RU1841078C

RU1841078C - Optical pyrometric transducer

Info

Publication number: RU1841078C
Application number: SU3015789/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Марфин
Original assignee: ОАО "Уфимское научно-производственное предприятие "Молния"
Priority date: 1981-04-07
Filing date: 1981-04-07
Publication date: 2015-05-27

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to temperature measurements by optical methods. Optical pyrometric transducer comprises case, optical system including lens, photoelectrical converter, system of cooling with coolant pumped there through, thermoelectrical microrefrigerator including radiator, thermoelectric microgerenerator to feed said thermoelectrical microrefrigerator including radiator, heat insulator and radiator. Optical system is rigidly connected with photoelectric converter case and microrefrigerator cold junction. The latter is connected to radiator, the first one along radiation flux. Second radiator is coupled with microgenerator cold junction to make the coolant pumping cavity with said first radiator. Third radiator is secured to microgenerator hot junction and arranged in the area of ambient temperatures effects.

EFFECT: higher accuracy and reliability.

1 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерения температуры оптическими методами и, в частности, к пирометрам, служащим для измерения температуры лопаток и других нагретых элементов турбины и наличия пламени в компрессоре при помпаже, в основных и форсажных камерах сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) крылатых ракет, истребителей, сверхзвуковых бомбардировщиков и других летательных аппаратов (л.а.), а также любых средств передвижения и установок с ГТД (танков, вертолетов, экранопланов и т.п.).The invention relates to a technique for measuring temperature by optical methods and, in particular, to pyrometers used to measure the temperature of the blades and other heated elements of the turbine and the presence of flame in the compressor during surging, in the main and afterburner combustion chambers of a gas turbine engine (GTE) of cruise missiles, fighters, supersonic bombers and other aircraft (L.A.), as well as any means of transportation and installations with a gas turbine engine (tanks, helicopters, ekranoplanes, etc.).

Известен пирометр, включающий в себя узел оптики из сапфировой линзы, фотоприемник, систему охлаждения из омываемой топливом отъемной части пирометра (I).A known pyrometer, which includes an optics unit made of a sapphire lens, a photodetector, a cooling system from the detachable part of the pyrometer washed by the fuel (I).

Известен также пирометр с линзой из корунда (II).A pyrometer with a corundum (II) lens is also known.

Недостатками данных аналогов являются низкая надежность и большая погрешность пирометров, связанная с дрейфом фотоприемника от нестабильности температуры используемого для охлаждения топлива.The disadvantages of these analogues are the low reliability and the large error of the pyrometers associated with the drift of the photodetector from the instability of the temperature used to cool the fuel.

Наиболее близким техническим решением является пирометр (оптический пирометрический преобразователь (ОПП), представляющий собой однолинзовый телескоп с фотоприемником и системой охлаждения в форме петлевой полости, через которую прокачивается хладоагент - вода из теплообменника или топливо от ГТД (III).The closest technical solution is a pyrometer (optical pyrometric converter (OPP)), which is a single-lens telescope with a photodetector and a cooling system in the form of a loop cavity through which a coolant is pumped - water from a heat exchanger or fuel from a gas turbine engine (III).

Недостатком указанного пирометра является недостаточная точность и надежность системы охлаждения, заключающиеся в том, что хладоагент, прокачиваемый через конструкцию ОПП, как правило, имеет нестабильную температуру и не обеспечивает охлаждение и термостабилизацию фотоприемника (фотоэлектрического преобразователя - ФЭП). Нестабильность рабочей температуры ФЭП вносит погрешность преобразования сигналов в ОПП (измерения, обнаружения и т.п.). Кроме того, температура авиационного топлива, используемого в качестве хладоагента, при полете на сверхзвуковых скоростях от аэродинамического нагрева л.а. резко поднимается и некоторое время может быть выше допускаемой рабочей температуры эксплуатации комплектующих ФЭП (например, термостойкости фотодиода, фототранзистора и т.п.), что приводит к их перегреву, отказу ФЭП, а следовательно, к низкой надежности ОПП.The disadvantage of this pyrometer is the lack of accuracy and reliability of the cooling system, which consists in the fact that the refrigerant pumped through the design of the OPP, as a rule, has an unstable temperature and does not provide cooling and thermal stabilization of the photodetector (photoelectric converter - PEC). The instability of the working temperature of the solar cells makes the error in the conversion of signals into OPP (measurement, detection, etc.). In addition, the temperature of aviation fuel used as a refrigerant when flying at supersonic speeds from aerodynamic heating is L. rises sharply and for some time it can be higher than the permissible operating temperature for the operation of the components of the photomultiplier (for example, the thermal stability of the photodiode, phototransistor, etc.), which leads to their overheating, failure of the photomultiplier, and, consequently, to low reliability of the OPP.

