СПОСОБ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СЛОЯ ГАЗА ЗАДАННОЙ ТОЛЩИНЫ
METHOD OF SPECTROMETRIC MEASUREMENT OF AVERAGE TEMPERATURE OF GAS LAYER OF SPECIFIED THICKNESS

Изобретение относится к области дистанционного измерения высоких температур газов, в частности к способам измерения средней температуры слоя газа с поглотителем и может быть применено для экспериментальных исследований рабочего процесса силовых установок.
Известен способ спектрометрического измерения средней температуры текучей среды, содержащей поглотитель, при котором проводят калибровку измерительной системы, измеряют спектр излучения от измеряемой среды, регистрируют величину плотности среды и по результатам измерений вычисляют значение средней температуры этой среды (авторское свидетельство СССР №1515070, G01K 11/00, 1987 г.). Указанный способ позволяет с достаточной точностью определять среднюю температуру измеряемой текучей среды. Однако в силу специфических особенностей его осуществления - измерение параметров текучей среды осуществляется в кюветах, этот способ не может быть применен для исследования послойного распределения температур в объеме газа с поглотителем.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины, содержащего поглотитель, заключающийся в том, что калибруют оптическую систему измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, определяя зависимость величины электрического сигнала mV системы измерения от температуры газа Т в нагревателе для разных значений волнового числа поглотителя, измеряют парциальное давление поглотителя в измеряемом объеме газа и определяют содержание поглотителя в объеме газа, фокусируют поток излучения от измеряемого объема газа на приемное устройство измерителя, прерывают фокусируемый поток излучения с заданной частотой, измеряют спектр излучения объема газа и по результатам измерений судят о средней температуре объема газа (патент США №6422745, НКИ 374-131, 2002 г.).
Известный способ реализуется с помощью оптической системы измерений, имеющей множество инфракрасных детекторов с оптическими фильтрами для узких диапазонов инфракрасного излучения, расположенных по длине газового тракта. Калибровка системы измерений проводится при разных температурах нагревателя (абсолютно черного тела) для каждого чувствительного элемента системы измерений путем установления зависимости электрического сигнала от значения оптического излучения газа. Известный способ позволяет определить значение средней температуры газа с поглотителем для любого заданного поперечного сечения объема газа по его длине, т.е. позволяет контролировать изменение средней температуры газа только по длине потока газа.
Недостатком известного способа является то, что при измерении не учитывается неравномерность распределения поглотителя в поперечном сечении объема газа, поэтому известным способом измерения невозможно определить среднюю температуру слоя газа заданной толщины и контролировать изменение средней температуры объема газа в поперечном сечении объема газа.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа спектрометрического измерения средней температуры объема газа за счет определения средней температуры слоя газа заданной толщины, что позволяет судить о распределении значений средней температуры газа в поперечном сечении объема газа с поглотителем.
Указанная задача решается тем, что измеряют спектр излучения от слоя газа заданной толщины, парциальное давление поглотителя измеряют, по меньшей мере, в двух сечениях слоя газа заданной толщины в направлении линии измерения спектра излучения и по усредненному значению парциального давления судят о распределении поглотителя в слое газа заданной толщины, вычисляют зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины W от температуры газа W=f(T), а среднюю температуру слоя газа заданной толщины определяют по точке пересечения линии, отображающей зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры газа в системе координат mV и Т, с линией, полученной по результатам измерения спектра излучения от слоя газа заданной толщины в системе координат mV и Т.
Причем зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры нагрева газа W=f(T) вычисляют с параметрами, для которых значения средней длины пробега излучения в слое газа и коэффициента поглощения газа определяются в зависимости от заданной толщины слоя газа.
Существенность отличительных признаков способа спектрометрического измерения средней температуры слоя газа подтверждается тем, что только совокупность всех действий и операций, описывающая изобретение позволяет решить задачу расширения функциональных возможностей оптической системы измерения средней температуры газа.
