Устройство для отбора проб атмосферного воздуха с самолета

Полезная модель относится к области метеорологии, а именно к устройствам получения образцов воздуха для определения влажности и может применяться при отборе проб воздуха на борт летательного аппарата для последующего исследования в газоанализаторе.
В настоящее время в условиях метеорологических исследований параметров атмосферного воздуха стоит проблема измерений малых концентраций водяного пара (от 1 до 2000 ppm) с достаточной точностью при помощи прибора, установленного на самолете. В условиях низких температур на высотах от 7 до 20 км состав проб атмосферного воздуха, проходящего через входной воздухозаборный патрубок, претерпевает ряд изменений, повышающих погрешность измерений. Существенную ошибку в измерения вносит наличие влаги, адсорбированной стенками прибора.
1) Известны Inlet Systems, установленные на исследовательском самолете HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft). Самолет HALO представляет собой исследовательскую платформу, способную подниматься на высоту 15,5 км и преодолевать расстояние 8 тыс.км, и предназначен для изучения климата Земли. Стандартная Inlet System (HALO -TGI) для самолета HALO разработана Германским аэрокосмическим центром Л A Oberpaffenhofen (DLR- FF). Конструкция представляет собой различные конфигурации труб, образующих впускную структуру труб и воздуховодов. Система Inlet System построена по модульному принципу и предназначена для взятия проб атмосферного воздуха.
2) Известны CVI-Inlet Systems, установленные на исследовательских самолетах. Различные виды противоточных CVI-Inlet Systems ударного типа предназначены для аэрозольных измерений атмосферного воздуха. Одна система, используемая на Partenavia Р68 D- GERY, разработана Институтом тропосферных исследований (Лейпциг). Вся система размещена в расходомерной трубке, установленной на самолете. Другая CVI-Inlet System была разработана для исследовательского самолета ATR42 Национальным центром La Recherche научных исследований (Франция). (Marple, V.A., K. Willeke, 1976: Inertial impactors: Theory, design and use, in Benjamin Y.H. Liu (ed.), Fine particles - aerosol generation, measurement, sampling, and analysis, Academic Press, 411-445).
Недостатком приведенных выше устройств забора проб атмосферного воздуха является следующее. Зона воздушного потока на входном участке (кончике) в условиях низких температур при динамических нагрузках полета самолета является критической за счет наличия частиц льда и переохлажденного водяного пара. Наличие данных компонентов в образце воздуха искажает результаты измерений малых концентраций водяного пара. Наличие подогрева устройства в условиях обледенения является несомненным достоинством конструкции. Однако наличие отдельных источников питания для функционирования электрической (электронной) части усложняет систему в целом.
3) Известно устройство для отбора проб воздуха с газообразными примесями с борта самолета (патент РФ №2627414 С2, выданный 08.08.2017 г.), представляющее собой изокинетический пробоотборник, содержащий систему воздуховодов для отбора проб воздуха, которая включает входные воздухозаборные патрубки, представляющие собой по меньшей мере две трубы различного диаметра, согнутые под углом 90 градусов, и по меньшей мере два вытяжных патрубка.
Недостатками данного устройства являются конструктивные особенности устройства, обеспечивающих условия отбора проб атмосферных аэрозолей, и невозможность использования его для измерений малых концентраций водяного пара на самолете.
4) Наиболее близким по технической сущности является устройство для отбора проб атмосферного воздуха с самолета (авторское свидетельство №966539, выданное 15.10.1982 г. ), содержащее входной воздухозаборный патрубок, состоящий из входной магистрали в виде воздухозаборного патрубка в форме трубки и термостатируемое пневмосопротивление, установленное на входе чувствительного элемента.
Недостатком известного устройства является низкое качество пробы воздуха, обусловленное тем, что при полетах в условиях низких температур (до минус 80°С) на высотах от 7 до 10 км состав проб атмосферного воздуха происходит образование конденсата в воздухозаборном патрубке переохлажденного водяного пара, что снижает точность измерений. При этом попадающие из набегающего потока воздуха частички льда значительно ухудшает условия работы газоанализатора. Недостатком устройства является низкая точность измерений.
