RU2059251C1 - Струйный датчик угловой скорости - Google Patents

Abstract

Использование: в измерительной технике для преобразования угловых скоростей движущихся объектов в электрический сигнал. Сущность изобретения: повышение точности преобразования струйного датчика угловой скорости достигается путем стабилизации расхода газа цепи датчика. Датчик содержит герметичный корпус 1, нагнетатель 2, рабочее сопло 3, рабочую камеру 4 с каналом обратного хода газа 7, термоанеморезисторы 5 и 6, систему стабилизации расхода газа в газовой цепи датчика. Система стабилизации включает в себя термоанеморезистор-излучатель 8 и термоанеморезистор-приемник 9, установленные в канале обратного хода газа 7, генератор тепловой метки 11, регистратор тепловой метки 10, формирователь временного интервала 12, схему управления 13, генератор тактирующих импульсов 14, счетчик 15, регистр 16, ЦАП 17, задачик эталонного сигнала 18, схему сравнения 19, интегратор 20, усилитель-преобразователь 21. Выход генератора тепловой метки 11 соединен с термоанеморезистором-излучателем 8, а вход регистратора тепловой метки 10 - с термоанеморезистором-приемником 9. Выходы генератора 11 и регистора 10 тепловой метки соединены с входами формирователя временного интервала 12. Инверсный выход формирователя временного интервала 12 через счетчик 15, регистр 16, ЦАП 17 соединен с первым входом схемы сравнения 19, а второй вход схемы сравнения 19 соединен с выходом задатчика эталонного сигнала 18. Выход схемы сравнения 19 через интегратор 20, усилитель-преобразователь 21 соединен с пьезоэлементом нагнетателя 2. Прямой выход формирователя временного интервала 12 соединен с входом схемы управления 13. 1 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может быть использовано для преобразования угловых скоростей движущихся объектов в электрический сигнал.

Известен преобразователь угловой скорости, содержащий сопло, замкнутую газовую цепь с рабочей камерой, термоанеморезисторы, включенные в электроизмерительную схему, нагнетатель, питаемый генератором. Термоанеморезисторы установлены в рабочей камере в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии рабочей камеры. Термоанеморезисторы включены в электроизмерительные схемы, выходы которых связаны с индикатором угловой скорости и с сумматором. Выход сумматора подсоединен к первому входу схемы сравнения, а к второму входу выход задатчика эталонного сигнала. Выход схемы сравнения соединен с входом управляющего элемента, выход которого подключен к входу генератора, питающего нагнетатель. Вышеуказанные элементы образуют систему стабилизации расхода газа в газовой цепи датчика. При отсутствии угловой скорости ω струя газа, имеющая в поперечном сечении параболический закон распределения скоростей, обтекает с одинаковой средней скоростью термоанеморезисторы. При этом на выходах электроизмерительных схем находятся одинаковые сигналы и индикатор указывает нуль угловой скорости ω Сигнал на выходе сумматора пропорционален сумме выходных сигналов с электроизмерительных схем. Этот суммарный сигнал сравнивается по уровню с сигналом от задатчика. При равенстве выходных сигналов с сумматора и задатчика схема сравнения поддерживает постоянную величину выходного напряжения через управляющий элемент генератора. Если происходит разбаланс сигналов с сумматора и задатчика, например, при изменении каких-либо параметров нагнетателя, то срабатывает схема сравнения и изменяет режим работы генератора до тех пор, пока нагнетатель, формирующий струю газа в рабочей камере, не изменяет параметров струи и выходные сигналы измерительных схем и, следовательно, сумматора до уровня выходного сигнала задатчика эталонного сигнала. Задатчик эталонного сигнала формирует уровень выходного сигнала в соответствии с изменением температуры среды. Таким образом, при изменении температуры среды изменяется выходной сигнал от сумматора и задатчика, что обеспечивает температурную коррекцию и стабилизацию режима работы нагнетателя независимо от изменения параметров управляющего элемента, генератора и нагнетателя. В действительности же, при действии угловой скорости и отклонении струи газа от нулевого положения суммарное напряжение с термоанеморезисторов, вследствие нелинейного закона распределения скоростей в рабочей камере, отличаются от суммарного напряжения при нулевом положении струи, поэтому при действии угловой скорости на датчик скорость струи изменяется до нового состояния равновесия в канале стабилизации скорости, а на выходе датчика появляется дополнительная погрешность, обусловленная нестабильностью скорости. Кроме того, суммарное напряжение с термоанеморезисторов зависит от температуры датчика, поэтому значение опорного сигнала, соответствующего заданной скорости, тоже должно быть термозависимым.