газа
газа
Пример реализации способа измерения средней температуры слоя газа заданной толщины поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема измерения парциального давления поглотителя и спектров излучения в поперечном сечении слоев газа заданной толщины для определения их средней температуры, на фиг.2 - схема калибровки оптической системы измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, на фиг.3 - зависимость значений коэффициента поглощения К от волнового числа поглотителя W при разных температурах газа Т, на фиг.4 - зависимость значений волнового числа поглотителя от температуры газа W=f (Т), на фиг.5 - диаграмма определения значения средней температуры слоя газа заданной толщины, на фиг.6 - зависимость величины электрического сигнала спектрометра от волнового числа при разных температурах газа, определенная при калибровке оптической системы измерения.
Способ спектрометрического измерения средней температуры слоя газа заданной толщины, содержащего поглотитель, реализуется следующим образом: калибруют оптическую систему измерения излучаемой энергии с помощью регулируемого нагревателя, определяя зависимость величины электрического сигнала mV системы измерения от температуры газа T в нагревателе для разных значений волнового числа поглотителя, измеряют парциальное давление поглотителя в измеряемом объеме газа и определяют содержание поглотителя в объеме газа, фокусируют поток излучения от измеряемого объема газа на приемное устройство измерителя, прерывают фокусируемый поток излучения с заданной частотой, измеряют спектр излучения объема газа и по результатам измерений судят о средней температуре объема газа, причем измеряют спектр излучения от слоя газа заданной толщины, парциальное давление поглотителя измеряют, по меньшей мере, в двух сечениях слоя газа заданной толщины в направлении линии измерения спектра излучения и по усредненному значению парциального давления судят о распределении поглотителя в слое газа заданной толщины, вычисляют зависимость волнового числа поглотителя W в слое газа заданной толщины от температуры газа W=f(T), а среднюю температуру слоя газа заданной толщины определяют по точке пересечения линии, отображающей зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры газа в системе координат mV и Т, с линией, полученной по результатам измерения спектра излучения от слоя газа заданной толщины в системе координат mV и Т.
2
На фиг.1 показано поперечное сечение камеры 1, во внутренней полости которой находится исследуемый объем газа с поглотителем, например поток продуктов горения с углекислым газом CO. Система измерения спектра излучения объема газа с поглотителем содержит спектрометр 2, в котором поток излучения от измеряемого объема газа фокусируют на приемное устройство измерителя, прерывают (модулируют) фокусируемый поток излучения с заданной частотой и измеряют спектр излучения объема газа. Электрический сигнал от измерителя поступает в усилитель 3, фильтр 4, цифровой преобразователь 5 и далее в компьютер (не показан) для обработки.
Калибровка оптической системы измерения может проводиться как в самой исследуемой камере 1 с помощью регулируемого нагревателя, так и в специальной камере регулируемого нагревателя 7, показанной на фиг.2, в диапазоне температур, близких к рабочей температуре камеры 1. Источником излучения в обоих случаях является абсолютно черное тело, что дает возможность определить зависимость величины электрического сигнала mV системы измерения от температуры газа Т в нагревателе 7 для разных значений волнового числа поглотителя.
Калибровка системы измерений проводится для заданного значения толщины газового слоя, которое определяется в камере нагревателя 7 расстоянием от начального сечения F камеры, т.е. расстояние от плоскости поперечного сечения G до начального сечения F соответствует заданной толщине слоя газа, равной 40 мм, а расстояние от плоскости поперечного сечения Н до начального сечения F соответствует заданной толщине слоя газа, равной 200 мм.
В основу описываемого способа заложено условие, при котором значения средней длины пробега излучения и коэффициента поглощения газа определяются в зависимости от заданной толщины измеряемого слоя газа. Известны оптические свойства углекислого газа, показанные на фиг.3 и представляющие собой зависимости коэффициентов поглощения К от волнового числа W при разных температурах газа Т. (C.B. Ludwig, W. Malkmus, J.E. Reardon, J.A.L. Thomson «Handbook of Infrared radiation from Combustion Gases» Washington, NASA, 8p-3080, 1973. - 486 p.).
cp
cp
cp
Из известных зависимостей при постоянном коэффициенте поглощения К можно получить зависимость значения волнового числа поглотителя от температуры газа W=f(T) и описывающее полученную зависимость уравнение. С учетом парциального давления поглотителя Р коэффициент поглощения газа К является величиной, обратной средней длине пробега излучения L в слое газа: К=1/Р 1/L, при этом средняя длина пробега излучения L с учетом парциального давления поглотителя P равна половине заданной толщины слоя газа (AB или AC).
газа
cp1
газ1
газа
Исходя из условия, что все значения измеренной оптическим методом средней температуры газа с учетом величины парциального давления поглотителя и определенного значения коэффициента поглощения газа К должны удовлетворять зависимости W=f (Т), вычисляем эту функцию для слоя газа заданной толщины AB, для которого средняя длина пробега излучения L=2 см, а коэффициент поглощения газа К=0,5 (1/см) при парциальном давлении 0,05. На фиг.4 функция W=f (Т) для слоя заданной толщины AB, показанная линией W(T)1, является «линией разрешенных решений» при определенном значении коэффициента поглощения. Аналогично может быть определена «линия разрешенных решений» для слоя газа толщиной AC - линия W(T)2 на фиг.4.
газа
газа
В процессе калибровки оптической системы измерения определяются зависимости значения электрического сигнала спектрометра mV от значения волнового числа W в диапазоне спектральной чувствительности спектрометра для разных значений температуры в нагревателе. На фиг.6 показаны графики, записанные по результатам измерения спектров излучения в камере нагревателя 7 для разных значений температуры и совмещенные в координатах mV и W. При дальнейшей обработке эти зависимости преобразуются в зависимости электрического сигнала mV от температуры газа T для разных значений волнового числа W. Для этого на графике фиг.6 проводятся вертикальные прямые W=const, соответствующие конкретным значениям волнового числа, и по координатам точек пересечения (T1, Т2, Т3, Т4) вертикальных прямых W=const с графиками для разных значений температур строятся линии W=const на диаграмме с координатами mV и Т, показанной на фиг.5.
газа
газа
На диаграмме показаны 11 линий W=const для разных значений волнового числа W, а также «линия разрешенных решений» W(T)1 (штриховая), построенная по значениям волнового числа W и температуры T и отображающая в системе координат mV и Т зависимость волнового числа поглотителя в слое газа заданной толщины от температуры газа.
Для каждого значения толщины слоя газа в камере 1 строится отдельная калибровочная диаграмма.
В процессе определения средней температуры слоя газа заданной толщины в камере 1 измеряют спектр излучения от слоя газа заданной толщины, определенной отрезком AB, измеряют парциальное давление поглотителя Р в двух сечениях D и E слоя газа заданной толщины и по усредненному значению парциального давления поглотителя Р судят о распределении поглотителя в слое газа заданной толщины. Результаты оптического измерения спектра в слое газа заданной толщины отображают в виде линии 12 на диаграмме фиг.5 по полученным значениям электрического сигнала mV и волнового числа W.
По точке пересечения линии 12 с «линией разрешенных решений» W(T)1 определяется средняя температура слоя газа заданной толщины. При изменении параметров работы в исследуемой камере 1 по значениям электрического сигнала mV и волнового числа W аналогичным образом строится линия 13 и по точке пересечения ее с «линией разрешенных решений» W(T)1 определяется средняя температура слоя газа заданной толщины.
Данный способ измерения может применяться в энергетике и промышленной теплотехнике для исследования высокотемпературных процессов и позволяет расширить функциональные возможности спектрометрических измерений температуры в объеме газа.