Сенсорная головка, калибровочная система и измерительная система для реагента в виде сухого порошка
Изобретение относится к области измерительной и испытательной техники и предназначено для сертификации порошковых систем пожаротушения на борту транспортного средства. Изобретение направлено на обеспечение возможности проведения измерения концентрации огнегасящего реагента в аэрозольном облаке, а также на обеспечение возможности проведения калибровки при сертификационных испытаниях порошковой системы пожаротушения, что обеспечивается за счет того, что сенсорная головка для сухого порошкового реагента включает в себя корпус, имеющий продольную ось, вдоль которой распространяется свет, при этом в корпусе имеется несколько окон, которые ориентированы поперек указанной оси и сообщаются с измерительным объемом, который проходит вдоль указанной оси. Размер каждого из указанных нескольких окон, взятый вдоль продольной оси, меньше размера окна в поперечном направлении, взятого вокруг указанной оси. Внутри указанного корпуса находится зеркало, предназначенное для отражения света, проходящего через измерительный объем. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к измерительной системе для проведения измерений реагента в виде сухого порошка (сухого порошкового реагента).
Уровень техники
Для сертификации порошковых систем пожаротушения на борту транспортного средства, такого как воздушное судно, производят распыление реагента в защищаемый объем, при этом анализатор одновременно регистрирует количество огнегасящего реагента в различных зонах защищаемого объема. Количество реагента должно превышать определенный заданный уровень, который, как установлено, является достаточным для тушения всех возможных пожаров за некоторый период времени, одновременно во всех зонах.
Такой анализатор должен обладать возможностью калибровки и обладать прослеживаемостью к эталонам, так чтобы выходной сигнал анализатора подтверждал способность порошковой системы пожаротушения потушить любой пожар в пределах защищаемого пространства. Ни одна из известных систем не способна одновременно проводить измерение концентрации огнегасящего реагента в аэрозольном облаке и проходить калибровку, так чтобы осуществлять измерение концентрации реагента для сертификационных испытаний порошковой системы пожаротушения воздушного судна.
Раскрытие изобретения
Соответствующая настоящему изобретению сенсорная головка для сухого порошкового реагента включает в себя корпус, имеющий продольную ось, вдоль которой распространяется свет, при этом у корпуса имеются несколько окон, которые ориентированы поперек указанной оси и сообщаются с измерительным объемом, который проходит вдоль указанной оси. Размер каждого из указанных нескольких окон, взятый вдоль продольной оси, меньше размера окна в поперечном направлении, взятого вокруг указанной оси. Внутри корпуса имеется зеркало, предназначенное для отражения света, проходящего через измерительный объем.
Соответствующая настоящему изобретению калибровочная система для сухого порошкового реагента включает в себя порошковую калибровочную колонку. Сенсорная система включает в себя, по меньшей мере, одну сенсорную головку, которая, по меньшей мере, частично располагается внутри порошковой калибровочной колонки, причем указанная, по меньшей мере, одна сенсорная головка содержит корпус, имеющий продольную ось, вдоль которой распространяется свет, при этом у корпуса имеются несколько окон, которые ориентированы поперек указанной оси и сообщаются с измерительным объемом, который проходит вдоль указанной оси. Размер каждого из указанных нескольких окон, взятый вдоль продольной оси, меньше размера окна в поперечном направлении, взятого вокруг указанной оси. Внутри указанного корпуса расположено зеркало, предназначенное для отражения света, проходящего через измерительный объем. Имеется источник света, который посылает излучение в указанный измерительный объем. Имеется приемник, предназначенный для приема света, отраженного зеркалом, который приходит из измерительного объема. С источником света и приемником связана система управления.
Соответствующая настоящему изобретению измерительная система для сухого порошкового реагента содержит защищенную испытательную конструкцию. Сенсорная система включает в себя, по меньшей мере, одну сенсорную головку, которая, по меньшей мере, частично располагается в указанной конструкции, причем указанная, по меньшей мере, одна сенсорная головка содержит корпус, содержащий продольную ось, вдоль которой распространяется свет, при этом у корпуса имеются несколько окон, которые ориентированы поперек указанной оси и сообщаются с измерительным объемом, который проходит вдоль указанной оси. Размер каждого из указанных нескольких окон, взятый вдоль продольной оси, меньше размера окна в поперечном направлении, взятого вокруг указанной оси. Внутри указанного корпуса расположено зеркало, предназначенное для отражения света, проходящего через измерительный объем. Имеется источник света, который посылает излучение в указанный измерительный объем. Имеется приемник, предназначенный для приема света, отраженного зеркалом, который приходит из измерительного объема. С источником света и приемником связана система управления.
