Трубка пито, принцип работы

Трубка пито, принцип работы Анемометр

Основные характеристики трубки пито

Данное устройство идеально подходит для измерения давлений и расходов в одной агрегатной фазе. Особым условием правильной и надежной эксплуатации, в том числе достоверности показаний контрольно-измерительных приборов является то, что трубопровод, а именно его поперечное сечения должно быть полностью заполнено жидкостью, в противном случае прибор будет выдавать неправильные показания.

Калибровка точности показаний прибора состоит из самых простых измерений геометрических ее размеров и применение корректирующих коэффициентов.

К основным характеристиками устройства Пито относятся следующие:

  • простота монтажа и сравнительно небольшие финансовые вложения на установку прибора и его обслуживание;
  • высокая точность измерений в течение длительной эксплуатации;
  • невысокие потери в сравнении с другими приборами для определения расхода для движущегося потока жидкости или газа;
  • в отдельных конструкциях имеется возможность телескопического выдвижения трубки в вертикальном направлении.

Главный прибор наладчика вентиляционных систем – testo 435

Testo 435 – компактный, переносной измерительный прибор. Благодаря возможности использования с различными сменными зондами он становится универсальным прибором для различных целей применения.

Testo 435 и прилагаемые к нему зонды

С ним легко решить такие задачи как:

Часто спрашивают: какие комплектации бывают у прибора testo 435 , какие зонды с ним использовать и чем он будет лучше недорогих приборов, которые могут измерять 1-2 параметра. Когда задача заключается в измерении нескольких параметров (скорость, влажность, температура, давление), удобнее будет воспользоваться комбинированным прибором. В отличие от недорогих приборов с testo 435 можно сохранять результаты измерений, а затем обрабатывать их с помощью специальной программы для ПК. Дисплей большой, двустрочный, на каждую строку можно вывести необходимый параметр, также на экран выводится информация по максимальным, минимальным и средним значениям. Простое, удобное меню позволяет выбрать единицы измерений для разных характеристик, включить или выключить перерасчет скорости потока воздуха в расход.

Testo 435 выпускается в четырех модификациях:

Testo 435-1 – базовая модель, подходит для большинства задач, поставленных перед специалистом по настройке и обслуживанию систем ОВК. С помощью него и соответствующих зондов можно измерить скорость потока воздуха, влажность, температуру, а также оценивать качество воздуха с помощью IAQ зонда (кат. № 0632 1535)

Testo 435-2 — старшая версия testo 435-1, помимо стандартных зондов для наладки систем вентиляции (измерение скорости потока, температуры, влажности) с ним можно использовать датчик для измерения уровней турбулентности (оценки уровня комфорта) в помещении и люкс зонд, для определения уровня освещенности. Прибор имеет внутреннюю память. В комплект входит программное обеспечение и USB кабель.

Testo 435-3 будет необходим для измерения скорости потока воздуха с трубкой Пито, так как у него уже есть встроенный датчик дифференциального давления. Кроме того он может выполнять все те же функции, что и testo 435-1.

Testo 435-4 – Последний прибор в линейке. Включает в себя все необходимые функции для оценки качества воздуха и уровня комфорта, прибор оснащен датчиком дифференциального давления, внутренней памятью. В комплект поставки также входит USB кабель и программное обеспечение. Этот прибор позволяет проводить необходимые замеры в автоматическом режиме. Для этого Вам нужно выбрать интервал времени для проведения замера и нажать на «старт». Затем все данные можно перенести на компьютер. А если до этого подключить прибор к компьютеру и оставить, то все измерения можно записывать в онлайн режиме. При этом количество измерений ограничено только памятью Вашего компьютера.

Прежде всего, необходимо определиться: какие параметры Вам надо измерять и в каких диапазонах и условиях. Как, например, если это будет скорость потока воздуха, зонд определяется в зависимости от места, степени запыленности, а также от предполагаемой скорости.

Характеристики // Датчик (зонд)Обогреваемая струнаКрыльчаткаТрубка Пито
Принцип измеренияОсновывается на обогреваемом элементе. При прохождении воздуха через струну она охлаждается. Температура поддерживается на необходимом уровне благодаря регулятору. Регулируемый поток прямо пропорционален скорости потока воздуха.Поток воздуха заставляет крыльчатку вращаться. Принцип измерения основывается на преобразовании скорости вращения крыльчатки в электрические сигналы.Напорные трубки имеют 2 канала, соединяемые шлангами со штуцерами дифманометра. Входное отверстие трубки Пито принимает общее давление потока, боковое отверстие – статическое давление. В результате, дифференциальное давление является динамическим напором на основе которого прибор вычисляет скорость и объемный расход.
Область примененияВоздуховоды, вентиляционные решетки, аттестация рабочих мест. Применяется в основном для измерения малых скоростей.Крыльчатка диаметром 16 мм для воздуховодов, диаметром 60 – 100 мм. – решетки.Воздуховоды и при высоких температурах (до 600 °С).
Диапазон измерения0,1 … 20 м/с0,2 … 40 м/с2 … 100 м/с, зависит от диапазона измерения давления. Максимальная скорость ограничивается конструктивными особенностями трубки.
Относительная погрешность по скоростиОколо 5 %3 … 5 %3 … 5 %
Рабочая температура зонда-20 … 70 °С-20 … 70 °С-40 … 600 °С

Зонд с обогреваемой струной (например,0635 1535 или 0635 1025) позволяет точно измерять маленькие скорости до 20 м/с и температуру до 70 °С. Использовать ее можно только с чистым, не запылённым воздухом, в противном случае она может порваться. (Зонд ремонту не подлежит). При проведении замеров необходимо, чтобы чувствительный элемент зонда был направлен строго навстречу потоку воздуха. При отклонении от этой оси увеличивается погрешность измерений, причем, чем больше угол отклонения, тем больше погрешность.

