ES2837851T3 - Aparato de medición de vapor de agua - Google Patents
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Abstract
Aparato de medición de vapor de agua (10) con un dispositivo de entrada y salida (12) montable en un avión, así como con una línea de suministro (14), un sistema de medición con una cámara de medición (16) y una línea de descarga (16), en el que el dispositivo de entrada y salida (12) montable en un avión comprende una cabecera (21) con una entrada de aire (22), un eje (20) con una salida de escape de aire (30) y una sección de sujeción (24) para sujetar el dispositivo de entrada y salida (12) a un avión, en el que la entrada de aire (22) está espaciada de la sección de sujeción (24) de tal manera que la entrada de aire (22) está ubicada fuera de una capa de fricción alrededor de una superficie de un 10 avión cuando el dispositivo de entrada y salida (12) está montado en un avión en vuelo, en el que el dispositivo de entrada y salida comprende un inserto separable configurado para ser insertado en el eje (20) del dispositivo de entrada y salida (12), y que comprende una abertura de entrada y una primera sección de línea de suministro (44) en forma de un tubo de acumulación que está unido en línea recta a una segunda sección de línea de suministro (46) que sirve de línea de entrada del inserto (40), y que en comparación con el tubo de acumulación (44) que sirve como primera sección de línea de suministro, tiene un diámetro reducido y que está dimensionado de tal forma que la abertura de entrada (42) del tubo de acumulación (44) está posicionada en la vecindad de una abertura entre la cabecera (21) y el eje (20) del dispositivo de entrada y salida (12), y en el que el tubo de acumulación (44) está conectado con una conexión de línea de suministro (48) para la línea de suministro (14) a través de la línea de entrada (46), en el que el inserto comprende un tubo de revestimiento de salida que envuelve a la línea de entrada (46) y que está conectado con una conexión de línea de descarga (50) para la línea de descarga, en el que el inserto (40) comprende medios para conectar de manera separable el inserto (40) al eje (20) del dispositivo de entrada y salida (12), en el que la entrada de aire (22) está conectada a la conexión de línea de suministro (48) mediante el tubo de acumulación y la línea de entrada (46) para la línea de suministro (14) con el fin de guiar el aire que ingresa por la entrada de aire (22) a la cámara de medición (16) de un sistema de medición que, durante la operación, está ubicado en el interior de un avión. en el que la salida de escape de aire (30) está conectada mediante el tubo de revestimiento de salida (52) a la conexión de línea de descarga (50) para la línea de descarga (18), con el fin de guiar el aire que sale de la cámara de medición (16) a la salida de escape de aire (30) del dispositivo de entrada y salida (12), en el que la línea de suministro (14) está unida firmemente a la conexión de línea de suministro (48) del dispositivo de entrada y salida (12) y a una entrada de la cámara de medición (16), y la línea de descarga está conectada a una salida de la cámara de medición (16) y a la conexión de línea de descarga (50) del dispositivo de entrada y salida (12), y donde el sistema de medición está configurado para determinar el contenido de vapor de agua del aire en la cámara de medida (16), y donde el aparato de medición de vapor de agua comprende tanto un calentador de sonda (32) que está dispuesto en una cara frontal del dispositivo de entrada y salida (12) y/o en una paso o en la vecindad de un paso entre la entrada de aire (22) y el tubo de almacenamiento (44) como un calentador dispuesto en la línea de suministro hacia la cámara de medición (16).
Description
DESCRIPCIÓN
Aparato de medición de vapor de agua
La invención se refiere a un aparato de medición de vapor de agua con un dispositivo de entrada y salida de aire para suministrar aire de medición a un sistema para determinar el contenido de vapor de agua u otros aditivos gaseosos en el aire que rodea a un avión en vuelo.
En la siguiente descripción de esta invención, se hará referencia principalmente al gas "vapor de agua". El dispositivo de entrada y salida se puede utilizar, por ejemplo, para mediciones de humedad. Los aparatos de medición de vapor de agua para aviones son conocidos generalmente y típicamente tienen un dispositivo de entrada y salida (sonda de medición) que se utiliza para absorber aire del entorno de una aeronave y liberarlo nuevamente al entorno. El aire absorbido por el dispositivo de entrada y salida se suministra a través de una línea de suministro al sistema de medición en sí, en el que se determina el contenido de vapor de agua del aire. El sistema de medición al que se hace referencia aquí tiene una cámara de medición y está alojado dentro de la aeronave. Cuando la aeronave está en funcionamiento, el aire fluye permanentemente a través del dispositivo de entrada y salida y a través de la línea de suministro hacia y a través del sistema de medición con la cámara de medición y luego a través de la línea de descarga de regreso al dispositivo de entrada y salida y allí se libera nuevamente al entorno de la aeronave. El aire que fluye a través del sistema de medición también se denomina aire de medición.
De la publicación de C. A. M. Brenninkmeijer et al. “CARIBIC-Civil Aircraft for Global Measurement of Trace Gases and Aerosols in the Tropopause Region", Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, Tomo 16 Octubre 1999 (1999-10), páginas 1373-1383, XP055177635 se conoce un aparato de medida con un sistema de medida para la concentración de ozono, monózido de carbono, aerosoles y otros gases. El sistema de entrada tiene un cono de entrada calentado en el que se encuentras los extremos de dos líneas de entrada que conducen al interior de un avión. Un eje del sistema de entrada tiene una longitud de 25cm, de manera que los extremos de las líneas de entrada se encuentran fuera de la capa límite del avión. El sistema de entrada conduce al aire a uno contenedor en el interior del avión que contiene instrumentos de medida, para analizar el aire.