Краткое описание чертежей
Отличительные признаки настоящего изобретения должны быть понятны специалистам в данной отрасли из нижеследующего подробного описания раскрываемого варианта осуществления, который не носит ограничительного характера. Подробное описание сопровождается чертежами, из которых:
фиг.1 схематически изображает измерительную систему с порошковой калибровочной колонкой (ПКК) для сухого порошкового реагента;
фиг.2 схематически изображает сенсорную систему для порошкового химического огнегасящего состава, установленную в типичной защищаемой конструкции;
фиг.3А схематически изображает порошковую калибровочную колонку (ПКК) для сухого порошкового реагента;
фиг.3В схематически изображает систему подачи порошка и газовую распределительную систему, которые сообщаются с порошковой калибровочной колонкой (ПКК);
фиг.3С в перспективной проекции изображает сенсорную головку внутри порошковой калибровочной колонки (ПКК);
фиг.4А изображает сенсорную головку для сухого порошкового реагента в разобранном виде;
фиг.4B в перспективной проекции изображает сенсорную головку фиг.4А;
фиг.4С в перспективной проекции изображает сенсорную головку фиг.4А с установленным на ней крепежным хомутом;
фиг.4D изображает продольное сечение корпуса сенсорной головки;
фиг.4Е схематически изображает измерительный объем, сформированный внутри корпуса сенсорной головки;
фиг.4F схематически изображает границу концентрации, образованную измерительным объемом в корпусе сенсорной головки;
фиг.4G схематически изображает линии тока, которые в общем случае формируются вблизи каждого из нескольких окон внутри измерительного объема в корпусе сенсорной головки;
фиг.4Н схематически изображает основные траектории частиц, проходящих через несколько окон внутри измерительного объема в корпусе сенсорной головки;
фиг.4I схематически изображает связь сенсорной головки с системой управления;
фиг.5 схематически изображает измерительный объем сенсорной головки;
фиг.6 схематически изображает измерительный объем сенсорной головки и возможные пути световых лучей без многократных отражений;
фиг.7 изображает эмпирическую зависимость между массовой концентрацией и оптическим пропусканием для сухого порошкового реагента;
фиг.8 изображает схему последовательности операций при калибровке измерительной системы с целью определения эмпирической зависимости между массовой концентрацией и оптическим пропусканием для заданного сухого порошкового реагента, например, для аэрозольного облака огнегасящего реагента;
фиг.9 изображает схему последовательности операций, иллюстрирующую работу сенсорных головок, установленных в защищенной испытательной конструкции, например в типичной гондоле двигателя.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематически показана измерительная система 20 для измерения огнегасящих химических реагентов в виде сухих порошков. Система 20 в целом включает в себя порошковую калибровочную колонку (ПКК) 22, сенсорную систему 24 и систему 26 управления. ПКК 22 в общем используется для калибровки сенсора сенсорной системы 24, который в дальнейшем может быть установлен в защищенной испытательной конструкции 28, например в гондоле двигателя (фиг.2). Следует понимать, что гондола двигателя представляет собой лишь одну типичную конструкцию, в которой может быть установлена порошковая система 30 пожаротушения и которой осуществление изобретения не ограничивается. Система 30 может быть установлена и в других защищенных конструкциях 28, таких как двигательные отсеки наземных транспортных средств, кабины и другие конструкции, и может давать там положительный эффект.
Согласно фиг.3А, ПКК 22 в общем включает в себя систему 40 подачи порошка, газораспределительную систему 42, измерительную трубу 44, измерительную секцию 46, в которой установлена, по меньшей мере, одна сенсорная головка (измеритель массовой концентрации аэрозольных частиц) 24А и короб 48 сбора порошка. Измерительная труба 44, измерительная секция 46 и короб 48 сбора порошка расположены на оси Z. Измерительная труба 44, которая в одном из вариантов осуществления изобретения определяет измерительную секцию 46, содержит участок до сенсорной головки 24А длиной, равной, по меньшей мере, двадцати диаметрам трубы, чтобы обеспечить однородное распределение порошкового реагента, поступающего от системы 40 подачи порошка в потоке инертного газа от газораспределительной системы 42. Это облегчает прямое измерение оптического пропускания аэрозольного облака сенсорной головкой 24А.
Система 40 подачи порошка в одном из вариантов осуществления изобретения содержит шнековый транспортер, подобный транспортеру, выпускаемому компанией Acrison Inc., Moonachie, NJ, USA. Система 40 подачи порошка определяет скорость, с которой сухой порошковый реагент поступает в измерительную трубу 44.
Газораспределительная система 42 подает инертный газ, который согласно одному из вариантов осуществления изобретения содержит азот и служит для дробления и полного диспергирования сухого порошкового реагента. Газораспределительная система 42, в общем, располагается выше системы 40 подачи порошка и отнесена в поперечном направлении (фиг.3В). Газораспределительная система 42 определяет скорость, с которой инертный газ поступает в измерительную трубу 44, так что к сенсорной головке 24А инертный газ и сухой порошковый реагент поступают с известной величиной расхода, и можно определить соотношение между концентрацией сухого порошкового реагента и оптическим пропусканием. Это позволяет знать действительные значения скорости подачи сухого порошкового реагента и инертного газа.
Короб 48 сбора порошка имеет сравнительно большой объем, чтобы предотвратить рециркуляцию порошкового реагента и его заброс обратно в измерительную секцию 46. Короб 48 сбора порошка также препятствует росту давления и за счет истечения воздуха через фильтры 48F предотвращает обратное течение аэрозольного облака сухого порошкового реагента.
