Теплостойкие СВЧ датчики систем контроля режимов горения

• Автор: Сафонова, Екатерина Викторовна
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Казань
• Количество страниц: 182 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1 Методы диагностики плазмы и пламен

1.1. Электрофизические свойства плазмы и диагностические параметры

1.2. Возбуждение и распространение электромагнитных волн в плазме

1.3. СВЧ методы диагностики плазмы

1.4. СВЧ диагностика процессов горения

Глава 2 Автодинный метод внутрикамерной диагностики процесса горения в ракетном двигателе

2.1. Требования к СВЧ датчикам, характеристики, конструкции

2.2. Многозвенный резонатор

2.3. Антенны

2.4. Автодин Выводы по второй главе
Глава 3 Влияние нагрева СВЧ датчиков на точность контроля параметров процесса горения
3.1. Сравнительные оценки помеховых воздействий на автогенераторный датчик
3.2. Теплофизическая модель СВЧ датчика
3.3. Нагрев СВЧ датчика при стационарном режиме горения
3.4. Флуктуационный нагрев СВЧ датчика
3.5. Температурная погрешность СВЧ датчика в режиме выхода на марш Выводы по третьей главе
Глава 4 Разработка термостабильных СВЧ датчиков
4.1. Компенсация температурной погрешности кольцевой щелевой антенны
4.2. Выбор электротехнических материалов
4.3. Экспериментальная оценка функциональных возможностей и температурной погрешности СВЧ датчика систем контроля режимов горения, его применение
Выводы по четвертой главе
Выводы по диссертации
Литература
Приложение
Введение
Изучением процессов горения в тепловых энергетических установках (ТЭУ) заняты десятки исследовательских групп в мире. Интерес к данным процессам обусловлен, в частности, интенсивным развитием двигателестроения и необходимостью улучшения функциональных, экономических и экологических характеристик ТЭУ; оптимизацией режимов горения и предотвращением развития аномальных ситуаций, приводящих к участившимся авариям и катастрофам. Последнее обстоятельство особенно значимо для авиационной и космической техники.
Существующие в настоящее время методы контроля [76] не обеспечивают полноты и достоверности информации. Главным их недостатком является низкая скорость извлечения контрольной информации. Это одна из причин упомянутых аварий.
Одним только увеличением числа датчиков, устанавливаемых на конкретных двигателях, этот недостаток устранить нельзя. Необходима разработка, как новых методов диагностики, так и самих датчиков, работающих на иных физических принципах.
Одним из наиболее перспективных методов считается СВЧ зондирование внутрикамерного пространства. Здесь исследования идут в двух направлениях:
• установление зависимости между электрофизическими параметрами плазмы пламени (электронной концентрацией, частотой соударений, структурой электромагнитного поля, собственным радиоизлучением) и рабочими характеристиками ТЭУ.
• создание измерительных систем, обеспечивающих невозмущающий и оперативный контроль.
Первое из направлений реализуется в работах теплофизиков ряда стран: России, Белоруссии, Италии, США [1-21].
Особенностью второго направления является создание средств невозмущающего и оперативного контроля режимов ТЭУ в реальных эксплуатационных

условиях с помощью датчиков электрофизических параметров. Здесь недопустимо существенное изменение конструкции камеры сгорания и размещение датчиков в ее объеме. Датчики должны обладать высокой эрозионной устойчивостью, а формируемые им сигналы - слабой зависимостью от многофакторного воздействия процесса горения. И здесь работы ведутся во многих странах (Австрия, США и др.) Значительный вклад в работы по второму направлению внесли ученые КГТУ (Р.А.Гафуров). В частности были созданы и экспериментально опробованы СВЧ автодинные измерители, которые по большинству функциональных характеристик удовлетворяли требованиям энергетиков. Основным недостатком датчиков являлась низкая теплостойкость. Нагрев датчика приводил не только к очень высокому уровню погрешностей, но и являлся причиной частого выхода из строя.
Вышеупомянутые проблемы диагностики процессов горения, недостатки существующих методов контроля и самих датчиков позволили сформулировать цель исследований настоящей работы.
Целью диссертационной работы является разработка принципов построения СВЧ датчиков параметров пламени в (транспортных) ТЭУ, обеспечивающих невмешательство в контролируемый процесс горения и сохраняющих точность контроля при нагреве со стороны контролируемого рабочего тела.
Задачи исследований:
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1. Анализ электрических процессов в датчиках, отыскание передаточной функции.
2. Выявление структуры температурных полей в теле датчиков при статическом, флуктуационном и стартовом нагреве его огневой поверхности.
3. Оценка влияния температуры на надежность и погрешности измерения в трех названных выше режимах нагрева.
4. Выработка технических предложений, позволяющих сохранить работоспособность датчиков и снизить температурную погрешность с примене-

где Аш, Ас - нормированные по <о0 значения сигнала и относительного среднего квадрата нестабильности частоты.
Минимальное значение измеряемого сигнала (или пороговая чувствительность датчика) есть А(0Лмт = 8(0. Она соответствует лишь пятидесяти процентной погрешности. Поэтому на практике [39] используют значение
Ьамш=¥-Я<о, {у/ »l), называя его реальной чувствительностью. И та, и
другая «чувствительности» не соответствуют GfcOO] (2.6, 2.7). Здесь имеет место терминологический парадокс - еще одно разногласие измерительной техники и электротехники.
Наконец, динамический диапазон измерения по частоте
jy _ А tOMaKC _ А&? макс (О„„акс tOp _ ^пмакс А^О ^
А (омин у/ -8(0 у/-8(0 у/-Аш ' (2'9)
Здесь максимальное значение Дсом<жс ограничено либо нелинейностью
ПХ, либо величиной А (Омакс < {&>пиакс — й>0).
Это, конечно, упрощенный подход. Гораздо более эффективно сопоставление спектральных плотностей сигнала и шума, как это делается в ряде радиотехнических систем. Однако вследствие слабой изученности средств диагностики пламен начинать надо с дисперсионного приближения. Это, однако, не значит, что такая цель-отыскание спектральных плотностей - в данной диссертационной работе не ставится.
Естественно выбор схемы АГМ начинается с резонатора. Поскольку
максимальная частота генерации to > = 2nbNемакс, но лежит в том же
частотном диапазоне (дм или см), то основной выбор следует производить среди трех типов резонаторов: отрезки полосковых, коаксиальных или прямоугольных волноводов.
Вследствие больших поперечных размеров прямоугольные резонаторы пригодны только в коротковолновой части см-диапазона, тем более что в экс-