевая скорость летательного аппарата определяется с по­мощью следующих методов: методом решения навигационного треугольника скоростей, методом визирования земной поверхно­сти, методом, основанным на эффекте Доплера, инерциальным методом.

Рассмотрим сущность некоторых из этих методов.

1. Манометрический метод [1]

Манометрический метод основан на измерении разности меж­ду полным и статическим давлением встречного потока воздуха (р_П — р_сТ) или отношения этих давлений (p_П /p_сТ)-

Давления р_п и р_ст воспринимаются приемниками воздушного давления, расположенными снаружи летательного аппарата (рис. 12.2, а). Приемник полного давления представляет собой трубку, направленную открытым концом навстречу набегающему потоку воздуха, приемник статического давления рассмотрен ра­нее (см. § 11.4)..,'

Приемники полного и статического давления часто объединя­ют в комбинированный приемник воздушного давления (ПВД), схема включения которого приведена на рис. 12.2, б.

От приемников давления р_П и р_СТ передаются по трубопрово­дам дифференциальному манометру или датчику давления, кото­рые воспринимают динамическое давление р_Дин=р_П - р_сТ и пре­образуют его в перемещение отсчетного устройства или в элект­рический сигнал.

Манометр, измеряющий р_дин, можно отградуировать в едини­цах индикаторной скорости V_i.

Манометрический метод позволяет также вычислить число М, являющееся функцией отно­шения давлений: М = f(p_п /P_ст). Если, кроме р_п и р_СТ, измеряется темпера­тура Т окружающей среды, то можно вычислить ИВС, являющуюся функцией отно­шения давлений и темпера­туры:

.

Вывод формул, устанав­ливающих зависимость ве­личин V_i, M и V от изме­ряемых параметров (р_п, р_ст и Т), приводится в § 12.3. Измерение давлений и вы­числение величин Vi, V и М производится с помощью манометри­ческих указателей и датчиков, которые рассматриваются более подробно в § 12. 4—12. 6.

Определение ИВС возможно также по компенсационной схе­ме, основанной на автоматическом уравновешивании полного давления р_п встречного потока воздуха давлением р_к, развивае­мым воздушным компрессором (рис. 12.3).

Полное давление р_п от приемника воздушного давления пода­ется в полость А дифференциального манометрического реле 3, в другую полость Б поступает давление р_к от центробежного ком­прессора /, приводимого во вращение электродвигателем 2, уп­равляемым от контактов манометрического реле. Входное отвер­стие компрессора сообщается со статическим давлением р_от (см. пунктир на рис. 12.3).

Если Р_а>р_к, то мембрана 4 прогибается и замыкает цепь электродвигателя, который набирает обороты до тех пор, пока р_к не увеличится до величины р_п, после чего контакт размыкает­ся, давление р_к падает, контакт снова включается и т. д. Таким образом, поддерживается такая угловая скорость вращения ком­прессора, при которой р_к=р_п

Полное давление приблизительно (без учета сжимаемости воздуха) равно

,

а давление компрессора

,

где С — постоянный коэффициент.

Отсюда следует, что при равенстве р_п = Р_к и q₁ = q угловая скорость пропорциональна V. Преобразование в электриче­ский сигнал может быть осуществлено с помощью тахогенератора или датчика импульсов.

Если плотность Q₁ воздуха в компрессоре не равна плотности g воздуха окружающей атмосферы, возникает погрешность изме­рения скорости. Для обеспечения равенства q₁ = q 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.

Термодинамический метод

Термодинамический метод основан на измерении температу­ры торможения встречного потока воздуха.

При полном торможении потока

.

При неполном торможении

,

где r -—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 r₁ и r ₂, то сигналы датчиков будут соот­ветственно

где T₁ и Т₂ – температуры, измеренные датчиками,

S – чувствительность датчиков.

Отношение сигналов u₁ и и₂ не зависит от Т:

откуда

Если по формуле (12.5) построить счетно-решающую схему, на вход которой поступают сигналы и₁ и и₂, то сигнал на выходе будет пропорционален М.

Можно вывести также формулу для определения истинной воздушной скорости по значениям сигналов u₁ и и₂.

Выражения для u₁ и и₂ можно переписать в виде

Разность сигналов

Имея в виду, что , и подставляя это значение в уравнение (12.6), получим

.

