Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
СТАНЧЕНКОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ
СВЧ ДАТЧИК ПЛОТНОСТИ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля
природной среды, веществ, материалов и изделий
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Казань 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н.Туполева-КАИ на кафедре Радиоэлектронных и квантовых устройств
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор
Болознев Виктор Васильевич
Официальные оппоненты: Морозов Олег Геннадьевич,
доктор технических наук, профессор КНИТУ-КАИ,
заведующий кафедрой Телевидения
и мультимедийных систем
Садриев Рамиль Шамилевич,
кандидат технических наук, доцент кафедры
Электротехника и электроника, Камская
государственная инженерно-экономическая
академия
Ведущая организация: ФГУП Всероссийский НИИ Расходометрии,
г. Казань
Защита состоится 20 апреля 2012г. в 16.00 на заседании диссертационного
совета Д 212.079.04 при Казанском национальном исследовательском техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул. К.Маркса , д.31/7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте
КНИТУ-КАИ www. kai. ru, а также на сайте Министерства образования Российской Федерации.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью
организации, просим направлять по адресу: 420111, г.Казань, ул. Карла Маркса, д.10, на имя учёного секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан л15 марта 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент Седов С.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Прогресс в энергомашиностроении сопровождается ростом интенсивности энергомассообмена в тепловых энергетических установках (ТЭУ), скорость истечения продуктов сгорания достигла М-8 и продолжает нарастать. Принципиальная неустойчивость режимов ТЭУ, как открытой термодинамической системы, всегда вызывала необходимость оснащения контрольно-измерительной аппаратурой и средствами автоматики. Сейчас требования к приборному оснащению серьёзно возрастают, особенно в направлении быстродействия. Поэтому внимание разработчиков обращено к контролю наиболее динамичного фактора рабочего процесса - к пламени. С физической точки зрения пламя - это ионизированный газ и его главные параметры совпадают с параметрами газового состояния: объёмом, температурой, давлением и концентрацией частиц. Первый из них в ТЭУ постоянен, быстродействующие манометры известны.
В КГТУ им.А.Н. Туполева разработки в области диагностики космических
и авиационных двигателей велись в 80-е годы. В частности, были созданы и экспериментально исследованы датчики на принципах ближней радиолокации. Выявлены основные трудности - подверженность совокупности помех, вызванных агрессивным воздействием побочных факторов процесса горения, и конструктивная совместимость с камерой сгорания. Трудами А.Ш. Чабдарова и позднее Е.Сафоновой предложен, экспериментально исследован и по ряду позиций усовершенствован СВЧ автогенераторный датчик концентрации, удовлетворивший большинству требований, в частности, по термостойкости и ресурсу.
Дальнейшее совершенствование контрольной аппаратуры идёт в
направлении создания диагностической системы, включающей датчики всех газовых параметров и обработки совокупности их показаний в реальном времени. Для реализации стоящей задачи необходимо сопоставление спектров контролируемых процессов. Существующие средства контроля температуры свыше 1000 0 С Ч датчики плотности теплового потока (ПТП) Ч обладают достаточным быстродействием, но малым ресурсом. В этом плане создание быстродействующего датчика температуры, сочетающего достоинства названных СВЧ и ПТП датчиков, представляется насущной задачей.
Цель работы
Целью настоящей работы является создание научно-обоснованных
схемы и конструкции СВЧ датчика плотности теплового потока (ДПТП), входящего в состав системы контроля режимов РД, обеспечивающего регистрацию флуктуаций температуры в полосе нескольких десятков Гц и способствующего оптимизации режима горения, включая выявление предаварийных ситуаций.
Решаемые задачи
- Оценка электро-и теплофизических свойств пламени, включая выявление спектрально-корреляционных характеристик температуры и других факторов, как возможных источников помех;
- Выработка технических предложений по схеме и конструкции ДПТП с термозависимой антенной;
- Построение физической модели ДПТП при динамическом нагреве и комплексе помех;
- Спектрально-корреляционный анализ динамики ДПТП, установление структуры контрольного сигнала;
- Формулировка диагностического принципа оценки эффективности ДПТП, определение информационной плотности контрольного сигнала и информационной производительности ДПТП;
- Доработка схемы и конструкции ДПТП с улучшенными информационными показателями и с учётом его применения в составе многоканальной диагностической системы.