ПКК 22 используется для калибровки измерений оптического пропускания сенсорной головкой 24А по массовой концентрации в аэрозольном облаке. Цилиндрическое сечение ПКК 22 ослабляет угловые эффекты и другие эффекты, обусловленные геометрией. Ввод сухого порошкового реагента в измерительную трубу 44 производится непосредственно под точкой ввода инертного газа (фиг.3В). Скоростная струя инертного газа проходит систему 40 подачи порошка, вызывая турбулентное перемешивание сухого порошкового реагента с инертным газом и формируя аэрозольное облако, аналогичное аэрозольному облаку огнегасящего состава. Подача сухого порошкового реагента в струю инертного газа приводит к разбиению агломератов сухого порошкового реагента на составляющие частицы. Данные частицы, смешанные с инертным газом, образуют аэрозольное облако сухого порошкового реагента.
Аэрозольное облако, на которое действует и сила тяжести, опускается вниз по измерительной трубе 44 для измерения сенсорной головкой 24А (фиг.3С), при этом частицы в аэрозольном облаке перемешаны до однородного состояния. Направленный вниз поток необходим, так как частицы сухого порошкового реагента, имеющие разный размер, движутся с разными скоростями. В установившихся условиях направленный вниз поток приводит к созданию постоянной во времени концентрации, и поскольку концентрация частиц каждого размера вниз по потоку остается постоянной, появляется возможность проведения точных измерений сенсорной системой 24.
Измерение оптического пропускания аэрозольного облака сухого порошкового реагента обеспечивается в одном из вариантов осуществления сенсорной головки 24А, представленном на фиг.4А. Каждая сенсорная головка 24А, в общем, включает в себя корпус 50 с продольной осью S, вдоль которой по световому каналу проходит свет. Корпус содержит несколько отверстий (окон) 52, открытых в направлении поперек оси S (фиг.4В). Сенсорная головка 24А, в общем, включает в себя источник 54 света, сенсор 56, защитное стекло (окно) 58, защитное стекло (окно) 60 зеркала, зеркало 62, концевую заглушку 64, фиксатор 66 и прокладки 68А, 68В.
Фиксатор 66 может включать в себя фланцевый конец для установки хомута С или иного крепежного элемента (фиг.4С). Хомут С может быть легко закреплен в защищенной испытательной конструкции 28 с целью установки сенсорной головки 24А в требуемое положение (фиг.2). Согласно одному из вариантов осуществления (который не носит ограничительного характера), прокладки 68А, 68В представляют собой электропроводящие прокладки, подключающие окно 58, окно 60 зеркала, зеркало 62, корпус 50 и фиксатор 66 через хомут С к электрической «земле», так что вся сенсорная головка 24А оказывается заземленной на защищенную конструкцию 28. В данном варианте осуществления корпус 50, концевая заглушка 64 и фиксатор 66 могут быть выполнены из проводящего материала, например алюминия с покрытием "alodine". Поскольку сенсорная головка 24А заземлена, окно 58 и окно 60 зеркала будут защищены от накопления статического электричества и будут в минимальной степени притягивать к себе сухой порошковый реагент. Как вариант или в качестве дополнительной меры, на окно 58 и окно 60 зеркала может быть нанесено антистатическое покрытие, которое может быть сравнительно тонким. Согласно одному из вариантов осуществления, такое покрытие в каждом случае имеет толщину менее 1 мм. Такая толщина дает минимальные искажения и снижает статический заряд, который в противном случае мог бы притягивать сухой порошковый реагент.
Прокладки 68А, 68В мягко поджимают окно 58 и соответственно окно 60 зеркала, когда производится завинчивание в корпус 50 фиксатора 66 и концевой заглушки 64. Таким образом, фиксатор 66 и концевая заглушка 64 в корпусе 50 крепятся на резьбе, что дает возможность разборки узла и доступа к окну 58 и окну 60 зеркала для чистки или иного обслуживания. Резьбовое крепление также облегчает осевую центровку окна 58, окна 60 зеркала и самого зеркала 62, так чтобы источник 54 света всегда можно было воспроизводимо фокусировать в одной и той же точке зеркала 62. То есть при завинчивании фиксатора 66 и концевой заглушки 64 в корпус 50 центровка деталей гарантируется. Таким образом, конструкция обеспечивает сохранение оптической юстировки узла.
Упор для окна 58 и окна 60 зеркала при завинчивании фиксатора 66 и концевой заглушки 64 обеспечивается соответствующим буртиком 70А, 70В (фиг.4D). Буртики 70А, 70В также обеспечивают воспроизводимость длины узла при его сборке, так что расстояние между источником 54 света и зеркалом 62 воспроизводимо повторяется. Следует понимать, что в качестве варианта или дополнительно могут быть предусмотрены различные прокладки, кольца, уплотнения, нейтральные фильтры для калибровки или сочетания указанных элементов.
Корпус 50 определяет измерительный объем 72, который в свою очередь частично определяется группой окон 52. Благодаря резьбовому креплению и буртикам 70А, 70В обеспечивается жесткое сохранение геометрии измерительного объема 72 между источником 54 света и зеркалом 62 даже при изменениях температуры, ударах и при вибрациях, характерных для защищенных конструкций 28.
Окна 52 в общем случае имеют прямоугольную форму и ориентированы перпендикулярно оси S. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, размер каждого из окон 52, взятый вдоль продольной оси S, меньше размера окна в поперечном направлении, взятого вокруг указанной оси. Так, например, поперечный размер составляет менее 10 мм, а конкретно может составлять 3 мм.
