УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТОКАХ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно, к оптико-электронным устройствам контроля параметров дисперсных сред.
32
V
При доводке существующих и создании новых типов распыливающих устройств, для оптимизации процесса распыливания топлива в камерах сгорания, исследовании характеристик дисперсной фазы (твердой или жидкой) в газодинамических потоках необходимо определять такие характеристики дисперсной фазы, как размер частиц дисперсной фазы (средний заутеровский диаметр D) и ее объемную концентрацию C в различных сечениях топливовоздушной смеси или газодинамического потока. Устройство, позволяющее эффективно решать эти задачи, существенно облегчит, например, созданию новых типов распыливающих устройств или изучению газовоздушных потоков с заряженной капельной фазой при лабораторных модельных исследованиях особенностей электризации поверхности летательных аппаратов в облаках.
Известно устройство для определения размера и формы аэрозольных частиц (патент US №3563660 от 16.02.1971 г.), состоящее из системы линз, зеркал, диафрагм и фотоумножителя. С помощью оптической системы, состоящей из линз, диафрагмы, поглощающего диска, из светового пучка источника формируется световое кольцо, сфокусированное в определенном месте потока газа. Если в центр ячейки попадает частица, часть света рассеивается и попадает на следящую систему линз, которая фокусирует изображение частицы в плоскости щели, расположенной на пути распространения света перед фотоумножителем. Амплитуда сигнала, снимаемого с фотоумножителя, пропорциональна интенсивности падающего на фотокатод света, которая определяется размером частицы. Данный прибор сложен конструктивно и ненадежен в работе.
Наиболее близким является устройство для измерения среднего заутеровского диаметра частиц аэрозоля (авторское свидетельство №535485 от 15.11.1976 г.), содержащее специальную диафрагму, на которую внешней оптической системой фокусируется рассеянное аэрозольными частицами излучение от лазерного луча, зондирующего поток с этими частицами, и фотоприемные устройства, на которые попадает прошедшее диафрагму излучение.
V
К недостаткам этого устройства следует отнести малую чувствительность при измерении размеров малых частиц в диапазоне примерно 0,5-4 мкм, сложность юстировки. Существенным недостатком этого устройства является то, что он не позволяет находить важнейшую характеристику дисперсной фазы - объемную С концентрацию капель в измеряемом объеме.
Технической задачей изобретения является повышение информативности, точности и надежности измерений при определении характеристик дисперсной фазы газодинамических потоков.
Технический результат достигается включением в приемном блоке системы двойного фокусирования на светочувствительные поверхности двух фотоприемников лазерного излучения, рассеянного частицами дисперсной фазы, прошедшего через отверстия в интегрирующей диафрагме, и установкой дополнительного фотоприемника в центре диафрагмы за световодом, связанным с последовательно соединенными через установленный масштабный делитель с логарифмирующим блоком и умножителем, подключенных к вторичному прибору, при этом второй вход умножителя связан с выходом делителя.
На фиг.1 представлена схема предложенного устройства.
На фиг.2 представлена интегрирующая диафрагма с отверстием в виде круга, с частью кругового кольца и радиальной щели.
Устройство состоит из источника 1 монохроматического излучения, рассеивающей среды (аэрозоля) 2, собирающей линзы 3, интегрирующей диафрагмы 4 с отверстиями в виде сектора 19, радиальной щели 20 и круглого отверстия 21 (фиг.2), фотодиодов 9, 10, компенсаторов сигналов светового фона 11, 13, делителя 14 и вторичного прибора 18.Кроме того, устройство дополнительно снабжено фотодиодом 8, установленным в центре диафрагмы за световодом 7 и связанным с последовательно соединенными масштабным делителем 12, логарифмирующим блоком 15, умножителем 16 и масштабным усилителем 17, подсоединенным к вторичному прибору 18. Второй вход умножителя 16 связан с выходом делителя 14. При этом устройство также дополнительно снабжено системой двойного фокусирования рассеянного частицами дисперсной фазы лазерного излучения на светочувствительные поверхности двух фотодиодов с помощью двух пар линз 5 и 6, установленных в приемном блоке за диафрагмой 4.
