СПОСОБ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОТОКА ГАЗА С ПОГЛОТИТЕЛЕМ
METHOD FOR SPECTROMETRIC MEASUREMENT OF TEMPERATURE OF GAS FLOW WITH ABSORBER

Изобретение относится к области дистанционного измерения высоких температур газов, в частности к способам измерения температуры потока 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).
Известный 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 высокоскоростном потоке газа с поглотителем.
Известен способ спектрометрического определения температуры в объеме газа с поглотителем, заключающийся в том, что предварительно калибруют оптическую систему измерения излучаемой энергии, определяя зависимость величины электрического сигнала системы измерения от температуры газа для разных значений волнового числа поглотителя, и производят юстировку оптической системы измерения излучаемой энергии путем установки приемника излучения в фокусе оптической системы, определяют содержание поглотителя в объеме газа, вычисляют поправочный коэффициент, измеряют характеристику спектра излучения объема газа и по результатам измерений с учетом поправочного коэффициента судят о температуре объема газа (патент Германии №19632174).
В этом способе проводится хемилюминисцентный анализ продуктов сгорания топлива, измеряется характеристика спектра отдельных радикалов (OH и CH), измеренное значение корректируется и сравнивается с эталонным значением из каталога. При этом результаты измерения характеристики спектра практически не зависят от степени загрязнения оптических датчиков, что повышает достоверность определения температуры газов.
Недостатком известного способа является то, что с его помощью невозможно определить распределение температуры газа в поперечном сечении потока газа.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ спектрометрического определения температуры потока газа с поглотителем, заключающийся в том, что предварительно калибруют оптическую систему измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, определяя зависимость величины электрического сигнала системы измерения от температуры газа в нагревателе для разных значений волнового числа поглотителя, и производят юстировку оптической системы измерения излучаемой энергии путем установки приемника излучения в фокусе оптической системы, измеряют парциальное давление в измеряемом потоке газа и определяют содержание поглотителя в потоке газа, вычисляют поправочный коэффициент, измеряют характеристику спектра излучения потока газа и по результатам измерений с учетом поправочного коэффициента судят о температуре потока газа (патент США №6422745).
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 только для заданного поперечного сечения потока газа, т.е. позволяет контролировать распределение средней температуры газа только по длине потока газа.
Недостатком известного способа является то, что при измерении не учитывается неравномерность распределения поглотителя в поперечном сечении потока газа, поэтому известным способом измерения невозможно определить распределение температуры в поперечном сечении потока газа.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа спектрометрического измерения температуры потока газа с поглотителем путем обеспечения возможности одним измерением характеристики спектра определить распределение температуры в поперечном сечении потока газа.
Техническим результатом данного изобретения является возможность получения достоверной информации о распределении температуры газовой среды по всему сечению высокотемпературного потока газа с поглотителем.
Этот технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа спектрометрического определения температуры потока газа с поглотителем, при котором предварительно калибруют оптическую систему измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, определяя зависимость величины электрического сигнала mV системы измерения от температуры газа в нагревателе для разных значений волнового числа поглотителя, и производят юстировку оптической системы измерения излучаемой энергии путем установки приемника излучения в фокусе оптической системы, измеряют парциальное давление в измеряемом потоке газа и определяют содержание поглотителя в потоке газа, вычисляют поправочный коэффициент, измеряют характеристику спектра излучения потока газа и по результатам измерений с учетом поправочного коэффициента судят о температуре потока газа, согласно изобретению определение температуры проводят послойно, по меньшей мере, в трех слоях газа заданной толщины, перпендикулярных линии визирования оптической системы, юстировку оптической системы проводят для одного из средних слоев газа, после юстировки оптической системы последовательно перемещают источник излучения вдоль линии визирования оптической системы и измеряют величину изменения сигнала источника излучения в зависимости от расфокусировки оптической системы, определяют для каждого слоя газа характеристику части спектра излучения потока газа, соответствующей этому слою газа заданной толщины, и величину изменения сигнала источника излучения при прохождении его к приемнику излучения через поток газа, по полученным величинам изменения сигнала вычисляют поправочный коэффициент для каждого слоя газа, парциальное давление измеряют в каждом слое газа заданной толщины, вычисляют зависимость для каждого слоя газа заданной толщины значения волнового числа поглотителя W от температуры газа, а температуру в каждом слое газа заданной толщины определяют с учетом поправочного коэффициента по точке пересечения линии, отображающей зависимость волнового числа поглотителя в этом слое газа заданной толщины от температуры газа в системе координат mV и W, с линией, полученной по результатам измерения части спектра излучения, соответствующей этому слою газа заданной толщины.
