Сканирующее устройство для измерения линейных размеров нагретых газовых струй

 

Изобретение относится к технике испытаний ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) и может быть использовано для измерения линейных размеров выхлопных газовых струй РДТТ и нагретых тел. Устройство содержит сканирующую систему 1, оптическую систему 2, светоделительное устройство 3, приемник излучения 4, монохроматический светофильтр 5, приемник излучения 6, монохроматический светофильтр 7, измеритель отношения сигналов 8, блок согласования 9, делитель 10 и регистрирующий прибор 11. Приемники излучения 4 и 6 формируют сигналы, пропорциональные спектральному потоку излучения, с эффективными длинами волн λ₁ и λ₂ соответственно. Напряжение, регистрируемое прибором 11, не зависит от температуры, а является функцией спектрального коэффициента излучения ε₁. Изобретение позволяет повысить точность измерения линейных размеров выхлопных газовых струй с изменяющейся температурой вдоль измеряемого сечения. 1 ил.

Изобретение относится к технике испытаний ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) и может быть использовано для измерения линейных размеров выхлопных газовых струй (факелов) РДТТ и нагретых тел.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для измерения линейных размеров нагретых газовых струй в виде сканирующего пирометра излучения, содержащее последовательно расположенные сканирующую систему, оптическую систему, приемник излучения с монохроматическим светофильтром, формирующий сигнал, пропорциональный спектральному потоку излучения с эффективной длиной волн λ₁, измерительную схему и регистрирующий прибор [1].

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым техническим решением, - сканирующая система, оптическая система, приемник излучения с монохроматическим светофильтром, формирующий сигнал, пропорциональный спектральному потоку излучения с длиной волны λ₁, измерительная схема и регистрирующий прибор.

Причина, препятствующая получению в прототипе требуемого технического результата, заключается в низком уровне регистрируемого сигнала при сканировании (пограничных) участков сечения газовых струй с пониженными значениями температуры. Низкий уровень регистрируемого сигнала обусловлен тем, что сигнал на выходе измерительной схемы главным образом зависит от температуры, являясь степенной функцией последней , и при низких значениях температуры оказывается близким или ниже порога чувствительности измерительного устройства. По мере удаления от среза сопла РДТТ и от оси факела (при сканировании диаметральных сечений) температура продуктов сгорания быстро убывает, что приводит к быстрому снижению уровня регистрируемого сигнала до значений, близких или ниже порога чувствительности устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения линейных размеров выхлопных газовых струй с изменяющейся температурой вдоль измеряемого сечения. Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в формировании и регистрации сигнала, который не является явной функцией температуры. Точность определения линейных размеров факела РДТТ позволит повысить точность расчета теплового излучения факела и дымовых характеристик ракетного топлива [2].

Данный технический результат достигается тем, что известное устройство, содержащее последовательно расположенные сканирующую систему, оптическую систему, монохроматический светофильтр и приемник излучения, формирующий сигнал, пропорциональный потоку излучения с эффективной длиной волны λ₁, а также измерительную схему и регистрирующий прибор, дополнительно содержит светоделительное устройство, расположенное между оптической системой и светофильтром, и дополнительные монохроматический светофильтр и приемник излучения, формирующий сигнал, пропорциональный спектральному потоку излучения с эффективной длиной волны λ₂, большей, чем λ₁ , расположенные последовательно по ходу луча перед светоделительным устройством. Измерительная схема состоит из измерителя отношения сигналов α с двумя входами и одним выходом, блока согласования с коэффициентом передачи , делителя с двумя входами, один из которых является управляющим, и одним выходом, причем входы измерителя отношения подключены к приемникам излучения, а выход через блок согласования соединен с управляющим входом делителя, второй вход и выход которого подключены соответственно к приемнику излучения, формирующему сигнал, пропорциональный спектральному потоку излучения с эффективной длиной волны λ₁, и к регистрирующему прибору.

