Установка для калибровки авиационного флуоресцентного гигрометра

Полезная модель относится к области метеорологии, а именно к устройствам калибровки и поверки гигрометров, предназначенных для измерения малых влажностей воздуха, начиная от десятых долей ppmv.
Известно «Устройство для калибровки и поверки гигрометров» [2245565, C1, G01W 1/18, 27.01.2005], содержащее измерители температуры и давления, жидкостный термостат, в который помещен насытитель, систему термостатирования, включающую в себя теплообменник, терморегулятор и два электрических устройства подачи хладагента, отличающееся тем, что система термостатирования дополнительно включает пневматическое устройство подачи хладагента, выход которого соединен с выходом электрического устройства подачи хладагента.
Недостатком данного устройства является невысокая точность расчета воспроизводимой влажности газовой смеси на выходе генератора.
Наиболее близкой к заявляемой является «Установка для калибровки стратосферного флуоресцентного Лайман альфа гигрометра FISH» [Two decades of water vapor measurements with the FISH fluorescence hygrometer: a review J. Meyer, C. Rolf, C. Schiller, S. Rohs, N. Spelten, A. Afchine, M. Zöger, N. Sitnikov, T.D. Thornberry, A.W. Rollins, Z. Bozóki, D. Tatrai, V. Ebert, B. Ktihnreich, P. Mackrodt, O. Mohler, H. Saathoff, К.H. Rosenlof, and M. Kramer Atmos. Chem. Phys., 15, 8521-8538, 30.07.2015 www.atmos-chemphys.net/15/8521/2015/], содержащая источник сухого воздуха, в качестве которого используется баллон со сжатым сухим воздухом, и увлажнитель воздуха, выходы баллона с сухим воздухом и увлажнителя воздуха через регуляторы расходов воздуха соединены со входом смесителя сухого и увлажненного воздуха, который представляет собой патрубок длиной около 2 м, с выходом смесителя соединены входы воздушных трактов образцового и калибруемого гигрометров.
Недостатком этой установки является ее большой объем и вес, так как при использовании баллона со сжатым воздухом в качестве источника сухого воздуха требуется расходуемый запас баллонов с воздухом общим весом в сотни килограмм, а за счет необходимости предварительной просушки воздушных трактов установки ограничивается время летных работ.
Техническим результатом является уменьшение ее объема и веса и увеличение времени летных работ.
Технический результат достигается тем, что в установке для калибровки авиационного флуоресцентного гигрометра, содержащей источник сухого воздуха, увлажнитель воздуха, регуляторы расходов воздуха, смеситель сухого и увлажненного воздуха, калибруемый гигрометр и образцовый гигрометр, дополнительно в качестве источника сухого воздуха используется осушитель атмосферного воздуха сорбционного типа, помещенный в морозильную камеру, а также введены компьютер и воздушный насос, выходы источника сухого воздуха и увлажнителя воздуха соответственно через первый и второй регуляторы расходов воздуха соединены с входом смесителя сухого и увлажненного воздуха, выход которого соединен с входами воздушных трактов образцового и калибруемого гигрометров, выходы сигналов со значениями влажностей из калибруемого гигрометра и образцового гигрометра соединены с входом компьютера, образцовый гигрометр через третий регулятор расходов воздуха соединен с воздушным насосом.
На Фиг. 1 схема установки.
«Установка для калибровки авиационного флуоресцентного гигрометра» содержит источник сухого воздуха 1, выполненный в виде осушителя атмосферного воздуха сорбционного типа 2, помещенного в морозильную камеру 3 с температурой около 20°С, и увлажнитель воздуха 4, в котором находится вода, три регуляторы расходов воздуха 5, 6 и 7, смеситель сухого и увлажненного воздуха 8, калибруемый гигрометр 9, образцовый гигрометр 10, компьютер 11 и воздушный насос 12.
Установка для калибровки авиационного флуоресцентного гигрометра (Фиг. 1) содержит источник сухого воздуха 1, выполнений в виде осушителя атмосферного воздуха сорбционного типа 2, помещенного в морозильную камеру 3 и увлажнитель воздуха 4, в котором находится вода, три регуляторы расходов воздуха 5, 6 и 7, смеситель сухого и увлажненного воздуха 8, калибруемый гигрометр 9, образцовый гигрометр 10, компьютер 11 и воздушный насос 12, выходы источника сухого воздуха 1 и увлажнителя воздуха 4 соответственно через первый 5 и второй 6 регуляторы расходов воздуха соединены с входом смесителя сухого и увлажненного воздуха 8, выход которого соединен с входами воздушных трактов образцового 10 и калибруемого гигрометров 9, выходы сигналов со значениями влажностей из калибруемого гигрометра 9 и образцового гигрометра 10 соединены с входом компьютера, образцовый гигрометр 10 через третий регулятор расходов воздуха 7 соединен с воздушным насосом 12.
Установка работает следующим образом.
Работа установки основана на принципе смешивания в нужном соотношении сухого и влажного воздуха для формирования проб воздуха со значениями влажности, которые измеряются образцовым и калибруемым гигрометрами для выполнения калибровки или поверки методом сравнения. Источник сухого воздуха 1 выполнен в виде осушителя атмосферного воздуха сорбционного типа 2, помещенного в морозильную камеру 3 с температурой охлаждения около -20°С, при этом исходным для осушителя является осушенный до точки инея около -20°С атмосферный воздух из морозильной камеры, связанной с атмосферой. Увлажнитель воздуха 4 представляет собой емкость, частично заполненную водой, над которой проходит атмосферный воздух, увлажняясь при этом до 100% насыщения. Выходы источника сухого воздуха и увлажнителя через первый 5 и второй 6 регуляторы расходов соединены со смесителем сухого и влажного воздуха 8, который представляет собой отрезок патрубка длиной около 2 м. К выходу смесителя 8 подсоединены вход воздушного тракта калибруемого флуоресцентного гигрометра 9 и вход воздушного тракта образцового гигрометра 10, включающего в себя третий регулятор расхода 7 и воздушный насос 12. Сигналы со значениями влажностей из калибруемого гигрометра 9 и образцового гигрометра 10 поступают в компьютер 11 для регистрации и обработки данных.
Заявляемая установка для калибровки авиационного флуоресцентного гигрометра собрана из элементов серийного производства за исключением сорбционной части осушителя воздуха 2 и увлажнителя воздуха 4. Положительный результат достигается применением в установке в качестве источника сухого воздуха осушителя атмосферного воздуха сорбционного типа 2, помещенного в мобильную морозильную камеру 3 типа WAECO CFX35 с охлаждением до температуры минус 20°С. Для эффективного охлаждения осушителя внутри морозильной камеры 3 и у вентиляционной решетки радиатора холодильника установлены электрические вентиляторы, которые питаются от USB-разъема самой мобильной морозильной камеры. Осушитель сорбционного типа 2 выполнен в виде емкости объемом 1,2 л, заполненной цеолитом, например, марки КА, ТУ 2163-003-21879372-11, производитель НЕМСО или марки НС КА-У- (улучшенный) - (3А), https://www.kntgroup.ru/ru/production/adsorbentyi/molecular_sieve_3a.
Для компактного вертикального расположения емкости осушителя в морозильной камере 3 она изготовлена из двух отрезков алюминиевых труб длиной 260 мм, диаметром 60 мм, толщиной стенки 3 мм. Отрезки труб расположены параллельно друг другу и герметично закрыты с торцов с использованием винтовых разъемных соединений (для заправки цеолитом) через силиконовые уплотнительные кольца двумя спаренными заглушками. В верхней заглушке имеется воздушный канал для связи обеих полостей труб. В нижней заглушке соосно с трубами ввинчены два уголковых обжимных фитинга Swagelok SS-200-2-4(RT). Через один фитинг в осушитель поступает осушенный в морозильной камере до точки инея около -20°С атмосферный воздух, поступающий через дренажное отверстие в дне морозильной камеры. В осушителе 2 по пути длиной 520 мм воздух в охлажденном цеолите дополнительно снижает свою влажность примерно до 0,3 ppmv и выходит через другой фитинг в закрепленный в нем патрубок проходящий через имеющееся в дне морозильной камеры 3 дренажное отверстие и соединяющийся через первый регулятор расхода 5 (EV 016 DOS АВ, Leybold Vacuum) со входом смесителя 8, который выполнен из патрубка длиной около 2 м. К входу смесителя 8 также через отдельный второй регулятор расхода 6 подсоединен увлажнитель воздуха 4, который представляет собой емкость, частично заполненную водой, над которой проходит атмосферный воздух, увлажняясь при этом до 100% насыщения. После смесителя воздух разветвляется в тракт образцового гигрометра 10 (MBW-373LX), включающий в себя третий регулятор расхода 7 и воздушный насос 12 (Vacuubrand, MD 1 VARIO -SP), и в тракт калибруемого самолетного флуоресцентного гигрометра 9, который содержит собственный насос и регулятор (на фиг. 1 не показаны). Для минимизации сорбционных искажений влажностей формируемых проб воздуха все элементы и воздушные соединения тракта калибровочной установки кроме осушителя изготовлены из нержавеющей стали с электрохимической полировкой внутренних поверхностей. Соединения выполнены патрубками Dockweiler Ultron, 316L, Ra 0,25 минимальных длин и диаметром 1/8" с применением фитингов производства компании Swagelok серии SS. Равенство сравниваемых при калибровке малых значений влажностей формируемых проб воздуха (например, около 1 ppmv) на входах калибруемого и образцового гигрометров обеспечено равенством сорбционных характеристик участков воздушных трактов от выхода смесителя воздуха 8 до входов этих гигрометров, а также равенством расходов воздуха через сравниваемые гигрометры. Перечисленные меры, снизили сорбционные искажения малых значений влажности в предложенной установке до пренебрежимо малых значений. Сверка подключенных к установке двух одинаковых образцовых конденсационных гигрометров MBW-373LX после просушки в течение одного часа их воздушных трактов дала расхождение их показаний в 21-й точке в областях значений влажности 1ppmv, 2ppmv, 76ppmv, 139ppmv, 217ppmv, 327ppmv, 451ppmv в пределах заявленной точности этих гигрометров, т.е. при точности измерения температуры конденсации +/- 0,1°С получена разность температур конденсации менее 0,18°С, а среднее значение разности составило 0,06°С.
