ДАТЧИК КОНТРОЛЯ РЕЖИМА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Техническое решение относится к средствам диагностики процесса горения в тепловых энергетических установках (ТЭУ) по величине косвенного параметра плазмы пламени - электронной концентрации N, который в наибольшей степени отражает динамизм процесса горения [Зарко В.Е. и др. Физика горения и взрыва, 2000, т.36, №1, с.68-78]. В известных способах [Хилд М. Микроволновая диагностика плазмы - М.: Атомиздат, 1968; Голант Н.Е. Сверхвысокочастотная диагностика плазмы М.: Наука, 1968; Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1703920 БИ №1, 1992; Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1567143] о концентрации судят по отклику на сверхвысокочастотное облучение плазмы во внутрикамерном пространстве. Устройства, реализующие названные способы содержат датчики, включающие антенны, генераторы СВЧ и детекторы. Устройства [Авторское свидетельство СССР №1638477; БИ №12, 1991 г., Авторское свидетельство СССР №1829006, БИ №27, 1993 г.], позволяют осуществить невозмущающий технологический контроль двигательных ТЭУ летательных аппаратов.
Недостатки названных устройств состоят в низкой точности и ограниченной информативности контроля. Причины: подверженность датчиков температурному и вибрационному воздействию со стороны контролируемой ТЭУ. Существенный вклад вносят методическая погрешность, обусловленная влиянием соударений электронов с нейтральными частицами (в ТЭУ это сажа и несгоревшее топливо), и собственное радиоизлучение плазмы. Все перечисленные факторы несут информацию о процессе горения, то есть о режиме ТЭУ, но в известных способах выступают как помеховые факторы.
Недостаток устройств, кроме [6, 7], состоит в нарушении принципа невозмущающего контроля, поскольку для их установки необходимы неприемлемые конструктивные изменения камеры сгорания.
Прототипом заявленного датчика контроля режима тепловой энергетической установки является датчик параметров пламени по авторскому свидетельству №1829006, БИ №27, 1993 г., МПК F23N 5/12 [7], содержащий автогенератор СВЧ с резонатором в виде отрезка линии передачи, в торце которого прорезана щель, образующая невыступающую слабонаправленную антенну с излучением вовнутрь камеры сгорания. Датчик конструктивно сопрягаем с камерой, так как устанавливается в стандартный штуцер, а также обеспечивает длительный и невозмущающий контроль.
Недостатки датчика по прототипу:
- малые функциональные возможности, не отвечающие совокупности требований при использовании таких датчиков для многочастотного зондирования,
- низкая информативность из-за подверженности помехам,
- низкое качество контроля.
A
A
р
Техническая задача предлагаемой полезной модели состоит в повышении информативности и качества контроля. Детально это означает, что наряду с более точным измерением основного диагностического параметра - электронной концентрации в пламени N измеряются температура продуктов сгорания в пристенной области камеры T, частота соударений нейтральных частиц ν (свидетельствующая о концентрации сажи и частиц несгоревшего топлива), виброперемещение элементов конструкции камеры сгорания V, а также снижается влияние собственного радиоизлучения плазмы пламени Е, нагрева датчика Т и его вибраций g, а также в расширении функциональных возможностей, позволяющих более эффективно использовать. Детально это означает обеспечение
многочастотного зондирования с повышением информативности и качества контроля. Дополнительный эффект состоит в снижении затрат на установку контрольной аппаратуры (в камере - одно отверстие, вместо пяти, необходимых для многоканального контроля в рамках известных способов).
Техническая задача в заявляемом датчике контроля режима тепловой энергетической установки содержащем СВЧ генератор с резонатором и щелевую антенну, достигается тем, что резонатор дополнен отрезками линии передачи числом (М-1), где М - число контролируемых параметров, причем между отрезками линии передачи установлены переключательные диоды, а длины отрезков линии передачи удовлетворяют соотношениям
i
где f - зондирующие частоты,
p
ε - диэлектрическая проницаемость наполнителя резонатора и отрезков,
с - скорость света в вакууме.
На фиг.1 показана функциональная схема заявленного датчика.
На фиг.2 представлен приближенный график спектральных плотностей диагностируемых параметров.
П
2,3,4,5
i
Датчик контроля режима тепловой энергетической установки (фиг.1) содержит антенну 1 генератор, образованный генераторным диодом 2, например, диодом Ганна или ЛПД и резонатором 3, состоящим из нескольких последовательно соединенных отрезков линии передачи. В местах соединения отрезков линии передачи подключены переключательные диоды 4. Питающее напряжение E и управляющие напряжения U подаются к диодам через фильтры 5, где i - порядковый номер фильтра. Выход измерительного сигнала схемно и конструктивно
может быть объединен фильтром питания, как это сделано в датчике по прототипу.