с
щ
32
32
3
2
Параллельный пучок света, создаваемый источником 1 монохроматического излучения, проходя через полидисперсную среду аэрозоля 2, частично рассеивается. Рассеянный свет линзой 3 собирается в фокальной плоскости, где установлена интегрирующая диафрагма 4, имеющая два отверстия, радиально расположенных относительно оптической оси, одно из которых имеет форму сектора I, другое - форму радиальной щели I. Рассеянный свет, проходя через эти отверстия, фокусируется двумя парами линз 5 и 6 на светочувствительных поверхностях двух фотодиодов 9 и 10, которые преобразуют их в электрические сигналы, пропорциональные значениям интегральных характеристик рассеянного света. Системы двойного фокусирования рассеянного света обеспечивают малые размеры фокальных пятен рассеяния при достаточно больших размерах рассеивающего объема по пути луча и снижение порога минимально определяемого значения D до 0,5 мкм. При этом не требуется дополнительных подстроек фотоприемников на пятна рассеяния. Электрические сигналы с фотоприемников поступают на входы компенсаторов 11, 13 сигналов светового фона, возникающего из-за не параллельности падающего пучка света, рассеяния на элементах оптики и т.д. Компенсация фоновых сигналов производится перед началом измерений при отсутствии исследуемого аэрозоля, чем обеспечивается нулевое показание на выходе устройства. Полезные сигналы с выходов компенсаторов поступают на блок деления 14. Отношение этих сигналов, пропорциональное измеряемому среднему заутеровскому диаметру D=<D>/<D> частиц аэрозоля, регистрируется вторичным прибором 18.
32
ц
0
ц
0
Как описано выше, параллельный пучок света частично рассеивается. При этом рассеянный свет используется для измерения среднего заутеровского диаметра D частиц аэрозоля. Ослабленный за счет рассеяния параллельный пучок света, прошедший через полидисперсный аэрозоль, фокусируется собирающей линзой 3 в центре интегрирующей диафрагмы 4, где расположено круглое отверстие 21, за которым установлен световод 7 с дополнительным фотоприемником 8, пропорционально преобразующим световой поток, прошедший через указанное отверстие, в электрический сигнал. Сигнал с выхода фотоприемника 8, пропорциональный интенсивности I света в центральном пучке, прошедшем через рассеивающую среду аэрозоля, поступает на вход масштабного делителя 12. С помощью масштабного делителя 12 измеряется отношение I/I. 3начение интенсивности I задается в масштабном делителе 12 от задатчика уровня постоянного напряжения, которое устанавливается равным напряжению на выходе фотоприемника 8 перед началом измерений при отсутствии исследуемого полидисперсного аэрозоля. Следует отметить, что фотоприемник 8, кроме измерительных функций, используется также для юстировки устройства, которая заключается в совмещении центров интегрирующей диафрагмы 4 и фокальной точки падающего пучка света, прошедшего через собирающую линзу 3, по максимальной величине сигнала на выходе этого фотоприемника. Это позволяет получить более высокую точность измерений по сравнению с устройством по авт. свид. №535485, т.е. применение фотоприемника 8 дает дополнительный существенный положительный эффект.
0
ц
32
32
0
ц
V
V
Отношение I/I после логарифмирования в блоке 15 подается на один вход умножителя 16, одновременно на другой вход этого умножителя поступает сигнал с выхода делителя 14, пропорциональный величине D. Далее сигнал с выхода умножителя 16, пропорциональный величине D·ln(I/I), то есть объемной концентрации C частиц аэрозоля, поступает на масштабный усилитель 17, который реализует уравнение для С, а затем регистрируется вторичным прибором 18
V
31
0
ц
C=2D·ln(I/I)/3KL,
где K - средний коэффициент рассеяния, L - размер измерительного объема по пути луча.
Таким образом, предлагаемое устройство для определения характеристик дисперсной фазы в газодинамических потоках обеспечивает повышенную информативность, точность и надежность измерений, расширяет возможности использования устройства. Устройство может применяться при исследовании процессов распыливания топлив форсунками и смесеобразования в первичной зоне камер сгорания, контроле качества распыливания топлив форсунками после их изготовления, в различных технологических процессах при исследовании характеристик дисперсной фазы в капельно-воздушных струях.
Тестирование рабочего демонстратора устройства для определения характеристик дисперсной фазы подтвердило преимущества по сравнению с известными устройствами.