Существенность отличительных признаков способа спектрометрического определения температуры потока газа с поглотителем подтверждается тем, что только совокупность всех действий и операций, описывающая изобретение, позволяет решить задачу расширения функциональных возможностей оптической системы измерения средней температуры газа за счет получения достоверной информации о распределении температуры газовой среды по всему сечению высокотемпературного потока газа с поглотителем.
Пример реализации способа спектрометрического определения температуры в потоке газа с поглотителем поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена схема измерения спектров излучения в поперечном сечении слоев газа заданной толщины;
на фиг. 2 представлена схема калибровки оптической системы измерения с помощью регулируемого нагревателя;
на фиг. 3 представлена схема юстировки оптической системы и измерения величины изменения сигнала источника излучения в зависимости от расфокусировки оптической системы;
на фиг. 4 представлен график зависимости значений коэффициента поглощения K от волнового числа поглотителя W для трех слоев газа;
газа
на фиг. 5 представлен график зависимости значений волнового числа поглотителя от температуры газа W=f(T) для трех слоев газа в нагревателе;
на фиг. 6 - диаграмма определения значения температуры каждого слоя газа заданной толщины с учетом поправочного коэффициента.
2
Способ спектрометрического определения температуры потока газа с поглотителем может быть реализован с помощью системы измерения, показанной на фиг. 1, где показано поперечное сечение камеры 1, во внутренней полости которой находится исследуемый поток газа с поглотителем, например поток продуктов горения с углекислым газом CO, условно разделенный на три слоя заданной толщины 2, 3 и 4.
Система измерения спектра излучения содержит прозрачное окно 5, установленное в стенке камеры 1, спектрометр 6 с приемником излучения 7, в котором измеряется характеристика спектра излучения потока газа с поглотителем. Электрический сигнал от приемника излучения 7 поступает в усилитель 8, фильтр 9, цифровой преобразователь 10 и далее в компьютер 11 для обработки и определения температуры потока газа.
Калибровка оптической системы измерения проводится перед проведением измерения в самой исследуемой камере 1 или в специальной камере 12, как показано на фиг. 2, которые заполняются газом с поглотителем, и в них с помощью регулируемого нагревателя 13 создается температура, близкая к рабочей температуре в камере 1. Источником излучения в регулируемом нагревателе 13 является абсолютно черное тело, что дает возможность определить зависимость величины электрического сигнала mV системы измерения от температуры газа T в камере 12 для разных значений волнового числа поглотителя.
ср
Калибровка оптической системы измерений проводится для заданных значений толщины газового слоя, которые определяются в специальной камере 12 расстоянием L от начального сечения F камеры до средины каждого слоя газа.
В основу описываемого способа принято 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 K от волнового числа W при разных температурах газа T. (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.).
ср
ср
ср
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 K является величиной, обратной средней длине пробега излучения L в слое газа: K=1/P 1/L, при этом средняя длина пробега излучения L для каждого слоя газа заданной толщины с учетом парциального давления поглотителя P равна расстоянию от средины каждого слоя газа до начального сечения F камеры 12.
Исходя из условия, что все значения измеренной оптическим методом средней температуры газа с учетом величины парциального давления поглотителя и определенного значения коэффициента поглощения газа K должны удовлетворять зависимости W=f(T), вычисляется эта зависимость для слоя газа заданной толщины.
На фиг. 5 функции W=f(T) для слоя газа заданной толщины 2 показана линией 14, которая являются «линией разрешенных решений» для слоя газа 2 при определенном значении коэффициента поглощения. Аналогично определены «линии разрешенных решений» для слоя газа заданной толщины 3 - линия 15 и для слоя газа заданной толщины 4 - линия 16.
Полученные в процессе калибровки оптической системы измерения зависимости значения электрического сигнала спектрометра mV от значения волнового числа W в диапазоне спектральной чувствительности спектрометра для разных значений температуры могут быть совмещены в координатах mV и W. На фиг. 6 показаны линии 17-21, записанные по результатам измерения спектров излучения в камере 12 с регулируемым нагревателем 13 при калибровке оптической системы измерений для разных значений температуры: 1200°, 1252°, 1300°, 1350°, 1400°C. На диаграмме показаны также «линии разрешенных решений» 14, 15 и 16, перенесенные в систему координат mV и W.