Методы исследования и достоверность
В диссертационной работе применяется комплексный подход, заключающийся в сочетании методов теоретического анализа и компьютерного моделирования с результатами экспериментальных исследований. В ходе работы над диссертацией использованы:
- Методы электродинамического анализа состояния плазмы в газовом приближении;
- Методы теории теплопереноса в газах и твёрдых телах;
- Методы теории колебаний в приложении к системам с медленно-меняющимися (флуктуирующими) параметрами со статистическими оценками откликов;
- Методы теории передачи информации;
- Методы моделирования MATLAB.
Полученные аналитические выражения по структуре сходны с известными, а в предельных случаях совпадают с ними. Результаты анализа находятся в соответствии с многочисленными экспериментальными данными 80-х годов и начала ХХI века, а также подтверждены имитационным экспериментом.
Объекты контроля
Камеры сгорания жидкостных (космических) и воздушных (авиационных) ракетных двигателей (РД).
Предмет исследования
СВЧ датчик плотности теплового потока в камере сгорания в применении к косвенной регистрации спектра температурных флуктуаций пламени.
Научная новизна работы
- Разработана электро-теплофизическая модель ДПТП с предварительной оценкой постоянных времени откликов;
- Проведён анализ динамики электрических и тепловых процессов в их совокупности, определены корреляционные функции и спектральные плотности откликов на температуру и помеховые факторы;
- В качестве оценки эффективности датчика предложены и вычислены информационная плотность контрольного сигнала и информационная производительность ДПТП, определены квазиоптимальные системные, схемные и конструктивные показатели ТД по этим критериям.
Практическая значимость
Применение быстродействующего ДПТП позволяет реализовать выдвинутые нелинейной термодинамикой (И.Пригожин) предложения о контроле хаотических процессов в открытых термодинамических системах, в наибольшей степени характеризующих их неустойчивость и позволяющих выявить предаварийную ситуацию. В номинальном режиме ТЭУ - улучшение энергетических и экономических показателей.
Реализация результатов работы
Результаты исследования в виде методики внедрены на предприятии СО Сигнал г.Нижний Новгород, а также используются в учебном процессе
ИРЭТ КНИТУ-КАИ в рамках дисциплины Устройства генерирования радио- сигналов. Использование результатов подтверждено актами о внедрении.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- 19th European frequency and time forum, Besancon, France, 2005;
- Wave Electronics and its Applications in the Information and Telecommunication Systems, St. Petersburg, Russia, 2005;
- 20th European frequency and time forum, Braunschweig, Germany, 2006;
- Четырнадцатой международной молодежной научной конференции: Туполевские чтения, Казань, Россия, 2006;
- Тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва, Россия, 2007;
- Международной научно-технической конференции: Радиолокация, навигация, связь, Воронеж, Россия, 2007;
- Девятой международной научно-технической конференции: Проблемы техники и технологии телекоммуникаций, Казань, Россия, 2008.
- Международной научно-технической конференции: Диагностика-2009, Курск, Россия, 2009.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 работ. Из них статьи: 4 ; в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК: 3 ; патент РФ: 1 ; свидетельство о полезной модели: 1; тезисы конференций : 7.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 74 наименований и четырёх приложений. Она содержит 173 страницы, в том числе 140 страниц основного текста, 60 рисунков, 3 таблицы, приложения на 25 страницах. Автор выражает признательность кандидату технических наук, профессору М.Ю. Застела за постоянное внимание к работе и научные консультации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Показана
практическая значимость работы, связанной с контролем флуктуаций параметров ТЭУ с помощью высокоинформативных диагностических систем. Сформулирована цель настоящей работы, определены основные научно-технические задачи исследований.
