Пирометр двойного спектрального отношения

Полезная модель относится к измерительной технике, а точнее, к пирометрам излучения и может быть использована, например, для измерения температуры лопаток турбины газотурбинного двигателя (ГТД). Пирометр двойного спектрального отношения для измерения температуры лопаток газотурбинного двигателя, содержащий полихроматор с дифракционной решеткой и тремя выходными щелями, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга, осветительную систему, оптически сопрягающую плоскость вращения лопаток с входной щелью полихроматора, малоинерционные фотоприемники, установленные за выходными щелями полихроматора, соединенные через широкополосные усилители с электронным блоком накопления и обработки информации, при этом, с целью повышения точности измерения температуры, полихроматор снабжен четвертой выходной щелью, расположенной на том же расстоянии от крайней выходной щели, малоинерционным фотоприемником, соединенным через широкополосный усилитель с блоком накопления и обработки информации. В пирометре двойного спектрального отношения вблизи входной щели полихроматора могут быть установлены: калибровочная лампа накаливания, питаемая поочередно разными по величине (по меньшей мере - двумя) стабилизированными токами какала, и подвижное зеркало, со специальным приводом, коммутирующее лучистые потоки от лопаток турбины и калибровочной лампы. 1 фиг., 2 п.ф.

Полезная модель относится к измерительной технике, а точнее, к пирометрам излучения и может быть использована, например, для измерения температуры лопаток турбины газотурбинного двигателя (ГТД).

Известен сканирующий двухканальный бихроматический пирометр для измерения температурных полей вращающихся лопаток турбины с цветовой коррекцией сигнала по степени черноты объекта (Специальные методы измерения, применяемые в ЦИАМ Отдел измерительной техники и метрологии, М., 2005 год, с.11-14).

Пирометр имеет осветительную систему в виде сканирующего перископического зонда, погружаемого в высокотемпературный поток газа для визирования лопаток

Измерительные каналы пирометра являются по сути пирометрами частичного излучения (один из которых чувствителен в области спектра 0,9-1,1 мкм, а другой - в области 1,2-1,4 мкм) со свойственными пирометрам этого класса методическими погрешностями, вызванными, например, изменениями степени черноты поверхности лопаток вследствие их эрозии или невыполнением закона Ламберта при визировании пирометра на вращающиеся лопатки, как поверхности сложной формы.

Кроме того, при ширине спектрального интервала 0,2 мкм будет проявляться зависимость эффективной длины волны _эфф от температуры источника (Свет Д.Я. и Попова О.Р. Метрология. Приложение к журналу Измерительная техника, М., 1987 г., №2, с.49).

Выгодно отличаются от моно- и квазимонохроматических пирометров пирометры спектрального отношения, которые при определенной зависимости степени черноты источника - от длины волны позволяют измерять его истинную температуру Т _и. (А.С. №270296СССР. ОИПОТ3. 1970. №16)

Различают спектральные температуры 1-го, 2-го и более высоких порядков. Так температура 1-го порядка Т_c, есть не что иное, как цветовая температура Т_ц, которая равна истинной температуре Т_и при =const ("серое" тело). Спектральная температура 2-го порядка Т_c=Т_и при

, где Х - длина волны или функция длины волны.

(А.Н.Гордов и др. «Основы температурных измерений» М., Энергоатомиздат, 1992 г., с.202-208, 265-268)

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является высокоскоростной пирометр двойного спектрального отношения Национального Бюро Стандартов США («Основные понятия и

современные методы измерения температур» т.III ч.1. Сборник материалов симпозиума. «Металлургия», М., 1967, с.227).

Известный пирометр реализует метод двойного спектрального отношения, используя в качестве полихроматора для выделения трех монохроматических излучений с ₁, ₂ и ₃, двойной призменный монохроматор с тремя промежуточными щелями, которые поочередно открываются вращающимся перфорированным обтюратором, в результате чего через выходную щель монохроматора на установленный за ней фотоприемник поочередно попадают импульсы монохроматического излучения с длиной волны ₁, ₂ и ₃. Частота следования импульсов определяется скоростью вращения обтюратора и может достигать 1000 Гц. Сигналы от фотоприемника регистрируются на экране осциллографа или на магнитную ленту. Величина сигнала I на длине волны связана с температурой Т и степенью черноты источника известным уравнением Планка

C₁ и С₂ - постоянные Планка, а А - аппаратная функция пирометра, учитывающая спектральную чувствительность фотоприемника. Для трех значений _i можно записать соотношение:

Полагая линейной функцией длины волны и выбрав получим отсюда и (при ###U8249###U82491) стремится к 1, т.е. отношение R не зависит от и является только функцией температуры при выбранных значениях , т.е. R=f(T).

