СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА
MEASURING METHOD OF THERMOGAS-DYNAMIC FLOW PARAMETERS

Изобретение относится к области радиационной пирометрии, в частности к измерению параметров радиационного излучения объектов, особенно к измерению параметров высокотемпературных потоков.
Известен способ измерения температур объектов, с использованием оптического пирометра, в котором калибровку пирометра проводят с помощью источника сравнения - абсолютно черного тела (АЧТ) (Гордов А.Н., Жигулло О.М., Иванова Л.Г. "Основы температурных измерений", М.: Энергоатомиздат, 1992, с.234-237). Процесс измерения температур объектов производят следующим образом. После включения прибора и достижения температуры АЧТ 100°C с помощью поворотного зеркала, предусмотренного конструкцией прибора, направляют инфракрасное излучение (ИК-излучение) от АЧТ на вход прибора. В процессе калибровки излучение, пройдя через вращающийся перфорированный диск (модулятор), попадает на приемник излучения, где преобразуется в переменное напряжение, пропорциональное величине падающего на него потока излучения от АЧТ. Далее, после прохождения через усилитель, синхронный детектор и аналогово-цифровой преобразователь оно регулируется (подстройкой электронного тракта) так, чтобы на цифровом индикаторе пирометра отображалась температура АЧТ, равная 100°C.
У АЧТ, применяемых для калибровки, выходное отверстие всегда имеет конечные размеры, а температуры внутренних поверхностей не равномерны. При этом главная проблема метода радиационного измерения температур состоит в том, чтобы строго вычислить, насколько излучение отличается от излучения черного тела для данной геометрии и материала. Причем ошибка метода увеличивается с ростом измеряемой температуры (см. Куинн Т. Температура, М: Мир, 1985, с.326).
Существуют способы измерения параметров высокотемпературных потоков, в частности температуры потока, также основанные на сравнении излучения потока с излучением АЧТ. При измерении высоких температур радиационным методом для уменьшения ошибки измерений обычно проводится калибровка системы измерений при разных температурах АЧТ. При этом получают зависимость электрического сигнала от приемника излучения с температурой АЧТ, которая определяет излучение АЧТ, что необходимо для последующей расшифровки оптического сигнала.
В связи с тем, что калибровка радиометров проводится по АЧТ, точность определения температуры радиационным методом в большой степени определяется точностью задания характеристик АЧТ, а из всех погрешностей радиационного метода главная погрешность - это ошибка оценки степени черноты излучателя. При этом наиболее существенным фактором, определяющим точность измерений называется также температурная неоднородность АЧТ, приводящая к неопределенности температуры, которая должна быть приписана испускаемому излучению (см. Сосновский А.Г., Столярова Н.И. Измерение температур, М.: Изд-во Комитета стандартов, 1970, с.221). Указывается, что у этих приборов (приборов, основанных на сравнении параметров излучения от исследуемого источника и АЧТ) имеется много источников систематических и случайных погрешностей при градуировке и измерениях, отмечается также, что еще один источник неточности измерений - это искажение оптического сигнала в газообразной среде при калибровке и измерении на пути до системы измерений и отсутствие строгих границ измеряемого сигнала по длинам волн, если измерения проводятся пирометрами или радиометрами с фильтрами, имеющими нечеткие границы.
Наиболее близким техническим решением является способ определения температуры продуктов сгорания по ИК-излучению (патент США №6422745, опубл. 23.07.2002). В указанном техническом решении для измерения температуры газа перед входом в турбину измеряют излучение газового потока, путем фокусировки измеряемого излучения, разложения его по спектру на узкие полосы и направления на приемник излучения. Далее сигналы, усиливаются и вырабатываются электрические сигналы соответствующие каждой узкой полосе спектра.
