Устройство для измерения температуры пламени в зоне горения образца топлива

 

Область техники: относится к технике испытаний горючих материалов, а именно к устройствам для измерения температуры газа Т_г в зоне горения образцов топлива, горящего параллельными слоями, например полимерного композиционного материала (ПКМ). Сущность: технический результат заключается в осуществлении непрерывного вывода излучения от центральной части насыщенной спектральной линии щелочного металла в оптическую систему спектропирометра. В процессе перемещения зоны горения и благодаря этому обеспечивается измерение температуры пламени в зоне горения. Устройство содержит камеру сгорания с размещенным в ней образцом топлива и светопроводом, входной конец которого примыкает к переднему торцу образца топлива, пирометр излучения, примыкающий к выходному концу светопровода, и регистратор. Камера сгорания выполнена герметичной, образец топлива размещен в бронированном стакане. В качестве топлива используют полимерный композиционный материал, включающий щелочной металл. Светопровод выполнен из материала, сублимирующего в зоне горения со скоростью, равной скорости горения образца топлива, например, из оргстекла и установлен внутри образца по оси последнего. Вход и выход светопровода расположены со стороны открытого и бронированного торцов образца топлива, причем плоскость входного сечения светопровода совмещена с плоскостью переднего торца образца топлива. В качестве пирометра излучения используется спектропирометр с рабочей длиной волны, равной длине волны насыщенной центральной части спектральной линии щелочного металла. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технике испытаний горючих материалов, а именно к устройствам для измерения температуры газа Т_г в зоне горения образцов топлива, горящего параллельными слоями, например, полимерного композиционного материала (ПКМ).

Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для измерения температуры продуктов горения в зоне горения, содержащее камеру сгорания с размещенным в ней образцом топлива и светопроводом, входной конец которого примыкает к переднему торцу образца топлива, спектропирометр излучения, объектив которого размещен напротив выходного конца светопровода, и регистратор [1].

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым изобретением, включают камеру сгорания с размещенным в ней образцом топлива и светопроводом, спектропирометр излучения и регистратор.

Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого технического результата, заключается в низкой информативности, т.к. за одно испытание топливного образца определяется только одно значение температуры газа Т_г в зоне горения, соответствующее давление среды Р_с в камере сгорания, что не позволяет правильно оценить неравномерность температуры T_г в процессе сжигания образца. Следует отметить также сложность и низкую надежность регистрации измерительного сигнала при пирометрии пламени с малыми значениями излучательной способности ε_λ. Сущность изобретения заключается в следующем.

Изобретение направлено на решение задачи создания устройства, позволяющего определить температуру газа непосредственно в зоне горения образца топлива и выяснить причины неравномерного сгорания топливных образцов.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в осуществлении непрерывного вывода излучения от центральной части насыщенной спектральной линии щелочного металла в оптическую систему спектропирометра в процессе перемещения зоны горения и благодаря этому обеспечивает измерение температуры пламени в зоне горения.

Данный технический результат достигается тем, что устройство содержит камеру сгорания с размещенным в ней образцом топлива и светопроводом, входной конец которого примыкает к переднему торцу образца топлива, спектропирометр излучения, примыкающий к выходному концу светопровода; регистратор, камера сгорания выполнена герметичной, образец топлива размещен в бронированном стакане, в качестве топлива используют полимерный композиционный материал, включающий щелочной металл, светопровод выполнен из материала, сублимирующего в зоне горения со скоростью, равной скорости горения образца топлива, например, из оргстекла и установлен внутри образца по оси последнего с расположением входа и выхода светопровода со стороны открытого и бронированного торцев образца топлива.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения температуры пламени в зоне горения. На фиг. 2 показаны осциллограммы сигналов спектропирометра (кривая 1) и отметчика времени (кривая 2).

Устройство содержит образец топлива 1 с установленным по его оси светопроводом 2, причем образец покрыт по боковой поверхности бронирующим покрытием 3, за исключением переднего торца, и помещен в камеру сгорания большого объема 4, заполненную инертным газом под определенным давлением P_с. Давление P_с контролируется датчиком давления 5 (например, типа ЛХ-410). На одной оптической оси со светопроводом 2 размещен спектропирометр 6, оптическая система которого воспринимает поток излучения Φ_iλ, выходящий из светопровода 2. Спектропирометр 6 и датчик давления 5 через тензостанцию 7 (например, типа ЛХ-7000) подключены к отдельным входам многоканального регистратора 8 с отметчиком времени (например, светолучевого осциллографа типа Н-700). Регистратор осуществляет запись во времени сигналов спектропирометра h_ic=f(t), датчика давления h_ig=f(t) и отметчика времени в виде синусоидальной кривой с периодом Δ = 0,02 с (фиг. 2).

Устройство работает следующим образом.

