Лазерное устройство контроля качества распыливания жидкости форсунками

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов с помощью оптических средств в потоке текучей среды, а более конкретно к конструкции оптических устройств, предназначенных для количественных оценок распыливания жидкостей форсунками. Устройство содержит три лазера, оптические формирователи плоских потоков излучения, цветную телекамеру и ЭВМ. Телекамера содержит фоточувствительные элементы трех видов, первый из которых имеет максимум спектральной чувствительности в красной области спектра, второй имеет максимум спектральной чувствительности в зеленой области спектра, третий имеет максимум спектральной чувствительности в синей области спектра. Длина волны первого лазера соответствует максимуму спектральной чувствительности фоточувствительных элементов первого вида цветной телекамеры, длина волны излучения второго лазера соответствует максимуму спектральной чувствительности фоточувствительных элементов второго вида цветной телекамеры, длина волны излучения третьего лазера соответствует максимуму спектральной чувствительности фоточувствительных элементов третьего вида цветной телекамеры, подключенной к устройству сопряжения, формирующему в ЭВМ три цифровых изображения, соответствующих красному, зеленому и синему цветам. При этом оптическая ось цветной телекамеры совмещена с осью симметрии форсунки, поток излучения синего цвета проходит через вершину соплового наконечника форсунки, а потоки излучения красного и зеленого цветов смещены на некоторые расстояния от указанной вершины. Изобретение позволяет повысить достоверность контроля качества распыливания жидкости форсунками и уменьшить погрешность в измерении геометрических параметров пространственного распределения распыляемых частиц. 1 ил.

 

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов с помощью оптических средств в потоке текучей среды, а более конкретно к конструкции оптических устройств, предназначенных для количественных оценок распыливания жидкостей форсунками. Оно может быть использовано для контроля и испытаний форсунок различного назначения.

Известны лазерные устройства для количественной оценки качества распыливания жидкости форсунками, описанные в книге (Журавлев О.А., Мединская Л.Н., Шорин В.П. Лазерная диагностика двухфазных течений. - Куйбышев: И-во Куйб. авиац. ин-та, 1989. - 74 с.) и основанные на использовании лазерной доплеровской анемометрии и малоуглового рассеяния света. В лазерном доплеровском анемометре измерительный объем в потоке распыляемых форсункой частиц формируется двумя интерферирующими лазерными пучками. Таким образом, измерительный объем представляет собой локальную область в пространстве, заполненную интерференционными полосами. Распыленная форсункой частица, пересекая в своем движении интерференционные полосы, заполняющие измерительный объем, становится источником рассеянного света переменной интенсивности. Амплитудный и частотный анализ этой интенсивности позволяет рассчитывать концентрацию и скорость частиц в измерительном объеме.

Устройства, основанные на использовании малоуглового рассеяния, также предполагают формирование локальной световой области - измерительного объема - в потоке частиц и анализ углового распределения рассеянного распыленными частицами света, на основе которого рассчитывается концентрация частиц в измерительном объеме.

Недостатком известных устройств при измерении геометрических параметров пространственного распределения распыляемых частиц является необходимость сканирования малого измерительного объема по пространственной области, в пределах которой исследуется пространственное распределение распыляемых частиц. Набор геометрических параметров пространственного распределения распыляемых частиц и составляет совокупность количественных показателей качества распыливания жидкости форсункой. Кроме того, время, затрачиваемое на сканирование, ограничивает область применения известных устройств, основанных на использовании лазерной доплеровской анемометрии и малоуглового рассеяния света, измерениями стационарных пространственных распределений.

Наиболее близким техническим решением является лазерное устройство контроля качества распыливания топлива и определения геометрических параметров струй дизельной форсунки (Патент РФ №1759138, М., кл. G01N 21/47, опубл. 20.05.1999 г.). Устройство содержит лазер, луч которого при помощи системы зеркал делится на два пучка, поступающие в оптические формирователи плоских потоков излучения. Плоские потоки излучения ориентированы перпендикулярно оси форсунки и проходят над сопловым наконечником распылителя, причем первая плоскость проходит через вершину соплового наконечника для фиксирования центра симметрии картины, а вторая - на известном расстоянии от первой, определяемом из условия получения двух раздельных сечений струй. Свет, рассеянный частицами распыленной жидкости, попадающими в плоскости потоков излучения, регистрируется телекамерой, и изображения пространственных распределений сечений поля частиц, выделенных плоскими потоками излучения, визуализируются на экране телеприемника с прозрачным шаблоном, на котором указаны допустимые размеры струй с полем допусков, и одновременно поступают в ЭВМ для расчета набора геометрических параметров пространственного распределения распыленных частиц. Контроль и отбраковка форсунок производится либо по сопоставлению визуализированных изображений с шаблоном, либо по набору геометрических параметров пространственного распределения распыленных частиц, рассчитанных с помощью ЭВМ.

