Измеритель параметров облачной среды Советский патент 1992 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения водности облачной среды, парциального давления пара и микрофизических характеристик - спектра и концентрации облачных капель.

Известны различные устройства для измерения параметров облачной среды, например водности, содержащие вращающиеся цилиндры или диски, на поверхности которых, при движении самолета в переохлажденной облачной среде, намораживается переохлажденная капельная жидкость, и по толщине намороженного слоя льда либо его массе судят о водности облачной среды.

Известные устройства имеют ограниченную сферу применения, так как могут быть использованы только для переохлаждения облаков и туманов.

Известно также устройство для измерения водности облаков, содержащее нагретый до 200-270° С проволочный датчик при столкновении с которым облачные капли испаряются, снижая ее температуру и электрическое сопротивление. Сопротивление датчика непрерывно регистрируется с помощью мостовой схемы, в смежное плечо которого включено второе проволочное сопротивление, нагретое до такой же темпера- туры, причем это сопротивление расположено в том же потоке, что и датчик, но не смачивается облачными каплями.

VI о

2

00

со

Недостатком известного технического решения является невозможность создания одинакового обдува обеих нагревательных элементов и предотвращение смачивания одного из них. В результате снижается точность измерения водности облаков.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является изме- ритель водности облаков и туманов, содержащий проточную камеру с двумя полостями, внутри которых перпендикулярно направлению воздушного потока размещены два плоских электрических нагревателя и два датчика температуры, подключенные к блоку обработки информации.

Принцип действия известного технического решения основан на испарении плоскими нагревателями частичек капельной жидкости, содержащихся в воздушном потоке, и определении водности по температуре воздушного потока до нагревателей и после них.

Недостатком известного технического решения является то. что скоростной аэродинамический напор приводит к нагреву датчиковтемпературы, что в конечном итоге снижает точность измерения. При этом сужаются также и функциональные возможности устройства, так как оно обеспечивает возможность измерения только одного параметра - водности облаков.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей измерителя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном измерителе параметров облачной среды, содержащем проточную камеру с отсасывающим патрубком и датчиком температуры, подключенным к блоку обработки информации, содержатся первый и второй, подключенные к блоку обработки информации, датчики давления, проточная камера выполнена в виде стакана с насадкой на входе в виде сопла Лаваля, а отсасывающий патрубок выполнен с заборником воздуха в виде конфузора, диаметр которого меньше внутреннего диаметра проточной камеры и установлен внутри проточной камеры коак- сиально с ней, при этом первый датчик давления размещен между внутренней стенкой проточной камеры и отсасывающим патрубком, а второй датчик давления и датчик температуры размещены с наружной стороны проточной камеры. Заборник воздуха при этом установлен с возможностью перемещения вдоль продольной оси проточной камеры.

На чертеже представлен общий вид измерителя параметров облачной среды.

Измеритель содержит проточную камеру 1, выполненную в виде стакана. Камера 1 содержит на входе сопловую насадку в виде сопла Лаваля 2. Внутри проточной камеры 1

размещен заборник 3, подключенный к отсасывающему патрубку 4, связанному с откачивающим устройством 5. Заборник 3 выполнен в виде конфузора и размещен внутри камеры 1 с возможностью продоль0 ного перемещения по его оси. В данном случае перемещение заборника 3 по оси камеры 1 осуществляется за счет резьбового соединения 6 патрубка 4 с корпусом проточной камеры 1, Между корпусом

5 проточной камеры 1 и заборником 3 образована вентилируемая полость 7, внутри которой размещен датчик давления 8. Вне проточной камеры, внутри обтекателя 9, размещены датчик температуры 10 и датчик

0 давления 11. Выходы датчиков 8, 10 и 11 подключены к блоку 12 обработки информации, который подключен, в свою очередь, к регистратору 13.

При измерении водности облачной сре5 ды с помощью откачивающего устройства внутри проточной камеры 1 создается разрежение, обеспечивающее скорость истечения воздушного потока в критическом сечении сопла Лаваля 2, равное скорости

0 звука. Сопло 2 в данном случае работает в сверхзвуковом режиме. Вместе с воздушным потоком в полость проточной камеры 1 поступают капли и насыщенный водяной пар. Температура и давление воздушного

5 потока до входа в проточную камеру 1 измеряются с помощью датчика температуры 10 и датчика давления 11, защищенных от воздействия скоростного напора обтекателем 9. Воздушный поток, поступая в полость ка0 меры 1, расширяется. Давление и температура потока падают. В этих условиях происходит взрывной процесс испарения и дробления облачных капель, что приводит к некоторому увеличению температуры и дав5 ления воздушного потока внутри проточной камеры 1. Одновременно поступающий в камеру насыщенный водяной пар, в условиях пониженных давлений и температур в камере 1, переходит в состояние перенасы0 щения и, не успев сконденсироваться за время пребывания в камере ( 104 с), выбрасывается вместе с воздушным потоком наружу. В процессе измерения давления среды в камере 1 определяется с помощью

5 датчика 8, защищенного от воздействия скоростного напора заборником 3 воздуха. Сигналы от датчиков 8, 10 и 11 поступают на вход блока 12 первичной обработки, где реализуется формула для водности, получен- ная из уравнения состояния газа при

адиабатическом расширении в сопле Лава- ля,

Т0

U А Рф-Р0(1 +

Трл--5-,

-К) R

|.(D

)

где U - водность облачной среды, г/м ;

А - коэффициент;

То, Ро температура и давление воздушной среды вне полости проточной камеры 1, Па;

Рф - фактическое давление среды в проточной камере 1, Па;

Тр - расчетная температура воздушной среды в проточной камере 1 для тех же режимов истечения, но для случая, когда в воздушной среде отсутствуют облачные капли, К;

k - показатель адиабаты {R 1-4). Значение Тр определяется по формуле

Тр То-А2То(тГг{),(2)

где А-постоянный справочный коэффициент

Результаты измерений фиксируются регистратором 13.

При измерении давления водяного пара в воздушной среде, не содержащей облачные капли, создают условия, обеспечивающие конденсацию перенасыщенного пара внутри проточной камеры 1. Для этого уменьшает скоростной напор в камере, регулируя производительность откачивающего устройства 5, и создают постоянный режим истечения. Затем заборник 3 перемещают вправо, обеспечивая тем самым необходимое время пребывания перенасыщенного пара в камере 1, в течение которого пар перейдет в конденсированное состояние, т. е. преобразуется в мелкие капли на ионах, поступающих в камеру 1 вместе с воздушным потоком. Конденсация перенасыщенного пара на ионах приводит к некоторому уменьшению давления и температуры в полости камеры 1. Этот перепад давления и является мерой давления пара в воздушной среде. При измерении давления пара, сигналы от датчиков 8, 10 и 11 поступают на вход блока обработки информации 12, где реализуется формула

()

ТЕ

-Рф.

(3) где В - постоянный коэффициент;

Рн2О - давление водяного пара. Па.

Результат, полученный в блоке обработки информации, поступает на вход регистратора 13.

Если размер критического сечения сопла будет соизмерим с размерами облачных капель ( 500 мкм), то прохождение капель t через канал в критическом сечении сопла 5 будет сопровождается пульсацией давления внутри проточной камеры 1. При этом амплитуда пульсаций будет характеризовать размер облачных капель, проскакивающих через критическое сечения сопла

10 Лаваля, а число пульсаций в единицу времени, отнесенное к объему пропущенного воздуха через проточную камеру, будет характеризовать концентрацию облачных капель в воздушной среде. Амплитуда и ча15 стота пульсаций внутри проточной камеры измеряется с помощью датчика давления 8, сигнал от которого поступает на многоканальный анализатор спектра и концентрации (на чертеже анализатор не показан).

20 Конструкция измерителя параметров облачной среды позволяет повысить точность измерения и расширить функциональные возможности устройства за счет одновременного измерения парциального

25 давления пара, спектра и концентрации облачных капель.

Формула изобретения

1.Измеритель параметров облачной 30 среды, содержащий проточную камеру с отсасывающим патрубком и датчик температуры, подключенный к блоку обработки информации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения

35 функциональных возможностей за счет одновременного измерения парциального давления пара, спектра и концентрации облачных капель, он снабжен первым и вторым датчиками давления, подключенными к

40 блоку обработки информации, проточная камера выполнена в виде стакана с насадкой на входе в виде сопла Лаваля, а отсасывающий патрубок выполнен с заборником воздуха в виде конфузора. диаметр которого

45 меньше внутреннего диаметра проточной камеры и установлен внутри проточной ка- меры коаксиально ей, при этом первый датчик давления размещен между внутренней стенкой проточной камеры и отсасывающим

50 патрубком, а второй датчик давления и датчик температуры размещены с наружной стороны проточной камеры.

2.Измеритель по п, 1, отличающийся тем, что заборник воздуха установлен

55 с возможностью перемещения вдоль продольной оси проточной камеры.

Использование: для измерения водности облачной среды, парциального давления, пара и микрофизических характеристик - размера и концентрации облачных капель. Сущность изобретения: устройство содержит проточную камеру в виде стакана 1 с насадкой на входе в виде сопла Лаваля 2, отсасывающий патрубок 4 с за- борником воздуха 3 в виде конфузора, диаметр которого меньше внутреннего диаметра проточной камеры 1, первый 8 и второй 10 датчики давления и датчик температуры 11, которые подключены к блоку 12 обработки информации, отсасывающий патрубок 4 установлен внутри проточной камеры 1, коаксиально с ней, с возможностью перемещения вдоль ее продольной оси. Первый датчик давления 8 размещен между внутренней стенкой проточной камеры 1 и отсасывающим патрубком 4, а второй датчик давления 10 и датчик температуры 11 размещены с наружной стороны проточной камеры 1. 1 ил. (Л с