Это делает невозможным применение авиационного топлива в качестве хладоагента и при длительных полетах при больших числах М (скоростях); приводит к дополнительным затратам на охлаждение и термостабилизацию хладоагента в теплообменнике, поскольку летательный аппарат прогреет не менее чем до +300°C (корпус турбины - не менее чем до +600°С, а топливо не менее чем до +200°C, в то время как термостойкость электрорадиоэлементов не превышает +80÷+125°С.This makes it impossible to use aviation fuel as a coolant and for long flights with large numbers of M (speeds); leads to additional costs for cooling and thermal stabilization of the refrigerant in the heat exchanger, since the aircraft warms up to at least + 300 ° C (turbine housing - at least up to + 600 ° C, and fuel at least up to + 200 ° C, while time as the heat resistance of electro-radio elements does not exceed + 80 ÷ + 125 ° C.

Недостаточная точность и надежность указанного пирометра, кроме того, обуславливается тем, что линза расположена в зоне воздействия широкого диапазона изменения температуры окружающей среды от -60 до +600÷+800°C) и не имеет жесткой конструктивной связи со светочувствительной поверхностью ФЭПа. Температурные расширения корпуса приводят к уходу оптических параметров, связанных с изменением расстояния между линзой и светочувствительной поверхностью ФЭПа. Другим недостатком указанного ОПП является стоимость оптической части из-за применения для ее изготовления остродефицитных, труднообрабатываемых оптических материалов: (сапфир, кварц, корунд, фианит и т.п.), которые не имеют просветляющих покрытий, работоспособных при высоких температурах. Отсутствие просветляющих покрытий у линз не обеспечивает высокого уровня (по сравнению с линзами с просветлением) входного оптического сигнала и, при независимости собственных шумов ФЭПа от уровня сигнала, приводит к худшему соотношению сигнал ÷ шум за счет меньшего светопропускания линз без просветления. Меньший оптический сигнал, неудовлетворительное соотношение сигнал ÷ шум ФЭПа обуславливают большую погрешность преобразования сигналов измерения, обнаружения и т.п. в ОПП.The lack of accuracy and reliability of this pyrometer is also due to the fact that the lens is located in the zone of influence of a wide range of changes in the ambient temperature from -60 to + 600 ÷ + 800 ° C) and does not have a rigid structural connection with the photosensitive surface of the photomultiplier. Thermal expansion of the housing leads to the departure of optical parameters associated with a change in the distance between the lens and the photosensitive surface of the photomultiplier. Another drawback of this OPP is the cost of the optical part due to the use of highly deficient, difficult-to-process optical materials for its manufacture: (sapphire, quartz, corundum, cubic zirconia, etc.), which do not have antireflective coatings that work at high temperatures. The absence of antireflective coatings on the lenses does not provide a high level (compared with the lenses with bleaching) of the input optical signal and, with the independence of the PEC noise from the signal level, leads to a worse signal-to-noise ratio due to less light transmission of the lenses without antireflection. A smaller optical signal, an unsatisfactory signal-to-noise ratio of the PEC cause a large error in the conversion of measurement, detection, etc. signals. in the OPP.

Целью настоящего изобретения является повышение точности, удешевление оптической части конструкции ОПП и повышение надежности.The aim of the present invention is to improve the accuracy, reduce the cost of the optical part of the design of the OPP and increase reliability.

Указанная цель достигается тем, что в известном ОПП ФЭП отделен от хладоагента теплоизолятором и термоэлектрическим микрохолодильником, (т/х), питающимся от термоэлектрического микрогенератора (ТМ), которые компенсируют изменение температуры хладоагента и понижают рабочую температуру ФЭП относительно максимально-допустимой температуры хладоагента не менее чем на 60÷120°C при одно- или двухкаскадном т/х. Линзовая часть ОПП жестко связано с ФЭПОм, выполнена из недефицитных легкообрабатываемых дешевых марок стекла и имеет просветляющее покрытие.This goal is achieved by the fact that in the well-known OPP, the FEP is separated from the refrigerant by a heat insulator and a thermoelectric microcooler, (t / h), powered by a thermoelectric microgenerator (TM), which compensate for the change in the temperature of the refrigerant and lower the working temperature of the photomultiplier relative to the maximum allowable temperature of the refrigerant not less than than 60 ÷ 120 ° C with one or two-stage t / h. The lens part of the OPP is rigidly connected with FEPOm, made of non-scarce, easily processed cheap grades of glass and has an antireflective coating.

