СПОСОБ И СТЕНД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2004 года по МПК G01N21/53 G01N21/64 

Изобретение относится к области оптических методов исследования, в частности исследования продуктов сгорания твердого ракетного топлива.

Известен способ анализа дымов и газов, при котором исследуемый газ пропускают через движущуюся ленту из фильтровальной бумаги. Оптическую плотность дыма определяют по степени почернения фильтровальной бумаги [1].

Реализуется способ устройством, содержащим емкость, соединенную с источником исследуемого газа и вакуумным насосом. Через емкость проходит лента из фильтровальной бумаги, приводимая в движение лентопротяжным механизмом. За пределами емкости около ленты установлены источник света и фотоэлемент для определения степени почернения фильтровальной бумаги [1].

Указанный способ малоприемлем для анализа газового потока ракетного двигателя твердого топлива. Учитывая значительные скорости газового потока из двигателя, способ можно использовать только путем забора проб из газового потока, что не позволяет получать точную информацию о полном количестве дыма и динамике дымообразования ракетного двигателя в течение всего времени его работы.

Указанные недостатки частично устранены в способе определения оптической плотности газового потока, при котором исследуемый газовый поток пропускают через газовод и в поперечном сечении его измеряют интенсивность светового потока, прошедшего от источника излучения к приемнику в отсутствие (I₀) и при наличии (I) газового потока с последующим определением относительного ослабления светового потока [2].

Реализуется данный способ устройством, содержащим газовод и измерительный блок, включающий источник и приемник излучения, установленные в плоскости, перпендикулярной продольной оси газовода, и устройство для автоматической калибровки измерительного канала [2].

Предметом изобретения в нем является устройство для калибровки, которое позволяет без остановки процесса течения газа периодически проводить калибровку измерительного канала (по сути определение I_о). Последнее обстоятельство в условиях применения имеет немаловажное значение, т.к. указанное устройство используется для контроля степени загрязнения сбрасываемых в атмосферу газов на энергопроизводящих предприятиях с непрерывным циклом производства.

Калибровочное устройство содержит установленную в поперечном сечении газовода перед источником и приемником закрытую калибровочную трубку и механизм автоматического перемещения в нее источника и приемника излучения для калибровки измерительного канала.

В процессе измерения световое излучение проходит через поперечное сечение исследуемого газового потока, где ослабляется за счет поглощения и рассеяния загрязняющими частицами. Оптическая плотность исследуемого газового потока определяется степенью ослабления светового потока.

Указанные способ и устройство в случае использования их для определения оптической плотности продуктов сгорания твердого ракетного топлива имеют определенные недостатки. В частности, они не учитывают собственное свечение газового потока, которое увеличивает измеренное значение светового потока, прошедшего через продукты сгорания, что приводит к погрешности определения их оптической плотности, достигающей в зависимости от состава твердого ракетного топлива 10...50%. Скомпенсировать эту погрешность предварительным введением расчетного коэффициента не представляется возможным, т.к. свечение может носить непостоянный характер (к общему фону добавляются вспышки различной длительности и интенсивности) и определяется множеством факторов, в том числе атмосферными условиями и составом исследуемого твердого топлива.

Кроме того, учитывая большой расход газа из двигателя (до 20 кГ/с), а также высокую температуру и давление продуктов сгорания твердого ракетного топлива, присутствие в потоке перед источником и приемником излучения калибровочной трубки недопустимо, т.к. она будет увеличивать измеренное значение оптической плотности продуктов сгорания за счет эрозионного уноса материала ее корпуса. А ручная калибровка измерительного канала при закрытом расположении измерительного блока в средней части газовода практически невозможна.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение погрешности определения оптической плотности продуктов сгорания твердого ракетного топлива.

Указанная задача решается тем, что в способе определения оптической плотности продуктов сгорания твердого ракетного топлива, при котором продукты сгорания пропускают через газовод и в поперечном сечении его измеряют интенсивность светового потока, прошедшего от источника к приемнику излучения в отсутствие (I₀) и при наличии (I) продуктов сгорания с последующим определением относительного ослабления светового потока, дополнительно измеряют интенсивность собственного свечения продуктов сгорания (I_засв) и с учетом ее определяют относительное ослабление светового потока продуктами сгорания по формуле .

При этом измерения проводят на выходе из газовода, изолировав его от источников фоновой освещенности.

Проведение измерений на выходе из газовода обеспечивает возможность ручной калибровки измерительного канала, но порождает проблему нейтрализации фоновой освещенности его от внешних источников (солнце, облака, отражающие поверхности), интенсивность которой может достигать 30% диапазона измерения, уменьшая тем самым амплитуду рабочего сигнала с приемника излучения. Причем интенсивность фоновой освещенности может меняться в широких пределах в течение года, в течение дня испытаний и даже в процессе работы исследуемого двигателя. Так например, освещенность, создаваемая солнцем на поверхности земли в полдень летом составляет 50000 люкс (лк), зимой 7000 лк, а в облачную погоду всего 1000 лк [3, стр. 23, табл.6].

Реализуется предлагаемый способ стендом, cодержащим газовод и измерительный блок с источником и основным приемником излучения, установленными в плоскости, перпендикулярной продольной оси газовода, в котором в той же плоскости, что и основной, вне зоны восприятия источника излучения установлен дополнительный приемник излучения. При этом измерительный блок установлен на выходе из газовода, что делает возможным ручную калибровку измерительного канала.

Длина газовода выбирается из условия выравнивания концентрации дымовых частиц по его поперечному сечению, диаметр - из условия отсутствия касания высокотемпературного ядра газового потока стенок газовода. Проблема защиты измерительного канала от фоновой освещенности решается сооружением вокруг него защитной кабины с окном для выхода газов и светопоглощающим покрытием внутренней поверхности. В качестве светопоглощающего покрытия может быть использован материал с большим коэффициентом поглощения, например черная ткань. Так, сукно черное имеет коэффициент поглощения 98,8%, в то время как бумага темная всего 17...23% [3, стр.28, табл.8].

На чертежах (фиг.1 - вид сбоку, фиг.2 - вид сзади) схематически показан стенд для определения оптической плотности продуктов сгорания твердого ракетного топлива.

Стенд содержит газовод 1, на выходе из которого на раме 2 установлен источник излучения 3 и диаметрально противоположно ему - основной приемник излучения 4. В той же плоскости установлен дополнительный приемник излучения 5. Дополнительный приемник 5 установлен под углом 90° к основному, т.к. в этом случае в поле зрения его попадает минимальная зона исследуемого газового потока, освещенная источником излучения. Рама 2 с источником излучения 3 и приемниками 4 и 5 заключены в кабину 6 с внутренним светопоглощающим покрытием 7. Перед газоводом 1 на оси его закреплен источник исследуемого газового потока - ракетный двигатель 8.

Работает стенд следующим образом.

Перед включением двигателя определяют диапазон изменения сигнала с основного приемника излучения, для чего регистрируют с основного приемника 4 при включенном источнике 3 I₀ - максимальный сигнал с приемника. Затем регистрируют нулевой уровень сигнала с основного приемника при закрытом источнике, что соответствует полному поглощению излучения исследуемым газовым потоком. В этом случае основной приемник воспринимает только фоновое освещение, от которого ведется отсчет, как от нулевого уровня. После этого проводят калибровку дополнительного приемника излучения 5, для чего устанавливают его на место основного приемника 4. Уровень сигнала с дополнительного приемника 5 от источника 3 должен быть таким же, как с основного приемника 4.

После включения двигателя 8 продукты сгорания твердого топлива истекают в газовод 1, где происходит смешение их с эжектируемым воздухом и выравнивание концентрации по поперечному сечению. На выходе из газовода 1 через продукты сгорания пропускают световой поток от источника излучения 3. При прохождении через продукты сгорания световой поток ослабляется дымовыми частицами и, ослабленный, регистрируется основным приемником излучения 4. Одновременно дополнительным приемником 5 регистрируется собственное свечение продуктов сгорания (I_засв), интенсивность которого вычитается из интенсивности светового потока, зарегистрированной приемником 4. Оптическая плотность продуктов сгорания определяется по относительному ослаблению прошедшего через них светового потока с учетом собственного свечения продуктов сгорания

Таким образом, определение относительного ослабления светового потока с учетом собственного свечения продуктов сгорания с проведением измерений на выходе из газовода обеспечивает существенное уменьшение погрешности определения оптической плотности продуктов сгорания твердого ракетного топлива.

Источники информации

1. Патент США №3653773, публикация 1972 г., МКИ G 01 N 21/01.

2. Патент США №4381153, 1983 г., МКИ G 01 N 21/01.

3. И.А. Марголин, Н.П. Румянцев. Основы инфракрасной техники. М.: Военное издательство министерства обороны Союза СССР, 1957 г.

Изобретение относится к области оптических методов исследования. В предложенном способе продукты сгорания пропускают через газовод и в поперечном сечении его измеряют интенсивность светового потока, прошедшего от источника к приемнику излучения в отсутствие и при наличии продуктов сгорания с последующим определением относительного ослабления светового потока. При этом дополнительно измеряют интенсивность собственного свечения продуктов сгорания и с ее учетом определяют относительное ослабление светового потока продуктами сгорания, а измерения проводят на выходе из газовода, изолировав его от источников фоновой освещенности. В стенде, реализующем способ, в той же плоскости, что и основной, вне зоны восприятия источника излучения установлен дополнительный приемник излучения. При этом измерительный блок установлен на выходе из газовода, а вокруг него сооружена защитная кабина с окном для выхода газов и светопоглощающим покрытием внутренней поверхности. Технический результат - уменьшение погрешности определения оптической плотности продуктов сгорания. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения оптической плотности продуктов сгорания твердого ракетного топлива, при котором продукты сгорания пропускают через газовод и в поперечном сечении его измеряют интенсивность светового потока, прошедшего от источника к приемнику излучения в отсутствие (J₀) и при наличии (J) продуктов сгорания с последующим определением относительного ослабления светового потока, отличающийся тем, что дополнительно измеряют интенсивность собственного свечения продуктов сгорания (J_засв) и с учетом ее определяют относительное ослабление светового потока продуктами сгорания по формуле

при этом измерения проводят на выходе из газовода, изолировав его от источников фоновой освещенности.