РАКЕТНЫЙ ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения атмосферного давления с помощью метеорологических ракет.
-3
В настоящее время стоит проблема осуществления измерений давления в атмосфере Земли в диапазоне от 10 мм. рт. ст. до 10 мм. рт. ст., что соответствует высотам от 30 до 90 км. Эта область средней атмосферы является одновременно важным и сложным объектом изучения, а измерение термодинамических параметров атмосферы является ответственным элементом системы мониторинга геофизической обстановки. Согласно современным представлениям, без всестороннего учета влияния турбулентных мелкомасштабных процессов невозможно построить адекватные теории теплового режима, циркуляции, газового и ионного состава мезосферы и термосферы.
Уровень техники
Область атмосферы, представляющая интерес (30-90 км), является в некотором смысле переходной, так как при решении поставленной измерительной задачи нельзя использовать только один из известных методов измерения давления [1]. Механические измерители давления (тензодатчики, емкостные, пьезоэлектрические) работают до давлений не менее 0,01 мм.рт.ст., но плохо переносят ударные и вибрационные перегрузки.
Тепловые вакуумметры (манометры Пирани) обладают инерционными свойствами, которые определяются тепловой инерцией нити (постоянная времени ~0,1 с при давлении 0,01 мм. рт. ст.). Они не получили распространения в ракетных измерениях из-за методических сложностей пересчета выходного сигнала в параметры свободной атмосферы [2].
Ионизационные вакуумметры с термическим катодом работают при значениях давления ниже 0,1 мм. рт. ст. Их постоянная времени ~0,001 с. Для получения воспроизводимых показаний электроды в этих приборах должны быть вакуумированы перед работой, что усложняет конструкцию прибора, так как при этом необходима герметизация вакуумметра до внесения его в объем рабочих давлений и вскрытие датчика в начале режима измерения. Высокотемпературный катод является источником ионов и паров металла, которые могут быть ионизированы. Кроме того, взаимодействие накаленного катода с газовой средой изменяет ее количественный и качественный состав, что недопустимо при измерениях давления в небольших объемах. Поэтому одним из перспективных направлений в вакуумметрии является использование в ионизационных преобразователях ненакаливаемых эмиттеров электронов.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является ионизационный вакуумметр CONE (Германия) [3]. Данный датчик предназначен для измерений давления в атмосфере Земли на высотах от 80 до 110 км. Он представляет собой ионизационный вакуумметр с термическим катодом.
Недостатком данного технического решения является невозможность проведение измерения ниже 70 км, так как катод выполнен в виде нити накаливания, которая перегорает при снижении ракеты в более плотные слои атмосферы (на нисходящей траектории полета).
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является создание ракетного датчика атмосферного давления с расширенными функциональными возможностями при сохранении его надежности.
Технический результат:
1) расширение функциональных возможностей датчика, а именинно, возможности дополнительного измерения атмосферного давления на нисходящей траектории полета ракеты при сохранении надежности датчика.
2) расширение рабочего диапазона значений измеряемого атмосферного
-3
давления в сторону больших значений - от 10 мм. рт.ст. до 10 мм. рт.ст. на восходящей траектории полета ракеты (на высотах от 50 до 90 км);
Это достигается тем, что в ракетном датчике атмосферного давления, содержащем корпус (1) с носовой частью в форме полусферы, внутри которого расположены катод (3), коллектор (4), анод (5), и источник эмиссии электронов, согласно полезной модели, источник эмиссии электронов выполнен в виде лампы ультрафиолетового излучения (2), ось которого расположена на одной вертикальной оси симметрии корпуса (1), а катод (3) выполнен таким образом, чтобы обеспечивать проницаемость ультрафиолетового излучения для создания фотоэлектронной эмиссии.
При этом источником ультрафиолетового излучения (2) является криптоновая лампа.
При этом катод (3) выполнен из тканой сетки с размерами ячейки 20 мкм-40 мкм.
