Устройство для измерения температуры в газовом потоке

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их разработки, производства и испытаний.

При доводке разрабатываемых образцов и при эксплуатации промышленно производимых энергетических агрегатов одними из основных параметров, характеризующих их работу, являются тепловые характеристики газового потока, камеры сгорания и других элементов двигателя.

Анализ данных о температурном режиме двигателя позволяет оценить общее состояние двигателя и отдельных его элементов, а также определить другие рабочие параметры двигателя, в частности тяговые характеристики. Для измерения температурных параметров двигателя широко применяются методы оптической пирометрии, так как они обладают двумя достоинствами - бесконтактностью и быстродействием.

Известно устройство для определения характеристик теплообмена в газовых потоках, содержащее камеру с оптически прозрачными окнами, оптическую систему, имеющую приемный элемент, а также блок цифровой обработки сигнала (RU 2400717). Приемный элемент в известном устройстве выполнен в виде тепловизора, с помощью которого осуществляется измерение температурного поля горячего газового потока на фоне технологической поверхности. Результат измерения подвергается цифровой обработке с расчетом дисперсии изменения температуры и по интенсивности инфракрасного излучения определяют температурное поле газового потока.

Недостатком данного устройства является то, что в качестве устройства измерения выступает тепловизионная камера, результаты измерения которой для газовых потоков обладают высокой погрешностью, а само измерение носит интегральный характер и не может быть использовано для измерения распределения температуры в сечении, перпендикулярном направлению истечения газового потока.

Известно устройство для определения характеристик газового потока, создаваемого процессом горения, содержащее камеру с оптически прозрачными окнами, оптическую систему, состоящую из приемных элементов и мультиплексирующих зеркал, расположенных напротив оптически прозрачного окна и оптически связанных с приемными элементами, а также блок обработки сигнала (US 2011/0026023).

В известном устройстве имеется источник лазерного излучения, приемные элементы выполнены в виде фотоприемников, а мультиплексирующие зеркала расположены на окружности, центр которой лежит на оси исследуемого газового потока. Фотоприемники регистрируют рассеянное под разными углами излучение, а блок обработки сигнала сопоставляет величину рассеяния в различных направлениях с различной поляризацией.

Недостатком данного устройства является его сложность, обусловленная наличием большого количества фотоприемников, а также то, что измерение проводится в небольшом объеме и не позволяет восстановить пространственное распределение измеряемых величин. Указанные недостатки ограничивают применение известного устройства для исследования технического состояния газотурбинных двигателей.

Известно также устройство для измерения температурного поля в газовом потоке, содержащее камеру с оптически прозрачными окнами, оптическую систему, состоящую из приемных элементов, расположенных напротив оптически прозрачного окна, а также блок цифровой обработки сигнала (US 2010/0241361).

В качестве измерительного средства в известном устройстве используются пары лазерный диод - фотоприемник, расположенные перпендикулярно исследуемому потоку таким образом, что образуют решетку из линий визирования между элементами каждой пары. Таким образом, измеряя величину коэффициента интегрального поглощения для каждой пары и используя преобразование Радона, становится возможным восстановить общее распределение температуры газового потока в сечении, перпендикулярном направлению его истечения с помощью метода абсорбирующей спектроскопии.

Недостатком данных устройств являются: высокая погрешность измерения, высокая техническая сложность реализации схемы абсорбционной спектроскопии. Все это ограничивает применение известного устройства для проведения измерений температурного поля в газотурбинных двигателях.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для измерения температуры в газовом потоке, содержащее камеру с оптически прозрачными окнами, оптическую систему, состоящую из приемного элемента, сканирующего зеркала с приводом, установленного напротив оптически прозрачного окна с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной плоскости сканирования зеркала, и мультиплексирующего зеркала, расположенного напротив оптически прозрачного окна и оптически связанного с приемным элементом и сканирующим зеркалом, а также блок цифровой обработки сигнала и блок управления приводом (US 2009/0289178). Известное устройство содержит в качестве приемного элемента фотоприемник. Сканирующее зеркало направляет луч зрения фотоприемника в заданную часть исследуемой области, что позволяет получить пространственное поле температуры.