Информация о скорости струи заключается примерно в 10% суммарного напряжения с термоанеморезисторов и нелинейно зависит от скорости, а для поддержания скорости с точностью 1% значение термозависимого опорного сигнала должно задаваться с точностью 0,05% что на практике весьма трудно осуществить, так как для каждого датчика температурную зависимость опорного сигнала необходимо подбирать индивидуально. Указанные причины приводят к тому, что в процессе работы датчика канал стабилизации скорости не обеспечивает высокой точности стабилизации скорости струи и, следовательно, датчик в целом имеет невысокую точность измерения.

Технический результат изобретения повышение точности струйного датчика угловой скорости.

Это достигается тем, что в струйный датчик угловой скорости, содержащий сопло, замкнутую газовую цепь с рабочей камерой, термоанеморезисторы, включенные в электроизмерительную схему, нагнетатель, систему стабилизации расхода газа в газовой цепи, введены термоанеморезистор-излучатель и термоанеморезистор-приемник, установленные в канале обратного хода газа, а система стабилизации расхода газа в газовой цепи содержит генератор тепловой метки, регистратор тепловой метки, формирователь временного интервала, схему управления, генератор тактирующих импульсов, счетчик, регистр, ЦАП, схему сравнения, интегратор, задатчик эталонного сигнала и усилитель-преобразователь, выход которого соединен с пьезоэлементом нагнетателя, а вход подключен к выходу интегратора, вход интегратора подключен к выходу схемы сравнения, входы которой подсоединены к выходам задатчика эталонного сигнала и ЦАП, входы ЦАП через регистр и счетчик соединены с инверсным выходом формирователя временного интервала, входы которого соединены с выходами генератора и регистратора тепловых меток, причем выход генератора тепловой метки соединен с термоанеморезистором-излучателем, а вход регистратора тепловой метки с термоанеморезистором-приемником, при этом прямой выход формирователя временного интервала соединен с входом схемы управления, выходы которой соединены с входом записи регистра и входом сброса счетчика, при этом счетный вход счетчика соединен с выходом генератора тактирующих импульсов.

На чертеже представлена схема струйного датчика угловой скорости.

Струйный датчик угловой скорости содержит герметичный корпус 1, в котором размещены нагнетатель 2, обеспечивающий формирование струи газа через сопло 3 и циркуляцию по рабочей камере 4 и каналу обратного хода газа к нагнетателю 2. В рабочей камере 4 в плоскости, перпендикулярной к оси симметрии рабочей камеры, установлены термоанеморезисторы 5 и 6. В канале обратного хода газа 7 установлены термоанеморезистор-излучатель 8 и термоанеморезистор-приемник 9. В системе стабилизации расхода газа в газовой цепи термоанеморезистор-приемник 9 подключен к входу регистратора тепловой метки 10, а термоанеморезистор-излучатель 8 подключен к выходу генератора тепловой метки 11. Выходы генератора 11 и регистратора 10 тепловых меток подключены к входам формирователя временных интервалов 12. С выходов формирователя временных интервалов 12 сигнал поступает на вход схемы управления 13. Генератор тактирующих импульсов 14 подает тактовую частоту на счетный вход счетчика 15. Схема управления 13 осуществляет перенос информации из счетчика 15 в регистр 16 и далее на ЦАП 17. Сигнал с выхода ЦАП 17 сравнивается с задатчиком эталонного сигнала 18 в схеме сравнения 19. Выход схемы сравнения 19 соединен с входом интегратора 20. Выход интегратора 20 подключен к входу усилителя-преобразователя 21, с выхода которого подается управляющий сигнал на нагнетатель 2.

Датчик угловой скорости работает следующим образом.

При подаче электропитания в рабочей камере 4 датчика за счет работы нагнетателя 2 образуется ламинарная струя газа с близким к параболическому закону распределения скоростей в поперечном сечении. Через термоанеморезисторы 5 и 6 протекает ток и падение напряжения на термоанеморезисторах 5 и 6 определяется скоростью струи в точке размещения термоанеморезисторов. Выходные напряжения с термоанеморезисторов подаются на вход электроизмерительной схемы 22. При отсутствии угловой скорости ω струя газа, имеющая в поперечном сечении параболический закон распределения, обтекает с одинаковой средней скоростью термоанеморезисторы 5 и 6 и падения напряжения на термоанеморезисторах равны. При этом на выходе электроизмерительной схемы 22 сигнал равен нулю. При появлении угловой скорости изменяются средние скорости обтекания термоанеморезисторов, так как струя отклоняется от оси симметрии рабочей камеры 4, вследствие чего, падения напряжения на термоанеморезисторах не равны между собой и на выходе электроизмерительной схемы 22 появляется электрический сигнал, пропорциональный угловой скорости ω.

