Спосіб вимірювання анізотропії хаотичної швидкості молекул повітря

Спосіб вимірювання анізотропії хаотичної швидкості молекул атмосфери Землі, що включає в себе одночасне вимірювання хаотичної швидкості молекул у двох взаємно перпендикулярних напрямках та обчислення за знайденим значенням хаотичної швидкості молекул коефіцієнта анізотропії хаотичної швидкості молекул, який відрізняється тим, що хаотичну швидкість молекул повітря вимірюють безпосередньо і одночасно чотирма датчиками, встановленими у двох взаємно перпендикулярних напрямках у горизонтальній площині так, що один з них вимірює хаотичну швидкість молекул, які летять праворуч, другий - молекул, які летять ліворуч, третій - молекул, що летять перпендикулярно першому напрямку праворуч, четвертий - молекул, які летять перпендикулярно першому напрямку ліворуч, причому після одночасного вимірювання хаотичної швидкості молекул 3 (Da), пов'язаної з температурою повітря (Т°) і щільністю атмосфери (ρ) відомим співвідношенням Da~Т1/2/ρ, і початкового радіуса метеорного сліду (r0), пов'язаного зі щільністю атмосфери (ρ) співвідношенням r0~1/ρ), у різних за кутом місця напрямках (β), одержання залежності вимірюваного параметра від кута місця β, побудови залежності logDa I lgr0 від lgβ, визначення величини (Da)і r0 при кутах β=90° i β=0°, і обчислення коефіцієнта анізотропії Kа за формулою Ka=Dг/Dв або Kа=r0г/r0в, де Dг і r0г - значення величин, знайдених для горизонтального напрямку, Dв і r0в - відповідно знайдених для вертикального напрямку. Недоліком такого способу є те, що за його допомогою коефіцієнт анізотропії температури і щільності атмосфери вимірюється побічно, тобто через вимірювання величин (Da) і r0, причому для вертикальної площини, крім того, цей спосіб може бути застосований тільки при радіолокаційному спостереженні іонізованих метеорних слідів, що, як відомо, спостерігаються на чітко обмеженому діапазоні висот (80-100км). Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого винаходу є спосіб вимірювання коефіцієнта анізотропії температури [И.А. Делов, Н.И. Слипченко. Результаты экспериментальных исследований анизотропии молекулярных процессов атмосферы с помощью акустического зондирования. «Прикладная радиоэлектроника», 2004, том 3, №3, С.27-36.] за фазою акустичної хвилі, розсіяної температурними неоднорідностями при моностатичному імпульсному зондуванні атмосфери одночасно (або по черзі) у двох (або декількох напрямках) за кутом місця β, шляхом екстраполяції отриманої залежності різниці фаз ехо-сигналів від кута місця для значень β=90° і β=0°, визначення за отриманим значенням різниці фаз, різниці температур відповідно до відомого зв'язку фази звукової хвилі з температурою атмосфери та обчислення коефіцієнта анізотропії температури повітря за формулою Kа= Т1/Т2, де T1 - температура повітря, знайдена для горизонтального напрямку, а Т2 - для вертикального. Недоліком даного способу вимірювання коефіцієнта анізотропії KT температури повітря є те, що він визначається на підставі температури (Т°), отриманої непрямим чином за обмірюваною фазою акустичного ехо-сигналу, крім того, температура повітря для горизонтального напрямку визначається шляхом екстраполяції обмірюваної залежності температури повітря при малих значеннях кутів α (α - кут між вертикальним і горизонтальним напрямком зондування), до значень кутів α=90°, а також те, що цей спосіб не може бути застосований для вимірювання анізотропії температури у приземному шарі Землі біля її поверхні, причому цей спосіб призначений для вимірювання коефіцієнта анізотропії температури повітря у вертикальній площині. В основу винаходу способу вимірювання анізотропії температури повітря покладена задача підвищити вірогідність і точність вимірювання коефіцієнта анізотропії температури повітря KT, а також розширити можливості способу за рахунок безпосереднього вимірювання температури повіт 88977 4 ря одночасно чотирма термометрами, встановленими на двох взаємно перпендикулярних напрямках у горизонтальній площині, які дискретно й одночасно повертаються в горизонтальній площині на 90° після кожного вимірювання. Ця задача вирішена в такий спосіб. У способі вимірювання анізотропії температури повітря, що включає в себе одночасне визначення температури повітря у двох взаємно перпендикулярних напрямках (наприклад, у горизонтальному і вертикальному) і обчислення за знайденим значенням температури коефіцієнта анізотропії температури KT за формулою KT=Т1/Т2, де T1 - температура повітря для горизонтального напрямку, а Τ2 - для вертикального напрямку, згідно з винаходом, хаотичну швидкість молекул повітря вимірюють безпосередньо й одночасно чотирма датчиками, встановленими на двох взаємно перпендикулярних