Недостатками данного устройства является наличие одного ракурса измерений - сканирование происходит только вдоль газового потока, что приводит к снижению точности и информативности измерений температурного поля, т.к. отсутствует возможность изучения структуры потока в поперечном его сечении.

Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в повышении достоверности результатов диагностики технического состояния газотурбинных двигателей.

Техническим результатом изобретения является повышения точности определения локальной температуры в газовом потоке.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения температуры в газовом потоке содержит камеру с оптически прозрачными окнами, оптическую систему, состоящую из приемного элемента, сканирующего зеркала с приводом, установленного напротив оптически прозрачного окна с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной плоскости сканирования зеркала, и мультиплексирующего зеркала, расположенного напротив оптически прозрачного окна и оптически связанного с приемным элементом и сканирующим зеркалом, а также блок цифровой обработки сигнала и блок управления приводом. Причем оптическая система снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным сканирующим зеркалом с приводом, расположенным напротив оптически прозрачного окна и оптически связанным с мультиплексирующим зеркалом, которое установлено с возможностью поворота относительно оси, перпендикулярной плоскости сканирования сканирующих зеркал, и снабжено приводом, приемный элемент выполнен в виде двухканального пирометра спектрального отношения, связанного с блоком цифровой обработки сигнала, причем все зеркала расположены на окружности, центр которой лежит на оси исследуемого газового потока, а приводы всех зеркал выполнены в виде шаговых двигателей.

Существенность отличительных признаков устройства подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - повышение точности определения локальной температуры в газовом потоке за счет обеспечения сканирования газового потока в поперечном его сечении.

Существо изобретения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 представлена общая принципиальная схема устройства для измерения температурного поля в газовом потоке;

на фиг. 2 - блок-схема устройства для измерения температурного поля в газовом потоке;

на фиг. 3 - циклограмма сигналов управления приводами зеркал;

на фиг. 4 - диаграмма усредненных и центрированных выходных сигналов напряжения пирометра для одного положения сканирующего зеркала;

на фиг. 5 - графическое отображение обратного преобразования Радона для сигнала напряжения пирометра;

на фиг. 6 - томограмма полученного температурного поля в газовом потоке.

Устройство для измерения температуры в газовом потоке содержит камеру 1 с оптически прозрачными окнами 2, оптическую систему, состоящую из приемного элемента 3, выполненного в виде двухканального пирометра спектрального отношения, сканирующих зеркал 4 с приводом 5, каждое из которых установлено напротив одного из оптически прозрачных окон 2 с возможностью поворота относительно оси 6, перпендикулярной плоскости сканирования зеркала 4, и мультиплексирующего зеркала 7 с приводом 8, расположенного напротив одного из оптически прозрачных окон 2 и оптически связанного с приемным элементом 3 и одним из сканирующих зеркал 4.

Мультиплексирующее зеркало 7 установлено с возможностью поворота относительно оси 9, перпендикулярной плоскости сканирования сканирующих зеркал. Сканирующие зеркала 4 расположены вокруг камеры 1 с исследуемым газовым потоком с одной стороны от мультиплексирующего зеркала 7, причем все зеркала расположены на окружности 10, центр которой лежит на оси 11 исследуемого газового потока, причем приводы 5 и 8 всех зеркал выполнены в виде шаговых двигателей.

Устройство содержит также многоканальный блок цифровой обработки сигнала 12, блок управления приводами 13 и генератор прямоугольных импульсов 14 (фиг. 2).

В качестве сканирующих и мультиплексирующего зеркал 4 и 7 используются плоские металлические зеркала, закрепленные на шаговых двигателях приводов 5 и 8 с помощью специальных креплений, дающих возможность провести их юстировку. Шаг поворота двигателей подбирается из технических возможностей используемых двигателей под конкретную задачу. На фиг. 3 представлена примерная циклограмма сигналов управления приводами зеркал.

