Устройство для измерения температуры в газовом потоке

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для диагностики технического состояния авиационных двигателей, энергетических силовых установок (СУ) и их элементов в процессе разработки, производства и испытаний.

При доводке и эксплуатации разрабатываемых авиационных двигателей, СУ и их элементов одними из основных параметров, характеризующих их работу, являются тепловые характеристики газовых потоков в проточных элементах, а также температура выхлопных газов. Анализ данных о тепловых характеристиках газовых потоков совместно с их другими параметрами позволяет оценить общее состояние авиационного двигателя, СУ и их элементов, а также определить другие параметры, в частности, тяговые характеристики.

Для измерения тепловых характеристик авиационных двигателей, СУ и их элементов широко применяются методы оптических измерений, обладающих двумя достоинствами - бесконтактностью и быстродействием.

Известно устройство для измерения температуры в газовом потоке, содержащее оптическую систему, состоящую из измерительного устройства с входным зеркалом и детектором, оптического сканера с отражающей поверхностью и фокусирующего отражателя с приводом, оптически связанного с отражающей поверхностью оптического сканера и входным зеркалом спектрометра и установленного с возможностью поворота относительно оптического коллиматора, и систему управления с командным блоком, задающим и вычислительным устройствами (RU 2659723, 2018).

В известном устройстве установлено несколько оптических сканеров с приводом, расположенных напротив оптически прозрачных окон на окружности, центр которой лежит на оси исследуемого газового потока, а приводы всех сканеров выполнены в виде шаговых двигателей.

Недостатком известного устройства является то, что с его помощью невозможно определять распределение температуры по длине газового потока, а кроме того оно не предназначено для проведения исследования в свободном газовом потоке.

Известно устройство для измерения температуры в газовом потоке (US 7952064, 2011), содержащее оптическую систему и систему управления с задающим и вычислительным устройствами и командным блоком. Оптическая система состоит из спектрометра с входным зеркалом и детектором и фокусирующего отражателя с приводом, оптически связанного с входным зеркалом спектрометра и установленного с возможностью перемещения. Детектор подключен к вычислительному устройству, связанному с задающим устройством и командным блоком.

Известное устройство позволяет определять только наружные (поверхностные) температурные характеристики газового потока по его длине и ширине, но не позволяет измерить распределение температуры газового потока в его поперечном сечении.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является устройство для измерения температуры в газовом потоке (US 4411519, 1983), содержащее оптическую систему, состоящую из спектрометра с входным зеркалом и детектором, оптического коллиматора с отражающей поверхностью, расположенной вдоль оси газового потока, и фокусирующего отражателя с приводом, оптически связанного с отражающей поверхностью оптического коллиматора и входным зеркалом спектрометра и установленного с возможностью поворота и перемещения относительно оптического коллиматора, и систему управления с задающим и вычислительным устройствами, командным блоком и блоком наведения оптического коллиматора, причем спектрометр установлен на первой подвижной платформе с линейными направляющими и приводным двигателем, связанным с командным блоком системы управления, а детектор подключен к вычислительному устройству, связанному с задающим устройством и командным блоком.

Известное устройство обеспечивает измерение распределения температурных характеристик только в одной плоскости - в плоскости перемещения подвижной платформы, при этом оно не позволяет определить температурное поле поперечного сечения газового потока по всей его длине.

Кроме того, недостатком известного технического решения является использование оптической системы, содержащей пучки оптических волокон, имеющие неодинаковые оптические свойства, которые могут внести погрешности в результаты измерений поля температур по сечению газового потока.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является отсутствие средств, позволяющих в автоматизированном режиме измерять поле температур поперечного сечения газового потока по всей его длине.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является повышение точности и достоверности результатов измерения поля температур поперечного сечения газового потока по всей его длине.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения температуры в газовом потоке содержит оптическую систему, состоящую из спектрометра с входным зеркалом и детектором, оптического коллиматора с отражающей поверхностью, расположенной вдоль оси газового потока, и фокусирующего отражателя с приводом, оптически связанного с отражающей поверхностью оптического коллиматора и входным зеркалом спектрометра и установленного с возможностью поворота и перемещения относительно оптического коллиматора, и систему управления с задающим и вычислительным устройствами, командным блоком и блоком наведения оптического коллиматора, причем спектрометр установлен на первой подвижной платформе с линейными направляющими и приводным двигателем, связанным с командным блоком системы управления, а детектор подключен к вычислительному устройству, связанному с задающим устройством и командным блоком. Устройство дополнительно снабжено второй подвижной платформой с приводным двигателем и линейной направляющей, расположенной перпендикулярно линейным направляющим первой подвижной платформы, оптический коллиматор закреплен на второй подвижной платформе, а его отражающая поверхность выполнена параболоцилиндрической, фокусирующий отражатель установлен на первой подвижной платформе, линейные направляющие которой расположены параллельно оси газового потока и жестко закреплены на второй подвижной платформе, приводные двигатели обеих платформ выполнены шаговыми, а крепление оптического коллиматора ко второй подвижной платформе - в виде выдвижных телескопических штанг с приводом, оси которых расположены перпендикулярно плоскости продольного сечения газового потока, причем командный блок подключен к приводу телескопических штанг, приводу фокусирующего отражателя и приводному двигателю второй подвижной платформы через блок наведения оптического коллиматора.

