устройство для измерения скорости перемещающегося тела

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости перемещающегося тела, содержащее световой датчик в виде излучателя и фотоприемника, а также измерительное устройство, содержащее логический элемент «И», отличающееся тем, что в измерительное устройство введены генератор импульсов образцовой частоты, двоичный счетчик, цифровое вычислительное устройство, цифровое отсчетное устройство, усилитель-формирователь, блок управления, причем излучатель и фотоприемник располагаются в любой точке вдоль траектории движения перемещающегося тела так, чтобы лазерный луч пересекал эту траекторию под прямым углом и попадал в фотоприемник, который соединен с усилителем-формирователем «строб» - импульса, а последний, в свою очередь, связан с вторым входом логического элемента «И», соединенного первым входом с генератором импульсов образцовой частоты, а своим выходом - с первым входом двоичного счетчика, второй вход которого связан с блоком управления, соединенного также с устройством для метания тела, например пушкой, а выход двоичного счетчика связан с цифровым вычислительным устройством, соединенным с цифровым отсчетным устройством.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерению линейной скорости путем определения времени прохождения заданного расстояния, а именно времени пролета телом фиксированной точки.

Известно устройство измерения скорости перемещающегося тела, содержащее два разнесенных датчика в виде электрических контактов, замыкающих электрическую цепь. Эти контакты выполнены подвижными и установлены на гибких пластинах, на которые опираются установленные на границах базового расстояния упругие лепестки, которые, при воздействии перемещающегося тела, взаимодействуют с гибкими пластинами контактов и замыкают их, причем первая пара контактов при замыкании включает измерительный прибор, например частотомер, а вторая - его выключает [1].

Недостатком такого устройства является неточность измерения за счет наличия механических контактов.

Известно устройство для измерения скорости метаемого тела, содержащее два разнесенных датчика и два измерительных прибора, связанных с выходами датчиков. Каждый из датчиков выполнен в виде двух перпендикулярно расположенных линеек излучающих диодов и линеек фотоприемников. Все элементы устройства соединены между собой определенным образом. При этом блок логики состоит из матрицы элементов «И», матрицы триггеров и блока индикации [2].

Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является необходимость использования двух датчиков, разнесенных друг относительно друга, что требует достаточно протяженного пространства, например полигона, и не позволяет осуществлять измерение скорости в лабораторных условиях, например в тире, а также наличие двух измерительных приборов, что усложняет оборудование. Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа, основанное на следующем. Устройство по прототипу измеряет среднюю скорость на дистанции между двумя датчиками, а не мгновенную скорость в определенной точке траектории. На практике во всех справочниках приводится начальная скорость перемещения тела (снаряда, пули) (см. например [3] или [4]). А зная начальную скорость перемещающегося тела, нетрудно определить скорость движения этого тела через какой-либо промежуток времени. Кроме того, если датчик установить в определенную точку траектории движения тела, то можно измерить его скорость в этой точке.

Согласно второму закону Ньютона

m·а=F,

где m - масса тела;

а - ускорение его движения;

F - действующая сила.

В нашем случае после выстрела тело перемещается в воздухе, и уравнение его движения имеет вид [5]

.

Здесь - ускорение (производная скорости по времени);

X - сила лобового сопротивления (знак «-» означает направление силы противоположно скорости движения).

Воспользуемся выражением для вычисления силы лобового сопротивления, приведенным в [6], с.47:

,

где i - коэффициент формы снаряда.

(см. [6], с.47). Здесь: «С» - баллистический коэффициент снаряда, который приводится в справочной литературе. Например для снаряда калибра 23 мм ОФЗ С=2; для 30 мм снаряда С=1,5 ([6], с.51).

- коэффициент формы эталонного снаряда (среднее значение), характеризующий влияние формы такого снаряда на сопротивление воздуха.

([6], с.46).

- коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела и числа

М, приводится в справочной литературе.

Например, если скорость снаряда равна 700 м/с (начальная скорость снаряда 23 мм с ОФЗ снарядом [4]), т.е. М 2.0, по справочной литературе определяем . В частности, для снарядов авиационных пушек при таком числе М значение коэффициента равно 0,8 ([7], с.311, график для тела

2);

- массовая плотность воздуха, в котором перемещается тело (приводится в справочной литературе).

Для определения р можно воспользоваться формулой ([5], с.97):

.

Здесь: Р - давление воздуха, где осуществляется перемещение тела;

Т - температура воздуха, в котором перемещается тело;

R - газовая постоянная; S - площадь миделя снаряда;

. Здесь: d - калибр снаряда.

Тогда

Обозначим - известная (вычисляемая) величина.

Откуда ;

или .

Проинтегрируем последнее равенство:

получим

Или , откуда получим

Здесь: V₁ - начальная скорость тела в момент t=0, измеряемая предлагаемым устройством;

V₂ - скорость тела в момент времени t₂;

m - масса перемещающегося тела.

Выразим из последнего соотношения скорость ,

и окончательно .

Таким образом, для определения скорости перемещающегося тела V₂ через время t₂ после выстрела достаточно знать его начальную скорость V ₁ и использовать справочные данные.

Технической задачей изобретения является измерение скорости перемещающегося тела в любой точке траектории на основе определения начальной скорости движения или непосредственное измерение скорости в любой точке траектории перемещающегося тела, а также обеспечение компактности предлагаемого устройства (упрощение оборудования и увеличение надежности устройства).

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения скорости перемещающегося тела, содержащем датчики с фотоприемниками, измерительное устройство, содержащее элемент «И», датчик располагается вблизи метающего устройства и представляет собой лазерный излучатель, луч которого пересекает траекторию движения перемещающегося тела и попадает в фотоприемник.

Кроме того, устройство содержит генератор импульсов образцовой частоты, цифровое вычислительное и цифровое отсчетное устройства в качестве измерительного устройства. В фотоприемнике формируется импульс электрического напряжения, совпадающий с длительностью перекрытия луча _и. Измерение длительности этого импульса осуществляется путем подсчета числа импульсов N образцовой частоты

с периодом

Т₀ (называемых метками времени) за промежуток времени, равный измеряемому интервалу _и:

.

Откуда измеряемый интервал равен _и=N·T₀.

Вычисление скорости перемещающегося тела осуществляется по формуле

.

Здесь L - протяженность перемещающегося тела.

Например, у снаряда калибра 30 мм с ОФЗ снарядом к пушке HP - 30 [3] средняя длина L = 137,865 мм.

Перемещающееся тело может иметь любую форму и быть изготовлено из любого материала.

На чертеже приведена структурная схема устройства для измерения скорости быстро перемещающегося тела.

Устройство для измерения скорости перемещающегося тела содержит световой лазерный (или любой другой) излучатель 6 и фотоприемник 7. Лазерный излучатель предпочтительнее тем, что его луч слабо расходится, оставаясь практически постоянным в сечении на используемой длине. Между излучателем 6 и фотоприемником 7 перемещается тело 11. За фотоприемником 7 располагается усилитель-формирователь 8, на который поступает сигнал с фотоприемника 7. Генератор импульсов образцовой частоты 1 формирует импульсы, которые поступают на логический элемент «И» 2, на этот элемент поступает сигнал с усилителя - формирователя 8. Блок управления 9 выдает сигналы на двоичный счетчик 3 и метающее устройство, например пушку 10. Цифровое вычислительное устройство 4 принимает сигнал с двоичного счетчика 3. На цифровое отсчетное устройство 5, например, на жидкокристаллических или светодиодных индикаторах, сигнал поступает с цифрового вычислительного устройства 4.

Описание работы устройства.

По команде «Пуск», поступающей на вход блока управления 9, в нем формируются одиночные импульсы «сброс» и «выстрел». Импульс «сброс» поступает с первого выхода блока управления на второй вход двоичного счетчика 3 и осуществляет обнуление всех его триггеров. Импульс «выстрел» поступает со второго выхода блока управления 9 на метающее устройство (например, пушку) 10 и обеспечивает выброс (выстрел) тела, в результате чего тело (снаряд) 11, пролетая по траектории, пересекает световой луч излучателя 6, направленного на фотоприемник 7, обеспечивает формирование «строб» - импульса длительностью на выходе усилителя - формирователя 8, своим входом связанного с выходом фотоприемника 7.

Импульсы с выхода генератора импульсов образцовой частоты 1, следующие с периодом Т₀ , подаются на вход логического элемента «И» 2, который пропускает их на первый вход двоичного счетчика импульсов 3 в течении «строб» - импульса. Выходной сигнал счетчика 3 в виде числа импульсов представленных в двоичном коде, подается на вход цифрового вычислительного устройства 4, выполняющего вычисление скорости движения тела по формуле и формирование кода для индикации этой величины в цифровом отсчетном устройстве 5.

Так как перемещающееся тело 11 имеет небольшую протяженность, то можно считать его скорость постоянной на интервале _и. Если требуется определить начальную скорость движения тела, то лазерный излучатель с фотоприемником 7 размещают рядом с метающим устройством 10, например у среза ствола пушки. Когда же необходимо измерить скорость перемещения тела в какой-либо точке траектории, то датчик располагают в этой точке.

Предлагаемое устройство обеспечивает измерение мгновенной скорости перемещения тела (а не средней) в любой точке траектории полета тела.

Источники информации

1. Патент РФ на изобретение № 2216025, кл. G01Р 3/66, опубл. 10.11.2003.

2. Патент РФ на изобретение № 2285267, кл. G01Р 3/66, опубл. 10.10.2006 (прототип).

3. 30 мм патрон с беспламенным порохом с осколочно-зажигательным (ОФЗ) снарядом и взрывателем А-30А к пушке НР-30. Техническое описание и указания по эксплуатации. - 1974. Введено в действие командиром в/ч 73855-А.

4. 23 мм патрон с осколочно-зажигательно-трассирующим снарядом к пушке НР-23. Техническое описание. - 1974. Введено в действие командиром в/ч 73855-А.

5. Авиационные боеприпасы. Задания на полигонные работы. - Даугавпилс, 1987. - с.97.

6. Васильев В.А. Внешняя баллистика авиационных ракет и снарядов. - Киев. 1966. - с.46, с.47, с.51.

7. Мельников А.П. Аэродинамика больших скоростей. - М.: Военное издательство МО СССР, 1961. - с.311.