Датчик измерения толщины теплозащитного материала Советский патент 1992 года по МПК G01N21/88 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при измерении температуры теплозащитного материала, подвергающегося воздействию высокотемпературного газа при теплофизических исследованиях в области машиностроения, доменном производстве и т.д.

Известно устройство, в котором имеют-, ся (несколько датчиков, расположенных на разных уровнях теплоизоляционного материала, при этом каждый датчик содержит фоторезистор, сопротивление которого ме няется в зависимости от освещенности входного отверстия.

Наиболее близким техническим решением является устройство датчика контроля толщины теплозащитного материала в процессе его разрушения.

Устройство содержит светопрозрачный стержень в оболочке, соединенный через инфракрасный фильтр с фотодиодом. В оболочке светопрозрачного стержня выполнены сквозные кольцевые проточки, заполненные светорассеивающим теплозащитным материалом.

Недостатками устройства являются следующие:

низкие точностные характеристики, связанные с чувствительностью датчика не только к уносу теплозащитного материала в процессе его разрушения, но и к пульсациям температуры пограничного слоя и к слу- чайным вариациям коэффициента излучательной способности ет;

технологические трудности выполнения кольцевых проточек на стержнях из таких светопрозоачных материалов, как кварц, сапфир, стекло и др.

Цель изобретения - увеличение точности измерений при повышении технологичности конструкции.

На чертеже показан датчик измерения толщины теплозащитного материала в проVIVJ

СЛ СЬ СЛ

ю

цессе его разрушения со стороны наружной поверхности,

Датчик измерения толщины теплозащитного материала содержит светопроз- рачный стержень 1, правый светофильтр 2 с фотоприемником 3, левый светофильтр 4 с фотоприемником 5. Левый и правый фотоприемники 5 и 3 электрически соединены с блоком измерения толщины б теплозащитного материала 8 и блоком 7 измерения температуры пограничного слоя.

Светопрозрачный стержень 1 выполнен из пучка тонких и гибких волоконных световодов, передние торцы которых расположены попарно на заданных уровнях 1|. Причем теплофизические свойства волоконных световодов близки или совпадают с теплофизи- ческими свойствами теплозащитного материала 8, толщина которого измеряется.

Между диаметром рабочей части пучка волоконных световодов D (суммой диаметров всех световодов) и длиной рабочей час- ти пучка волоконных световодов Н существует взаимосвязь

D

211

%

или

Af

211 Ad D

где Ad- диаметр единичного световода.

Иначе говоря, существует обратная зависимость чувствительности датчика от диаметра рабочей части волоконных световодов D. Если диаметр рабочей части мал, то расстояние между соседними парами световодов вдоль оси световода велико, что приводит к снижению чувствительности и грубым измерениям. Повышение чувствительности наоборот сопряжено с уменьшением расстояния между соседними парами световодов АI, что приводит к увеличению диаметра пучков волоконных световодов О. Но расстояние Al не может быть сколь угодно малым, так как при этом фотоприемник может не зафиксировать малый скачок изменения интенсивности А л излучения. Поэтому необходим оптимальный выбор параметра AI, отвечающего требованиям чувствительности датчика и точности Измерения толщины теплозащитного материала.

Датчик работает следующим образом.

Под действием высокой температуры теплозащитный материал 8 разрушается и уносится.

По достижении уровня И через пару волоконных световодов, передние торцы кото0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

рых расположены на уровне Н, излучение достигает светофильтров 2 и 4, проходит через них и падает на фотоприемники 3 и 5 соответственно.

С фотоприемников 3 и 5 электрические

сигналы 3 Уи 3 У поступают на вход блока контроля толщины 6 и блока измерения температуры 7,

В блоке б сигналы суммируются, в блоке

7логарифмируются их отношения.

Момент срабатывания фотоприемников 3 и 5 идентифицируются с уносом теплозащитного материала на величину, равную разнице уровней . Одновременно с разрушением и уносом теплозащитного материала 8 укорачивается длина первой пары световодов, т.-к. теплофизические характеристики световодов подобраны близкими теплофизическим характеристикам теплозащитного материала так, что в процессе уноса материала верхние торцы световодов находятся заподлицо с наружной поверхностью теплозащитного материала 8.