Недостатком известного технического решения является то, что при калибровке системы измерений полагается известной степень черноты АЧТ и по температуре АЧТ рассчитывается выходящее излучение. При этом, не учитывается отличие реальной геометрии АЧТ от идеальной, также не учитывается неравномерность поля температур на внутренних поверхностях боковых стенок и внутренней поверхности дна АЧТ при разных температурах. Не учитываются также реальные коэффициенты поглощения поверхностей АЧТ. При передаче сигнала используется волоконно-оптический кабель и линзы, которые могут по-разному ослаблять, отражать и преломлять проходящее излучение на разных длинах волн, то есть искажать распределение излучения по длинам волн. Для применяемых в прототипе фильтров указаны существенные допуски на неточность границ по длинам волн, что также оказывает существенное влияние на результаты измерений.
Кроме того, предложенный способ измеряет статическую температуру (Т) газа и не может быть использован для измерения температуры торможения (Т*) газа.
Задачей заявленного технического решения является повышение точности измерения параметров высокотемпературных потоков радиационным методом.
Техническим результатом является создание способа измерений параметров высокотемпературных потоков, обеспечивающего приемлемую точность измерений при наименьших затратах его реализации.
Поставленная задача решается тем, что в способе измерения термогазодинамических параметров потока оптическим методом, при котором формируют измерительный канал, в указанном канале измеряют величину параметра излучения потока, сравнивают измеренную величину параметра излучения с величиной аналогичного параметра излучения абсолютно черного тела (АЧТ), полученной при калибровке АЧТ при заданной температуре и концентрации поглощающих компонентов и по результату сравнения определяют величину, по меньшей мере, одного термогазодинамического параметра потока, при этом измеряемый параметр излучения потока и параметр излучения АЧТ раскладывают по длинам волн для получения спектра излучения и сравнивают величины параметров излучения, полученные для определенных длин волн, дополнительно измеряют температуру и концентрацию поглощающих компонентов в измерительном канале, корректируют величины параметров излучения потока и АЧТ в зависимости от результатов измерений, раскладывают излучение потока на n составляющих, в соответствии с количеством излучающих элементов измерительного канала, определяют излучение n-го элемента измерительного канала, а в качестве параметра излучения потока используют относительную спектральную яркость излучения n-го элемента измерительного канала, рассчитываемую по формуле:
λ1
λ2
Σλ1
iλ1
Σλ2
iλ2
B/B=(I-ΣI)/(I-ΣI),
λ1
1
где B - спектральная яркость излучения на длине волны λ,
λ2
2
B - спектральная яркость излучения на длине волны λ,
Σλ1
1
I - величина излучения потока в измерительном канале, измеренная на длине волны λ,
Σλ2
2
I - величина излучения потока в измерительном канале, измеренная на длине волны λ,
iλ1
1
ΣI - суммарная величина излучений на длине волны λ, рассчитанных для n-1 элементов измерительного канала,
iλ2
2
ΣI - суммарная величина излучений на длине волны λ, рассчитанных для n-1 элементов измерительного канала.
Новым в заявленном способе является также то, что измеряют статическую и полную температуру потока и по их отношению определяют давление и скорость потока.
Главным источником ошибок измерений является грубый учет или отсутствие учета отличия излучения применяемого (реального) АЧТ от излучения идеального АЧТ, у которого бесконечно малое выходное отверстие и равномерные температуры внутренних поверхностей. У применяемых на практике АЧТ выходное отверстие всегда имеет конечные размеры, а температуры внутренних поверхностей неравномерны.
Другой источник ошибок - это влияние излучения других элементов полости датчика на излучение элемента, температура которого определяется по измеряемому излучению. Поэтому с датчика на приемник излучения обычно попадает суммарное излучение от нескольких элементов датчика, в том числе и от тех, температура которых отличается от измеряемой температуры, что приводит к ошибкам измерения.
2
2
Еще один источник ошибок - это разное влияние газа в оптическом канале, по которому излучение от датчика проходит к приемнику излучения при калибровке и при измерении. В обоих случаях могут отличаться температура и концентрации газообразных CO и HO в излучающе-поглощающем газе внутри оптического канала измерения, что приводит к искажению оптического сигнала.
