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. Заявленное 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. 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. Технический результат - повышение точности определения локальной температуры в газовом потоке. 6 ил.

 

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.

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, отличающееся тем, что 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике и построения систем автоматического регулирования температуры газов газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к области термометрии и направлено на исследование различных теплозащитных и эрозионно стойких материалов, обеспечивающих защиту трубопроводов высокого давления, работающих на продуктах сгорания, имеющих высокую температуру от 1000°С.

Изобретение относится к области газовой динамики и может быть использовано для измерения поля температуры газового потока, движущегося с большой скоростью, в частности, в газотурбинных установках и в стендовых системах.

Изобретение относится к области технической физики, а именно к способам определения температуры торможения газового потока, и может быть использовано при длительном локальном измерение полной температуры набегающего потока в элементах газотурбинных двигателей, например в переходных каналах, на выходе из камеры сгорания, с числом Маха от 0.1 до 0.7 набегающего потока и температурой, превышающей 2000K.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры раскаленных газовых потоков, включая пламена.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры потока неоднородных, химически агрессивных и абразивосодержащих газов.

Измерительный преобразователь (260) технологической переменной для восприятия технологической переменной технологической текучей среды в промышленном процессе включает в себя технологическую прокладку (200), имеющую поверхность, выполненную с возможностью образования уплотнения с поверхностью технологического резервуара.

Изобретение относится к ультразвуковому расходомеру для измерения скорости потока и/или расхода текучей среды. Ультразвуковой расходомер содержит: измерительный преобразователь, имеющий соединительные фланцы для присоединения трубопроводов текучей среды и среднюю часть, выполненную с возможностью пропускания текучей среды, по меньшей мере два помещенных в среднюю часть ультразвуковых преобразователя, которые образуют пару ультразвуковых преобразователей и между которыми установлена измерительная цепь, проходящая через поток, датчик давления, удерживаемый в средней части в гнезде датчика давления и имеющий сообщение по текучей среде с внутренностью средней части через гнездо поршня, калибровочный вывод, удерживаемый в средней части в гнезде калибровочного вывода и имеющий сообщение по текучей среде с внутренностью средней части через гнездо поршня, причем поршень в гнезде поршня выполнен с возможностью приведения в два положения, при этом в первом положении датчик давления имеет сообщение по текучей среде с внутренностью средней части, а во втором положении датчик давления через гнездо поршня имеет сообщение по текучей среде с калибровочным выводом.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах контроля технологических процессов. Система датчиков содержит технологический измерительный преобразователь, вибродатчик без внешнего питания и технологический трансмиттер.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения температуры нестационарного газового потока, теплового импульса потока, скорости движения фронта теплового возмущения, зависимости скорости движения фронта теплового возмущения от расстояния до источника его возникновения.

Изобретение относится к области гидродинамики жидкостей, в частности к способам оценки эффективности гидродинамического сопротивления углеводородных жидкостей, и может быть использовано при создании гидродинамических стендов для изучения углеводородных жидкостей и испытания присадок к ним, снижающих гидродинамическое сопротивление. Предложен способ оценки эффективности противотурбулентной присадки, характеризующийся тем, что измерения проводят на гидравлическом стенде, обеспечивающем турбулентный режим течения углеводородной жидкости и включающем измерительный участок, на входе и выходе которого установлены датчики температуры. При этом углеводородную жидкость циркулируют по измерительному участку, фиксируя ее температуру на входе и выходе измерительного участка, после чего вводят противотурбулентную присадку в циркулируемую углеводородную жидкость, фиксируя ее температуру на входе и выходе измерительного участка. Величину снижения сопротивления (DR) по перепаду температуры на измерительном участке рассчитывают по формуле DR (%)=А(1-ΔТ0/ΔТр)*100, где А - экспериментально определяемая константа; ΔТ0 - перепад температуры углеводородной жидкости (нефти/нефтепродукта) без противотурбулентной присадки на входе и выходе измерительного участка, °С; ΔТр - перепад температуры углеводородной жидкости (нефти/нефтепродукта) с введенной противотурбулентной присадкой на входе и выходе измерительного участка, °С; причем в процессе измерения углеводородную жидкость подогревают или охлаждают с тем, чтобы ее температура отличалась от температуры окружающей среды. Технический результат - упрощение процесса проведения исследования по определению величины снижения гидравлического сопротивления (DR). 2 ил.

Изобретение относится к области очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Датчиковое устройство (10) для определения температуры выхлопных газов двигателя (100) внутреннего сгорания содержит тепловой элемент (20), который генерирует сигнал температуры и содержит датчиковую часть (22) для расположения в потоке (AG) выхлопных газов двигателя (100). Датчиковая часть (22) полностью окружена экраном (30) защиты от излучения для защиты датчиковой части (22) от теплового излучения, причем в экране (30) защиты от излучения выполнено по меньшей мере одно впускное отверстие (32) для входа потока (AG) выхлопных газов и по меньшей мере одно выпускное отверстие (34) для выхода потока (AG) выхлопных газов. Датчиковая часть (22) расположена по ходу движения потока (AG) выхлопных газов между впускным отверстием (32) и выпускным отверстием (34). Экран (30) защиты от излучения содержит по меньшей мере одну направляющую поток часть (36) для управления направлением движения потока (AG) выхлопных газов между по меньшей мере одним впускным отверстием (32) и по меньшей мере одним выпускным отверстием (34). По меньшей мере одна направляющая поток часть (36) выполнена в виде частичного выреза в экране (30) защиты от излучения, при этом указанный частичный вырез ориентирован таким образом, чтобы быть отогнутым от основного корпуса (38) экрана (30) защиты от излучения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для диагностики технического состояния газотурбинных двигателей в процессе их разработки, производства и испытаний. Заявленное 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. 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. Технический результат - повышение точности определения локальной температуры в газовом потоке. 6 ил.

Наверх