Согласно фиг.4Е, измерительный объем 72, который частично определяется окнами 52, в общем, имеет трапециевидный профиль. Форма и размер окон 52 эффективно снижают загрязнение оптики в турбулентной среде с высокими скоростями течения. Профиль измерительного объема 72 создает границу концентрации, которая внутри сенсорной головки 24А формирует ламинарное течение фактически с выпуклым профилем (фиг.4F). Это представлено линиями тока, которые формируются главным образом вблизи каждого из нескольких окон 52 (фиг.4G).
Объемный поток с наружной стороны сенсорной головки 24А поступает в измерительный объем 72 через несколько окон 52, где создаются условия ламинарного течения, при этом внутри измерительного объема 72 турбулентность фактически не возникает. Течение через измерительный объем 72 создает эффект Вентури, который вытягивает сухой порошковый реагент из измерительного объема 72. Лишь сравнительно малое количество сухого порошкового реагента может осесть на оптике за счет градиента концентрации. Точнее, частица сухого порошкового реагента из объемного потока, которая входит в измерительный объем 72, либо проследует сквозь окна 52 с минимальным изменением своего вектора (А); либо начнет циркулировать в полости и будет вытянута из измерительного объема эффектом Ветури (В); либо поступит из турбулентного вихря и войдет в контакт с оптическим элементом (С) (фиг.4Н). Суммарное количество сухого порошкового реагента, который вступает в контакт с оптикой, сравнительно невелико и в типичном случае составляет менее 2% от общей массы, которая проходит через сенсорную головку 24А. Это существенным образом не влияет на профиль концентрации, поскольку внешняя турбулентность, которая приводит к осаждению сухого порошкового реагента на оптических поверхностях, действует в течение короткого периода времени по сравнению с временем измерения концентрации.
В качестве источника 54 света может быть использован красный светоизлучающий диод (СИД), работающий на длине волны 650 нм, а в качестве сенсора 56 - фотодиод для видимой области спектра. Светодиод 54 и сенсор 56 связаны с сенсорной головкой 24А через волоконно-оптический кабель 74, который состоит из множества оптических волокон. Согласно одному из вариантов осуществления, оптоволокно 32 связано с источником 54 света, при этом оптоволокно 32 также связано с сенсором 56. Оптические волокна могут быть объединены в жгут, и образован волоконно-оптический кабель 74 с разъемом 74С типа SMA905 для присоединения к корпусу 50.
Каждая сенсорная головка 24А работает на принципе ослабления потока светового излучения. Свет, поступающий от источника 54 света по индивидуальным оптическим волокнам волоконно-оптического кабеля 74, проходит через прозрачное окно 58, входит в измерительный объем 72, в котором имеется окно 52, затем отражается от зеркала 62 и уходит по волокнам волоконно-оптического кабеля 74. Окно 58, в общем, находится напротив зеркала 62, так что свет проходит через измерительный объем 72 дважды: первый раз - из окна 58 через измерительный объем 72, отражается от зеркала 62, и затем второй раз - через измерительный объем 72, после чего через окно 58 и волоконно-оптический кабель 74 уходит на сенсор 56. Сенсор 56 формирует аналоговый сигнал, пропорциональный интенсивности света, и выдает его в систему 26 управления (фиг.41). Интенсивность света меняется в зависимости от концентрации частиц сухого порошкового реагента в измерительном объеме 72. Сенсорная головка 24А отличается от термопар, датчиков давления, тензометрических датчиков и других приборов, в которых интенсивность сигнала прямо пропорциональна измеряемой величине.
Каждая сенсорная головка 24А сенсорной системы 24 связана с системой 26 управления, которая инициирует работу системы 20 и управляет сбором и накоплением данных от сенсорной головки 24А. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, накопление данных производится с переменной частотой от 1 Гц до 1000 Гц, максимально для 30000 точек. Максимальное время накопления данных можно определить, если 30000 разделить на скорость накопления (для случая 100 Гц это время составит 300 с). Следует понимать, что система 26 управления может использовать и другие скорости накопления данных.
Следует отметить, что для реализации различных функциональных возможностей можно использовать вычислительное устройство, которое может быть отнесено к системе 26 управления (фиг.41). В своей аппаратной части такое вычислительное устройство может содержать процессор, память, одно или несколько интерфейсных устройств ввода и/или вывода, которые ведут обмен данными через локальный интерфейс. Локальный интерфейс среди прочего может содержать, например, одну или несколько шин и/или другие проводные или беспроводные соединения. Локальный интерфейс может содержать дополнительные элементы, обеспечивающие обмен данными, которые в целях упрощения опущены, такие как контроллеры, буферные (кэш) устройства, драйверы, повторители и детекторы. Кроме того, локальный интерфейс может содержать соединители для адресации, управления и/или передачи данных, обеспечивающие надлежащий обмен между вышеупомянутыми элементами.
Процессор может представлять собой аппаратное устройство, предназначенное для исполнения программы, в частности программы, хранящейся в памяти. Процессор может быть специализированным или общепромышленного применения. Он может являться центральным процессорным устройством (ЦПУ), вспомогательным процессором среди нескольких процессоров, связанных с вычислительным устройством, полупроводниковым микропроцессором (в виде микрочипа или набора чипов) или, вообще, любым устройством для исполнения программных инструкций.
