Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины



Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины
Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины
Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины
Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины
Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины
Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины

 


Владельцы патента RU 2548933:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)

Изобретение относится к области дистанционного измерения высоких температур газов и может быть применено для экспериментальных исследований рабочего процесса силовых установок. Согласно заявленному способу при спектрометрическом измерении средней температуры слоя газа заданной толщины, содержащего поглотитель, измеряют спектр излучения от слоя газа заданной толщины. Парциальное давление поглотителя измеряют по меньшей мере в двух сечениях слоя газа заданной толщины в направлении линии измерения спектра излучения. По усредненному значению парциального давления судят о распределении поглотителя в слое газа заданной толщины. Вычисляют зависимость волнового числа поглотителя W в слое газа заданной толщины от температуры газа W=f(T). Среднюю температуру слоя газа заданной толщины определяют по точке пересечения линии, отображающей зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры газа в системе координат mV и Т, с линией, полученной по результатам измерения спектра излучения от слоя газа заданной толщины в системе координат mV и Т. Технический результат - повышение точности определения средней температуры слоя газа заданной толщины. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области дистанционного измерения высоких температур газов, в частности к способам измерения средней температуры слоя газа с поглотителем и может быть применено для экспериментальных исследований рабочего процесса силовых установок.

Известен способ спектрометрического измерения средней температуры текучей среды, содержащей поглотитель, при котором проводят калибровку измерительной системы, измеряют спектр излучения от измеряемой среды, регистрируют величину плотности среды и по результатам измерений вычисляют значение средней температуры этой среды (авторское свидетельство СССР №1515070, G01K 11/00, 1987 г.). Указанный способ позволяет с достаточной точностью определять среднюю температуру измеряемой текучей среды. Однако в силу специфических особенностей его осуществления - измерение параметров текучей среды осуществляется в кюветах, этот способ не может быть применен для исследования послойного распределения температур в объеме газа с поглотителем.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины, содержащего поглотитель, заключающийся в том, что калибруют оптическую систему измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, определяя зависимость величины электрического сигнала mV системы измерения от температуры газа Т в нагревателе для разных значений волнового числа поглотителя, измеряют парциальное давление поглотителя в измеряемом объеме газа и определяют содержание поглотителя в объеме газа, фокусируют поток излучения от измеряемого объема газа на приемное устройство измерителя, прерывают фокусируемый поток излучения с заданной частотой, измеряют спектр излучения объема газа и по результатам измерений судят о средней температуре объема газа (патент США №6422745, НКИ 374-131, 2002 г.).

Известный способ реализуется с помощью оптической системы измерений, имеющей множество инфракрасных детекторов с оптическими фильтрами для узких диапазонов инфракрасного излучения, расположенных по длине газового тракта. Калибровка системы измерений проводится при разных температурах нагревателя (абсолютно черного тела) для каждого чувствительного элемента системы измерений путем установления зависимости электрического сигнала от значения оптического излучения газа. Известный способ позволяет определить значение средней температуры газа с поглотителем для любого заданного поперечного сечения объема газа по его длине, т.е. позволяет контролировать изменение средней температуры газа только по длине потока газа.

Недостатком известного способа является то, что при измерении не учитывается неравномерность распределения поглотителя в поперечном сечении объема газа, поэтому известным способом измерения невозможно определить среднюю температуру слоя газа заданной толщины и контролировать изменение средней температуры объема газа в поперечном сечении объема газа.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа спектрометрического измерения средней температуры объема газа за счет определения средней температуры слоя газа заданной толщины, что позволяет судить о распределении значений средней температуры газа в поперечном сечении объема газа с поглотителем.

Указанная задача решается тем, что измеряют спектр излучения от слоя газа заданной толщины, парциальное давление поглотителя измеряют, по меньшей мере, в двух сечениях слоя газа заданной толщины в направлении линии измерения спектра излучения и по усредненному значению парциального давления судят о распределении поглотителя в слое газа заданной толщины, вычисляют зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины W от температуры газа W=f(T), а среднюю температуру слоя газа заданной толщины определяют по точке пересечения линии, отображающей зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры газа в системе координат mV и Т, с линией, полученной по результатам измерения спектра излучения от слоя газа заданной толщины в системе координат mV и Т.

