ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
OPTICAL PYROMETRIC TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике, и более конкретно к пирометрам частичного излучения, предназначенным для измерения температуры рабочих лопаток турбины газотурбинного двигателя (ГТД). Известен оптический пирометрический преобразователь (ОПП), состоящий из объектива, заканчивающегося гибким волоконным световодом в защитной оболочке, и устройства стыковки передающего торца световода с фотодиодом, состоящего из термоизоляционной прокладки между корпусом световода и катушкой, в которую вставлен фотодиод. Катушка имеет одну обмотку, которая является датчиком температуры фотодиода. По величине изменения сопротивления датчика температуры вносится коррекция в статическую характеристику ОПП.
Однако данный оптический преобразователь трудно реализуем из-за несовпадения функциональных зависимостей температурного дрейфа фотодиода и изменения сопротивления катушки от температуры.
Это не позволяет производить измерение температуры рабочих лопаток турбины ГТД с требуемой точностью. Известен также ОПП, в котором точность измерения температуры рабочих лопаток ГТД повышается за счет применения системы термостатирования фотодиода вместо введения температурной коррекции [1]. Однако конструктивное исполнение указанного ОПП характеризуется наличием напыленного нагревателя, не позволяет подводить необходимую мощность в термостат, а величина теплоизоляции между корпусом световода и кристаллом фотодиода является недостаточной, что приводит к низкой точности измерения температуры рабочих лопаток ГТД и длительному времени выхода термостата на стационарной режим работы из-за наличия температурных дрейфов фотодиода, являющихся следствием утечек тепла в термостате через корпус световода.
Наиболее близким техническим решением является устройство ОПП, в котором утечки тепла термостата через корпус световода уменьшены за счет выполнения боковых стенок катушки термостата из теплоизоляционного материала, а корпус световода выполнен из нержавеющей трубки с пониженным коэффициентом теплопроводности.
Недостатком данного технического решения является наличие контакта фотодиода с полированным торцом световода, а также расположение фотодиода не в центре катушки термостата, где имеется наиболее стабильная температура, а у края катушки, примыкающего к корпусу световода, что способствует утечкам тепла термостата, низкой точности измерения температуры рабочих лопаток ГТД, а также увеличению времени выхода ОПП на стационарный режим работы.
Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения температуры и уменьшение времени выхода ОПП на режим работы.
Цель достигается тем, что между наружной поверхностью входного оптического окна фотодиода и полированным торцом световодного жгута предусмотрен зазор величиной 0,1…0,3 мм, обеспечиваемый теплоизоляционной втулкой. Светочувствительный кристалл фотодиода расположен в центре катушки термостата, стенки которой выполнены двойными, с размещенными между ними фитилем и рабочей жидкостью. Внутренняя стенка катушки находится в контакте с посадочными поверхностями корпуса фотодиода, а на наружной стенке размещена нагревательная обмотка.
На фиг. 1 показано конструктивное исполнение заявляемого устройства на фиг. 2 - вариант исполнения того же устройства.
Наружная поверхность входного оптического окна фотодиода 1 отстоит от полированного торца А световодного жгута 2 на величину 0,1…0,3 мм, что предотвращает утечку тепла термостата 3 через корпус световода.
Световодный жгут 2 отделен от корпуса световода 4 теплоизоляционой втулкой 5, которая входит внутрь катушки термостата 3 таким образом, что светочувствительный кристалл Б фотодиода 1 оказывается расположенным в центре катушки термостата 3.
Катушка термостата 3 выполнена с двойными стенками, между которыми расположен фитиль 6 и залита рабочая жидкость (например: этиловый спирт). На наружные поверхности катушки намотаны нагревательная обмотка 7 на площади не менее 80% (1…3 слоя) и измерительная обмотка 8, а внутренняя поверхность катушки 3 контактирует по цилиндрической поверхности с фотодиодом 1 в зоне расположения кристалла Б.
Заявляемый термостат работает следующим образом.
Нагреватель 7 выделяет тепло, которое через медную наружную стенку катушки 3 переходит к рабочей жидкости и переносится ею на внутреннюю медную стенку катушки 3, контактирующую с фотодиодом 1 в зоне расположения светочувствительного кристалла Б. Рабочая жидкость переносит тепло также к измерительной обмотке 8, по величине изменения сопротивления которой вырабатывается сигнал на отключение нагревателя 7. В качестве рабочей жидкости применена жидкость, имеющая точку кипения, равную точке стабилизации фотодиода 1. Например, для термостабилизации фотодиода ФД-28КП АГЦ 3.368.109 ТУ при +80°C наиболее подходящей рабочей жидкостью является этиловый спирт-ректификат по ГОСТ 18.300-72. Фитиль 6, выполненный из супертонкого стекловолокна, служит для возврата рабочей жидкости из зоны конденсации в зону испарения термостата 3.
Таким образом, эффективность работы заявляемого ОПП, узла стыковки, устройства термостата и способа термостатирования фотодиода по сравнению с прототипом заключается в:
1) снижении утечки тепла термостата и уменьшении времени выхода ОПП на стационарный режим работы за счет оптимального зазора (01…0,3 мм) между полированным торцом световодного жгута и входным оптическим окном фотодиода;
2) уменьшении температурных дрейфов фотодиода и увеличения точности измерения температуры рабочих лопаток ГТД за счет расположения светочувствительного кристалла фотодиода в центре катушки термостата;
3) уменьшении утечек тепла термостата через корпус световода за счет зазора (01…0,3 мм) и расположения кристалла в центре катушки;
4) повышении теплоотдачи каждого витка нагревателя, намотанного на наружной стенке катушки диаметром Д и длиной L (фиг. 1, 2), что по площади соприкосновения нагревателя с корпусом катушки в 6-10 раз больше, чем в прототипе;
5) уменьшении времени выхода термостата на стационарный режим работы более чем в 2-3 раза;
6) повышении стабильности (в 5…8 раз) поддержания температуры внутренней стенки термостата, контактирующей с фотодиодом;
7) увеличении точности измерения температуры рабочих лопаток ГТД за счет использования фазовых переходов рабочей жидкости (из газообразного состояния в жидкое и наоборот).
Источники информации
1. Патент Франции №2304908.