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. Устройство для определения характеристик дисперсной фазы в газодинамических потоках содержит источник монохроматического излучения, фотоприемник, регистрирующий блок с вторичным прибором и собирающую линзу с размещенной в ее фокальной плоскости интегрирующей диафрагмой, имеющей три отверстия, радиально расположенных относительно оптической оси, одно из которых имеет форму сектора, другое - форму радиальной щели, третье - форму круга. Напротив каждого из отверстий установлены фотоприемники. Регистрирующий блок включает компенсаторы сигналов светового фона, соединенные с выходами фотоприемников. Делитель, установленный на выходе компенсаторов и соединенный с вторичным прибором. Оно дополнительно снабжено в приемном блоке системой двойного фокусирования на светочувствительные поверхности двух фотоприемников лазерного излучения, рассеянного частицами дисперсной фазы и прошедшего через отверстия в интегрирующей диафрагме. Фотоприемником, закрепленным через световод в центре диафрагмы, и связанным с последовательно соединенными масштабным делителем, логарифмическим блоком, умножителем и масштабным усилителем, подсоединенным к вторичному прибору, причем второй вход умножителя связан с выходом делителя.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно, к оптико-электронным устройствам контроля параметров дисперсных сред.

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 ₃₂) и ее объемную концентрацию C_V 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.

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_V 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.

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_с, другое - форму радиальной щели I_щ. 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 D₃₂ 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 D₃₂=<D³>/<D²> частиц аэрозоля, регистрируется вторичным прибором 18.

Как описано выше, параллельный пучок света частично рассеивается. При этом рассеянный свет используется для измерения среднего заутеровского диаметра D₃₂ 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_ц света в центральном пучке, прошедшем через рассеивающую среду аэрозоля, поступает на вход масштабного делителя 12. С помощью масштабного делителя 12 измеряется отношение I₀/I_ц. 3начение интенсивности I₀ 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.

Отношение I ₀/I_ц 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 D₃₂. Далее сигнал с выхода умножителя 16, пропорциональный величине D₃₂·ln(I₀ /I_ц), то есть объемной концентрации C_V частиц аэрозоля, поступает на масштабный усилитель 17, который реализует уравнение для С_V, а затем регистрируется вторичным прибором 18

C_V=2D₃₁ ·ln(I₀/I_ц)/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.

Устройство для определения характеристик дисперсной фазы в газодинамических потоках, содержащее источник монохроматического излучения, фотоприемник, регистрирующий блок с вторичным прибором и собирающую линзу с размещенной в ее фокальной плоскости интегрирующей диафрагмой, имеющей три отверстия, радиально расположенных относительно оптической оси, одно из которых имеет форму сектора, другое - форму радиальной щели, третье - форму круга, причем напротив каждого из отверстий установлены фотоприемники, а регистрирующий блок включает компенсаторы сигналов светового фона, соединенные с выходами фотоприемников, и делитель, установленный на выходе компенсаторов и соединенный с вторичным прибором, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено в приемном блоке системой двойного фокусирования на светочувствительные поверхности двух фотоприемников лазерного излучения, рассеянного частицами дисперсной фазы и прошедшего через отверстия в интегрирующей диафрагме, и фотоприемником, закрепленным через световод в центре диафрагмы и связанным с последовательно соединенными масштабным делителем, логарифмирующим блоком, умножителем и масштабным усилителем, подсоединенным к вторичному прибору, причем второй вход умножителя связан с выходом делителя.