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения линейных размеров нагретых газовых струй.

Устройство содержит сканирующую систему 1, оптическую систему 2, светоделительное устройство 3, приемник излучения 4 с монохроматическим светофильтром 5, формирующий сигнал, пропорциональный спектральному потоку излучения с эффективной длиной волны λ₁, дополнительный приемник излучения 6 с монохроматическим светофильтром 7, формирующий сигнал, пропорциональный спектральному потоку излучения с эффективной длиной волны λ₂, измеритель отношения сигналов 8, блок согласования 9, делитель 10 и регистрирующий прибор 11.

Устройство работает следующим образом.

Сканирующая система 1 последовательно направляет в оптическую систему 2 поток излучения Ф от излучаемых элементов, находящихся в плоскости визирования. Этот поток светоделительным устройством 3 делится на две части Ф' и Ф'', одна из которых светофильтром 5 преобразуется в монохроматический поток излучения Ф_λ1, падающий на приемник излучения 4, а другая светофильтром 7 преобразуется в монохроматический поток Ф_λ2, падающий на дополнительный приемник излучения 6. При этом на выходе приемников излучения возникают электрические сигналы U₁ и U₂, пропорциональные: где C₁ и C₂ - оптические константы; ε₁ и ε₂ - спектральные коэффициенты излучения объекта измерения, соответствующие эффективным длинам волн λ₁ и λ₂ ; T - температура продуктов сгорания в зоне визирования.

Напряжения U₁ и U₂ поступают на входы измерителя отношения сигналов 8, который формирует сигнал в виде напряжения U₃, пропорциональный отношению Напряжение U₃ подается на вход блока согласования 9 с коэффициентом передачи , формирующим сигнал Далее сигналы U₁ и U₄ поступают на входы делителя 10, на выходе которого образуется электрический сигнал-напряжение U₅, пропорциональный отношению напряжений U₁ и U₄:

Как видно из (5), напряжение U₅, регистрируемое регистрирующим прибором 11, не зависит от температуры и при "сером" характере излучения (ε₁ε₂ = 1) выхлопной газовой струи на длинах волн λ₁ и λ₂ напряжение U₅ является функцией спектрального коэффициента излучения ε₁ (при "сером" характере излучения напряжение U₅ зависит от обоих спектральных коэффициентов излучения ε₁ и ε₂). Поэтому предлагаемое устройство для измерения линейных размеров нагретых газовых струй обеспечивает повышение точности измерения (по сравнению с устройством, взятым за прототип) при больших градиентах температуры вдоль сканируемого сечения газовой струи.

Источники информации
1. Поскачей А.А., Чубарев Е.П. Оптико-электронные системы измерения температуры. М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 175.

Формула изобретения

Сканирующее устройство для измерения линейных размеров нагретых газовых струй, содержащее последовательно расположенные сканирующую систему, оптическую систему, монохроматический светофильтр и приемник излучения, формирующий сигнал, пропорциональный спектральному потоку излучения с длиной волны λ₁, а также измерительную схему и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено светоделительным устройством, расположенным между оптической системой и светофильтром, и дополнительными монохроматическим светофильтром и приемником излучения, формирующим сигнал, пропорциональный спектральному потоку излучения с длиной волны λ₂, большей длины волны λ₁, расположенными перед (по ходу луча) светоделительным устройством, а измерительная схема состоит из последовательно расположенных измерителя отношения α сигналов с двумя входами и одним выходом, блока согласования с коэффициентом передачи , делителя с двумя входами, один из которых является управляющим, и одним выходом, причем входы измерителя отношения подключены к приемникам излучения, а выход через блок согласования соединен с управляющим входом делителя, второй вход и выход которого подключены соответственно к приемнику излучения, сигнал которого пропорционален спектральному потоку излучения с длиной волны λ₁, и к регистрирующему прибору.

РИСУНКИ

Рисунок 1