Графики на фиг.2 соответствуют спектральным плотностям следующих процессов: 6 - электронной концентрации, 7 - частоты соударений нейтральных частиц, 8 - температурных флуктуаций в пристенной области камеры сгорания, 9 - виброперемещения элементов конструкции камеры сгорания, 10 - вибраций датчика, 11 - температурных флуктуации, связанных с нагревом датчика, 12 - аддитивного шума соответсвенно.
1
i
Датчик (фиг.1) работает следующим образом. СВЧ генератор, содержащий диод 2 и резонатор 3 возбуждает антенну 1 на одной из частот f, приближенное значение которой
1
2
3,
4
i
i
i
причем общая длина резонатора 3 . определяется расстоянием от антенны 1 до открытого pin - диода 4,4,44 по его структуре. Соответственно отпирающее напряжение U подано только на этот диод 4, где i - порядковый номер переключательного pin - диода, остальные заперты. Сопротивление антенны, как и в датчике по прототипу, изменяется сообразно изменению диэлектрической проницаемости пламени, как функций электронной концентрации и частоты соударений, вызывая автодинный эффект в виде пропорционального изменения частоты f, i - порядковый номер зондирующей частоты. Кроме этого изменение частоты происходит из-за подверженности датчика остальным факторам, спектры которых показаны на фиг.2. Совокупность откликов формирует измерительный сигнал. Переключение датчика на другую частоту,
i+1
i+1
i
например f, осуществляется подачей отпирающего напряжения на другой 4, диод и запиранием диода 4.
A
A
р
Предлагаемая полезная модель позволяет повысить информативность и качество контроля. Детально это означает, что наряду с более точным измерением основного диагностического параметра - электронной концентрации в пламени N измеряются температура продуктов сгорания в пристенной области камеры Т, частота соударений нейтральных частиц ν (свидетельствующая о концентрации сажи и частиц несгоревшего топлива), виброперемещение элементов конструкции камеры сгорания V, а также снижается влияние собственного радиоизлучения плазмы пламени Е, нагрева датчика Т и его вибраций g, а также в расширении
функциональных возможностей, позволяющих более эффективно использовать его для реализации заявленного способа. Детально это означает обеспечение многочастотного зондирования с повышением информативности и качества контроля. Дополнительный эффект состоит в снижении затрат на установку контрольной аппаратуры (в камере - одно отверстие, вместо пяти).
Литература
1.3арко В.Е. и др. Физика горения и взрыва, 2000, т.36, №1, с.68-78 (обзорная статья с обширным библиографическим перечнем)
1. Хилд М., Уортон Д. Микроволновая диагностика плазмы - М.: Атомиздат, 1968
2. Голант Н.Е. Сверхвысокочастотная диагностика плазмы М.: Наука, 1968
3. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1703920, БИ №1,F23N 5/12, 1992 г.
4. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1567943, БИ №20, G01N 22/00 1990 г.
5. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1638477, БИ №12, F23N 5/12 1991 г.
6. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1829006, БИ №27, F23N 5/12 1993 г.
7. Болознев В.В. и др. Авторское свидетельство СССР №1285176, БИ №22, G01N 22/00 1986 г.
8. Boloznev V.V., Safonova E.V. Diode microwave active oscillator with a multilink resonator // Proc. International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency control and Signal generation, June, St-Peterburg, Russia, 1998. - p.139-143.
9. Boloznev V.V., Safonova E.V. Determination of the frequency of oscillations in the autodyne′s sensor under the regular and casual temperature mode variations // Proc. 2000 IEEE/EIA international frequency control symposium and exhibition, Kansas, USA, 2000. - p.96-99.
10. Болознев В.В., Сафонова Е.В., Султанов Ф.И., Станченков М.А., Мирсаитов Ф.Н., Сулейманов С.С.Метод повышения качества автодинного контроля режимов тепловой энергетической установки (ТЭУ) // Сборник докладов тринадцатой международной научно-технической конференции: Радиолокация, навигация, связь. Воронеж, Россия, 2007, том 1, стр.157-163.
11. Болознев В.В., Сулейманов С.С.Многоканальный автодинный метод контроля тепловой энергетической установки (ТЭУ) // Шестая международная научно-техническая конференция: Физика и технические приложения волновых процессов. Казань, Россия, 2007. - стр.262-263.
12. Воробьев Н.Г. и др. Проектирование слабонаправленных невыступающих антенн, Казань, КАИ, 1984.