УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01J5/06 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения плотности лучистого (радиационного) теплового потока.

Для измерения лучистых тепловых потоков в настоящее время наиболее широко используются торцовые термозонды [1] содержащие датчик и измерительное устройство. Чувствительным элементом датчика является цилиндрическая головка термозонда, один из торцов которой обогревается излучением из камеры сгорания, а другой охлаждается водой или воздухом. По оси головки на расстоянии друг от друга монтируются спаи дифференциальной термопары, измеряющей перепад температур между этими точками, величина которого пропорциональна плотности теплового потока. В качестве измерительного устройства применяют мост электросопротивления.

Недостаток этих и подобных устройств состоит в том, что они не применяются для постоянной (эксплуатационной) регистрации потока, падающего на стены камеры сгорания. Рабочая кампания эксплуатации камеры сгорания может при этом изменяться от нескольких минут, иногда часов (ракетные двигатели) до нескольких месяцев, иногда лет (топки котельных установок). Этот недостаток обусловлен тем, что в любой камере сгорания имеются пылевидные частицы (зола, сажистые частицы, конденсат продуктов горения и т.д.), которые могут оседать на тепловоспринимающую поверхность датчиков, изменяя ее оптические свойства, а следовательно, и величину восприятия теплового потока. При этом обдувать тепловоспринимающую поверхность чистым газом, с целью предотвращения оседания частиц, оказывается нецелесообразным, так как в этом случае за счет конвективного охлаждения чувствительного элемента искажается величина измеренного теплового потока. В некоторых случаях, с целью продления длительности работы измерительного устройства, жертвуют точностью измерений. Однако, как правило, измерительные устройства, рассмотренные выше, используются для кратковременных измерений во время проведения наладочных или исследовательских работ.

Наиболее близким по конструктивному решению и достигаемому техническому эффекту к предлагаемому является устройство для измерения локальной величины плотности потока теплового излучения [2] содержащее световодный кабель и соединенное с его выходным торцом фотоприемное устройство. Световодный кабель размещается в отверстии в стенке камеры сгорания, через которое подается кислородное дутье для организации процесса сгорания. Это отверстие оправлено трубой, через которую вводится световодный кабель так, что его конец несколько не доходит до конца трубы. Этим обеспечивается защита конца световода от оседания пыли. Излучение в факеле, возникающем на выходе из газопровода, через световодный кабель попадает на фотоприемное устройство.

Основным недостатком известной конструкции является необходимость размещения этой конструкции в строго определенном месте, а именно в конструктивно предусмотренных соплах подачи окислителя в камеру сгорания, а следовательно, невозможность размещения этой конструкции в любой другой точке камеры сгорания. Решение этой задачи крайне необходимо для получения полной картины процесса горения, происходящего внутри камеры, недо- оценка проведения таких измерений зачастую приводит к аварийным ситуациям при эксплуатации, например, промышленных котлов, и даже к их разрушению.

Сложность использования известной конструкции в малых зонах исследуемого объекта состоит в том, что для его эксплуатации стенка камеры должна быть обеспечена дополнительными отверстиями (соплами) для подачи организованного дутья, например воздушного.

Однако при этом, с одной стороны, значительно увеличится расход продувочного газа, поступающего в исследуемую камеру (например, в промышленных котлоагрегатах расход продувочного газа через одно сопло не менее 300 м³/ч), что повлияет на процесс горения внутри камеры и приведет к искажению значения измеряемого параметра.

С другой стороны, если известное устройство ограничить при эксплуатации минимальными диаметрами отверстия в исследуемой стенке камеры, то величина зазора между входным торцом световодного кабеля и внутренней поверхностью стенки камеры может оказаться не оптимальной для приема световедущим кабелем 100% мощности светового излучения.

Таким образом, технологические возможности применения известного устройства для измерения локальной величины плотности потока теплового излучения ограничены, поскольку оно технически выполнено таким образом, что оптимально эксплуатируется только в условиях размещения его в сопле для продувки газового потока.