В заявленном способе устраняются все указанные источники ошибок за счет отдельного учета излучения каждого n-го излучающего элемента измерительного канала. Дополнительно измеряют температуру и концентрацию поглощающих компонентов в измерительном канале и вводят коррекцию параметров излучения потока и АЧТ в зависимости от фактического содержания поглощающих компонентов в измерительном канале. Кроме того, для исключения влияния частотной составляющей излучения в качестве регистрируемого параметра используют относительную спектральную яркость излучения потока.
Заявленное техническое решение поясняется детальным описанием со ссылкой на иллюстрации, где на:
фиг.1 - показано влияние газов на спектральное излучение Iv цилиндрической полости вдоль оси.
фиг.2 - показана сходимость относительного излучения от дна датчика вдоль его оси и относительного суммарного излучения к значениям относительной яркости при одинаковых числах V (волновое число, 1/с).
фиг.3 - показана статистическая расчетная сходимость относительного излучения дна неизотермической цилиндрической полости и сходимость относительного суммарного излучения полости вдоль его оси.
фиг.4 - схема калибровки системы измерения.
фиг.5 - схема установки системы измерения перпендикулярно потоку,
фиг.6 - схема установки системы измерения параллельно потоку.
Для понимания способа измерения необходимо пояснить некоторые физические процессы, протекающие в системе измерения.
Поглощение инфракрасного (ИК) излучения атмосферой оказывает существенное влияние на результаты измерений. Расчеты показывают, что наличие газа в измерительном канале искажают характер распределения излучения по волновым числам v. К поглощающим компонентам продуктов сгорания обычно относят углекислый газ и пары воды (далее - газ). Коэффициенты поглощения сильно зависят от частоты излучения. В качестве исследуемого объекта выбран цилиндрический канал с подогреваемым дном (стакан). Влияние поглощения излучения газом, находящимся в полости стакана в зависимости от частоты излучения показана на фиг.1. Температура дна стакана установлена равной 2000 K, а температура стенок - 500 K. Спектральное излучение Iv вдоль оси цилиндрической полости показано для трех случаев: линия 1 - излучение полости без присутствия поглощающего газа внутри, линия 2 - излучение полости при наличии газа в полости при парциальном давлении 0,02 и температуре 310 K, а линия 3 - излучение с учетом его ослабления слоем атмосферы толщиной 12 калибров. Как следует из приведенных зависимостей, наибольшее поглощение излучения наблюдается в диапазоне частот от 2200 до 2400. Рабочим диапазоном частот следует считать диапазон от 2400 до 3000 v.
2
2
На фиг.2 для цилиндрического канала, внутренние поверхности которого и газ внутри полости канала имеют температуру 2000 K, показана сходимость относительного излучения Iv вдоль оси (толстые сплошные линии - 1.1; 2.1; 3.1) и относительного суммарного излучения (тонкие сплошные линии - 1.2; 2.2; 3.2) к относительной яркости дна (пунктирные линии - 1.3, 2.3; 3.3) при увеличении числа итераций и, соответственно, времени счета t для трех сочетаний волновых чисел в окнах прозрачности смеси CO и HO (относительным излучением здесь названо отношение двух спектральных функций, определенных при двух значениях спектра). Как и следовало ожидать, для изотермической полости измерительного цилиндрического канала излучение дна и суммарное излучение хорошо сходятся к соответствующим значениям относительной яркости, определяющей температуру внутренней поверхности.
В случае неизотермического цилиндрического канала (фиг.3), относительное суммарное излучение дна, измеряемое оптической системой измерений (линия 2), сходится к величине, отличной от относительной яркости дна (пунктирная линия 3), так как кроме излучения дна включает в себя излучение от боковой поверхности, отражаемое дном. Линия 1 показывает излучение дна неизотермического цилиндрического канала. Охлаждаемая боковая поверхность имеет меньшую температуру, чем температура дна. При проведении расчетов излучения цилиндра были заданы температуры дна, боковой поверхности и газа равные 2000 K, 1000 K и 500 K, соответственно.