Задачей является создание технического решения для отбора проб атмосферного воздуха с самолета для измерения влажности с достаточной точностью.
Технический результат - повышение качества и точности анализа атмосферного воздуха путем уменьшения погрешности измерений.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для отбора проб атмосферного воздуха с самолета, включающем входной воздухозаборный патрубок забора проб воздуха из атмосферы в виде трубки, согласно полезной модели, входной воздухозаборный патрубок выполнен из двух коаксиально соединенных трубок 1, 3, приваренных между собой по внешним кромкам 4, 5, причем внешняя трубка 1 диаметром 6-15 мм и внутренняя трубка 3 диаметром 2,0-4,5 мм выполнены из электропроводящего материала, причем трубки 1, 3 электрически соединены с источником тока 6, а между трубками проложена изолирующая стеклоткань 2, при этом внутренняя поверхность трубки 3 выполнена с шероховатостью поверхности Rz в диапазоне от 0,250 до 0,160 мкм.
Причем в качестве электропроводящего материала использована сталь.
Причем в качестве источника тока используют источник переменного тока, а что трубки 1, 2 электрически соединены с источником переменного тока 7 внутренними концами.
В предлагаемом устройстве все элементы находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи, конструктивно объединенные в едином корпусе.
В известном уровне техники отсутствуют сведения, в которых раскрыта вся совокупность признаков относительно предложенного устройства; приведенная в формуле предлагаемой полезной модели.
Совокупность известных и новых признаков позволяет получить более высокий технический результат по сравнению с известными техническими решениями, т.е. происходит повышение достоверности и чувствительности измерений за счет следующего.
Взаимное расположение в входном воздухозаборном патрубке двух коаксиально соединенных трубок 1 и 3, приваренных между собой по внешним кромкам 6 и 7, соединенных с источником питания, позволяет образовать электрическую цепь.
Выполнение трубок 1 и 3 из электропроводящего материала при пропускании электрического тока через них производит их резистивный нагрев, что обеспечивает подогрев поступающего воздуха.
Наличие стеклоткани между трубками и соединение их между собой по внешним кромкам 6, 7 при помощи сварки обеспечивает тепловую изоляцию, что позволяет стабилизировать температуру поверхности внутренней трубки 3, и, соответственно, температуру измеряемой пробы воздуха при низких отрицательных температурах атмосферного воздуха.
Резистивный нагрев всей длины воздухозаборного патрубка, начиная от внешних кромок 6 и 7, исключает возможность образования конденсата на их поверхности.
z
Соединение внешних кромок 6 и 7 посредством сварки и выполнение внутренней поверхности трубки 3 с шероховатостью R в диапазоне от 0,250 до 0,160 мкм устраняет возможные области образования конденсации влаги.
Минимизация сечения воздухозаборного патрубка (диаметров трубок 1 и 3) повышает быстродействия газоанализатора (флуоресцентного гигрометра) при сохранении его теплофизических и прочностных характеристик.
Это позволяет обеспечить стабилизацию температуры внутри воздухозаборного патрубка и прибора в целом, от которой зависит интенсивность флоуресценции гигрометра. В результате чего повышается качество и точность анализа атмосферного воздуха при измерении малых концентраций водяного пара в условиях атмосферного переохлажденного водяного пара.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлено устройство для отбора проб атмосферного воздуха.
На фиг. 2 представлено устройство для отбора проб атмосферного воздуха в системе аппаратуры, установленной на самолете (сборочный чертеж).
Устройство для отбора проб атмосферного воздуха с самолета (фиг. 1) включает: внешнюю трубку 1 входного воздухозаборного патрубка, внутреннюю трубку 3 входного воздухозаборного патрубка, изолирующую стеклоткань 2, внешнюю кромку 4 внешней трубки 1, внешнюю кромку 5 внутренней трубки 3, источник тока 7.
Устройство для отбора проб атмосферного воздуха выполнено в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи отдельных элементов, размещенных в корпусе 6.
Техническая сущность устройства состоит также в следующем.
