ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЙ ЗОНД

Термоанемометрический зонд предназначен для использования в составе устройства для определения скорости и направления воздушного потока, например, ветра. Он может быть применен как на борту воздушного судна, так и в составе метеорологических станций или в составе измерительного оборудования.
Проблема определения скорости и направления воздушного потока малой интенсивности на сегодняшний день весьма актуальна и требует решения для нужд воздушного, водного транспорта и метеорологии. Скорость и направление ветра фигурируют в руководствах по летной эксплуатации воздушных судов аэродромного и палубного базирования. Данная информация необходима также для информирования экипажей воздушных судов (например, вертолетов), осуществляющих взлет или посадку на аэродром. При эксплуатации воздушных судов на взлетно-посадочных площадках, не оборудованных средствами метеорологического наблюдения, необходимое для определения скорости и направления ветра оборудование должно находиться на борту воздушного судна. К подобным устройствам предъявляются повышенные требования по надежности, периодичности технического обслуживания и стойкости к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды. Кроме того, устройство должно обеспечивать широкий диапазон измерения скорости и направления воздушного потока.
Существуют устройства, реализующие пневмометрический метод определения параметров воздушного потока. Известен многоканальный аэрометрический зонд (патент РФ №2037157, G01P 5/16, опубл. 09.06.1995) в виде тела вращения, включающий трубки восприятия полного давления набегающего воздушного потока, расположенные радиально в плоскости, перпендикулярной оси тела вращения, а также два соосных экранирующих диска, расположенных выше и ниже области нахождения трубок восприятия полного давления, формирующих в этой области плоскопараллельный воздушный поток. Недостаток данного устройства заключается в том, что определение параметров воздушного потока осуществляется только в плоскости расположения трубок приема полного давления, что не позволяет регистрировать вертикальную составляющую воздушного потока и приводит к погрешностям при изменении пространственной ориентации воздушного судна.
Кроме того, применение пневмометрического метода для регистрации малых скоростей воздушных потоков требует применения дорогостоящих высокочувствительных датчиков давления. К тому же, поскольку давление воздушного потока, воспринимаемое датчиками, пропорционально квадрату скорости воздушного потока, диапазон работы высокочувствительных датчиков давления не позволяет применять одни и те же датчики для определения малых скоростей воздушного потока, например, ветра, и больших скоростей набегающего воздушного потока в полете.
Известно, что наиболее широким рабочим диапазоном и максимальной чувствительностью к воздушным потокам малой интенсивности обладают термоанемометрические датчики. (Расходомеры и счетчики количества: Справочник / Кремлевский П.П. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. - стр.375-407).
Термоанемотрический принцип действия реализован в патент США №6631638, B01F 1/68, опубл. 14.10.2003), где описано устройство, предназначенное для определения скорости и направления потока, включающее основание с расположенным на нем источником тепла, а также первый и второй датчики температуры, расположенные на том же основании, предназначенные для регистрации, по крайней мере, части тепла, выделяемого нагревательным элементом (прототип). Первый и второй датчики температуры и нагреватель расположены не на одной линии. При работе измеряемый поток переносит тепло от нагревательного элемента в сторону одного из датчиков температуры, в то же время, охлаждая другой датчик температуры. Это позволяет выявить направление воздушного потока и его интенсивность. Однако данная конструкция имеет ряд недостатков. Во-первых, то, что все элементы устройства размещены в одной плоскости, позволяет регистрировать параметры только воздушного потока параллельного этой плоскости. Очевидно, что если воздушный поток направлен не параллельно рабочей поверхности описанного устройства (которой может считаться поверхность, на которой расположены датчики температуры и нагревательные элементы), то возникнет либо эффект торможения потока на поверхности, что внесет погрешность в определение скорости и направления, либо эффект аэродинамического затенения рабочей поверхности описанного устройства, что вообще не позволит регистрировать какие-либо параметры воздушного потока. Таким образом, описанное устройство не предназначено для определения объемных характеристик воздушного потока, что снижает его функциональность применительно к решению метеорологических задач на борту воздушного судна или в составе наземных метеорологических станций Во-вторых, описанная конструкция подвержена влиянию неблагоприятных факторов окружающей среды, таких как воздействие динамической пыли и влаги и затрудняет использование защитного покрытия, поскольку это приведет к появлению теплового сопротивления между нагревательным элементом и датчиком температуры, что снизит чувствительность устройства.
Техническим результатом заявленной полезной модели является создание термоанемометрического зонда, обеспечивающего возможность измерения воздушного потока малой интенсивности, с расширенными функциональными возможностями и устойчивого к неблагоприятным воздействиям окружающих среды.
Технический результат достигается тем, что термоанемометрический зонд для определения скорости и направления воздушного потока включает два или более датчиков температуры, размещенных на подложке, содержащей проводящие дорожки, соединяющие датчики, и нагревательные элементы, причем зонд выполнен в виде сферы из теплопроводного материала, установленной на кронштейне, причем подложка выполнена гибкой и размещена на внешней поверхности зонда, а нагревательные элементы размещены равномерно по внутренней поверхности зонда. Поверх подложки с установленными на ней датчиками может быть нанесено защитное покрытие. А кронштейн может содержать камеру торможения воздушного потока с установленными внутри нее датчиком температуры наружного воздуха и датчиком атмосферного давления.
