УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЫ В ГЕНЕРАТОРНОМ ГАЗЕ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемое техническое решение касается полезной модели как объекта промышленной собственности и относится к измерительной технике и может быть использовано в приборах для измерения содержания конденсированной (твердой) фазы, например, сажи и пыли, в высокотемпературной струе газа. В частности, полезная модель может быть реализована в приборах для измерения содержания конденсированной фазы в генераторном газе жидкостного ракетного двигателя (ЖРД).
Для перспективных двигателей на углеводородном топливе, прежде всего ЖРД многократного использования с длительным ресурсом работы, крайне важно обеспечить штатную проходимость всех газовых трактов, включая форсунки, на протяжении всего заданного ресурса работы. Одним из возможных источников загрязнения газовых трактов может быть конденсированная фаза (К-фаза), состоящая главным образом из частиц сажи, которые могут образовываться в газогенераторном газе. Кроме того, данные о содержании сажи в генераторном газе могут быть использованы для оценки полноты сгорания топлива, исследования процессов горения и смесеобразования.
Устройства для измерения содержания твердой фазы в газовой среде известны. В патенте RU 2095792 описано устройство дои непрерывного измерения запыленности. В оптическом пылемере излучатель, расположенный перед рабочей камерой, формирует измерительный канал и оптически связан с фотоприемником через защитное окно рабочей камеры. По ослаблению излучения от излучателя определяется концентрация пыли в контролируемой среде. Недостатком устройства является то, что при работе с высокотемпературной средой на показания фотоприемника может влиять собственное излучение среды. Другим недостатком является то, что при измерении содержания твердой фазы на работающем оборудовании показания устройства будут искажаться из-за перемещения луча излучателя по приемной поверхности фотоприемника за счет вибраций.
В оптическом пылемере для системы управления проветриванием предприятия по патенту RU 2210070 для уменьшения погрешности измерений применяется устройство
обдува смотровых окон. В оптическом пылемере, выполненному по патенту на полезную модель RU 2441, для обработки измеряемых параметров используется блок обработки электрических сигналов, вход которого электрически связан с выходом фотоприемного устройства, и блок индикации, вход которого электрически связан с выходом блока обработки электрических сигналов. В качестве источника коллимированного излучения используется лазер. Как и в устройстве по патенту RU 2095792 недостатками перечисленных выше устройств является влияние на показания устройства внешних источников излучения, а также вибраций и других механических нагрузок.
В сигнализаторе пыли по патенту на полезную модель RU 52184 с целью повышения точности измерения массовой концентрации полидисперсной пыли используются два излучателя и два фотоприемника. Недостатком устройства является то, что практически невозможно обеспечить условия при которых каждая пара (излучатель - фотоприемник) зондируют одну и ту же область пространства, особенно при наличии вибраций и других механических нагрузок.
Все перечисленные выше технические решения не могут в прямом виде использоваться в устройстве для измерения содержания конденсированной фазы в генераторном газе жидкостного ракетного двигателя, которое должно обеспечивать необходимые точность и достоверность измерений и работать в условиях значительных вибраций и других механических нагрузок при наличии постороннего излучения и при этом иметь небольшие габариты и массу.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является разработка малогабаритного устройства для измерения содержания конденсированной фазы в генераторном газе жидкостного ракетного двигателя, способного работать в условиях значительных вибраций и других механических нагрузок при наличии постороннего излучения и обеспечивать необходимые точность и достоверность измерений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для измерения содержания конденсированной фазы в генераторном газе жидкостного ракетного двигателя, содержащем блок излучателей, систему питания и управления блоком излучателей, фотоприемное устройство, блок обработки электронных сигналов, блок регистрации результатов измерений и камеру зондирования с системой обдува защитных окон, блок излучателей содержит не менее двух лазеров с различными длинами волн излучения и модуляцией излучения с различными несущими частотами, излучение от которых собирается в один луч оптическим разветвителем и коллиматорами. Фотоприемное устройство выполнено в виде фотоприемной сферы с рассеивателем в качестве входного окна, при
этом в фотоприемной сфере размещены не менее двух фотодатчиков, выходы которых через селективные усилители соединены с блоком обработки электронных сигналов.
Кроме этого модуляция излучения лазеров блока излучателей может осуществляться сигналами, несущие частоты которых отличаются друг от друга не менее чем в два раза, а длины волны излучателей могут отличаться друг от друга не менее чем на 10%. Угол а между направлением зондирующего излучения и направлением на фотодатчики может быть в пределах от 30° до 70°.
