Датчик Невзорова

Датчик с нагретой проволокой (англ. hot-wire probe), датчик Невзорова (англ. Nevzorov probe) 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.

Измерительная головка датчика с нагретой проволокой
(NASA, 1973 год)

Блок электронного оборудования
(NASA, 1973 год)

Принцип действия

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.

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.

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

${\frac {P_{t}-P_{0}}{[L_{v}+(T_{e}-T_{a})]V_{a}LD\epsilon }}$

где:

$P_{0}$ — конвективная потеря тепла из-за потока сухого воздуха,

$P_{t}$ — полная потеря тепла,

$L_{v}$ — теплота испарения,

$T_{e}$ — температура испарения воды,

$T_{a}$ — температура окружающего воздуха,

$V_{a}$ — скорость набегающего потока воздуха,

$S=LD$ — площадь поперечного сечения проволочного зонда,

$\epsilon$ — общая эффективность взаимодействия сенсора с капельной компонентой.

В 1980 году советский физик Анатолий Николаевич Невзоров уточнил, что в этой формуле в качестве параметра $T_{e}$ должна стоять «равновесная» температура, отвечающая за диффузионный перенос водяного пара.

История

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. 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. 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. 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

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. Это позволило их применять для калибровки измерений, сделанных с помощью радарных методов дистанционного зондирования облаков.

Источники

• Руководство по искусственному вызыванию осадков для охраны лесов от пожаров : РД 52.04.674-2006. — М. : Метеоагентство Росгидромета, 2006.
• W. D. King, D. A. Parkin, and R. J. Handsworth. A Hot-Wire Liquid Water Device Having Fully Calculable Response Characteristics : [англ.] // Journal of Applied Meteorology and Climatology. — 1978. — Vol. 17. — P. 1809–1813.
• A. V. Korolev, J. W. Strapp. The Nevzorov Airborne HotWire LWC – TWC Probe : Principle of Operation and Performance Characteristics : [англ.] // American Meteorological Society. — 1998. — Vol. 15 (December). — P. 1495–1510.
• A. Nevzorov. Aircraft cloud water content meter : [англ.] // Comm. a la 8eme conf. int. sur la phys. des nuages. — Clermont–Ferrand, France, 1980. — P. 701–703.
• C. M. Nguyen, M. Wolde, A. Korolev. Determination of Ice Water Content (IWC) in tropical convective clouds from X-band dual-polarization airborne radar : [англ.] // Atmospheric Measurement Techniques. — 2019. — 1 March. — doi:10.5194/amt-2019-62.
• D. Veal, W. Cooper, G. Vali, J. D. Marwitz. Some Aspects of Aircraft Instrumentation for Storm Research : [англ.] // Hail: A Review of Hail Science and Hail Suppression. — American Meteorological Society, 1977. — P. 237–255. — ISBN 978-1-935704-30-0. — doi:10.1007/978-1-935704-30-0.
• Airborne Measurements for Environmental Research : Methods and Instruments : [англ.] / M. Wendisch, J.-L. Brenguier. — Wiley-VCH, 2013. — ISBN 978-3-527-40996-9.