Способ определения температуры газа и частиц в рабочем теле МГД-генератора Советский патент 1985 года по МПК G01J5/52 

Изобретение относится к измернтельной технике и может быть использовано для измерения температуры про дуктов сгорания рабочего тела МГДгенератора. Известен способ определения темпе ратуры продуктов сгорания методом обращения спектральных линий l2« При определении температуры газа этим методом измеряют три световых пбтока в области спектральной линии характеризующей излучение газа: интенсивность излучения источника срав нения (Л-) с известной температурой интенсивность излучения про дуктов сгорания ,), интенсивност излучения продуктов сгорания и просвечиваемого излучением источника сравнения j(Д;) для соответствующей длины волны Л;( i 15 2} . С помощью этих трех величин можно определить температуру чисто газообразных продуктов сгорания5 однако, если в продуктах сгорания имеются твердые или жидкие частицы., то даннь способом определить температуру газа и частиц в&льзя, Наиболее близким к изобретению является способ спредапения газа и частиц в рабочем теле ИГД-генератора заключающейся в том, что изнеряют ин тенсивность излучения Ф( 1 ) S (;) , (й) на длинах волн Д и при этом 1- длина волны, харак терная для резонансной линии калия,а выбирают так, чтобы излучение на этой длине волны было связано только с частицами . Однако измерение температуры газа и частиц ведется с неконтролируемой в процессе опытов случайной приборной погрешностью. Если при измерения в стационарной среде эту погрешность -МОЖНО уменьшить увеличением числа измерений, то при исследовании нестационарного рабочего тела МГД-ге нератора этого сде.пать нельзя, когда характерное время измерения рабочего тела в МГД-генераторе сравнимо со временем между получением двух после довательных групп сигналов Ф(/1.,), ) 5 3 ( 1;) 5 по которым рассчитывается температура, Нет критерия, которьй опредсиьчет количественно расстояние между длинами, волн /. , . Такой критерий необходим так как резонансные линии щелог1ных метаплоБ в МГД генераторах обладают широкими крыльями и есть 1г опасн ость при выборе А,, опирающемся лишь на знание расположения соседних спектральных линий, остаться на крыле линии и получить сведения о температуре частиц с большой неконтролируемой погрешностью. Целью изобретения является повышение точности измерения температуры. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения температуры газа и частиц в рабочем теле МГДгенератора, заключающемся в том, что измеряют интенсивность излучения источника сравнения Ф,(| ), интенсивность излучения рабочего тела ,) интенсивность излучения рабочего тела, просвечиваемого излучением источника сравнения Ф,(,), по крайней мере на двух длинах волн Д и Д,, одна из которых Д расположена в области резонансной линии щелочного металла, длину волны А выбирают так, что она отстоит от ( на расстоянии, опредеn; eNfb M соотношением: - %Sai где р - давление продуктов сгорания атм; мян прИближенное значение минимально возможной температуры рабочего те,:аа МГДгенератора, К; % - молярное ссдержание атомов щелочного металла с резонансной линией на f - глубина излучателя, см; допустимая оптическая .. плотность линии на - атомарный фойхтовский коэффициент поглощения (см) на расстоянии &( ot центра линии, где фойхтовский контур переходит в степенной с показателем степени (-х), причем при проведении измерений на длинах волн л и Л из последовательности групп сиг-налов Ф( Л), i(tj ), IlC/. ) при заданной погрешности К выбирают лишь те группы, которые удовлетворяют соотношению (д.и i (М ) .()-.((М (( 2 Л . м «оке 3 где k - коэффициент, определяющий величину дробового эффекта в фотоприемнике с размерностью, равной размерности ,(ЯО; «акй приближенное значение макси мально возможной температур рабочего тела МГД-генератора, К; ,- - длины волн, мкм. Таким образом,имея возможность вводить и использовать в способе два количественных критерия, определяющи качество н пригодность каждого произведенного измерения на выбранной длине волны и расстояние между длинами волн А и (, можно провести определение температуры рабочего тела МГД-генератора с заданной точностью;Критерий, определяющий качество произведенных измерений,- может.быть получен из анализа случайных .