УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ АВИАЦИОННЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

Полезная модель относится к приборам для дистанционного измерения в широком диапазоне спектра оптических характеристик сред, в частности, для измерения спектральных характеристик излучения твердых тел, жидкостей или газов, для контроля их физического состояния, в частности, для измерения их состава или температуры при высокотемпературных технологических процессах. Устройство может быть использовано для измерений параметров источника излучения при испытании элементов наземных или авиационных силовых установок.
Одним из направлений исследования авиационных силовых установок при их испытаниях является измерение спектра излучения струи работающего двигателя. Излучение направляется в спектрометр, который должен располагаться в непосредственной близости от работающей силовой установки. Такие условия работы спектрометра характеризуются высоким уровнем вибрации и интенсивным воздействием акустических волн широкого диапазона. В связи с этим, возникает необходимость подобрать спектрометр, который был бы устойчив к этим воздействиям и измерительная система которого не входила бы в резонанс с интенсивными вибрациями работающих авиационных двигателей.
Спектр излучения сопловой части современного двигателя находится, в основном, в инфракрасном (ИК) диапазоне, однако представляет интерес и анализ видимой части спектра современных высокотемпературных двигателей. Поэтому необходимо проводить измерения как в инфракрасном, так и в видимом диапазоне.
Один из распространенных методов регистрации спектра при проведении испытаний - фотоэлектрический, с выводом результатов на осциллограф или записывающее устройство. При таком методе регистрации возникает необходимость интерпретации полученных результатов, а именно установить связь между точками на графике осциллографа и реальной длинной волны, для которой получено значение интенсивности излучения.
Известен спектрометр с высокой разрешающей способностью HR4000 (http://www.ecmoptec.ru/pics/optekusr/File/Spektrometr.pdf). Прибор работает в диапазоне длин волн 0,2-1,1 мкм, т.е. позволяет исследовать излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне с высокой точностью. Прибор достаточно чувствителен к вибрациям и мощным акустическим шумам, имеет резонансные частоты составных частей, попадающие в диапазон вибраций при работе авиационного двигателя. Таким образом, недостатком прибора является невозможность его использования в жестких условиях испытания авиационных двигателей.
Известен спектрометр для исследования ближней и средней инфракрасной области спектра ИКС-12 (Тарасов К.И. «Спектральные приборы». - Л.: Машиностроение, 1968, с.265-267.). Прибор позволяет проводить измерения в диапазоне 0,75-45 мкм и имеет массивную раму, позволяющую проводить измерения в условиях высокого уровня шума и вибраций. Однако, указанный прибор не измеряет видимую часть спектра исследуемого излучения.
В основу полезной модели положено решение следующих задач:
- создание прибора для фотоэлектрической регистрации спектра излучения в инфракрасном и видимом диапазоне, устойчивого к помехам, шуму и вибрациям, характерным для условий испытания авиационных двигателей;
- обеспечение возможности сопоставления полученных данных об интенсивности с длинами волн, в том числе с использованием по крайней мере одной точки спектра в видимом диапазоне;
- повышение точности сопоставления с использованием данных о нескольких точках спектра в видимом диапазоне.
Для достижения этого технического результата устройство для фотоэлектрической спектрометрии авиационных силовых установок содержит спектрометр инфракрасного диапазона с подвижной призмой, приводом поворота призмы и приемником излучения.
Новым в полезной модели является то, что устройство содержит толкатель, концевой выключатель, схему генерации сигнала, устройство записи и совмещения с двумя входами, приемник излучения выполнен сменным, толкатель размещен на приводе поворота призмы и выполнен с возможностью взаимодействия с концевым выключателем, концевой выключатель электрически соединен с входом схемы генерации сигнала, схема генерации сигнала соединена с первым входом устройства записи и совмещения, второй вход которого соединен с выходом приемника излучения.
Новым так же является то, что спектрометр снабжен экраном со щелью, расположенным на призме спектрометра с возможностью перемещения и выделения узкой полосы выходного спектра излучения.
Для решения задачи фотоэлектрической регистрации спектра в состав устройства входит массивный призменный спектрометр инфракрасного диапазона, подключенный к устройству записи и совмещения. В качестве спектрометра может использоваться, например, модель ИКС-12, имеющая массивную раму и другие элементы конструкции, обеспечивающие минимизацию влияния вибраций и шумов и препятствующие возникновению резонансных колебаний в составных частях спектрометра. В качестве устройства записи и совмещения может использоваться двухканальный осциллограф, имеющий два входа, подключенный выходом к ЭВМ.
Задача сопоставления полученных данных об интенсивности спектральных линий с длинами волн, решается путем синхронизации фазы поворота призмы и процесса записи данных, полученных от фотоприемника. Синхронизация обеспечивается тем, что размещенный на приводе подвижной призмы толкатель, концевой включатель, и схема генерации сигнала позволяют отмечать при записи спектра крайнее положение призмы, как начало отсчета точек получаемого спектра. Определение соответствия точки на спектре и длины волны производится по характерным линиям поглощения среды (воздуха) в инфракрасном диапазоне и по, как минимум, одной точке в видимом диапазоне. Приемник излучения выполнен сменным, что позволяет получать спектры в различных диапазонах, например в видимом диапазоне, используя фотоприемник видимого диапазона, например TSOP1756. В устройстве записи и совмещения производится совмещение спектров, полученных в ИК и видимом диапазоне с использованием следующих ключевых точек:
- точка начала отсчета,
- точек, соответствующих общеизвестным частотам поглощения воздуха в ИК-диапазоне,
- точка максимума излучения видимого диапазона, или точки, соответствующие участкам видимого спектра определенных цветов.