Заявляемая калибровочная установка используется следующим образом. Гигрометр FLASH-A просушивается и калибруется после каждого полета с применением калибровочной установки. Перед каждым полетом гигрометр FLASH-A только просушивается сухим воздухом от калибровочной установки, его измерительная камера заполняется сухим воздухом до атмосферного давления, воздухозаборный патрубок гигрометра герметично закрывается затвором во избежание чрезмерного увлажнения измерительного тракта гигрометра в нижних влажных слоях атмосферы и автоматически открывается или закрывается по заданному уровню сигнала от датчика баровысоты.
3
3
2
-7
2
2
Перед выполнением калибровочных работ аспирационные тракты калибруемого и образцового гигрометров, а также тракт калибровочной установки просушиваются. Для этого полностью закрывается регулятор расхода для влажного воздуха 6 и полностью открывается регулятор расхода для сухого воздуха 5. Включаются вакуумные насосы обоих гигрометров. Осушенный до точки инея -20°С воздух, находящийся в морозильной камере 3 снижает свою влажность в охлажденном также до -20°С цеолитовом осушителе 2 до десятых долей ppmv. Опыт показывает, что при использовании цеолита (марки КА, ТУ 2163-003-21879372-11, производитель НЕМСО НС) вся система просушивается до уровня 1 +/- 0,5 ppmv за полчаса и до 0,3 ppmv за 2 часа. Контроль степени просушки осуществляется по показаниям образцового гигрометра 10. Поскольку в воздушном тракте калибровочного гигрометра FLASH-A 9 установлен фиксированный расход воздуха 960 см/мин, регулятором расхода воздуха 7 в тракте образцового гигрометра 10 устанавливается расход воздуха также 960 см/мин. Экспериментально определено, что при таком соотношении расходов в камерах образцового и калибруемого гигрометров вклад сорбционной погрешности в общую погрешность калибровки составляет 0,9%. По завершению просушки в течение нескольких минут компьютер 11 регистрирует показания обоих гигрометров с одновременным графическим отображением диаграмм влажностей. Отсутствие тренда диаграмм влажности свидетельствует о качестве просушки и полученных отсчетов для точки с низким уровнем влажности (0,3-1,5 ppmv). Далее открывается регулятор расхода воздуха 6 увлажнителя воздуха 4, так чтобы установилось значение влажности в районе 500 ppmv, и регистрируются установившиеся показания для этого уровня влажности. По двум полученным областям влажности рассчитывается калибровочная характеристика гигрометра и находится ее линейное выражение в виде μ=k⋅I-b, где μ - влажность воздуха в единицах ppmv, k - калибровочный коэффициент, его размерность ppmv/счет, I - счетный сигнал флуоресценции в единицах счет, b - второй калибровочный коэффициент, характеризующий интенсивность остаточного рассеянного фонового излучения лампы гмгрометра в области спектра флуоресценции молекул воды, и остаточную десорбцию воды со стенок измерительной флуоресцентной камеры, его размерность - ppmv. Типичным калибровочным выражением гигрометра FLASH-A в течение 2-х месяцев выполнения измерений со стратосферного самолета М-55 «Геофизика» было μ=0,032⋅I-14,62. При необходимости измерять большие значения влажности, для которых из-за предпоглощения ВУФ-излучения молекулами самой воды нарушается линейность калибровочной характеристики гигрометра, калибровку следует производить по множеству значений влажности с дискретностью порядка 500 ppmv. Например, получено калибровочное выражение до значений влажности 7500 ppmv по 16-и точкам с малым отклонением от линейности, судя по коэффициенту при I: μ=2⋅10⋅I+0,0379⋅I-10,71, R=0,9998.
Таким образом, установка для калибровки авиационного флуоресцентного гигрометра обеспечивает уменьшение ее объема и веса и увеличение времени летных работ.