Недостатком такого пирометра является то, что при нелинейной зависимости от , выбор ведет к тому, что и, следовательно, спектральная температура второго порядка Тс₂Т_и.

Линеаризовать зависимость от за счет сужения диапазона длин волн ₁...₃ нежелательно, так как это уменьшает крутизну зависимости R от температуры (на практике диапазон ₁...₃ определяется спектральной характеристикой фотоприемников).

В этом случае зависимость от , как указывалось выше, может быть представлена степенной или логарифмической функцией от И ₂ выбирается из соотношения:

при степенной зависимости;

и при логарифмической зависимости.

Поскольку априори неизвестно какой функцией следует аппроксимировать реальную зависимость , то неверный выбор может привести к погрешности в измерении температуры даже большей, чем при аппроксимации линейной зависимостью от .

Технический результат.

Целью разработки полезной модели является повышение точности измерения температуры лопаток ГТД. Цель достигается тем, что в пирометре, содержащем малогабаритный полихроматор с дифракционной решеткой, осветительную систему в виде перископического зонда и оптически сопрягающую плоскость вращения лопаток ГТД с входной щелью полихроматора, три выходные щели с установленными за ними малоинерционными фотоприемниками для одновременного измерения излучения лопаток на трех длинах волн, соединенные через широкополосные предусилители с блоком обработки и накопления сигналов, полихроматор снабжен дополнительно четвертой выходной щелью с малоинерционным фотоприемником, соединенным, аналогично остальным, через широкополосный предусилитель с блоком обработки и накопления сигналов, причем расстояние между всеми выходными щелями одинаково.

Наличие четвертой выходной щели позволяет измерять две спектральные температуры 2-го порядка Тс₂. Одну - с использованием излучения на длинах волн ₁, ₂, ₃, а другую - на длинах волн ₂, ₃, ₄, в предположении линейности () от в каждом из поддиапазонов.

Равенство Т'с ₂(₁...₃)=Т"с₂ (₂...₄) свидетельствует о том, что линейность действительно имеет место и можно полагать, что

Т'c ₂=Т"c₂=Т_и

А отсутствие равенства температур Тс₂Т"с₂ - о нелинейности зависимости () от (в диапазоне ₁...₄).

Известно, что спектральные температуры высоких порядков могут быть выражены через спектральные температуры более низких порядков (А.Н.Гордов. Основы температурных измерений. М., Энергоатомиздат., 1992, с.205-208).

Учитывая вышеизложенное, запишем для ₁, ₂, ₃

и для ₂, ₃, ₄

Т"С2

здесь T'c₁, T"c ₁, Т"'c₁ - спектральные температуры первого порядка, т.е. цветовые температуры на длинах волн: _{1 2}; _{2 3} и ₃₄, а Т'c₂ и Т"c₂ - спектральные температуры второго порядка.

Рассматривая связь истиной температуры со спектральными температурами второго порядка в выбранных интервалах длин волн и их выражение через спектральные температуры первого порядка, получим зависимость Т_И от Т'c ₂ и T"c₂:

так как ₄>_1.

Таким образом, правильность выбора аппроксимирующей функции не влияет на точность определения Т_И, т.к. соотношение между Т'c ₂ и Т"с₂ автоматически учитывает правильность ее выбора.

Разность Т"c ₂ - Т"c₂>0 при логарифмической зависимости от и меньше нуля - при степенной зависимости. Таким образом, измеряя спектральные температуры второго порядка в приближении линейности от на длинах волн ₁, _{2, 3} и 2, _{3, 4} можно автоматически исключить ошибку, связанную с неправильным выбором апроксимирующей функции.