Крыльчатки идеально подходят для измерения скорости потока от 5 до 40 м/с. Для воздуховодов, как замена обогреваемой струне, подойдет крыльчатка D=16мм (0635 9535). Для измерения объемного расхода на вентиляционных решетках и диффузорах подойдут крыльчатки диаметром 60 мм (0635 9335) и 100 мм (0635 9435), последняя используется вместе со специальными воронками (0563 4170). С воронками процесс измерения становится проще и точнее, т.к. проводится один замер, а не несколько, как в случае работы только с анемометром.

Дифференциальные манометры с пневмометрической трубкой Пито используются при высоких температурах и при скоростях более 2 м/с. У трубок Пито есть коэффициенты, которые надо предварительно ввести в прибор для расчета скорости потока воздуха. А для перерасчета в расход необходимо знать площадь сечения воздуховода.

Помимо зондов оценки скорости потока к testo 435 можно подключить самые разнообразные зонды для измерения температуры (воздуха, поверхности, поверхности труб, погружной и т.д). IAQ зонд (0632 1535), зонд уровней турбулентности (0628 0109) и люкс зонд (0635 0545) делают testo 435 универсальным прибором для оценки качества воздуха и уровня комфорта в помещениях.

Датчики для измерения скорости воздушного потока, для любых задач

Для измерения скорости воздушного потока, как правило, используются три типа приборов, отличающихся диапазонами измерений и рабочей температурой:

  • Трубки Пито
  • Крыльчатые датчики потока/Анемометры с крыльчаткой
  • Термоанемометры с измерительной головкой

Достоинства и недостатки аппарата пито

К преимуществам трубки Пито относятся:

  • простота в изготовлении;
  • конструктивная прочность. Трубка Пито изготавливается из твердых материалов: никелированной латуни или нержавеющей стали;
  • хорошо подходят к измерению высоких скоростей жидкостей или газов (воздуха) даже при высоких температурах до 800 градусов по Цельсию;
  • имеют несколько модификаций: стационарных (непосредственно установленных на трубопровод, газоход в месте измерений) и переносных, вставляемых через специальные штуцера – для измерений расхода и давления газа (воздуха).

К недостаткам можно отнести:

  • очень высокая восприимчивость к засорениям трубок твердыми и грубодисперсными примесями и частицами, присутствующими в жидкости или газе;
  • возможность использования ограничена в тех местах, где очень важно не создавать большого гидравлического или аэродинамического сопротивления движущемуся навстречу потоку жидкости или газа;
  • качество и точность показаний измеренной величины напрямую зависит от температуры жидкости (газа) и ориентации трубки в пространстве трубы.

Широкое применение прибор трубка Пито нашел в различных отраслях промышленности, к примеру — в авиационном строении применяется в качестве приемников потоков воздуха для определения скорости полета и его высоты.

Зачем измеряют скорость воздуха

Для систем вентиляции и кондиционирования одним из важнейших факторов является состояние подаваемого воздуха. То есть, его характеристики.

К основным параметрам воздушного потока относятся:

В СНиПах и ГОСТах описаны нормированные показатели для каждого из параметров. В зависимости от проекта величина этих показателей может изменятся в рамках  допустимых норм.

Скорость в воздуховоде строго не регламентируется нормативными документами, но в справочниках проектировщиков можно найти рекомендуемые значение этого параметра. Узнать как рассчитать скорость в воздуховоде, и ознакомится с ее допустимыми значениями можно прочитав данную статью. 

Например, для гражданских зданий рекомендуемая скорость движения воздуха по магистральным каналам вентиляции лежит в пределах 5-6 м/с. Правильно выполненный аэродинамический расчет решит задачу подачи воздуха с необходимой скоростью.

Но для того чтобы постоянно соблюдать этот режим скорости, нужно время от времени контролировать скорость перемещения воздуха. Почему? Через некоторое время воздуховоды, каналы вентиляции загрязняются, оборудование может давать сбои, соединения воздуховодов разгерметизируются.

Как проводят измерения

Измерения скорости воздуха можно проводить в воздуховодах, на выходе из воздуховодов, в вентиляционных решетках или диффузорах.

Про анемометры:  Windscribe VPN установить бесплатно последнюю версию

Когда измерение скорости проводят непосредственно в воздуховоде, то место измерения должно находится после прохождения потока через фильтры. На воздуховоде следует найти специальное отверстие, которое предназначено для контрольно-измерительных операций (такие отверстия часто закрывают питометражной заглушкой). Также можно использовать очистной лючок.