При воспламенении с помощью электрозапала открытой (передней) поверхности образца топлива из ПКМ начинается процесс горения образца параллельными слоями, при котором фронт горения, оставаясь перпендикулярным оси образца, перемещается влево. При достижении фронтом горения переднего торца светопровода, выполненного из оргстекла, поток излучения Φ_0λ от насыщенной центральной части спектральной линии с длиной волны λ щелочного металла, например, натрия, выводится в виде потока Φ_iλ к оптической системе спектропирометра 6. Поток получения Φ_iλ = Φ_i0λ·τ_iλ = τ^li_1λ·Φ_i0λ, (1) где τ_iλ - текущее значение коэффициента пропускания светопровода длиной l_i на длине волны λ; τ^li_1λ - коэффициент пропускания слоя единичной толщины светопровода на длине волны λ. Значение τ_1λ в видимой области спектра для оргстекла марок СОЛ и СТ2 составляет 0,91 при толщине слоя оргстекла 10 мм [2]; l_i - текущее значение длины светопровода.

Поток Φ_iλ формирует на выходе спектропирометра пропорциональный электрический сигнал, отображаемый на осциллограмме в виде отклонений h_ic от нулевой линии, прописанной на фотоленте при отсутствии потока Φ_iλ. Оргстекло марок СОЛ и СТ2 при высоких температурах в зоне горения ПКМ (1500^oC и выше) сублимирует (минуя стадию плавления) с образованием газообразных продуктов, очищающих поверхность светоприемного конца светопровода от загрязнений. В связи с низкой теплопроводностью ПКМ сублимирует только тонкий слой светопровода, находящийся в реакционном слое топлива, где собственно и протекает процесс горения. При этом оргстекло, как оптический материал, сохраняет свою прозрачность в процессе горения топлива. Однако коэффициент пропускания светопровода τ_iλ по причине непрерывного укорочения образца топлива изменяется (возрастает), что искажает величину оптического потока, поступающего в оптическую систему спектропирометра. Вместо потока Φ_i0λ в оптическую систему поступает ослабленный поток Φ_iλ, формирующий уменьшенное отклонение h_ic, что, если не принять никаких мер, приведет к занижению значения измеренной температуры.

Для устранения данного недостатка необходимо поправить полученное значение h_ic путем домножения его на коэффициент a_i = 1/τ_iλ = 1/τ^li_1λ, (2) т.е. определить h_ib = h_ic · a_i. (3) Располагая градуировочной зависимостью спектропирометра h = f(T), где h и T - соответственно отклонения луча h и температура T модели абсолютно черного тела (АЧТ), можно по значению h_in определить по градуировочной зависимости значение температуры пламени Т_г = T.

Определить текущее значение длины светопровода l_i, соответствующее моменту времени t_i в процессе горения образца и подставляемое в (2), можно следующим образом.

Обозначим:
t_нач, t_кон - моменты времени, соответствующие началу и концу горения образца топлива;
Δt_i = t_i - t_нач - продолжительность горения образца топлива, соответствующая моменту времени t_i;
Δt = t_нач - t_кон - полное время горения образца;
l_нач, l_кон, l_i - значения начальной, конечной и текущей длины светопровода;
Δ_{обр. i} = l_{обр. нач.} - l_{обр. i} - укорочение образца, соответствующее моменту времени t_i;
l_{обр. нач}, l_{обр. кон}, l_{обр. i} - значения начальной, конечной и текущей длины образца без учета толщины бронирующего покрытия;
Δl_i = l_нач - l_i - укорочение светодиода, соответствующее моменту времени t_i, причем
Δl_i = Δl_обр.i; (4)
v - скорость горения топлива.

Тогда
l_i = l_нач - Δl_i, (5)
где
Δl_i = V·Δt_i, (6)

причем l_{обр. кон} = 0.

Полученное из (5) значение l_i подставляют в (2) и находят a_i, а затем по (3) рассчитывают h_in, по которому из градуировочной зависимости находят значение температуры пламени T_г = T.

Список использованной литературы:
1. Харазов В. Г. Автоматизация высокотемпературных процессов. - Л.: Энергия, 1974.

2. Мельников Ю.Ф. Светотехнические материалы. - М.: Высшая школа, 1976.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения температуры пламени в зоне горения образца топлива, содержащее камеру сгорания с размещенным в ней образцом топлива и светопроводом, входной конец которого примыкает к переднему торцу образца топлива, спектропирометр излучения, примыкающий к выходному концу светопровода, и регистратор, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена герметичной, образец топлива размещен в бронированном стакане, в качестве топлива используют полимерный композиционный материал, включающий щелочной металл, светопровод выполнен из материала, сублимирующего в зоне горения со скоростью, равной скорости горения образца топлива, и установлен внутри образца по оси последнего с расположением входа и выхода светопровода со стороны открытого и бронированного торцов образца топлива, причем плоскость входного сечения светопровода совмещена с плоскостью переднего торца образца топлива, рабочая длина волны спектропирометра равна длине волны насыщенной центральной части спектральной линии щелочного металла.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что светопровод выполнен из оргстекла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2