El objetivo de la invención es proporcionar un aparato de medición de vapor de agua mejorado con un dispositivo de entrada y salida de para suministrar aire de medición al aparato de medición de vapor de agua.
Según la invención, este objetivo se consigue mediante un aparato de medición de vapor de agua con un dispositivo de entrada y salida de aire montable en un avión, así como con una línea de suministro, con un sistema de medida con una cámara de medida y con una línea de descarga. El dispositivo de entrada y salida montable en un avión comprende una cabecera con una entrada de aire, un eje con una salida de aire. así como una sección de sujeción para sujetar el dispositivo de entrada y salida a un avión. La entrada de aire está a una distancia tal de la sección de sujeción, que la entrada de aire está situada fuera de una capa de fricción (capa límite) que rodea la superficie de un avión, cuando el dispositivo de entrada y salida está montado en un avión en vuelo. El dispositivo de entrada y de salida comprende un inserto separable, configurado para ser insertado en el eje del dispositivo de entrada y salida. El inserto comprende una abertura de entrada una primera sección de línea de suministro en forma de un tubo de acumulación que está unido en línea recta a una segunda sección de línea de suministro que sirve de línea de entrada del inserto, y que en comparación con el tubo de acumulación que sirve como primera sección de línea de suministro tiene un diámetro reducido. El inserto está dimensionado de tal forma, que la abertura de entrada del tubo de acumulación está posicionada en la vecindad de una abertura entre la cabecera y el eje del dispositivo de entrada y salida, y en el que el tubo de acumulación está conectado con una conexión de línea de suministro para la línea de suministro a través de la línea de entrada. El inserto comprende un tubo de revestimiento de salida que envuelve a la línea de entrada y que está conectado con una conexión de línea de descarga para la línea descarga. El inserto comprende medios para conectar de manera separable el inserto al eje del dispositivo de entrada y salida. La entrada de aire está conectada a la conexión de línea de suministro mediante el tubo de acumulación y la línea de entrada para la línea de suministro, con el fin de guiar el aire que ingresa por la entrada de aire a la cámara de medición de un sistema de medición que, durante la operación, está ubicado en el interior de un avión. Además, la salida de aire está conectada mediante el tubo de revestimiento de salida a la conexión de línea de descarga para la línea de descarga, con el fin de guiar el aire que sale de la cámara de medición a la salida de aire del dispositivo de entrada y salida. La línea de suministro está unida de manera firme a la conexión de línea de suministro del dispositivo de entrada y salida y a una entrada de la cámara de medición. La línea de descarga está conectada a una salida de la cámara de medición y a la conexión de línea de descarga del dispositivo de entrada y salida. El sistema de medición está configurado para determinar el contenido de vapor de agua del aire en la cámara de medida. El aparato de medición de vapor de agua comprende tanto un calentador de sonda que está dispuesto en una cara frontal del dispositivo de entrada y salida y/o en una paso o en la vecindad de un paso entre la entrada de aire y el tubo de almacenamiento, como un calentador dispuesto en la línea de suministro hacia la cámara de medición.
Los inventores han reconocido que es ventajoso alinear la entrada de aire de medición contra el flujo. Esto puede reducir el riesgo de que se forme condensación, lo que afectaría la medición del vapor de agua, es decir, a la determinación del contenido de vapor de agua del aire de medición. Esto se deriva del hecho de que aumenta la temperatura del aire de medición y, por tanto, también la diferencia del punto de rocío del aire de medición. Por tanto, no es necesario calentar la cámara de medición. Además, una distancia entre la abertura de entrada y la superficie del avión reduce el contacto con las partículas depositadas en el revestimiento exterior del avión. Además, se puede evitar la mezcla del aire de medición que ingresa al sistema de medición con el aire que sale de la cabina presurizada. Además, durante las operaciones de vuelo de un avión, se genera una diferencia de presión entre la entrada de aire y la salida de aire, lo que provoca el flujo de aire de medición. Además, el dispositivo de entrada y salida aumenta la densidad del vapor de agua a medir, como resultado de lo cual se reduce el umbral inferior de respuesta del sistema de medición. El dispositivo de entrada y salida evita que las partículas de agua superenfriadas se acumulen en la cara frontal de la abertura de entrada del dispositivo de entrada y salida que está expuesta al flujo del avión y, por tanto, pongan en peligro la seguridad del vuelo. Las inhomogeneidades en la densidad del gas de medición pueden evitarse porque la cámara de medición en el sistema de medición ya no tiene que calentarse por causa de un posible riesgo de condensación.
