способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления
Классы МПК: | G01P5/08 путем измерения изменений электрической величины, непосредственно зависящей от потока G01F1/56 с использованием электрических или магнитных эффектов |
Автор(ы): | Евланов Е.Н., Завьялов М.А., Линкин В.М., Ненароков Д.Ф., Тюрюканов П.М. |
Патентообладатель(и): | Всероссийский электротехнический институт им.В.И.Ленина |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-04-09 публикация патента:
10.08.1999 |
Способ и устройство могут быть использованы для исследования динамики газовых потоков в верхних слоях атмосферы и в аэродинамических установках. Газ ионизируют в ускоряющем электрическом поле. Регистрируют распределение тока ионов, увлекаемых исследуемым потоком, с помощью секционированного ионного коллектора. Перед ионизацией от исследуемого газового потока отделяют часть газа, зажигают в этой части газа электрический разряд. Формируют коаксиальный и соосный с коллектором пучок ионов и вводят его в объем исследуемого потока. Однородное ускоряющее электрическое поле создают вдоль оси аксиальной симметрии измерительного устройства. Источник ионов выполнен в виде аксиально-симметричной газоразрядной камеры с не проницаемой для исследуемого потока боковой и одной торцевой стенками. Анод размещен на внутренней поверхности указанной торцевой стенки. Катод является другой торцевой стенкой камеры и имеет центральное отверстие для формирования ионного пучка. Газоразрядная камера смещена соосно с коллектором. Источник высокого напряжения подключен одним из выводов к аноду. Дополнительный источник напряжения включен между катодом и коллектором. Другой вывод источника высокого напряжения соединен с катодом. Обеспечивается повышение точности измерения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
1. Способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока, включающий отделение от исследуемого газового потока части газа, ионизацию его путем зажигания в этой части газа электрического разряда, введение ионов в объем исследуемого потока и регистрацию распределения тока ионов, увлекаемых исследуемым потоком, с помощью секционированного ионного коллектора измерительного устройства, отличающийся тем, что создают однородное ускоряющее электрическое поле в исследуемом газовом потоке вдоль оси аксиальной симметрии измерительного устройства. 2. Устройство для измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока, содержащее камеру, через которую пропускается измеряемый поток газа, размещенные в ней по обе стороны исследуемого потока газа источник ионов, выполненный в виде аксиально-симметричной газоразрядной камеры с не проницаемыми для исследуемого газового потока боковой и одной торцевой стенками, с анодом, размещенным на внутренней поверхности указанной торцевой стенки, и катодом в качестве другой ее торцевой стенки с центральным отверстием, и секционированный ионный коллектор, причем газоразрядная камера размещена соосно с секционированным ионным коллектором, электроды которого через соответствующие последовательно соединенные дифференциальные усилители и регистраторы соединены с камерой, и источник высокого напряжения, подключенный одним из выводов к аноду, отличающийся тем, что в устройство введен дополнительный источник напряжения, включенный между катодом и коллектором, при этом источник высокого напряжения другим своим выводом подключен к катоду.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования динамики газовых потоков в верхних слоях атмосферы и в аэродинамических установках. Известен способ измерения скорости разреженного газового потока путем создания ионной метки ионизацией газа сфокусированным электронным пучком и регистрации времени пролета ионами метки заданного базового участка, в конце которого прикладывают импульс поперечного электрического поля (авт. св. СССР N 1081545, кл. G 01 P 5/18). Недостатком данного способа является погрешность, возникающая из-за расплывания метки ионов как под действием их объемного заряда, так и в результате рассеяния на частицах газа. Этот способ не позволяет определять направление вектора скорости газового потока. Также известен способ измерения трехмерного вектора скорости газового потока, реализуемый ионизационным анемометром (авт. св. СССР N 913260, кл. G 01 P 5/18), заключающийся в том, что излучение радиоактивного изотопа, помещенного на внутреннюю поверхность сферы, ионизирует газ между сферой и электродами коллектора, помещенными в сферу. Между сферой и электродами коллектора создают электрическое поле. На электродах возникают токовые сигналы, поступающие на коммутатор. Под действием газового потока возникают разности между указанными сигналами. Вектор скорости потока![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134423/2134423-2t.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134423/2134423-3t.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134423/2134423-4t.gif)
Недостатком данного способа измерения является недостаточно высокая точность измерения. Это обусловлено тем, что высокоэнергетичные частицы, возникающие в результате радиоактивного распада, способны обеспечить лишь очень низкую степень ионизации газа при пониженных давлениях газовых потоков и, следовательно, возникает необходимость измерения предельно малых ионных токов ~10-13 А, соизмеримых с уровнем фона, что требует применения высокопрецизионных усилителей. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу измерения является способ измерения скорости и направления газового потока, реализуемый расходомером (патент US N 4471654 (МКИ: G 01 F 1/56; НКИ: 73-189), заключающийся в отделении от исследуемого газового потока части газа, ионизацию его c помощью зажигания коронного разряда в этой части газа, введение ионов в объем исследуемого потока и регистрацию распределения тока ионов, увлекаемых исследуемым потоком, с помощью секционированного ионного коллектора расходомера. Недостатком данного способа измерения является наличие сильной, неоднородности коронного электрического разряда, возмущающей исследуемый поток газа при низких давлениях и скоростях. А влияние сильно неоднородного электрического поля при движении ионов в исследуемом газовом потоке к коллектору приводит к еще большему расширению (расплыванию) пучка ионов в радиальном направлении, что снижает точность измерения скорости и направления потока газа. Известна установка, осуществляющая измерение скорости разреженных газовых потоков по способу, описанному в авт. св. СССР N 1081545, кл. G 01 P 5/18. Она содержит узел для фокусировки электронного пучка в определенной точке исследуемого газового потока, пластины ускорителя образовавшихся ионов и коллектор ионов. Недостатком этого устройства является то, что его точность зависит от точности определения расстояния между точкой фокусировки электронного пучка в газовом потоке и точкой поворота ионов из-за конечности геометрических размеров регистрирующего устройства и его конструкцией, включающей отклоняющие пластины и коллектор. А это дополнительно требует применения сложной электронной системы регистрации и точной синхронизации момента включения ускоряющего электрического поля с включением электронного пучка. Кроме того, эта конструкция не позволяет определять направление вектора скорости газового потока. Ионизационннй анемометр (авт. св. СССР N 913260), позволяющий проводить измерение трехмерного вектора скорости газового потока, содержит усилительную систему и ионизационний датчик, выполненный в виде прозрачной для газового потока сферы, покрытой изнутри радиоактивным препаратом, при этом в центре сферы расположен секционированный коллектор, который представляет собой сферический изолятор по меньшей мере с шестью электродами, равноудаленными друг от друга и подключенными к усилительной системе через коммутатор. Недостатком этого анемометра является то, что ионизация газа происходит не только внутри сферы, но и вне ее. Ионы, возникающие вне сферы и увлекаемые потоком газа на коллектор, вносят значительную погрешность. Наличие коллектора в виде внутренней сферы приводит к возмущению (искажению) исследуемого газового потока, что тоже снижает точность измерения скорости газового потока. Кроме того, применение радиоактивного препарата наносит вред окружающей среде. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству для измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока является расходомер (патент US N 4471654), содержащий камеру, через которую пропускается измеряемый поток газа, размещенные в ней соосно по обе стороны исследуемого потока газа источник ионов и секционированный ионный коллектор. Источник ионов размещен в камере, ось симметрии которой перпендикулярна камере, через которую проходит исследуемый поток, и включает электрод, размещенный на внутренней поверхности торцевой стенки камеры, а на противоположной торцевой стенке размещен электропроводный диск с центральным отверстием для формирования ионного пучка. С помощью схемы питания между секциями коллектора и электродом ионного источника поддерживается разность потенциалов. Кроме того секции коллектора подключены к соответствующим усилителям. Недостатком описанного выше устройства является то, что оно не обеспечивает высокой точности измерения за счет расплывания ионного пучка при движении ионов в исследуемом газовом потоке от источника ионов к коллектору. Кроме того форму и силу тока ионного пучка можно регулировать только, изменяя или расстояние между иглой (коронный разряд на которой является источником ионов) и поверхностью электропроводного диска с центральным отверстием, или диаметр отверстия в этом диске. Необходимость такой регулировки возникает при изменения давления газа в потоке или модуля скорости потока, для того, чтобы обеспечить достаточно высокую точность измерения. Однако изменять геометрические размеры устройства в процессе проведения измерений не всегда предоставляется возможным, например, при исследовании аэродинамических характеристик атмосферы Земли иди других планет при помощи автоматических спутников. Таким образом, в основу настоящего изобретения положена задача обеспечения средств для повышения точности измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока. Настоящее изобретение касается способа и устройства для измерения скорости газового потока. Поставленная задача решена тем, что в способе для измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока, включающем отделение от исследуемого газового потока части газа, ионизацию его путем зажигания в этой части газа электрического разряда, введение ионов в объем исследуемого потока и регистрацию распределения тока ионов, увлекаемых исследуемым потоком, с помощью секционированного ионного коллектора измерительного устройства, создают однородное ускоряющее электрическое поле в исследуемом газовом потоке вдоль оси аксиальной симметрии измерительного устройства. Способ реализуется с помощью устройства, содержащего камеру, через которую пропускается измеряемый поток газа, размещенные в ней по обе стороны исследуемого потока газа источник ионов, выполненный в виде аксиально-симметричной газоразрядной камеры с непроницаемыми для исследуемого газового потока боковой и одной торцевой стенками, с анодом, размещенным на внутренней поверхности указанной торцевой стенки, и катодом в качестве другой ее торцевой стенки с центральным отверстием, а секционированный ионный коллектор, причем газоразрядная камера размещена соосно секционированному ионному коллектору, электроды которого через соответствующие последовательно соединенные дифференциальные усилители и регистраторы соединены с камерой, и источник высокого напряжения, подключенный одним из выводов к аноду, в которое введен дополнительный источник напряжения, включенный между катодом и коллектором, при этом источник высокого напряжения другим своим выводом подключен к катоду. Техническим результатом от воздействия на движение ионов в исследуемом газовом потоке однородного ускоряющего электрического поля, направленного вдоль оси аксиальной симметрии измерительного устройства, является увеличение ионных токов на коллекторе устройства и уменьшение распыления регистрируемого ионного потока, что повышает точность измерения скорости газового потока. Для реализации этого способа в предлагаемом измерительном устройстве введен дополнительный источник напряжения, включенный между катодом и коллектором, при этом катод соединен с другим выводом источника высокого напряжения, питающего разряд в газоразрядной камере. Именно такое подключение источника высокого напряжения к аноду и катоду, и дополнительного источника напряжения к катоду и коллектору позволяет одновременно зажигать разряд между анодом и катодом, и ускорять ионы в измерительной камере в однородном электрическом поле. Таким образом, предлагаемые способ измерения и устройство для его осуществления соответствуют критерию изобретения "новизна". Воздействие однородного ускоряющего электрического поля на ионы при использовании ионного пучка для измерения скорости потока газа выявляет новые свойства пучка, которые используются в измерительном процессе, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень". Для пояснения способа измерения необходимо пояснить следующее. Ионы пучка, попадая в измерительную часть камеры, рассеиваются на нейтральных частицах исследуемого газа, приобретая в среднем компоненту скорости газового потока, и одновременно дрейфуют в направлении коллектора под действием электрического поля между коллектором и катодом разрядной камеры. Если скорость потока равна нулю, то ионы попадают на электроды коллектора симметрично относительно его центра, лежащего на оси симметрии пучка, и сигнал, получаемый от дифференциального усилителя, равен нулю. Если в некотором произвольном направлении имеется поток газа, то на электродах коллектора ориентированных в этом направлении ионный ток увеличивается, а на электродах, не совпадающих с этим направлением, уменьшается. Это приводит к появлению разностных сигналов с соответствующих пар электродов, ориентированных в направлении потока. Величина разности ионных токов однозначно определяет модуль вектора скорости, а известное положение электродов, на которых разностный сигнал имеет наибольшую величину, определяет его направление. Далее точность изложенного выше способа измерения модуля и направления вектора скорости газового потока будет зависеть в основном от числа пар секций коллектора. Предлагаемый способ измерения реализуется с помощью устройства, конструкция которого изображена на фиг. 1, а на фиг. 2 - вид коллектора устройства в сечении А-А. Измерительное устройство имеет аксиальную симметрию по оси Z, что обеспечивает измерение скорости газового потока по всем направлениям, лежащим в плоскости, перпендикулярной оси Z, и состоит из: камеры 1 в качестве металлического экрана от помех с измерительным пространством I; газоразрядного источника ионов, включающего в себя цилиндрическую камеру 2 с изолирующими и непроницаемыми для газа боковой и одной торцевой стенками и разрядным пространством II, полусферический или острийный анод 3 на внутренней поверхности указанного торца камеры 2 и катод 4 в качестве другого торца камеры 2 в форме диска с отверстием в центре для извлечения пучка ионов, причем диаметр этого отверстия
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134007/948.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134423/2134423-5t.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134007/948.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134423/2134423-6t.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134007/948.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134007/948.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134007/948.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134002/955.gif)
1. Электрическое поле из разрядного пространства II не должно проникать в измерительное пространство I и, следовательно, не рассеивать поток ионов в различных направлениях;
2. Плазма газового разряда не должна проникать в измерительное пространство I;
3. Газовый поток
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134423/2134423-7t.gif)
4. Минимальный размер катодного отверстия
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134007/948.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134423/2134423-8t.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134007/948.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134423/2134423-9t.gif)
и зависимость разности ионных токов на противолежащих электродах коллектора от угла между направлением их расположения и направлением потока
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134023/916.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134007/920.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134007/948.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134002/955.gif)
![способ измерения модуля и направления вектора скорости разреженного газового потока и устройство для его осуществления, патент № 2134423](/images/patents/337/2134423/2134423-10t.gif)
1. Чувствительность прибора возрастает в 105 раз;
2. Конструктивное упрощение относительно известных приборов с термоэмиссионными катодами (предлагаемый прибор использует холодные электроды);
3. Экологическая безопасность применения, отсутствие радиоактивных источников ионизации газа.
Класс G01P5/08 путем измерения изменений электрической величины, непосредственно зависящей от потока
Класс G01F1/56 с использованием электрических или магнитных эффектов