Известное устройство имеет следующие недостатки: необходим подбор расстояния между плоскими потоками излучения из условия получения двух раздельных сечений струй, т.к. работа устройства возможна лишь при раздельных изображениях этих сечений на одном фиксируемом и обрабатываемом кадре; использование первой световой плоскости для одновременной фиксации центра симметрии картины, совпадающей с вершиной соплового наконечника форсунки, и первого сечения струи, которое вблизи вершины соплового наконечника форсунки может иметь малые геометрические размеры, вследствие чего измерения геометрических параметров первого сечения струи на изображении будут отягощены большими погрешностями.

В основу изобретения поставлена задача повысить достоверность контроля качества распыливания жидкости форсунками и уменьшить погрешность в измерении геометрических параметров пространственного распределения распыляемых частиц.

Указанная задача решается за счет того, что в лазерном устройстве контроля качества распыливания жидкости форсунками, содержащем лазер, оптические формирователи плоских потоков излучения, телекамеру и ЭВМ, согласно изобретению, телекамера установлена цветная, содержащая фоточувствительные элементы трех видов, первый из которых имеет максимум спектральной чувствительности в красной области спектра, второй имеет максимум спектральной чувствительности в зеленой области спектра, третий имеет максимум спектральной чувствительности в синей области спектра, дополнительно введены два лазера, причем длина волны первого лазера соответствует максимуму спектральной чувствительности фоточувствительных элементов первого вида цветной телекамеры, длина волны излучения второго лазера соответствует максимуму спектральной чувствительности фоточувствительных элементов второго вида цветной телекамеры, длина волны излучения третьего лазера соответствует максимуму спектральной чувствительности фоточувствительных элементов третьего вида цветной телекамеры, и устройство сопряжения, формирующее в ЭВМ три цифровых изображения, соответствующих красному, зеленому и синему цветам.

Введение цветной телекамеры с тремя видами фоточувствительных элементов, согласованных с ними по спектральной чувствительности лазеров, и устройства сопряжения, формирующего в ЭВМ три цифровых изображения, соответствующих красному, зеленому и синему цветам, позволяет, используя один из лазеров для визуализации вершины форсунки, а заодно и распределения распыляемых частиц в прифорсуночной области, путем смещения двух других лазеров с соответствующими формирователями плоских потоков излучения относительно первого и друг друга, оптимизировать схему измерения пространственных распределений распыляемых частиц по критерию минимума погрешностей измерения того или иного геометрического параметра распределения вне зависимости от того, накладываются ли изображения всех трех сечений друг на друга в кадре изображения или нет, т.к. изображения красного, зеленого и синего цветов, во-первых, соответствуют каждый вполне определенному сечению и, во-вторых, могут обрабатываться ЭВМ независимо друг от друга.

На чертеже показана схема лазерного устройства контроля качества распыливания жидкости форсунками.

Устройство содержит три лазера, первый из которых 1 генерирует в зеленой области спектра, второй 2 - в красной и третий 3 - в синей, с пучком каждого из лазеров оптически связаны формирователи плоских потоков излучения 4, 5 и 6; цветную телекамеру 7, содержащую фоточувствительные элементы трех видов, первый из которых имеет максимум спектральной чувствительности в красной области спектра, второй имеет максимум спектральной чувствительности в зеленой области спектра, третий имеет максимум спектральной чувствительности в синей области спектра; устройство сопряжения 8, формирующее в ЭВМ 9 три цифровых изображения, соответствующих красному, зеленому и синему цветам; форсунку 10, подсоединенную через гидропровод 11 к гидронасосу 12. Оптическая ось цветной телекамеры 7 совмещена с осью симметрии форсунки 10. Плоскости плоских потоков излучения зеленого 13, красного 14 и синего 15 цветов перпендикулярны оси симметрии форсунки 10, причем поток излучения синего цвета 15 проходит через вершину соплового наконечника форсунки 10, а потоки излучения красного 14 и зеленого 13 цветов смещены на некоторые расстояния относительно вершины соплового отверстия форсунки в соответствии с задачами конкретного эксперимента. Цифрой 16 условно обозначены частицы распыленной жидкости с указанием направления их перемещения.

Устройство работает следующим образом. С помощью гидронасоса 12 через гидропровод 11 производится распыливание жидкости форсункой 10. Частицы распыленной жидкости 16, попадающие в плоскости потоков излучения, рассеивают свет, который регистрируется цветной телекамерой 7. Выходной сигнал телекамеры оцифровывается устройством сопряжения 8, формирующим в ЭВМ 9 три цифровых изображения, соответствующих синему, красному и зеленому цветам. По синему цифровому изображению определяются координаты центра симметрии форсунки и пространственное распределение капель распыливаемой жидкости в прифорсуночной области. По красному цифровому изображению определяется пространственное распределение частиц на некотором заранее известном расстоянии от соплового наконечника форсунки. По зеленому цифровому изображению определяется пространственное распределение частиц на еще большем расстоянии от форсунки.

Сопоставление координат центра симметрии форсунки с координатами энергетического центра красного и зеленого изображений дает представление о симметрии пространственного распределения распыленных частиц. Изменение геометрических размеров при переходе от красного изображения к зеленому при известных расстояниях между световыми сечениями позволяет определить пространственную форму факела распыла и объем, заполняемый распыленными частицами.

Последовательность расположения световых плоскостей синего, красного и зеленого цветов по отношению к сопловому наконечнику форсунки выбирается из условия получения достаточно ярких изображений во всех трех цветах и поэтому может отличаться от приведенной на чертеже. Для выполнения условия получения достаточно ярких изображений во всех трех цветах следует учитывать мощности излучения каждого из лазеров, изменение коэффициента рассеяния света каплями распыляемой жидкости при переходе от синей области спектра к зеленой и красной, уменьшение концентрации рассеивающих центров - капель - по мере удаления от соплового наконечника форсунки и изменение спектральной чувствительности цветной телекамеры.

Последовательность световых плоскостей синего, красного и зеленого цветов по отношению к сопловому наконечнику форсунки, представленная на чертеже, выбрана из соображений согласованности спектральной чувствительности цветных телекамер с кривой видности человеческого глаза. Чувствительность человеческого глаза, а следовательно, и цветной телекамеры наибольшая в зеленой области спектра, в красной и синей областях она существенно меньше. Концентрация распыленных частиц в единице объема по мере удаления от соплового наконечника форсунки уменьшается, поэтому уменьшается и концентрация рассеивающих центров на единицу площади плоского потока излучения. Если мощности излучения лазеров синего, красного и зеленого цветов одинаковы и коэффициент рассеяния света распыленными частицами также мало изменяется в видимом диапазоне, то представленная на чертеже последовательность расположения световых плоскостей синего, красного и зеленого цветов учитывает изменения концентрации распыленных частиц при удалении от форсунки и спектральной чувствительности цветной телекамеры, что и позволяет получить приблизительно равнояркие изображения во всех трех цветах.

Лазерное устройство контроля качества распыливания жидкости форсунками, включающее лазер, оптические формирователи плоских потоков излучения, телекамеру и ЭВМ, отличающееся тем, что установлена телекамера цветная, содержащая фоточувствительные элементы трех видов, первый из которых имеет максимум спектральной чувствительности в красной области спектра, второй имеет максимум спектральной чувствительности в зеленой области спектра, третий имеет максимум спектральной чувствительности в синей области спектра, дополнительно введены два лазера, причем длина волны первого лазера соответствует максимуму спектральной чувствительности фоточувствительных элементов первого вида цветной телекамеры, длина волны излучения второго лазера соответствует максимуму спектральной чувствительности фоточувствительных элементов второго вида цветной телекамеры, длина волны излучения третьего лазера соответствует максимуму спектральной чувствительности фоточувствительных элементов третьего вида цветной телекамеры, подключенной к устройству сопряжения, формирующего в ЭВМ три цифровых изображения, соответствующих красному, зеленому и синему цветам, при этом оптическая ось цветной телекамеры совмещена с осью симметрии форсунки, поток излучения синего цвета проходит через вершину соплового наконечника форсунки, а потоки излучения красного и зеленого цветов смещены на некоторые расстояния от указанной вершины.