При этом носовая часть для экранирования внешних электрических полей и снижения газодинамического сопротивления выполнена из металлической сетки.
Графические материалы
Фиг. 1 - сборочный чертеж датчика атмосферного давлении, где: 1 - корпус, 2 - УФ лампа, 3 - катод, 4 - коллектор, 5 - анод, 6 - экранирующая сетка.
Фиг. 2 - блок-схема ракетного зонда для измерения атмосферного давления, где: 7 - измеритель ионного тока, 8 - измеритель электронного тока, 9 - вторичный измерительный преобразователь сигналов, 10 источник питания, 11 - радиотелеметрический блок, 12 - телеметрическая наземная станция, 13 - автоматизированный комплекс первичной обработки данных ракетного зондирования атмосферы.
Фиг. 3 - калибровочные характеристики зависимости давления от величины тока (I - электронный ток, II - ионный ток).
Фиг. 4 Общий вид конструкции датчика.
Осуществление полезной модели
Ракетный датчик атмосферного давления (фиг. 1) состоит из корпуса 1, конструктивно объединяющего электроды: катод (3), коллектор (4), анод (5), источник фотоэмиссии электронов с катода под воздействием излучения ультрафиолетовой лампы (2), экранирующей сетки для защиты от внешних электрических полей (6), которая является носовой частью корпуса 1 и выполнена в форме полусферы.
При этом катод (3) для создания фотоэлектронной эмиссии выполнен проницаемым для ультрафиолетового излучения из тканой металлической сетки с размерами ячейки 20-40 мкм.
В ракетном датчике атмосферного давления катод (3) и коллектор (4) соединены с измерителем электронного тока (8) и измерителем ионного тока (7) (фиг. 2). Измерители токов соединены с вторичным измерительный преобразователем сигналов (9) и радиотелеметрическим блоком (11) и источником питания (10). Радиотелеметрический блок (11) служит для преобразования электрических сигналов и передачи их посредством передающей антенны на наземную телеметрическую станцию (12) и далее на автоматизированный комплекс первичной обработки данных ракетного зондирования атмосферы (13).
Датчик работает следующим образом
Ракетный датчик атмосферного давления (фиг. 1) устанавливают на борт метеоракеты. Включают источник питания (10) (фиг. 2). По соединительным кабелям на анод (5) и па лампу ультрафиолетового излучения (2) подаются рабочие напряжения. В результате в датчике возникает электрическое поле.
При облучении катода (3) ультрафиолетовым излучением криптоновой лампы (2) создается фотоэммиссия электронов, которые ионизируют газ, двигаясь к аноду (5), находящему иод электрическим положительным потенциалом к катоду. В результате ионизации газа образуются ионы, которые двигаются к коллектору (4), электроны двигаются к аноду (5). Ток за счет электронной проводимости с катода (3) поступает по цепи на измеритель постоянного тока (7), а ток за счет ионной проводимости с коллектора (4) на измеритель постоянного тока (8). Электропроводность газа внутри рабочего объема датчика зависит от плотности исследуемого газа. Экранирующая сетка (6) защищает рабочий объем датчика от внешнего электромагнитного излучения.
3
8
Время собирания зарядов (электронов, ионов) в рабочем объеме датчика зависит от скорости их движения к электродам - скорости дрейфа. Причем, скорость дрейфа электронов приблизительно в 10 раз больше скорости дрейфа ионов. Характерная скорость дрейфа электронов в вакууме составляет около 6·10 см/с при напряженности электрического поля 100 В/см.