Память может включать в себя один элемент или сочетание элементов энергозависимой памяти (например, оперативных запоминающих устройств (RAM), таких как DRAM, SRAM, SDRAM, VRAM и т.п.) и/или элементов энергонезависимой памяти (например, ROM, жестких дисков, магнитных лент, CD-ROM и т.п.). Помимо этого память может включать в себя электронные, магнитные, оптические и/или другие средства хранения данных. Следует отметить, что память может также иметь распределенную архитектуру, при которой различные компоненты расположены на удалении друг от друга, но могут быть доступны для процессора.
Программа в памяти может включать в себя одну или несколько программ, каждая из которых содержит упорядоченный перечень исполняемых инструкций для осуществления логических функций. Под составной частью системы, реализованной в виде программного обеспечения, можно также подразумевать программу на исходном языке, исполняемую программу (объектный код), набор символов или любую иную сущность, содержащую набор инструкций, предназначенных для исполнения. Если программное обеспечение построено в виде программы на исходном языке, то трансляция программы осуществляется через компилятор, ассемблер, интерпретатор или иное средство, которое может быть включено в память, а может и не быть включено в память.
Устройства ввода/вывода, которые могут быть подключены к интерфейсу системы, могут включать такие устройства ввода, как, например, клавиатура, мышь, сканер, микрофон, камера, устройство бесконтактного действия и т.п. Кроме того, устройства ввода/вывода могут включать такие устройства вывода, как, например, принтер, дисплей и т.п. Наконец, устройства ввода/вывода могут дополнительно включать устройства, которые обеспечивают обмен данными как на вывод, так и на ввод, например модулятор/демодулятор (модем - для доступа к другому устройству, системе или другой сети), радиочастотный (РЧ) или иной приемопередатчик, телефонный интерфейс, мост (bridge), маршрутизатор (router) и т.п.
Когда вычислительное устройство находится в работе, процессор может быть настроен на исполнение хранящейся в памяти программы, на передачу данных из памяти и в память, и, в общем, на операции управления вычислительного устройства согласно программе. Хранящаяся в памяти программа целиком или в какой-то части считывается процессором, если нужно, то буферируется, и затем исполняется.
Согласно фиг.5, сенсорная головка 24А непосредственно измеряет оптическое пропускание аэрозольного облака сухого порошкового реагента, которое может быть непосредственно связано с объемной плотностью (концентрацией) через эмпирические или теоретические соотношения.
Аэрозольное облако сухого порошкового реагента поступает в измерительный объем 72 и проходит сквозь пучок света, который из волоконно-оптического кабеля 74 падает на зеркало 62 и отражается на сенсор 56. Когда аэрозольное облако сухого порошкового реагента проходит сквозь пучок света, общее оптическое пропускание измерительного объема 72 уменьшается пропорционально концентрации в аэрозольном облаке. Зеркало 62 является вогнутым и фокусирует свет обратно на волоконно-оптический кабель 74.
На фиг.6 схематически показаны типичные пути световых лучей. Отражениями от объектов за первым слоем загрязнений можно пренебречь в силу незначительной интенсивности отраженного света. Интенсивность излучения, приходящего на сенсор 56, - это сумма интенсивностей пучков, приходящих по путям 1, 1В и 2, а также интенсивности рассеянного, фонового света. Путь 1 соответствует некоторой доле света, отраженной от окна 58, которую принимает сенсор. Путь 1В возникает, если на окне 58 имеется слой загрязнений, при этом свет должен проходить окно 58 дважды.
По пути 2 свет должен дважды пройти через каждое окно 58, 60, каждый слой загрязнений и через измерительный объем 72, при этом свет должен отразиться от зеркала 62. В данных расчетах предполагается, что зеркало 62 отражает весь падающий на него свет. Оба окна 58, 60 имеют одинаковые свойства.