Существенность отличительных признаков устройства для измерения температуры в газовом потоке подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата - повышение точности и достоверности результатов измерения поля температур поперечного сечения газового потока по всей его длине.

Устройство для измерения температуры в газовом потоке поясняется иллюстрациями, где:

на фиг. 1 показана схема общего вида устройства для измерения температуры в газовом потоке;

на фиг. 2 показан вид по стрелке А на фиг. 1;

на фиг. 3 представлены спектры излучения газового потока и абсолютно черного тела при разных температурах.

Устройство для измерения температуры в газовом потоке содержит оптическую систему, состоящую из спектрометра 1 с входным зеркалом 2 и детектором 3, оптического коллиматора 4 с отражающей поверхностью 5, расположенной вдоль оси газового потока 6, и фокусирующего отражателя 7 с приводом 8 (фиг. 1, 2). Фокусирующий отражатель 7 оптически связан с отражающей поверхностью 5 оптического коллиматора 4 и с входным зеркалом 2 спектрометра 1 и установлен с возможностью поворота и перемещения относительно оптического коллиматора 4. Спектрометр 1 установлен на первой подвижной платформе 9 с приводным двигателем 10 и линейными направляющими 11.

Устройство снабжено второй подвижной платформой 12 с линейной направляющей 13, расположенной перпендикулярно линейным направляющим 11 первой подвижной платформы 9, и приводным двигателем 14. Для дискретного перемещения подвижных платформ 9 и 12 приводной двигатель 10 первой подвижной платформы 9 и приводной двигатель 14 второй подвижной платформы 12 выполнены шаговыми.

Фокусирующий отражатель 7 установлен на первой подвижной платформе 9, линейные направляющие 11 которой расположены параллельно оси газового потока 6 и жестко закреплены на второй подвижной платформе 12. Оптический коллиматор 4 закреплен на второй подвижной платформе 12 с помощью выдвижных телескопических штанг 15 с приводом 16, оси которых расположены перпендикулярно плоскости продольного сечения газового потока 6.

Отражающая поверхность 5 оптического коллиматора 4 выполнена параболоцилиндрической, причем под «параболоцилиндрической поверхностью» в рамках настоящей заявки понимается поверхность, имеющая форму параболического цилиндра. Оптический коллиматор 4 может быть изготовлен из полированного металлического листа, размер которого зависит от размеров газового потока.

Поскольку поперечные сечения параболоцилиндрической отражающей поверхности 5 имеют одинаковую параболическую форму, линия фокусов 17 оптического коллиматора 4 располагается по прямой линии, параллельно оси газового потока 6 с постоянным расстоянием от поверхности оптического коллиматора 4.

Устройство для измерения температуры в газовом потоке также содержит систему управления с задающим устройством 18, вычислительным устройством 19, командным блоком 20 и блоком 21 наведения оптического коллиматора 4, причем приводной двигатель 10 первой подвижной платформы 9 связан с командным блоком 20 системы управления, а детектор 3 подключен к вычислительному устройству 19, связанному с задающим устройством 18 и командным блоком 20. Командный блок 20 подключен к приводу 16 телескопических штанг 15, приводу 8 фокусирующего отражателя 7 и приводному двигателю 14 второй подвижной платформы 12 через блок 21 наведения оптического коллиматора 4.

Для оптического контроля блок 21 наведения оптического коллиматора 4 может быть выполнен с двумя лазерами 22 с взаимно-пересекающимися лучами.

Фокусирующий отражатель 7 может быть выполнен в виде сферического зеркала и установлен на первой подвижной платформе 9 с помощью телескопических штанг 23.

Система управления устройства для измерения температуры в газовом потоке может представлять собой компьютерную систему, при этом задающее устройство 18 представляет собой модуль памяти компьютера, а командный блок 20 - компьютерный интерфейс для подключения приводного двигателя 10 и блока 21 наведения оптического коллиматора 4, представляющего собой модуль подключения приводов 8, 16 и приводного двигателя 14.

Устройство для измерения температуры в газовом потоке работает следующим образом.

В процессе работы устройства излучение газового потока 6 на линии фокусов 17, расположенной напротив отражающей поверхности 5 оптического коллиматора 4, преобразуется с помощью оптического коллиматора 4 в поток параллельного излучения и поступает на фокусирующий отражатель 7, который в свою очередь передает излучение на входное зеркало 2 спектрометра 1 для последующей модуляции и разложения излучения по спектру, например, с помощью призмы (на чертежах не показано).

Предварительно в задающее устройство 18 вводится программа, задающая алгоритм работы вычислительного устройства 19, которое в процессе выполнения программы обеспечивает автоматическое движение элементов оптической системы в трех направлениях путем подачи соответствующих команд с помощью командного блока 20:

- дискретное перемещение первой подвижной платформы 9 с установленными на ней фокусирующим отражателем 7 и спектрометром 1 по линейным направляющим 11 вдоль линии фокусов 17 путем подачи команды на шаговый приводной двигатель 10 первой подвижной платформы 9;

- дискретное перемещение в вертикальном направлении второй подвижной платформы 12 с закрепленными на ней оптическим коллиматором 4 и первой подвижной платформой 9 по линейной направляющей 13 путем подачи команды на шаговый приводной двигатель 14 второй подвижной платформы 12;

- перемещение оптического коллиматора 4 в горизонтальном направлении, перпендикулярном плоскости продольного сечения газового потока 6 путем подачи команды на привод 16 телескопических штанг 15 и соответствующий поворот фокусирующего отражателя 7 и его перемещение в горизонтальном направлении, перпендикулярном плоскости продольного сечения газового потока 6, путем подачи команды на привод 8 фокусирующего отражателя 7.

Посредством указанных операций линия фокусов 17 оптического коллиматора 4 может быть размещена в любой точке поперечного сечения газового потока 6, при этом фокусирующий отражатель 7 и спектрометр 1 могут быть перемещены вдоль линии фокусов 17 по всей длине газового потока 6, что позволяет осуществить запись спектра на любом участке газового потока 6.

Для проведения спектральных измерений посредством блока 21 наведения оптического коллиматора с двумя лазерами 22 со взаимно-пересекающимися лучами осуществляется предварительная настройка элементов оптической системы по положению точки пересечения лучей лазеров 22, перемещением второй подвижной платформы 12 линия фокусов 17 устанавливается в начальное положение, после чего подается команда на шаговый приводной двигатель 10 о дискретном перемещении первой подвижной платформы 9 вдоль линии фокусов 17.

После каждого шагового перемещения первой подвижной платформы 9 производится остановка, во время которой оптические сигналы от спектрометра 1 направляются в вычислительное устройство 19 для записи и последующей обработки осредненного спектра излучения от каждого участка газового потока 6. Длина таких участков соответствует ширине фокусирующего отражателя 7.

После проведения спектральных измерений по всей длине газового потока 6 при начальном положении линии фокусов 17 перемещением второй подвижной платформы 12 в вертикальном направлении и коллиматора 4 в горизонтальном направлении линию фокусов 17 устанавливают в новое положение. Затем осуществляют спектральные измерения по всей длине газового потока 6 за счет дискретного перемещения первой подвижной платформы 9 вдоль линии фокусов 17. Таким образом проводятся спектральные измерения по всему объему газового потока 6.

При подготовке к обработке результатов спектральных измерений для каждого участка газового потока 6 с помощью описанной системы измерений записывают несколько спектров излучения абсолютного черного тела (АЧТ), установленного на линии фокусов 17 оптического коллиматора 4 при площади участков излучения АЧТ, эквивалентной площади фокусирующего отражателя 7, и температурах, близких к ожидаемой температуре газового потока 6.

Значения температуры газа для записанных спектров могут быть определены известным методом «Абсолютной интенсивности спектральных линий» (О.А. Геращенко, «Температурные измерения», Киев, «Наука думка», 1989, с. 77).

На спектре конкретного участка газового потока 6 определяется точка спектра, близкая к максимальной, на которую оказывает слабое влияние поглощение излучения атмосферой. На выбранной таким образом длине волны методом интерполяции или экстраполяции по записанным спектрам и известным температурам АЧТ определяется величина средней температуры этого участка струи.

При проведении экспериментальных исследований была измерена температура газового потока в полосе СО₂, чтобы в дальнейшем можно было без дополнительных добавок в газовый поток измерять температуру продуктов сгорания в элементах двигателей на режимах с достаточным содержанием СО₂ в продуктах сгорания.

На фиг. 3 показан спектр излучения газового потока 6 с добавкой 5,1% объемной доли СО₂, температура которой была измерена заявленным способом, и показаны спектры АЧТ при температурах 352, 312, 285, 250°С. По оси абсцисс указан номер измеренной точки газового потока, а по оси ординат - величина излучения газового потока. Спектры газа и АЧТ записывались на одинаковых расстояниях и режимах работы измерительной аппаратуры.

Затем по спектру газового потока 6 в области максимального излучения полосы СО₂ выбирается значение абсциссы, для которой измерены значения ординаты по спектрам нагретых АЧТ с известной температурой, и методом экстраполяции определяется температура газового потока, равная 390°С. Отличие температуры газового потока 6, полученной заявленным способом, от температуры 400°С, измеренной хромель-алюмелевой термопарой, составило 10°С.

Таким образом, полученные результаты подтверждают решение указанной технической проблемы с достижением заявленного технического результата - повышение точности и достоверности результатов измерения поля температур поперечного сечения газового потока по всей его длине.