УДК 533.6.08
ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ АНЕМОМЕТР
GAS DISCHARGE ANEMOMETER
Евланов Евгений Николаевич
канд. физ.-мат. наук, гл. научн. сотрудник
2) Завьялов Михаил Александрович
д-р техн. наук, профессор, гл. научн. сотрудник
Подколзин Сергей Николаевич
гл. специалист
Родионов Даниил Станиславович
канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией E-mail: rodionov@iki.rssi.ru
2) Тюрюканов Павел Михайлович
вед. научн. сотрудник
Липатов Александр Николаевич
канд. физ.-мат. наук, ст. научн. сотрудник E-mail: slip@iki.rssi.ru
Экономов Алексей Павлович
канд. техн. наук, ст. научн. сотрудник E-mail: alekonomo@yandex.ru
Институт космических исследований Российской академии наук, Москва 2) Всероссийский электротехнический институт им. В. И. Ленина, Москва
Аннотация: Рассмотрен газоразрядный анемометр, предназначенный для исследования динамики газовых потоков в экспериментальной и космической метеорологии и, в частности, для проведения измерений давления, модуля и направления вектора скорости потоков газа в пограничном слое атмосферы планеты Марс.
Ключевые слова: метеорология, разреженный газ, анемометр, скорость газа, давление.
^ Evlanov Eugene N.
Ph. D. (Phys. Math.), Chief Scientific Officer 2) Zavyalov Mikhail A.
D. Sc. (Tech.), Professor, Chief Scientific Officer
1) Podkolzin Sergey N.
Chief Specialist
1) Rodionov Daniel S.
Ph. D. (Phys. Math.), Head of Laboratory E-mail: rodionov@iki.rssi.ru
2) Tyuryukanov Pavel M.
Leading Researcher
1) Lipatov Alexander N.
Ph. D. (Phys. Math.), Senior Scientist E-mail: slip@iki.rssi.ru
1) Ekonomov Alexei P.
Ph. D. (Tech.), Senior Scientist E-mail: alekonomo@yandex.ru
1) Space Research Institute of Russian Academy of Sciences, Moscow
2) All-Russian Electrotechnical Institute named after V. I. Lenin, Moscow
Abstract: Gas discharge anemometer is designed to study the dynamics of the gas flow in the experimental and space meteorology and in particular for the measurement of pressure, the magnitude and direction of the velocity vector of gas flows in the boundary layer of the atmosphere of Mars.
Keywords: meteorology, rarefied gas, anemometer, gas velocity, pressure.
ВВЕДЕНИЕ
В работах [1, 2] рассматривается газоразрядный анемометр, разработанный для измерения модуля и направления вектора скорости газового потока, а также давления газа в потоке. Анемометр этого типа предполагается использовать для измерения скорости ветра в атмосфере планеты Марс, обладающей специфическими условиями: диапазон давлений 5...10 мм рт. ст.; химический состав — 95 % СО2, 4 % N2 и 1 % примесей; диапазон измеряемых скоростей ветра от 0,5 до 50 м/с, изменение температуры от —120 до +20 °С. Принцип действия газоразрядного анемометра основан на явлении отклонения слаботочного пучка ионов малой энергии под действием газового потока. Для создания ионного пучка используется тлеющий разряд, что позволяет значительно повысить
чувствительность газоразрядного анемометра в сравнении с другими методами.
УСТРОЙСТВО ГАЗОРАЗРЯДНОГО АНЕМОМЕТРА
В данной статье представлена усовершенствованная конструкция анемометра и измерительного блока, позволяющего оцифровывать измеряемые токи ионов на коллектор и записывать их в память персонального компьютера, с помощью которого проводился расчет модуля и азимута направления скорости ветра, а также давления газа в потоке.
Устройство газоразрядного анемометра представлено на рис. 1. Анемометр имеет аксиальную симметрию и состоит из газоразрядного источника ионов I и измерительной камеры II, через которую пропускается измеряемый поток газа. Ис-
точник ионов включает: полусферический анод 1; катод 2, изготовленный в форме тонкого диска, в центре которого имеется отверстие для извлечения ионов; изолятор 3, к которому прикреплены электроды 1 и 2. Замкнутое газоразрядное пространство I связано с измерительной камерой II лишь через отверстие в электроде 2.
Измерительная камера состоит из электрода 2 и секционированного коллектора ионов К1—К4, расположенных так, что центры их совпадают с осью г, а плоскости строго параллельны друг другу и перпендикулярны оси. Источник ионов I и измерительная камера II помещены в единый металлический экран 4, к которому присоединены все узлы анемометра. Экран защищает измерительное устройство от электромагнитных помех и механических повреждений. Цилиндрическая поверхность экрана 4 в области дрейфа ионов прозрачна для газового потока.
7шггггггггггф мм/мм
Б
I 1
Я»»;»»»»»»;»?»;»;»»»»»»»;///
Л-Л
Рис. 1. Устройство газоразрядного анемометра
Секционированный коллектор ионов состоит из четырех плоских электродов К1—К4, имеющих одинаковую форму секторов, равноудаленных друг от друга и от центра. Электроды коллектора закреплены в одной плоскости при помощи изолятора 5 и подключены к высокочувствительным усилителям постоянного тока Ат1—Ат4. Сигналы с усилителей подаются на АЦП, с которого информация о величинах ионных токов поступает в память персонального компьютера РС. Специально разработанная для РС программа позволяет выводить на экран дисплея как мгновенные, так и усредненные по времени значения ионных токов с каждого электрода в отдельности, суммарного тока и разности токов с диаметрально противоположных электродов.