На рисунке изображен разрез ОПП. Линза 1 расположена в охлаждаемой части ОПП, удалена от защитного окна 2, отделена от корпуса телескопа 3 теплоизолятором 4, жестко крепится к корпусу ФЭПа 5 и холодному спаю термоэлектрического микрохолодильника 6. ФЭП 5 крепится к холодному спаю термоэлектрического микрохолодильника 6. Холодный спай т/х 6 отделен от хладоагента теплоизолятором 4. Радиатор 7 расположен в хладоагенте и примыкает к горячему спаю т/х 6. Горячий спай т/х 6 отделен от холодного спая теплоизолятором 4. Теплоизолятор 8 образует петлевую полость для прокачивания хладоагента. К холодному спаю т/м 9 примыкает расположенный в хладоагенте радиатор 10, а к горячему спаю - контактирующий с внешней средой радиатор 11. The figure shows a section of the OPP. Lens 1 is located in the cooled part of the OPP, is removed from the protective window 2, is separated from the telescope body 3 by a heat insulator 4, is rigidly attached to the housing of the photomultiplier 5 and the cold junction of the thermoelectric microcooling 6. The photomultiplier 5 is attached to the cold junction of the thermoelectric microcooling 6. Cold junction t / x 6 is separated from the refrigerant by the heat insulator 4. The radiator 7 is located in the refrigerant and is adjacent to the hot junction t / x 6. The hot junction t / x 6 is separated from the cold junction by the heat insulator 4. The heat insulator 8 forms a loop cavity for pumping the coolant enta. The radiator 10 located in the refrigerant is adjacent to the cold junction t / m 9, and the radiator 11 in contact with the external environment is adjacent to the hot junction.

Работа ОПП заключается в следующем.The work of the OPP is as follows.

Хладоагент, протекая через петлевую полость ОПП, отверстия А, В, омывает радиаторы 7, 10. Охлаждение и термостабилизация ФЭПа осуществляются регулированием силы тока термоэлектрического микрогенератора 8, питающего термоэлектрический микрохолодильник 6. При этом мощность нагрева ОПП преобразуется термогенератором в полезную электрическую мощность питания термохолодильника.The refrigerant flowing through the loop cavity of the OPP, openings A, B, is washed by radiators 7, 10. Cooling and thermal stabilization of the solar cells are carried out by adjusting the current strength of the thermoelectric microgenerator 8, which supplies the thermoelectric microcooling 6. In this case, the heating power of the OPP is converted by the thermogenerator into the useful electric power supply of the thermo-refrigerator.

Преимуществами заявляемого устройства являются нижеследующее:The advantages of the claimed device are as follows:

1. Повышение надежности и точности за счет применения в ОПП:1. Improving the reliability and accuracy due to the use in the OPP:

- комплектующих электрорадиоэлементов ФЭП (фотодиод, фототранзистор и т.п.) с термостойкостью ниже максимально-возможной температуры хладоагента не менее чем на 60÷120°С;- components of electro-radioelectric elements FEP (photodiode, phototransistor, etc.) with heat resistance below the maximum possible temperature of the refrigerant not less than 60 ÷ 120 ° C;

2) Повышение предельно-допустимой температуры хладоагента более 80-125°C за счет применения в качестве хладоагента топлива ГТД при длительных сверхзвуковых скоростях полета л.а.2) Increasing the maximum permissible temperature of the refrigerant more than 80-125 ° C due to the use of gas turbine engine as a coolant at long supersonic flight speeds of L.

3. Эксплуатация ОПП без теплообменника при сверхзвуковых полетах л.а.3. OPP operation without heat exchanger during supersonic flights

4. Применение ОПП с термоэлектрическим микрохолодильником в составе систем регулирования теплового (температурного) режима ГТД позволит увеличить тягу двигателя на 15÷20% за счет повышения температуры газов за турбиной на величину погрешности измерения температуры рабочих лопаток турбины.4. The use of OPP with a thermoelectric microcooler as part of the control systems for the thermal (temperature) GTE mode will increase the engine thrust by 15–20% by increasing the temperature of the gases behind the turbine by the error of measuring the temperature of the turbine blades.

Источники информацииInformation sources

1. Статья «Пирометрическая система измерения температуры лопаток турбины», ж. «Aircraft Engineering», 1972 December. Gurwen K.R. «Turbine Blade Pyrometer Sistem».1. Article “Pyrometric system for measuring the temperature of turbine blades”, g. Aircraft Engineering, December 1972. Gurwen K.R. Turbine Blade Pyrometer Sistem.

Claims

An optical pyrometric converter comprising a housing, an optical system including a lens, a photoelectric converter (PEC), a cooling system with a coolant pumped through it, characterized in that, in order to improve accuracy and reliability, it further comprises a thermoelectric micro-refrigerator including a radiator, thermoelectric a microgenerator supplying a thermoelectric micro-refrigerator including a radiator, a heat insulator and a radiator, the optical system being rigidly connected to the case of the photoelectric converter and the cold junction of the micro-refrigerator, the hot junction of the micro-refrigerator is connected to the first radiator along the radiation, the second radiator is connected to the cold junction of the microgenerator in such a way that it forms a cavity with the first radiator for pumping the refrigerant, and the third radiator is attached to the hot junction of the microgenerator and is located in zone of influence of ambient temperature.