[important] Следует помнить, что отверстие для контрольно-измерительных операций должно находится на прямом участке воздуховода. Его длинна не менее 5 диаметров воздуховода [/important]

При произведении замеров трубкой Пито, ее вставляют в воздуховод, направляя против потока воздуха.

Как работает трубка пито

Представим, что жидкость под каким-то неизвестным давлением течет по трубе, как изображено на рисунке 2.

Принцип работы трубки Пито в потоке жидкости

Соответственно, в первой А манометрической трубке (слева) со свободным выходом жидкость поднимется вверх до определенной отметки — hs. В случае подсоединения манометра к свободному концу, он покажет давление, которое жидкость оказывает на стенки трубопровода. Данная величина устанавливает: на сколько статическое давление жидкости больше атмосферного.

Необходимо отметить, что отверстие монтируется в трубопроводе в строгой перпендикулярности во избежание большой погрешности измерения. Это значит, что давление измеренное в трубке А не зависит от скорости потока жидкости.

Вторая же трубка В формой Г является напорной и опущена в жидкость – навстречу движущемуся потоку. Газ или жидкость, движущаяся с определенной скоростью, будет заполнять полость трубки. К свободному концу трубки также присоединим контрольно-измерительный прибор – манометр.

Уровень жидкости в манометрической трубке В ht будет состоять из 2-х складывающихся физических величин: статического напора и напора, который создается скоростным движением потока. Скоростной напор определяется разностью уровней в трубках h=ht-hs.

Таким образом, мы имеем две абсолютно разные величины измеренного давления вертикальной трубкой и трубкой Пито. В этом и состоит основной принцип работы трубки Пито, в частности, сумма статического и скоростного напоров составит величину полного напора жидкости в трубе. А для нахождения расхода жидкости в данном сечении трубопровода берется разность двух этих физических величин.

Каким прибором измеряют скорость движения воздуха

Все устройства такого типа компактны и несложны в использовании, хотя и тут есть свои тонкости.

Прибор для измерения скорости воздуха называется анемометром

Приборы для измерения скорости воздуха:

Крыльчатые анемометры одни из самых простых по конструкции устройств. Скорость потока определяется скоростью вращения крыльчатки прибора.

Температурные анемометры имеют датчик температуры. В нагретом состоянии он помещается в воздуховод и по мере его остывания определяют скорость воздушного потока.

Ультразвуковыми анемометрами в основном измеряют скорость ветра. Они работают по принципу определения разницы частоты звука в выбранных контрольных точках воздушного потока.

Анемометры с трубкой Пито оснащены специальной трубкой малого диаметра. Ее помещают в середину воздуховода, тем самым измеряя разницу полного и статического давления. Это одни из самых популярных устройств для измерения воздуха в воздуховоде, но при этом у них есть недостаток — невозможность использования, при высокой концентрации пыли.

Дифманометры могут измерять не только скорость, а и расход воздуха. В комплекте из трубкой Пито, этим устройством можно измерять потоки воздуха до 100 м/с.

Балометры наиболее эффективны при измерениях скорости воздуха на выходе из вентиляционных решеток и диффузоров. Они имеют раструб, который захватывает весь воздух, выходящий из вент-решетки, тем самым сводя погрешность измерения к минимуму.

Крыльчатые датчики потока

Скорость воздушного потока определяется по измерениям частоты вращения крыльчатки. Данные приборы являются чувствительными датчиками с точно подогнанными алмазными подшипниками, что обеспечивает высокую точность измерений.

Преимущества:Высокая точность измерений, нечувствительны к турбулентным потокам.

Недостатки:Чувствительны к механическим повреждениям, строго направленные.

Особенности измерений скорости воздуха

Существуют некоторые нюансы работы с анемометрами разных видов. Как уже упоминалось, анемометры с трубкой Пито нельзя использовать при высоких концентрациях твердых частичек, иначе трубка быстро засоряется, а прибор выходит из строя.

Термоанемометры не работают в условиях измерения высоких скоростей воздушного потока — свыше 20 м/с. При измерения скорости в нагретых воздушных потоках (например в газоходах) рекомендуется использовать трубку не из пластика, а из нержавеющей стали.

Поправочные коэффициенты для точных измерений скорости воздушных потоков

Температура воздуха940 мбар960 мбар980 мбар1000 мбар1020 мбар1040 мбар
–30°C0.9420.9320.9220.9130.9040.895
–20°C0.9610.9510.9410.9320.9230.914
–10°C0.9800.9700.9600.9500.9410.931
0°C0.9980.9880.9780.9680.9580.949
10°C1.0161.0050.9950.9850.9750.966
20°C1.0351.0241.0131.0030.9930.983
30°C1.0511.0401.0291.0191.0090.999
40°C1.0691.0571.0471.0361.0261.016
50°C1.0851.0741.0631.0521.0421.031
60°C1.1021.091.0791.0681.0571.047
70°C1.1181.1061.0951.0841.0731.063
80°C1.1351.1231.1111.1001.0891.078
90°C1.1511.1391.1271.1161.1051.094
100°C1.1671.1541.1421.1311.1201.109
150°C1.2421.2291.2161.2041.1921.180
200°C1.3141.3001.2871.2741.2611.249
250°C1.3811.3671.3531.3391.3261.313
300°C1.4461.4311.4161.4021.3881.375
400°C1.5671.551.5341.5191.5041.489
500°C1.681.6631.6461.6291.6131.597
600°C1.7841.7661.7481.731.7131.696
700°C1.8841.8651.8461.8271.8091.791

Истинная скорость воздуха зависит от температуры воздуха и от барометрического давления воздуха. Для получения точного результата, измеренные значения умножают на коэффициенты поправок, представленные в таблице.