Технический результат от использования полезной модели заключается в том, что в состав блока излучения входит оптический разветвитель, входы которого через коллиматоры соединены с лазерами, а выход через коллиматор соединен с камерой зондирования. Использование зондирующего излучения с разной длиной волны позволяет исключить влияние на точность измерений возможного присутствия полос поглощения в газовой фазе и удостовериться, что при обработке результатов можно использовать рэлеевское приближение для расчета факторов эффективности поглощения и рассеяния частицами К-фазы. При этом излучение с разной длиной волны будет зондировать одну и ту же область пространства.
Для того чтобы измерить излучение от нескольких источников с разной длиной волны вдоль одной и той же области пространства при наличии собственного фонового излучения среды и высокого уровня помех, излучение лазеров промодулировано на различных несущих частотах. Длины волн излучения лазеров выбраны таким образом, чтобы зависимость рэлеевского ослабления излучения от длины волны существенно превышала случайную погрешность измерений. Селективные усилители после фотодатчиков позволяют выделить сигнал соответствующего лазера и отфильтровать его от шумов, наводок и сигналов других лазеров.
Использование оптического волокна для объединения излучения и передачи его к выходному коллиматору позволяет улучшить массогабаритные характеристики системы и уменьшить трудоемкость при монтаже и юстировке системы. Для защиты устройства от значительных механических (вибрационные, ударные, статические) перегрузок при работе газогенератора ЖРД фотоприемное устройство выполнено в виде фотоприемной сферы с фото датчиками. Все перемещения зондирующего луча по поверхности входного окна фотоприемного устройства нивелируются за счет рассеяния на входном окне и диффузного рассеяния излучения внутри фотоприемной сферы. Угол а между направлением зондирующего излучения и направлением на фотодатчики лежит в пределах от 30° до 70°, что обеспечивает исключение попадания на фотодатчики прямого (не рассеянного) излучения.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
На Фиг.1 представлена структурная схема устройства.
На Фиг.2 приведена схема блока излучателей.
На Фиг.3 приведена конструкция фотоприемного устройства.
Устройство для измерения содержания конденсированной фазы в генераторном газе жидкостного ракетного двигателя (Фиг.1)-состоит из блока излучателей (1), системы питания и управления блоком излучателей (2), камеры зондирования (3) с системой обдува защитных окон (4), фотоприемного устройства (5), включающего фотоприемную сферу (7) с рассеивателем в качестве входного окна (6) и фотодатчики (8), селективных усилителей (9), блока обработки электронных сигналов (10) и системы регистрации (11).
В блок излучателей (Фиг.2) входят лазеры (12), работающие на различных длинах волн, коллиматоры (13) и оптический разветвитель (14). Промодулированное излучение лазеров вводится в оптический разветвитель (14) с помощью коллиматоров (13), которые фокусируют его на торце оптического волокна. Для повышения эффективности ввода излучения в волокно используются коллиматоры с юстировкой по пяти координатам.
Фотоприемное устройство (Фиг.3) состоит из фотоприемной сферы (7), рассеивателя (6), являющегося входным окном, и фотодатчиков (8). Поверхность сферы покрыта диффузно отражающим покрытием, которое создает равномерную освещенность внутри сферы независимо от условий попадания зондирующего луча внутрь сферы. Фотодатчики (8) установлены под углом 30°≤α≤70° к направлению зондирующего луча.
Устройство для измерения содержания конденсированной фазы в генераторном газе жидкостного ракетного двигателя работает следующим образом (Фиг.1-3): промодулированное излучение лазеров (12) вводится в оптический разветвитель (14), объединяется и выводится при помощи коллиматора (13), который формирует зондирующий луч с требуемой расходимостью. Излучение проходит через защитные окна (4) в камеру зондирования (3), при этом часть излучения рассеивается и поглощается частицами К-фазы. Прошедшая часть излучения попадает через входное окно (6) фотоприемного устройства (5) в фотоприемную сферу (7), где регистрируется фотодатчиками (8). Электронные сигналы фотодатчиков (8) попадают на селективные усилители (9), которые выделяют и усиливают сигналы соответствующих несущих частот. С селективных усилителей (9) сигналы поступают в блок обработки электронных сигналов (10), где происходит их детектирование (выделение огибающей) и преобразование сигналов в цифровую форму. В окончательном виде сигналы записываются системой регистрации (11).