El dispositivo de entrada y salida debe colocarse preferiblemente dentro de una distancia de 3m a 5m detrás de la nariz del fuselaje de la aeronave, es decir, con la abertura de entrada fuera de la capa de fricción turbulenta (capa límite) que se encuentra alrededor de la aeronave. La capa de fricción alrededor de la aeronave es la capa límite de dinámica de fluidos del aire que fluye alrededor de la aeronave, que, como resultado de la fricción en la superficie del avión, tiene una velocidad menor que el aire que está más lejos. Dentro de la capa de fricción hay un intercambio de momento, calor y moléculas o partículas con la superficie de la pared de la aeronave. Dado que la abertura de entrada y, por tanto, la entrada de aire del dispositivo de entrada y salida está dispuesta fuera de la capa de fricción, el aire de medición que entra en el dispositivo de entrada y salida no se ve afectado por las propiedades de la superficie de la pared, como la humectación del agua o una fuga de la cabina presurizada aguas arriba.
Como resultado de la distancia entre la entrada de aire y la superficie exterior de la aeronave proporcionada según la invención, durante el funcionamiento de la aeronave, el aire se encuentra con la entrada de aire a aproximadamente la velocidad relativa que corresponde a la velocidad de la aeronave en relación con el aire, es decir, la velocidad del aire o Air-Speed. Durante el funcionamiento, el aire ambiente que se encuentra con la entrada de aire se ralentiza con respecto a la aeronave y, por lo tanto, se comprime, de modo que se calienta adiabáticamente debido al efecto de acumulación. El calentamiento depende de la presión de impacto imperante en la entrada de aire, que a su vez depende de la velocidad. Como resultado, el aire de medición es más cálido que el aire ambiente, por lo que se reduce el riesgo de condensación. Como resultado, se puede prescindir en gran medida de un calentamiento adicional del aire de medición, especialmente en la cámara de medición.
El dispositivo de entrada y salida de acuerdo también se denomina en lo sucesivo:
Ram Air Intake for Water Vapour Measurement (RAIWaM).
En aras de la simplicidad, a continuación se utiliza el acrónimo RAIWaM.
La parte de revestimiento exterior del RAIWaM puede ser una carcasa de medición de temperatura total común para aeronaves, que también se denomina carcasa TAT (TAT = Total air Temperature; temperatura total del aire), como se ha venido utilizado para mediciones de temperatura del aire hasta ahora. Sin embargo, las carcasas convencionales de este tipo para la medición de la temperatura del aire no tienen una línea de suministro y una línea de descarga y, en consecuencia, tampoco conexiones de línea de suministro y de descarga para la conexión a un sistema de medición para determinar el contenido de vapor de agua en el aire. El principio funcional aerodinámico y termodinámico de la carcasa TAT se describe en Stickney et al. (1994); véase. STICKNEY, T. M.; SHEDLOV, M.W., THOMPSON, D.I., 1994: Goodrich Total Temperature Sensors. Goodrich Corporation, Burnsville, Maine, Estados Unidos. Una posible variante de carcasa es la del tipo Rosemount®102 BX (o -BW), que contiene un elemento de medición de temperatura extraíble.
El calentamiento adiabático relacionado con la acumulación del aire de medición es de aproximadamente 30K en condiciones de Mach 0,85 y a una altura de 200 hPa. Incluso a velocidades y altitudes más bajas, el calentamiento adiabático asegura que la temperatura del aire esté siempre a una distancia suficiente del posible punto de rocío. La única excepción es cuando se vuela a través de nubes, lo que puede dar lugar a un valor superior al 100% cuando la relación de la mezcla de vapor de agua se convierte en humedad relativa. En última instancia, este valor siempre se puede utilizar como una indicación de la presencia de partículas de agua líquidas o sólidas, es decir, nubes o precipitación.
En una posible forma de realización del dispositivo de entrada y salida montable en un avión, la distancia entre el tramo de sujeción y la entrada de aire está comprendida entre 50 mm y 150 mm, en particular entre 80 mm y 100 mm.
El dispositivo de entrada y salida montable en un avión puede tener, por ejemplo, una distancia entre la sección de sujeción y la entrada de aire de 87 mm.
En una realización preferida del dispositivo de entrada y salida montable en un avión, el dispositivo de entrada y salida tiene una cabecera, un eje y una brida. El eje se extiende entre la brida y la cabecera y envuelve la línea de entrada. La cabecera tiene la entrada de aire en una cara frontal. La brida forma la sección de sujeción para sujetar el dispositivo de entrada y salida a un avión. Además, la cabecera puede encerrar un canal de flujo abierto en ambos lados, cuyo extremo delantero abierto es la entrada de aire y por el cual fluye el aire durante el funcionamiento y está dispuesto de modo que discurra aproximadamente paralelo al flujo presente durante el funcionamiento. Además, aguas debajo de la entrada de aire, la sección transversal interior del canal de flujo inicialmente se ensancha y luego se estrecha nuevamente hacia su extremo posterior abierto que forma un escape de aire. La línea de suministro puede extenderse desde una sección del canal de flujo en la que la sección transversal interna se agranda. Además el extremo posterior abierto del canal de flujo puede tener una sección transversal más pequeña que la entrada de aire. La sección transversal más pequeña en el extremo posterior abierto del canal de flujo crea una constricción de flujo que, cuando la aeronave está en vuelo, genera el aumento de presión que se produce al entrar en la ruta de velocidad reducida relativa y, por lo tanto, el calentamiento adiabático del aire de medición. La suma de la presión de impacto y la presión estática, es decir, la presión total y por tanto también el efecto de calentamiento adiabático, se mantienen a lo largo del canal de flujo o, en su caso, en toda la sección de medición hasta la constricción del flujo.