Текущие значения тока с катода (3) и коллектора (4) поступают на измерители постоянного тока (7) (8) и далее на вторичный измерительный преобразователь сигналов (9) и на радиотелеметрический блок (11), который преобразует электрические сигналы в электромагнитные и передает их посредством передающей антенны на наземную телеметрическую станцию (12) (фиг. 2). Телеметрический сигнал поступает в автоматизированный комплекс первичной обработки данных ракетного зондирования атмосферы (13). При данной обработке текущие сигналы по электронному току и ионному току с помощью калибровочных характеристик датчика (фиг. 3) преобразуются в значения давления от высоты. Количественная оценка достоверности получаемых первичных данных о значениях атмосферного давления определяется путем сопоставления данных, полученных с помощью двух способов: по калибровочной характеристике электронного тока (фиг. 3 кривая I) и калибровочной характеристике ионного ток (фиг. 3, кривая II) с учетом газодинамических поправок.
Результаты зондирования атмосферы в принятом формате выдаются на блок хранения и передачи потребителю аэрологической информации.
Пример конкретного выполнения
Общий вид датчика представлен на фиг. 4.
Округлая форма манометрической части датчика обусловлена приближением к расчетным условиям обтекания тела сверхзвуковым потоком разреженного газа, с учетом скорости и угла атаки набегающего потока газа при движении ракеты.
В качестве катода (3) (фиг. 1) применена тканная бронзовая сетка с размерами ячейки 30 мкм. Красная граница фотоэффекта для бронзы около 5 эВ.
Экранирующая сетка (6) и анод (5) изготовлены из нержавеющей стальной сетки с размерами ячейки 0,8×0,8 мм. Анод (5) и экранирующая сетка (6) имеют форму полусферы.
Коллектор (4) изготовлен из нихромовой проволоки диаметром 0,5 мм и имеет форму кольца. Он расположен ближе к аноду (5) таким образом, что на него не попадает прямое ультрафиолетовое излучение от криптоновой лампы.
В качестве источника ультрафиолетового излучения (2) применена фотоионизационная криптоновая лампа CDL-1060 производства ООО «Бюро аналитического приборостроения “ХРОМДЕТ-ЭКОЛОГИЯ”, Россия. По типу питания и конструкции лампа относится к категории ламп с тлеющим разрядом. Напряжение горения лампы не более 250 В при токе 1 мА. Максимальное излучение лампы в ультрафиолетовой области спектра происходит в резонансных линиях 116,5 нм (количество энергии на фотон 10,6 эВ) и 123,6 нм (количество энергии на фотон 10,02 эВ).
Габариты криптоновой лампы: диаметр 20 мм, высота 45 мм.
Датчик смонтирован на фторопластовой плате, которая имеет внутреннюю полость для крепления криптоновой лампы. Система электродов (3), (4), (5) и (6) датчика (фиг. 1) жестко закреплена на плате с помощью проволочных выводов. Вся конструкция закреплена на приборной стойке, которая предохраняет криптоновую лампу (2) от механических повреждений и экранирует внешнее пространство от ее электромагнитного излучения. Внутренний рабочий объем датчика экранируется с помощью внешней сетки (6), находящейся под нулевым потенциалом приборной стойки.
Калибровочные характеристики датчика для реального диапазона атмосферного давления в диапазоне высот 30 км - 90 км приведены на фиг. 3.
Датчик испытай в лабораторных условиях на воздействие ударных нагрузок до 200 g (ускорение свободного падения) с помощью пьезоэлектрического акселерометра ВС 111 (ЗАО “Электронные технологии и метрологические системы - ЗЭТ”, Россия). Датчик прошел калибровку в ФБУ “Ростест-Москва”. Простота данного устройства обуславливает дешевизну при изготовлении и надежность при эксплуатации.
Промышленная применимость
Таким образом, технические усовершенствования, предложенные в предлагаемой заявке на полезную модель, могут быть реализованы в промышленном производстве.
Осуществление предложений по материалам заявки в настоящее время реализуется на основе известных технических решений.
Выводы
Действие предлагаемой конструкции датчика ионизационного типа основано на измерении зависимости силы электронного и ионного токов несамостоятельного электрического разряда в разреженном газе и описывается теорией ударной ионизации Таунсенда [4], согласно которой токи разряда зависят от давления и распределения электрического поля в межэлектродном пространстве.
