CN106323533B - 用于测量流体流总压的装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于测量流体流总压的装置，所述装置包括具有进口室的管状构件，所述进口室在所述管状构件的第一端部处具有进口开口。所述管状构件还包括在所述管状构件的第二端部处具有出口开口的出口室。所述进口开口具有横向于纵向轴线的直径，并且所述出口开口具有横向于所述纵向轴线的第二直径。所述第一直径与所述第二直径的比率为3:1至10:1。所述管状构件还包括所述进口室与所述出口室之间的过渡室。可在所述进口室中测量总压。

Description

用于测量流体流总压的装置
技术领域
本公开涉及流动流体的总压的测量。
背景技术
流动流体的总(即，驻点)压力可与测量的静态流体压力结合使用以确定流体动压，所述流体动压可用来提供流体的流速。对于流动穿过已知大小的导管或通道的包含的流动流体，流速可被转换成体积流量，并且如果流体密度已知，流速可被转换成质量流量。对于未包含的流体，常测量总压以确定对象的速度，所述对象诸如穿过诸如空气或水的流体的飞机或小船。已知使用一些类型的皮托管中的任一种来测量总压。皮托管在流体流动开始的方向上通常具有开口端，并且在相对端上封闭。来自流动流体的动压倾向于引导流体流进入皮托管的开口端。然而，在相对端处，不存在流体可以逸出的出口，因此流体停滞。皮托管中滞留流体的压力，即驻点压力，也称为总压。可从紧邻与流体流动方向平行定向的表面的流体层来测量流体的静压，诸如穿过皮托管外壳的外表面的端口或者在与远离皮托管的流动流体相接触的一些其他表面上(例如，飞机表面或流动通道导管壁)。
皮托管的一个问题在于它们的封闭端可使得它们易受流动流体中夹带的外来固体或液体微粒积聚的影响。此类微粒可堵塞皮托管内的压力感测端口，这可导致错误的压力读数。这对于飞机速度传感器是个尤其重大的问题，不仅因为在没有精确空速读数的情况下飞行的危险性，而且因为诸如(诸如由于云的)空中悬浮微粒的飞机运行条件，过冷液态水和冰晶、或者砂/粉尘和火山灰、以及暴露于地面微粒可为飞机空速的测量带来独特的挑战。
在空速传感器皮托管中形成冰微粒的常用方法是结合一个或多个排放孔的放置使用加热元件。除了负责校准的能力之外，这些小排放孔通常被设定大小和定位以便不影响皮托管内的测量位置处的总压。冰障特征也被用来防止冰的形成，或者用来在非敏感区域中促进冰的形成。然而，排放孔仍然易受由固体或粘性液体微粒堵塞的影响，并且屏障特征仅重新定位问题而并非消除问题。
发明内容
根据本公开的一些方面，用于测量流体流总压的装置包括具有中心纵向轴线的管状构件。管状构件包括在管状构件的第一端部处具有进口开口的进口室。进口开口具有横向于纵向轴线的第一直径。管状构件还包括在管状构件的第二端部处具有出口开口的出口室。出口开口具有横向于纵向轴线的第二直径。第一直径与第二直径的比率为3:1至10:1。管状构件还包括进口室与出口室之间的过渡室。过渡室在朝向进口室的端部处具有横向于纵向轴线的第三直径，并且在朝向出口室的端部处具有横向于纵向轴线、小于第三直径的第四直径。所述装置还包括与进口室连通的总压传感器。任选地，在一些方面中，可通过与出口室连通的静压传感器来测量静压。
根据本公开的一些方面，测量流体流总压的方法包括测量具有纵向轴线的管状构件的进口室中的总压。管状构件包括在管状构件的第一端部处具有进口开口的进口室。进口开口具有横向于纵向轴线的第一直径。管状构件还包括在管状构件的第二端部处具有出口开口的出口室。出口开口具有横向于纵向轴线的第二直径。第一直径与第二直径的比率为3:1至10:1。管状构件还包括进口室与出口室之间的过渡室。过渡室在朝向进口室的端部处具有横向于纵向轴线的第三直径，并且在朝向出口室的端部处具有横向于纵向轴线、小于第三直径的第四直径。任选地，在一些方面中，可通过测量出口室中的压力来测量静压。
附图说明
在随附于本说明书的权利要求书中特别指出并明确要求保护被认为是本公开的主题。通过以下结合附图而进行的详细描述，可以清楚了解本公开的上述和其他特征及优点，在附图中：
图1是如本文所述的管状构件的示意图；以及
图2是飞机空速测量系统的示意图。
具体实施方式
现转向图1，示出具有纵向轴线11的管状构件10的示意图。管状构件10在面向流体流14的方向的端部上具有进口开口12(具有直径13)。进口开口12打开到进口室16。管状构件10还具有连接到出口室20的出口开口18(具有直径19)。过渡室22在进口室16与出口室20之间。进口室16配备有总压感测端口24，所述总压感测端口24通过总压感测导管26连接到总压传感器(未示出)。总压感测端口的向前定位相当不同于常规的皮托管设计，所述常规的皮托管设计通常提供朝向管尾端(封闭端)的驻点(和总压感测端口)。本文所述的设计能够提供具有开放尾端而非典型的封闭端部的皮托管配置的这种流体动力学，因为出口开口18的与进口开口12相比更小的直径的流体动力学效果，以及由过渡室22提供的直径过渡的流体动力学效果。进口直径13与出口直径19的比率可在一定范围内变化。在一些实施方案中，进口直径与出口直径的比率在3:1至10:1的范围内。在一些实施方案中，进口直径与出口直径的比率在3:1至8:1的范围内。在一些实施方案中，进口直径与出口直径的比率在3:1至6:1的范围内。在一些实施方案中，进口直径与出口直径的比率在4:1至10:1的范围内。在一些实施方案中，进口直径与出口直径的比率在4:1至8:1的范围内。在一些实施方案中，进口直径与出口直径的比率在4:1至6:1的范围内。在一些实施方案中，进口直径与出口直径的比率在6:1至10:1的范围内。在一些实施方案中，进口直径与出口直径的比率在6:1至8:1的范围内。在一些实施方案中，进口直径与出口直径的比率在8:1至10:1的范围内。绝对而言，直径可根据诸如流体特性(例如，密度)以及预期压力和速度的因素而且根据周围环境而广泛地变化。用于飞机和其他空速传感器的典型进口直径的实例可在0.2英寸至0.5英寸的范围内，通过所述进口直径，可从以上比率范围容易地推导出出口直径的实例。
进一步参照图1，可以看出，进口室16的直径看起来是恒定的并且等于进口直径13，并且这种实施方案在由本公开所设想的那些实施方案之内。然而，本实施方案仅是实例，并且进口室16的直径可被固定在不同于进口直径13的直径或者可以是可变的。在一些示例性实施方案中，进口室可具有固定或变化的直径。此外，室可具有横向于空气流的方向的圆形或诸如卵形、矩形、正方形等的其他形状的横截面轮廓，在这种情况下，如本文所用的术语“直径”应是指由公式DH=4A/P定义的水力直径，其中DH是水力直径，A是横截面面积，并且P是横截面周长。
过渡室22还可有助于在进口室中提供总流体压力的流体动力学，以及促进可有助于引导微粒材料通过出口18离开管状构件的空气流模式。在一些实施方案中，过渡室22连同进口室16和出口室20一起被配置来在进口12与出口18之间提供没有障碍的流体流动路径。“没有障碍的流体流动路径”意味着在没有穿过障碍物的情况下可从出口18处的横向于纵向轴线11的平面上的至少一个位置到进口13处的横向于纵向轴线11的平面上的至少一个位置画出假想的直线。在一些实施方案中，过渡室22连同进口室16和出口室20没有任何障碍物。在一些实施方案中，过渡室可以是截头圆锥形的，但也可利用除了圆锥形的过渡模式。如图1所示，过渡室22在朝向进口室16的端部处具有直径28，所述直径28比所述过渡室22在朝向出口室18的端部处的直径30更大。过渡室的相对尺寸可根据诸如流体特性(例如，密度)以及预期压力和速度的因素而且根据周围环境而变化。
示例性实施方案中的总压感测端口24被描绘成位于沿着纵向轴线的进口室16的中间点处的管状构件上，并且这种实施方案在由本公开所设想的那些实施方案之内。然而，本实施方案仅是实例，并且总压感测端口可位于沿着进口室的纵向轴线的各个位置处。可基于其他设计参数来选择总压端口的放置，以使得测量的总压将接近自由流总压。在实际应用中，存在将产生可接受的总压测量的广泛范围的总压感测端口位置，因为总压由于整个室16非常接近总压而对于端口位置相对不敏感。然而，端口应位于进口的尾部足够远处，以跨所有运行条件来测量稳定的总压。
在一些方面中，用于测量总压的装置还包括与流体的静压源连通的静压传感器。这允许确定动压和流体流速。在一些实施方案中，静压传感器可远离管状构件(例如，在飞机或流体导管壁的表面上)。在一些实施方案中，静压传感器可以是管状构件10的外壳的外表面上的平行于纵向轴线19的如通常用于本领域已知的皮托静压管的端口(未示出)。在一些实施方案中，包括图1中描绘的示例性实施方案，静压端口可位于出口室20中，如由静压感测端口34所描绘的，所述静压感测端口34被通过静压感测导管36连接到静压传感器。如同总压感测位置的向前放置，管状构件内的静压感测位置的尾部放置相当不同于在管外测量静压的常规皮托静压管。
示例性实施方案中的静压感测端口34被描绘成位于沿着纵向轴线的出口室20的中间点处的管状构件上，并且这种实施方案在由本公开所设想的那些实施方案之内。然而，本实施方案仅是实例，并且总压感测端口可位于沿着进口室的纵向轴线的各个位置处。可选择静压端口位置以使得测量的静压接近自由流静压或者一些已知的偏移。静压端口位置可根据装置的几何结构和来自自由流静压的补偿的期望水平而变化，并且可由技术人员通过合理的努力来使用诸如计算的流体动力学建模的工具而确定。
管状构件10可被并入到具有电子电路的流体流测量装置中，所述电子电路用于确定由总压传感器和静压传感器所测量的压力，并且基于所测量的压力确定流体动压、流体流速或(如果已知流体密度)流体流量。在一些实施方案中，管状构件10可用在诸如图2所示的飞机空速测量装置或系统中，其中管状构件10和总压传感器38以及静压传感器40通过与电子控制单元42的有线或无线电子通信来提供总压测量和静压测量，所述电子控制单元42包括用于确定由总压传感器38和静压传感器40所测量的压力、并且基于所测量的压力确定空速的电路。
虽然仅结合有限数量的实施方案对本公开进行了详细描述，但应易于理解，本公开不限于此类公开的实施方案。相反，本公开可进行修改来并入有之前并未描述但与本公开的精神和范围相称的任何数量的变化方案、替代方案、替换方案或等效布置。另外，尽管已经描述本公开的各种实施方案，但应理解，本公开的各个方面可仅包括所述实施方案中的一些。因此，本公开不应被视为受到前述描述限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (24)

1.一种用于测量流体流总压的装置，其包括：
具有中心纵向轴线的管状构件，其包括
进口室，所述进口室在所述管状构件的第一端部处具有进口开口，所述进口开口具有横向于所述纵向轴线的第一直径，
出口室，所述出口室在所述管状构件的第二端部处具有出口开口，所述出口开口具有横向于所述纵向轴线的第二直径，其中所述第一直径与所述第二直径的比率为3:1至10:1，以及
所述进口室与所述出口室之间的过渡室，所述过渡室在朝向所述进口室的端部处具有横向于所述纵向轴线的第三直径，并且在朝向所述出口室的端部处具有横向于所述纵向轴线、小于所述第三直径的第四直径；以及
与所述进口室连通的总压传感器。
2.如权利要求1所述的装置，其还包括所述进口室中的多个压力取样端口。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述管状构件包括所述进口开口与所述出口开口之间的无障碍路径。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述进口室、所述过渡室以及所述出口室中的每一个都没有障碍物。
5.如权利要求1所述的装置，其还包括电加热器。
6.如权利要求1所述的装置，其还包括与所述流体的静压源连通的静压传感器。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述静压传感器与所述出口室连通。
8.如权利要求6所述的装置，其还包括所述出口室中的多个压力取样端口。
9.如权利要求1-8中任一项所述的装置，其中所述第一直径与所述第二直径的所述比率从4:1至8:1。
10.一种流体流测量装置，其包括权利要求6-8中任一项所述的装置和电子电路，所述电子电路用于确定由所述总压传感器和所述静压传感器所测量的压力，并且基于所述测量的压力确定流体动压、流体流速或流体流量。
11.一种飞机空速测量装置，其包括权利要求6-8中任一项所述的装置和电子电路，所述电子电路用于确定由所述总压传感器和所述静压传感器所测量的压力并且基于所述测量的压力确定空速。
12.一种测量流体流总压的方法，其包括
在管状构件的进口室中测量总压，所述管状构件具有中心纵向轴线，其包括：
进口室，所述进口室在所述管状构件的第一端部处具有进口开口，所述进口开口具有横向于所述纵向轴线的第一直径，
出口室，所述出口室在所述管状构件的第二端部处具有出口开口，所述出口开口具有横向于所述纵向轴线的第二直径，其中所述第一直径与所述第二直径的比率为3:1至10:1，以及
所述进口室与所述出口室之间的过渡室，所述过渡室在朝向所述进口室的端部处具有横向于所述纵向轴线的第三直径，并且在朝向所述出口室的端部处具有横向于所述纵向轴线、小于所述第三直径的第四直径。
13.如权利要求12所述的方法，其还包括从所述进口室中的多个压力测量端口对空气取样，并且对取样的进口室压力进行气动平均以确定总压。
14.如权利要求12所述的方法，其还包括在所述进口室中的多个压力测量端口处进行压力测量，并且基于所述多个进口室压力测量来计算总压。
15.如权利要求12-14中任一项所述的方法，其还包括测量所述流体的静压，并且基于所述流体的所述测量的总压和所述测量的静压来确定流动流体的动压、流速或流量。
16.如权利要求15中任一项所述的方法，其中在所述出口室中测量所述静压。
17.如权利要求16所述的方法，其还包括从所述出口室中的多个压力测量端口对空气取样，并且对取样的出口室压力进行气动平均以确定静压。
18.如权利要求16所述的方法，其还包括在所述出口室中的多个压力测量端口处进行压力测量，并且基于所述多个进口室压力测量来计算静压。
19.如权利要求12-14中任一项所述的方法，其中将所述管状构件安装在飞机上，并且所述方法还包括基于所测量的总气压和所测量的空气静压来确定所述飞机的空速。
20.如权利要求15所述的方法，其中将所述管状构件安装在飞机上，并且所述方法还包括基于所测量的总气压和所测量的空气静压来确定所述飞机的空速。
21.如权利要求16所述的方法，其中将所述管状构件安装在飞机上，并且所述方法还包括基于所测量的总气压和所测量的空气静压来确定所述飞机的空速。
22.如权利要求17所述的方法，其中将所述管状构件安装在飞机上，并且所述方法还包括基于所测量的总气压和所测量的空气静压来确定所述飞机的空速。
23.如权利要求18所述的方法，其中将所述管状构件安装在飞机上，并且所述方法还包括基于所测量的总气压和所测量的空气静压来确定所述飞机的空速。
24.如权利要求12-14中任一项所述的方法，其中所述流体包括夹带的颗粒。
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