El dispositivo de entrada y salida que se puede montar en un avión tiene preferiblemente una abertura de entrada calentada. El calentador de sonda previsto preferiblemente para este propósito sirve para evitar la formación de hielo y está dispuesto preferiblemente en la cara frontal del dispositivo de entrada y salida.
El dispositivo de entrada y salida montable en un avión comprende un calentador dispuesto en la línea de suministro hacia la cámara de medición. El calentador dispuesto en la línea de suministro se utiliza para calentar el aire de medición antes de que entre en la cámara de medición para el proceso de medición y, por lo tanto, hace superfluo el calentamiento del aire de medición dentro de la cámara de medición. Es posible que el calentamiento adiabático del aire de medición provocado por el efecto de acumulación no se considere aún suficiente para evitar de forma fiable la formación de condensación. En este caso, el calentador se puede usar para calentar la línea de entrada entre el RAIWaM y el sistema de medición para así calentar el aire de medición. De manera correspondiente, según una variante de realización preferida, se puede prever que la línea de suministro a la cámara de medición presente un calentador para calentar el aire que fluye a través de la línea de suministro. Al colocar el calentador en la zona de la línea de suministro, es posible calentar el aire de medición lo suficiente antes de que ingrese en la cámara de medición para que el aire de medición no tenga que calentarse dentro de la cámara de medición y por lo tanto tenga una temperatura homogénea.
La cámara de medición del sistema de medición es preferiblemente una cámara de medición de absorción que permite determinar el contenido de vapor de agua, por ejemplo, mediante espectrometría de absorción.
En una aplicación ejemplar del RAIWaM para el sistema de medición tipo WVSS-II de SpectraSensors Inc., EE.UU., este dispone de una cámara de medición para la determinación del contenido de vapor de agua mediante espectrometría de absorción. La espectrometría de absorción es un método para determinar el contenido de vapor de agua en el aire. Una columna de aire de medición se ilumina por un haz de luz de medición, cuya absorción a una determinada longitud de onda refleja el grado de densidad del vapor de agua. Para el cálculo de un parámetro de humedad del aire físicamente conservador, como por ejemplo la relación de mezcla de la masa de vapor de agua, además de la densidad del vapor de agua, es necesaria la medición de la presión y la temperatura del contenido de la cámara. Esta última cantidad solo puede determinarse en un número finito de puntos de medición dentro de la cámara. Por esta razón, se requiere un campo de temperatura homogéneo para obtener un valor de temperatura representativo. El calentamiento directo de la cámara entraría en conflicto con este objetivo. El efecto de calentamiento adiabático del RAIWaM es un paso esencial para lograr el objetivo descrito.
Las mejoras alcanzadas o alcanzables por los dispositivos de entrada y salida y sus posibles realizaciones son:
- la condensación en el interior del dispositivo puede evitarse o al menos reducirse, sin necesidad de calentar por separado la parte central del sistema de medición, es decir, en el caso de usar método óptico en cámara de medición de absorción o dispersión,
- debido a que la entrada de aire del RAIWaM está fuera de la capa de fricción cuando se coloca de una forma aerodinámicamente correcta en el fuselaje del avión,
- las fugas de cabina en el área de entrada no causan interferencias,
- los depósitos de agua o hielo en la superficie exterior del avión en el área de entrada no influyen (sin efectos de memoria),
- debido al efecto de acumulación, una densidad de vapor de agua significativamente más alta que el aire exterior (hasta en un 50%) puede resultar, en última instancia, en una reducción del umbral inferior de respuesta del proceso de medición.
Para tener las propiedades especificadas (punto de entrada de aire fuera de la capa límite del cuerpo volante), la entrada de aire del RAIWaM debe estar a la misma distancia del morro del avión o del fuselaje que la que también debe observarse para los sensores de temperatura del avión.
La invención se refiere a un dispositivo de medición de vapor de agua con un dispositivo de entrada y salida, así como una línea de suministro, un sistema de medición con una cámara de medición y una línea de descarga. La línea de suministro está conectada firmemente a la conexión de línea de suministro del dispositivo de entrada y salida y a una entrada de la cámara de medición. La línea de descarga está conectada a una salida de la cámara de medición y a la conexión de línea de descarga del dispositivo de entrada y salida. El sistema de medición está configurado para determinar el contenido de vapor de agua del aire en la cámara de medición.
En una forma de realización preferida del dispositivo de medición de vapor de agua, la cámara de medición es una cámara de medición de absorción que permite determinar la humedad del aire mediante un espectrograma de absorción.
La invención incluye el conocimiento de que los dispositivos de medición de vapor de agua conocidos tienen las siguientes desventajas:
- El aire que fluye hacia la entrada de aire está previamente en contacto con la superficie del fuselaje aguas arriba. Dependiendo de su humectación con agua o hielo y la temperatura, pueden surgir efectos de inercia no reproducibles (también llamados Memory-effects; efectos de memoria).