Заменяя М²а²=V², определяем

.

По формуле (12.7) может быть построен термодинамический измеритель ИВС.

3. Тепловой метод [11]

Тепловой метод основан на зависимости теплоты, теряемой нагретым телом, от скорости потока воздуха, обдувающего это тело. Применительно к измерению расхода жидкости этот метод был рассмотрен в гл. IX.

При измерении скорости потока воздуха может быть исполь­зована одна из схем, изображенных на рис. 9.8.

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

Зависимость температуры нити Т_п от скорости потока опре­деляется из условия баланса выделяемого в единицу времени тепла Q₁ и отдаваемого тепла Q₂.

Выделяемое тепло Q₁=0,24i²R.

Отдаваемое тепло ,

где Т — температура окружающей среды;

k, q и c_v — соответственно теплопроводность, плотность и теплоемкость воздуха при постоянном объеме;

d — диаметр нити. Приравнивая Q₁ и Q₂, определяем температуру нити:

.

Из формулы (12.8) следует, что температура нити является нелинейной функцией скорости и зависит также от параметров окружающей атмосферы.

Достоинством метода является малая инерционность преоб­разования скорости потока в электрическую величину, что дела­ет этот метод пригодным для измерения быстроизменяющихся 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. 12.4, 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

,

где K₁ и К₂ — 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. 12.4, б.

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.

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 воздушной истинной скорости летательного аппа­рата.

Этот метод описан в гл. IX (стр. 249).

Число М может измеряться также при излучении звуко­вых колебаний в направлении, перпендикулярном потоку.

Источником ультразвука является пьезоэлемент 1 (рис. 12.5), приемниками служат два пьезоэлемента 2 и 3, расположенные один за другим по потоку и смещенные относительно элемента 1 на величину b. Приемники установлены так, что при скорости потока, равной нулю, их сигналы одинаковы по величине. При движении летательного аппарата с некоторой скоростью V ультразвуковой пучок отклоняется по направлению потока; величина s смещения пучка вдоль линии, соединяющей приемники 2 и 3, определяется из соотношения ,

откуда

.

Следовательно, величина s пропорциональна числу м.

Измерение числа М может производиться двумя способами:

а) измерением отношения амплитуд выходных сигналов пьезоэлементов 2 и 5;

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 s перемещения подвижных пьезоэле­ментов будет определяться по формуле (12.9).

Последний способ позволяет непосредственно определять чис­ло М, но в реализации он менее надежен из-за расположения подвижных частей вне летательного аппарата в открытом пото­ке воздуха.

Литература.

1. Алпаров А.У., Дмитриев С.В., Павлов Е.Г. Элементы автоматических приборных устройств. Лабораторный практикум. Казань.: КАИ, 1988, 32с.

2. Боднер В.А. Авиационные приборы. М.: Машиностроение, 1969.

3. Брасловский Д. А. Приборы и датчики летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1970 г.

4. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989.

5. Кобус А., Тушинский Я., Датчики Холла и магниторезисторы М.: Энергия 1971.

6. Коптева Ю.Н. Датчики теплофизических и механических параметров. М.: Энергия, 1998.

7. Красовский А.Л., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики: М.- Л.: Госэнергоиздат, 1982, 726с.

8. Куликовский К. Л., Купер В. Я. Методы и средства измерений.М.1986.

9. Колосов С. П., Калмыков И. В., Нефёдова В. И. Элементы автоматики. М.: Машиностроение, 1984 г.

10. Минкин С.В., Шашков А.Г. Позисторы. Библиотека по автоматике, вып. 498. М.: Энергия, 1973.

11. Ротберт И.Л., Удалов Н.П. Электронные устройства силовых установок. М.: Машиностроение, 1971.

12. Сотсков Б.С. Основы расчёта и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств. М. - Л.: Энергия, 1965, 465с.

13. Турчин А. М. Электрические измерения неэлектрических величин. М.: Энергия,1966

14. Удалов Н.П. Полупроводниковые датчики. М.: Энергия, 1965.

15. Хомерики О. К. Применение гальваномагнитных датчиков в устройствах автоматики и измерений. М.: Энергия, 1971.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: