Способ измерения водности облаков и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к гидрометеорологии, в частности к измерению содержа- ния сконденсированной фазы воды в облаках и туманах, и может быть использовано в других областях народного хозяйства для измерения массы сконденсированной жидкости в газовой среде.

Известен поточный измеритель водности облаков и туманов, включающий измерительный нагреватель, установленный в коническом углублении на торце цилиндра навстречу набегающему воздушному потоку и опорный нагреватель, установленный заподлицо на боковой поверхности цилиндра. Облачные капли, попавшие на измерительный нагреватель, испаряются и понижают его температуру. Измерение водности осуществляется сравнением температур измерительного и опорного нагревателей.

В данном решении имеется тепловое взаимодействие измерительного и опорного нагревателей из-за их последовательного расположения относительно воздушного

потока. Турбулентные движения воздуха в облаке обдувают боковую поверхность опорного нагревателя и снижают точность измерения водности. При больших значениях водности крупные капли выбрасываются воздушным потоком из конусного углубления на торце цилиндра, что также снижает точность измерений. Измерительный нагреватель обдувается встречным потоком воздуха, что требует значительных затрат электроэнергии на поддержание его температуры.

Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является измеритель водности двухфазных туманов, работающий по калориметрическому способу: улавливании капель на уста- новленный в потоке нагреватель, их испарении и сравнении температуры измерительного и опорного нагревателей. Измеритель содержит воздухопровод с двумя последовательно расположенными камерами, в которых установлены перпендикулярЁ

VJ 00

ел ел

но воздушному потоку плоские нагреватели. Сравнение температур обеих камер производится с помощью термопар.

Это техническое решение имеет следующие недостатки: измерение водности вызывает противофазное изменение температуры воздуха в первой камере, что влечет за собой изменение температуры опорного нагревателя; при большой водности крупные капли сдуваются воздушным потоком с измерительного нагревателя и попадают наг опорный нагреватель, внося искажения в результат измерения; измерительный и опорный нагреватели находятся в воздушном потоке и потому для поддержания этих рабочих температур требуются большие затраты электроэнергии.

Целью изобретения является повышение точности измерений и снижение энергетических затрат.

Указанная цель достигается тем, что облачные капли выделяют из облачной среды и производят их испарение вне воздушного потока. Капли улавливаются на боковую поверхность конуса-подложки и по инерции стекают к его основанию с нагревателем, а воздух просачивается через перфорированные стенки воздуховода, в котором находится конус - подложка.

Поставленная цель достигается также тем, что измеритель содержит обтекаемый кожух с впускным и выпускными отверстиями; в кожухе установлен воздухопровод в виде трубы с перфорированными стенками, в торце которого установлена улавливающая подложка в форме конуса вершиной навстречу потока облачной среды; измерительный нагреватель установлен на наружной поверхности воздухопровода в области расположения основания конуса-подложки и снабжен экраном, а опорный нагреватель установлен в начале перфорированного участка воздухопровода.

Сравнение предлагаемых технических решений с прототипом показало, что заявляемый способ отличается сепарацией облачной среды на капли - воздух с испарением воды без непосредственного обдува нагревателей воздушным потоком; заявляемое устройство отличается формой воздухопровода: закрытым выходным отверстием и наличием перфорированного участка стенок; формой подложки для улавливания облачных капель; расположением измерительного и опорного нагревателей на противоположных концах перфорированного участка воздухопровода, т.е. параллельно относительно.«воздушного потока; установкой нагревательной не в потоке, а на его периферии Все это указывает на соответствие заявляемых решений критерию новизна.

Анализ известных технических решений показывает, что улавливание капель из

воздушного потока на подложку известно. Во всех случаях улавливающая подложка (если она неподвижна) непосредственно обдувается воздушным потоком, который срывает часть воды с подложки при

0 значительном ее накоплении в условиях больших значений водности, а обдуваемые нагреватели затрачивают большое количество электроэнергии на компенсацию тепла, снимаемого обдувом. В заявляемом

5 решении улавливающая подложка и нагреватели вынесены на периферию воздушного потока, что устраняет негативные последствия их прямого контакта. Конусная форма улавливающей подложки способст0 вует быстрой доставке уловленной воды к нагревателю, что снижает инерционность и повышает точность измерений. Установка измерительного и опорного нагревателей параллельно относительно воздушного по5 тока устраняет их взаимное влияние друг на друга. Таким образом, указанные отличия заявляемых технических решений можно считать существенными.

Предлагаемый способ измерения вод0 ности облаков осуществлен в устройстве, схематически показанном на чертеже. Оно содержит воздухопровод 1 с заборным патрубком 2 и перфорированным участком 3, конус-подложку 4, измерительный 5 и опор5 ный 6 нагреватели, экран 7, обтекаемый кожух 8 с выпускными патрубками 9, трубчатый кронштейн 10.

Устройство работает следующим образом. Облачная среда поступает в воздухо0 провод 1 через заборный патрубок 2. В области перфорированного участка 3 через множество дренажных отверстий воздух выводится из воздухопровода 1, а водяные капли по инерции доходят до конуса - под5 ложки 4, улавливаются им и рассекаются к нагревателю 5. проходят через дренажные отверстия в конце перфорированного участка 3. На нагревателе 5 вода испаряется, что приводит к понижению его температуры,

0 Измерение водности производится сравнением температур измерительного 5 и опорного нагревателя б, на который вода не попадает. Просочившись через дренажные отверстия перфорированного участка 3 воз5 дух проходит по кольцевому пространству между воздухопроводом 1, экраном 7 и обтекаемым кожухом 8 и через выпускные отверстия 9 выходят наружу. Кронштейн 10 служит для крепления всего устройства на летательном аппарате.

Перфорированный участок 3 воздухопровода 1 выполнен из мелкоячеистой (20 мкм) сетки для обеспечения большой пористости и высокого коэффициента захвата мелких капель при малой скорости воздуш- ного потока. Мелкие облачные капли, осевшие на сетчатой стенке воздухопровода сливаются и под действием тангенциальной составляющей воздушного потока и поверхностного натяжения переносится вниз по потоку, достигают измерительно) нагревателя и, испаряясь, понижают его температуру, производя, таким образом, вклад в значение измеряемой водности. Измерительный и опорный нагреватели установле- ны не в потоке, а на его периферии в области перемешивания струи с покоящимся воздухом подкожухного пространства, так что интенсивность съема тепла с нагревателя не происходит, экран 7 предохраняет нагрева- тель 5 от обдува турбулентными потоками, в то же время вариации внешней температуры учитываются. Измерительный и опорный нагреватели установлены на противоположных концах перфорирован- ного участка 3 воздухопровода 1 для исключения из взаимного влияния друг на друга. Кожух 8 предохраняет нагреватели 5 и 6 от воздействия боковых движений воздуха в облаке.

6 единице рб.ъема облачной среды масса воды Приблизительно в 1000 раз меньше масс ь tвоздуха, поэтому полезные затраты энергШ На нагрев и испарение воды составляют значительную часть от общих за- трат. Устранение прямого обдува

нагревателей приводит к значительной (более 80%) экономии электроэнергии, что позволяет более точно производить измерение водности и сделать прибор переносным с автономным блоком питания. Формула изобретения

1.Способ измерения водности облаков, при котором улавливают облачные капли на подложку и испаряют их, измеряют температуры опорного и измерительного нагревателей и сравнивают их, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и снижения энергетических затрат, производят выделение облачных капель из воздушной среды и затем осуществляют их испарение вне воздушного потока.

2.Устройство для измерения водности облаков, содержащее воздухопровод с заборным и выходным патрубками, опорным и измерительным нагревателями и подложку, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и снижения энергетических затрат, в него введены кожух с входным и выходным патрубками и держатель, воздухопровод выполнен с перфорированным участком и обтекаемым экраном на выходном патрубке, подложка выполнена в виде конуса, обращенного вершиной к входному патрубку воздухопровода, и установлена между обтекаемым экраном и держателем, измерительный нагреватель установлен на наружной поверхности подложки, опорный нагреватель установлен на наружной стороне в начале перфорированного участка воздухопровода, а воздухопровод установлен в кожухе с зазором.

Использование: в области метеорологии и в других областях народного хозяйства для измерения массы сконденсированной в воздухе воды Сущность изобретения: отделяют капли воды от воздушного потока, испаряют воду без обдува воздухом измерительного нагревателя. Устройство содержит воздуховод с перфорированными стенками, выходное отверстие его закрыто улавливающей конусом-подложкой, а нагреватель установлен снаружи воздуховода позади экрана, причем, измерительный и опорный нагреватели установлены на периферии воздушного потока с противоположных его сторон. Указанные отличительные признаки повышают точность измерений и снижают энергетические затраты 2 с п ф- лы, 1 ил

7 5