Устройство для зондовых измерений температурных параметров разреженных ионизованных газовых потоков высокой скорости Советский патент 1993 года по МПК G01K13/02 

Ч-Ё

Изобретение относится к теплофйзиче- ским измерениям в ионизованных газовых потоках. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем одновременного электрического и термооптического зондирования. Указанная цель достигается тем, что зонд выполнен в виде электропроводной сферической микромо- делй абсолютно черного тела. Излучение с зонда передается на фотоэлектрический преобразователь через полый световод, внутри которого продолжен проводник, соединяющий зонд со средствами измерения, 2 ил.

Изобретение относится к теплофизике, тонн эе к технике теплофизических измерений i газовых потоках.

1звестны термозонды для измерения темгературы газового потока высокой ско- ррст

J термозондах известного типа в качестве термочувствительного элемента примени на термопара, помещенной в проточную газодинамическую камеру торможения, где величина термо-ЭДС термопары, нагретой газом, есть функция статической термопары газа и дополнительного повышения температуры спая термопары за C4et кинетической энергии набегающего потока газа при М 1.

Температура торможения Т0 определяется путём вычислений на основе измеренной величины термо-ЭДС термопары зонда, со- отве гствующей температуре Т3, при известной скорости потока газа V, коэффициента восстановления термозонда г и постоянном

значении теплоемкости газа С р по следующему известному выражению

(1 -Г)

2Сс

где Т Т3 Т0;

Т - статическая температура газа, К; Т3 - температура термозонда, К.

Известно также, что для зондовой диагностики разрежённых ионизованных потоков газа применяют электрические зонды, позволяющие по измеренным значениям зондового тока, электронной и ионной компонентам вольтамперных характеристик и известным размерам контактирующей поверхности зонда оценить: Те - электронную (энергетическую) температуру, TI - ионную температуру, а также концентрацию заряженных частиц в ионизованном газовом потоке согласно методике Лэнгмюра.

VI Ю СО 0 VI 00

Температуру электронов в электрон- вольтах или в К определяют на основе полученной зондовой полулогарифмической характеристики согласно уравнения

1

dlnU

или

Те 1/tga;

dUa

где а-угол наклона прямолинейного участ ка электронной части зондовой характеристики в полулогарифмическом масштабе; е - заряд электрона; К - константа Брльцма- на; 1Э - ток зонда, А;

Оз - потенциал зонда, В.

Полученные значения тока электронов 1е при потенциале зонда Ua, равном потенциалу ионизованного газа Up, позволяют определить концентрацию электронов согласно следующему известному выражению;: .

,

.eV eF

где F - площадь поверхности контактирующей части зонда..

Таким образом с определенными граничными условиями термоэлектрические зонда для определения температуры торможения и электрические зонды для определе- ния энергетической температуры электронов и ионов позволяют каждый из них и только в отдельности со смещением по времени получать измерительную информацию и определять температурные параметры диагностируемого газового потока. Измерительная информация при зондировании потока газа такого типа зондами в отдельности ограничена их техническими характеристиками, т.е. информативность зондовых измерений занижена. Эта цель достигается за счет того, что термочувствительный зондовый элемент выполнен в виде сферической электропроводной микромодели черного тела на входном торце лейкосапфировой волоконной оптики и фотоэлектрическим приемником на выходном.

Применение универсального (термо-оп- тикоэлектрического) зонда, который сочетает возможности термооптического и электрического зондов, позволяет повысить информативность зондовых измерений тем- пературных параметров разреженных ионизованных газовых потоков высокой скорости путем одновременного измерения яркостной температуры термочувствительного зондового элемента и электронной и ионной компонентам зондового тока воль- тамперных характеристик.

.

и

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Целью изобретения является повыше ние информативности измерений.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - структурная измерительная схема.

Использование указанной совокупности отличительных признаков в других технических решениях авторами неизвестно. Следовательно изобретение отвечает критерию существенного отличия.

Микромодель черного тела (термочувствительный зондовый элемент) помещена внутри проточной камеры газодинамического торможения, электроизолированной относительно корпуса зонда, фиг. 1, где 1 - камера газодинамического торможения, 2 -микромодель черного тела, 3 - волоконно- оптический световод, 4 - изолятор, 5 - соединительный электропроводник, В0(ТЯ) - излучение нагретой микромодели черного тела, ±Уз - биполярное напряжение задаваемое на зонд, 3 - ток зонда.

На фиг. 2 показана структурная измерительная схема подключения универсального зонда к средствам измерения и регистрации Тя- яркостной температуры и зондовых воль- тамперных характеристик, где 1 - универсальный зонд, 2 - штепсельный разъем с фотоэлектрическим приемником, 3 - электроннолучевой осциллограф запоминающий, 4 - согласующее устройство, 5 - АЦП, 6 - двухкоординатный графопостроитель.

Для одновременного измерения яркостной температуры микромодели черного тела зонда и зондового тока вольтамперных характеристик на электропроводную модель подаются биполярные электрические потенциалы относительно камеры торможения. По измеренному уровню яркостной температуры микромодели черного тела, при e 0,96, вычисляют температуру торможения, а по величине зондового тока энергию и концентрацию заряженных частиц в ионизованном газе, протекающем через камеру торможения.

Используя таким образом в качестве средства температурной диагностики ионизованного газового потока высокой скорости универсальный (термооптикоэлектрический) зонд, температуру торможения Т0 можно оценить по следующему выражению:

55

Тп

1

1 Я. 1

т

Тя С2 ЈЯт

+ 1-г)

vz

2СС

где Т0 - температура торможения; Тя - яр- костная температура микромодели черного

тела: ( A 0,65-0.01 мк). С.2 1,44 «4 0.96;

г - коэффициент восстановления; v - скорость газа,

Ср - теплоемкость газа; Т3 Тя.

Технико-экономическая эффективность пр здлагаемого устройства для эондовыхиэ- ме зений температурных и других параметров ионизованного газового потока

Ф о р м у л а изобретени я

Устройство для зондрвых измерений температурных параметров разреженных ионизованных газовых потоков высокой скс зости, содержащее корпус и зонд, рас- по/оженный в корпусе и электрбизолиро- вакный от него, при этом зонд и корпус выполнены из электропроводного материала и соединены со схемой питания и регист- pat ии, отличающее с я тем, что, с целью расширения функциональных врзL г з s

высокой скорости заключается в том, что при использовании универсального зонда повышается информативность измерений за счет одновременного измерения яркост- ной температуры и зондового тока, а на основе этих данных путем расчетов получения нескольких параметров: Т0 - температура торможения, К; Те - температура электронов; К; TI - температура ионов и концентрации заряженных частиц п, .

можностей путем одновременного электрического и термооптического зондирования, в корпусе дополнительно размещены полый световод и фотоэлектрический приемник, при этом зонд выполнен в виде сферической микромодели абсолютно чёрного тела и оптически сопряжен с входным торцем световода, выходной торец световода оптически сопряжен с фотоэлектрическим приемником, соединенным со схемой питания и регистрации , a ftровъдник зонда проложе н внутри полЪго световода.