ОБНАРУЖЕНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ Российский патент 2015 года по МПК G01W1/08 G01R29/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам обнаружения аэрозолей и, в частности, к обнаружению твердых частиц, таких как частицы пепла, пыли, льда, снега, дождя или загрязняющих веществ в атмосфере.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Взвешенные в воздухе частицы обычно обнаруживают и анализируют на больших участках в атмосфере посредством сложной аппаратуры для распознавания частиц, установленной на летательном аппарате. Например, аэрозольный спектрометр может быть установлен на летательном аппарате, после чего летательный аппарат может перемещаться через атмосферу, протягивая воздух через спектрометр посредством вакуумного насоса. Определенные доступные на рынке аэрозольные спектрометры, такие как модель 1.129 Sky-OPC, выпускаемая компанией Grimm Aerosol Technik GmbH & Co KG, разработаны специально для атмосферных исследований и позволяют регистрировать данные, относящиеся к размеру частиц и концентрации частиц, на интегрированную карту памяти в зависимости от времени и/или положения летательного аппарата, на котором установлен спектрометр. Однако подобные устройства являются сложными и дорогостоящими. Для их установки на летательном аппарате требуется много времени и усилий. Анализ частиц подобными устройствами обычно осуществляют посредством проведения измерений оптического рассеяния, при которых свет от лазера или светодиода рассеивается частицами, и на основе измерений рассеянного света определяют присутствие, размер и концентрацию частиц. Для этого требуется сложная компоновка приборов обнаружения и мощные ресурсы для компьютерной обработки. Кроме того, в соответствии с правилами сертификации безопасности полетов летательных аппаратов обычно необходим специальный исследовательский летательный аппарат. Это означает, что коммерческий летательный аппарат, который пролетает через определенную область в атмосфере и который мог бы потенциально собирать данные о взвешенных в воздухе частицах в зависимости от положения в области, не может быть использован для сбора таких данных.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первый объект настоящего изобретения представляет собой устройство для обнаружения аэрозолей, содержащее летательный аппарат, содержащий диэлектрический элемент, который расположен в его корпусе так, что поверхность диэлектрического элемента образует часть наружной поверхности летательного аппарата, и средство обнаружения, расположенное внутри летательного аппарата и установленное для обнаружения электрического поля, возникающего в результате поляризации диэлектрического элемента.

Когда летательный аппарат пролетает через воздушное пространство, в котором находятся взвешенные в воздухе частицы, такие как пыль или пепел, например, диэлектрический элемент поляризуется, так что наведенный заряд возникает на поверхности диэлектрического элемента, противоположной поверхности, образующей часть наружной поверхности летательного аппарата. Путем обнаружения электрического поля внутри летательного аппарата, возникающего в результате этого наведенного заряда, может быть определено присутствие в атмосфере частиц. Поскольку корпусы летательных аппаратов в основном металлические, ранее предполагалось, что если на летательном аппарате произойдет образование электрического заряда по любой причине, то внутри летательного аппарата не будет возникать электрическое поле, так как летательный аппарат будет выступать в качестве клетки Фарадея. Например, ранее отмечалось образование электрического заряда на летательном аппарате, но оно было обнаружено путем размещения аппаратуры снаружи летательного аппарата (R.С.Roberts & G.W.Brock, Journal of 20 Meteorology, volume 2 (1945), pp 205-213; R.C. Waddel, R.C.Dmtowski & W.N.Blatt, Proceedings of the Institute of Radio Engineers, volume 34 (1946), pp 161-166.) Поляризация диэлектрического элемента может происходить одним или несколькими различными механизмами. Аэрозольные частицы, которые были уже заряжены, могут передавать свой заряд на поверхность диэлектрического элемента, образующую часть наружной формы летательного аппарата, когда летательный аппарат пролетает через аэрозоль. Незаряженные аэрозольные частицы также могут вызывать образование заряда поверхности посредством механизма трения. Кроме того, другие части наружной поверхности летательного аппарата могут заряжаться во время полета через аэрозоль, создавая электрическое поле, которое поляризует диэлектрический элемент или способствует поляризации диэлектрического элемента.

Диэлектрическим элементом может быть окно летательного аппарата, в этом случае может быть использован любой летательный аппарат общего назначения. Другими словами, для того, чтобы реализовать настоящее изобретение, нет необходимости в подгонке специального диэлектрического элемента к летательному аппарату, или в его применении при строительстве нового летательного аппарата. Например, окно летательного аппарата BAe '146' содержит наружный слой из акриловой смолы, который хорошо выполняет функцию диэлектрического элемента.