Для решения задачи повышения точности соответствия между полученным спектром и длинами волн, в видимом диапазоне могут быть выделены как минимум две точки, например, соответствующие границам видимого диапазона - в красной и фиолетовой областях спектра. Для получения точки, соответствующей, например красной области видимого спектра, на призму спектрометра укрепляется экран со щелью, располагаемой в красной области спектра. Призма выполнена с возможностью совершения поворота на ограниченный угол. При прохождении полного цикла поворота призмы, снабженной экраном, будет получена точка, соответствующая красному цвету. Такая же процедура может быть проведена для, например, фиолетового цвета. При этом экран на призме сдвигают в область фиолетового цвета. Значение длин волн красного и фиолетового цветов известно из таблиц, что позволит привязать совмещенный график спектра к длинам волн с точностью, достаточной для надежных измерений в ИК области.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи: создан устойчивый к вибрациям прибор, регистрирующий ИК и видимый спектр излучения с привязкой к длинам волн и возможностью повышения точности такой привязки проведением дополнительных измерений в видимом диапазоне с использованием экрана на призме.
Предлагаемая полезная модель поясняется последующим подробным описанием со ссылкой на чертежи, представленные на фиг.1-3, где
на фиг.1 изображена схема спектрометра, блок генерации сигнала и устройство записи и совмещения;
на фиг.2 приведена схема экрана со щелью на призме.
на фиг.3 приведен записанный спектр источника излучения, полученный путем совмещения спектров, в видимом и ИК диапазонах.
Источник излучения 1 расположен напротив входной щели 2 спектрометра 3. Спектрометр 3 содержит подвижную призму 4 с поворотным приводом 5. На приводе 5 установлен толкатель 6, выполненный с возможностью взаимодействия с концевым выключателем 7. Концевой выключатель 7 электрически соединен с входом схемы генерации сигнала 8. Схема генерации сигнала 8 может быть выполнена, например, на базе фотоприемника TSOP1756, путем замены фототранзистора на контактный включатель, что обеспечит генерацию сигнала «начало отсчета» с такими же характеристиками, как у сигнала от приемника излучения 10. Схема генерации сигнала 8 соединена с первым входом устройства записи и совмещения 9, второй вход которого соединен с выходом приемника излучения 10. Электромотор 11 обеспечивает вращение привода 5. Тяга поворота 12 соединена с призмой 4, выполненной с возможностью колебательного движения вокруг оси 13. Концевой включатель 7 размещен на корпусе спектрометра 3. Спектрометр 3 содержит выходную щель 17.
Экран 14 со щелью 15 размещен на призме 4 спектрометра. Щель 15 на экране 14 выделяет монохроматическое излучение из спектра, в который в призме 4 раскладывается входящее излучение.
В результате записи и совмещения спектров в инфракрасном и видимом диапазонах получается результирующий спектр 16 с точкой начала отсчета 18, точками 19 поглощения воздуха в ИК диапазоне, и точками 20, 21, 22, соответствующими красному, зеленому и фиолетовому цветам видимого спектра.
Устройство работает следующим образом. Излучение от источника 1 попадает в приемное окно 2 спектрометра 3 и подвергается разложению в спектр на призме 4. Выходная щель 17 выделяет полосу спектра, регистрируемую приемником излучения 10. Приемник излучения 10 передает сигнал об интенсивности зарегистрированной полосы на второй вход устройства записи и совмещения 9. Привод 5 сообщает призме 4 колебательные движения вокруг оси 13, что обеспечивает смещение полос спектра, попадающих в приемник излучения 10. Устройство записи и совмещения 9 производит регистрацию 4000 точек за каждый полный цикл колебания призмы. Толкатель 6 установленный на приводе 5, нажимает на концевой выключатель 7 при крайнем положении призмы 4, в момент начала записи. Концевой выключатель 7 запускает схему генерации сигнала 8, сигнал из которой поступает на первый вход устройства записи и совмещения 9. Устройство записи и совмещения 9 интерпретирует этот сигнал, как точку 18 начала отсчета и совмещает начало отсчета с данными, поступающими на второй вход от приемника излучения 10. Такой цикл измерений проводится многократно для инфракрасного диапазона. После окончания измерений в инфракрасном диапазоне производится замена приемника излучения 9 инфракрасного диапазона на приемник излучения 9 видимого диапазона спектра. Цикл измерений так же проводится для видимого диапазона. Результирующие спектры записываются, совмещаются и усредняются для повышения точности измерений в устройстве записи и совмещения 9. По полученному в устройстве записи и совмещения 9 спектру 16 возможно сопоставить номер точки отсчета на спектре 16 с длиной волны, попавшей в приемник излучения 10 путем совмещения точки начала отсчета 18, точек 19 известных частот поглощения воздуха в инфракрасном диапазоне и точки 21 максимума видимого диапазона.
Для повышения точности определения связи номера точки отсчета с длиной волны, в видимом спектре проводятся дополнительные измерения с использованием экрана 14 со щелью 15. Экран 14 устанавливается на призму 4 таким образом, чтобы выделить из выходного спектра излучение только одного цвета. Измерения проводятся в том же порядке, как описано для измерений без экрана 14. Спектр, получаемый в устройстве записи и совмещения 9, имеет характер пика около значения длины волны, соответствующего цвету, выделенному щелью 15 экрана 14. Полученные таким образом спектры, например, красного и фиолетового цветов позволят получить на спектре 16 точки 20 и 22. Это позволяет повысить точность связи точек на спектре с длинами волн.
Предложенное техническое решение представляет собой практичное и надежное средство для проведения исследований спектральных характеристик источника излучения при испытаниях авиационных двигателей. Устройство устойчиво к жестким условиям эксперимента и обеспечивает точность, необходимую для надежного сбора данных о параметрах источника излучения.