При отсутствии слоя загрязнений выходной сигнал сенсорной головки 24А может быть выражен следующим образом:
Перед испытанием можно произвести измерение выходного сигнала при нулевом светопропускании, т.е. установив световое пропускание τv измерительного объема равным 0 (темновой сигнал). Это можно сделать, закрыв зеркало 62 неотражающим материалом, так чтобы происходило измерение только света, отраженного от окна 58, и рассеянного света:
Выходной сигнал сравнения может быть получен, когда световое пропускание τv измерительного объема равно 1, т.е. при отсутствии аэрозольного облака в измерительном объеме. При этом свет имеет возможность отражаться от зеркала и уходить обратно в сторону источника. Подставляя в уравнение (1) величину выходного сигнала при нулевом световом пропускании, получим:
Подставляя уравнение (3) и уравнение (2) в уравнение (1), можно получить выражение для светового пропускания при двойном прохождении света через измерительный объем:
Здесь удобно ввести определение скорректированного выходного сигнала сенсорной головки 24А, вычитая из выходного сигнала его значение при нулевом световом пропускании, поскольку предполагается, что выходной сигнал при нулевом световом пропускании остается постоянным во время всего измерения:
Тогда уравнение (4) можно переписать следующим образом:
Теоретическое выражение для массовой концентрации:
Зависимость между оптическим пропусканием и концентрацией частиц, рассеянных в виде облака, записывается следующим образом:
Решением уравнения (7) является закон Бугера-Ламберта-Бера (в данном случае величины фигурируют в квадрате, т.к. рассматривается световое пропускание при двойном прохождении луча), при этом помимо концентрации интенсивность света зависит только от расстояния:
Уравнение (8) можно решить относительно значения числовой концентрации, а если произвести умножение на массу одной частицы, то можно найти значение массовой концентрации в измерительном объеме:
Член, выражающий оптическое пропускание измерительного объема, фигурирует в квадрате, поскольку через измерительный объем 72 свет проходит дважды. Согласно теории Ми, когда размер частицы более чем в три раза превышает длину волны света, эффективная площадь рассеяния стремится к удвоенной площади сечения частицы. В рассматриваемом примере средний диаметр частицы превышает 3 мкм, а длина волны света равна 0,65 мкм. Поскольку интерес представляют площади поверхности и массы индивидуальных частиц, используется средний объемно-поверхностный диаметр (так называемый средний диаметр Саутера, Sauter Mean Diameter). Это диаметр частицы с тем же отношением площади поверхности к массе (объему), какое характерно для всего ансамбля частиц аэрозольного облака. Уравнение (9) сводится к функции среднего диаметра Саутера:
Уравнение (10) дает теоретическую зависимость массовой концентрации от оптического пропускания при известном диаметре частиц. Однако данное соотношение справедливо только для высоких значений оптического пропускания.
Поскольку измерителю массовой концентрации аэрозольных частиц придется измерять значения оптического пропускания меньшие, нежели допустимые для уравнения (9), для установления эмпирической зависимости между оптическим пропусканием и пространственной массовой концентрацией используется ПКК.
Порошковая калибровочная колонка 22 (фиг.3А), обеспечивающая постоянный поток сухого порошкового реагента и инертного газа, была подвергнута экспериментальной проверке. ПКК обеспечивала полностью установившееся течение, так что аэрозольное облако сухого порошкового реагента оказывалось равномерно распределенным по сечению измерительной трубы 44. Затем полностью перемешанное аэрозольное облако сухого порошкового реагента проходило сенсорную головку 24А, где производилось измерение оптического пропускания. Путем изменения скорости истечения инертного газа и скорости подачи сухого порошкового реагента можно было провести испытание при разных массовых концентрациях.
Соотношение между оптическим пропусканием и пространственной массовой концентрацией, которое определено посредством ПКК, является индивидуальным для данной конструкции сенсорной головки 24А, данного состава сухого порошка и размеров частиц. Если какой-либо из указанных факторов изменится, то можно определить новое соотношение.
Ошибка измерения может быть определена исходя из разброса данных оптического пропускания в зависимости от пространственной массовой концентрации. Для сенсорной головки 24А фиг.4С такая ошибка составила ±16 г/м3.
Указанная ошибка соответствует конкретно данной конструкции сенсорной головки 24А, данному составу сухого порошкового реагента и данному размеру частиц.
Фиг.8 иллюстрирует пример работы ПКК 22, в котором измерительную систему 20 приводят в действие для определения эмпирической зависимости между массовой концентрацией и оптическим пропусканием заданного сухого порошкового реагента, такого как аэрозольное облако огнегасящего реагента (фиг.7). На этапе 200 производят калибровку системы 40 подачи порошка на заданную скорость подачи сухого порошкового реагента. Затем систему 40 переводят в режим подачи порошка (этап 202) с заданной скоростью (г/с), в то время как газораспределительную систему 42 переводят в режим обеспечения заданного расхода (м3/с) инертного газа (этап 204) с целью получения смеси в виде аэрозольного облака. Затем предоставляют некоторое время для стабилизации аэрозольного облака (этап 206). Требуемая скорость подачи сухого порошкового реагента может находиться в пределах, например, от менее 10 г/м3 до более 300 г/м3, что может быть получено путем изменения скорости работы шнека и расхода газа. Требуемая объемная скорость подачи инертного газа может находиться в пределах, например, от ~0,5 м/с до ~3,5 м/с, при этом осевая скорость может примерно на 35% превышать значение объемной скорости.
Затем в измерительную секцию 46 ПКК 22 вводят сенсорную головку 24А (этап 208). В течение заданного интервала времени производят накопление данных с сенсорной головки 24А (этап 210), после чего выводят сенсорную головку 24А (этап 212). Затем (этап 214) на сенсорной головке 24А измеряют сигнал, соответствующий нулевому оптическому пропусканию в ПКК 20. Это производят, перекрывая весь световой поток в сенсорной головке 24А, например, при помощи черной резиновой заглушки. Этапы 202-214 затем многократно повторяют, чтобы получить точки данных для кривой, которая представляет эмпирическую зависимость между массовой концентрацией и оптическим пропусканием в квадрате для заданного порошкового реагента (этап 216, 218; фиг.7).
Согласно фиг.9, после того как будет определена эмпирическая зависимость (фиг.7) между массовой концентрацией и оптическим пропусканием для заданного порошкового реагента, одну или несколько сенсорных головок 24 можно разместить в защищенной конструкции 28, например в гондоле двигателя (фиг.2).
На этапе 300 сенсорные головки 24 устанавливают в защищенной конструкции 28. Для каждой сенсорной головки 24А производят измерение выходного сигнала, соответствующего нулевому оптическому пропусканию (этап 302). То есть определяют разность между сигналами нулевого пропускания в ПКК 22 и в защищенной конструкции 28. Затем в конструкцию 28 подают аэрозольное облако огнегасящего реагента и во время испытания посредством системы 26 управления производят запись данных с каждой сенсорной головки 24А (этап 304). Для каждой сенсорной головки 24А производят вычитание сигнала нулевого оптического пропускания (этап 306) с целью определения по окончании испытания исходных выходных данных (этап 308) и преобразования исходных выходных данных в данные оптического пропускания, и их изменения во времени (этап 310). Сенсорная головка обладает сравнительно небольшими размерами и ее можно размещать в удаленных отсеках для измерения оптического пропускания аэрозольного облака в зависимости от времени. Данные изменения оптического пропускания во времени затем (основываясь на эмпирической зависимости между массовой концентрацией и оптическим пропусканием для заданного сухого порошкового реагента, фиг.7) используют для определения изменения концентрации реагента во времени (этап 312).
Благодаря тому, что окна 52 ориентированы перпендикулярно оптическим окнам и имеют сравнительно небольшую ширину в направлении оси сенсорной головки, турбулентность выбрасываемого потока сухого порошкового реагента существенно снижается, а сам поток превращается в ламинарный. Узкие окна 52 способствуют тому, что траектории аэрозольных частиц в большинстве своем становятся прямолинейными. Некоторые криволинейные траектории могут приводить к оседанию аэрозольных частиц на оптических поверхностях, однако, лишь отдельные из возможных траекторий смогут пройти через систему окон 52. Если только аэрозольная частица сухого порошкового реагента не движется по траектории, которая пересекается с оптическим элементом, эффект Вентури будет вытягивать частицу из сенсорной головки 24А, поскольку скоростной поток через измерительный объем будет стремиться отсасывать частицы сухого порошкового реагента.
Можно считать, что профиль концентрации по ходу светового пучка внутри измерительного объема имеет форму нормального распределения, причем в центре каждого из окон 52 концентрация превышает среднюю, что может быть вызвано эффектами пограничного слоя в сенсорной головке 24А, при этом хвосты распределения с нулевой концентрацией находятся на оптических элементах. Приведение нормального распределения к функции постоянной концентрации дает эквивалентную длину оптического хода. Это длина хода в сенсорной головке 24А при постоянной концентрации по всему ходу светового пучка. Следует отметить, что эквивалентная длина хода может быть меньше размера окна из-за пограничных эффектов. Когда на оптических элементах будет происходить отложение массы сухого порошкового реагента, эта масса не будет существенно влиять на площадь под кривой распределения, так что на эквивалентную длину хода процесс отложения не повлияет.
| Таблица 2 | ||
| Обозначения | ||
| Символ | Наименование | Единицы измерения |
| As | Эффективная площадь рассеяния частицы | м2 |
| D | Диаметр | м |
| F | Доля | - |
| I | Освещенность (интенсивность) | люкс |
| I | Выходной сигнал сенсорной головки 24А | вольт |
| L | Длина оптического хода | м |
| М | Масса | кг |
| N | Число | |
| V | Объем | м3 |
| X | Дистанция хода луча в измерительном объеме | м |
| P | Плотность | г/м3 |
| ρw | Коэффициент отражения от окна | - |
| Т | Коэффициент оптического пропускания | - |
| Обозначения | |
| Подстрочный символ | Наименование |
| ∞ | Рассеянный, фоновый (свет) |
| [3,2] | Средний (диаметр) Саутера |
| be | Затемненный |
| c | Слой загрязнений |
| i | Исходный, начальный |
| p | Частица |
| ref | Опорный; сравнение |
| s | Источник; сплошной; или рассеяние |
| ν | Измерительный объем |
| W | Окно |
| Надстрочный символ | Наименование |
| ''' | Приходящийся на единицу объема (плотность; концентрация) |
| * | Скорректированный сигнал сенсорной головки 24А (после вычитания темнового сигнала) |
Следует понимать, что термины относительного положения, такие как «передний», «задний», «верхний», «нижний», «выше», «ниже» и т.п., описывают расположение относительно нормального рабочего пространственного положения транспортного средства и их не следует рассматривать как ограничительные в иных отношениях.
Следует понимать, что подобные друг другу позиционные номера, использованные в нескольких чертежах, везде обозначают соответствующие или аналогичные элементы. Следует также понимать, что хотя в представленных на чертежах вариантах осуществления раскрываются определенные конструкции элементов, положительный эффект будут давать и другие, вытекающие из них конструкции.
Несмотря на то, что в описании приведена, на чертежах представлена и в формуле изобретения изложена определенная очередность следования этапов, необходимо понимать, что выполнение этапов можно осуществлять в любом порядке - этапы можно разделять или объединять, если не оговорено иное, и пока согласно описанию изобретения, это будет давать положительный эффект.
Вышеприведенное описание представляет собой пример и не носит ограничительного характера. В описании раскрыты различные варианты осуществления изобретения, однако, для специалистов в данной области должно быть понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть с учетом описания внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения. Поэтому следует понимать, что в границах, которые установлены пунктами прилагаемой формулы, изобретение может быть осуществлено иным образом, нежели это конкретно описано. По этой причине для определения истинного объема изобретения требуется изучение прилагаемой формулы.