В первой главе проводится обзор известных в настоящее время датчиков температуры, рассматривается принцип их работы, заключающийся в преобразовании температурного воздействия в электрический сигнал, причём преобразование основано на определённом физическом эффекте, а также варианты конструкторского исполнения (в приложении 3 представлен ряд термодатчиков и их технические характеристики). Анализируются особенности СВЧ диагностики процессов горения в ТЭУ, а также возможности и преимущества применения измерителя автодинного типа в качестве датчика температуры.
Во второй главе осуществлён выбор двух вариантов построения
датчиков ПТП,описаны их принципы действия и физические модели. Основное содержание главы посвящено анализу динамики ДПТП и отысканию передаточных характеристик.
Оба ТД представляют собой антенно-генераторные модули (рис.1), предназначенные для установки в стандартном штуцере на стенке камеры сгорания 1 тепловой энергетической установки. Его основные узлы: невыступающая антенна 2 (слабо подверженная эрозии в пламени), автогенератор, образованный полупроводниковым междолинным (МД) или лавинно-пролётным (ЛП) диодом 6, резонатором, включающим стержень 3, внешний цилиндр 4, диэлектрическую втулку 5 и разъёмом 8, через который осуществляется выход измерительного сигнала и питание. Нагрев осуществляется рабочим телом 7, температура которого в пристенной области Т1 , наружная температура Т0. Названные варианты различаются наличием и конструкцией элемента связи с антенной и вытекающими отсюда особенностями формирования измерительного отклика.
Рис.1. Обобщённая конструкция АГД, подверженного нагреву
В обоих вариантах ДПТП чувствительным элементом является антенна (в
рассматриваемых конкретных конструкциях - кольцевая щелевая), размеры которой посредством теплового расширения элементов преобразуются в комплексную проводимость. Последняя преобразуется в частоту генерации одним из двух способов - автодинным (с использованием отражения в линию связи с несогласованной антенной) или автогенераторным (с включением антенны непосредственно в резонатор). Ввиду выявленных по ходу исследования преимуществ большее внимание уделено первому варианту.
Конкретные механизмы воздействия всех (контролируемого и помеховых)
факторов и формирования соответствующих откликов отображает физическая модель датчика ПТП (рис.2).
Рис.2. Электрические и тепловые процессы в датчике (физическая модель)
Здесь в отличие от известных систем ближней радиолокации большинство
помеховых факторов имеют неэлектрический характер, а физический механизм формирования отклика включает механические (вибрации V) и тепловые (теплоперенос Т) явления. Электродинамический характер носят три помехи: концентрация электронов N в плазме пламени, частота их соударений с электронейтральными частицами (обе влияют на диэлектрическую проницаемость среды излучения) и собственное радиоизлучение пламени е. Будучи порождены одним технологическим процессом - горением в потоке - все названные факторы коррелированны с контролируемым - температурой пламени в пристенной области камеры сгорания. Дополнительная корреляция откликов порождена ещё тремя группами причин: изменением коэффициента преобразования одного из факторов под влиянием другого, нелинейностями передаточных характеристик и особенностями автодинного эффекта (неизохронность).
Среди антенн, отобранных в ходе предшествующих работ по СВЧ
диагностике пламён, для поставленной в данной работе цели наиболее эффективна кольцевая щелевая антенна (КЩА), прорезанная в тонкой мембране. Раскрыв антенны совпадает с огневой поверхностью датчика (рис.1). Анализ отклика антенны на флуктуационный нагрев в виде флуктуаций ширины щели проведён с использованием закономерностей, открытых и изученных ещё Фурье. Путём сопоставления длин температурных волн (зависящих от частоты и температуропроводности металла) с толщиной мембраны установлена эффективна полоса отклика. В просчитанных для медной тонкой мембраны (h < 0,1мм) примерах эта полоса достигает десятков герц.
Поскольку внешний диаметр щели вследствие массивности штуцера и стенок камеры флуктуациям практически не подвержен, а ширина щели много меньше её диаметра, то относительное и быстрое изменение ширины составляет десятки процентов. Электродинамический анализ показал, что изменение реактивной проводимости антенны в функции от ширины щели может быть доведено до 10% и более. Открытым остался вопрос о жёсткости тонкой мембраны при нагреве.
