Пристрій для вимірювання параметрів потоків розрідженого газу

Реферат: Пристрій містить в собі два магнітні електророзрядні вакуумметри (МЕВ), включені в загальну електричну схему живлення і вимірювання, осі вхідних отворів яких розташовані під кутом 90°. Повздовжня вісь одного з них співпадає з напрямом вектора швидкості набігаючого потоку розрідженого газу. МЕВ мають спільний феромагнітний корпус-магнітопровід, їх аноди складаються з установлених співвісно внутрішнього стрижневого і зовнішнього кільцевого. Кільцеві магніти виконано з двох ідентичних частин з проміжками між ними, а катод - у вигляді металевих циліндричних елементів, встановлених на внутрішніх поверхнях кільцевих магнітів в проміжку між ними. Повздовжні осі МЕВ співпадають, а корпус-магнітопровід встановлено в захисному екрані. Вхідні отвори виконано в захисному екрані та корпусі-магнітопроводі. UA 103452 C2 (12) UA 103452 C2 UA 103452 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до вимірювальної техніки і призначений для діагностики параметрів потоків розрідженого газу, зокрема тиску, щільності і температури нейтральних частинок в потоці іоносферної плазми космічного простору. На висотах (200-1000 км) верхня атмосфера Землі являє собою квазінейтральну розріджену низькотемпературну плазму, багатокомпонентну по хімічному складу та енергетичних складових (нейтрони, іони, збуджені системи і молекули). Статичний тиск на цих висотах 26 становить 10- 10- мм рт. ст. При русі по орбіті космічного апарата (КА) верхня атмосфера Землі є для нього набігаючим потоком, швидкість якого рівна швидкості руху КА по орбіті. Аеродинамічна дія, яка при цьому виникає, приводить до гальмування КА, зміни його просторової орієнтації, характеристик власної зовнішньої атмосфери і параметрів набігаючого потоку. Для діагностики розрідженого газу, що перебуває в спокої, використовуються, зокрема, магнітні електророзрядні вакуумметри (МЕВ) (ДСТУ 3711-98. Засоби вимірювань тиску. Терміни та визначення. - К.: Держстандарт України, 1998, 17 с), які являють собою іонізаційний вакуумметр, у якому струм електричного розряду в магнітному полі залежить від вимірюваного тиску. Основні характеристики та принцип дії МЕВ описано, наприклад, в [Кучеренко Е.Т. Справочник по физическим основам вакуумной техники / К.: Вища школа, 1981, 264 с; Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учебник для ВУЗов. - М.: 1990.-320 с]. МЕВ, як правило, мають металевий стрижневий анод і циліндричний коаксіальний йому катод, розміщені на одній осі, між катодом і анодом прикладено постійну електричну напругу ~ 6 кВ, а вся система розташована в однорідному магнітному полі напругою 1000-2000 ерстед. Під дією перехресних електричного та магнітного полів електрони в проміжку між анодом і катодом рухаються по траєкторіях, близьких до гіпоциклоїд, співударяються з молекулами газу, іонізують їх та втрачають енергію. Довжина траєкторії електрона в вакуумметрі в декілька разів перевищує відстань катод - анод, що забезпечує підтримку розряду при дуже низьких тисках (до 12 10- мм рт. ст.). n Калібрувальна залежність МЕВ має вигляд: Ір = сР , де Ір - розрядний струм, с - константа, Ρ - тиск. Показник ступеня n в залежності від виду газу має значення від 1,1 до 1,5 і не залежить від анодної напруги. Перевагами МЕВ є висока чутливість, можливість виміру високого та надвисокого вакууму і відсутність катода, що розжарюється. Це привело до широкого розповсюдження МЕВ з різними, залежно від призначення, конструктивними особливостями. Зокрема, вони описані в авторських свідоцтвах СРСР № 474718 від 12.03.73; № 977962 від 08.06.71; № 871005 від 28.01.80; патенті Російської Федерації № 2427813 від 15.06.2010 та ін. Широке розповсюдження отримали вакуумметри такого типу на основі перетворювача манометричного ПММ-32-1 (Преобразователь манометрический ПММ-32-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М., 1981, 17 с), наприклад, вакуумметри магнітні блокувальні ВМБ-8 і ВМБ-14 (ОКП: 438130 ОТМ 3.475.016 ТУ). Використовуються також МЕВ іноземної розробки й виробництва, наприклад, MP7ER та MP7FR фірми "Televac a Division of the Fredericks Company", США (Електронний ресурс. Режим доступу http://www.msht.ru/catalog/B09/) і AIM NW-25 і DN40CF (Електронний ресурс. Режим доступу http://www.invac.ru/catalogue/vcuummetry/vacuumyi datchik aim rus.p.) В описах деяких з визнаних винаходами вакуумметрів згадується про можливість їх використання для діагностики потоків розрідженого газу, однак технічні подробиці, які б дали можливість встановити сутність цих вимірів, не приведено. Так, "Магниторезонансный датчик давления" по А.