Техническая задача заявленного технического решения состоит в расширении технологических возможностей устройства для определения локальной величины плотности потока теплового излучения за счет создания на его рабочем торце сплошного газового затвора, при снижении расхода продувочного газа и обеспечения приема максимальной (100%) мощности светового излучения, попадающего на торец световодного кабеля через минимальное отверстие в стенке измеряемого объекта.

Техническая задача достигается тем, что в устройстве для определения локальной величины плотности потока теплового излучения, включающем источник подачи газа, фотоприемник, газопровод с расположенным внутри световодным кабелем, выходной торец которого соединен с фотоприемником, а входной установлен с зазором к внутренней поверхности стенки измеряемого объекта, согласно изобретению, величина l (мм) зазора между входным торцом световодного кабеля и внутренней поверхностью стенки измеряемого объекта определена из соотношения
3,0 д ≅ l≅ K при Д≥д (7A+1), где Д внутренний диаметр газопровода, мм;
д диаметр световодного кабеля, мм;
А апертура световодного кабеля;
К коэффициент несимметричности.

Определение величины зазора между входным торцом световодного кабеля и внутренней поверхностью стенки измеряемого объекта из соотношения l ≥ 3,0 д позволяет, с одной стороны, обеспечить на рабочем торце газопровода сплошной газовый затвор при значительном снижении расхода продувочного газа при измерениях в малых отверстиях и с другой стороны из соотношения l≅K при Д ≥ д(7А+ 1) исключить попадание стенки газопровода в угол видения световодного кабеля при измерениях в малых отверстиях, что обеспечит принятие им 100%-й мощности светового излучения и, следовательно, исключает погрешность измерений в минимальных отверстиях.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом показало, что заявленное решение отличается тем, что величина зазора между входным торцом световодного кабеля и внутренней поверхностью стенки измеряемого объекта определена из соотношения
3,0 д ≅ l≅ K при Д≥д (7A+1), и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

На фиг. 1 изображена схема устройства для измерения локальной величины плотности теплового потока излучения (в разрезе); на фиг. 2 показано положение входного торца световодного кабеля относительно внутренней стенки измеряемой камеры.

Устройство для измерения локальной величины плотности теплового потока излучения содержит световодный кабель 1 диаметром д, выходной конец которого соединен с фотоприемником 2, источника 3 подачи газа (например, баллона со сжатым газом), соединенного с газопроводом 4, имеющим диаметр Д. Входной торец световодного кабеля расположен относительно внутренней поверхности стенки 5 измеряемого объекта 6 с зазором l.

Устанавливают световодный кабель 1 внутри газопровода 4 с зазором l по отношению к внутренней поверхности стенки измеряемого объекта, рассчитанным из соотношения на определенные условия его эксплуатации, т.е. в зависимости от диаметра световодного кабеля и диаметра газопровода, который будет помещен в исследуемое отверстие стенки. Для измерения теплового потока включают источник 3 избыточного давления газа, например инертного, при этом на входном торце газопровода образуется газовый затвор, защищающий световодный торец от налипания твердых частиц, присутствующих в камере сгорания. Включают фотоприемное устройство и проводят измерение светового излучения, падающего на стенку измеряемого объекта в зоне размещения, и по зафиксированному световому излучению оценивают известными способами величину плотности теплового излучения.

Покажем возможность использования предлагаемого устройства в топочных камерах современных котлоагрегатов, например содорегенерационных котлов, стенки которых изготавливаются из плавниковых панелей, в которых соседние трубы свариваются сплошным продольным швом с узкой плоской полосой плавником. При этом максимальный диаметр отверстия между соседними трубами не более 20 м.

П р и м е р 1.

Конструкция устройства с применением световодного кабеля наиболее распространенного типа диаметром 0,2 мм.

Допустим А= 0,2; К= 1,1, тогда из соотношения Д ≥ д(7А+1) получаем Д ≥ 0,48 мм.