Автодин, как средство ближней радиолокации и датчик физических
процессов широко известен. Его особенность в данном применении состоит в многочисленности внешних воздействий, разнообразии физических механизмов формирования частотных откликов и существенном их различии по постоянным времени (по полосе частот). В работе показано, что по отношению к этим воздействиям ДПТП может выступать, как резонансный усилитель, как изохронный автогенератор, как неизохронный автогенератор в автономном режиме и как неавтономный автогенератор (автодин). Последнему присуще также свойство частотного детектирования. Определены полосы соответствующих откликов (различие которых достигает нескольких порядков).
Анализ динамики автодинного ДПТП проведён путём некоторой коррекции и решения его дифференциального уравнения. Результатом решения является установление зависимости частоты генерации от приложенного воздействия, найденной в спектральном приближении. Конечным результатом анализа является форма огибающей спектральной плотности контрольного сигнала (КС).
Согласно исследованиям свойств плазмы её собственное радиоизлучение в интересующем частотном диапазоне (единицы ГГц) обладает нормальным распределением и белым спектром, а в нашем случае по отношению к колебательному процессу в автодине аддитивен. Его действие имеет два последствия. Часть наведённого в антенне шума, попадающая в полосу резонатора, проникает на выход ДПТП суммируясь с контрольным сигналом. Другая часть претерпевает операцию преобразования частоты, здесь автодин проявляет свойство супергетеродинного приёмника с нулевой промежуточной частотой. Низкочастотные продукты детектирования проникают через фильтр питания, влияют на режим диода. Оба эффекта широко известны. Детальная количественная оценка в диссертационной работе спектральной плотности этой части шума показала, что вследствие существенно большей полосы шума (в сравнении с автодинным откликом) его помеховое влияние на спектр контрольного сигнала значительно. Оно может быть снижено схемотехническими методами.
С учётом громоздких выкладок, во избежание вычислительных ошибок и для удобства сопоставления с известными результатами решение уравнения осуществлено отдельно для детерминированных и случайных компонентов и включает четыре этапа:
- стационарный режим свободного и холодного автогенератора (без антенны и отражения сигнала),
- то же для автодинного, но холодного режима без воздействия помех,
- то же для горячего автодинного режима при квазистатическом нагреве (без помех),
- динамический режим ТД с учётом воздействия контролируемой температуры и всего комплекса помех.
Аналитические соотношения, полученные в итоге первых трёх этапов анализа, хотя и не содержат результатов, которые не могли быть качественно предсказаны, но конкретизируют параметры автодинного режима в специфических условиях. В частности, они позволяют обосновать выбор рабочей точки по фазе отражённого сигнала ( = 18Е20 0 ), а также учесть неизохронность автодина.
Дальнейшее рассмотрение динамики автодинного ДПТП охватывает весь комплекс отмеченных выше воздействий. Однако главное внимание уделено двум: флуктуациям температуры и влиянию собственного радиоизлучения пламени. Другие помеховые факторы либо изучены ранее в квазистатическом приближении и требуют лишь уточнения, либо подвергаются параллельным исследованиям.
Обилие работ, посвящённых неавтономным автоколебательным системам, позволило не только упростить порядок составления и решения дифференциального уравнения автодинного ДПТП, но и на каждом этапе сопоставлять промежуточные результаты с известными. Отклики на температуру и помеховые факторы рассмотрены как флуктуации параметров автогенератора. Особенности, кроме уже упомянутых, состоят в наличии двух квазидетерминированных режимов - холодного и горячего с разными амплитудами и частотами. Это учтено при выборе рабочей точки и центрировании случайных процессов. В данной (второй) главе пока не вводится в рассмотрение корреляция действующих факторов.
Уравнение диодного автодина совпадает по форме с томсоновским автогенератором, дополненным введением отражения от антенны:
(1)
Соответствующие укороченные уравнения для амплитуды Х и фазы в тейлоровском приближении и после центрирования случайных процессов путём выбора новой рабочей точки, соответствующей номинальному режиму ТЭУ, имеют вид:
(2)
где х = Х/Х0 - относительное приращение амплитуды, Г , - относительное приращение амплитуды и фазы отражения, П3 - прочность предельного цикла, ПГ = П3Г - полоса автодинного отклика. Все перечисленные параметры есть функции от (Т, N, V). Генератор неизохронен, так как получить оптимальную рабочую точку по фазе не позволяют свойства антенны. Это заметно уменьшает быстродействие ДПТП и искажает спектр контрольного сигнала. Поэтому целесообразно придать отрезку фидерной линии длину, обеспечивающую компенсацию названного эффекта.
Отметим здесь также известное свойство автодина: произведения ПГ соs и ПГ sin характеризуют не только величину, но и полосу (то есть быстроту) откликов. Вместе с тем эти величины заведомо существенно превосходят полосу температурного отклика антенны.
Спектральная плотность (СП) частотного отклика:
, (3)
Выражение записано для случая слабой корреляции флуктуаций амплитуды и фазы отражения, однако это допущение не всегда справедливо даже при независимости исходных факторов (Т, N, V). Соответствующие уточнения сделаны в главе 3.
В изохронном приближении (то есть, при отсутствии второго слагаемого) коэффициент при первом члене определяет передаточную характеристику ДПТП и деформацию исходного спектра. Реально (в циклических частотах) ПГ соs на несколько порядков превышает величину обратную быстродействию автоматики ТЭУ.
По общей структуре СП (3) подобна аналогичным выражениям для автодинов и синхронизированных генераторов. Амплитудный отклик со спектром:
, (4)
в целом вносит значительно меньший вклад в контрольный сигнал, но в интересующей полосе частот он существен, так как усложняет вторичную обработку и детектирование контрольного сигнала.
В заключительном разделе второй главы проанализирована динамика варианта ДПТП с конструктивно совмещённой антенной. Здесь антенна встроена в резонатор, возбуждается непосредственно контурным током, а её влияние обусловлено комплексной проводимостью, вносимой в резонатор. Соответственно в дифференциальном уравнении ДПТП отсутствуют члены, отображающие автодинный эффект. Поэтому анализ динамики ДПТП сводится к исследованию свойств автогенератора с частично включённой в контур управляемой ёмкостью.
Показано, что эффективность (крутизна) измерительного преобразования растёт с уменьшением этой ёмкости (в сравнении с эквивалентной ёмкостью коаксиального резонатора). Отсюда следуют практические рекомендации: увеличение ширины щели и уменьшение волнового сопротивления отрезка коаксиала, формирующего резонатор (последнее - путём утолщения центрального проводника). По осуществлению этих мер измерительное преобразование происходит как частотная модуляция в радиосвязи.
В изохронном приближении, которое в данном случае осуществимо, полоса преобразуемых частот электрически неограниченна и определяется только теплофизическими эффектами. Воздействие помехи в виде белого шума собственного радиоизлучения плазмы здесь (в отличие от автодина) не подавляется и поэтому в отношении сигнал / помеха эта схема в сравнении с автодином выигрыша не даёт. С учётом лучшей тепло-и виброзащиты автодинный вариант ДПТП перспективнее, хотя и конструктивно сложнее.
В третьей главе в квазистационарном приближении найдена структура
спектра КС, как совокупность откликов ДПТП. Формирование откликов сопровождается преобразованием исходных спектров температуры и помех в соответствии с АЧХ, найденными во второй главе. Компонентами КС являются также продукты корреляции откликов, представленные совместными спектральными плотностями. Найдены и оценены информационная производительность (скорость извлечения информации) по Шеннону и её величина в единичной полосе - информационная плотность; первая из них принята в качестве обобщённой характеристики эффективности ДПТП. Значительным препятствием в решаемых здесь задачах является нестационарность процессов - контролируемого и помеховых. Сформулированы условия квазистационарности: ограничение спектра КС снизу и сверху; при этом использованы объективные факторы - ограниченное время рабочего цикла ТЭУ, особенности действующей автоматики.
Выявлено пять механизмов корреляции: естественные (присущие
пламени), методические (СВЧ зондирование), системные (их три), аппаратурные (нелинейность автодина) и технологические (влияние факторов,сопутствующих горению в потоке).
Первый механизм обусловлен статистической взаимосвязью
температуры с концентрацией (ионизационное уравнение Саха-Ленгмюра), второй - нелинейной зависимостью промежуточного параметра пл от частоты соударений; третий (системный) Ц многоэтапным преобразованием: Т (bщ , gщ) (Г, ) ; четвёртый достаточно раскрыт в главе 2 и, в частности, включает неизохронность. Технологическим фактором являются, например, вибрации корпуса и эрозия.
Вследствие корреляции откликов в состав спектра КС входит 22 дополнительных (помеховых) компонента разной интенсивности, из которых только четыре являются специфичными для автогенераторов и автогенераторных датчиков.
Подробно изучено формирование отклика при совместном воздействии температуры и узкополосной вибропомехи, приводящем к амплитудной модуляции КС. При этом возникает корреляционная связь между частотным откликом на температуру и амплитудным - на вибрацию. Полученные значения совместных СП ламплитуда частота и частота амплитуда занимают сравнительно узкую полосу частот вблизи левой границы предварительно ограниченного интервала (1Е50 Гц). Несмотря на существенную разницу условий и принятых допущений сходное явление со спектрами отмечено в классических работах по флуктуациям в автогенераторах. Таким образом помеховое влияние корреляции может быть уменьшено при вторичной обработке КС за счёт только рационального и незначительного сужения контролируемой полосы.
В качестве обобщённой оценки эффективности датчиков предложены информационная производительность (ИПр) W(), как аналог пропускной способности и её производная по частоте - информационная плотность I(). Оба критерия в большей степени, чем традиционные, соответствуют особенностям объекта контроля - быстрому и непрерывному технологическому процессу и специфике контроля - диагностике, а не спонтанным разовым отсчётам. Критерии также удобны для сопоставления по эффективности с датчиками других параметров и с другими принципами действия (но входящими в состав единой измерительной системы).
С учётом неэргодичности воздействий и небелых спектров откликов для вычисления ИПр по Шеннону применён интегральный оператор:
(5)
где - нормированные СП температуры и совокупности помех с продуктами корреляции, 1,2 - границы полосы контроля.
В качестве частного случая подробно изучены ИПл и ИПр автодинного датчика под воздействием узкополосной вибропомехи и в присутствии шума, обусловленного собственным радиоизлучением пламени. Варьировались частота и полоса вибровоздействия (добротность огибающей), полоса контрольного сигнала Пк = 2 - 1 и параметры схемы и конструкции датчика. Вибропомеха, деформируя резонатор, вызывает амплитудную модуляцию измерительного сигнала и лобогащает его спектр ещё двумя корреляционными составляющими ламплитудачастота и частота амплитуда. Все три (но первая в гораздо большей степени) влияют на ИПл и на рост ИПр по мере расширения полосы контроля до 100 Гц. Шум в пределах полосы контроля сказывается незначительно. Расчётные значения информационной производительности в зависимости от толщины мембраны, радиуса и ширины щели, а также конструкционных материалов лежат в диапазоне 36Е80 бит/с. Отмечена существенная зависимость от параметров вибровоздействия.
Сделан вывод, что наряду с традиционными мерами виброзащиты для повышения информативности контроля целесообразна совместная обработка сигналов совокупности датчиков, принадлежащих к многоканальной системе контроля в предположении о наличии полезной информации в помеховых откликах.
В начале четвёртой главы отмечено, что одной из главных тенденций последнего пятилетия в авиации является изменение стратегии в использовании контрольной аппаратуры, адресации и обработке контрольной информации. Одно из направлений новой стратегии - двухэтапная компьютерная обработка в бортовых подсистемах, а затем - в их совокупности. Предложен и запатентован способ многочастотного зондирования внутрикамерного пространства ненаправленным радиоизлучением с автодинным преобразованием контролируемых параметров в частоты. Отклик в каждом канале представлен линейной совокупностью парциальных откликов на основные параметры: температуру, концентрацию, вибрацию и собственное радиоизлучение пламени. В рамках предложенного способа осуществляется первый этап обработки: решение системы линейных уравнений (по Крамеру) в предположении, что корреляционные компоненты спектров малы.
Разрешимость системы уравнений и минимизация погрешностей достигается, в частности, увеличением главного детерминанта, составленного из коэффициентов преобразования параметров в частоту. Технически это осуществляется подбором коэффициентов преобразования параметров N,T,V,E, причём главным средством здесь является выбор зондирующих частот, который осуществлён в соответствии с пятью существенными признаками изобретения.
Результаты глав 2 и 3 подсказывают и другие возможности влияния на температурные отклики: изменение ширины щели, толщины мембраны и даже выбор металла с иным коэффициентом линейного расширения. Простота алгоритма Крамера позволяет осуществить первый этап обработки совокупности контрольных сигналов в реальном масштабе времени и существенно повысить информационную производительность системы контроля. Уменьшение корреляционных погрешностей данного способа не входит в задачи диссертационной работы.
Дальнейшее содержание четвёртой главы посвящено имитационной модели ДПТП, целью создания которой является количественное подтверждение основных теоретических результатов, полученных во второй и третьей главах, а именно структуре контрольного сигнала, как совокупности откликов датчика на контролируемые и помеховые воздействия.
Созданы виртуальные узлы физической модели датчика, отображающие основные пути воздействия пламени и сопутствующих процессов на ДПТП. Проведено исследование прохождения имитированных воздействий и вызванных ими электрических сигналов через виртуальные узлы, а также варьирование доступных параметров узлов датчика с целью отыскания квазиоптимального сочетания этих параметров.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- Динамичность высокоскоростного турбулентного потока в камерах сгорания обуславливает широкий спектр температурных флуктуаций, доступных для радиоволнового контроля в должной полосе. Спектры других физических факторов - концентрации электронов, частоты их соударений с нейтральными частицами, вибрации и собственного радиоизлучения плазмы пламени гораздо шире и существенно небелые. Сами факторы неэргодичны, более того: режим энергетической установки, как открытой термодинамической системы (по Пригожину) неустойчив. Тем не менее и эти факторы доступны для радиоволнового контроля.
- Выбраны два варианта схемно-конструктивных реализаций ДПТП. Оба включают два основных звена: кольцевую щелевую антенну с термозависимыми размерами, влияющими на её комплексную проводимость, и СВЧ автогенератор, преобразующий эту проводимость в частоту зондирующего сигнала. Первый вариант - автогенераторный - имеет лучшую термочувствительность, второй - автодинный - лучшую термостойкость.
- Построенная физическая модель ДПТП подтвердила наличие откликов на многочисленные и мощные помехи, названные в п.1, а также (хотя и слабые) внутренние помехи в виде флуктуационного нагрева резонатора и генераторного диода; позволила определить особенность помех - различные физические механизмы формирования откликов, а также пути их устранения.
- Математическая модель ДПТП включает уравнение теплопереноса в мембране, формирующей антенну, при её нагреве со стороны рабочего тела и дифференциальное уравнение СВЧ автогенератора в свободном (1-й вариант) или в автодинном (2-й вариант) режимах. Результаты решения уравнений отображены спектром контрольного сигнала, характерного очень сильным различием полос откликов. Главными факторами, определяющими динамику ДПТП, являются скорость и затухание температурных волн в мембране и зависимость ширины спектра отклика от её (мембраны) толщины. Отклики на помеховые воздействия и их гораздо более широкие полосы определяются в основном электрическими процессами в ДПТП. Существенное влияние на спектр оказывают продукты корреляции помех с полезным компонентом отклика и между
собой.
- С учётом современного подхода к диагностике потоковых технологических процессов и высоким уровнем помех, обобщённым критерием эффективности ДПТП выбраны информационная производительность (аналог пропускной способности по Шеннону и Котельникову), а также её производная по частоте - информационная плотность. Из-за свойств воздействующих факторов, названных в п.1, критерии связаны интегральным оператором со сложной процедурой вычислений. Результаты численной оценки указывают на очень сильную зависимость ИПр и ИПл от системных, схемотехнических и конструктивных параметров ДПТП. Это делает ДПТП перспективным в плане дальнейшего совершенствования его самого и системы контроля режима ТЭУ в целом.
- По результатам анализа, натурных и имитационных экспериментов выявлены основные пути совершенствования ДПТП и увеличения его информационной производительности (пропускной способности). Это рост зондирующей частоты и аккуратный выбор границ полосы контроля (системные параметры), предпочтение одному из вариантов схемы (автодинный - для ЖРД и автогенераторный для ВРД), тонкая (< 0,1мм) медная мембрана, тонкостенный корпус и пористый керамический диэлектрик в резонаторе. Однако гораздо лучшие результаты даёт многоканальный контроль, обеспечивающий извлечение информации, содержащейся в откликах на помеховые факторы. Таким образом проведённое в диссертационной работе исследование показало, что предложенный датчик превосходит существующие типы серийных датчиков либо по быстродействию, либо по ресурсу, либо по удобству конструктивного сопряжения. Указанные свойства способствуют применению датчика в составе системы эксплуатационного контроля режимов ракетных двигателей.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:
- Boloznev V.V, Safonova E.V., Sultanov F.I., Stanchenkov M.A, Mirsaitov F.N. Informational content estimation of the signal in autodyne thermosensor // Proc. Joint meeting of the 20th European frequency and time forum, Braunschweig, Germany, 2006.
- Cултанов Ф.И., Станченков М.А. Информационная производительность СВЧ датчиков параметров пламён. Инфокоммуникационные технологии № 4, Самара, Россия, 2009.
- Станченков М.А., Султанов Ф.И. Оценка эффективности датчиков температуры и концентрации электронов в камере сгорания. Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева №4, 2009.
- Болознев В.В., Сафонова Е.В., Султанов Ф.И., Станченков М.А., Мирсаитов Ф.Н., Сулейманов С.С. Способ контроля режима ТЭУ и датчик для его осуществления. // Пат. РФ № 2374559, БИ №33, 2009.
Публикации по материалам научно-технических конференций:
- Boloznev V.V, Safonova E.V., Stanchenkov M.A, Sultanov F.I. Signal processing principal in a microwave autodyne sensor // Abstracts and proceedings of the 19th European frequency and time forum, Besancon, France, 2005.-p.69.
- Safonova E.V., Stanchenkov M.A. Temperature sensor of the flame // Abstracts of Wave Electronics and its Applications in the Information and Telecommunication Systems, St. Petersburg, Russia, 2005.-p.92-93.
- Станченков М.А. Спектральная плотность сигнала автодинного термодатчика, подверженного вибропомехе // Материалы четырнадцатой международной молодежной научной конференции: Туполевские чтения, Казань, Россия, 2006, том 5. стр. 30-31.
- Станченков М.А. Датчик температуры // Материалы четырнадцатой международной молодежной научной конференции: Туполевские чтения, Казань, Россия, 2006, том 5. стр. 33-34.
- Станченков М.А. Спектральная плотность сигнала СВЧ термодатчика // Тезисы докладов тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва, Россия, 2007, том 1, стр. 32-33.
- Болознев В.В., Сафонова Е.В., Султанов Ф.И., Станченков М.А., Мирсаитов Ф.Н., Сулейманов С.С. Метод повышения качества автодинного контроля режима ТЭУ// Сборник трудов международной научно-технической конференции: Радиолокация, навигация, связь, Воронеж, Россия, 2007.
- Болознев В.В., Сафонова Е.В., Султанов Ф.И., Станченков М.А., Мирсаитов Ф.Н., Сулейманов С.С. Способ контроля режима ТЭУ и датчик для его осуществления. Пат. РФ № 2374559, БИ,№33, 2009.
- Сулейманов С.С., Станченков М.А. Полосы частот и постоянные времени откликов в БРЛС при диагностике пламён // Тезисы докладов 9 международной научно-технической конференции: Проблемы техники и технологии телекоммуникаций, Казань, Россия, 2008.
Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Печ.л. 1,0. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд.л. 0,97.
Тираж 100. Заказ А43
Типография КНИТУ-КАИ. 420111, Казань, К.Маркса, 10
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям