УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ АЭРОЗОЛЕЙ ИЗ ФАКЕЛА И СТРУИ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВ И ПИРОСОСТАВОВ Российский патент 1995 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к отбору проб аэрозолей из факела и струи при работе двигателей внутреннего сгорания, авиационных двигателей, ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) и пиротехнических устройств в стендовых и полевых условиях.

Известно устройство для отбора проб аэрозолей из факела и струи при сжигании топлив и пиросоставов, содержащее корпус и крышку, образующие герметичный объем, сообщающийся посредством капилляра с анализируемой средой и трубкой с вакуумной системой, и подложку. Однако известное устройство нельзя использовать при исследовании факела и струи, реального РДТТ как из-за возможных больших размеров факела, так и из-за невозможности произвести ряд измерений особенно за время испытания одного РДТТ, так как для повторного отбора аэрозоля необходимо разгерметизировать, разобрать вакуумный пробоотборник, вынуть подложку и установить новую, произвести герметизацию отборника и вывести вакуум на тот же уровень. Эти операции требуют не менее нескольких минут, причем необходим манипулятор. Устройство позволяет получить только интегральную оценку распределения аэрозолей в сечении или элементарной струйке без учета реального поля концентрации продуктов сгорания и изменения его по времени. Все это приводит к снижению точности анализа за счет искажения достоверности отобранных проб определенной пробой в одном сечении и длительное время подготовки и осуществления отбора следующей пробы.

Технический результат изобретения состоит в повышении точности анализа пробы среды с меняющимися во времени дисперсным и материальным составом и ускорении процесса отбора путем повышения разрешения по времени, концентрации и размерам частиц при отборе из струи и факела РДТТ для последующих измерений.

Для достижения указанного технического результата устройство для отбора проб аэрозолей из факела и струи при сжигании топлив и пиросоставов снабжено шаговым электродвигателем перемещения подложки и электронным блоком управления шаговым двигателем для дистанционного запуска, обеспечивающим работу двигателя по заданной программе с отработкой времени экспозиции, жесткой фиксацией вала двигателя при экспозиции и остановкой после отработки одного цикла, причем вал шагового двигателя снабжен жестко закрепленным на нем диском-каруселью для установки подложки, и смонтирована, с возможностью периодического поворота в одном направлении и остановки с расположением капилляра напротив подложки.

Кроме того, подложка выполнена в виде закрепленных на диске-карусели в заданном порядке и с заданным шагом электронно-микроскопических сеточек, стекол и тонковолокнистых фильтров, причем количество капилляров соответствует количеству составляющих подложку элементов.

Шаговый электродвигатель позволяет обеспечить время экспозиции при отборе от 0,001 с до нескольких часов и более. Возможен одновременный отбор через несколько капилляров с высокой достоверностью всех фракций аэрозоля от субмикронных до десятков микрон на тонковолокнистые фильтры, прозрачные подложки для по- следующего анализа. Величина шага двигателя и время совершения одного шага определяется конструктивными особенностями шагового двигателя, его типом. Например, шаговый двигатель типа ДШИ-200 имеет единичный шаг 108' (угловых минут) с погрешностью обработки ± 3,25' (угловых минут), время осуществления которого 1 мс при нагрузке на валу двигателя до 0,25 н/м.

На фиг.1 схематически показано устройство для отбора проб аэрозолей; на фиг.2 функциональная схема управления шаговым двигателем.

Устройство для отбора проб аэрозолей из факела и струи при сжигании топлив и пиросоставов содержит крышку 1 с капиллярами 2, соединяющуюся накидной гайкой 3 с корпусом 4. Устройство снабжено установленным в корпусе 4 шаговым электродвигателем 5, например, типа ДШИ-200, на валу которого жестко установлен диск-карусель 6 для установки подложки, выполненной в виде закрепленных на диске-карусели в заданном порядке и с заданным шагом электронно-микроскопических сеточек 7, стекол 8 и тонковолокнистых фильтров 9. Количество капилляров соответствует количеству составляющих подложку элементов. Диск-карусель 6 ориентирован относительно прорези 10 в корпусе, в которую входит штифт 11 крышки. Соединение герметизируется прокладкой 12. Шаговый электродвигатель предназначен для перемещения подложки, закреплен в корпусе винтами и соединен проводами с герметичным разъемом 13. Устройство трубкой 14 с переходником 15 присоединяется в вакуумной системе. Для использования шагового электродвигателя в качестве исполнительного элемента многопозиционного устройства для его управления необходим электронный блок, формирующий импульсы управления по определенной программе, согласно которой двигатель должен совершить несколько единичных шагов, ровно столько, сколько надо для смены позиции, зафиксировать положение вала на время заданной экспозиции и после этого еще раз сменить позицию, и так далее до отработки всего цикла.

Функциональная схема управления шаговым двигателем вакуумного многопозиционного отборника приведена на фиг.2. Схема состоит из генератора импульсов Г16, двух счетчиков СЧ1 17 и СЧ2 18, блока формирования временных интервалов (таймера) 19, распределителя импульсов РИ 20, четырехканального усилителя мощности 21, логических элементов "3И-НЕ", 22 и 2ИЛИ 23, R-триггера 24, блока питания 25 и кнопок управления: "Пуск" 26 и "Установка" 27. При этом выход генератора импульсов Г 16 соединен с первым входом логического элемента "3И-НЕ" 22, выход которого связан с С-входами счетчиков СЧ1 17 и СЧ2 18 и первым входом элемента 2ИЛИ 23. Выход первого счетчика СЧ1 17 поступает на R-вход триггера R-S 24, выход которого соединен с вторым входом элемента 3И-НЕ 22 и с R-входом первого счетчика СЧ1 17, S-вход триггера связан с кнопкой запуска устройства "Пуск" 26.

Выход второго счетчика СЧ 2 18 соединен с третьим входом элемента "3И-НЕ" 22 и с входом блока временных интервалов (таймера) 19, а выход таймера 19 связан с R-входом второго счетчика СЧ2 18. Выход логического элемента 2ИЛИ 23 соединен с входом распределителя импульсов РИ 20, четыре выхода которого соединены, соответственно, с четырьмя входами четырехканального усилителя мощности УМ 21. К четырем выходам усилителя мощности 21 подключены четыре обмотки шагового двигателя 28. Второй вход элемента 2ИЛИ 23 связан с кнопкой "установка" 27 принудительной установки начального положения ротора шагового двигателя.

Устройство работает следующим образом. Устройство без крышки присоединяется к вакуумной системе трубкой со штуцером (см.фиг.1). Диск-карусель снабжается подложками и устанавливается в исходное положение (подложки против соответствующих капилляров). Устройство помещается в заданное место пространства, закрывается крышкой, герметизируется прокладкой. Включаются вакуум-насосы. Подключается электронный блок.

При нажатии кнопки "Пуск" 26 запускается генератор Г 16, вырабатывающий импульсы с частотой f 1000 Гц, что соответствует времени совершения элементарного шага шагового двигателя. Эти сигналы поступают на распределитель импульсов РИ 20, формирующий четырехфазную последовательность импульсов (по числу фаз шагового двигателя). Далее эти сигналы через усилитель мощности 22 подаются на обмотки шагового двигателя 28. После совершения 16 элементарных шагов по 1,8^о каждый, в сумме соответствующих углу 28,8^о (для 12-позиционного устройства), счетчик-делитель 19 вырабатывает сигнал, запускающий электронный таймер 19, и запрещает прохождение импульсов через элемент 2ИЛИ 23 на распределитель импульсов 20. Таймер 19 выдает сигнал "Сброс" после интервала, заданного в программе блоком переключателей (блоком формирования временных интервалов 24). Сигнал "Сброс" устанавливает счетчик 19 в исходное состояние, снимается сигнал запрета с элемента 2ИЛИ 23 и на распределитель импульсов 20 поступает следующая серия из 16 импульсов, т.е. двигатель совершает следующие 16 элементарных шагов, тем самым подставляя под капилляры новые подложки. Время смены позиции в конструкции, например 12-позиционного отборника составляет 1 мс х 16 16 мс.

Счетчик-делитель на 200 18 обеспечивает выключение генератора 16 после поворота вала шагового двигателя на один оборот (1,8^о х 200 360^о), т.е. выключает устройство после совершения полного цикла работы. Новый запуск устройства возможен лишь после повторного нажатия кнопки "Пуск".

Таким образом, устройство, например, для 12-позиционного отбора обрабатывает следующую программу:
при нажатии кнопки "Контроль" вал двигателя фиксируется в исходном положении на заданное оператором время выдержки;
по окончании заданного времени выдержки вал двигателя поворачивается на угол 28,8^о (16 шагов по 1,8^о каждый) передвигает подложки на один шаг,
вал двигателя фиксируется на заданное время выдержки, далее поворачивается на 28,8^о и т.д. до отработки всех, например, 12 циклов;
после выдержки последней, например, двенадцатой по счету выдержки вал поворачивается на угол 14,4^о (8 шагов по 1,8^о каждый), т.е. полшага и фиксируется в этом положении неограниченно долгое время, пока не понадобится повторить всю программу, предварительно сняв подложки с аэрозолями, но поставив чистые подложки.

Кнопка "Контроль" предназначена для запуска шагового двигателя при проверке его работоспособности независимо от сигнала "Пуск" дистанционного управления и может использоваться для запуска устройства, когда нет необходимости в дистанционном запуске.

Устройство позволяет произвести представительные достоверные отборы высокодисперсного аэрозоля в диапазонах размеров от 0,01 мкм до нескольких, в том числе до десятка ста микрометров с высоким временным разрешением (от 0,001 до 0,02 с). Экспозиция 0,001 с соответствует режиму поворота с малыми шагами. Устройство пригодно для отбора проб аэрозолей из струи и факела как с малым временем работы, так и для отбора из факелов длительно работающих источников с концентрацией до 10¹⁰ см^-2 10¹¹ cм^-3.

Использование: для отбора проб аэрозолей из факела и струи при сжигании топлив и пиросоставов для регистрации образования высокодисперсных частиц и оценки прозрачности продуктов сгорания двигателей и пиротехнических устройств. Сущность изобретения: устройство для отбора проб аэрозолей из факела и струи при сжигании топлив и пиросоставов снабжено шаговым электродвигателем перемещения подложки и электронным блоком управления шаговым двигателем для дистанционного запуска. Электронный блок обеспечивает работу двигателя по заданной программе с отработкой времени экспозиции, жесткой фиксацией вала двигателя при экспозиции и остановкой после отработки одного цикла. Вал шагового двигателя снабжен жестко закрепленным на нем диском-каруселью для установки подложки и смонтирован с возможностью периодического поворота в одном направлении и остановки с расположением капилляра напротив подложки. Подложка выполнена в виде закрепленных на диске-карусели в заданном порядке и с заданным шагом электронно-микроскопических сеточек, стекол и тонковолокнистых фильтров. Количество капилляров соответствует количеству составляющих подложку элементов. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ АЭРОЗОЛЕЙ ИЗ ФАКЕЛА И СТРУИ ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВ И ПИРОСОСТАВОВ, содержащее корпус и крышку, образующие герметичный объем, сообщающийся посредством капилляра с анализируемой средой и трубкой с вакуумной системой, и подложку, отличающееся тем, что оно снабжено шаговым электродвигателем перемещения подложки и электронным блоком управления шаговым двигателем для дистанционного запуска, обеспечивающим работу двигателя по заданной программе с отработкой времени экспозиции, жесткой фиксацией вала двигателя при экспозиции и остановкой после отработки одного цикла, причем вал шагового двигателя снабжен жестко закрепленным на нем диском-каруселью для установки подложки и смонтирован с возможностью периодического поворота в одном направлении и остановки с расположением капилляра напротив подложки. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложка выполнена в виде закрепленных на диске-карусели в заданном порядке и с заданным шагом электронно-микроскопических сеточек, стекол и тонковолокнистых фильтров, причем количество капилляров соответствует количеству составляющих подложку элементов.