Датчик Невзорова

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Измерительная головка датчика с нагретой проволокой
(NASA, 1973 год)
Блок электронного оборудования
(NASA, 1973 год)

Датчик с нагретой проволокой (англ. hot-wire probe), датчик Невзорова[1] (англ. Nevzorov probe)[2][3] или датчик водности постоянной температуры — разновидность научно-исследовательских приборов, которые используются для замера полной и жидкокапельной водности облачной среды во время пролётов сквозь неё на летающих лабораториях.

Принцип действия

[править | править код]

Ещё с 1950-х годов было известно, что в ходе авиационных экспериментов водность облачной среды можно оценить, если измерить пульсации мощности тока, пропущенного через отрезок проволоки (англ. hot-wire), который обтекается набегающий потоком внешнего воздуха за бортом летательного аппарата[4].

Однако в 1970-х годах состоялся революционный прорыв в технологии измерений, связанный с методологией их проведения: новое поколение приборов начало создаваться, ориентируясь на принцип поддержания постоянной температуры у зондирующего отрезка проволоки. Подводимая электроэнергия, которая расходовалась на этот процесс, оказалась связана с относительным количеством влаги, оседающей на проволочном зонде. Преимуществом такого подхода стала отсутствие необходимости в калибровке[5].

В результате теоретических изысканий американских исследователей в 1978 году было предложено несложное соотношение, которое выразило водность среды через параметры проволочного зонда следующим образом[6][7]:

где:

— конвективная потеря тепла из-за потока сухого воздуха,
— полная потеря тепла,
— теплота испарения,
— температура испарения воды,
— температура окружающего воздуха,
— скорость набегающего потока воздуха,
— площадь поперечного сечения проволочного зонда,
— общая эффективность взаимодействия сенсора с капельной компонентой.

В 1980 году советский физик Анатолий Николаевич Невзоров уточнил, что в этой формуле в качестве параметра должна стоять «равновесная» температура, отвечающая за диффузионный перенос водяного пара[6][8].

Одна из первых полноценных моделей прибора этого класса была создана в середине 1970-х годов в Лаборатория физики облаков Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) СССР под названием «Измеритель водности облаков». Изначально созданный образец измерительной аппаратуры был способен оценить только полную водность, однако в последующих версиях его схема была дополнена датчиками, нечувствительными к ледяной компоненте облачной среды, что дало возможность регистрировать количество жидкой и твёрдой фазы независимо друг от друга с достаточной степенью точности. Таким образом, датчик Невзорова стал первым инструментом, который обеспечил измерение фазовых компонент смешанных облаков в реальном масштабе времени[9]. Основной комплекс работ по созданию этого прибора был выполнен А. Н. Невзоровым. В дальнейшем принцип его действия послужил основой для создания целого ряда различных систем, которые нашли применение в прикладных исследованиях атмосферы, ведущихся на Кубе, в Канаде, Иране и в ряде других стран[10]. За последние десятилетия XX века наибольшей популярностью стали пользоваться датчики водности Кинга в составе системы PMS (англ. Particle Measuring Systems) и датчики водности Джонсона — Вильямса[9]. Их конфигурация включает в себя два проволочных зонда, установленных крест-накрест относительно друг друга таким образом, чтобы один зонд был направлен вдоль небегающего потока воздуха, а второй — перпендикулярно ему. Таким образом, первый зонд способствует устранению воздействия встречного потока, корректируя изменения температуры и давления внешней среды[11]

В ходе четырёх экспериментальных кампаний, проведённых под эгидой канадского Научно-исследовательского совета (англ. National Research Council), выяснилось, что точность приборов на базе датчика с нагретой проволокой составляет примерно 10 — 20 %, а чувствительность измерений 0,003 — 0,005 г/м3[9]. Это позволило их применять для калибровки измерений, сделанных с помощью радарных методов дистанционного зондирования облаков[12].

Примечания

[править | править код]
  1. РД 52.04.674-2006, 2006, Прямые измерения, с. 12—13.
  2. Korolev, Strapp, 1998, p. 1495—1496.
  3. Nevzorov Liquid Water Content (LWC) and Total Water Content (TWC) Probe Архивная копия от 30 апреля 2020 на Wayback Machine NASA Airborne Science Program
  4. Wendisch, Brenguier, 2013, Hot-Wire Techniques, p. 266—267.
  5. Wendisch, Brenguier, 2013, Hot-Wire Techniques, p. 267.
  6. 1 2 Wendisch, Brenguier, 2013, Hot-Wire Techniques, p. 268.
  7. King, Parkin, Handsworth, 1978.
  8. Nevzorov, 1980.
  9. 1 2 3 Korolev, Strapp, 1998, p. 1495.
  10. Исследования облачных и динамических структур атмосферных образований умеренных широт Архивная копия от 24 декабря 2019 на Wayback Machine Отдел физики облаков и активных воздействий, ФГБУ «ЦАО»
  11. Veal, Cooper, Vali, Marwitz, 1977, Liquid water content, p. 246.
  12. Nguyen, Wolde, Korolev, 2019.