Лекция №14

Технические характеристики ОРЗ.

1. Предел измерения концентрации озона от 0 до 800 мкм³;

2. Погрешность измерений – не более 20% от измеряемой величины;

3. Условие эксплуатации гПа, , %, ускорение силы тяжести , скорость ветра 8 м/с.

Интервал значения концентрации озона, полученной при измерениях, составляет не менее 500 метров.

Рассмотрим блок – схему ОРЗ:

;

- это контрольное нагрузочное сопротивление;

1 – электрохимическая ячейка;

2 – усилитель постоянного тока;

3 – электронный коммутатор;

4 – источник питания;

5 – ПСЧ;

6 – СВЧ АГ;

7 – ГСИ.

Перед полетом производится градуировка (1) , изменяя величину переменного сопротивления на входе электронного усилителя постоянного тока, и получая различную величину тока, проходящего через нагрузочное сопротивление, таким образом, имитируется сигнал от (1), строится график зависимости частоты ПСЧ от величины тока. Коммутатор работает в следующем режиме: .

F

Зная величину объема (см³) и величину тока (I, мкА), проходящего через ячейку, можно определить плотность озона:

, где – это время в секундах за один полный цикл измерений от опорной до опорной. Недостаток данного озонозонда: требуется контроль за количеством воздуха, протекающего через (1).

Хемолюминесцентный озонозонд.

Принцип действия основан на люминесценции (свечении вещества). Для этих целей используются такие вещества как люминал, родамин, которые под действием озона излучают световой поток. Чем выше концентрация озона, тем интенсивнее свечение. Основанный на этом принципе ОРЗ ХЛ разрабатываются в виде приставок к серийным радиозондам. Первичный преобразователь преобразует озон в световой поток. Основой такой приставки является люминофор. Рассмотрим блок-схему:

1 – люминофор (родамин);

2 – ФЭУ;

3 – измерительный преобразователь;

4 – СВЧ АГ;

5 – ГСИ;

6 – электронный коммутатор;

7 – источник питания;

8 – согласующее устройство.

В (3) под действием напряжение (или тока) будет меняться частота, пропорциональная интенсивности свечения люминофора. Параметры температуры и влажности измеряются по стандартной схеме, путем подключения с помощью (6) датчиков и .

В качестве приемника, принимающего световые сигналы излучения люминофора, используется ФЭУ. Необходима прокачка и контроль исследуемого воздуха, который подается с помощью насоса. Чувствительным веществом служит родамин, который обладает люминесцирующим излучением, независящим от влажности воздуха. Этот датчик малоинерционен, нечувствителен к другим ингредиентам воздуха (NO₂, SO₂, Cl и т.д.).

Дискретность измерения несколько точек на 1 км объема.

Ракетное зондирование атмосферы.

Все ранее рассмотренные методы позволяют получить метеорологическую информацию до высоты 30-35 км. Для исследования атмосферы верхних слоев используются как косвенные, так и прямые методы измерения. При использовании косвенных методов:

1) проводится наблюдение за метеоритами, сгорающими в атмосфере;

2) за полярными сияниями;

3) за сумеречным небом.

Особенности косвенных методов:

1) нерегулярность наблюдений;

2) невозможность получения всей информации по высотам;

3) неточные измерения и анализ.

Прямые методы: для их реализации была создана система ракетных измерений. Для обработанных данных была сформирована модель зондирования. Ракета, достигнув верхней точки подъема, отделяется от специального контейнера, где расположены датчики. Контейнер спускается на парашюте и передает по телеметрическому каналу метеорологическую информацию (нисходящая система зондирования).

Мощные ракетные системы позволяют получать информацию о верхних слоях атмосферы до высот 200 – 250 км. До 200 км были разработаны геофизические ракеты М-12, до 100 км – специальные ракеты М-100, М-100Б, МР-06 (до 65-70 км).

Особенности ракетных измерений:

1) конструкция ракеты должна обеспечить доставку аппаратуры верхнюю точку траектории, при этом перегрузка может составлять от 10 до 50 g;

2) необходима специальная радиотелеметрическая система для измерения и передачи информации;

3) необходимо учесть искажающие факторы, влияющие на измерения метеовеличин;

4) необходимо учесть влияние начальных условий при запуске ракеты на производство наблюдений на высотах;

5) необходимо учесть эффективность взаимодействия датчика со средой.

I. Измерение параметров атмосферы как правило производится на пассивном участке спуска ракеты;

II. Измерение температуры и давления производится в носовой части ракеты, чтобы исключить газовыделения корпуса ракеты;

III. Наземный измерительный комплекс имеет систему стыковки с устройством преобразования измерительных параметров в форму удобную для автоматизации обработки

IV. Система автоматической обработки ракетных измерений унифицирована системой автоматической обработки данных зондирования.

V. По типу двигательных установок ракеты делятся на: одноступенчатые, двухступенчатые, и многоступенчатые.

VI. По виду горючего топлива двигатели делятся на жидко- и твердотопливные.

На ряду со стандартным измерением с помощью М-100, М-100Б, МР-06 температуры, давления, скорости и направления ветра, проводятся измерения параметров верхней стратосферы по специальным программам. Для измерения температуры, плотности, направления и скорости ветра, на ракете М-100Б используется надувная оболочка м, грамм, которая на высоте 100 км отделяется от ракеты и под действием ветра перемещается, передавая информацию по телеметрическому каналу. Дополнительно проводится измерение концентрации заряженных частиц и потока космических лучей. Измеряется концентрация малых газовых составляющих (МГС) атмосферы, таких как озон, водяной пар, атмосферный кислород, окись азота и т.д. Измеряются электрические характеристики верхней стратосферы.

Этапы взаимодействия датчиков со средой при ракетных измерениях.

1) Плотная среда (L – размер датчика, l – длина свободного пробега):

, где – коэффициент конвективного теплообмена между датчиком и средой.

Когда датчик движется в плотной среде с большой скоростью, то на границе раздела образуется пограничный слой полного торможения потока, набегающего на датчик.

Для связи условий взаимодействия датчика со средой вводится число Маха.

- показывает во сколько раз скорость движения датчика больше скорости звука.

Для характеристики среды при анализе уравнений термодинамики вводится число «дзета»: .

2) Течение со скольжением (область спина): .

При этих условиях часть молекул может проскальзывать вдоль датчика и это усложнит процесс измерения. Это приводит к тому, что измеряются характеристики не всего потока, а его части.

3) Свободное молекулярное течение: .

Из-за большой разреженности среды редко молекулы среды взаимодействуют с датчиком, пограничного слоя нет, мы измеряем характеристики набегающих молекул. Температуры воспринимается как мера эквивалентная энергии молекул, а ни как мера температуры среды.

Все это надо учитывать при разработке датчиков.

Измерение давления при ракетных измерениях.

Одной из особенностей измерений является большой диапазон значений от 10⁵ до 10^-7 Па. Исходя из законов газовой динамики, весь диапазон можно условно разбить на три поддиапазона в зависимости от соотношения между характерными размерами первичного преобразователя (датчика) и длиной свободного пробега молекул.

В слое от 10⁵ до 10^-1 (0-60(70) км) действуют обычные законы газовой динамики .

(рис. 1)