- El aire de medición puede estar contaminado por el aire interior de la cabina enriquecido con vapor de agua debido a pequeñas fugas que se producen en la parte aguas arriba de la cabina presurizada. A medida que el avión envejece, pueden producirse fugas en puertas, ventanas, flaps, conectores, ejes del tren de aterrizaje y todas las uniones entre los componentes del fuselaje, por ejemplo, a través de signos de fatiga en las juntas de los extremos de las láminas de aluminio. Estas fugas no tienen importancia para las operaciones de vuelo, pero son fatales para la medición del vapor de agua. El efecto aumenta con la altitud, es decir, al aumentar la diferencia de presión entre la cabina y el entorno. El efecto depende principalmente del tipo y la antigüedad del avión. Sin embargo, también puede haber diferencias individuales entre aviones del mismo tipo. En principio, estos efectos de error, que siempre son posibles, no se pueden calibrar.
- El objetivo de diseño subyacente del dispositivo de entrada y salida anterior, el llamado "Air Sampler" (parte del sistema WVSS-II de SpectraSensors Inc., EE. UU.), a saber, mantener la presión ambiental del avión (presión estática), ha demostrado ser una desventaja. Si la humedad relativa del aire ambiente se acerca al 100%, puede producirse condensación en la parte interior del recorrido del aire de medición (tubos, piezas de transición y cámara de absorción), lo que tiene un impacto decisivo en el proceso de medición. Hay dos razones para esto:
- El “Air Sampler” se puede colocar en un punto del avión que tenga una presión negativa causada por el flujo. El enfriamiento adiabático que está directamente asociado con esto alcanza rápidamente el punto de rocío a niveles más altos de humedad.
- La inercia térmica de las paredes internas del conducto de aire de entrada y la cámara de absorción asegura cause que se baje del punto de rocío durante el descenso, es decir, la durante la transición de condiciones más frías a más cálidas.
Los dos últimos efectos mencionados a menudo provocan una formación indeseable de condensado dentro de las líneas de aire de medición y sobre todo dentro de la cámara de medición de absorción.
Es ventajoso que la carcasa TAT del RAIWaM se pueda calentar (aproximadamente 300 W) para evitar el riesgo de formación de hielo en la sonda que ponga en peligro al avión.
Según una variante de realización preferida, el RAIWaM tiene una carcasa TAT, cuyo elemento de medición de temperatura se reemplaza por un inserto fabricado especialmente. Las condiciones aerodinámicas y termodinámicas
se describen en Stickney et al. (1994). El inserto tiene un tubo de acumulación como la primera sección de línea de suministro, que está configurado para su inserción en el eje del dispositivo de entrada y salida y que está dimensionado de tal manera que una abertura de entrada del tubo de acumulación se encuentra cerca de la abertura entre la cabecera y el eje del dispositivo de entrada y salida. El tubo de acumulación está conectado a través de una línea de entrada que sirve de una segunda sección de línea de suministro a una conexión de línea de suministro para la línea de suministro.
El inserto tiene preferiblemente una tubo de revestimiento de salida que envuelve la línea de entrada y que está conectado a una conexión de línea descarga para la línea de descarga. El inserto también comprende medios para conectar de manera separable el inserto al eje del dispositivo de entrada y salida. El tubo de revestimiento de salida puede tener además aberturas o ranuras de salida que están dispuestas en o cerca del paso entre la primera sección de línea de suministro y la segunda sección de línea de suministro y que están configuradas para descargar un fluido, por ejemplo, el aire de medición de la tubería de revestimiento de salida. En una realización preferida del inserto, la primera sección de línea de suministro tiene una sección transversal mayor que la suma de las secciones transversales de la segunda sección de línea de suministro y el tubo de revestimiento de salida que rodea la segunda sección de línea de suministro. En un estado insertado con el inserto en el eje del dispositivo de entrada y salida, se crea un espacio alrededor del tubo de revestimiento de salida, lo que facilita la eliminación del aire de las ranuras de salida.
La invención se explicará ahora con más detalle con referencia a una realización que utiliza las figuras. Las figuras son:
Fig. 1: una vista esquemática de un dispositivo de medición de vapor de agua con un dispositivo de entrada y salida de aire con un inserto para la conexión a un sistema de medición de vapor de agua
Fig. 2: una vista externa en perspectiva del dispositivo de entrada y salida
Fig. 3a: una representación cortada del diagrama básico del dispositivo de entrada y salida para explicar la función del RAIWaM
Fig. 3b: una vista en perspectiva parcial de un inserto y
Fig. 4: una vista en perspectiva parcialmente cortada del inserto en el dispositivo de entrada y salida como un RAIWaM para conectar el dispositivo de entrada y salida a un sistema de medición dispuesto en el interior del avión.
Fig. 1 muestra una vista de un dispositivo de medición de vapor de agua 10 con un dispositivo de entrada y salida 12 que sirve como RAIWaM con un eje 20 que sirve como brazo. Un inserto 40 se inserta en el dispositivo de entrada y salida 12, por medio del cual el dispositivo de entrada y salida 12 está conectado a una cámara de medición 16 de un sistema de medición a través de una línea de suministro 14 y una línea de descarga 18. El inserto 40 es extraíble.
El dispositivo de medición de vapor de agua 10 comprende así una sonda de medición 12 como un RAIWaM en forma de carcasa TAT. Además, el dispositivo de medición de vapor de agua 10 tiene un primer conducto de aire como línea de suministro 14, una cámara de medición 16 con el sistema de medición en sí de vapor de agua y un segundo conducto de aire como línea de descarga 18 a través de los cuales fluye el aire de medición uno tras otro durante el funcionamiento. La línea de suministro 14 se extiende desde la carcasa TAT 12 (sonda de medición 12) hasta una entrada de la cámara de medición de la cámara de medición 16. La línea de descarga 18 se extiende desde una salida de la cámara de medición de la cámara de medición 16 de regreso a la carcasa TAT 12.
La carcasa del TAT 12 tiene un eje 20 a modo de brazo, en un extremo del cual se proporciona una cabecera 21 de forma aerodinámica con una entrada de aire o admisión de aire 22 y en el que el otro extremo es un extremo de fijación en forma de brida 24 para la fijación a una aeronave.
El eje 20 está dimensionado de tal manera que la entrada de aire 22 como admisión de aire está situada la región de los primeros pocos metros detrás del morro del avión durante las operaciones de vuelo, fuera de una capa límite de dinámica de fluidos alrededor de la aeronave en vuelo, a la que está unido el dispositivo de entrada y salida 12.
La Fig. 3 ilustra la estructura interna y la función de todo el dispositivo de medición, incluido el RAIWaM. La cabecera 21 incluye un canal de flujo 26 que está abierto por ambos lados y cuyo extremo delantero abierto es la entrada de aire 22. El extremo posterior abierto del canal de flujo 26 forma una salida de aire 28. Entre la entrada de aire 22 y la salida de aire 28, la sección transversal interior del canal de flujo 26 inicialmente se expande y luego disminuye de nuevo hacia la salida de aire 28. La salida de aire 28 tiene una sección transversal más pequeña que la entrada de aire 22.
La línea de suministro 14 comienza allí donde el canal de flujo 26 una sección transversal interna agrandada. La línea de descarga 18 está conectada en conexión de fluido a una salida de escape de aire 30 que está dispuesta en un borde trasero del eje 20
El canal de flujo 26 está alineado con respecto al eje 20 o lo que es lo mismo, con respecto a su brida 24, de manera que discurre aproximadamente en paralelo a la dirección de flujo del aire ambiental durante el funcionamiento. El aire ambiental que incide en la entrada de aire 22 durante el funcionamiento se acumula en la entrada de aire 22 y se calienta adiabáticamente como resultado de este efecto de acumulación. De manera correspondiente, el aire de medición se calienta en comparación con el aire ambiente. El aire de medición calentado fluye desde el canal de flujo 26 a la línea de suministro 14 y a través de ella al sistema de medición con la cámara de medición 16. Allí se realiza la medición del vapor de agua mediante espectrometría de absorción. El aire de medición sale entonces de la cámara de medición 16 y de su salida de la cámara de medición al segundo conducto de aire 18 y es conducido a través de este de regreso a la conexión de línea de descarga 50.
Así, el aire dentro de cabecera se desvía en ángulo recto hacia el tubo de acumulación, la abertura de entrada real para la sonda de medición de temperatura o, si es necesario a una continuación. Aguas arriba de este punto de desvío, la cabecera está provista de orificios que, por efecto de succión del flujo externo, succionan la capa de fricción del flujo interior y así la reducen. Esto asegura que la parte de flujo desviada en gran parte no ha entrado en contacto con la pared de la carcasa aguas arriba. Por tanto, cuando se utiliza originalmente como dispositivo de medición de temperatura, el efecto de acumulación adiabático no perturbado puede surgir en la entrada del tubo de acumulación. Su efecto de calentamiento sobre el sensor ubicado en el tubo se compensa en un sencillo proceso de cálculo. El efecto de acumulación se logra a través de aberturas de salida estrechas en el extremo de flujo del tubo, donde hay una presión negativa relativa en el exterior del tubo debido a la aerodinámica. La velocidad del aire en el exterior se reduce de hasta 300 m/s a unos pocos m/s. La presión total casi completa se establece así como la suma de la presión estática (ambiente) y la presión de impacto.
Para evitar la formación de hielo en el dispositivo de entrada y salida 12 que sirve como sonda de medición, las caras frontales de las aberturas de entrada que miran hacia el flujo están provistas de un calentador de sonda 32 eléctrico. La primera línea de suministro 14 está provista de un calentador 34 para cualquier calentamiento adicional del aire de medición que pueda ser necesario.
El eje 20 crea una distancia de la entrada de aire 22 a una superficie del avión formada por el revestimiento exterior 36 del avión, que está dimensionada de tal manera que la entrada de aire 22 está ubicada fuera de una capa límite de dinámica de fluido alrededor del revestimiento exterior 36 del avión y, por lo tanto, fluye libremente con una velocidad que corresponde con la velocidad del avión relativa al aire (“Airspeed”) La distancia está preferiblemente entre 50 mm y 150 mm, por ejemplo entre 80 mm y 100 mm.
En lugar de una sonda de temperatura proporcionada de alguna otra manera, se proporciona un inserto 40 que se inserta en la carcasa TAT 12 y forma parte tanto de la línea de suministro 14 como de la línea de descarga 18 y, por lo tanto sirve para el suministro y la descarga de aire de medición al sistema de medición con la cámara de medición 16. La figura 3 muestra el inserto 40 tanto en una representación esquemática en la vista en sección transversal del RAIWaM (Fig. 3a) como en una vista parcial en perspectiva (Fig. 3b).
El inserto 40 está diseñado de manera que una abertura de entrada 42 del inserto 40 linda directamente con el canal de flujo 26. Casi toda la presión de impacto se aplica a la abertura de entrada 42 del inserto 40. La abertura de entrada 42 es al mismo tiempo la entrada a la línea de suministro 14. Una parte superior del inserto 40 en la figura forma así una primera sección de línea de suministro 44 en forma de tubo de acumulación, que es seguida en línea recta por una segunda sección de línea de suministro 46 como línea de entrada del inserto 40, que tiene un diámetro reducido en comparación con el tubo de acumulación 44 que sirve como la primera sección de línea de suministro, y que conduce a una conexión de línea de suministro 48 a la que se conecta la línea de suministro 14 adicional, que finalmente conduce a la cámara 16 de medición.
El inserto 40 también forma parte de la línea de descarga 18. Para la conexión al resto de la línea de descarga 18, se proporciona una conexión de línea de descarga 50, que conduce a una sección de línea descarga 52 que está dispuesta coaxialmente como un tubo de revestimiento alrededor de la segunda sección de línea de suministro 46, y que desemboca en una ranura de salida 54 que está ubicada donde la primera sección de línea de suministro 44 con un diámetro mayor, es decir el tubo de acumulación, transita a la segunda sección de línea de suministro 46 (es decir, la línea de suministro) con un diámetro menor. El aire de medición que sale de la ranura de salida 54 entra en una cavidad interior 56 del eje 20, que a su vez está conectada en conexión de fluido a la salida de escape de aire 30 en el eje 20. La cavidad interior 56 también está conectada en conexión de fluido al canal de flujo 26 y es ventilado por el aire que entra en la entrada de aire 22. Este fluye, entre otros lados, por el exterior de la primera sección de línea de suministro 44 con un diámetro ampliado y se acelera allí debido a un estrechamiento debido a una distancia relativamente pequeña entre una pared exterior de la primera sección de línea de suministro 44 y una pared interior
de la cavidad interior 56, de modo que da como resultado una presión estática menor en comparación con la presión estática que hay en la sección de descarga 52
El inserto 40 está diseñado de tal manera que su entrada o tubo de acumulación 44 es geométricamente idéntico al de un inserto de medición de temperatura utilizado en las carcasas TAT. El aire que ha entrado fluye hacia una línea de entrada con eje central de simetría y conduce directamente a la pieza de conexión de la línea de suministro de aire de medición del sistema de medición en sí.
El aire de medición que fluye de vuelta es guiado desde la pieza de conexión de la salida del sistema de medición a través del tubo de revestimiento 52 alrededor de la línea de entrada hasta la ranura de salida 54, que está en el inserto 40 exactamente en el punto geométrico y aerodinámico idéntico de la carcasa TAT donde están ubicadas las aberturas de salida en el inserto de medición de temperatura. El aire que sale de esta ranura pasa por la cavidad interior 56 hasta la abertura de salida trasera que forma la salida de escape de aire 30. El gradiente de presión entre la abertura de entrada 42 en el extremo delantero del tubo de acumulación 44 y la ranura de salida 54 asegura el flujo del aire de medición. En última instancia, se obtiene un caudal verificado en laboratorio de entre 3 y 5 litros por minuto. Esto es más que suficiente para los sistemas de medición convencionales. No se requiere una operación de bomba adicional. La cantidad de aire y, por lo tanto, también la presión en el sistema de conductos de aire desde la entrada se puede ajustar usando un tornillo de ajuste 58 (ver sección en la Fig. 4 ). El tornillo de ajuste crea una constricción ajustable, que asegura que la presión de impacto se mantenga en todo el sistema de medición. El caudal se puede adaptar a los requisitos del proceso de medición.
Fig. 4 muestra una vista en perspectiva parcialmente seccionada del inserto 40. El inserto 40 completo puede insertarse en la carcasa TAT 12 del RAIWaM y retirarse de nuevo.