Входной воздухозаборный патрубок забора проб воздуха из атмосферы (фиг. 1), размещенный в корпусе 6, выполнен из двух коаксиально соединенных трубок - внешней трубки 1 и внутренней трубки 3. Трубки 1, 3 приварены между собой по внешним кромкам 4 и 5. Трубки закреплены в корпусе 6. Трубки 1, 3 выполнены из электропроводящего материала. В качестве электропроводящего материала использована сталь 316L. Трубки 1, 3 электрически соединены с источником тока 7 (фиг. 2). В качестве источника тока 7 использован источник переменного тока. Между трубками проложена изолирующая стеклоткань 2.
z
Диаметр внешней трубки 1 находится в диапазоне от 5,0 до 15,0 мм, а диаметр трубки 3 находится в диапазоне от 2,5 до 4,5 мм. Внутренняя поверхность трубки 3 выполнена с шероховатостью R в диапазоне равном 0,250-0,160 мкм.
При этом трубки 1,3 соединены с источником переменного тока 7 через согласующий силовой трансформатор 8. Источник тока 7 соединен через широтно-импульсный регулятор 9 с датчиком температуры 10 проб воздуха, помещенным в камеру 11 из электроизоляционного материала, пневматически соединенную с выходом трубки 3.
При этом входной воздухозаборный патрубок забора проб воздуха из атмосферы соединен через камеру 11 и магистраль с флуоресцентным гигрометром (на чертеже не показан).
Устройство работает следующим образом.
Перед полетом самолета, воздушный тракт забора проб воздуха устройства для отбора проб атмосферного воздуха просушивают путем нагревания до плюс 50°С, вакуумируют вакуумным насосом гигрометра (газоанализатора), прокачивают воздух при атмосферном давлении через силикагелевый осушитель. Далее воздушный тракт забора проб воздуха заполняют воздухом до атмосферного давления, поступающим через силикагелевый осушитель, и герметизируется.
Устройство для отбора проб атмосферного воздуха устанавливают на внешней стороне фюзеляжа самолета в зоне, где отсутствует возмущение воздушного потока элементами конструкции самолета.
Поднимается самолет-лаборатория ЯК-42Д с установленной на нем устройством для отбора проб атмосферного воздуха и аппаратурой на высоту до 9 км. Отбор проб воздуха с борта самолета для последующего его анализа осуществляется при полете самолета на всем участке траектории полета.
Для исключения попадания влаги в устройство для отбора проб атмосферного воздуха в нижних слоях атмосферы с повышенной влажностью входной воздухозаборный патрубок автоматически открывается только на заданной высоте посредством срабатывания датчика высоты ASCX-15AN.
Поток анализируемого воздуха поступает во внутреннюю трубку 3 входного воздухозаборного патрубка и через соединительную магистраль в чувствительный элемент флуоресцентного гигрометра (газоанализатора) (на чертежах не показан).
При этом на заданной высоте от источника питания 7 через согласующий силовой трансформатор 8, подается напряжение в электрическую цепь, образованную внутренней трубкой 3, внешней трубкой 1 (фиг. 2). По электрической цепи протекает электрический ток.
Прохождение электрического тока через трубки 1 и 3 производит ее резистивный нагрев по всей длине, и, соответственно, происходит подогрев воздуха, поступающего во входной воздухозаборный патрубок. Частицы льда превращаются в водяной пар и испаряются. Внутренняя трубка 3, покрытая для электрической изоляции стеклотканью 2, выполняет роль резистивного нагревательного элемента, поддерживающего температуру поступающих проб воздуха на заданном уровне - плюс 70°С. Внешняя трубка 1 также нагревается проходящим по ней током. Это исключает возможность образования на ее внешней поверхности конденсата в условиях переохлажденного атмосферного водяного пара.
Источник тока 7 имеет максимальную мощность 30 Вт из условия обеспечения нагрева проб атмосферного воздуха от минус 80°С до плюс 70°С. Стабилизация температуры проб воздуха осуществляется путем управления напряжением источника тока 7 от широтно-импульсного регулятора 9, связанного с датчиком температуры 10 проб воздуха.
Пример конкретного выполнения.
Устройство для отбора проб атмосферного воздуха с целью измерения его влажности используют на самолете-лаборатории ЯК-42Д. Высота полета - до 9 км.
z
В качестве газоанализатора используют флуоресцентный гигрометр (не показан). Данный тип гигрометра предназначен для измерений малых концентраций водяного пара от 1 до 2000 ppmv. Для минимизации накопления влаги в аспирационном тракте гигрометра, в том числе для исключения попадания влаги в соединения, элементы устройства для отбора проб атмосферного воздуха выполнены из нержавеющей стали с электрохимической полировкой внутренней поверхности с R в диапазоне равном 0,250-0,160 мкм.
Перед полетом входной воздухозаборный патрубок забора проб воздуха устройства для отбора проб атмосферного воздуха просушивался в течение 2-х часов путем нагревания до 50°С, производилось вакуумирование до 50 гПа собственным вакуумным насосом флуоресцентного гигрометра путем прокачки воздуха через силикагелевый осушитель. Далее воздушный тракт забора проб воздуха заполнялся до атмосферного давления воздухом, поступающим через силикагелевый осушитель, и герметично закрывался.
На самолете использовался встроенный датчик высоты ASCX-15AN. Заданная высота включения источника питания 7 составляла 4 км, на которой открывается вход воздухозаборного патрубка.
Входной воздухозаборный патрубок забора проб воздуха (фиг. 1) выполнен из двух коаксиально установленных трубок 1, 3 из нержавеющей стали 316L диаметром 6,35 мм (толщина стенки 0,89 мм) и диаметром 3 мм (толщина стенки 0,5 мм) соответственно.
Трубки по внешней кромке 4 и 5 соединены герметичной лазерной сваркой и по всей длине изолированы друг от друга стеклотканью 2.
В качестве источника питания использовался источник переменного тока 7 мощностью 30 Вт (фиг. 2).
Общее сопротивление электрической цепи 0,26 Ом (при температуре плюс 24°С), образованной сваренными трубками 1,3.
Трубки 1, 3 соединены с источником переменного тока 7 через согласующий силовой трансформатор 8. С целью оптимизации КПД путем сокращения электрических связей трансформатор 8 выполнен на основе кольцевого ферритового сердечника и расположен соосно с трубками 1, 3.
Электрический ток пропускался через трубки 1 и 3 от источника тока 7, управляемого широтно-импульсным регулятором, связанным с датчиком температуры 10 (микросхема DS600). При этом температура проб воздуха стабилизируется на уровне плюс 70°С.
Датчик температуры 10, помещен в камеру 11, соединенную с выходом трубки 3. Причем с целью электрической изоляции трубки 3 камера 11 выполнена из электроизоляционного материала.
Входной воздухозаборный патрубок соединен через соединительную магистраль с измерительным блоком флуоресцентного гигрометра. Входной воздухозаборный патрубок нагревался проходящим по нему электрическим током, поддерживая температуру поступающих проб воздуха на заданном уровне - плюс 70°С. Такая температура исключает возможность образования конденсата во входном воздухозаборном патрубке в условиях переохлажденного (минус 80°С) водяного пара атмосферы.
Производились измерения влажности воздуха на высотах от 4 до 10 км от уровня Земли в условиях изменения температуры атмосферы от плюс 15°С до минус 57°С.
Полет был выполнен на самолете-лаборатории ЯК-42Д и получены следующие результаты измерений влажности атмосферного воздуха (таблица):
Результаты измерений влажности атмосферного воздуха
Отмечена стабильность измерений флуоресцентного гигрометра с точностью измерений отношения смеси водяной пар/воздух 10%.
Технический результат подтверждается "Актом государственных испытаний опытного образца устройства, разработанного ФГБУ "ЦАО" и прошедшего предварительные испытания, утвержденным 10.02.2018 г.
Полезная модель также может быть использована для метеорологических исследований параметров атмосферного воздуха при помощи самолета М-55 (высота полета 21,550 км).
Для изготовления устройства использованы известные в настоящее время технические средства, что подтверждает соответствие полезной модели критерию «промышленная применимость».