напрямках (у горизонтальній площині) так, що один з них вимірює хаотичну швидкість молекул, які летять праворуч, другий для молекул, які летять ліворуч, третій - для молекул, які летять перпендикулярно першому напрямку праворуч, четвертий - для молекул, які летять перпендикулярно першому напрямку ліворуч, причому після одночасного вимірювання хаотичної швидкості молекул повітря для зазначених чотирьох напрямків, напрямок вимірювання хаотичної швидкості молекул повітря дискретно змінюється на 90° (за годинниковою або проти годинникової стрілки) для 360° і для кожного повороту відбувається одночасне вимірювання хаотичної швидкості молекул повітря для зазначених чотирьох напрямків, потім за обмірюваним у такий спосіб значенням хаотичної швидкості молекул для кожного датчика обчислюються коефіцієнти анізотропії хаотичної швидкості молекул повітря (Κn1, Kn2, Kn3) за формулами: Κn1 =n1/n2. де n1 - хаотична швидкість молекул, які летять праворуч для однієї осі, n2 - хаотична швидкість молекул, які летять ліворуч для цієї самої осі; Kn2=n3/n4, де n3 - хаотична швидкість молекул, які летять праворуч для іншої осі, n4 - хаотична швидкість молекул, які летять ліворуч для цієї самої осі; Κn3=n5/n6 , де n5 - середньоарифметичне значення хаотичної швидкості молекул для однієї осі, а n6 - середньоарифметичне значення хаотичної швидкості молекул, обмірюване для іншої осі, причому площина, в якій вимірюється анізотропія хаотичної швидкості молекул, може плавно змінювати кут місця β від 0 до 180°. Розглянемо спосіб більш докладно. На Фіг.1 наведена функціональна схема пристрою, за допомогою якого можна реалізувати запропонований спосіб. На Фіг.2а,б подано часові залежності хаотичної швидкості молекул повітря ν (вірніше, опір термістора RΩ, обернено пропорційний хаотичній швидкості молекул повітря), обмірювані двома датчиками, встановленими на осі, зорієнтованій у напрямку горизонтального вітру, так, що спочатку хаотична швидкість молекул вимірювалась одним датчиком, спрямованим проти вітру, а іншим, спрямованим за вітром. Потім напрямок осі змінювався на 180°, і проводилися такі самі вимірюван 5 ня. Таким чином, кожен датчик вимірював хаотичну швидкість молекул, які летять за вітром і проти вітру. У цьому випадку для того, щоб оцінити розходження хаотичної швидкості молекул, які летять за вітром і проти вітру, не було потрібно додаткових калібрувань датчиків, оскільки тим самим датчиком вимірялася хаотична швидкість молекул, які летять за вітром і проти вітру. При цьому підвищувалася надійність результатів, оскільки вони отримувались двома незалежними датчиками. Подані на Фіг.2,а,б залежності отримані 19.06.2007р. на полігоні на висоті 1,5м при температурі 27°С, при ясній погоді і невеликому вітрі. Тут · - швидкість молекул, які летять за вітром; Å швидкість молекул, які летять проти вітру. Як випливає з Фіг.2, величина хаотичної швидкості молекул, які летять проти вітру, обмірювана двома датчиками, виявилася більше, ніж за вітром. На Фіг.3 наведені часові залежності хаотичної швидкості молекул повітря, обмірювані чотирма датчиками, розташованими на кінцях двох взаємно перпендикулярних осей у горизонтальній площині, причому одна з осей була спрямована в напрямку горизонтального вітру, інша - перпендикулярно цьому напрямкові. Датчики одночасно дискретно поверталися на 90° через кожні 2 хвилини. Результати отримані 12.09.2007р. при невеликому вітрі, високій хмарності і температурі повітря 15°С на висоті 1,5м. На Фіг.3 подані дані, отримані за допомогою одного датчика. Тут: · - швидкість молекул, які летять за вітром; Å - швидкість молекул, які летять проти вітру; + - швидкість молекул, які летять перпендикулярно напрямку вітру в одному напрямку; Δ - швидкість молекул, які летять перпендикулярно напрямку вітру в протилежному напрямку; О усереднене значення швидкості молекул, які летять перпендикулярно напрямку вітру. Характерною рисою наведених на Фіг.3 результатів є: по-перше, як і на Фіг.2, тут також хаотична швидкість молекул, які летять за вітром, виявилася менше швидкості молекул, які летять проти вітру; по-друге, швидкості молекул, які летять перпендикулярно напрямку вітру, виявилися більше швидкостей молекул, які летять за вітром. Таким чином, подані на Фіг.2 і Фіг.3 експериментальні дані підтверджують ефективність способу в конкретному прикладі під час оцінювання анізотропії хаотичної швидкості молекул атмосфери в горизонтальній площині у горизонтальному вітровому потоці. Суть способу полягає в наступному. За допомогою пристрою, поданого на Фіг.1, чотирма спеціальними датчиками, встановленим на кінцях двох взаємно перпендикулярних осей, розташованих у горизонтальній площині, вимірюють хаотичну