Lista de símbolos de referencia:
10 Aparato de medición de vapor de agua
12 Dispositivo de entrada y salida, sonda de medición / carcasa TAT,
14 Línea de suministro
16 Cámara de medición
18 Línea de descarga
20 Eje / brazo
21 Cabecera
22 Entrada de aire / admisión de aire
24 Extremo del sujeción / sección del sujeción / brida
26 Canal de flujo
28 Salida de aire
30 Salida de escape de aire
32 Calentador de sonda
34 Calentador
36 Revestimiento exterior del avión
40 Inserto
42 Apertura de entrada
44 Tubo de acumulación, primera sección de línea de suministro
Línea de entrada, segunda sección de línea de suministro Conexión de línea de suministro
Conexión de línea de descarga
Conexión de línea de descarga / tubo de revestimiento Ranura de salida
Cavidad
Tornillo de ajuste
Claims (9)
1. Aparato de medición de vapor de agua (10) con un dispositivo de entrada y salida (12) montable en un avión, así como con una línea de suministro (14), un sistema de medición con una cámara de medición (16) y una línea de descarga (16),
en el que el dispositivo de entrada y salida (12) montable en un avión comprende una cabecera (21) con una entrada de aire (22), un eje (20) con una salida de escape de aire (30) y una sección de sujeción (24) para sujetar el dispositivo de entrada y salida (12) a un avión, en el que la entrada de aire (22) está espaciada de la sección de sujeción (24) de tal manera que la entrada de aire (22) está ubicada fuera de una capa de fricción alrededor de una superficie de un avión cuando el dispositivo de entrada y salida (12) está montado en un avión en vuelo,
en el que el dispositivo de entrada y salida comprende un inserto separable configurado para ser insertado en el eje (20) del dispositivo de entrada y salida (12), y que comprende una abertura de entrada y una primera sección de línea de suministro (44) en forma de un tubo de acumulación que está unido en línea recta a una segunda sección de línea de suministro (46) que sirve de línea de entrada del inserto (40), y que en comparación con el tubo de acumulación (44) que sirve como primera sección de línea de suministro, tiene un diámetro reducido y que está dimensionado de tal forma que la abertura de entrada (42) del tubo de acumulación (44) está posicionada en la vecindad de una abertura entre la cabecera (21) y el eje (20) del dispositivo de entrada y salida (12), y en el que el tubo de acumulación (44) está conectado con una conexión de línea de suministro (48) para la línea de suministro (14) a través de la línea de entrada (46),
en el que el inserto comprende un tubo de revestimiento de salida que envuelve a la línea de entrada (46) y que está conectado con una conexión de línea de descarga (50) para la línea de descarga,
en el que el inserto (40) comprende medios para conectar de manera separable el inserto (40) al eje (20) del dispositivo de entrada y salida (12),
en el que la entrada de aire (22) está conectada a la conexión de línea de suministro (48) mediante el tubo de acumulación y la línea de entrada (46) para la línea de suministro (14) con el fin de guiar el aire que ingresa por la entrada de aire (22) a la cámara de medición (16) de un sistema de medición que, durante la operación, está ubicado en el interior de un avión.
en el que la salida de escape de aire (30) está conectada mediante el tubo de revestimiento de salida (52) a la conexión de línea de descarga (50) para la línea de descarga (18), con el fin de guiar el aire que sale de la cámara de medición (16) a la salida de escape de aire (30) del dispositivo de entrada y salida (12),
en el que la línea de suministro (14) está unida firmemente a la conexión de línea de suministro (48) del dispositivo de entrada y salida (12) y a una entrada de la cámara de medición (16), y la línea de descarga está conectada a una salida de la cámara de medición (16) y a la conexión de línea de descarga (50) del dispositivo de entrada y salida (12), y donde el sistema de medición está configurado para determinar el contenido de vapor de agua del aire en la cámara de medida (16), y
donde el aparato de medición de vapor de agua comprende tanto un calentador de sonda (32) que está dispuesto en una cara frontal del dispositivo de entrada y salida (12) y/o en una paso o en la vecindad de un paso entre la entrada de aire (22) y el tubo de almacenamiento (44) como un calentador dispuesto en la línea de suministro hacia la cámara de medición (16).
2. Aparato de medición de vapor de agua (10) según la reivindicación 1, en el que para el dispositivo de entrada y salida (12) montable en un avión, la distancia entre la sección de sujeción (24) y la entrada de aire (22) es de entre 50 mm y 150 mm, en particular de entre 80 mm y 100 mm.
3. Aparato de medición de vapor de agua (10) según la reivindicación 1 o 2, en el que el dispositivo de entrada y salida (12) montable en un avión comprende una brida (24), en el que el eje (20) se extiende entre la brida (24) y la cabecera (21) y rodea la línea de entrada (46), y donde la cabecera (21) tiene la entrada de aire (22) en una cara frontal, y donde la brida (24) forma la sección de sujeción (24) para sujetar el dispositivo de entrada y salida (12) a un avión.
4. Aparato de medición de vapor de agua (10) según la reivindicación 3, en el que la cabecera (21) incluye un canal de flujo (26) abierto por ambos lados, cuyo extremo delantero abierto es la entrada de aire (22) y por el que fluye
el aire durante la operación y está dispuesto de tal manera que durante la operación discurre aproximadamente paralelo al flujo presente.
5. Aparato de medición de vapor de agua (10) según la reivindicación 4, en el que, aguas debajo de la entrada de aire, la sección transversal interior del canal de flujo (26) inicialmente se ensancha y luego se estrecha nuevamente hacia su extremo posterior abierto que forma una salida de aire (28), en el que la línea de suministro (14) se extiende desde una sección del canal de flujo (26) en la que la sección transversal interna se agranda.
6. Aparato de medición de vapor de agua (10) según la reivindicación 4 o 5, en el que el extremo posterior abierto del canal de flujo (26) tiene una sección transversal más pequeña que la entrada de aire (22).
7. Aparato de medición de vapor de agua (10) según la reivindicación 1, en el que la cámara de medición (16) es una cámara de medición de absorción que permite determinar la humedad del aire mediante un espectrograma de absorción.
8. Aparato de medición de vapor de agua (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el tubo de revestimiento de salida (52) tiene ranuras de salida (54) que están dispuestas en o cerca del paso entre la primera sección de línea de suministro (44) y la segunda sección de línea de suministro (46) y que están configuradas para descargar un fluido del tubo de revestimiento de salida (52).
9. Aparato de medición de vapor de agua (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la primera sección de línea de suministro (44) tiene una sección transversal mayor que la suma de las secciones transversales de la segunda sección de línea de suministro (46) y el tubo de revestimiento de salida (52) que rodea la segunda sección de línea de suministro (46).
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