Сущность технического решения поясняется чертежами.
Фиг.1 - схематичное изображение термоанемометрического зонда.
Фиг.2 - график распределения температуры по поверхности зонда.
Фиг.3 -угловое положение точки поверхности.
Термоанемометрический зонд (Фиг.1) выполнен в виде сферического тела 1, содержащего теплопроводный металлический (например, алюминиевый) корпус 2, внутри которого равномерно расположены электрические нагревательные элементы 3, т.е. так, что расстояния между соседними проводниками нагревательных элементов соизмеримы с размерами сечения проводников, а на поверхности размещена гибкая подложка 4 (например, полиимидная) со смонтированными на ней миниатюрными датчиками 5 температуры (например, платиновыми терморезисторами в chip-корпусе фирмы Honeywell) и токоподводящими дорожками 6, при чем поверх всех элементов конструкции методом распыления нанесено защитное покрытие 7 (например, фторопластовый лак). Зонд установлен на кронштейне 8. Причем внутри кронштейна имеется камера 9 торможения воздушного потока, объем которой соединен с окружающей средой, но защищен от действия набегающего воздушного потока. Внутри камеры 9 размещен датчик 10 температуры окружающей среды и датчик 11 атмосферного давления.
В основе устройства определения скорости и направления воздушного потока лежит термоанемометрический принцип. За счет действия нагревательных элементов 3 корпус 2 термоанемометрического зонда приобретает температуру, превышающую температуру окружающей среды более чем на 60°. Контроль температуры поверхности зонда осуществляется путем сравнения показаний датчика 10 температуры окружающей среды со средним значением показаний датчиков 5, расположенных на корпусе термоанемометрического зонда (управляющие и вычислительные устройства не показаны). Наличие тепловой инерции теплопроводного тела и равномерное размещение нагревательных элементов по внутренней его поверхности обеспечивают равномерное распределение температуры по поверхности термоанемометрического зонда.
Перед началом эксплуатации производится калибровка устройства при, по крайней мере, 5 различных значениях температуры окружающей среды и атмосферного давления. Калибровочные характеристики сохраняются в памяти устройства (не показано) для определения скорости и направления воздушного потока.
Под действием измеряемого воздушного потока происходит перераспределение температуры на поверхности зонда за счет теплопереноса в поверхностном слое воздуха, окружающего зонд. Распределение температуры поверхности зонда в зависимости от угла между вектором воздушного потока и радиус-вектором точки, лежащей на поверхности зонда показано на Фиг.2 (график приведен в соответствии с брошюрой «Тепломассоперенос: Лабораторный практикум» / С.В.Цаплин, С.А.Болычев, А.Е.Романов и др. - Самара: Универс-групп, 2005. - стр.30-36). Направление воздушного потока, угол φ между радиус-вектором точки и направлением потока показаны на Фиг.3.
График представляет собой кривую, имеющую один максимум и один характерный «провал» в диапазоне угловых положений исследуемой точки 120-150 градусов. Температура точек поверхности регистрируется датчиками 5 температуры, установленными на поверхности зонда. Данные о температуре точек от каждого из датчиков поступают в вычислитель (не показан), где формируются в массив, причем температура точки поверхности ставится в соответствие номеру регистрирующего ее датчика. Поскольку положение каждого из датчиков 5 температуры в системе координат термоанемометрического зонда неизменно, представляется возможным в любой момент времени на основе анализа распределения температуры по его поверхности выявить точки максимальной температуры, а также точки характерного «провала» температуры (на Фиг.2 соответствуют угловому положению 120-150 градусов), что позволяет безошибочно определить направление воздушного потока. Скорость воздушного потока определяется на основании сравнения текущих показаний датчиков 5 зонда с эталонными величинами, рассчитываемыми на основе результатов калибровки. На Фиг.2 видно, что температуры всех точек термоанемометрического зонда, помещенного в воздушный поток, будут ниже, чем те же температуры при отсутствии воздействия воздушного потока. Причем, чем выше скорость воздушного потока, тем больше указанная разница. Такая зависимость характерна для всех термоанемометрических устройств.
К тому же использование заявленного зонда позволяет исключить влияние турбулентных явлений в пограничном слое при определении направления воздушного потока, а также точно определять пространственное положение вектора воздушного потока малой интенсивности относительно термоанемометрического за счет применения датчиков температуры, размеры которых малы по сравнению с размерами самого зонда.
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает возможность измерения воздушного потока малой интенсивности, расширяет функциональные возможности термоанемометрического зонда за счет регистрации пространственного положения вектора воздушного потока и обеспечивает устойчивость к неблагоприятным воздействиям окружающих среды благодаря наличию защитного покрытия.