С. СРСР 1203389 від 30.10.1984 "вносит малые возмущения при измерении давления в потоке разреженного газа", а "Магниторезонансный манометр" по А.С. СРСР № 871005 від 28.01.80 "позволяет существенно снизить погрешность измерения в потоке газа". Використовується МЕВ і в конструкції пристрою для вимірювання газових потоків по патенту Російської Федерації № 2246707 від 23.12.2003 розробки ЦНДІ РТК (РФ). Його призначено для виявлення потоків розрідженого газу, виміру їх концентрації й напрямку, зокрема в космонавтиці. Однак, про підтвердження існування фізичних явищ, які покладено в схему функціонування цього пристрою, практичну реалізацію для діагностики потоків розрідженого газу та його використання в натурних космічних експериментах інформація відсутня. 1 UA 103452 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Таким чином, недоліком технічних рішень-аналогів є те, що вони не здатні виявити наявність динамічного потоку розрідженого газу й діагностувати його параметри. З метою ліквідації цих недоліків були запропоновані схеми пристроїв, в яких використовувались два МЕВ, причому поздовжня вісь першого з них співпадала з напрямком вектора швидкості набігаючого потоку, а другого - була орієнтована перпендикулярно цьому вектору. При використанні таких пристроїв була показана можливість визначення щільності набігаючого потоку на фоні власної зовнішньої атмосфери КА. Інформацію про такі конструктивні схеми пристроїв для діагностики (вимірювання) параметрів потоків розрідженого газу верхньої атмосфери Землі наведено в ряді джерел, наприклад: 1. В.О. Шувалов, A.I. Приймак, О.Е. Чурилов Н.П. Резніченко. Инверсно-магнетронный преобразователь для диагностики потоков частично ионизированного газа // Приборы и техника эксперимента, 2001, № 2. - С. 1-3. 2. Александров В.В., Донской Л.А., Пылев В.П., Рабинович Б.А., Сергеев В.В., Янкелевич И.И. Исследование параметров разреженной атмосферы, окружающей космические аппараты при орбитальном полете / Сборник научных трудов: Робототехника и техническая кибернетика. - СПб, изд-во СПбГТУ, 1999. 3. Лизунов Г.В., Глемба В.И., Корепанов В.Е., Крючков Е.И., Лукенюк А.А., Скороход Т.В., Федоров О.П., Шувалов В.О. Космический эксперимент "Потенциал" на борту спутника "Сич-2" / Космічна наука і технологія.-2008. т. 14. - № 4. - С. 3-8. 4. Котенев В.Д., Незнамова Л.О., Пылев В.П., Рабинович Б.А., Розанов Л.Н. Исследование плотности и состава верхней атмосферы / Вакуумная техника и технология.-2009. - т. 19. - № 3. -С. 123-132. 5. Лизунов Г.В… Спутниковое исследование ионосферы Земли / Перспективы космических исследований Украины. - К.: Видавничий дім Академ. Періодика, 2011. - т. 14. - № 4, 240 с, . - С. 87-95. Всі пристрої, описані в цих джерелах, також є аналогами технічного рішення, що заявляється. Найбільш близьким по технічній сутності та досягаемому ефекту до пристрою, що заявляється, є технічне рішення, описане в [Шувалов В.О., Лукенюк А.А., Письменний Н.И., Кулагин С.Н. Зондовая диагностика околоспутниковой среды на ΚΑ "Сич-2" / Космічна наука і технологія.-2013. - т. 19. - № 1. - С 13-19.], яке вибрано як прототип. Пристрій-прототип являє собою детектор нейтральних частинок (датчик DN), який призначено для визначення та контролю параметрів нейтрального компонента високошвидкісного потоку розрідженої плазми в режимі беззіткнувального обтікання. Конструктивно він містить у собі як чутливі елементи два МЕВ. Поздовжні осі вхідних отворів МЕВ взаємно перпендикулярні. При вимірах поздовжня вісь вхідного отвору одного з МЕВ повинна бути паралельною, а другого - перпендикулярною вектору швидкості КА. Кожний МЕВ виконано згідно з конструктивною схемою, приведеною в [Шувалов В.