Датчик измерения толщины теплозащитного материала

(51)5 6 01 И 21 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИДЕТЕЛ ЬСТВУ К АВТОРСКОМ высокотемпературного газа и ри теплофизических 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. институт Кузнецов кл. 250-227,ССР 85.ТОЛЩИНЫАЛАении толщитериала, ействию чке свевозныеет,)рассалом. д Недостатками устроиства являются слеующие:низкие точностные характеристики, связанные с чувствительностью датчика не только к уносу теплоэащитного материала в процессе его разрушения, но и к пульсациям температуры пограничного слоя и к случайным вариациям коэффициента иэлучательной способности е ;технологические трудности выполнения кольцевых проточек на стержнях иэ таких светопрозоачных материалов, как кварц, сапфир, стекло и др.Цель изобретения - увеличение точности измерений при повышении технологичности конструкции.На чертеже показан датчик изме толщины теплозащитного материала рения в про ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯТЕПЛОЗАЩИТНОГО МАТЕРИ(57). Использование: при измерны теплозащитного маподвергающегося возд Изобретение относится к контрольноизмерительной 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-. са несколько датчиков, расположенных на разных уровнях теплоиэоляционного 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 обопрозрачного стержня выполнены ольцевые проточки, заполненные ивающим теплозащитным мате 17756525 10 15 20 О Ьб 21 Б 30 35 40 45 50 55 цессе его разрушения со стороны наружной поверхности.Датчик измерения толщины теплозащитного материала содержит светопрозрачный 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 6 теплозащитного материала 8 и блоком 7 измерения температуры пограничного слоя.Светопрозрачный стержень 1 выполнен иэ пучка тонких и гибких волоконных световодов, передние торцы которых расположены попарно на заданных уровнях 1 ь Причем теплофизические свойства волоконных световодов близки или совпадают с теплофизическими свойствами теплозащитного материала 8, толщина которого измеряется,Между диаметром рабочей части пучка волоконных световодов Р (суммой диаметров всех световодов) и длиной рабочей части пучка волоконных световодов существует взаимосвязь 2 1 ЛбОгде Ь б - диаметр единичного световода.Иначе говоря, существует обратная зависимость чувствительности датчика от диаметрарабочей части волоконных световодов О. 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 Ь 1, что приводит к увеличению диаметра пучков волоконных световодов О. Но расстояние Л не может быть сколь угодно малым, так как при этом фотоприемник может не зафиксировать малый скачок изменения интенсивности Ь л излучения. Поэтому необходим оптимальный выбор параметра Ь 1, 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 которых расположены на уровне 1, излучениедостигает светофильтров 2 и 4, проходитчерез них и падает на фотоприемники 3 и 5соответственно.С фотоприемников 3 и 5 электрическиесигналы Э 9 и 3поступают на вход блокаконтроля толщины 6 и блока измерения температуры 7,В блоке 6 сигналы суммируются, в блоке7 логарифмируются их отношения,Момент срабатывания фотоприемников3 и 5 идентифицируются с уносом теплозащитного материала на величину, равнуюразнице уровней о. Одновременно с разрушением и уносом теплозащитного. материала 8 укорачивается длина первой парысветоводов, т:к. теплофизические характеристики световодов подобраны близкимитеплофизическим характеристикам теплозащитного материала так, что в процессеуноса материала верхние торцы световодовнаходятся заподлицо с наружной поверхностью теплозащитного материала 8,По мере разрушения и уноса материала8 обнажаются торцы второй пары световодов, которые совместно с первой парой световодов проводят излучение с уровня 2.Через светофильтры 2 и 4 это суммарноеизлучение так же попадает на фотоприемники 3 и 5. Происходит скачкообразное увеличение амплитуды электрического сигнала.На выходе фотоприемника 3 имеем3 з + 3 з = 2 3 з , на выходе фотопри 2 2 - 2емника 5 3 б+3 ь =23 ь . Этотскачок идентифицируется с уносомразрушаемого материала 8 на величину1 о, следующий скачокЭзз+3 зз+3 зз =3 5 зз с фотоприемника 3 и скачок3 э э+3 э з+3 в з - 33 эзс фотоприемника 5 при обнажении торцовтретьей пары волоконных световодов идентифицируется с уносом теплозащитного материала на величину 1-1 з.Так измеряется толщина теплозащитного материала,Для осуществления точного измерениятемпературы пограничного слоя при отсутствии достоверной информации о величинекоэффициента излучательной способностие т в датчике используется метод спектрального отношения.Основная формула, описывающая метод пирометрии спектрального отношения вприближении Вина имеет вид: 4 В(т)7) 1 (4 Луе т 4 ТСгде 1,7 вспектральные плотности излучения в диапазоне ЛЛ и ЬЛ г, сг=сопзс,Величина логарифма спектрального отношения линейно зависит от обратных значений цветовой температуры. Угловой 5 коэффициент прямой, являющийся графиком этой функции, определяется величиной Лг -Л 1Чем меньше . тем выше чувстгвительность датчика. Отношение спектральных плотностей излучения на входе11, 15 фотоприемников 3 и 5 " пропорциоЬгнально отношению электрических сигналов.на выходе фотоприемников 3 и 5.ЗзЗ 5Амплитуды электрических сигналов 20Ззи3 Б нарастают помере обнажения нижележащих пар волоконных световодов так, что выполняется условие; 3 3"+3 з"+Э з"+ и . Э з"1 25 Л 5 +35 +35 +и 35 Отсюда следует. что отношениесГизят 3ВвдзгТявляется функцией только Т и не зависит от динамики обнажения очередных торцов волоконных световодов по мере разрушения 35 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 измерения температуры пограничного слоя и толщины теплозащитного материала,При известном временном интервале между двумя ступеньками наростания фото- тока 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 где И - длина рабочей части пучка волоконных световодов;О - сумма диаметров всех световодов;Ь б - диаметр единичного световода,1775652 оставитель В,Кузнецовехред М,Моргентал Редактор ктор М,Максимишине изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ааз 4031 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб., 4/5