Проектування та дослідження оптичної системи пірометра для вимірювання потоку випромінювання твердих частинок у двофазному потоці

Abstract

Удосконалено вимірювальний прилад контролю витрат кисню газового пальника із застосуванням нескладної інструментальної бази, яка не вимагає високого рівня кваліфікації оператора. Виконано проектування та дослідження оптичної системи пірометра. Пірометр призначений для вимірювання потоку випромінювання твердих частинок сажі у високотемпературному двофазному потоці. Робочий діапазон спектра — 0,5·10–6…1,1·10–6 м.

Проектуючи структурну схему пірометра, враховано, що двохфазний струмінь газового пальника є потужним тепловим випромінювачем. Як випромінювач використано власне випромінювання двофазного струменя газового пальника, тому метод теплового контролю визначено як пасивний. З метою спрощення структурної схеми пірометра застосовано пряме приймання оптичного випромінювання, тобто безпосередню реєстрацію енергії, яка падає на приймач. В результаті спрощено конструкцію пірометра та підвищено його надійність.

Вимірювання потоку випромінювання частинок вуглецю (сажі) виконують у вузькому спектральному діапазоні електромагнітних хвиль (0,5·10–6 ...1,1·1–6 м) між смугами випромінювання газів. Функцію оптичної спектральної фільтрації для виділення сигналів на фоні перешкод виконує селективний приймач потоку випромінювання. Спектральний діапазон чутливості приймача збігається за довжиною хвилі з діапазоном вимірювання потоку випромінювання частинок вуглецю (сажі). Це дало можливість не використовувати інтерференційні фільтри в оптичній системі приладу. Фокусування енергії випромінювання на чутливому елементі приймача випромінювання реалізується оптичною системою. Елементами об’єктива спрощеного пірометра є прозора лінза, діафрагма, оптичний фільтр. Як матеріал лінзи використано прозоре скло марки К8. Виконано розрахунок поля зору оптичної системи. Розмір майданчика візування — d2 = 5·1–3 м. Виконано розрахунок фокусних відстаней оптичної системи (f1 = 60·10–3 м; f = 50·10–3 м). Коефіцієнт пропускання потоку випромінювання в оптичній системі пірометра дорівнює добутку коефіцієнта пропускання лінзи та коефіцієнта пропускання світлофільтра (tо = 0,823)

There has been improved the measuring instrument of control of oxygen expenditure of a gas torch with the use of a simple tool base which does not demand a high level of qualification of operator. The optical system of pyrometer has been developed and investigated. The pyrometer is designed to measure radiation flux of solid soot particles in a high-temperature two-phase flow. The operating range of spectrum is 0,5·10–6 ... 1,1·10–6 m.

At designing of the block scheme of a pyrometer it has been considered that the two-phase torch of a gas burner is a powerful thermal radiator. In the capacity of an emitter the self-radiation of a two-phase torch of a gas burner is used. So a method of thermal control has been defined as the passive one. For the purpose of simplification of the block scheme of a pyrometer the direct reception of optical radiation is used which represents the direct registration of energy falling on the receiver. As a result of it the simple and the reliable design of a pyrometer is gained.

Measurement of stream of radiant energy of corpuscles of carbon (of soot) is carried out in a narrow spectral band of electromagnetic waves (0,5·10–6 ...1,1·10–6 м) between emission bands of gases. The problem of an optical spectral filtration at selection of signals against hindrances is carried out by the selective receiver of a stream of radiation. The spectral sensitivity range of the receiver coincides with wave length of range of measurement of stream of radiation of energy of corpuscles of carbon (of soot). It gave the possibility not to use interference filters in optical system of pyrometer. Focusing of energy of radiation on receiver sensing element of radiation is carried out by an optical system. The elements of an objective-lens of the simplified pyrometer are pellucid lens, a diaphragm, the optical filter. As a lens material transparent glass of brand К8 is used. Calculation of a visual field of optical system is executed. Size of a platform of a boresighting accepted equal to d2 = 5·10–3 m. There has been carried out the calculation of focal lengths of an optical system (f1 = 60·10–3 м; f = 50·10–3 м). The transmission coefficient of a quantity of radiant energy in a pyrometer optical system is equal to product of a transmission coefficient of a lens and a light filter transmission coefficient (tо = 0,823)

Усовершенствован измерительный прибор контроля расхода кислорода газовой горелки с использованием несложной инструментальной базы, которая не требует высокого уровня квалификации оператора. Выполнено проектирование и исследование оптической системы пирометра. Пирометр предназначен для измерения потока твердых частиц сажи в высокотемпературном двухфазном потоке. Рабочий диапазон спектра — 0,5·10–6 ... 1,1·10–6 м.

При проектировании структурной схемы пирометра учтено, что двухфазный факел газовой горелки является мощным тепловым излучателем. В качестве излучателя использовано собственное излучение двухфазного факела газовой горелки, поэтому метод теплового контроля определен как пассивный. С целью упрощения структурной схемы пирометра использован прямой прием оптического излучения, представляющий собой непосредственную регистрацию энергии, падающую на приемник. В результате этого получены простота и надежность конструкции пирометра.

Измерение потока излучения частиц углерода (сажи) выполняют в узком спектральном диапазоне электромагнитных волн (0,5·10–6 ...1,1·10–6 м) между полосами излучения газов. Функцию оптической спектральной фильтрации при выделении сигналов на фоне помех выполняет селективный приемник потока излучения. Спектральный диапазон чувствительности приемника совпадает по длине волны с диапазоном измерения потока излучения частиц углерода (сажи). Это дало возможность интерференционные фильтры в оптической системе прибора не использовать. Фокусировка энергии излучения на чувствительном элементе приемника излучения осуществляется оптической системой. Элементами объектива упрощенного пирометра являются прозрачная линза, диафрагма, оптический фильтр. В качестве материала линзы использовано прозрачное стекло марки К8. Выполнен расчет поля зрения оптической системы. Размер площадки визирования — d2 = 5·10-3 м. Выполнен расчет фокусных расстояний оптической системы (f1 = 60·10–3 м; f = 50·10–3 м). Коэффициент пропускания потока излучения в оптической системе пирометра равен произведению коэффициента пропускания линзы и коэффициента пропускания светофильтра (tо = 0,823)