1. Подставляя величину Д=0,48 в заявленное соотношение 3 д ≅ l ≅ К , получим следующие ограничения на величину зазора между входным торцом световодного кабеля и внутренней поверхностью стенки камеры сгорания (далее зазор) 0,6 мм ≅ l ≅ 0,77 мм.

Если величина зазора находится в указанных пределах, то будет обеспечен, с одной стороны, прием 100% мощности светового излучения, поступающего из камеры сгорания через выходной торец газопровода на световодный кабель, с другой стороны, на выходном торце газопровода сплошной газовый затвор при одновременном снижении расхода поступающего в газоход газа как минимум в 1500 раз по сравнению с прототипом.

При этом, если зазор будет более 0,77, например 1 мм, то отрежется часть поступающей из камеры сгорания мощности светового излучения, поступающего из камеры сгорания (погрешность измерений составит 20%).

Если величина зазора будет менее 0,6, например 0,3 мм, то на входном торце световодного кабеля не будет образован сплошной газовый затвор, что позволит определенной части твердых частиц проникнуть из топки котла в газопровод и осесть на входном торце световодного кабеля, что приведет к искажению измеряемой величины вплоть до полного перекрытия сигнала.

2. Рассмотрим случай, когда внутренний диаметр газопровода более 0,48, например Д=0,7 мм. Тогда, пользуясь заявленным соотношением 3д ≅ l ≅ К , получим следующие пределы для величины зазора: 0,6 мм ≅ l ≅ 1,375 мм; при таких значениях зазора также будет обеспечен прием 100% мощности светового излучения, поступающего из камеры сгорания в световодный кабель, и будет обеспечен на выходном торце газопровода сплошной газовый затвор при одновременном снижении расхода газа в 750 раз по сравнению с прототипом. При этом, если величина зазора будет более 1,35 мм, например 2 мм, то отрежется часть поступающей из камеры сгорания мощности светового излучения за счет перекрытия светового потока стенками газопровода, потери мощности при l=2 мм составят 50% Погрешность измерений составит 50% Случай, когда величина зазора менее 0,6 мм рассмотрен в п. 1. данного примера.

3. Если пренебречь ограничением Д ≥ д(7А+1) и выбрать газопровод с диаметром, меньшим 0,48 мм, например Д=0,3 мм, то, подставив эту величину в заявленное соотношение 3д ≅ l ≅ К , получим следующее ограничение:
0,6 мм ≅ l ≅ 0,275 мм оба эти ограничения одновременно выполнить невозможно, так как они взаимоисключающие.

Если пренебречь одним из них, например нижним, но удовлетворить верхнее ограничение, т.е. установить l ≅ 0,275, например l 0,2 мм, то получим в центральной зоне канала возвратное течение, приводящее к загрязнению входного окна световода, что, в свою очередь, может привести к полному исчезновению сигнала, с другой стороны, если пренебречь ограничением l ≅ 0,275 мм и установить, согласно нижнему ограничению, l ≥ 0,6 мм, например l=0,8 мм, то световодным кабелем будет принято 30% мощности светового излучения.

П р и м е р 2.

Устройство изготовлено с применением широкоаппертурного светового кабеля наибольшего диаметра, равного 1 мм.

При А= 0,4 и К=1,1 из соотношения Д ≥ д(7А+1) получаем ограничение на внутренний диаметр газопровода Д ≥ 3,8 мм.

1. Рассмотрим случай, когда Д=3,8 мм, подставив эту величину в соотношение 3д ≅ l ≅ К , получим ограничение на величину зазора 3 мм ≅ l ≅ 3,85 мм.

Если величина зазора будет находиться в указанных пределах, то световодный кабель примет 100% мощности светового излучения, поступающего из камеры сгорания, на выходном торце газопровода будет образован сплошной газовый затвор при одновременном снижении расхода поступающего через газопровод газа по сравнению с прототипом.

При этом, если зазор будет более 3,85 мм, например l=5 мм, то отрежется часть поступающей из камеры сгорания мощности светового излучения стенками газопровода, т.е. фотоприемник зарегистрирует не более 60% мощности светового излучения (погрешность измерений составит 40%).