А., Кочубей Г.С., Приймак А.И., Резниченко Н.П., Токмак Н.А., Лазученков Д.Н. Контактная диагностика высокоскоростных потоков разреженной плазмы / Теплофизика высоких температур.-2005. - т. 43. - № 3. - С. 343-353]. Пристрій-прототип показав високу надійність роботи в умовах космічного простору та необхідну функціональність, що забезпечило отримання достовірних даних про параметри набіжного потоку верхньої атмосфери Землі на борту КА "Січ-2", який запущено 17.08.2011 на геліосинхронну орбіту висотою 700 км та нахиленням 98°. Застосування цих датчиків на КА "Січ-2" з використанням розроблених авторами теорії процедур, аналізу та обробки вихідних сигналів приладів дозволило замкнути задачу діагностики нерівноважної розрідженої плазми та визначити повний комплекс локальних значень основних кінетичних параметрів, які характеризують стан близькосупутникового середовища. Однак, пристрій-прототип має деякі недоліки - порівняно великі габарити й масу, енергоспоживання та похибку вимірювання. Задача технічного рішення, що заявляється, - зменшення розмірів і маси, енергоспоживання, а також похибки вимірювання параметрів розрідженого газу, зокрема щільності, тиску й температури нейтральних частинок у потоці плазми космічного простору. Вирішення цієї задачі досягається тим, що пристрій для вимірювання параметрів потоків розрідженого газу, зокрема тиску, щільності і температури нейтральних частинок в потоці плазми космічного простору, який містить в собі два магнітні електророзрядні вакуумметри, 2 UA 103452 C2 5 10 15 20 25 включені в загальну електричну схему живлення і вимірювання, осі вхідних отворів яких розташовані під кутом 90°, поздовжня вісь одного з них співпадає з напрямом вектора швидкості набігаючого потоку розрідженого газу, магнітні електророзрядні вакуумметри мають спільний феромагнітний корпус-магнітопровід, їх аноди складаються з установлених співвісно внутрішнього стрижневого з двома дисками, перпендикулярними поздовжній осі, та зовнішнього кільцевого, що охоплює частину внутрішнього анода, розташовану між дисками, кільцеві магніти виконано з двох ідентичних частин, встановлених коаксіально внутрішньому аноду з проміжком між ними, катод виконано у вигляді металевих циліндричних елементів з плоскою відбортовкою, встановлених на внутрішніх поверхнях кільцевих магнітів в проміжку між ними, поздовжні осі анодів магнітних електророзрядних вакуумметрів співпадають, корпус встановлено в захисному феромагнітному екрані, а вхідні отвори виконано в корпусі-магнітопроводі і захисному екрані. Конструкція технічного рішення, що заявляється, пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 показано вертикальний розріз, Фіг. 2 - вигляд збоку, а Фіг. 3 - вигляд зверху пристрою для вимірювання параметрів потоків розрідженого газу. Він містить в собі спільний для двох МЕВ корпус-магнітопровід 1, внутрішній стрижневий 2 і зовнішній кільцевий 3 аноди, кільцеві магніти 4 і 5, катод 6, захисний феромагнітний екран 7 та вхідні отвори 8 і 9. Конструктивне виконання анодів і катода, їх взаємне розміщення в спільному феромагнітному корпусі-магнітопроводі, забезпечує найбільш оптимальну конфігурацію й параметри електричного і магнітного полів в розрядних проміжках, яка приводить до високої чутливості, малої маси, енергоспоживання і малої похибки вимірів пристрою. Пристрій працює в наступний спосіб. Між анодами і катодом прикладається електричне поле напругою ~6 кВ, а кільцеві магніти створюють магнітне поле напругою ~2000 ерстед. Газ в порожнині пристрою знаходиться в рівновазі, яка не порушується потоком частинок, які влітають через вхідний отвір. Тиск газу в порожнині визначається виразом pp  n w / n Sn cosSn ,1  , , (1) де Pn=NnkTn - тиск нейтрального компонента в незбуреному потоці плазми, Tw - температура стінок корпуса пристрою, 30   2   exp S n cos 2   S n cos 1  erfSn cos  , 2 x  z2  e dz 0 - інтеграл