приборных погрешностей устройства для измерения температуры. Приемным элемен-L5 кой том устройств, измеряюп им интенсивн ти Ф (), /1 ) , Фз( i) обычно является фотоприемник, величина слу чайных приборных погрешностей при этом определяется, главным образом, дробовь - эффектом фотоприемника. : Учитывая это, можно записать выраже ние приборной относительной случайной погрешности в измерении темпера туры в следующем виде Этот эффект может быть определен экспериментально или рассчитан поизвестным соотношениям. Если приемлемая погрешность задана величиной то из (1) получаем условие пригодко ти измерения, накладываемое на сигналы Ф(Л), j(,1,), Ф(Л. ): / М И- ФзСО Ф,(л)((Д,) () meo v2 MoiKC. / Критерий, определяющий т нимальн расстояние между длинами волн 1. и Л может быть получен из условия достаточно малой оптической плотности линии на ее крыпе. Оптическая-плотность - есть произведение концентрации атомов толпщны излучающего слоя f и атомарного коэффициента поглощения х, зависимость которого от длины волны исследована экспериментально и может быть представлена в виде г, ,лЛф где М - расстояние длины волны Д. от центра спектральной атомарный фойхтовский. коэффициент поглощения на расстоянии где фойктовсккй контур переходит в степенной с показателем степени (х). Выражая концентрацию атомов через давление газовой смеси (р) и мольное процентное содержание щелочных атомов :;%, а также задавая максимально допустимую величину оптичес- плотности на крыле t(,j), получаем неооходнкое соотношение для вн-; бора расстояния между Л и (.: .Ф М т Здесь ,,, - приближенное значение минимально возможной температуры в МГД-генераторе, °К. Таким образом, при измерении с заранее даданной требуемой точностью температуры нестацггонарного рабочего тела МГД-генератсра с произвольной -щелочной добавкой и при наличии длина волны Д,, на которой ведется измерение, должна быть вьгбрана в области резонансной линии щелочного металла, другая длина волны Л должна отстоять от Л на величину, определяемую неравенством (3), а пригодность каждой группы сигналов -( Ф,( ), з- i измерения температуры должна быть проверена с помощью соогношення (2). Если неравенство (2) не выполняется, соответствукнцая группа сшналов должна быть отброшена. На изображена функциональная схема устройства для измерения темпграт фы газа в МГД-генераторе, работающем на продучтах сгорания угля.1 Устройство содгржит основной источник сравнения (, просвечивающий $8 плазму5 и опорный 2, которьпЧ позволя ет следить за изменением чувствитель ности фотоэлектронного умножителя вследствие изменения внешних магнитных полей, нестабильности источника питания и утомляемости фотокатода. Питание источников сравнения . вляется от стабилизированных блоков литания 3. Излучение от основного источника сравнения направляется с помог1 ью линзы 4 через защитное стекл 5 на объект измерени-я температуры 6„ При измерении температуры в МГД-генераторе используется квазипараллель nbTii пучок света. При этом нить источ Ника сравнения устанавливается в фокусе линзы 4, Линза 7 фокусирует измерение от плазмы на входную щель 8 монохроматора 9, используемого для вьщеления излучения в узком снектг ральном интервале. Излучение от опор ного источника с помощью линзы 10 и призмы 11 направляется на кубпризму с -полупрозрачной диагональю 12 и далее поступает на входную щель монохроматора. На выходе монохроматора установлен фотоэлектронный преобразователь 13, В дан-ной схеме использу ется временное разделение световых потоков, которое обеспечивается модуляторами; основным 14 и вспомогательным 15 Синфазное вращение моторов модуляторов осуществляется специальным блоком 16, С выхода преобразователя 13 сигналы через эмиттерный повторитель 17 подаются в измери тельный блок 18J где происходит преобразование электрических сигналов, а затем три сигнала, пропорциональны потоку излучения плазмы,, источника сравнения и суммарному потоку излучения плазг-а и лампы поступают на вход, вычислительной маьгины (ЭВМ) 19. КВЫХОДУ ЭВМ 19 подключен датчик 20, (измерения па 16 установленный на монохроматоре и дающий сигнал, пропорциональный измеряемой длине волны Д j . Настройка монохроматора на разные участки спектра производится поворотом его диспергирующей системы мото-ром 21 от ЭВМ в соответствии введен- ,ной в нее программой через тиристорный блок 22, Результаты расчета температуры газа представляются на дисплей 23. Основные условия опытов: атм; Т.3000К; мольное содержание калия 1%; толщина излучателя Р 20 см. В устройстве применяется фотоприемник. Экспериментально измеренный коэффициент дробного эффекта в использованной схеме нагружения фотоприемника, определяется ве/п1чиной мВ, Измерение температуры велось в области резонансной линии натрия, 1 5390°А 0,59 мкм, Величипа определялась по соотношению (3), Содержание атомов натрия по отношению к содержанию атомов калия как показывают специальные опыты с техническим поташом, составляет не более 0,05, поэтому г; 0,05%. Пользуясь . известными данньми, получаем ДД L, 10, В соответствии с формулами для фойхтовского контура находим 240 см . Наконец, положлв (Д) Й0,1, по соотношению (3) находим U, Aj|721 А. Выбирают ,V 5860А, В табл. 1 и 2 приведены некоторые данные по измерениям на длинах волн i.j и Д, , В первых трех столбцах приведены сигналы Ф( 71-), (( Л), ф Д ) . В четвертом - комбинаг ия сигналов, входяйшя в левую часть неравенства(2) . Т а б л и ц а 1 5890 А)

