СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОДУЛЯ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРА СКОРОСТИ РАЗРЕЖЕННОГО ГАЗОВОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01P5/08 G01F1/56 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования динамики газовых потоков в верхних слоях атмосферы и в аэродинамических установках.

Известен способ измерения скорости разреженного газового потока путем создания ионной метки ионизацией газа сфокусированным электронным пучком и регистрации времени пролета ионами метки заданного базового участка, в конце которого прикладывают импульс поперечного электрического поля (авт. св. СССР N 1081545, кл. G 01 P 5/18).

Недостатком данного способа является погрешность, возникающая из-за расплывания метки ионов как под действием их объемного заряда, так и в результате рассеяния на частицах газа. Этот способ не позволяет определять направление вектора скорости газового потока.

Также известен способ измерения трехмерного вектора скорости газового потока, реализуемый ионизационным анемометром (авт. св. СССР N 913260, кл. G 01 P 5/18), заключающийся в том, что излучение радиоактивного изотопа, помещенного на внутреннюю поверхность сферы, ионизирует газ между сферой и электродами коллектора, помещенными в сферу. Между сферой и электродами коллектора создают электрическое поле. На электродах возникают токовые сигналы, поступающие на коммутатор. Под действием газового потока возникают разности между указанными сигналами. Вектор скорости потока определяется по трем последовательным измерениям проекций вектора скорости потока на оси произвольно ориентированной координатной системы с точкой отсчета в центре сферы где каждая из проекций вектора скорости потока определяется по разностному сигналу между соединенными между собой коммутатором электродами верхней полусферы и соединенными между собой коммутатором электродами нижней полусферы. Сигнал, соответствующий проекции вектора скорости на другую ось, формируется после соответствующего переключения контактов коммутатора. Абсолютное значение скорости потока определяется по соотношению

Недостатком данного способа измерения является недостаточно высокая точность измерения. Это обусловлено тем, что высокоэнергетичные частицы, возникающие в результате радиоактивного распада, способны обеспечить лишь очень низкую степень ионизации газа при пониженных давлениях газовых потоков и, следовательно, возникает необходимость измерения предельно малых ионных токов ~10^-13 А, соизмеримых с уровнем фона, что требует применения высокопрецизионных усилителей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу измерения является способ измерения скорости и направления газового потока, реализуемый расходомером (патент US N 4471654 (МКИ: G 01 F 1/56; НКИ: 73-189), заключающийся в отделении от исследуемого газового потока части газа, ионизацию его c помощью зажигания коронного разряда в этой части газа, введение ионов в объем исследуемого потока и регистрацию распределения тока ионов, увлекаемых исследуемым потоком, с помощью секционированного ионного коллектора расходомера.

Недостатком данного способа измерения является наличие сильной, неоднородности коронного электрического разряда, возмущающей исследуемый поток газа при низких давлениях и скоростях. А влияние сильно неоднородного электрического поля при движении ионов в исследуемом газовом потоке к коллектору приводит к еще большему расширению (расплыванию) пучка ионов в радиальном направлении, что снижает точность измерения скорости и направления потока газа.

Известна установка, осуществляющая измерение скорости разреженных газовых потоков по способу, описанному в авт. св. СССР N 1081545, кл. G 01 P 5/18. Она содержит узел для фокусировки электронного пучка в определенной точке исследуемого газового потока, пластины ускорителя образовавшихся ионов и коллектор ионов.

Недостатком этого устройства является то, что его точность зависит от точности определения расстояния между точкой фокусировки электронного пучка в газовом потоке и точкой поворота ионов из-за конечности геометрических размеров регистрирующего устройства и его конструкцией, включающей отклоняющие пластины и коллектор. А это дополнительно требует применения сложной электронной системы регистрации и точной синхронизации момента включения ускоряющего электрического поля с включением электронного пучка.

Кроме того, эта конструкция не позволяет определять направление вектора скорости газового потока.

Ионизационннй анемометр (авт. св. СССР N 913260), позволяющий проводить измерение трехмерного вектора скорости газового потока, содержит усилительную систему и ионизационний датчик, выполненный в виде прозрачной для газового потока сферы, покрытой изнутри радиоактивным препаратом, при этом в центре сферы расположен секционированный коллектор, который представляет собой сферический изолятор по меньшей мере с шестью электродами, равноудаленными друг от друга и подключенными к усилительной системе через коммутатор.

Недостатком этого анемометра является то, что ионизация газа происходит не только внутри сферы, но и вне ее. Ионы, возникающие вне сферы и увлекаемые потоком газа на коллектор, вносят значительную погрешность.

Наличие коллектора в виде внутренней сферы приводит к возмущению (искажению) исследуемого газового потока, что тоже снижает точность измерения скорости газового потока.

Кроме того, применение радиоактивного препарата наносит вред окружающей среде.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству для измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока является расходомер (патент US N 4471654), содержащий камеру, через которую пропускается измеряемый поток газа, размещенные в ней соосно по обе стороны исследуемого потока газа источник ионов и секционированный ионный коллектор. Источник ионов размещен в камере, ось симметрии которой перпендикулярна камере, через которую проходит исследуемый поток, и включает электрод, размещенный на внутренней поверхности торцевой стенки камеры, а на противоположной торцевой стенке размещен электропроводный диск с центральным отверстием для формирования ионного пучка. С помощью схемы питания между секциями коллектора и электродом ионного источника поддерживается разность потенциалов. Кроме того секции коллектора подключены к соответствующим усилителям.

Недостатком описанного выше устройства является то, что оно не обеспечивает высокой точности измерения за счет расплывания ионного пучка при движении ионов в исследуемом газовом потоке от источника ионов к коллектору. Кроме того форму и силу тока ионного пучка можно регулировать только, изменяя или расстояние между иглой (коронный разряд на которой является источником ионов) и поверхностью электропроводного диска с центральным отверстием, или диаметр отверстия в этом диске. Необходимость такой регулировки возникает при изменения давления газа в потоке или модуля скорости потока, для того, чтобы обеспечить достаточно высокую точность измерения. Однако изменять геометрические размеры устройства в процессе проведения измерений не всегда предоставляется возможным, например, при исследовании аэродинамических характеристик атмосферы Земли иди других планет при помощи автоматических спутников.

Таким образом, в основу настоящего изобретения положена задача обеспечения средств для повышения точности измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока.

Настоящее изобретение касается способа и устройства для измерения скорости газового потока.

Поставленная задача решена тем, что в способе для измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока, включающем отделение от исследуемого газового потока части газа, ионизацию его путем зажигания в этой части газа электрического разряда, введение ионов в объем исследуемого потока и регистрацию распределения тока ионов, увлекаемых исследуемым потоком, с помощью секционированного ионного коллектора измерительного устройства, создают однородное ускоряющее электрическое поле в исследуемом газовом потоке вдоль оси аксиальной симметрии измерительного устройства.

Способ реализуется с помощью устройства, содержащего камеру, через которую пропускается измеряемый поток газа, размещенные в ней по обе стороны исследуемого потока газа источник ионов, выполненный в виде аксиально-симметричной газоразрядной камеры с непроницаемыми для исследуемого газового потока боковой и одной торцевой стенками, с анодом, размещенным на внутренней поверхности указанной торцевой стенки, и катодом в качестве другой ее торцевой стенки с центральным отверстием, а секционированный ионный коллектор, причем газоразрядная камера размещена соосно секционированному ионному коллектору, электроды которого через соответствующие последовательно соединенные дифференциальные усилители и регистраторы соединены с камерой, и источник высокого напряжения, подключенный одним из выводов к аноду, в которое введен дополнительный источник напряжения, включенный между катодом и коллектором, при этом источник высокого напряжения другим своим выводом подключен к катоду.

Техническим результатом от воздействия на движение ионов в исследуемом газовом потоке однородного ускоряющего электрического поля, направленного вдоль оси аксиальной симметрии измерительного устройства, является увеличение ионных токов на коллекторе устройства и уменьшение распыления регистрируемого ионного потока, что повышает точность измерения скорости газового потока.

Для реализации этого способа в предлагаемом измерительном устройстве введен дополнительный источник напряжения, включенный между катодом и коллектором, при этом катод соединен с другим выводом источника высокого напряжения, питающего разряд в газоразрядной камере.

Именно такое подключение источника высокого напряжения к аноду и катоду, и дополнительного источника напряжения к катоду и коллектору позволяет одновременно зажигать разряд между анодом и катодом, и ускорять ионы в измерительной камере в однородном электрическом поле.

Таким образом, предлагаемые способ измерения и устройство для его осуществления соответствуют критерию изобретения "новизна".

Воздействие однородного ускоряющего электрического поля на ионы при использовании ионного пучка для измерения скорости потока газа выявляет новые свойства пучка, которые используются в измерительном процессе, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Для пояснения способа измерения необходимо пояснить следующее. Ионы пучка, попадая в измерительную часть камеры, рассеиваются на нейтральных частицах исследуемого газа, приобретая в среднем компоненту скорости газового потока, и одновременно дрейфуют в направлении коллектора под действием электрического поля между коллектором и катодом разрядной камеры. Если скорость потока равна нулю, то ионы попадают на электроды коллектора симметрично относительно его центра, лежащего на оси симметрии пучка, и сигнал, получаемый от дифференциального усилителя, равен нулю. Если в некотором произвольном направлении имеется поток газа, то на электродах коллектора ориентированных в этом направлении ионный ток увеличивается, а на электродах, не совпадающих с этим направлением, уменьшается. Это приводит к появлению разностных сигналов с соответствующих пар электродов, ориентированных в направлении потока. Величина разности ионных токов однозначно определяет модуль вектора скорости, а известное положение электродов, на которых разностный сигнал имеет наибольшую величину, определяет его направление. Далее точность изложенного выше способа измерения модуля и направления вектора скорости газового потока будет зависеть в основном от числа пар секций коллектора.

Предлагаемый способ измерения реализуется с помощью устройства, конструкция которого изображена на фиг. 1, а на фиг. 2 - вид коллектора устройства в сечении А-А.

Измерительное устройство имеет аксиальную симметрию по оси Z, что обеспечивает измерение скорости газового потока по всем направлениям, лежащим в плоскости, перпендикулярной оси Z, и состоит из: камеры 1 в качестве металлического экрана от помех с измерительным пространством I; газоразрядного источника ионов, включающего в себя цилиндрическую камеру 2 с изолирующими и непроницаемыми для газа боковой и одной торцевой стенками и разрядным пространством II, полусферический или острийный анод 3 на внутренней поверхности указанного торца камеры 2 и катод 4 в качестве другого торца камеры 2 в форме диска с отверстием в центре для извлечения пучка ионов, причем диаметр этого отверстия δ выбирается значительно меньше расстояния d от анода 3 до катода 4 и высоты h измерительного пространства I, равной расстоянию от катода 4 до коллектора 5, что, с одной стороны, устраняет проникновение электрического поля из разрядной камеры 2 в измерительное пространство I камеры 1 и тем самым, не происходит возмущение ионного пучка, а, с другой стороны, предотвращает проникновение плазмы газового разряда в измерительное пространство I камеры 1 и, следовательно, не происходит возмущение исследуемого газового потока (описано подробно о выборе величин δ, d и h будет в примере реализации); секционированного коллектора 5 в форме диска с четным числом 2n (минимум - 4) равноудаленных друг от друга и равновеликих электродов 6, имеющих форму секторов, расположенных в плоскости, параллельной плоскости катода 4, и центром на оси симметрии устройства Z.

Ускоряющее электрическое поле направленное вдоль оси Z устройства, создается источником напряжения 7, включенным между катодом 4 и коллектором 5.

Каждая пара диаметрально расположенных электродов 6 коллектора 5 подключена к соответствующим дифференциальным усилителям 8¹...8ⁿ, сигнал с которых измеряется при помощи регистраторов 9¹...9ⁿ.

Питание разряда осуществляется от источника высокого напряжения 10.

Пример реализации. На основе описанного выше способа измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока разработано устройство, в котором в качестве источника ионов используется газовый разряд. Для различных диапазонов давлений исследуемых газовых сред величины δ, d и h выбираются из соотношений δ<<d (1); δ<<h (2) и h>>λ_ia (3), где λ_ia - длина свободного пробега ионов в исследуемом газовом потоке.

Соотношение (1) вытекает из ряда условий:
1. Электрическое поле из разрядного пространства II не должно проникать в измерительное пространство I и, следовательно, не рассеивать поток ионов в различных направлениях;
2. Плазма газового разряда не должна проникать в измерительное пространство I;
3. Газовый поток не должен возмущать газовую среду в разрядном пространстве II;
4. Минимальный размер катодного отверстия δ определяется минимальной величиной ионного тока, удовлетворяющей требованию высокой чувствительности измерительной аппаратуры.

Соотношение (2) обеспечивает наименьшее искажение напряженности ускоряющего электрического поля в измерительном пространстве I.

Соотношение (3) необходимо для того, чтобы ионный пучок наиболее эффективно взаимодействовал с газовым потоком и имел возможность приобретать направленную скорость газового потока.

Для того, чтобы объемный заряд ионного пучка не влиял на движение ионов к коллектору в измерительном пространстве I при указанных выше условиях необходимо, чтобы величина полного ионного тока I_i не превышала ~10^-8 А. Это условие достигается выбором величины δ и током разряда, который задается источником высокого напряжения 10. Дальнейшее увеличение тока ионов I_i приводит к уменьшению доли ионов, приобретающих направленную скорость газового потока на фоне общего ионного тока, что приводит к снижению точности измерения.

Для обеспечения работоспособности предлагаемого измерительного прибора проводили калибровку, определяя зависимость отношения разности ионных токов на диаметрально расположенных электродах коллектора к полному ионному току от величины скорости газового потока

и зависимость разности ионных токов на противолежащих электродах коллектора от угла между направлением их расположения и направлением потока ΔI_i = f(θ). Для этого в аэродинамической трубе создавали направленный поток газа CO₂ или N₂, скорость которого составляла величины от 1 до 50 м/с при давлении от 2 до 10 мбар. Для этого диапазона давления прибор был выполнен с диаметром катодного отверстия δ = 0,5 мм. Расстояние d между анодом 3 и катодом 4 составляло 2 мм и было выбрано их тех соображений, чтобы напряжение зажигания разряда при указанных давлениях находилось вблизи минимума кривой зажигания Пашена (В. Грановский Электрический ток в газе. М.: Наука, 1971, гл. 7). Расстояние h между катодом 4 и коллектором 5 составляло ~1 см при λ_ia ~0,1 мм.

Устройство работает следующим образом.

Газ из потока попадает в разрядное пространство II камеры 2 ионного источника через отверстие в катоде 4. Включение источника высокого напряжения 10 (>800 В) приводит к зажиганию электрического разряда между анодом 3 и катодом 4. Ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа ускоряются в прикатодном слое разряда и часть их увлекается электрическим полем этого слоя в отверстие катода 4, через которое они в виде сформированного тонкого аксиально-симметричного пучка низкой энергии (~100 эВ) попадают в измерительное пространство I. Для создания однородного электрического поля 10 В/см, ускоряющего ионы в измерительном пространстве I в направлении коллектора, включали источник напряжения 7. Ионные токи на электродах коллектора измерялись при помощи дифференциальных усилителей 8¹...8ⁿ и регистраторов 9¹...9ⁿ.

Измерение модуля и направление вектора скорости газового потока в указанном диапазоне давлений показало, что достигается точность измерения модуля скорости потока не хуже 1% при чувствительности прибора по индикатору 100 мВ/м/с. А точность измерения направления вектора скорости газового потока составляет ~5^o.

Использование предлагаемого способа и устройства для измерения величины и направления скорости разреженного газового потока дополнительно дает следующие технические преимущества:
1. Чувствительность прибора возрастает в 10⁵ раз;
2. Конструктивное упрощение относительно известных приборов с термоэмиссионными катодами (предлагаемый прибор использует холодные электроды);
3. Экологическая безопасность применения, отсутствие радиоактивных источников ионизации газа.

Способ и устройство могут быть использованы для исследования динамики газовых потоков в верхних слоях атмосферы и в аэродинамических установках. Газ ионизируют в ускоряющем электрическом поле. Регистрируют распределение тока ионов, увлекаемых исследуемым потоком, с помощью секционированного ионного коллектора. Перед ионизацией от исследуемого газового потока отделяют часть газа, зажигают в этой части газа электрический разряд. Формируют коаксиальный и соосный с коллектором пучок ионов и вводят его в объем исследуемого потока. Однородное ускоряющее электрическое поле создают вдоль оси аксиальной симметрии измерительного устройства. Источник ионов выполнен в виде аксиально-симметричной газоразрядной камеры с не проницаемой для исследуемого потока боковой и одной торцевой стенками. Анод размещен на внутренней поверхности указанной торцевой стенки. Катод является другой торцевой стенкой камеры и имеет центральное отверстие для формирования ионного пучка. Газоразрядная камера смещена соосно с коллектором. Источник высокого напряжения подключен одним из выводов к аноду. Дополнительный источник напряжения включен между катодом и коллектором. Другой вывод источника высокого напряжения соединен с катодом. Обеспечивается повышение точности измерения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока, включающий отделение от исследуемого газового потока части газа, ионизацию его путем зажигания в этой части газа электрического разряда, введение ионов в объем исследуемого потока и регистрацию распределения тока ионов, увлекаемых исследуемым потоком, с помощью секционированного ионного коллектора измерительного устройства, отличающийся тем, что создают однородное ускоряющее электрическое поле в исследуемом газовом потоке вдоль оси аксиальной симметрии измерительного устройства. 2. Устройство для измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока, содержащее камеру, через которую пропускается измеряемый поток газа, размещенные в ней по обе стороны исследуемого потока газа источник ионов, выполненный в виде аксиально-симметричной газоразрядной камеры с не проницаемыми для исследуемого газового потока боковой и одной торцевой стенками, с анодом, размещенным на внутренней поверхности указанной торцевой стенки, и катодом в качестве другой ее торцевой стенки с центральным отверстием, и секционированный ионный коллектор, причем газоразрядная камера размещена соосно с секционированным ионным коллектором, электроды которого через соответствующие последовательно соединенные дифференциальные усилители и регистраторы соединены с камерой, и источник высокого напряжения, подключенный одним из выводов к аноду, отличающийся тем, что в устройство введен дополнительный источник напряжения, включенный между катодом и коллектором, при этом источник высокого напряжения другим своим выводом подключен к катоду.