Устройство для отбора проб атмосферного воздуха в полёте и дозирования их в измерительный прибор для определения суммарной водности Российский патент 2025 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к технике отбора образцов атмосферного воздуха с борта летательного аппарата (ЛА) для исследования на суммарную водность.

Точное знание суммарной водности (суммарное содержание воды в разных агрегатных состояниях) в различных точках атмосферы необходимо для разработки противообледенительных систем и безопасных маршрутов полетов, а также при проведении различных НИР по защите от обледенения и разработке (тарировки) датчиков суммарной водности.

Известно большое количество датчиков суммарной водности и способов ее определения, а именно, патенты РФ №2562476 от 10.09.2015 г. «Электротермический способ определения водности воздушного потока», №2735908 от 10.11.2020 г. «Самолетный датчик полной водности», №2758843 от 02.11.2021 г. «Способ определения основных параметров структуры воздушно-капельных образований облаков и туманов», патент США №7175136 от 13.02.2007 г. «Method And Apparatus For Detecting Conditions Conducive To Ice Formation» («Способ и устройство обнаружения условий обледенения»), европейский патент ЕР2117926 от 26.12.2018 г. «Ice Rate Meter With Virtual Aspiration» («Измеритель обледенения с виртуальной аспирацией»), авторское свидетельство СССР №1137381 от 29.07.1983 г. «Устройство для определения водности дождя», диссертация «Evaluation of Water Content Measurement Model 3000 Probe (WCM-3000) Using the NASA Impacts Dataset», Jennifer Rose Moore, 2023 («Оценка измерителя водности модели WCM-3000 на основе наборов данных NASA», https://commons.und.edu/theses/5685) и другие. Они основаны либо на эффекте охлаждения калиброванной пластины, либо на переводе потока частиц в парообразное состояние и измерении концентрации паров воды в потоке. К их достоинствам можно отнести непрерывность действия, однако их точная калибровка в рамках предлагаемых способов и устройств невозможна и не производится. Точное знание суммарной водности в потоке, набегающем на воздушное судно, которое может быть использовано как для тарировки датчиков, так и самостоятельно для определения реперных значений водности, возможно только после правильного отбора пробы воздуха из потока - без изменений его параметров - с последующим анализом на суммарное содержание воды в ней.

Известны устройства для отбора и хранения проб воздуха в виде стеклянных неградуированных газовых пипеток с двумя одноходовыми кранами, выполненных по ГОСТ 18954-73 «Прибор и пипетки стеклянные для отбора и хранения проб газа», а также аналогичные устройства, выполненные в виде канистр, описанные в стандарте ASTM (2021): «Standard Test Method for Determination of Volatile Organic Chemicals in Atmospheres (Canister Sampling Methodology)», West Conshohocken, PA, American Society for Testing and Materials (ASTM Standard D5466-21). При этом канистра с запорным вентилем используется либо предварительно отвакуумированной, либо отбор производится методом газового обмена (продувка канистры большим количеством воздуха), что не годится для испытаний водности из-за возможной конденсации и замерзания влаги на стенках канистры.

Известен насос-пробоотборник НП-ЗМ для отбора разовых проб газовоздушных смесей с целью последующего определения их химического состава с использованием индикаторных трубок в соответствии с ГОСТ Р 51712-2001, ГОСТ 12.1.014-84, ГОСТ Р 51945-2002 - патент РФ №89701 от 10.12.2009 г. «Ручной насос - пробоотборник», недостатком которого является отсутствие запорного устройства и непредназначенность создаваемого им вакуума для длительного сохранения из-за существенного натекания воздуха по уплотнению поршня.

Также известны устройство для отбора проб воды из водоемов в воздухе -патент США №4744256 от 17.05.1988 г. «Airborne Water Sampler Device» («Устройство отбора воды с борта»), представляющий собой цилиндр с одновременно закрывающимися и открывающимися с помощью системы тросов шаровых кранов противоположными отверстиями, и контейнер с двойным открыванием для отбора проб жидкости - патент США №7178415 от 29.02.2007 г. «Dual-Opening Sample Containers, Fluid Samplng Device and Method of Using Same» («Контейнеры для пробоотбора с двойными отверстиями, устройство отбора жидкости и способ его использования»), где закрытие контейнера осуществляется с помощью курка только после забора пробы воды. В обоих устройствах нарушен принцип изокинетичности потока, а сложность конструкций не позволяет их использовать для отбора пробы воздуха на крыле или внешней обшивке самолета.

Известны металлические вакуумированные емкости с электромагнитными клапанами, собранные по несколько штук в контейнеры, приведенные в ведомственной методике №12-16-111, разработанной ОАО «ЛИИ им. М.М. Громова». Однако данные устройства не обеспечивают постоянный контроль вакуума, из-за чего возможно искажение результатов последующего анализа содержания воды, а также не обеспечивается принцип изокинетичности отбора, что не гарантирует попадание всей воды в пробоотборник (особенно крупных кристаллов).

Наиболее близким к заявляемому устройству является пробоотборное устройство, описанное в патенте РФ на изобретение №2782051 от 21.10.2022 г. «Устройство для отбора проб атмосферного воздуха в полете для определения суммарной водности». Однако эксперименты показали недостатки данной конструкции: крышки цилиндра не закреплены, внутри цилиндра расположены дополнительные элементы, искажающие воздушный поток, привод крышек имеет сложную механическую рычажную конструкцию, которая может тормозить в условиях обледенения, и нет возможности прямой перекачки отобранного воздуха в аналитическое устройство, т.к. у данной конструкции отсутствуют функции дозатора.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое устройство, заключается в повышении точности определения суммарной водности за счет устранения вышеперечисленных недостатков прототипа. Дополнительные элементы конструкции позволяют использовать вновь разработанное устройство в качестве дозатора для прямого перевода отобранной пробы в измерительное устройство.

Для достижения этого технического результата устройство для отбора проб атмосферного воздуха в полете содержит цилиндрический корпус с крепящимися на осях двумя подпружиненными торцевыми крышками с амортизирующими и герметизирующими прокладками, отличающееся тем, что внутренняя часть цилиндрического корпуса выполнена полой с возможностью обеспечения изокинетичности и отсутствия искажения потока в процессе отбора атмосферного воздуха; на нижней части корпуса размещены ограничители перемещения крышек относительно их осей с нажимным прерывателем на одном из ограничителей, обеспечивающим прекращение подачи питания на электродвигатель привода и одновременное закрытие крышек после завершения отбора пробы и ее аликвотность и не допускающим выдува взятой пробы; пружины, прижимающие крышки к корпусу перед пробоотбором и возвращающие их в закрытое состояние после пробоотбора, расположены снаружи корпуса; крышки дополнительно фиксируются на корпусе винтами, проходящими через отверстия в крышках и вкручиваемыми в стенки цилиндра, обеспечивающими герметичность полости цилиндра и сохранность пробы после проведения пробоотбора.

На каждой из крышек по центру выполнены отверстия, закрываемые резиновыми мембранами, фиксируемыми втулками с заглушками.

Внутри корпуса цилиндра с правой стороны размещен поршень, плотно прилегающий к внутренней поверхности одной из крышек, хвостовик которого проходит через резиновую мембрану, втулку и заглушку с концом, закрепленным на крышке контровочной гайкой, и на этой же крышке расположено дополнительное отверстие, заглушаемое в полете винтом с резиновой прокладкой.

Устройство также содержит фрикционный привод на основе колес с тросиками и электродвигатель с дистанционным управлением через пульт управления открытием и закрытием крышек, на вал которого намотан один конец тросика фрикционного привода, а другие концы тросика присоединены через карабины к крышкам; при этом электродвигатель с тросиками и колесами привода жестко закреплены на станине, а цилиндрический корпус крепится на станине хомутом с возможностью демонтажа.

Причем устройство выполнено с возможностью замены контровочной гайки на удлиненную рукоятку, ввинчиваемую в хвостовик поршня, и левой заглушки на втулку с иглой для дозирования проб в измерительный прибор для определения суммарной водности.

На фиг.1 представлен эскиз предлагаемого устройства для отбора проб атмосферного воздуха в полете для определения суммарной водности.

Устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит: цилиндрический корпус с двумя крепящимися на осях подпружиненными торцевыми крышками с амортизирующими и герметизирующими прокладками,

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1 с двумя крышками 2, крепящимися на осях 3 и снабженными резиновыми прокладками 4. С помощью пружин 5 крышки плотно притянуты к торцам цилиндра и в наземных условиях фиксируются винтами 6. По центру крышек выполнены отверстия, закрываемые резиновыми мембранами 7 и крепящиеся вворачиванием втулок 8. Левая втулка в полете закрыта заглушкой 9, которая после отбора в наземных условиях заменяется на втулку с иглой 10.

Внутри цилиндра с правой стороны размещен поршень 11, плотно прилегающий к внутренней поверхности крышки, хвостовик которого проходит через резиновую мембрану и втулку заглушку с закрепленной на конце контровочной гайкой 12, заменяемой в наземных условиях на удлиненную рукоятку 13, ввинчиваемую в хвостовик поршня. По краям цилиндра снизу крепятся ограничители 14, на левом ограничителе установлен нажимной прерыватель 15, который при открытии крышек прекращает подачу электроэнергии на двигатель 16, включаемый с пульта управления 17. При этом тросики 18, прикрепленные карабинами 19 к крышкам, через колеса фрикционного привода 20 начинают наматываться на вал 21 двигателя, обеспечивая открытие крышек до ограничителей. Двигатель и колеса крепятся на станине 22. Также с помощью хомута 23 к станине крепится и цилиндрический корпус. В наземных условиях после сборки цилиндра в шприц-дозатор из правой крышки выкручивается винт с резиновой прокладкой 24.

Работа устройства

Устройство работает следующим образом. В нерабочем состоянии цилиндрический корпус 1 при выключенном электромоторе 21 (с пульта 17 не поступает питание) плотно закрыты за счет натяжения пружин 5 крепящимися на осях 3 крышками 2 с прокладками 4. При подаче питания на электродвигатель тросики 18 через колеса 20 наматываются на его вал, обеспечивая открытие прикрепленных к ним карабинами 19 крышек. При упоре открытых крышек в ограничители 14 срабатывает прерыватель 15. Двигатель выключается, и пружинами 5 крышки закрываются.

После отборов пробоотборник демонтируется со станины на борту самолета. Верхняя часть крышек крепится к цилиндру винтами 6. Пробоотборник поступает в лабораторию, где термостатируется при комнатной температуре (при большой водности можно использовать термостат с повышенной температурой, которая подбирается экспериментально) не менее 3-х часов. Далее производятся изменения в конструкции, позволяющие использовать данное устройство как дозатор для прямого перевода отобранной пробы в измерительное устройство. Вместо левой заглушки 9 наворачивается втулка с иглой, прокалывая мембрану 7. Контровочная гайка 12 снимается, а в ось поршня 11 ввинчивается удлиненная рукоятка 13. Винт 24 выворачивается для доступа воздуха в надпоршневое пространство при перемещении поршня 11 надавливанием рукоятки 13, за счет чего проба воздуха вводится в аналитическое устройство (испаритель газового хроматографа), где по существующим методикам производится ее точный анализ на содержание паров воды.

В сочетании с непрерывно работающими датчиками общей водности такое устройство может обеспечить высокую точность измерения общей водности атмосферного воздуха на поверхности воздушного судна, обеспечивая, в том числе, возможность выполнения калибровки других установленных на ЛА датчиков суммарной водности.

Изобретение относится отбору проб атмосферного воздуха с борта летательного аппарата. Раскрыто устройство для отбора проб атмосферного воздуха в полете, содержащее цилиндрический корпус с крепящимися на осях двумя подпружиненными торцевыми крышками с амортизирующими и герметизирующими прокладками, где внутренняя часть цилиндрического корпуса выполнена полой; на нижней части корпуса размещены ограничители перемещения крышек относительно их осей с нажимным прерывателем на одном из ограничителей; пружины, прижимающие крышки к корпусу перед пробоотбором и возвращающие их в закрытое состояние после пробоотбора, расположены снаружи корпуса; крышки дополнительно фиксируются на корпусе винтами, проходящими через отверстия в крышках и вкручиваемыми в стенки цилиндра; на каждой из крышек по центру выполнены отверстия, закрываемые резиновыми мембранами, фиксируемыми втулками с заглушками; внутри корпуса цилиндра с правой стороны размещен поршень, плотно прилегающий к внутренней поверхности одной из крышек, хвостовик которого проходит через резиновую мембрану, втулку и заглушку с концом, закрепленным на крышке контровочной гайкой, и на этой же крышке расположено дополнительное отверстие, заглушаемое в полете винтом с резиновой прокладкой; устройство также содержит фрикционный привод на основе колес с тросиками и электродвигатель с дистанционным управлением через пульт управления открытием и закрытием крышек, на вал которого намотан один конец тросика фрикционного привода, а другие концы тросика присоединены через карабины к крышкам; при этом электродвигатель с тросиками и колесами привода жестко закреплен на станине, а цилиндрический корпус крепится на станине хомутом с возможностью демонтажа; причем устройство выполнено с возможностью замены контровочной гайки на удлиненную рукоятку, ввинчиваемую в хвостовик поршня, и левой заглушки на втулку с иглой для дозирования проб в измерительный прибор для определения суммарной водности. Устройство обеспечивает повышение точности определения суммарной водности. 1 ил.

Устройство для отбора проб атмосферного воздуха в полете, содержащее цилиндрический корпус с крепящимися на осях двумя подпружиненными торцевыми крышками с амортизирующими и герметизирующими прокладками, отличающееся тем, что внутренняя часть цилиндрического корпуса выполнена полой с возможностью обеспечения изокинетичности и отсутствия искажения потока в процессе отбора атмосферного воздуха; на нижней части корпуса размещены ограничители перемещения крышек относительно их осей с нажимным прерывателем на одном из ограничителей, обеспечивающим прекращение подачи питания на электродвигатель привода и одновременное закрытие крышек после завершения отбора пробы и ее аликвотность и не допускающим выдува взятой пробы; пружины, прижимающие крышки к корпусу перед пробоотбором и возвращающие их в закрытое состояние после пробоотбора, расположены снаружи корпуса; крышки дополнительно фиксируются на корпусе винтами, проходящими через отверстия в крышках и вкручиваемыми в стенки цилиндра, обеспечивающими герметичность полости цилиндра и сохранность пробы после проведения пробоотбора;

на каждой из крышек по центру выполнены отверстия, закрываемые резиновыми мембранами, фиксируемыми втулками с заглушками;

внутри корпуса цилиндра с правой стороны размещен поршень, плотно прилегающий к внутренней поверхности одной из крышек, хвостовик которого проходит через резиновую мембрану, втулку и заглушку с концом, закрепленным на крышке контровочной гайкой, и на этой же крышке расположено дополнительное отверстие, заглушаемое в полете винтом с резиновой прокладкой;

устройство также содержит фрикционный привод на основе колес с тросиками и электродвигатель с дистанционным управлением через пульт управления открытием и закрытием крышек, на вал которого намотан один конец тросика фрикционного привода, а другие концы тросика присоединены через карабины к крышкам;

при этом электродвигатель с тросиками и колесами привода жестко закреплен на станине, а цилиндрический корпус крепится на станине хомутом с возможностью демонтажа;

причем устройство выполнено с возможностью замены контровочной гайки на удлиненную рукоятку, ввинчиваемую в хвостовик поршня, и левой заглушки на втулку с иглой для дозирования проб в измерительный прибор для определения суммарной водности.