На фиг.1 схематично изображено устройство пирометра двойного спектрального отношения для измерения температуры лопаток ГТД. Оно содержит осветительную систему в виде телескопического зонда 1, полихроматор 2 со входной щелью 3, выходными щелями 4, 5, 6, 7 и дифракционной решеткой с объективом 8, фотоприемниками 9, 10, 11, 12, предусилителями 13, 14, 15, 16, калибровочную лампу 17, подвижное зеркало 18, термореле 19, блок обработки и накопления информации 20.

Пирометр работает следующим образом.

Излучение с элемента поверхности лопатки направляется осветительной системой полихроматора на входную щель 3 и через нее на дифракционную решетку с объективом 8, разлагается в спектр и фокусируется в плоскости выходных щелей 4, 5, 6, 7. Прошедшее через выходные щели излучение с длинами волн ₁, _{2, 3} и ₄ преобразуются фотоприемниками в электрические сигналы, которые усиливаются предусилителями и поступают в блок обработки и накопления информации.

Поскольку термостатирование корпуса полихроматора система охлаждения не обеспечивает, для сохранения инструментальной точности пирометра при изменении его температуры, вблизи входной щели полихроматора устанавливается калибровочная лампа накаливания, питаемая поочередно разными по величине (по меньшей мере двумя) стабилизированными токами накала, и подвижное зеркало со специальным приводом, коммутирующее лучистые потоки от лопаток ГТД и калибровочной лампы на входную щель полихроматора.

При градуировке пирометра по эталонному источнику сигналы от калибровочной лампы I_i(i=1, 2, 3, 4) приравниваются к сигналам от абсолютно черного тела при соответствующей температуре последнего.

В процессе измерения сигналы от лопаток турбины ГТД нормируются сигналами от калибровочной лампы.

Величины токов накала калибровочной лампы желательно выбирать такими, чтобы, один сигнал соответствовал началу, а другой концу диапазона измеряемых температур.

При измерении температуры лопаток авиационных газотурбинных двигателей в качестве жидкого хладагента может быть использован керосин из топливной системы авиадвигателя, прокачиваемый через корпус полихроматора. Скорость прокачки регулирует термореле 19.

Что касается зеркала и других элементов конструкции перископического зонда, погружаемого (постоянно или циклично) в высокотемпературный газовый поток с температурой до 2000°С, то для его охлаждения используется сжатый воздух, подаваемый внутрь зонда при давлении несколько большем, чем давление в газовом потоке. Вытекая через обзорное отверстие зонда воздух, одновременно защищает поверхность зеркала перископа от пыли и копоти.

Поскольку турбина ГТД вращается со скоростью 12000-13000 об\мин, то при 90-100 лопатках в турбине время нахождения одной лопатки в поле зрения перископического зонда составляет ˜50 мкс. Для того, чтобы получить поперечный температурный профиль лопатки необходимо за это время произвести ˜10 измерений температуры, т.е. постоянная времени фотоприемника должна быть не более 2-3 мкс. Фотоприемники 9, 10, 11, 12 с широкополосными предусилителями (частотный диапазон предусилителей 0-100 кГц) соединены с блоком накопления и обработки информации.

Полезная модель может быть использована для измерения температуры объектов, степень черноты которых неизвестна, но при допущении, что ее зависимость от длины волны можно апроксимировать линейной, степенной или логарифмической функцией.

1. Пирометр двойного спектрального отношения для измерения температуры лопаток газотурбинного двигателя, содержащий полихроматор с дифракционной решеткой и тремя выходными щелями, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга, осветительную систему, оптически сопрягающую плоскость вращения лопаток с входной щелью полихроматора, малоинерционные фотоприемники, установленные за выходными щелями полихроматора, соединенные через широкополосные усилители с электронным блоком накопления и обработки информации, отличающийся тем, что полихроматор снабжен четвертой выходной щелью, расположенной на том же расстоянии от крайней выходной щели, малоинерционным фотоприемником, соединенным через широкополосный усилитель с блоком накопления и обработки информации.

2. Пирометр двойного спектрального отношения по п.1, отличающийся тем, что вблизи входной щели полихроматора установлены: калибровочная лампа накаливания, питаемая поочередно разными по величине (по меньшей мере - двумя) стабилизированными токами накала, и подвижное зеркало со специальным приводом, коммутирующее лучистые потоки от лопаток турбины и калибровочной лампы.