1. Сенсорная головка для сухого порошкового реагента, включающая в себя корпус, имеющий продольную ось, вдоль которой распространяется свет, при этом в корпусе предусмотрены окна, которые ориентированы поперек указанной оси и сообщаются с измерительным объемом, проходящим вдоль указанной оси, при этом размер каждого из окон, взятый вдоль продольной оси, меньше размера окна в поперечном направлении, взятого вокруг указанной оси, и зеркало, расположенное внутри указанного корпуса, для отражения света, проходящего через измерительный объем.
2. Сенсорная головка по п.1, отличающаяся тем, что измерительный объем, определяемый указанными окнами, в целом имеет трапециевидную форму.
3. Сенсорная головка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит концевую заглушку и фиксатор, которые выполнены с возможностью завертывания по резьбе в указанный корпус.
4. Сенсорная головка по п.3, отличающаяся тем, что она содержит источник света, который передает излучение в измерительный объем по волоконно-оптическому кабелю, связь с которым осуществляется через указанный фиксатор.
5. Сенсорная головка по п.4, отличающаяся тем, что она содержит защитное стекло, расположенное напротив указанного зеркала, при этом защитное стекло зажато между фиксатором и буртиком, находящимся внутри корпуса.
6. Сенсорная головка по п.5, отличающаяся тем, что также содержит защитное стекло зеркала, прилегающее к последнему, при этом защитное стекло зажато между концевой заглушкой и буртиком, находящимся внутри корпуса.
7. Сенсорная головка по п.1, отличающаяся тем, что размер каждого из указанных окон, взятый вдоль оси головки, составляет менее 10 мм.
8. Сенсорная головка по п.1, отличающаяся тем, что размер каждого из указанных окон, взятый вдоль оси головки, составляет 3 мм.
9. Калибровочная система для сухого порошкового реагента, содержащая порошковую калибровочную колонку, сенсорную систему, включающую в себя, по меньшей мере, одну сенсорную головку, которая, по меньшей мере, частично расположена внутри порошковой калибровочной колонки, причем указанная, по меньшей мере, одна сенсорная головка содержит корпус, имеющий продольную ось, вдоль которой распространяется свет, при этом в корпусе предусмотрены окна, которые ориентированы поперек указанной оси и сообщаются с измерительным объемом, проходящим вдоль указанной оси, при этом размер каждого из указанных окон, взятый вдоль продольной оси, меньше размера окна в поперечном направлении, взятого вокруг указанной оси, зеркало, расположенное внутри указанного корпуса, для отражения света, проходящего через измерительный объем, источник света, посылающий излучение в измерительный объем, приемник для приема отраженного зеркалом света, приходящего из измерительного объема, и систему управления, связанную с источником света и с приемником.
10. Система по п.9, отличающаяся тем, что система управления связана с источником света и с приемником через волоконно-оптический кабель, присоединенный к указанному корпусу.
11. Система по п.9, отличающаяся тем, что система управления выполнена с возможностью определения эмпирической зависимости между массовой концентрацией и оптическим пропусканием сухого порошкового реагента.
12. Система по п.9, отличающаяся тем, что система управления выполнена с возможностью калибровки указанной, по меньшей мере, одной сенсорной головки.
13. Система по п.9, отличающаяся тем, что система управления выполнена с возможностью калибровки результатов измерения оптического пропускания посредством указанной, по меньшей мере, одной сенсорной головки по массовой концентрации сухого порошкового реагента в аэрозоле.
14. Система по п.9, отличающаяся тем, что система управления выполнена с возможностью калибровки результатов измерения оптического пропускания посредством указанной, по меньшей мере, одной сенсорной головки по массовой концентрации сухого порошкового реагента в аэрозоле внутри указанной порошковой калибровочной колонки в единицах массы, приходящейся на объем.
15. Измерительная система для сухого порошкового реагента, содержащая защищенную испытательную конструкцию, сенсорную систему, содержащую, по меньшей мере, одну сенсорную головку, которая, по меньшей мере, частично расположена в указанной конструкции, причем указанная, по меньшей мере, одна сенсорная головка содержит корпус, имеющий продольную ось, вдоль которой распространяется свет, при этом в корпусе предусмотрены окна, которые ориентированы поперек указанной оси и сообщаются с измерительным объемом, проходящим вдоль указанной оси, при этом размер каждого из указанных окон, взятый вдоль продольной оси, меньше размера окна в поперечном направлении, взятого вокруг указанной оси, зеркало, расположенное внутри указанного корпуса, для отражения света, проходящего через измерительный объем, источник света, посылающий излучение в измерительный объем, приемник для приема отраженного зеркалом света, приходящего из измерительного объема, и систему управления, связанную с источником света и с приемником.
16. Система по п.15, отличающаяся тем, что система управления выполнена с возможностью измерения концентрации сухого порошкового реагента в аэрозоле в защищенной испытательной конструкции.
17. Система по п.16, отличающаяся тем, что защищенной испытательной конструкцией является гондола газотурбинного двигателя.
18. Система по п.15, отличающаяся тем, что защищенной испытательной конструкцией является гондола газотурбинного двигателя.