Причем зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры нагрева газа W=f(T) вычисляют с параметрами, для которых значения средней длины пробега излучения в слое газа и коэффициента поглощения газа определяются в зависимости от заданной толщины слоя газа.

Существенность отличительных признаков способа спектрометрического измерения средней температуры слоя газа подтверждается тем, что только совокупность всех действий и операций, описывающая изобретение позволяет решить задачу расширения функциональных возможностей оптической системы измерения средней температуры газа.

Пример реализации способа измерения средней температуры слоя газа заданной толщины поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема измерения парциального давления поглотителя и спектров излучения в поперечном сечении слоев газа заданной толщины для определения их средней температуры, на фиг.2 - схема калибровки оптической системы измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, на фиг.3 - зависимость значений коэффициента поглощения К от волнового числа поглотителя W при разных температурах газа Тгаза, на фиг.4 - зависимость значений волнового числа поглотителя от температуры газа W=f (Тгаза), на фиг.5 - диаграмма определения значения средней температуры слоя газа заданной толщины, на фиг.6 - зависимость величины электрического сигнала спектрометра от волнового числа при разных температурах газа, определенная при калибровке оптической системы измерения.

Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины, содержащего поглотитель, реализуется следующим образом: калибруют оптическую систему измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, определяя зависимость величины электрического сигнала mV системы измерения от температуры газа T в нагревателе для разных значений волнового числа поглотителя, измеряют парциальное давление поглотителя в измеряемом объеме газа и определяют содержание поглотителя в объеме газа, фокусируют поток излучения от измеряемого объема газа на приемное устройство измерителя, прерывают фокусируемый поток излучения с заданной частотой, измеряют спектр излучения объема газа и по результатам измерений судят о средней температуре объема газа, причем измеряют спектр излучения от слоя газа заданной толщины, парциальное давление поглотителя измеряют, по меньшей мере, в двух сечениях слоя газа заданной толщины в направлении линии измерения спектра излучения и по усредненному значению парциального давления судят о распределении поглотителя в слое газа заданной толщины, вычисляют зависимость волнового числа поглотителя W в слое газа заданной толщины от температуры газа W=f(T), а среднюю температуру слоя газа заданной толщины определяют по точке пересечения линии, отображающей зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры газа в системе координат mV и Т, с линией, полученной по результатам измерения спектра излучения от слоя газа заданной толщины в системе координат mV и Т.

На фиг.1 показано поперечное сечение камеры 1, во внутренней полости которой находится исследуемый объем газа с поглотителем, например поток продуктов горения с углекислым газом CO2. Система измерения спектра излучения объема газа с поглотителем содержит спектрометр 2, в котором поток излучения от измеряемого объема газа фокусируют на приемное устройство измерителя, прерывают (модулируют) фокусируемый поток излучения с заданной частотой и измеряют спектр излучения объема газа. Электрический сигнал от измерителя поступает в усилитель 3, фильтр 4, цифровой преобразователь 5 и далее в компьютер (не показан) для обработки.

Калибровка оптической системы измерения может проводиться как в самой исследуемой камере 1 с помощью регулируемого нагревателя, так и в специальной камере регулируемого нагревателя 7, показанной на фиг.2, в диапазоне температур, близких к рабочей температуре камеры 1. Источником излучения в обоих случаях является абсолютно черное тело, что дает возможность определить зависимость величины электрического сигнала mV системы измерения от температуры газа Т в нагревателе 7 для разных значений волнового числа поглотителя.

Калибровка системы измерений проводится для заданного значения толщины газового слоя, которое определяется в камере нагревателя 7 расстоянием от начального сечения F камеры, т.е. расстояние от плоскости поперечного сечения G до начального сечения F соответствует заданной толщине слоя газа, равной 40 мм, а расстояние от плоскости поперечного сечения Н до начального сечения F соответствует заданной толщине слоя газа, равной 200 мм.