Средством обнаружения может быть устройство для контроля статического электричества, установленное в летательном аппарате. Может быть использован электростатический вольтметр, такой как электромеханический измеритель напряженности электрического поля. Подходящим электромеханическим измерителем напряженности электрического поля является устройство для контроля статического электричества JCI 140, выпускаемое компанией Chilworth Technology Ltd Southampton, U.K.

Устройство может дополнительно содержать средства сигнализации, установленные для контроля выходных данных устройства для контроля статического электричества и для генерирования сигнала опасности, если указанные выходные данные превышают заданное пороговое значение. В качестве сигнала опасности может выступать визуальный и/или звуковой сигнал, предназначенный для привлечения внимания одного из членов экипажа летательного аппарата. В дополнительном или альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения указанный сигнал может быть управляющим сигналом для систем управления летательным аппаратом для вывода летательного аппарата из определенной области воздушного пространства.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит систему сбора данных, установленную для регистрации выходных данных устройства для контроля статического электричества или скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества в зависимости от положения летательного аппарата. Электрическое поле, возникающее в результате накопленного заряда на поверхности диэлектрика в момент, когда летательный аппарат пролетает через воздушное пространство, содержащее частицы, свидетельствует о присутствие аэрозоля. Регистрация выходных данных устройства для контроля статического электричества (или их скорость изменения) в зависимости от положения позволяет наносить на карту присутствие аэрозольных частиц.

Положение летательного аппарата может быть определено различными способами. Например, во время полета на постоянной скорости общая продолжительность полета указывает на положение летательного аппарата. Однако для получения точной и подробной информации о местоположении (широта, долгота и высота) и, следовательно, более точного и подробного нанесения на карту присутствия частиц в атмосфере устройство предпочтительно дополнительно оснащено спутниковой системой позиционирования (GPS), установленной для выдачи информации о местоположении летательного аппарата системе сбора данных.

Значение электрического поля, вызывающего поляризацию диэлектрического элемента (и, следовательно, выходных данных устройства для контроля статического электричества), может зависеть от концентрации аэрозольных частиц. Скорость изменения электрического поля (и, следовательно, скорость изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества) также может зависеть от концентрации аэрозольных частиц. Таким образом, устройство предпочтительно дополнительно содержит средства обработки данных, установленные для преобразования зарегистрированных значений выходных данных устройства для контроля статического электричества или, в зависимости от конкретного случая, зарегистрированных значений скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества в значения концентрации аэрозольных частиц на основе исходной функциональной формы для концентрации аэрозольных частиц в зависимости от выходных данных или, в зависимости от конкретного случая, скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества. Это позволяет наносить на карту концентрацию аэрозольных частиц, т.е. определять концентрацию аэрозольных частиц в зависимости от положения летательного аппарата. Исходная функциональная форма может быть линейной или нелинейной в зависимости от обстоятельств, например типа частиц в атмосфере.

В качестве альтернативы средствам обработки данных, установленным для преобразования значений выходных данных устройства для контроля статического электричества или скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества, хранимых в системе сбора данных, в значения концентрации аэрозольных частиц, в альтернативном варианте осуществления изобретения устройство может содержать средства обработки данных, установленные для преобразования выходных данных устройства для контроля статического электричества или скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества непосредственно (т.е. в реальном времени) в значения концентрации аэрозольных частиц на основе исходной функциональной формы для аэрозольной частицы в зависимости от выходных данных устройства для контроля статического электричества или, в зависимости от конкретного случая, скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества. В этом случае устройство может дополнительно содержать систему сбора данных, установленную для регистрации значений концентрации аэрозольных частиц выходных данных посредством средств обработки данных в зависимости от положения летательного аппарата, так что система сбора данных хранит нанесенное на карту изображение концентрации аэрозольных частиц. В этом случае также, предпочтительно, устройство дополнительно содержит спутниковую систему позиционирования (GPS), установленную для выдачи информации о местоположении летательного аппарата системе сбора данных по вышеуказанным причинам.

Второй объект настоящего изобретение предоставляет собой способ обнаружения частиц в аэрозоле, предусматривающий этап, на котором устройство в соответствии с изобретением проходит через область атмосферы, содержащую частицы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже только в качестве примера и со ссылками на прилагаемые фигуры, где:

На Фиг.1 показана часть устройства в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

На Фиг.2 показана детально часть диэлектрического элемента, показанная на Фиг.1;

На Фиг.3 показана часть устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;

На Фиг.4 показаны кривые, отображающие концентрацию аэрозольных частиц, полученные посредством применения нефелометра, и выходные данные устройства для контроля статического электричества, расположенного в устройстве в соответствии с настоящим изобретением;

На Фиг.5 показаны кривые, отображающие концентрацию аэрозольных частиц, поученные посредством применения оптического спектрометра, и выходные данные устройства для контроля статического электричества, расположенного в устройстве в соответствии с настоящим изобретением; и

На Фиг.6 показаны кривые, отображающие массовую плотность аэрозоля, полученные посредством применения специализированного оборудования, и скорость изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества, расположенного в устройстве в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 показана часть устройства в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, содержащего летательный аппарат BAe '146', содержащий металлический фюзеляж 12 с окном 10, наружная поверхность которого образует часть внешней формы летательного аппарата. Блок 20 приборов установлен внутри летательного аппарата, причем блок 20 приборов содержит датчик 16 электромеханического измерителя напряженности электрического поля (например, устройство для контроля статического электричества модели JCI 140, выпускаемое компанией Chilworth Technology Ltd, Southampton, U.K.). Выход датчика 16 соединен с системой 18 сбора данных, которая установлена для регистрации выходных данных датчика 18 через равные промежутки времени, причем каждое значение выходных данных датчика 16 регистрируют вместе с положением летательного аппарата, когда выходные данные зарегистрированы. Блок 22 спутниковой системы позиционирования (GPS) установлен для предоставления информации о местоположении касательно летательного аппарата в систему 18 сбора данных. Процессор 24, соединенный с системой 18 сбора данных, установлен для обработки информации, хранимой в системе 18 сбора данных.

На Фиг.2 детально показано окно 10 летательного аппарата. Окно 10 состоит из двух структурных слоев 10A, 10B, выполненных из акриловой смолы, и третьего внутреннего слоя 10C из акриловой смолы, который выполняет роль тонкой скретч-панели. Наружная поверхность слоя 10А образует часть внешней формы летательного аппарата.

При эксплуатации устройства летательный аппарат пролетает через область атмосферы, содержащую частицы пыли, пепла, загрязнений и т.п., другими словами, область атмосферы, являющейся аэрозолем. Аэрозольные частицы, которые уже заряжены и которые ударяются о наружную поверхность окна 10, могут передавать свой заряд наружной поверхности окна 10. Кроме того, незаряженные частицы, которые ударяются об окно 10, могут дополнительно повышать заряд окна 10 посредством механизма трения. Заряженные и незаряженные частицы также повышают заряд деталей летательного аппарата, которые составляют его внешнюю форму, отличных от наружной поверхности окна 10. Когда летательный аппарат пролетает через аэрозоль, окно 10 поляризуется в результате воздействия электрического поля, образованного одним или более из этих механизмов. Такая поляризация увеличивает наведенный заряд с внутренней стороны окна 10, а электрическое поле, возникающее в результате такого наведенного заряда, определяют датчиком 16. В каждой из временных последовательностей выходные данные датчика 16 регистрируют системой 18 сбора данных вместе с положением летательного аппарата, которое определяют посредством GPS 22.

Процессор 24 установлен для обработки данных, хранимых в системе 18 сбора данных. Процессор 24 может быть расположен на летательном аппарате и установлен для обработки данных в режиме реального времени или его можно применять для обработки данных в автономном режиме, причем данные хранятся только в период полета летательного аппарата. Процессор 24 установлен для преобразования зарегистрированных значений выходных данных датчика 16 в значения концентрации частиц на основе исходной функциональной зависимости между электрическим полем вследствие наведенного заряда с внутренней стороны окна 10 (равнозначно выходным данным устройства 16 для контроля статического электричества) и концентрации частиц в аэрозоле, через который пролетает летательный аппарат. В некоторых случаях зависимость может быть очень простой, например, электрическое поле (и, следовательно, выходные данные датчика 16) может быть прямо пропорционально концентрации аэрозольных частиц. В других случаях выходные данные датчика 16 могут являться более сложной функцией концентрации частиц. В третьих случаях скорость изменения выходных данных датчика 16 может быть линейной или может являться сложной функцией концентрации аэрозольных частиц. Функциональная зависимость для конкретного типа аэрозоля может быть предсказана или найдена заранее из опыта с помощью другой аппаратуры или измерений. Процессор 24, таким образом, позволяет определить концентрацию аэрозольных частиц в зависимости от положения, т.е. нанести на карту концентрацию аэрозольных частиц.

На Фиг.3 показана часть устройства в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. Детали устройства, показанного на Фиг.3, соответствующие деталям устройства, показанного на Фиг.1, обозначены ссылочными позициями, отличающимися на 100 от ссылочных позиций, соответствующих деталям на Фиг.1. В устройстве в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения выход датчика 116 электромеханического измерителя напряженности электрического поля соединен с процессором 117, который преобразовывает выходные данные датчика 116 (или скорость изменения выходных данных датчика 116) в режиме реального времени в значение концентрации аэрозольных частиц на основе исходной функциональной формы для концентрации аэрозольных частиц в зависимости от выходных данных датчика 116 (или скорости изменения выходных данных датчика 116). Выходные данные процессора 117 соответствуют непосредственно концентрации аэрозольных частиц, которая зарегистрирована в каждой временной последовательности системой 118 сбора данных вместе с положением летательного аппарата, указанным GPS 122. Следовательно, система 118 сбора данных хранит информацию, отображающую на карте концентрацию аэрозольных частиц в зависимости от положения.

На Фиг.4 показана кривая 210 выходных данных интегрирующего нефелометра, установленного на исследовательском летательном аппарате, снимаемых в течение четырехчасового периода, во время которого летательный аппарат пролетал через участок облака вулканического пепла, образованного в результате извержения вулкана Эйяфьядлайёкюдль в Исландии, начавшегося 20 марта 2010 г. Кривая 200 привязана к вертикальной оси 211. Интегрирующий нефелометр измеряет оптическую экстинкцию по трем видимым длинам волн, и его выходные данные указывают на концентрацию аэрозольных частиц. На Фиг.4 также показана кривая 200 (привязана к вертикальной оси 201) выходных данных датчика электромеханического измерителя напряженности электрического поля, снятых в течение того же промежутка времени, причем датчик установлен в том же исследовательском летательном аппарате способом, показанным на Фиг.1 и 3. На Фиг.4 показано, что выходные данные электромеханического измерителя напряженности электрического поля были тесно связаны с концентрациями аэрозольных частиц, что видно по экстинкции, измеренной нефелометром.

Как показано на Фиг.5, кривая 220 (привязана к вертикальной оси 221) аналогична кривой 200 на Фиг.4. На Фиг.5 также показана кривая 230 выходных данных пассивного устанавливаемого в полости зонда-спектрометра для измерения концентрации аэрозоля (PCASP), также установленного на исследовательском летательном аппарате, в течение того же четырехчасового промежутка времени, в течение которого была зарегистрирована кривая 220. Кривая 230 привязана к вертикальной оси 231. PCASP представляет собой оптический спектрометр для обнаружения и анализа аэрозолей. На Фиг.5 показана близкая корреляция между концентрациями аэрозольных частиц, измеренная посредством PCASP, и выходными данными датчика электромеханического измерителя напряженности электрического поля, установленного внутри исследовательского летательного аппарата.

На Фиг.6 показана кривая 240 скорости изменения выходных данных того же электромеханического датчика измерителя напряженности электрического поля в течение 3,5 часов (привязана к вертикальной оси 241), а также кривая 250 массовой концентрации вулканического пепла в течение того же периода, определенная специализированным оборудованием для измерения концентрации частиц, установленным на исследовательском летательном аппарате. На Фиг.6 показана близкая корреляция между скоростью изменения выходных данных датчика и концентрацией аэрозольных частиц облака вулканического пепла, через которое пролетал исследовательский летательный аппарат.

Согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения выходные данные средства обнаружения можно контролировать (например, вводить в компаратор) таким образом, что сигнал предупреждения может быть сгенерирован, если выходные данные превышают пороговый уровень, связанный с уровнем концентрации аэрозольных частиц, при котором с большой вероятностью может произойти повреждение летательного аппарата тем или иным способом (например, повреждение двигателя). Сигнал предупреждения может быть использован для предоставления визуального и/или звукового сигнала пилоту летательного аппарата. В альтернативном или дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения сигнал предупреждения может быть использован для автоматического управления системами управления полета летательного аппарата таким образом, чтобы направить летательный аппарат на курс в область воздушного пространства с более низкой концентрацией аэрозольных частиц.

Устройство для обнаружения аэрозолей содержит летательный аппарат, имеющий диэлектрический элемент, такой как окно (10), размещенный в его корпусе (12), так что поверхность диэлектрического элемента образует часть наружной поверхности летательного аппарата. Средство обнаружения (16), такое как устройство для контроля статического электричества, расположено внутри летательного аппарата и предназначено для обнаружения электрического поля, возникающего в результате поляризации диэлектрического элемента внутри летательного аппарата. Выходные данные устройства для контроля статического электричества или их скорость изменения характеризуются тесным соотношением с концентрацией частиц, когда летательный аппарат пролетает через аэрозоль, например облако вулканического пепла. Технический результат заключается в упрощении конструкции устройства, а также в том, что может использоваться любой летательный аппарат общего назначения. Аэрозольные частицы можно обнаружить и наносить на карту при помощи устройства в соответствии с настоящим изобретением более простым и быстрым способом, чем посредством таких устройств, как оптические спектрометры, установленные на специальных исследовательских летательных аппаратах, или устройства для контроля статического электричества, установленные снаружи летательного аппарата. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для обнаружения аэрозолей, содержащее летательный аппарат, имеющий диэлектрический элемент, размещенный в его корпусе таким образом, что поверхность диэлектрического элемента образует часть наружной поверхности летательного аппарата, и средство обнаружения, расположенное внутри летательного аппарата и выполненное с возможностью обнаружения электрического поля внутри летательного аппарата, возникающего в результате поляризации диэлектрического элемента таким образом, что на поверхности диэлектрического элемента, противоположной его поверхности, образующей часть наружной поверхности летательного аппарата, возникает наведенный заряд.

2. Устройство по п.1, в котором диэлектрическим элементом является окно летательного аппарата.

3. Устройство по любому из пп.1-2, в котором средством обнаружения является устройство для контроля статического электричества, установленное в летательном аппарате.

4. Устройство по п.3, в котором устройством для контроля статического электричества является электростатический вольтметр.

5. Устройство по п.4, в котором электростатическим вольтметром является электромеханический измеритель напряженности электрического поля.

6. Устройство по п.3, дополнительно содержащее средства сигнализации, выполненные с возможностью контроля выходных данных устройства для контроля статического электричества и генерации сигнала тревоги, если указанные выходные данные превышают заданное пороговое значение.

7. Устройство по п.6, в котором сигнал опасности представляет собой визуальный и/или звуковой сигнал для привлечения внимания одного из членов экипажа летательного аппарата, в частности пилота летательного аппарата, и/или сигнал опасности представляет собой управляющий сигнал для систем управления летательным аппаратом для вывода летательного аппарата из определенной области воздушного пространства

8. Устройство по п.3, дополнительно содержащее систему сбора данных, выполненную с возможностью регистрации выходных данных устройства для контроля статического электричества или скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества в зависимости от положения летательного аппарата.

9. Устройство по п.8, дополнительно содержащее спутниковую систему позиционирования (GPS), выполненную с возможностью выдачи информации о местоположении летательного аппарата в систему сбора данных.

10. Устройство по любому из пп.8 или 9, дополнительно содержащее средства обработки данных, выполненные с возможностью преобразования зарегистрированных значений выходных данных устройства для контроля статического электричества или, в зависимости от конкретного случая, зарегистрированных значений скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества в значения концентрации аэрозольных частиц на основе исходной функциональной формы для концентрации аэрозольных частиц в зависимости от выходных данных или, в зависимости от конкретного случая, скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества.

11. Устройство по п.3, дополнительно содержащее средства обработки данных, выполненные с возможностью преобразования выходных данных устройства для контроля статического электричества или скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества в значения концентрации аэрозольных частиц на основе исходной функциональной формы для концентрации аэрозольных частиц в зависимости от выходных данных устройства для контроля статического электричества или, в зависимости от конкретного случая, скорости изменения выходных данных устройства для контроля статического электричества.

12. Устройство по п.11, дополнительно содержащее систему сбора данных, выполненную с возможностью регистрации значений выходных данных концентрации аэрозольных частиц посредством средств преобразования в зависимости от положения летательного аппарата.

13. Устройство по п.12, дополнительно содержащее спутниковую систему позиционирования, выполненную с возможностью выдачи информации о местоположении летательного аппарата в систему сбора данных.

14. Способ обнаружения частиц в аэрозоле, предусматривающий стадию, на которой устройство по любому из пп.1-13 проходит через область атмосферы, содержащую частицы.

15. Способ по п.14, в котором область атмосферы содержит частицы пыли или пепла.