Юстировка оптической системы измерений осуществляется при постоянной температуре с помощью плоского регулируемого нагревателя 13, размещенного в камере 1 перпендикулярно линии визирования и установленного на расстоянии S от приемника излучения 7 спектрометра 6, равном расстоянию от средины одного из средних слоев газа до приемника излучения 7 (фиг. 3). По результатам измерения спектра излучения от поверхности нагревателя 13 приемник излучения 7 устанавливается в точку фокуса оптической системы.
После завершения юстировки определяется зависимость величины изменения сигнала источника излучения от расфокусировки оптической системы. Для определения влияния расположения слоев газа не в фокусе оптической системы на результаты измерений спектров этих слоев газа, регулируемый нагреватель 13 с постоянной температурой перемещается вдоль линии визирования оптической системы, как это показано на фиг. 3. Измеряя величину излучения нагревателя 13 по мере его удалении от фокусного расстояния S от приемника излучения, получаем зависимость величины изменения сигнала излучения нагревателя 13 от расфокусировки оптической системы, из которой можно определить значение этой величины для каждого слоя газа.
Определение температуры потока газа с поглотителем в камере 1 проводят послойно, по меньшей мере, в трех слоях газа заданной толщины, перпендикулярных линии визирования оптической системы. Для этого измеряют характеристику спектра излучения всего потока газа, измеряют парциальное давление в каждом слое газа заданной толщины, вычисляют зависимость волнового числа поглотителя W от температуры потока газа T. На диаграмме фиг. 6 эта зависимость показана пунктирной линией 22.
п
п
1
2
Выделяют из общей характеристики спектра излучения всего потока газа части спектра излучения от каждого слоя газа, определяют величину изменения сигнала источника излучения при прохождении его к приемнику излучения через поток газа и по полученным величинам изменения сигнала вычисляют поправочный коэффициент для каждого слоя газа. Поправочный коэффициент для каждого слоя газа k вычисляется как произведение двух сомножителей: k=k×k, где
1
k - коэффициент, учитывающий величину изменения сигнала от источника излучения из-за расфокусировки оптической системы;
2
k - коэффициент, учитывающий величину изменения сигнала при прохождении его к приемнику излучения через поток газа.
1
1
Значение поправочного коэффициента k для каждого слоя газа определяется из полученной ранее зависимости величины изменения сигнала излучения нагревателя 13 от расфокусировки оптической системы. При этом для слоя газа, находящегося на фокусном расстоянии S от приемника излучения, коэффициент k равен 1.
2
2
2
2
Для определения коэффициента k для каждого из слоев газа заданной толщины 3 и 4 определяется зависимость величины изменения сигнала источника излучения при прохождении его через поток газа от температуры потока газа. Определение этой зависимости с учетом парциального давления может осуществляться либо экспериментально, либо расчетным путем, например, методом Монте-Карло. Значение коэффициента k для слоя газа 2 ближнего по линии визирования к приемнику излучения 7 будет равно единице, значение коэффициента k для слоя газа 3 определяется в соответствии с полученной зависимостью после определения температуры газа в слое газа заданной толщины 2, значение коэффициента k для слоя газа 4 определяется в соответствии с полученной зависимостью после определения температуры газа в слоях газа заданной толщины 2 и 3.
п
При внесении изменений с помощью поправочного коэффициента k для ближнего к приемнику излучения 7 слоя газа заданной толщины 2 «линия разрешенных решений», показанная точечной линией 14A, имеет незначительное смещение от линии 14, зависимость волнового числа поглотителя W от температуры потока газа T практически совпадает с линией 22, а температура этого слоя газа 2 определяется в точке пересечения 23 линии 14A с линией 22.
п
п
Для слоя газа заданной толщины 3 местоположение «линии разрешенных решений» с учетом поправочного коэффициента k будет определяться линией 15A, а температура этого слоя газа 3 определяется в точке пересечения 24 линии 14A с линией 22A. Для слоя газа заданной толщины 4 местоположение «линии разрешенных решений» с учетом поправочного коэффициента k будет определяться линией 16A, а температура этого слоя газа 3 определяется в точке пересечения 25 линии 16A с линией 22A.
Данный способ измерения может найти применение при экспериментальных исследованиях элементов газотурбинных двигателей, в энергетике и промышленной теплотехнике для исследования высокотемпературных процессов и позволяет расширить функциональные возможности спектрометрических измерений температуры потока газа.