імовірності, θ - кут між вектором швидкості Ux і нормаллю до площини вхідного отвору n, erfx  S n  U x / 2kn /  n 35 - швидкісне відношення потоку нейтральних частинок, Ψ = W(Sn, 1,θ)/W(0,1), W(Sn, 1,θ) - коефіцієнт Клаузінга для частинок, що надходять в порожнину через вхідний отвір, W(0, 1) - коефіцієнт Клаузінга для частинок, які виходять з порожнини, 1= / Lch dch· Для двох МЕВ при θ1=0 і θ2=π/2 з (1) випливає 1   w1 / w 2 1Sn  1 2  2 i (2) 2  n w1 / w 2  2 . (3) 40 В іоносфері при Sn  2,5 з (2) і (3) отримаємо співвідношення для визначення температури Тn і концентрації Nn нейтральних частинок в плазмі низької щільності: 2  2  w1 1 n         1  w2 2 (4)  n  1 / k w1  1 , або (5)  n  2 / k n w 2  2 . (6) 45 0,5  U x 2 n / k . Тут В1=B(Sn, θ1=0), P1=Pnρ(θ1=0), Ρ2=Ρnρ(θ2 = π/2),  Залежності функцій Ψ1(Sn, 1, θ1=0) і Ψ2(8η,1,02 =π/2) приведено в [Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А., Свирщевский С.Б. Экспериментальные методы в механике разреженных газов. - М.: Машиностроение, 1981.-200 с]. 3 UA 103452 C2 5 10 15 20 Індивідуальна характеристика МЕВ для нейтрального компонента має вигляд [Вакуумная техника. Справочник / Фролов Б.С., Минайчев В.Е., Александров А.Т. и др. - М.: Машиностроение, 1985.-360 с] b P=a(qjIc) , (7) де Ρ - тиск навколишнього середовища, Іс - струм розряду МЕВ, a, b - постійні МЕВ, qj коефіцієнт чутливості МЕВ для частинок сорту j. Співвідношення (4) - (6) дозволяють оцінити по вихідних сигналах пристрою значення параметрів Sn, Tn і Nn нейтрального компонента потоку іоносферної плазми. Запропонований пристрій був розроблений та виготовлений, має масу ~1,264 кг і розміри 117100100 мм, енергоспоживання - не більше 2 Вт, похибка вимірювання не перевищує ±15 %, покращено параметри розряду в іонізаційній камері, мінімізовано вплив технологічних факторів, що погіршують параметри розряду, таких як стабільність, амплітуди вихідних сигналів (струм, напруга та ін.), зменшено вплив газовиділення на струм розряду; спрощено конструкцію, значно зменшено габаритні розміри і масу, покращено магнітні характеристики, збільшено міцність і надійність магнітної системи. В наземних умовах на плазмодинамічному стенді [Шувалов В.А., Кочубей Г.С., Приймак А.И., Резниченко Н.П., Токмак Н.А., Лазученков Д.Н. Контактная диагностика высокоскоростных потоков разреженной плазмы / Теплофизика высоких температур.-2005. - т. 43. - № 3. - С. 343353] було перевірено працездатність пристрою, що пропонується, до патентування, отримано його калібрувальну характеристику. Пристрій підготовлено до натурних випробувань в умовах космічного простору для вирішення задач діагностики іоносферної плазми на КА "Іоносат-Мікро" (Україна). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Пристрій для вимірювання параметрів потоків розрідженого газу, зокрема тиску, щільності і температури нейтральних частинок в потоці плазми космічного простору, який містить в собі два магнітні електророзрядні вакуумметри, включені в загальну електричну схему живлення і вимірювання, осі вхідних отворів яких розташовані під кутом 90°, поздовжня вісь одного з них співпадає з напрямом вектора швидкості набігаючого потоку розрідженого газу, який відрізняється тим, що магнітні електророзрядні вакуумметри мають спільний феромагнітний корпус-магнітопровід, їх аноди складаються з установлених співвісно внутрішнього стрижневого з двома дисками, перпендикулярними поздовжній осі, та зовнішнього кільцевого, що охоплює частину внутрішнього анода, розташовану між дисками, кільцеві магніти виконано з двох ідентичних частин, встановлених коаксіально внутрішньому аноду з проміжком між ними, катод виконано у вигляді металевих циліндричних елементів з плоскою відбортовкою, встановлених на внутрішніх поверхнях кільцевих магнітів в проміжку між ними, поздовжні осі анодів магнітних електророзрядних вакуумметрів співпадають, корпус встановлено в захисному феромагнітному екрані, а вхідні отвори виконано в корпусі-магнітопроводі і захисному екрані. 4 UA 103452 C2 5 UA 103452 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6