Пример:Измеренная скорость воздуха 50 м/сек., температура воздуха 80°C, атмосферное давление 960 мбар.Измеренную величину необходимо умножить на коэффициент 1.123. Истинная скорость воздуха составит 56.1 м/сек..

Принцип работы трубки пито

В начальной стадии работы трубка Пито заполняется движущейся жидкостью или газом. Соответственно, поток, входящий в трубку Пито и вертикальную трубку, создаст некое давление, которое будет контролироваться с помощью манометров, установленных на свободных концах трубок.

По разности давлений измерительных приборов или разности высот поднятия жидкости в трубках судят о полном напоре жидкости, протекающей в трубе, его непосредственно скорости, а также расхода. Таким образом, в основу принципа измерения положен принцип дифференциальной разности давления.

Скорость воздуха для выбранных значений динамического давления(трубка пито/прандтля, t = 22°c)

Динамическое давление [Па]Динамическое давление [миллиметров водяного столба]Скорость воздуха [м/с]
10.11.29
20.21.83
30.32.24
40.412.59
50.512.89
101.024.09
202.045.78
303.067.08
404.088.18
505.19.14
10010.212.93

Способ и устройство измерения турбулентности воздуха вокруг летательного аппарата

Группа изобретений относится к технике оценки условий полета летательного аппарата. Предложены способ и устройство для измерения турбулентности воздуха вокруг летательного аппарата. Устройство содержит систему измерения, включающую в себя лидары, установленные на летательном аппарате с возможностью осуществления в полете двенадцати измерений аэродинамической скорости вокруг летательного аппарата. Система измерения выполняет упомянутые двенадцать измерений в четырех разных точках измерения, всякий раз по трем заданным осям. Имеется центральный блок, который при помощи измерений, выполняемых упомянутой системой измерения, и заданной математической модели первого порядка, описывающей поле аэродинамической скорости на основании двенадцати переменных, определяет поле аэродинамической скорости вокруг летательного аппарата. Данное поле характеризует турбулентность воздуха вокруг летательного аппарата. Группа изобретений обеспечивает измерение турбулентности с повышенными точностью и надежностью. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу и устройству измерения турбулентности воздуха вокруг летательного аппарата, в частности транспортного самолета.

Более конкретно, хотя и не исключительно, измеряемую турбулентность можно использовать для оценки имитирующих моделей, которые можно использовать для проверки характеристик самолета в лабораторных условиях, при проектировании или до полета этого летательного аппарата; и, в частности, для выбора наиболее действенной модели из числа возможных теоретических моделей.

Для этих целей необходимо особо точное и надежное выполнение измерений.

Известно, что помимо естественной однородности поля аэродинамической скорости (или поля турбулентности) вокруг летательного аппарата также имеется возмущение этого поля вблизи него, нередко — на расстоянии свыше нескольких десятков метров, которое создается при пролете летательного аппарата. Это возмущение остается в турбулентном следе, создаваемом при пролете летательного аппарата. Эти обстоятельства затрудняют выполнение точных измерений.

Изобретение относится к эффективному и надежному способу измерения турбулентности воздуха вокруг летательного аппарата, в частности транспортного самолета; причем этот способ обеспечивает возможность устранения упомянутых недостатков.

Согласно изобретению упомянутый способ характеризуется следующим:

а) во время полета летательного аппарата выполняют двенадцать измерений аэродинамической скорости вокруг упомянутого летательного аппарата при помощи установленных на летательном аппарате лидаров; причем упомянутые измерения выполняют в четырех разных точках измерения, всегда согласно трем заданным осям; и

б) при помощи упомянутых двенадцати измерений и заданной математической модели первого порядка, описывающей поле аэродинамической скорости как функцию двенадцати переменных, определяют поле аэродинамической скорости вокруг летательного аппарата, характеризующее упомянутую турбулентность воздуха.

Таким образом, при помощи такого изобретения получают особо точное и надежное измерение турбулентности. В частности:

— с одной стороны, в связи с использованием лидаров различные точки измерения удалены от летательного аппарата, и поэтому, как упомянуто ниже, обеспечивается возможность выполнения измерений в зонах, не изменяемых при пролете летательного аппарата, и, поэтому, возможность измерения фактической турбулентности; и

— с другой стороны, упомянутая математическая модель (первого порядка, описывающая поле аэродинамической скорости как функцию двенадцати переменных), которую используют для определения турбулентности, учитывает гипотезу, согласно которой поле аэродинамической скорости не является единообразным в разных точках измерения, что соответствует действительности. Эта модель учитывает, с одной стороны, гипотезу, согласно которой первые производные в поле аэродинамической скорости являются единообразными, тем самым предполагая использование двенадцати переменных (три составляющих и девять первых производных).