При помощи калибровочных графиков по этим данным рассчитывались и вносились в память РС: давление газа, величина скорости V и азимут направления 9 потока. Накопление результатов измерений в течение достаточно длительного времени позволяет определить усредненную зависимость v(9) (или локальную "розу ветров") для данного района пограничного слоя атмосферы.
Питание разряда осуществляется от источника высокого напряжения Цр. Источник постоянного напряжения иу создает в измерительной камере однородное электрическое поле напряженностью Е, равное 20 В/см, направленное вдоль оси г, которое позволяет изменять скорость дрейфа ионов в направлении коллектора: Удр = КЕ (К — подвижность ионов) и обеспечивает возможность регулировать чувствительность анемометра. Миниатюрные источники напряжений ир и иу и усилители Ат1—Ат4 смонтированы в полости экрана 4.
Применение тлеющего разряда в качестве источника ионов позволяет значительно увеличить измеряемые величины ионных токов в сравнении с другими ионизационными анемометрами, что упрощает схему измерительного блока. Однако существует ряд требований, влияющих на точность измерения скорости потока газа, которые существенно ограничивают величину ионного тока и размеры прибора [2]. Параметры анемометра в настоящей работе выбирались исходя из этих требований для заданной точности измерений.
Для рассматриваемого диапазона давлений р от 5 до 10 мм рт. ст. и скорости потока V от 0,5 до 50 м/с выбраны следующие геометрические размеры анемометра. Расстояние й между электродами 1 и 2, равное 2 мм, при диаметре разрядной камеры ~ 1 см обеспечивает близкое к минималь-
2
V
г
ному напряжение зажигания тлеющего разряда ~ 500 В и позволяет варьировать ток разряда в достаточно широких пределах от 1 до 100 мкА. Расстояние от электрода 2 до коллектора I = 1 см выбрано большим длины свободного пробега ионов в собственном газе, что создает условия эффективного взаимодействия ионов с газовым потоком, необходимые для повышения точности измерений ионных токов. Диаметр измерительной камеры 2Лд равен 4 см. Диаметр 8 отверстия в электроде 2 составляет 1 мм, что позволяет получить ионный пучок на входе в измерительную камеру при незначительных искажениях электрического поля.
РАБОТА ГАЗОРАЗРЯДНОГО АНЕМОМЕТРА
Газоразрядный анемометр работает следующим образом. Газ из потока попадает в разрядное пространство I ионного источника через отверстие в катоде 2. Включение источника высокого напряжения Ц, приводит к зажиганию тлеющего разряда между электродами 1 и 2. Ионы, возникающие в результате ионизации газа, ускоряются в катодном слое разряда, и часть их увлекается электрическим полем этого слоя в отверстие, через которое они в виде аксиально-симметричного пучка низкой энергии попадают в измерительную камеру. Здесь ионы рассеиваются на нейтральных частицах газа, приобретая в среднем компоненту скорости газового потока, а их распределение по скоростям приближается к равновесному.
Основными процессами взаимодействия ионов с молекулами газа в рассматриваемом случае являются резонансная перезарядка и поляризационное рассеяние, которые и определяют подвижность и диффузию ионов в собственном газе. В результате диффузии и дрейфа в направлении электрического поля ионы попадают на коллектор.
Если скорость газового потока V = 0, то ионы попадают на электроды коллектора, симметричного относительно его центра, и разность токов на диаметрально противоположные электроды равна нулю. Если в некотором произвольном направлении 9 в плоскости г, ф имеется поток газа, то на электродах коллектора, ориентированных в этом направлении, ионный ток увеличится, а на электродах противоположного направления уменьшится. Это приведет к появлению разностных сигналов с соответствующих пар электродов.
Величина разности ионных токов однозначно определяет соответствующую компоненту скорости потока. Знание этих токов позволяет рассчитать
/„, нА
\
\
1 V" 2
р, мм рт.ст.
Рис. 2. Зависимость ионного тока на коллектор /д от давления СО2 при /р = 20 мкА, иу = 20 В;
1 — эксперимент; 2 — теория
как модуль скорости V = /2 -/4)2 + (/\ -/3)2,
так и азимут направления:
9 = агс1£((/2 - /4)/(/1 - 1з)),
где коэффициент С определяется измеренными калибровочными графиками.
Диффузия и подвижность ионов в собственном газе зависят от концентрации и температуры газа. Поэтому результат измерения скорости потока при помощи ионизационного анемометра будет зависеть от термодинамического состояния газа. В связи с этим параллельно с измерением ионного тока на электроды коллектора необходимо проводить измерения температуры и давления газа. Такая возможность представляется в предлагаемом анемометре.
На рис. 2 представлены результаты измерения полного ионного тока на коллектор /д в зависимости от давления газа р. Видно, чт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.