Дифференциальная система измерения температуры газов газотурбинного двигателя

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике и построения систем автоматического регулирования температуры газов газотурбинного двигателя.

Известно устройство для измерения температуры газового потока, содержащее два блока фильтров, при этом выходы каждого преобразователя акустического сигнала в электрический подключены к входу схемы выделения разностной частоты через соответствующий блок фильтров, каждый из которых содержит группу полосовых фильтров, выходы которых подключены соответственно к входам ключей и входам формирователей, выходы которых, за исключением последнего формирователя, подключены через инверторы соответственно к первым входам схем совпадения, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами ключей с второго по последний, причем управляющий вход первого ключа соединен с выходом первого формирователя, выход второго формирователя соединен с вторым входом первой схемы совпадения, а каждый второй, с второго по k-й, вход k-й схемы совпадения, начиная с второй, подключен соответственно к выходам инверторов с первого по k-й, при этом выход последнего формирователя соединен с дополнительным входом последней схемы совпадения (А.с. 1093911 СССР, МКИ G01K 13/02. Опубл. 23.05.1984. Бюл. №19).

Недостатками аналога являются сложная система выделения информативного параметра из полигармонического выходного сигнала с использованием множества полосовых фильтров, недостаточные быстродействие, точность и надежность.

Наиболее близким по технической сущности является быстродействующее устройство измерения температуры газового потока, содержащее два канала измерения, каждый из которых состоит из струйного генератора, пьезоэлектрического преобразователя, электронно-перестраиваемого фильтра, соединенного с первым входом компаратора фаз для осуществления фазовой подстройки частоты фильтра до равенства фаз с первой гармоники полигармонического сигнала, поступающей непосредственно с выхода пьезоэлектрического преобразователя на второй вход компаратора, выход которого через ключ соединен с первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения, второй вход которого соединен с одновибратором, а выход соединен с управляющим входом электронно-перестраиваемого фильтра и преобразователем напряжение-код; и блок обработки информации, в котором выходы преобразователей напряжение-код обоих каналов измерения соединены входами вычитателя кодов, реализующим дифференциальную схему измерения температуры, выход которого через третий вход первой схемы «И», первый и второй входы которой соединены с выходами генераторов пилообразного напряжения каналов измерения, и элемент «ИЛИ» поступает на выход. При этом в случае выхода из строя одного из каналов измерения, например второго, потенциал на выходе соответствующего генератора пилообразного напряжения отсутствует и блокирует первую схему «И», а через второй инвертор открывает третью схему «И» для прохождения информации от первого преобразователя напряжение-код через первый делитель кодов на элемент «ИЛИ» и выход (Пат. №2604573 РФ, МПК G01K 11/22. Опубл. 10.12.2016. Бюл. №34).

Основными существенными недостатками прототипа являются фиксированный диапазон электронно-перестраиваемого фильтра, ограничивающий возможности использования в устройстве различных видов струйных генераторов, и недостаточные точность и надежность, так как поиск первой гармоники информативного сигнала происходит с максимальной частоты диапазона, что приводит к ложному "захвату" второй или третьей гармоники.

Заявляемое изобретение направлено на расширение диапазона электронно-перестраиваемого фильтра под различные виды струйных генераторов и повышение точности и надежности устройства за счет поиска первой гармоники информативного сигнала с минимальной частоты диапазона.

Поставленная задача решается использованием дифференциальной системы измерения температуры газов газотурбинного двигателя, содержащей блок обработки информации и два канала измерения, каждый из которых имеет струйный генератор, пьезоэлектрический преобразователь, электронно-перестраиваемый фильтр с переключателем типа датчика, компаратор фаз, ключ, одновибратор, преобразователь напряжение-код, генератор пилообразного напряжения, выход которого соединен с управляющим с входом электронно-перестраиваемого фильтра и преобразователя напряжение-код через инвертор.

На фиг. 1 показана принципиальная схема электронно-перестраиваемого фильтра; на фиг. 2 - функциональная схема дифференциальной системы измерения температуры газов газотурбинного двигателя.

Для дискретного регулирования диапазона электронно-перестраиваемого фильтра (ЭПФ) под различные виды струйных генераторов применяется переключатель SA цепной трехполюсной структуры (ЦТС), состоящей из n/2 RC-звеньев, где роль емкостей С выполняют варикапы (фиг. 1).

Частота квазирезонанса f₀ при произвольном количестве звеньев n/2, где n число плеч структуры, определяется (см. Гулин А.И. Проектирование многозвенных RC-генераторов // Изв. вузов Приборостроение. - 2012. - Т. 56. - №3. - С. 14-18) по формуле

где коэффициент k_n определяется из выражения

где р=0,25n-1.