Про анемометры:  Материальный поток: понятие, виды, единицы измерения — Студопедия.Нет

Известно, что турбулентность воздуха вызывается неединообразным полем аэродинамической скорости и поэтому представляет собой беспорядочное возмущение воздуха, подвергающегося течению, в котором элементарные струйки перемешиваются вместо сохранения своей индивидуальности.

Помимо этого, лидар является устройством, позволяющим определять положение и расстояние до препятствия за счет отражения от него оптического светящегося излучения, обычно испускаемого лазером. Термин «лидар» (лазерный локатор) является сокращением фразы «световое детектирование и измерение дальности» [Light Detection and Ranging]. Работа лидара основана на принципе транспонирования применяемого в радиоэлектронике принципа радара в область оптики и свечения.

Каждый лидар измеряет, в назначенной ему точке измерения, три составляющих аэродинамической скорости соответственно в соответствии с упомянутыми тремя заданными осями: измеряет для каждой составляющей эффект Доплера лазерного луча, испускаемого или обратно рассеиваемого частицами, присутствующими в заданном объеме вокруг упомянутой точки измерения.

На этапе а), в первом осуществлении используют четыре лидара, каждый из которых выполняет измерения в одной из упомянутых четырех точек; и во втором предпочтительном осуществлении используют три лидара, из которых два выполняют каждое из измерений в одной из упомянутых точек измерения, и третий лидар выполняет измерения в двух последующих моментах во время полета летательного аппарата, чтобы тем самым можно было выполнять измерения в двух разных точках измерения, которые соответствуют двум остающимся точкам измерения.

В рамках данного изобретения упомянутые лидары можно расположить в любом месте на летательном аппарате, где они смогут выполнять упомянутые измерения (при том условии, что выбранные места будут разными по отношению друг к другу). Но в конкретном осуществлении, применимом для упомянутого второго предпочтительного осуществления, упомянутые лидары соответственно расположены на первом переднем правом иллюминаторе, первом переднем левом иллюминаторе и на крыле летательного аппарата.

Далее предпочтительно, если упомянутые заданные оси отходят от летательного аппарата и ориентированы вперед. Таким образом используемая система отсчета привязана к летательному аппарату.

Изобретение также относится к устройству для измерения турбулентности воздуха вокруг летательного аппарата.

Согласно изобретению упомянутое устройство характеризуется тем, что содержит:

— систему измерения, содержащую лидары, которые установлены на летательном аппарате и которые выполняют в полете летательного аппарата двенадцать измерений аэродинамической скорости вокруг упомянутого летательного аппарата; при этом упомянута система измерения выполняет упомянутые измерения в четырех разных точках измерения, всегда согласно трем заданным осям; и

— центральный блок, который — при помощи измерений, выполняемых упомянутой системой измерения, и при помощи заданной математической модели первого порядка, описывающей поле аэродинамической скорости как функцию двенадцати переменных, — определяет поле аэродинамической скорости, присутствующее вокруг летательного аппарата и характеризующее упомянутую турбулентность воздуха.

В первом осуществлении упомянутый центральный блок установлен на летательном аппарате и определяет турбулентность воздуха во время полета летательного аппарата.

Во втором предпочтительном осуществлении устройство согласно изобретению также содержит записывающее средство для записи в базе данных измерений, выполняемых упомянутой системой измерения; и упомянутый центральный блок определяет турбулентность воздуха на земле после полета по измерениям, записанным в полете в упомянутой базе данных.

Упомянутая система измерения также содержит:

— либо четыре лидара, каждый из которых выполняет измерения в одной из упомянутых четырех точек измерения;

— либо три лидара. В этом случае два из упомянутых лидара выполняют каждое из измерений в одной из упомянутых точек измерения, и третий лидар выполняет измерения в двух последовательных моментах во время полета летательного аппарата, чтобы таким образом можно было выполнять измерения в двух разных точках измерения, соответствующих двум остальным точкам измерения. В этом примере упомянутые лидары соответственно расположены в первом переднем правом иллюминаторе, первом переднем левом иллюминаторе и на крыле летательного аппарата.

Прилагаемый чертеж поясняет возможную реализацию изобретения. Чертеж представляет собой блок-схему измерительного устройства согласно изобретению.

Устройство 1 согласно изобретению, схематически представленное на чертеже, предназначено для измерения турбулентности воздуха вокруг летательного аппарата (не показано), в частности транспортного самолета. Известно, что турбулентность воздуха соответствует возмущению, налагаемому на усредненное движение воздуха, и состоит из беспорядочных, непрерывно трансформирующихся движений. Турбулентность встречается внутри или вблизи облаков (например — в грозовом облаке, в котором сосуществуют противоположно направленные вертикальные потоки). В безоблачном небе турбулентность также происходит либо вблизи земли, либо особенно на очень большой высоте вблизи реактивных потоков.