В основу описываемого способа заложено условие, при котором значения средней длины пробега излучения и коэффициента поглощения газа определяются в зависимости от заданной толщины измеряемого слоя газа. Известны оптические свойства углекислого газа, показанные на фиг.3 и представляющие собой зависимости коэффициентов поглощения К от волнового числа W при разных температурах газа Т. (C.B. Ludwig, W. Malkmus, J.E. Reardon, J.A.L. Thomson «Handbook of Infrared radiation from Combustion Gases» Washington, NASA, 8p-3080, 1973. - 486 p.).

Из известных зависимостей при постоянном коэффициенте поглощения К можно получить зависимость значения волнового числа поглотителя от температуры газа W=f(T) и описывающее полученную зависимость уравнение. С учетом парциального давления поглотителя Р коэффициент поглощения газа К является величиной, обратной средней длине пробега излучения Lcp в слое газа: К=1/Р 1/Lcp, при этом средняя длина пробега излучения Lcp с учетом парциального давления поглотителя P равна половине заданной толщины слоя газа (AB или AC).

Исходя из условия, что все значения измеренной оптическим методом средней температуры газа с учетом величины парциального давления поглотителя и определенного значения коэффициента поглощения газа К должны удовлетворять зависимости W=f (Тгаза), вычисляем эту функцию для слоя газа заданной толщины AB, для которого средняя длина пробега излучения Lcp1=2 см, а коэффициент поглощения газа Кгаз1=0,5 (1/см) при парциальном давлении 0,05. На фиг.4 функция W=f (Тгаза) для слоя заданной толщины AB, показанная линией W(T)1, является «линией разрешенных решений» при определенном значении коэффициента поглощения. Аналогично может быть определена «линия разрешенных решений» для слоя газа толщиной AC - линия W(T)2 на фиг.4.

В процессе калибровки оптической системы измерения определяются зависимости значения электрического сигнала спектрометра mV от значения волнового числа W в диапазоне спектральной чувствительности спектрометра для разных значений температуры в нагревателе. На фиг.6 показаны графики, записанные по результатам измерения спектров излучения в камере нагревателя 7 для разных значений температуры и совмещенные в координатах mV и W. При дальнейшей обработке эти зависимости преобразуются в зависимости электрического сигнала mV от температуры газа Tгаза для разных значений волнового числа W. Для этого на графике фиг.6 проводятся вертикальные прямые W=const, соответствующие конкретным значениям волнового числа, и по координатам точек пересечения (T1, Т2, Т3, Т4) вертикальных прямых W=const с графиками для разных значений температур строятся линии W=const на диаграмме с координатами mV и Тгаза, показанной на фиг.5.

На диаграмме показаны 11 линий W=const для разных значений волнового числа W, а также «линия разрешенных решений» W(T)1 (штриховая), построенная по значениям волнового числа W и температуры Tгаза и отображающая в системе координат mV и Тгаза зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры газа.

Для каждого значения толщины слоя газа в камере 1 строится отдельная калибровочная диаграмма.

В процессе определения средней температуры слоя газа заданной толщины в камере 1 измеряют спектр излучения от слоя газа заданной толщины, определенной отрезком AB, измеряют парциальное давление поглотителя Р в двух сечениях D и E слоя газа заданной толщины и по усредненному значению парциального давления поглотителя Р судят о распределении поглотителя в слое газа заданной толщины. Результаты оптического измерения спектра в слое газа заданной толщины отображают в виде линии 12 на диаграмме фиг.5 по полученным значениям электрического сигнала mV и волнового числа W.

По точке пересечения линии 12 с «линией разрешенных решений» W(T)1 определяется средняя температура слоя газа заданной толщины. При изменении параметров работы в исследуемой камере 1 по значениям электрического сигнала mV и волнового числа W аналогичным образом строится линия 13 и по точке пересечения ее с «линией разрешенных решений» W(T)1 определяется средняя температура слоя газа заданной толщины.

Данный способ измерения может применяться в энергетике и промышленной теплотехнике для исследования высокотемпературных процессов и позволяет расширить функциональные возможности спектрометрических измерений температуры в объеме газа.

1. Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины, содержащего поглотитель, заключающийся в том, что калибруют оптическую систему измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, определяя зависимость величины электрического сигнала mV системы измерения от температуры газа T в нагревателе для разных значений волнового числа поглотителя, измеряют парциальное давление поглотителя в измеряемом объеме газа и определяют содержание поглотителя в объеме газа, фокусируют поток излучения от измеряемого объема газа на приемное устройство измерителя, прерывают фокусируемый поток излучения с заданной частотой, измеряют спектр излучения объема газа и по результатам измерений судят о средней температуре объема газа, отличающийся тем, что измеряют спектр излучения от слоя газа заданной толщины, парциальное давление поглотителя измеряют, по меньшей мере, в двух сечениях слоя газа заданной толщины в направлении линии измерения спектра излучения и по усредненному значению парциального давления судят о распределении поглотителя в слое газа заданной толщины, вычисляют зависимость волнового числа поглотителя W в слое газа заданной толщины от температуры газа W=f(T), а среднюю температуру слоя газа заданной толщины определяют по точке пересечения линии, отображающей зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры газа в системе координат mV и T, с линией, полученной по результатам измерения спектра излучения от слоя газа заданной толщины в системе координат mV и Т.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры нагрева газа W=f(T) вычисляют с параметрами, для которых значения средней длины пробега излучения в слое газа и коэффициента поглощения газа определяются в зависимости от заданной толщины слоя газа.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике. Устройство содержит термопару в металлическом корпусе, рабочий спай которой расположен внутри защитного наконечника, выступающего за пределы корпуса.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям уровня путем измерения емкости конденсаторов, и предназначено для измерения температуры и уровня продукта, заполняющего хранилище.

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для корректировки температурных параметров в турбореактивном двигателе летательного аппарата.

Изобретение относится к области термостатического регулирования и может быть использовано при изготовлении водоразборных кранов-смесителей. Заявлен патрон (1), содержащий термостатический элемент (72), который подвергается тепловому воздействию со стороны смеси холодной текучей среды и горячей текучей среды, который механически связан с заслонкой регулирования (70) и который перемещается при помощи единственной рукоятки (50) управления расходом и температурой этой смеси.

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для оценки температурных параметров в турбореактивном двигателе летательного аппарата. Заявленный способ оценивания по изобретению содержит этап цифрового моделирования температуры потока с помощью моделированного сигнала (T1) и этап коррекции этого моделированного сигнала с помощью сигнала (T2) ошибки.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры газов автотранспортных средств. Заявлен температурный датчик, содержащий термочувствительный элемент (3), периферический кожух (7) с закрытым концом (9), в котором находится термочувствительный элемент (3).

Изобретение относится к экспериментальной теплофизике и может быть использовано для определения температуры газа в рабочей полости роторной машины. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения температуры среды в замкнутом канале, в частности теплоносителя в трубах систем отопления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости потока однородных или гомогенных жидкостей или газов. .

Изобретение относится к энергетике, в частности к модулируемым атмосферным газовым горелкам с автоматическим корректором мощности, и может быть использовано в газогорелочных устройствах паровых и водогрейных котлов наружного и внутреннего размещения.

Изобретение относится к оптическому приборостроению. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений энергии оптических импульсов. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к технике оптических измерений. .

Пирометр // 2270984
Изобретение относится к измерительной технике. .

Пирометр // 2225600
Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к энергетической фотометрии, и может найти применение при разработке, производстве и эксплуатации сверхъярких источников излучения - мощных электрических дуг, лазеров.

Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности. Заявлена конструкция космического приемника-преобразователя лазерного излучения в двух вариантах исполнения. В первом варианте приемник-преобразователь выполнен в виде трех взаимно перпендикулярных круговых панелей с точкой пересечения, совпадающей с их геометрическими центрами; каждая круговая панель с двух сторон представляет приемную плоскость, на которой установлены фотоэлектрические преобразователи. Тыльные контакты фотоэлектрических преобразователей охлаждаются радиальными прямолинейными, дугообразными и периферийными дугообразными тепловыми трубами. Второй вариант отличается от первого конструкцией тепловых труб: применяются V-образные и дугообразные тепловые трубы. Техническим результатом является повышение мощности и эффективности приемника-преобразователя, повышение КПД преобразования, надежности и ресурса работы. 2 н.п. ф-лы, 19 ил.
Наверх