Если величина зазора будет менее 3д, т.е. l<3 мм, например l=2 мм, то на выходном торце световодного кабеля не будет образован сплошной газовый затвор, что позволит определенной части твердых частиц проникнуть из камеры сгорания котла в газопровод и осесть на входном торце световодного кабеля, что приведет к снижению точности измеряемой величины вплоть до полного перекрытия сигнала.

2. Рассмотрим случай, когда внутренний диаметр световода больше 3,8 мм, например Д= 5 мм, тогда в соответствии с заявленным соотношением 3д ≅ l ≅ К величина зазора должна удовлетворять условию 3 мм ≅ l ≅ 5,5 мм.

При значениях зазора, попадающих в этот интервал, будет обеспечен прием 100% мощности светового излучения. На выходном торце газопровода образуется газовый затвор, предохраняющий входной торец световодного кабеля от загрязнения частицами, находящимися в камере сгорания при снижении расхода газа как минимум в 14 раз по сравнению с прототипом.

Если величина зазора будет более 5,5 мм, например l=6 мм, то потери мощности светового излучения за счет попадания в "поле видения" световодного кабеля стенок газопровода составят около 30% т.е. погрешность измерения будет 30%
Результат пренебрежения нижним ограничением для величины зазора, т.е. при выборе l<3 мм рассмотрен в п. 1 данного примера.

3. Если пренебречь ограничением на внутренний диаметр газопровода Д ≥ д(7А+1) и выбрать Д= 2,8 мм, тогда, подставляя эту величину в заявляемое соотношение, получим следующие ограничения на величину зазора 3 мм ≅ l ≅ 2,475 мм, оба эти ограничения одновременно выполнить невозможно, так как они взаимоисключающие. Если пренебречь одним из ограничений, например l≥3 мм, и установить l ≅ 2,478 мм, например l=1,5 мм, то получим в центральной зоне канала возвратное течение, приводящее к загрязнению входного торца световода частицами, проникающими из стенки камеры сгорания. Это, в свою очередь, может привести к полному исчезновению сигнала в фотоприемнике.

С другой стороны, если пренебречь верхним ограничением на величину зазора и выбрать l>2,475 мм, то световодным кабелем будет принята только часть измеряемой световой мощности, например, при l=4 мм будет приниматься не более 40% мощности излучения, т.е. погрешность измерений составит 60%
Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволит использовать минимальные отверстия (пример 1 до 0,5 мм, для широкополостных световодных кабелей, пример 2 до 4 мм) для получения белее объективной картины процесса горения, происходящего внутри камеры сгорания. При этом, при соблюдении предложенных соотношений, обеспечивается прием 100% мощности светового излучения, поступающего из камеры сгорания, а расход используемого газа бу- дет составлять от (пример 2) до (пример 1) от расходов газа в прототипе.

Использование: изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения плотности лучистого (радиационного) теплового потока. Сущность изобретения: в известном устройстве для проведения измерений локальной величины плотности потока теплового излучения, включающем источник подачи газа, фотоприемник, газопровод с расположенным внутри световодным кабелем, у которого выходной торец соединен с фотоприемником, а входной установлен с зазором к внутренней поверхности стенки измеряемого объекта, согласно изобретению, величина зазора между входным торцем световодного кабеля и внутренней поверхностью стенки измеряемого объекта определена из соотношения при D ≥ d (7A + 1), где D - внутренний диаметр газопровода, мм, d - диаметр световодного кабеля, мм, A - апертура световодного кабеля, K - коэффициент несимметричности. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, включающее источник подачи газа, фотоприемник, газопровод с расположенным внутри световодным кабелем, выходной торец которого соединен с фотоприемником, а входной установлен с зазором к внутренней поверхности стенки измеряемого объекта, отличающееся тем, что величина l зазора между входным торцом световодного кабеля и внутренней поверхностью стенки измеряемого объекта определена из соотношения

где D внутренний диаметр газопровода, мм;
d диаметр световодного кабеля, мм;
A апертура световодного кабеля;
K коэффициент несимметричности.