Перед проведением измерений необходимо провести калибровку с использованием АЧТ. Схема калибровки системы измерения показана на фиг.4. Для обеспечения калибровки используется АЧТ 1 с нагревателем 2. Нагреватель снабжен термопарами (не показаны). Измерительный оптический канал 3 размещен между АЧТ 1 и объективом 4 регистрирующего прибора 5. ИК-излучение (оптический сигнал) 6, формирующееся во внутренней полости 7 АЧТ 1 поступает в измерительный канал 3 через выходное отверстие 8.
Устройство, реализующее способ повышения точности измерения высоких температур радиационным методом, содержит измерительный оптический канал 3 снабженный объективом 4 с регистрирующим прибором 5. Канал 3 имеет охлаждаемую часть - датчик 9, который закреплен в стенке 10 газового канала. Направление движения газа 11 по газовому каналу показано стрелкой. При необходимости измерения полной температуры газового потока дно 13 датчика 9 размещается перпендикулярно потоку газа 11, как показано на фиг.5.
Внутренние стенки 12 датчика 9 помещены в кожух, по которому циркулирует охлаждающий агент 14, например, воздух. Направление движения охлаждающего агента показано на фиг.5 стрелками. Отвод нагретого агента 14 из кожуха датчика 9 осуществляется через патрубок 15. На внутренних стенках 12 датчика 9 установлены термопары (не показаны).
Для измерения статической температуры потока датчик 9 устанавливается на стенке 10 так, чтобы дно 13 было ориентировано перпендикулярно потоку газа 11 (фиг.6а). Для исключения влияния дна 13 на результаты измерения и соответственного повышения точности измерений, датчик 9 может быть выполнен без дна (см. фиг.6б). Чтобы предотвратить перетекание газа во внутреннюю полость измерительного канала 3 датчик 9 выполняется с дополнительным патрубком 16. Через указанный патрубок 16 осуществляется заградительная подача дополнительного воздуха 17, который противодействует движению газа 11 в полость канала 3.
В общем случае датчик 9 может быть установлен под некоторым углом к направлению движения газа 11, как показано на фиг.6в. Такая установка датчика 9 позволит измерить температуру не полностью заторможенного потока газа, который набегает на поверхности, расположенные под таким же углом, под которым расположено дно датчика к направлению течения газа 11.
Работа устройства для измерения высоких температур радиационным методом осуществляется следующим образом.
2
2
Перед проведением измерений и при необходимости сразу после завершения измерений осуществляют калибровку системы измерений. При калибровке при разных температурах АЧТ 1 измеряется поле температур на его внутренних поверхностях с использованием термопар (на фиг.4 не показаны). Измеряются также парциальные давления CO и HO и температура газовой среды в АЧТ и в оптическом канале 3. Рассчитывается спектральное излучение АЧТ с учетом геометрических размеров полости АЧТ, оптических свойств его внутренних поверхностей, неравномерности поля температур и ослабления выходящего излучения в атмосфере от АЧТ до приемника излучения. В качестве приемника ИК-излучения 6 используется регистрирующий прибор 5, например спектрометр. Полученные данные используются для получения зависимости «ИК-излучение АЧТ - выходной сигнал регистрирующего прибора».
Для осуществления измерений термогазодинамических параметров потока устанавливают датчик 9
Датчик 9 врезается в стенку 10 и устанавливается так, чтобы поток газа 11 омывал дно 13. Дно 13 изготавливается из термостойкого материала и выполняется тонким для того, чтобы на установившихся режимах температуры внутренней и наружной поверхностей дна 13 существенно не отличались друг от друга.
Система измерений позволяет определять величину ИК-излучения 6 внутренней поверхности дна 13 датчика 9, которое снаружи контактирует с газом 11. Стенки 12 датчика 9 охлаждают воздухом 14. При этом термопарами (не показаны) проводится измерение распределения температуры на внутренней боковой поверхности охлаждаемой стенки 12 датчика 9 и рассчитывается излучение боковой поверхности стенки 12.
2
2
Излучение от дна 13 датчика 9, определяется как разность измеренного излучения дна 13 и рассчитанного излучения боковой поверхности стенки 12. Одновременно измеряют парциальные давления поглощающих компонентов CO, HO и температуру газовой среды в полости датчика 9 и в оптическом канале 3. Используя полученные путем измерений данные, рассчитывают ослабление спектрального излучения на пути от дна 13 датчика 9 до регистрирующего прибора 5.
В случае необходимости дополнительно повысить точность измерения температуры потока газа 11 используют конструкцию датчика 9, показанную на фиг.6б.
2
2
Далее на выбранных длинах волн измеряют величину ИК-излучения 6 от горячего газа 11. Одновременно измеряют температуры внутренней боковой поверхности стенок 12 датчика 9, оптического канала 3, а также парциальные давления CO и HO и температуру газовой среды в датчике 9 и оптическом канале 3 для расчета величины излучения 6 после прохождения через газовую среду.
Изменяя длины волн, на которых производятся измерения, изменяют длины среднего пробега излучения и толщину слоев газа, в которых измеряется излучение.
Для измерения полного значения температуры радиационным методом используют конструкцию датчика 9, показанную на фиг.5. Измерения ИК-излучения 6 проводят вышеуказанным образом.
При использовании датчика 9 более сложной конструкции (не цилиндрической формы) внутреннюю поверхность датчика разбивают на n составляющих, в соответствии с количеством излучающих элементов простой формы. Затем для каждого излучающего элемента простой формы, на основании измеренной температуры его внутренних стенок рассчитывают излучение от данного элемента.
Расчет газодинамического течения позволяет также по измеренной температуре дна 13 датчика 9 определить температуру торможения Т* потока газа 11.
Все измерения и расчеты делают для двух длин волн излучения, что позволяет определить отношение, являющееся безразмерным относительным излучением дна 13. Величину относительного излучения определяют по формуле:
λ1
λ2
Σλ1
iλ1
Σλ2
iλ2
B/B=(I-ΣI)/(I-ΣI),
λ1
1
где B - спектральная яркость излучения на длине волны λ,
λ2
2
В - спектральная яркость излучения на длине волны λ,
Σλ1
1
I - величина излучения потока в измерительном канале, измеренная на длине волны λ,
Σλ2
2
I - величина излучения потока в измерительном канале, измеренная на длине волны λ,
iλ1
1
ΣI - суммарная величина излучений на длине волны λ, рассчитанных для n-1 элементов измерительного канала,
iλ2
2
ΣI - суммарная величина излучений на длине волны λ, рассчитанных для n-1 элементов измерительного канала.
Для того чтобы вычислить газодинамические функции для потока нагретого газа 11 проводят следующие измерения. С помощью датчика 9, измеряющего статическую температуру (фиг.6а) и датчика, измеряющего полную температуру (фиг.5) измеряют статическую и полную температуры потока. Затем по отношению измеренных температур определяют газодинамические функции потока газа 11, используя таблицы газодинамических функций.
Численная реализация способа измерения высоких температур радиационным методом показала, что относительное излучение дна 13 с хорошей точностью совпадает с относительной яркостью дна для одних и тех же длин волн. Поэтому в качестве относительной яркости можно использовать относительное излучение. Применяя формулу Планка для полученных зависимостей относительной яркости от температуры можно однозначно определить искомую температуру.
Кроме того, предложенный способ измерения высоких температур радиационным методом ослабляет влияние коэффициентов излучения внутренних поверхностей датчика, которые обычно известны не точно, что также повышает точность измерений.