Согласно изобретению упомянутое измерительное устройство 1 содержит:

— систему 2 измерения, содержащую множество лидаров L1, L2, L3, L4. Эти лидары L1, L2, L3, L4, перечисляемые ниже, установлены на летательном аппарате и предназначены для выполнения, в полете упомянутого летательного аппарата, упоминаемых ниже двенадцати измерений М1-М12 аэродинамической скорости согласно приводимым ниже пояснениям. Эти измерения М1-М12 выполняют за бортом летательного аппарата вблизи него, но, тем не менее, по меньшей мере на заданном расстоянии от упомянутого летательного аппарата, например на расстоянии 30 м, по меньшей мере. Упомянутая система 2 измерения обеспечивает выполнение упомянутых двенадцати измерений в четырех разных точках измерения, всякий раз с тремя измерениями в данной точке измерения, соответственно согласно трем заданным осям X, Y, Z; и

— центральный блок 3, который с помощью измерений, выполняемых упомянутой системой 2 измерения, и при помощи интегральной математической модели определяет поле аэродинамической скорости в упомянутой близости от летательного аппарата, характеризующее упомянутую турбулентность воздуха. Эта математическая модель является моделью первого порядка, которая описывает поле аэродинамической скорости как функцию двенадцати переменных.

При помощи этого изобретения обеспечивают особо точное и надежное измерение турбулентности. В частности:

— с одной стороны, за счет применения лидаров L1, L2, L3, L4 разные точки измерения удалены от летательного аппарата, в результате чего возможно:

* выполнение измерений в зонах, не затронутых возмущением от пролета летательного аппарата; и поэтому

* измерение фактической турбулентности атмосферы по траектории летательного аппарата, но в удалении от возмущений, создаваемых летательным аппаратом; и

— с другой стороны, упомянутая математическая модель (первого порядка, описывающая поле аэродинамической скорости как функцию двенадцати переменных), используемая для определения турбулентности, учитывает гипотезу, согласно которой поле аэродинамической скорости не является единообразным в разных точках измерения, что соответствует действительности. Эта модель учитывает, с другой стороны, гипотезу, согласно которой первые производные в упомянутом поле аэродинамической скорости являются единообразными, тем самым предполагая использование двенадцати переменных (три составляющих и девять первых производных, упоминаемых ниже).

Лидары L1, L2, L3, L4 являются устройством, позволяющим определять положение и расстояние до препятствия за счет отражения ими оптического светящегося излучения. Термин «лидар» происходит от сокращения фразы «световое детектирование и измерение дальности» [Light Detection and Ranging]. Работа лидара основана на принципе транспонирования применяемого в радиоэлектронике принципа радара в область оптики или свечения.

Каждый лидар L1, L2, L3, L4 измеряет в соответствующей точке измерения три составляющих аэродинамической скорости соответственно в соответствии упомянутыми заданными тремя заданным осями X, Y и Z, измеряет для каждой составляющей эффект Доплера лазерного луча, испускаемого или обратно рассеиваемого частицами, естественно присутствующими в заданном объеме вокруг упомянутой точки измерения.

В первом осуществлении устройство 1 согласно изобретению содержит четыре лидара L1, L2, L3, L4. Каждый из этих четырех лидаров L1-L4 выполняет три измерения на одной из упомянутых четырех точек.

Во втором предпочтительном осуществлении упомянутое устройство 1 содержит только три лидара L1, L2 и L3. Первый лидар L1 выполняет три измерения в первой из упомянутых точек измерения; второй лидар L2 выполняет три измерения во второй из упомянутых точек измерения и третий лидар L3 выполняет три измерения всякий раз в одном и том же положении по отношению к летательному аппарату, но в двух последовательных моментах во время полета летательного аппарата, чтобы таким образом можно было выполнять измерения в двух разных точках измерения (находящихся друг от друга на расстоянии, характеризующем полет летательного аппарата между этими двумя моментами).

В рамках данного изобретения упомянутые лидары L1, L2, L3, L4 можно расположить в любом местоположении (на летательном аппарате), где они могут выполнять упомянутые измерения (при том условии, что эти местоположения взаимно разные). Согласно конкретному осуществлению применительно к самолету и во втором излагаемом выше предпочтительном осуществлении: упомянутые лидары L1, L2 и L3 соответственно расположены на первом переднем правом иллюминаторе, первом переднем левом иллюминаторе и на крыле самолета.

Упомянутые оси X, Y и Z отходят от летательного аппарата и соответствуют, например, в случае самолета продольной оси самолета, причем средняя ось проходит через крылья и расположена под прямым углом по отношению к упомянутой продольной оси и оси, которая перпендикулярна к плоскости, образуемой двумя предыдущими осями.

В продольном направлении точки измерения должны быть достаточно удалены от летательного аппарата, например — на 30 м, и на них не должны воздействовать создаваемые летательным аппаратом возмущения. Помимо этого, в боковом направлении две точки измерения должны достаточно далеко отстоять друг от друга, чтобы можно было выполнять разные измерения, но не слишком далеко, чтобы удовлетворять линейным приближениям, учитываемым в теоретической модели. Боковое расстояние между двумя точками измерения предпочтительно не должно превышать размаха крыла летательного аппарата.

Про анемометры:  Что такое анемометр и что им измеряют?