В процессе измерения температуры в газовом потоке мультиплексирующее зеркало 7 поочередно создает оптический канал 15 между каждым из сканирующих зеркал 4 и приемным элементом 3. Линия визирования приемного элемента 3, выполненного в виде пирометра спектрального отношения, с помощью мультиплексирующего зеркала 7 направляется на одно из сканирующих зеркал 4, которые направляют его на исследуемую область камеры 1. Поворот зеркал осуществляется с помощью шаговых двигателей приводов 5 и 8, которые, в свою очередь, управляются с помощью блока управления приводами 13.

Сигнал с приемного элемента 3 подается на многоканальный блок цифровой обработки сигнала 12. Синхронизация поворота зеркал 4 и 7 с измерением блока цифровой обработки сигнала 12 производится с помощью синхроимпульсов генератора прямоугольных импульсов 14.

При повороте сканирующего зеркала 4 луч визирования пирометра проходит по веерообразному набору лучей. Для каждого из них пирометр измеряет интегральное значение яркости вдоль нее. Таким образом, для каждого сканирующего зеркала 4 регистрируется набор данных, представляющих собой одномерные последовательности, полученные через циклограммы сигналов управления.

Результаты измерений для каждого зеркала представляют собой интегральное измерение вдоль веерного пучка лучей, исходящих из точки расположения зеркала. Выходные сигналы пирометра приемного элемента 3 для одного из сканирующих зеркал 4 представлены в виде кривых линий на фиг. 4. Этот сигнал получен в результате усреднения сигналов для каждого положения сканирующего зеркала, при этом он центрируется относительно угла разворота зеркала, т.е. максимально возможное отклонение зеркала вправо и влево от этого положения должно быть на один и тот же угол.

Обработка сигнала для каждого зеркала заключается в преобразовании веерных пучков в набор параллельных лучей и расчете прямого одномерного преобразования Фурье вместе с исходными результатами измерений, которые являются проекциями искомого распределения температуры.

Полученные проекции фильтруются с использованием одномерной функции, которая рассчитывается в зависимости от расположения зеркал и их количества и позволяет добиться равномерного распределения интенсивности в результирующей томограмме. Для этого одномерные Фурье-образы умножаются на данную функцию и складываются в двухмерный Фурье-образ, в котором вторая координата определяется углом, под которым соответствующее зеркало сканирует объект. Таким образом, зависимость для расчета томограммы получается склеиванием усредненного сигнала N-ноe количество раз, где N - количество сканирующих зеркал.

После этого происходит расчет обратного преобразования Радона склеенного сигнала, выполненный путем обратного двухмерного Фурье-преобразования. Его результатом будет амплитудное распределение двухмерного поля интенсивности излучения, вид которого представлен на фиг. 5.

Далее, используя данные градуировки пирометра и его функцию расчета температуры, полученные амплитудные распределения в плоскости измерения пересчитываются в томограмму температурного распределения, т.е. проводится расчет итогового поля температуры исследуемого объекта, вид которого представлен на фиг. 6. По полученной томограмме можно судить о структуре пламени и распределении температуры в плоскости измерения поперечного сечения газового потока.

При отсутствии симметричности в реальном сигнале, поступающем из пирометра, в рассчитанные томограммы добавляются артефакты. На представленной томограмме на границах распределения хорошо видны небольшие артефакты, вызванные сканирующими зеркалами. Причем простое склеивание сигналов при их неточном центрировании приводит к дополнительным погрешностям. Для повышения точности измерения температуры требуется увеличение количества зеркал и использование длиннофокусного объектива.

Таким образом, устройство для измерения температуры в газовых потоках позволяет при использовании повысить точность определения локальной температуры в газовом потоке, обеспечивает высокую информативность измерений температурных полей и тем самым повышает достоверность результатов диагностики технического состояния газотурбинных двигателей.