Предлагаемая полезная модель по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества.
1) Расширены функциональные возможности датчика, а именно регистрация текущих значений параметров атмосферного давления производится как на восходящей траектории полета ракеты, так и на нисходящем участке, где измерения параметров атмосферного давления проводятся дополнительно в точках пространства недоступной для данного типа летательных аппаратов, используемых в известных технических решениях.
Это достигается за счет использования процесса фотоэмиссии электронов с катода (внешний фотоэлектрический эффект) под воздействием источника ультрафиолетового излучения - криптоновой лампы. В прототипе же катод выполнен в виде нити накаливания, которая перегорает при полете ракеты в более плотных слоях атмосферы на нисходящей траектории.
Основное преимущество заключается в том, что криптоновая лампа обладает повышенной световой отдачей при минимальных размерах, а также стабильным режимом работы при повышенных динамических (ударных) нагрузках. При этом ультрафиолетовое излучение вызывает дополнительно ионизацию молекул газа. Эти положительные характеристики в совокупности с остальными признаками устройства в целом имеют существенное значение в условиях ракетных измерений, как на восходящем, так и на нисходящем участке траектории полета ракеты в плотных слоях атмосферы.
2) Расширен диапазон измерения атмосферного давления датчика в сторону больших значений давления благодаря использованию в качестве источника эмиссии электронов с катода под воздействием ультрафиолетового излучения, так как работа данного источника (УФ лампа) не зависит от давления окружающего газа.
3) Повышена достоверность измерений абсолютного давления благодаря расширению диапазона измерений в сторону больших значений давления, благодаря измерению давления на восходящем и нисходящем участках траектории движения метеоракеты и благодаря сопоставлению данных, полученных по калибровочной характеристике электронного тока (фиг. 3 кривая I) и по калибровочной характеристике ионного ток (фиг. 3, кривая II). Получение калибровочных характеристик ракетного датчика атмосферного давления именно предлагаемой конструкции при испытании в лабораторных условиях позволяет повысить достоверность измерений абсолютного давления.
4) Применение ракетного датчика при измерении вертикального профиля атмосферного давления позволяет получать абсолютные значения давления благодаря использованию свойства калибровочной характеристики датчика: соответствие максимального значения выходного сигнала (как электронного тока так и ионного тока) определенному значению давления в диапазоне 0,2 мм. рт. ст. - 0,4 мм. рт. ст. согласно теории ударной ионизации Таунсенда. Конкретное значение максимума сигнала зависит от испытуемого датчика (фиг. 3), а именно от потенциала анода, формы и размера его рабочего объема, от свойств применяемого в датчике типа источника ионизации (криптоновой лампы), указанных в пунктах 1 и 2 данного раздела описания.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов, их конструктивном исполнении и взаимном расположении именно для условий ракетных измерений атмосферного давления.
Таким образом, в предлагаемой полезной модели новая взаимосвязь известных и новых признаков позволяет получить более высокий технический результат.
Источники информации
1. Дэшман С, Научные основы вакуумной техники, издательство «Иностранная литература», Москва, 1950. с. 696.
2. Метеорология верхней атмосферы Земли, под редакцией Г.А. Кокина, С.С. Гайгерова, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1981., с. 270.
3. J. Giebeler, F.J. Lubken, M. Nagele CONE - A NEW PROBE FOR IN-SITU OBSERVATIONS OF NEUTRAL AND PLASMA DENSITY FLUCTUATIONS. Preceding 11-th ESA Symp. Eur. Rocket & Balloon Programmers & Related. Research, Montreux, Switzerland, 24-28 May 1993, ESA SP-355 (March 1994).
4. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Издательский дом «Интеллект», Долгопрудный, 2009, с. 734.