СПОСОБ GHPEflEJIEHIiH ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА И ЧАСТЩ В РАБОЧЕМ ТЕЛЕ МГД-ГЕНЕРАТОРА, заключающийся в том, что измеряют интенсивность излучения источника сравнения ф (Л), интенсивность излучения рабочего тела (Ai), интенсивность излучения рабочего тела, просвечиваемого излучением источника сравнения ° крайней мере на двух длинах волн Д и Д, одна из которых i расположена в области резонансной линии щелочного металла, отличающийся тем, что, с . целью повышения точности -измерения температуры газа и частиц, длину волны 2. выбирают так, что она отстоит от Я на расстоянии, определяемым соотношением: i 19 5, Г(Л, ля. мин где р - давление продуктов сгорания, атм; приближенное значение минимально возможной температуры рабочего тела МГД-генератора, % - мольное содержание атомов щелочного металла с резонансной линией на А - глубина излучателя, см; (/12) - допустимая оптическая плотность на 7 ; - атомарный фойхтовский коэффициент поглощения (см) на расстоянии ЛЛФ от центра линии, (Л где фойхтовский контур переходит в степенной с показателем степени (-х), причем при проведении измерений на длинах волн Д и Л из последовательности сигналов Ф() ,2.ч) , Ф,() при требуемой погрешности К(%) вы00 00 00 О5 бирают лишь те группы, которые удовлетворяют соотношению (ЛО tli/l ( (ф,)(МР jHi8o U iVctKC j 1 где К - коэффициент, определяющий величины дробового эффекта в фотоприемнике с раз- мерностью, равной размер.ности Ф,(Л): MctKc приближенное значе;ние макср1мально розможной температуры рабочего тела МГДгенератора, - длины ВОЛН, мкм.

4:о

16,0 2,7

15,3

6,5

4,6

2790

2820

15,7

а.и,(чи,ип

Ф2(Л,

(Ф,(л)Фг{яО зи;)Р

(измерения на А. 5860 А)

3,2

0,9

3,5 3,2 0,8 3.4 3,2 1,0 3,5 3,2 0,6 3,2 3,2 1,0 3,2 Требуемая погрешность измерения температуры газа составляет ,5% а измерения температуры частиц . Рассчитаем при Л допустимую величину правой части неравенства (2). Она составляет 7,5 при f . Аналоги но при Л2. величина равна 30. Сопоставление с этими величинами значений четвертого столбца дает оценку пригодности измеренных сигналов для определения температуры газа с требуемой точностью. В программу вычислительной машины , включены оценка пригодности по соотношению (2), поэтому расчет температуры произведен во всех случаях, за исключением строк 3,4 таблих 1, в которых группы сигналов на длине ,. волны не пригодны для определения температуры газа с требуемой точностью. В шестом столбце приведены температуры, рассчитанные по известной формуле обращенного метода обрацения с Л(Л1)

ь-.

Таблица2

ч

2470

+ + + + + 2440 2450 2370 2370 тд по дл те ча Из вв в е Т 2373К; Cj 1,4387-10-2 м-град. Затем вычислительная машина вводит правку на отличие измеренной на ине волны Л температуры от мпературы газа Т, из-за влияния стиц на измерении на длине волны Д-i вестное соот ношение для поправки едены в ЭВМ в следующем виде: 9i /J(1-y)MiliMMen f-AiMiMiL Mil 1Ш)-() l(Ai) . VM ДМ.(() Д.} {) 2(02() ЛМ Так как поправка обычно невелика, расчете используются средние значе988867ния Ф.СА) - 3,2 Bj 4j - 0,86 В, ф (/tj) )3,6 в. в седьмом столбце табл. 1; приведены окон ательные значения температуры газа. Использование способа определения тектературы с заданной заранее точ1ностью дает возможность надежно опти|ушзировать процесс работы сгорания, экономить топливо на МГД-электростанция, повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую.