Способ измерения пространственного распределения температуры газа

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения характеристик газовых потоков. Заявлен способ измерения пространственного распределения температур в нагретом газовом потоке по методу регулярных оптических меток путем управляемого ввода в исследуемое сечение газового потока карбидкремниевого многоэлементного зонда. При этом регистрация матричным фотоприемником сигнала, несущего информацию о регулярном яркостном контрасте, созданным карбидкремниевым многоэлементным зондом, осуществляют на эффективной длине волны инфракрасного (ИК) диапазона соответствующего окна прозрачности атмосферы (среды). Технический результат: расширение диапазона измерения температуры газа и уменьшение методической погрешность измерений. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к яркостной пирометрии, и может быть использовано для измерения распределения температур газовых потоков.

Известен способ измерения пространственного распределения температур путем помещения в контролируемые точки множества термочувствительных кварцевых пьезорезонансных датчиков с различными резонансными частотами. При этом искомую температуру в контролируемых точках определяют по предварительно найденным зависимостям резонансной частоты кварцевых пьезорезонансных датчиков от температуры (см. RU №2206878, G01K 7/00, 2003).

Недостатками данного способа являются: узкий диапазон измеряемых температур, обусловленный предельными эксплуатационными возможностями кварцевых пьезорезонансных датчиков и соединительных проводов; низкие функциональные возможности и точность измерения вследствие большой тепловой инерции используемых датчиков, разброса параметров и деградации, а также отсутствия возможности визуализации; сложность технической реализации способа из-за использования в конструкции линий передачи сигналов, источника переменного напряжения в виде генератора многочастотного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является принятый за прототип метод регулярных оптических меток, позволяющий получать пространственное распределение температуры в выделенном сечении нагретого газового потока, путем управляемого ввода в исследуемое сечение газового потока карбидкремниевого многоэлементного зонда с излучающими площадками круглой формы и работающего по принципу косвенного подогрева, регистрации матричным фотоприемником в видимом спектральном диапазоне длин волн λ_э=0,6…0,72 мкм регулярного яркостного контраста, который создают излучающие площадки, и последующего измерения (расчета) по известному алгоритму яркостных температур излучающих площадок, значения которых принимаются за температуры исследуемого газового потока (см. Селезнев Б.И., Карачинов Д.В., Карачинов В.А., Торицин С.Б. Метод регулярных оптических меток в пирометрии нагретых газовых потоков. // Оптический журнал, 2006, т. 73, №5, с.69-70).

Недостатком данного способа является узкий диапазон измеряемых температур газового потока, в частности невозможность измерения пространственного распределения температуры газа с абсолютными значениями менее 700°C из-за слабого яркостного контраста излучающих площадок карбидкремниевого многоэлементного пирометрического зонда, значение которого на эффективной длине волны регистрации оптического излучения λ_э=0,6…0,72 мкм оказывается ниже порога чувствительности матричного фотоприемника.

Задачей предлагаемого технического решения является расширение температурного диапазона измерения пространственного распределения температуры газа в область температур менее 700°C за счет изменения эффективной длины волны регистрации матричным фотоприемником регулярного яркостного контраста, который создают излучающие площадки многоэлементного пирометрического зонда.

Технический результат заявляемого решения выражен в расширении температурного диапазона измерения пространственного распределения температуры газа в область температур менее 700°C за счет того, что регистрация матричным фотоприемником регулярного яркостного контраста, который создают излучающие площадки многоэлементного пирометрического зонда, осуществляется на эффективной длине волны инфракрасного (ИК) диапазона соответствующего окна прозрачности атмосферы (среды) (см. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. - М.: Мир, 1988, 416 с.). В ИК-диапазоне коэффициент излучения карбида кремния значительно выше, чем в видимом диапазоне (см. Излучательные свойства твердых материалов. Справочник. / Под ред. А.И.Шейндлина. - М.: Энергия, 1974, с.377), поэтому при температурах газового потока ниже 700°C имеется техническая возможность регистрации яркостного контраста излучающих площадок многоэлементного зонда и последующего расчета яркостных (действительных) температур (см. Пореев В.А., Пореев Г.В. Экспериментальное определение температурного диапазона телевизионного пирометра. // Оптический журнал. 2004, т. 71, №1. С.70). Коме того, проведение пирометрических измерений в окнах прозрачности атмосферы позволяет существенно уменьшить методическую погрешность, обусловленную процессами поглощения проходящего через среду теплового излучения (см. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. - М.: Наука, 1982, с.33-39).

Для решения поставленной задачи предложен способ измерения пространственного распределения температур в нагретом газовом потоке по методу регулярных оптических меток путем управляемого ввода в исследуемое сечение газового потока карбидкремниевого многоэлементного зонда с излучающими площадками круглой формы, численные значения яркостных температур которых принимают за температуры исследуемого газового потока и измеряют с помощью известного алгоритма по величине регистрируемого матричным фотоприемником их яркостного контраста, при этом регистрация матричным фотоприемником регулярного яркостного контраста осуществляют на эффективной длине волны инфракрасного (ИК) диапазона соответствующего окна прозрачности атмосферы (среды).

На фиг.1 представлено устройство для реализации способа.

На чертеже и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - сечение исследуемого газового потока;

2 - многоэлементный пирометрический зонд;

3 - излучающие площадки;

4 - устройство ввода пирометрического зонда в газовый поток (позиционер);

5 - видеокамера;

6 - система входного объектива;

7 - селективный оптический фильтр;

8 - матричный ИК-фотоприемник;

9 - канал связи;

10 - персональный компьютер,

11 - контроллер позиционера.

Способ осуществляется следующим образом.

В исследуемое сечение нагретого газового потока (1) с помощью системы позиционера (4), (11) помещают карбидкремниевый многоэлементный зонд (2), который за счет теплообмена с газовым потоком нагревается и излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне длин волн. Система входного объектива (6) и селективный оптический фильтр (7) видеокамеры (4) проецируют на эффективной длине волны в выбранном окне прозрачности атмосферы на матричном фотоприемнике (8) регулярный яркостный контраст (изображение) излучающих площадок (3) зонда (2).

Сигнал с матричного фотоприемника (8), пропорциональный яркости излучающих площадок (3) зонда (2), после преобразования в видеокамере (5) через канал связи (9) поступает в персональный компьютер, где с целью определения (расчета) температур излучающих площадок (3) обрабатывается по алгоритму, приведенному в прототипе.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет:

- расширить температурный диапазон измерения пространственного распределения температуры газа;

- уменьшить методическую погрешность измерения пространственного распределения температуры газа;

- расширить области применения метода.

Способ измерения пространственного распределения температуры газа по методу регулярных оптических меток, включающий управляемый ввод в исследуемое сечение газового потока карбид кремниевого многоэлементного зонда с излучающими площадками круглой формы и измерение сигнала с матричного фотоприемника, пропорционального яркости излучающих площадок, который обрабатывается по известному алгоритму в значения яркостных температур излучающих площадок, и которые принимают за температуру исследуемого газового потока, отличающийся тем, что регистрацию матричным фотоприемником сигнала, несущего информацию о регулярном яркостном контрасте, созданным карбид кремниевым многоэлементным зондом, осуществляют на эффективной длине волны инфракрасного (ИК) диапазона соответствующего окна прозрачности атмосферы (среды).