По мере разрушения и уноса материала

8обнажаются торцы второй пары световодов, которые совместно с первой парой световодов проводят излучение с уровня 12. Через светофильтры 2 и 4 это суммарное излучение так же попадает на фотоприемники 3 и 5. Происходит скачкообразное увеличение амплитуды электрического сигнала. На выходе фотоприемника 3 имеем

Д з 2 + 3 з 2 - 2 3 з 2. на выходе фотоприемника 5 J5l2+J5l2 2J512. Этот скачок идентифицируется с уносом разрушаемого материала 8 на величину I0-h,следующийскачок

Зз1з+Зз 3+.Эз1з ЗЭз13 с фотоприемника3искачок

35 3+ J5I3+J5I3 33513 с фотоприемника 5 при обнажении торцов третьей пары волоконных световодов идентифицируется с уносом теплозащитного материала на величину 10-1з.

Так измеряется толщина теплозащитного материала.

Для осуществления точного измерения температуры пограничного слоя при отсутствии достоверной информации о величине коэффициента иэлучательной способности Е 1 в датчике используется метод спектрального отношения.

Основная формула, описывающая метод пирометрии спектрального отношения в приближении Вина имеет вид:

f-fe)--)-UHH

где 1вя«,,т - спектральные плотности излучения в диапазоне ДА и ДА 2. C2 const.

Величина логарифма спектрального отношения линейно зависит от обратных значений цветовой температуры. Угловой коэффициент прямой, являющийся графиком этой функции, определяется величиной

С2( А2- Ai)/ Ai-A2.

Чем меньше

А2-А

фотоприемников 3 и 5

W

пропорцио. тем вышечувстА7АТ

вительность датчика. Отношение спектральных плотностей излучения на входе

нально отношению электрических сигналов на выходе фотоприемников 3 и 5.

Амплитуды электрических сигналов IS Эз и 2) tJs нарастают по мере обнажения нижележащих пар волоконных световодов так, что выполняется условие:

Зз п+3з п+33 п+...п -За1

п 3 51п

In

In

In

л51п+Э51п+:)5 п+...

Отсюда следует, что отношение ая«,т J.

Гп

1дл2,Т

,tn

является функцией только Т и не зависит от динамики обнажения очередных торцов волоконных световодов по мере разрушения теплозащитного материала.

Измерение толщины теплозащитного материала и измерение температуры пограничного слоя осуществляется по сигналам с одних и тех же фотоприемников, т.е. реали- зуется совмещенный во времени процесс

5

10

15

0

5

0

5

0

измерения температуры пограничного слоя и толщины теплозащитного материала.

При известном временном интервале между двумя ступеньками наростэния фототока может быть определена скорость уноса теплозащитного материала

Формула изобретения Датчик измерения толщины теплозащитного материала, содержащий оптически связанные друг с другом светопровод, светофильтр, фотоприемник и блок регистрации толщины, первый вход которого электрически соединен с фотоприемником, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, датчик дополнительно содержит оптически связанные друг с другом второй светофильтр, второй фотоприемник, выход которого электрически соединен с вторым входом блока регистрации толщины, а также блок измерения температуры, два входа которого электрически соединены с вторыми выходами обоих фотоприемников, при этом светопровод выполнен в виде пучка гибких световодов, выходные концы которых сгруппированы в два симметричных жгута, оптически связанных с соответствующими светофильтрами, а входные расположены попарно так, что каждая последующая пара световодов смещена относительно предыдущей пары вдоль оси светопровода на расстоянии

Al..

где И - длина рабочей части пучка волоконных световодов;

О - сумма диаметров всех световодов; До - диаметр единичного световода.

8

Использование: при измерении толщи- ны теплозащитного материала, подвергающегося воздействию высокотемпературного газа при теплофизи- ческих исследованиях в машиностроении, доменном производстве и т.д. Сущность изобретения: датчик выполнен в виде пучка тонких и гибких волоконных световодов, разделенных на два жгута и связанных с блоками измерения толщины и измерения температуры. Датчик снабжен дополнительным светофильтром и фотоприемником. Измерение толщины теплозащитного материала по мере его уноса и измерение температуры осуществляется по сигналам с двух фотоприемников, преобразующих излучение высокотемпературного газа в электрический сигнал. 1 ил.