Как указано выше, центральный блок 3 определяет турбулентность воздуха (в виде поля аэродинамической скорости) при помощи математической модели первого порядка, которая описывает поле аэродинамической скорости как функцию двенадцати переменных.

Двенадцать переменных, учитываемых в этой математической модели:

— три составляющих Wx, Wy, Wz воздушного потока W в соответствии с упомянутыми осями X, Y и Z;

— три первых производных воздушного потока W по оси Х:

dWx/dx, dWy/dx, dWz/dx;

— три первые производные воздушного потока W по оси Y: Трубка пито, принцип работы

dWx/dу, dWy/dу, dWz/dу и

— три первые производные воздушного потока W по оси Z:

dWx/dz, dWy/dz, dWz/dz.

Конкретнее, упомянутый центральный блок 3 определяет упомянутое поле аэродинамической скорости — по упомянутой математической модели и упомянутым измерениям, учитывая следующее.

На основании упомянутых составляющих воздушного потока и градиентов можно вычислить три составляющих воздушного потока в произвольной точке пространства. Для точки Р, определенной в системе отсчета, привязанной к летательному аппарату, три составляющие воздушного потока соответствуют линейной комбинации составляющих воздушного потока и градиентов. Если точка Р является точкой, в которой лидар L1, L2, L3, L4 делает измерение, то это измерение проецируют на направление измерения трех составляющих воздушного потока. Это проецирование линейное. Для каждой точки измерения Р поэтому существует линейное соотношение между составляющими воздушного потока и градиентами, с одной стороны, и измерениями каждого лидара, с другой стороны. Можно записать это соотношение в виде матрицы. Если М — вектор двенадцати измерений лидаров L1, L2, L3 и L4; V — вектор составляющих воздушного потока и градиентов и N — матрица, их связывающая, то получается следующее соотношение:

M=N·V,

где

Трубка пито, принцип работы

Трубка пито, принцип работы

Матрица N зависит от направлений измерений, положений лидаров L1, L2, L3, L4 на летательном аппарате и от расстояний измерения упомянутых лидаров L1, L2, L3, L4.

Поэтому можно вычислить составляющие оцениваемого воздушного потока Трубка пито, принцип работы с помощью следующего выражения:

Трубка пито, принцип работы=N-1·M,

где N-1 является матрицей, обратной N.

Следует отметить, что согласно изобретению система 2 измерения испускает столько измерительных лучей, сколько необходимо в оптимизированных направлениях, и центральный блок 3 выполняет обработку упомянутых измерений, в результате чего можно уйти от технических и монтажных ограничений, в частности — в отношении положения точек измерения, и устранить влияние того факта, что измеряемая скорость является проекцией аэродинамической скорости на ось зрения (или на ось испускания измерительного луча).

Результаты обработки, выполняемой упомянутым центральным блоком 3, можно передать по линии 5 связи в обычное информационное средство 6, например — на экран или принтер, чтобы предоставить упомянутые результаты оператору.

В первом осуществлении упомянутый центральный блок 3 установлен на летательном аппарате и подключен линией 4 связи к упомянутой системе 2 измерения. Таким образом выполняют определение турбулентности воздуха непосредственно во время полета летательного аппарата с помощью измерений, выполняемых во время этого полета.

С другой стороны, во втором осуществлении, которое частично представлено пунктирными линиями на чертеже: измерительное устройство 1 также содержит записывающее средство 10, подключенное линией 8 связи к упомянутой системе 2 измерения и записывающее в полете в своей базе 7 данных измерения, выполняемые упомянутой системой 2 измерения. Эти результаты можно передать на землю по линии 9 связи (подвижная линия передачи данных) в центральный блок 3. Упомянутый центральный блок 3 определяет в этом случае турбулентность воздуха на земле после полета с помощью измерений, зарегистрированных в упомянутой базе 7 данных во время полета и передаваемых по упомянутой линии 9 связи.

Помимо этого, как указано выше, каждый лидар L1, L2, L3 и L4 выполняет три измерения. Эти измерения выполняют в направлениях, которые не обязательно должны быть параллельными осям Х, Y и Z летательного аппарата. Эти направления не обязательно должны быть перпендикулярными. Они оптимизированы для улучшения качества измерений. Их вполне можно дифференцировать таким образом, чтобы числовое обращение матрицы N смогло обеспечить возможность сохранения хорошей точности. Они также удовлетворяют другим условиям: они ориентированы к зонам в пространстве, где поле аэродинамической скорости в наименьшей степени затронуто пролетом самолета. В частности, все наиболее целесообразные точки находятся в направлении перед летательным аппаратом, и многие ориентированы вверх (и вперед).