Из всех вещественных положительных корней уравнения (2) необходимо использовать наименьший (для шестиплечей ЦТС он равен ), так как использование других значений, удовлетворяющих условию (2), приведет к сдвигу фаз на 2π радиан и более. В таблице для примера приведены значения коэффициентов k_n для числа плеч ЦТС n от 6 до 40.

Емкость варикапа определяется из выражения (см. Берман Л.С. Введение в физику варикапов. - Л.: Наука, 1968. - С. 30) как

где С_В, U_B - емкость и напряжение смещения варикапа, соответствующие верхней частоте перестройки;

U_упр - напряжение управления смещением варикапов;

ϕ_k - контактная разность потенциалов р-n перехода, лежащая в пределах 0,4÷0,7 В;

b - коэффициент, зависящий от распределения примесей в переходе, равный 0,5 для варикапов с резким р-n переходом.

Следовательно, выражение (1) при использовании варикапов примет вид

Зная диапазон изменения первой гармоники выходной частоты одного из видов струйного генератора Δƒ, равный

где C_max - максимальная емкость варикапа, соответствующая нижней частоте перестройки фильтра, получим выражение для определения коэффициента k_n

Из таблицы находим соответствующее значение коэффициента k_n, по которому определяем число звеньев (варикапов) ЭПФ. В случае несовпадения вычисленного коэффициента с табличным значением выбираем ближайшее меньшее значение k_n и по нему определяем число плеч ЭПФ, т.е. положение переключателя SA, соответствующее данному виду струйного генератора. Аналогично рассчитывается число звеньев ЭПФ для других видов генераторов, имеющих отличный частотный диапазон генерации.

Из (3) видно, что для поиска первой гармоники информативного сигнала струйного генератора с минимальной частоты диапазона, с целью предотвращения ложного «захвата» высших гармоник, необходимо развертку пилообразного управляющего напряжения варикапами начинать с максимального до минимального. Для реализации этого процесса следует произвести инвертирование пилообразного напряжения перед его подачей на управляющий вход ЭПФ. Таким образом, поиск первой гармоники информативного сигнала с минимальной частоты диапазона позволяет предотвратить «ложный захват» высших гармоник информативного сигнала и тем самым повысить точность и надежность дифференциальной системы.

Дифференциальная система измерения температуры газов газотурбинного двигателя (фиг. 2) состоит из двух каналов измерения 1 и 2 для реализации дифференциальной схемы и блока обработки информации (БОИ) 3. Каждый канал измерения, например 1, содержит струйный генератор (СГ) 4, пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) 5 для преобразования акустического сигнала в электрический, электронно-перестраиваемый фильтр (ЭПФ) 6, компаратор фаз (КФ) 7, ключ 8, генератор пилообразного напряжения (ГПН) 9, одновибратор (ОВ) 10, инвертор 11, переключатель типа датчика 12, преобразователь напряжение-код (ПНК) 13. Поскольку состав элементов канала измерения 2 идентичен составу элементов канала 1, на схеме дифференциальной системы (фиг. 2) элементы канала измерения 2 не показаны.

Система работает следующим образом. При помещении СГ 4 первого канала измерения 1, расположенного в одном корпусе, что и струйный генератор второго канала измерения 2, в газовый поток, абсолютную температуру θ которого измеряют, в нем возбуждаются акустические колебания с частотами nf₁, преобразуемые с помощью ПЭП 5 в соответствующие электрические колебания, которые в свою очередь поступают через первый вход ЭУФ 6 на первый вход КФ 7, на второй вход которого частота nf₁ поступает непосредственно с выходов ПЭП 5. Выход КФ через ключ 8 и первый вход ГПН 9, запускаемый ОВ 10 через его второй вход, управляет временем развертки линейно изменяющегося напряжения, поступающего через инвертор 11 на второй управляющий вход ЭПФ 6. ЭПФ, предварительно адаптированный переключателем 12 на соответствующий тип датчика, под воздействием инвертированного пилообразного напряжения автоматически настраивается с начала диапазона на первую гармонику до совпадения фаз на компараторе 7. При этом компаратор через ключ 8 фиксирует напряжения U₁ с выхода инвертора 11, поступающее на БОИ 3 и ПНК 13, который формируют код N₁, пропорциональный измеряемой температуре газового потока θ и также поступающий на БОИ 3.

БОИ 3, как и в прототипе, реализует дифференциальный принцип измерения, т.е. вычисляет разницу кодов ΔN=N₁-N₂, пропорциональную температуре газового потока, которая поступает на выход. Напряжения U₁ и U₂ обеспечивают работоспособность БОИ и системы в целом при выходе из строя одного из каналов измерения, реализуя алгоритм вычисления ΔN

где коэффициенты деления k₁ и k₂ кодов N₁ и N₂.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить диапазон электронно-перестраиваемого фильтра под различные виды струйных генераторов и предотвратить ложный "захват" высших гармоник информативного сигнала, что позволяет повысить точность и надежность дифференциальной системы.