швидкість молекул одночасно чотирма датчиками, один з яких вимірює хаотичну швидкість молекул, які летять праворуч, другий для молекул, які летять ліворуч, третій - для молекул, які летять перпендикулярно першому напрямку праворуч, четвертий - для молекул, які летять перпендикулярно першому напрямку ліворуч, при 88977 6 чому, після одночасного вимірювання хаотичної швидкості молекул для зазначених чотирьох напрямків, напрямок вимірювання хаотичної швидкості молекул повітря дискретно змінюється на 90° (за годинниковою або проти годинникової стрілки) для 360°, і після кожного повороту відбувається одночасне вимірювання хаотичної швидкості молекул повітря для зазначених чотирьох напрямків. Потім, оскільки кожен датчик вимірює хаотичну швидкість молекул для чотирьох напрямків, за обмірюваним у такий спосіб значенням хаотичної швидкості молекул для кожного датчика обчислюються коефіцієнти анізотропії хаотичної швидкості молекул повітря (Κn1, Kn2, Kn3) за формулами: Κn1 =n1/n2. де n1 - хаотична швидкість молекул, які летять праворуч для однієї осі, n2 - хаотична швидкість молекул, які летять ліворуч для цієї самої осі; Κn2=n3/n4, де n3 - хаотична швидкість молекул, які летять праворуч для іншої осі, n4 - хаотична швидкість молекул, які летять ліворуч для цієї самої осі; Κn3=n5/n6, де n5 - середньоарифметичне значення хаотичної швидкості молекул для однієї осі, a n6 середньоарифметичне значення хаотичної швидкості молекул, обмірюване для іншої осі. Таким чином, для кожного датчика за обмірюваним ним значенням хаотичної швидкості молекул для чотирьох напрямків обчислюються зазначені вище коефіцієнти анізотропії хаотичної швидкості молекул повітря (Κn1, Kn2, Kn3) для чотирьох датчиків, що значно підвищує надійність і точність результатів вимірювань, оскільки в даному випадку виходять чотири незалежних результати, причому, одночасно, і при цьому площина, у якій вимірюється анізотропія хаотичної швидкості молекул, може плавно змінювати кут місця β від 0 до 180°. Розглянемо пристрій для реалізації пропонованого способу, функціональна схема якого наведена на Фіг.1, що містить блок датчиків хаотичної швидкості молекул - 1, що містить чотири датчики хаотичної швидкості молекул - 2, 3, 4, 5, виходи яких приєднані до входу вимірника хаотичної швидкості молекул - 6, вихід якого приєднаний до входу ЕОМ - 7, вихід якої приєднаний до вимірника хаотичної швидкості молекул - 6 і до поворотного пристрою - 8, вихід якого приєднаний до входові блокові датчиків - 1. Розглянемо роботу пристрою. Пристрій містить штатив із платформою для кріплення датчиків у горизонтальній площині. За командою з ЕОМ (7) встановлюється вихідний напрямок блока датчиків хаотичної швидкості молекул (1) для вимірювання хаотичної швидкості молекул у заданому напрямку, потім по команді з ЕОМ (7) за заданою програмою послідовно дискретно через 90° відбувається вимірювання хаотичної швидкості молекул для кожного напрямку одночасно чотирма датчиками і за обмірюваними даними обчислюються необхідні коефіцієнти анізотропії хаотичної швидкості молекул повітря для одержання часових залежностей величин KT. Швидкість дискретного повороту блока датчиків для чергового вимірювання хаотичної швидкості молекул визначається інерційністю датчиків. Як датчики можуть бути використані різні елементи (резистори, термістори і багато інших в за 7 лежності від цілей проведених вимірювань). Як резисторні датчики можуть бути використані дротові (із золота, платини, міді й інших металів), а також на іншій основі. Як випливає з вищесказаного, пропонований спосіб, по-перше, дозволяє проводити вимірювання анізотропії хаотичної швидкості молекул атмосфери в тих випадках, коли дистанційні способи виявляються непридатними (наприклад, у поверхні Землі), по-друге, пропонований спосіб дає можливість одержувати більш надійні результати, оскільки, по-перше, вимірюється хаотична швидкість молекул атмосфери безпосередньо, причому, прямо для заданих напрямків, для яких обчис 88977 8 люється коефіцієнт анізотропії, по-друге, вимірювання хаотичної швидкості молекул відбувається одночасно чотирма датчиками, що підвищує надійність одержуваної інформації приблизно в чотири рази, і, нарешті, пропонований спосіб розширює можливості вимірювання анізотропії хаотичної швидкості молекул одночасно. Він дозволяє одержувати якісно нові відомості про анізотропію - наприклад, дозволяє вимірювати анізотропію температури повітря, пов'язану з горизонтальним вітром, а також дозволяє вимірювати анізотропію температури в будь-якій площині, нахил якої до горизонту може змінюватися від 0° до 180°. 9 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 88977 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601