При подаче электропитания на датчик одновременно с описанными процессами генератор 11 тепловой метки подает прямоугольные импульсы на термоанеморезистор-излучатель 8. По переднему фронту этих импульсов на выходе RS-триггера формирователя временных интервалов 12 появляется сигнал высокого уровня. Поток газа в канале обратного хода газа 7 сносит тепловую метку с термоанеморезистора-излучателя 8 к термоанеморезистору-приемнику 9. Сигнал с термоанеморезистора-приемника 9 обрабатывается в регистраторе 10 тепловой метки. Расстояние между термоанеморезисторами 8 и 9 постоянно. Импульс, соответствующий моменту приема метки регистратором 10, переводит RS-триггер формирователя 12 в состояние низкого уровня. Так формируется интервал времени пролета метки, обратно пропорциональный скорости циркуляции газа в газовой цепи датчика. Для получения прямого преобразования используется инверсный выход RS-триггера формирователя временных интервалов 12. Сформированный интервал времени является управляющим сигналом для счетчика 15. Счетчик 15 тактируется генератором тактирующих импульсов 14. Цифровой код, пропорциональный интервалу времени, со счетчика 15 через регистр 16 поступает на ЦАП 17. Схема управления 13 выдает сигнал на запись информации из счетчика 16 в регистр 16 и сброс счетчика 15 в нулевое состояние. На выходе ЦАП 17 получаем сигнал, прямо пропорциональный скорости циркуляции газа в газовой цепи датчика. Сигнал с ЦАП 17 сравнивается в схеме сравнения 19 с сигналом задатчика 18. Разность сигналов через интегратор 20 поступает на усилитель-преобразователь 21. С выхода усилителя-преобразователя 21 сигнал поступает на нагнетатель 2. Если вследствие изменения температуры увеличивается скорость потока газа в канале 7, то временной интервал уменьшается, на выходе ЦАП 17 увеличивается. Схема сравнения 19 вырабатывает сигнал, который через интегратор 20 и усилитель-преобразователь 21 подается на нагнетатель 2, обеспечивая увеличение или уменьшение скорости циркуляции газа до заданного уровня.

Применение предлагаемой системы стабилизации расхода газа позволяет обеспечить точность стабилизации скорости циркуляции газа на уровне 0,05% от заданного уровня, что позволяет гарантировать повышение точности струйного датчика угловой скорости более чем на порядок, так как точность измерения угловой скорости прямо пропорциональна стабильности скорости циркуляции газа в замкнутой газовой цепи датчика. Поэтому выполнение датчика согласно изобретению с применением современной элементной базы позволяет существенно повысить точность струйного датчика угловой скорости более чем на порядок.

Claims (1)

1. СТРУЙНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ, содержащий сопло, замкнутую газовую цепь с рабочей камерой, термоанеморезисторы, включенные в электроизмерительную схему, нагнетатель, систему стабилизации расхода газа в газовой цепи, включающую задатчик эталонного сигнала и схему сравнения, вход которой соединен с выходом задатчика эталонного сигнала, отличающийся тем, что система стабилизации расхода газа в газовой цепи дополнительно содержит терморезистор-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, интегратор и усилитель-преобразователь, выход которого соединен с пьезоэлементом нагнетателя, а вход подключен к выходу интегратора, вход интегратора подключен к выходу схемы сравнения, входы которой подсоединены к выходам задатчика эталонного сигнала и ЦАП, входы ЦАП через регистр и счетчик соединены с инверсным выходом формирователя временного интервала, входы которого связаны с выходами генератора и регистратора тепловых меток, причем выход генератора тепловой метки соединен с термоанеморезистором-излучателем, а вход регистратора тепловой метки с термоанеморезистором-приемником, при этом прямой выход формирователя временного интервала соединен с входом схемы управления, выходы которой соединены с входом записи регистра и входом сброса счетчика, при этом счетный вход счетчика соединен с выходом генератора тактирующих импульсов.