1. Способ измерения турбулентности воздуха в окружении летательного аппарата, в котором
а) во время полета летательного аппарата выполняют двенадцать измерений аэродинамической скорости во внешнем окружении упомянутого летательного аппарата посредством лидаров, установленных на летательном аппарате; причем упомянутые измерения выполняют в четырех разных точках измерения, всегда согласно трем заданным осям, и
б) при помощи упомянутых двенадцати измерений и заданной математической модели первого порядка, описывающей поле аэродинамических скоростей как функцию двенадцати переменных, определяют поле аэродинамических скоростей, которое существует в окружении летательного аппарата, характеризующее упомянутую турбулентность воздуха, при этом математическая модель учитывает:
три составляющих Wx, Wy, Wz воздушного потока W в соответствии с упомянутыми осями X, Y и Z;
три первых производных воздушного потока W по оси X:
dWx/dx, dWy/dx, dWz/dx;
три первые производные воздушного потока W по оси Y:
dWx/dy, dWy/dy, dWz/dy; и
три первые производные воздушного потока W по оси Z:
dWx/dz, dWy/dz, dWz/dz.

2. Способ по п.1, в котором каждый лидар измеряет в упомянутой точке измерения три составляющих аэродинамической скорости соответственно согласно упомянутым трем заданным осям путем выполнения для каждой составляющей измерения эффекта Доплера лазерного луча, испускаемого и обратно рассеиваемого частицами, находящимися в заданном объеме вокруг упомянутой точки измерения.

3. Способ по п.1, в котором на этапе а) используют четыре лидара (L1, L2, L3, L4), каждый из которых выполняет измерения в одной из упомянутых четырех точек измерения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что на этапе а) используют три лидара (L1, L2, L3), при этом два из упомянутых лидаров выполняют, каждый, измерения в одной из упомянутых точек измерения, причем третий лидар выполняет измерения в двух последовательных моментах во время полета летательного аппарата, чтобы таким образом можно было выполнять измерения в двух разных точках измерения, которые соответствуют двум оставшимся точкам измерения.

5. Способ по п.4, в котором упомянутые лидары (L1, L2, L3) соответственно расположены на первом переднем правом иллюминаторе, первом переднем левом иллюминаторе и на крыле летательного аппарата.

6. Способ по п.1, в котором упомянутые заданные оси зависят от летательного аппарата.

7. Устройство для измерения турбулентности воздуха в окружении летательного аппарата, которое содержит:
систему (2) измерения, содержащую лидары, установленные на летательном аппарате и предназначенные для выполнения во время полета летательного аппарата двенадцати измерений аэродинамической скорости во внешнем окружении упомянутого летательного аппарата, причем упомянутая система (2) измерения выполняет упомянутые двенадцать измерений в четырех разных точках измерения, всякий раз в соответствии с тремя заданными осями, и
центральный блок (3), который с помощью измерений, выполняемых упомянутой системой (2) измерения, и математической модели первого порядка, описывающей поле аэродинамических скоростей как функцию двенадцати переменных, определяет поле аэродинамических скоростей, которое существует в окружении летательного аппарата, характеризующее упомянутую турбулентность воздуха, при этом математическая модель учитывает:
три составляющих Wx, Wy, Wz воздушного потока W в соответствии с упомянутыми осями X, Y и Z;
три первых производных воздушного потока W по оси X:
dWx/dx, dWy/dx, dWz/dx;
три первые производные воздушного потока W по оси Y:
dWx/dy, dWy/dy, dWz/dy; и
три первые производные воздушного потока W по оси Z:
dWx/dz, dWy/dz, dWz/dz.

8. Устройство по п.7, в котором упомянутый центральный блок (3) установлен на летательном аппарате и определяет турбулентность воздуха во время полета летательного аппарата.

9. Устройство по п.7, в котором также содержится записывающее средство (10) для записи в базе (7) данных измерений, выполняемых упомянутой системой (2) измерения, при этом упомянутый центральный блок (3) определяет турбулентность воздуха на земле после полета с помощью измерений, записанных в упомянутой базе (7) данных во время полета.

10. Устройство по п.7, в котором упомянутая система (2) измерения содержит четыре лидара (L1, L2, L3, L4), каждый из которых выполняет измерения в одной из упомянутых четырех точек измерения.

11. Устройство по п.7, в котором упомянутая система (2) измерения содержит три лидара (L1, L2, L3), при этом два из упомянутых лидаров выполняют, каждый, измерения в одной из упомянутых точек измерения, причем третий лидар выполняет измерения в двух последовательных моментах во время полета летательного аппарата, чтобы таким образом можно было выполнять измерения в двух разных точках измерения, которые соответствуют двум оставшимся точкам измерения.

12. Устройство по п.11, в котором упомянутые лидары (L1, L2, L3) соответственно расположены на первом переднем правом иллюминаторе, первом переднем левом иллюминаторе и на крыле летательного аппарата.

13. Летательный аппарат, содержащий устройство (1) по п.7.

Устройство трубки пито

Устройство трубки Пито очень простое. Состоит из двух трубок — первой прямой пустотелой, которая называется пьезометром, и второй выгнутой также пустотелой. Эти трубки монтируются в один корпус, в котором находится исследуемая жидкость или газ. В практическом использовании все изготавливаемые трубки имеют свои поправочные коэффициенты на потерю энергии и разность расположения трубок.

На рисунке 3 изображено устройство трубки Пито.

Устройство трубки Пито

Трубки с наконечниками и насадками изготавливаются из нержавеющей стали марки 12Х или латуни марки Л-59. Все соединения трубок с насадками и наконечниками, как правило, выполняются пайкой для точной герметизации относительно окружающего воздуха.

Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий