Создание авиационного промышленного оптического пирометрического преобразователя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Андреева, Татьяна Петровна

• Андреева, Татьяна Петровна
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреева, Татьяна Петровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМ СОЗДАНИЯ ОПП.

1.1 Роль и место ОПП в современных системах автоматического управления температурой лопаток ротора ГТД.

1.2. ОПП как средство измерения температуры нагретой поверхности лопаток для САУ ГТД и проблемы его создания и доводки.

1.3. Требования к ОПП как к элементу системы автоматического контроля и регулирования температурного состояния ГТД и анализ направлений исследований.

1.4. Результаты анализа и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ И МИНИМИЗАЦИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ОПП.

2.1. Анализ чувствительности инструментальной погрешности ОПП к вариации его конструкторских параметров и обоснование допускаемой инструментальной погрешности.

2.2. Определения оптимальных соотношений между конструкторско-технологическими параметрами элементов ОПП (формирование требований к фотодиоду).

2.3. Исследования партии фотодиодов и анализ результатов.

2.4. Выводы и результаты исследований.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО И МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОЦЕНКИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПП.

3.1. Разработка алгоритма оценки статической характеристики преобразования ОПП по измеренным спектральным характеристикам.

3.2. Анализ метрологических характеристик ОПП.

3.3. Обоснование выбора локальной поверочной схемы на основе экспериментально-расчетной оценки предельной эффективной длины волны ОПП.

3.4. Нормирование критериев качества калибровки ОПП в процессе выпуска и эксплуатации.

3.5. Выводы и результаты.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ОЦЕНКИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПП.

4.1. Разработка установки для исследования спектральных характеристик фотодиодов.

4.2. Разработка локальных поверочных схем с применением группового компаратора и образцовых средств измерения на точках плавления чистых металлов.

4.3.Выводы и результаты.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

5.1. Экспериментальные исследования.

5.2. Модификации ОПП в процессе доводки и их сравнительные исследования.

5.3. Перспективы использования ОПП в составе САУ и контроля ГТД.

5.4. Выводы и результаты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание авиационного промышленного оптического пирометрического преобразователя»

Оценка температурного состояния теплонапряженных частей газотурбинного двигателя (ГТД) при испытаниях и эксплуатации с целью его контроля и управления является основой для обеспечения безопасности полетов. Особенно высокие требования предъявляются к точности поддержания температуры поверхности рабочих лопаток турбины высокого давления ГТД. В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к созданию бортовых оптических пирометрических преобразователей (ОПП), доверительная основная инструментальная погрешность не должна превышать 0.5% (±6К) с доверительной вероятностью Р=0.95 при измеряемой температуре 1273К. Согласно действующим отраслевым нормативным документам точность измерения и поддержания температуры лопаток турбины ГТД не должна превышать + 5К.

В течение последних лет, как в нашей стране, так и за рубежом, активно решались проблемы, связанные с созданием средств оптической пирометрии, для оценки температурного состояния рабочих лопаток турбины ГТД.

Основы теории оптической пирометрии заложены в работах отечественных и зарубежных ученых (Рибо Г., Линевег Ф., Гордов А.Н., Свет Д.Я., Жагулло О.М., Киренков И.И.), которые были направлены в основном на совершенствование бесконтактных методов измерения температуры. Вопросам использования методов оптической пирометрии для измерения температуры технических объектов посвящены работы отечественных и зарубежных авторов (Поскачей А.А., Чубаров Е.П., Чарихов J1.A., Парфенов Г.Б., Асланян Э.В., Лебедев В.А., Кумунжиев К.В., Curwen K.R., Barber R., Small L.L., Masom R.A., Guenard R.N., Atkinson W.H., Dunphy J.R., Stange W.A.). Ряд научных работ был посвящен решению проблем построения и доводки бортовых систем автоматического регулирования (Августинович В.Г., Гуревич О.С., Гольдберг Ф.Д., Саженков В.И., Латышев В.Г., Янишевский В.Ф.). Ряд исследователей рассматривали вопросы обработки выходного сигнала ОПП и комплексного подхода к оценке температурного состояния ГТД различными методами, применяя принципы комплексирования от датчиков различного типа (Токарев В.П., Стоянов В.В., Айбулатов Г.А., Губайдуллин И.Т., Уразбахтина Л.Б., Валеев М.Т., Сафонов В.В., Дунаев В.В. и др.).

Исследованиями в области создания ОПП для применения в системах автоматического регулирования (САУ) ГТД занимались также ряд зарубежных фирм - производителей средств оптической пирометрии, например, фирмы «Kollsman Instrument Ltd. », «Smiths Industries Ltd., Aerospace & Defence Systems Company», «Negretti & Zambra Aviation Ltd.» и «Land Pyrometers Ltd.», «Land Infrared Ltd.», «Land Turbine Sensors Inc.», «Auxitrol», «Rozemount».

В настоящее время достигнуты определенные успехи в разработке отдельных компонентов и в помехоустойчивой обработке сигналов ОПП. В то же время недостаточное внимание уделялось решению проблем, связанных с обеспечением промышленного серийного выпуска ОПП, отвечающих комплексу взаимосвязанных требований к их точности и эксплуатационной надежности.

При наличии технологических ограничений на существенное снижение инструментальной погрешности ОПП в основном за счет повышения качества (стабильности) компонентов преобразователей информации (комплектующих: объектива, световода, фотоприемника и т. п.), входящих в его состав, важнейшим направлением исследований является оптимизация конструкторско-технологических параметров ОПП и взаимное согласование характеристик его компонентов.

В связи с этим разработка методов создания оптического пирометрического преобразователя для САУ ГТД и исследование его метрологической надежности в условиях серийного производства и эксплуатации является актуальной.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является создание оптического пирометрического преобразователя для САУ ГТД, снижение вероятности метрологического отказа ОПП и разработка экспериментально-расчетных методов контроля его технического состояния в условиях серийного производства и эксплуатации.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить перспективные направления исследований, обеспечивающие снижение риска метрологического отказа ОПП при незначительном увеличении затрат изготовителя и эксплуатирующих организаций на контроль характеристик.

2. Выявить оптимальные соотношения между конструкторско-технологическими параметрами ОПП, позволяющие сформулировать комплекс взаимосвязанных и противоречивых требований (по стабильности спектральной характеристики, дифференциальному сопротивлению, быстродействию, термостабильности) к фотоприемнику и снизить значение доверительной основной инструментальной погрешности ОПП.

3. Разработать экспериментально-расчетный метод оценки градуировочных характеристик ОПП, основанный на фактических результатах исследований его спектральных характеристик.

4. Разработать нормы на систему контрольных допусков при технологическом контроле в процессе серийного производства и эксплуатации, основанных на статистических результатах исследования фактических параметров различных партий ОПП.

5. Исследовать эффективность применения средств метрологического обеспечения для оценки и периодического контроля метрологических характеристик ОПП в рамках ведомственной локальной поверочной схемы на основе моделей абсолютно черных тел (АЧТ), группового компаратора и образцового пирометра.

6. Внедрить результаты исследований в конструкцию промышленно выпускаемого ОПП и технологический процесс контроля метрологических характеристик при производстве и эксплуатации.

Методы исследования

Поставленные задачи решаются с использованием методов статистического анализа, планирования эксперимента, теории дифференциальных и интегральных уравнений, математического моделирования, экспериментальных физических методов исследований с использованием специализированной спектральной аппаратуры.

Научная новизна

1. Систематизирован и обобщен опыт промышленного выпуска ОПП, на основании которого определены методы контроля его технического состояния, снижающие риск поставки и эксплуатации в неработоспособном состоянии и обеспечивающие возможность выпуска в серийном производстве с требуемой доверительной основной инструментальной погрешностью.

2. Получены оптимальные соотношения между конструкторско-техническими параметрами ОПП, позволяющие удовлетворить комплекс взаимосвязанных требований к специализированному фотоприемнику по стабильности спектральной характеристики, дифференциальному сопротивлению, быстродействию и термостабильности.

3. Обоснована возможность эффективной оценки градуировочной характеристики ОПП экспериментально-расчетным методом и разработана аналитическая модель.

Практическая ценность

1. Разработан ОПП, отвечающий комплексу взаимосвязанных требований по основной инструментальной погрешности и удовлетворяющий требованиям к эксплуатации в составе САУ ГТД.

2. Обоснован комплекс взаимосвязанных требований к техническим характеристикам специализированного фотодиода ФД-293 и показано, что с его применением, обеспечивается промышленный серийный выпуск ОПП с доверительной основной инструментальной погрешностью ±6К при доверительной вероятности 0.95. Комплекс требований взят за основу в технических заданиях на фотодиод, ОПП, отраслевом стандарте.

3. Разработана методика расчета градуировочных характеристик ОПП по измеренным спектральным характеристикам. Предложенная методика обеспечивает требуемую точность оценок метрологических характеристик ОПП в эксплуатации, позволяет существенно уменьшить трудоемкость процесса градуировки ОПП и амортизационный износ дорогостоящих прецизионных моделей АЧТ.

4. Разработана методика и определены нормы задания контрольных допусков в технической документации (технических условиях, руководству по эксплуатации), позволяющие обеспечить серийное производство и эксплуатацию ОПП с заданной доверительной основной инструментальной погрешностью, а также взаимозаменяемость ОПП.

5. Получены экспериментально измеренные спектральные характеристики фотодиодов различного типа, ОПП различных модификаций.

6. Разработаны методика и процедура градуировки ОПП, а также структурная организация локальных поверочных схем с использованием образцовых измерительных средств - моделей АЧТ типа ИТ-20, ИТО-1200М, МАЧТ, ПКП-32, ПКП-32М и группового компаратора.

Результаты исследований внедрены в разработку оптических пирометрических преобразователей ОПП-94, ОПП-94К (8Г2.823.015ТУ), ОПП-82 (8Г2.823.016ТУ) на головном предприятии в отрасли УНПП «Молния» (УАКБ «Молния») в течении 15-20 лет, а также на предприятиях заказчиках -ведущих двигателестроительный КБ: ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, СНТК им. Н.Д. Кузнецова, г. Самара, НПО «Сатурн» им. A.M. Люлька, г. Москва, ЛНПО им. В. Климова, г. Санкт-Петербург.

На защиту выносятся:

1. Конструкторско-технические решения по определению параметров ОПП, позволяющие обеспечить выполнение комплекса взаимосвязанных требований к фотодиоду по стабильности спектральной характеристики, дифференциальному сопротивлению, быстродействию и термостабильности.

2. Методика расчета градуировочных характеристик ОПП по его спектральным характеристикам.

3. Методика и нормы задания контрольных допусков в технической документации (технических заданиях, технических условиях), позволяющие обеспечить производство и эксплуатацию ОПП с заданной доверительной погрешностью, взаимозаменяемость в эксплуатации, а также баланс риска заказчика и изготовителя.

4. Результаты исследований и модели спектральных характеристик фотодиодов различных типов и ОПП различных модификаций. Результаты оценок метрологических характеристик ОПП различных модификаций на основе разработанных экспериментально-расчетных методов.

Внедрение результатов работы

Разработанные: - экспериментально-расчетные методики, специализированный фотоприемник ФД-293 «Полет-9» АДБ3.368.245ТУ, локальные поверочные схемы с применением образцовых средств измерений (группового компаратора, образцового пирометра), система контрольных допусков использовались при промышленном выпуске и эксплуатации оптических пирометрических преобразователей ОПП-94, ОПП-94К (8Г2.823.015 ТУ), ОПП-82 (8Г2.823.016 ТУ) на предприятии УНПП «Молния». Результаты работы внедрены в эксплуатационных документах (руководстве по эксплуатации 8Г2.823.015РЭ), применяемых при контроле ОПП в эксплуатации на предприятиях - заказчиках ОАО «АВИАДВИГАТЕЛЬ», ОАО «ПЕРМСКИЕ МОТОРЫ», г. Пермь, ТМКБ «СОЮЗ», г. Москва, СНТК им. Н.Д.

Кузнецова, г. Самара.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных научно-технических конференциях: по методам и средствам машинной диагностики ГТД и их элементов (г. Харьков, 1983г.), системам автоматического управления и топливопитания ВРД (г. Москва, 1985г.), волоконно-оптическим системам передачи и устройствам обработки оптических сигналов (г. Москва, 1988г.) ВОСПИ-88, на межотраслевой научно-технической конференции по системам автоматического управления и топливопитания силовых установок с ГТД, (г. Москва, 1989г.), международной конференции «Двигатели XXI века», (г. Москва, 2000г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 16 печатных работах, в том числе 2 статьи в научных журналах, 2 авторских свидетельства на изобретения, 5 публикаций в трудах научно-технических конференций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований в области разработки методов и средств создания ОПП, описывается новизна и практическая ценность выносимых на защиту результатов. В первой главе рассмотрена роль и место ОПП в САУ ГТД. Проведен анализ современного состояния разработки и применения средств оптической пирометрии, определены требования и направления исследований для создания ОПП, отвечающего комплексу технических и эксплуатационных требований.

Рассмотрена функциональная схема ОПП, конструктивные особенности, приведены требования по техническим и эксплуатационным параметрам и определены требования по величине доверительной основной инструментальной погрешности ОПП и средствам контроля его параметров при производстве и эксплуатации.

Анализ технических и эксплуатационных требований, предъявляемых к ОПП для работы в составе бортовых САУ ГТД, а также рассмотрение его основных функциональных и конструктивных особенностей, выявил, что основной проблемой создания серийно выпускаемых ОПП является риск эксплуатации ОПП в неработоспособном состоянии, обусловленный значительной вероятностью возникновения неконтролируемых метрологических отказов. Снижение вероятности появления этих событий до уровня практически невозможного события при контрольно-сдаточных испытаниях и в эксплуатации определено в качестве глобальной цели проводимых исследований.

Показано, что одной из основных причин появления событий типа «неконтролируемый метрологический отказ» ОПП является нестабильность и технологический разброс технических характеристик фотодиодов. Обоснована необходимость разработки специализированного фотодиода, удовлетворяющего комплексу технических и эксплуатационных требований.

Для обеспечения серийного производства ОПП с малой вероятностью совершения ошибки контроля его технического состояния 2-го рода (поставки в эксплуатацию ОПП с погрешностью превосходящей по величине заданный контрольный допуск) необходимо: исследовать технические (метрологические) характеристики ОПП на произвольной выборке с целью устранения априорной неопределенности относительно вида закона распределения погрешности преобразования; получить оценку степени отклонения эмпирического (апостериорного) закона распределения погрешности преобразования от нормального закона; определить критерии работоспособности ОПП в виде граничных значений контрольных допусков на инструментальную погрешность преобразования на различных стадиях производства (в процессе настройки, рихтовки, приработки, приемо-сдаточных испытаний, внутризаводских испытаний) и в эксплуатации, используя для этого исходные данные по техническим параметрам (сигналу на выходе) представительной выборки ОПП.

Рассмотрено дерево целей исследований, по результатам анализа которого и ранее сформулированных задач, проведена декомпозиция глобальной цели исследования на локальные цели, обеспечивающие ее достижение.

Во второй главе рассмотрены структура и определены составляющие, оказывающие наибольшее влияние на доверительную основную инструментальную погрешность ОПП, проведен анализ чувствительности элементов ОПП к отклонению конструкторских параметров от их номинальных значений экспериментально - расчетными методами и обоснование допускаемой инструментальной погрешности.

Приведено сравнение параметров различный типов фотодиодов, применяемых в ОПП, и определены оптимальные соотношений между конструкторско-технологическими параметрами элементов ОПП для формирования комплекса технических и эксплуатационных требований к специализированному фотодиоду, применение которого в ОПП позволит обеспечить требования отраслевого стандарта и технических заданий на ОПП для последующего применения в составе САУ ГТД.

Приведены фактические результаты исследование параметров партии разработанных специализированных фотодиодов.

Показано, что применение специализированного фотодиода для ОПП -ФД-293 («Полет-9») обеспечивает снижение составляющих основной инструментальной погрешности, связанных со схемной реализацией в ОПП даже при условии расширения верхней границы диапазона температур окружающей среды до 393К не менее чем в два раза.

В третьей главе описан разработанный экспериментально-расчетный метод определения индивидуальной и единой (эталонной) статических градуировочных характеристик ОПП. Показано, что идентификация параметров функции преобразования информации в ОПП может быть осуществлена по результатам статистической обработки экспериментальных данных в виде доступных для наблюдения значений относительной спектральной чувствительности канала передачи информации при воздействии на чувствительный элемент монохроматическим излучением с заданной длиной волны.

Использование данного метода оценки единой стандартной статической градуировочной характеристики дает существенное уменьшение трудоемкости градуировки и возможность учета неисключенной систематической погрешности при экспериментальном ее определении по моделям АЧТ. Для оценки точности предлагаемого метода определены: детерминированные функции преобразования компонентов ОПП; методические погрешности оценки статической характеристики преобразования ОПП; возможность уменьшения погрешностей и предельные погрешности метода.

Проведена оценка точности применения метода определения градуировочной характеристики ОПП. Проведен расчет чувствительности метода к погрешности задания исходных данных. При этом экспериментально измеренные спектральные характеристики аппроксимировались подходящими аналитическими выражениями.

Выявлены источники погрешности определения индивидуальных и единой стандартной (эталонной) характеристики и получены оценки составляющих погрешности градуировочных характеристик ОПП. Показано, что относительная погрешность определения градуировочных характеристик экспериментально - расчетным методом с доверительной вероятностью 0.999 находится в пределах (-0.001- 0.136)% <АU < (0.001+ 0.136)%, что составляет не более ±2.018 К.

Получены оценки значений предельной эффективной длины волны Хт для выборки серийно выпускаемых ОПП в диапазоне измерения температур 973-И423К, основанные на использовании экспериментально измеренных характеристик спектральной чувствительности. Показано также, что в диапазоне измеряемых температур имеется существенная зависимость предельной эффективной длины волны Хт от измеряемой температуры.

Проведено исследование параметров выборки серийно выпускаемых ОПП-94К, на основании статистического анализа результатов которого определены значения полей контрольных допусков для производства ОПП, обеспечивающих возможность выпуска ОПП в серийном производстве с требуемой основной инструментальной доверительной погрешностью.

В четвертой главе описана разработанная экспериментальная установка для измерения спектральных характеристик фотодиодов, ОПП различных типов. Приведены результаты измерений спектральных характеристик фотодиодов и ОПП различных модификаций (ОПП-32, ОПП-94, ОПП-94К, ОПП-82). В результате экспериментальных исследований показано, что наименьшим рассеянием в области длинноволнового края спектральных характеристик, обладает специализированный фотодиод ФД-293 (« Полет-9) и ОПП-94К (не более 10-ь15 нм по уровню 0.5 от максимума спектральной характеристики). Применение в ОПП специализированного фотодиода ФД-293 обеспечивает уменьшение составляющей основной инструментальной погрешности ОПП, связанной с рассеянием (технологическим разбросом) спектральных характеристик серийных фотодиодов.

Рассмотрены средства метрологического обеспечения и локальная поверочная схема для обеспечения промышленного серийного выпуска и эксплуатации ОПП с применением группового компаратора и АЧТ на точках плавления чистых металлов (Си и Ag).

Исходя из анализа существующих средств метрологического обеспечения, предложена локальная поверочная схема, применение которой позволит обеспечить промышленный серийный выпуск ОПП с основной инструментальной доверительной погрешностью не более ±6К при доверительной вероятности 0.99.

В пятой главе приведены результаты проведенных экспериментально-расчетных оценок градуировочных характеристик ОПП различных типов и эталонных градуировочных характеристик для каждого типа ОПП, полученных согласно методике, описанной в главе 3.

Показано, что наибольшим рассеянием (технологическим разбросом) обладают градуировочные характеристики оптического пирометрического преобразователя ОПП-94, в котором в качестве фотоприемника используется серийный фотодиод ФД-28КП (АГЦ3.368.109ТУ). Абсолютное значение отклонения индивидуальных градуировочных характеристик от усредненной характеристики достигает 6К. Наиболее идентичные характеристики имеет преобразователь ОПП-94К, в котором в качестве фотоприемника используется специально разработанный фотодиод ФД-293 («Полет-9»), Расчетные оценки показывают, что наименьшими абсолютными значениями отклонений от усредненной градуировочной характеристики обладают преобразователи ОПП-94К, ОПП-82 в которых применен фотодиод ФД-293 («Полет-9»). В диапазоне измеряемых температур 1273-И423К абсолютная величина отклонения градуировочной характеристики преобразователя ОПП-94К от усредненной стандартной градуировочной характеристики (УСГХ) не превышает 2К. При этом основная инструментальная погрешность в диапазоне измеряемых температур 1273-И 423К (при условии применения локальной поверочной схемы с АЧТ на точках плавления чистых металлов) снижается практически в 2 раза и не превышает +5.5К.

Предложены пути дальнейшего развития средств оптической пирометрии для применения в САУ ГТД. Одним из вариантов которого является создание интегрированной оптико-электронной системы, включающей в себя функции первичного преобразователя - ОПП и блока обработки сигнала.

В интегрированной оптико-электронной системе предполагается использовать новейшие многоспектральные фотоприемники, позволяющие реализовать многофункциональные режимы работы, в том числе, совмещающие в себе принципы яркостной пирометрии и пирометрии спектрального отношения. Применение подобной системы позволит помимо традиционных функций осуществлять: прием и аналого-цифровое преобразование в реальном масштабе времени; последующую обработку (в том числе периодическую коррекцию сигналов «яркостных каналов» по сигналу «цветового канала»); периодическую коррекцию выходных сигналов по величине дрейфов оптических, электронных компонентов, чувствительных элементов; формирование помехоустойчивых статистических оценок, соответствующих: средней температуре поверхности всех рабочих лопаток ротора турбины, средней пиковой температуры всех рабочих лопаток ротора турбины; регистрацию текущей частоты прохождения рабочих лопаток ротора турбины в поле визирования объектива зонда; коррекцию изменения излучательной способности материала рабочих лопаток; помехоустойчивую оценку параметров полезного сигнала и эффективную фильтрацию помех; самодиагностику работоспособности пирометрических каналов; выдачу комплексного интегрального параметра, связанного с подсчетом ресурса (наработки) рабочих лопаток ротора турбины.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Андреева, Татьяна Петровна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Рассмотрена роль и место оптических пирометрических преобразователей в системах автоматического управления температурой рабочих лопаток ротора турбины газотурбинных двигателей. Проведен анализ современного состояния разработки и применения средств оптической пирометрии. Выбрана цель исследований, направленная на снижение вероятности метрологического отказа при эксплуатации ОПП в составе САУ температуры лопаток ротора турбины ГТД.

2. Определены оптимальные соотношения между конструкторско-технологическими параметрами ОПП, позволяющие обеспечить комплекс взаимосвязанных и противоречивых требований по стабильности спектральной характеристики, дифференциальному сопротивлению, быстродействию и термостабильности к специализированному фотоприемнику.

3. Показано, что применение специализированного фотодиода для ФД-293 («Полет-9») АДБ3.368.245 ТУ обеспечивает снижение погрешности, связанной со схемной реализацией в ОПП. При этом составляющие основной инструментальной погрешности ОПП уменьшаются не менее чем в два раза.

4. Разработан экспериментально-расчетный метод оценки градуировочных характеристик ОПП, основанный на результатах исследований его спектральных характеристик. Определены источники погрешности определения индивидуальных и единой (эталонной) характеристики и получены оценки составляющих погрешности градуировочных характеристик 01111. Показано, что относительная погрешность определения градуировочных характеристик экспериментально - расчетным методом с доверительной вероятностью 0.999 находится в пределах (-0.001- 0.136)% <АU < (0.001+ 0.136)%), что составляет не более ±2.018 К.

5. Получены оценки значений предельной эффективной длины волны \т для выборки серийно выпускаемых ОПП в диапазоне измеряемых температур 923 -Я423К (700.1150°С) на основе использования экспериментально измеренных характеристик спектральной чувствительности. Показано, что имеется существенная зависимость предельной эффективной длины волны Хт от температуры. Для источника излучения типа АЧТ абсолютная величина изменения эффективной длины волны Хт в диапазоне измеряемых температур 923 -1373К (700. 1100°С) достигает 0.054 мкм.

6. Проведены исследования параметров серийно выпускаемых ОПП и разработана система контрольных допусков, необходимая для контроля параметров в производстве и эксплуатации.

7. Исследована эффективность средств метрологического обеспечения для оценки и периодического контроля метрологических характеристик ОПП с применением моделей АЧТ, включая модификации на точках плавления чистых металлов Си и Ag, группового компаратора и образцового пирометра. Конкретизирована ведомственная локальная поверочная схема для обеспечения промышленного выпуска и эксплуатации ОПП.

8. Разработана экспериментальная установка для измерения спектральных характеристик фотодиодов различных типов, ОПП различных модификаций. В результате экспериментальных исследований показано, что наименьшим рассеянием в области длинноволнового края спектральных характеристик, обладает специализированный фотодиод ФД-293 («Полет-9») и преобразователь ОПП-94К (не более 10-15 нм по уровню 0.5 от максимума спектральной характеристики).

9. Показано, что наименьшими абсолютными значениями отклонений от усредненной градуировочной характеристики обладают ОПП-94К, ОПП-82, в которых применен фотодиод ФД-293 («Полет-9»). В диапазоне измеряемых температур 1273К-Н423К (1000ч-1150°С) абсолютная величина отклонения градуировочной характеристики ОПП-94К от усредненной стандартной градуировочной характеристики не превышает 2К. При этом основная доверительная инструментальная погрешность в диапазоне измеряемых температур 1273КН 423К (1000-И 150°С), при применении локальной поверочной схемы с АЧТ на точках плавления чистых металлов, снижается практически в 2 раза и не превышает ±5.5К.

Ю.Предложены пути дальнейшего развития средств оптической пирометрии для применения в САУ ГТД. Одним из вариантов которого является создание интегрированной оптико-электронной системы, включающей в себя функции первичного преобразователя - ОПП и блока обработки сигнала. В системе предполагается использовать новейшие многоспектральные фотоприемники, выполненные в виде монолитной структуры, позволяющие реализовать режимы работы, совмещающие в себе принципы яркостной пирометрии и пирометрии спектрального отношения, что позволит снизить методическую погрешность.

11 .Разработанные экспериментально-расчетные методики, специализированный фотоприемник ФД-293 «Полет-9» АДБ 368.245 ТУ, локальные поверочные схемы с применением образцовых средств измерений (группового компаратора, образцового пирометра), система контрольных допусков использовались при промышленном выпуске и эксплуатации оптических пирометрических преобразователей ОПП-94, ОПП-94К (8Г2.823.015 ТУ), ОПП-82 (8Г2.823.016 ТУ) на предприятии ФГУП УНПП «Молния». Результаты работы внедрены в эксплуатационных документах руководстве по эксплуатации (8Г2.823.015РЭ) применяемых, при контроле 01111 в эксплуатации на предприятиях - заказчиках ОАО «АВИАДВИГАТЕЛЬ», ОАО «ПЕРМСКИЕ МОТОРЫ», г. Пермь, ТМКБ «СОЮЗ», г. Москва, СНТК им. Н.Д. Кузнецова, г. Самара.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреева, Татьяна Петровна, 2002 год

1. Разработка радиационного пирометра для исследования газотурбинных лопаток / ЦИАМ, Изд. ЦИАМ. Технический перевод № 30237.-М. - 1972.-129с.: ил.- Пер. доклада RDR, 1698 фирмы SOLAR.

2. Радиационный пирометр для турбинных лопаток. / Рыбинское МКБ, ОНТИ. -Технический перевод №1333. 1985.- 12с.- Пер. Спецификации ACS.20082, двигателя RB 199-34R фирмы Роллс-Ройс.

3. Заказы на оптические датчики //Срочная информация /М.: ЦИАМ.-1978.-№ 2.- С.12-14.

4. Метод контроля температуры лопаток ГТД. // Авиационные материалы/ М.: ВИАМ. 1977.- № 24(645).- С. 15-16.

5. Оптический пирометр для измерения лопаток турбины ГТД. // Срочная информация /М.: ЦИАМ. 1980.-№ 51.- С. 3-4.

6. Curwen K.R. Turbine Blade Pyrometer System in the Control of Concorde Engine //Instrumentation for Airbreathing Propulsion.-1978.- v.34.- pp.399-406.

7. Curwen K.R. Turbine Blade Radiation Pyrometer System //Aircraft Engineering.-1972.-№ 12.- pp.369-377.

8. Thinking Engine Health? think Smiths Industries //INTERAVIA.-1980.- № 5.-p.429.

9. Kats. Experiences in the Design and Application of Turbine Blade Pyrometers //Instrumentation for Airbreathing Propulsion.-1978. v. 34.- pp. 410-418.

10. Turbine blade pyrometry. Negretti & Zambra <Aviation> Ltd., Land Pyrometers Ltd. / Проспект фирмы.- 1980.- 4c.

11. ИК-датчик вместо термопар для температурного контроля реактивных двигателей //Электроника.- 1978.-№ 1 (51).- С.5-6.

12. Buchele D.R. Lesco D.J. Pyrometer for Measurement of Surface Temperature Distribution on a Rotating Turbine Blade //Instrumentation for Airbreathing Propulsion.-1978. v. 34- pp. 347-354.

13. OCT 1.0404-86. Преобразователи оптические пирометрические для бесконтактного измерения температуры поверхности лопаток турбины газотурбинных двигателей. Параметры, размеры и технические требования .-Введ.-01.02.86.- 24с.

14. Разработка оптического пирометрического преобразователя ОПП-94 и средств метрологического обеспечения: Итоговый отчет о ОКР / УАКБ «Молния»; Рук. Штоль В.И.- ГР №Е66048, Уфа, 1987.- 66с. (Андреева Т.П. - разделы 1, 2, 3, 4, 5).

15. ТУ 8Г7.520.004. Линза лейкосапфировая. Введ. - 01.06.85.- 32с.

16. Волоконные световоды для применения в оптическом пирометрическом преобразователе: Отчет ОКР /УАКБ «Молния»; Рук. Еремин B.H.-TF №Е28840.-Уфа, 1981. 55с. (Андреева Т.П. - разделы 1,2.3,4).

17. ТУ ИАЖЮ.20037 0006 (АЦ0.593.013ТУ).Жгут волоконно-оптическш термостойкий. Введ. - 01.01.91. - 24с.

18. ТУ 8Д4.48.466. Рукав. Введ. 01.06.85.- 14с.

19. Walters S. New Instrumentation for Advanced Turbine Research. //Mechanica Engineering.-1983. 105,- №2.-pp.43-51.

20. Вендленд Дж. Светочувствительный датчик в виде пары кремниевьи фотодиод -операционный усилитель // Электроника,- 1971.- Т.44.- № 11. С.30.

21. ТУ 25-11 (ПУЗ.390.247).Термобатарея Стрела. Введ. - 01.05.85. - 25с.

22. А.С. 1319761 СССР, МКИ HOI L 35/34. Каскадная термоэлектрическая батарея /Андреева Т.П., Данилов Н.П., Ефремова JI.JI., и др.; -№ 3959864/2425; Заявлено 07.08.85. Опубл. в Б.И. 23.06.87, Бюл. №23.-4с.: ил.

23. А. с. №1205653 СССР МКИ G01J 5/14. Способ измерения температурь лопаток ротора ГТД и устройство для его осуществления /Дунаев В.В Губайдуллин И.Т., Валеев М.Т. и др. (СССР).-№3679461/24-25 Заявл.27.12.83; Опубл. в Б.И. 15.01.86. Бюл. №2.-4с.: ил.

24. А. с. №1450469 СССР. МКИ F01D 25/00. Устройство для контроля температуры рабочих лопаток газовой турбины /Шипигусев В.А., Литвинов B.C., Марфин Ю.Н. и др. (СССР).- №3987661/24-06; Заявл.4.11.85; Опубл. в Б.И. 7.01.89. Бюл. №1.-4с.: ил.

25. А. с. №1452256 СССР. МКИ F01D 19/00. Устройство для контроля температуры рабочих лопаток газовой турбины /Саженков А.Н., Ханнанов М.М., Шипигусев В.А. и др. (СССР).- №4125473/25-06; Заявл. 2.07.87; Опубл. в Б.И. 15.01.89. Бюл. №2.-6с.: ил.

26. А. с. №1485758 СССР. МКИ G01 J19/00. Устройство для измерения температуры лопаток газотурбинного двигателя /Ханнанов М.М., Дунаев В.В., Валеев М.Т. и др. (СССР).- №4300953/24-25; Заявл. 31.08.87; Опубл. е Б.И. 7.06.89. Бюл. №21.-7с.: ил.

27. А. с. №1609276 СССР. МКИ G01 J5/14. Способ измерения температурь лопаток ротора газотурбинного двигателя /Губайдуллин И.Т. и др. (СССР).-№4479447/40-25; Заявл. 07.09.88; Опубл. в Б.И. 23.11.90. Бюл. №43.-8с.: ил.

28. А. с. №1745052 СССР. МКИ G01 J5/14. Способ измерения частоть электрического сигнала и устройство для его осуществления /Губайдуллиь И.Т. и др. (СССР).- №4620164/21; Заявл. 14.12.88; Опубл. в НПО «Поиск» 30.06.92. Бюл. №24.-14с.: ил.

29. МИ 187-79.Методика. Критерии качества поверки средств измерений. М. Изд-во стандартов. Введ. 30.03.79.-12с.

30. Уразбахтин Р.Н. Модели и средства информационной обработки для построения оптических пирометрических систем измерения температуры лопаток ГТД : Дисс. канд. техн. наук. Уфа, 1996.-167с.

31. Разработка ФЭП: Отчет о ОКР (Промежуточный) /УАКБ «Молния»; Рук. А.И. Фролов. № 230-01-83. Уфа, 1983.-45с.

32. Смолин О.В., Таубкин И.И. Расчет характеристик фотоприемных устройств на основе пары фотодиод-операционный усилитель // Оптико -механическая промышленность -Л., 1979. № 9- С.52-57.

33. Чернов Е.И. Прецизионные фотоприемные устройства на основе фотодиодов // Обзоры по электронике. Серия 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. (16180, М.: ЦНИИ Электроника) 1991.-Вып. 2.-С.22-45.

34. ГОСТ 17772-88. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик. Введ. -01.07.89.-35с.

35. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Учебное пособие для вузов. Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние).- 1977.-600с. : ил.

36. Анализ составляющих погрешности оптического пирометрического преобразователя: Отчет. ОКР / УАКБ «Молния», НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева»; Рук. Штоль В.И. ГР №Е59836, -Уфа, Л., 1987.- 62с. (Андреева Т.П.- разделы 1, 2, 3, 4, 5).

37. Исследование оптических компонентов оптического пирометрического преобразователя с целью повышения его метрологических характеристик: Отчет о НИР / БГУ; Рук. Бахтизин Р.З. ГР № 01.84.0 074972.- Уфа, 1987.-70с.

38. Аксененко М.Д., Бараночников M.JI. Приемники оптического излучения: Справочник: М.: Радио и связь, 1987.-296с.: ил.

39. ТУ АДБ№. 368.245. Фотодиод ФД-293. Введ. - 01.01.89.-45с.

40. Хасстингс Н., Пикок Дж. Справочник по статистическим распределениям / Пер. с англ. А.К. Звонкина. М.: Статистика, 1980. - 96с.: ил.

41. Иванова В.М., Калинина В.Н., Нешумова J1.A. и др. Математическая статистика.- 2-е изд. М.: Высшая школа, 1981.-371с.: ил.

42. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ.-М.: Мир, 1989. 540с.: ил.

43. Рибо Г. Оптическая пирометрия.- М.: Гостехиздат, 1934.- 195с.: ил.

44. Гордов А.Н. и др. Методы измерения температур в промышленности. М.: Изд-во Металлург, 1952.- 215с.: ил.

45. Свет Д.Я. Объективные методы высокотемпературной пирометрии. М.: Изд-во Наука, 1968.- 295с.: ил.

46. Хадсон Р. Инфракрасные системы. М.: Изд-во Мир, 1972.- 534с.: ил.

47. Гроссорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц.- М.: Мир, 1988.-416с., ил. Криксунов JT.3. Справочник пс основам инфракрасной техники. -М.: Советское Радио, 1978.-400с.: ил.

48. Энергетический расчет оптического пирометрического преобразователя Отчет ОКР / УАКБ «Молния»; Рук. Губайдуллин И.Т. ГР №Е316. Уфа 1982.- 55с. (Андреева Т.П. - разработка методики расчета).

49. Исследование оптических компонентов оптического пирометрическогс преобразователя с целью повышения его метрологических характеристик Отчет о НИР / БГУ; Рук. Сагитов Р.Г.- Уфа, ГР. №01.84.0 074972, 1986,- 88с (Андреева Т.П. введение, раздел 3).

50. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. Л.: Наука 985.-112с.

51. Киренков Н.И. Метрологические основы оптической пирометрии. М.: Изд во стандартов. 1976. - 121с.

52. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука. 1982.-295с.: ил.

53. Саяпина В.И., Ежова Т.Н., Свет Д.Я. Зависимость поправок на излучательную способность от температуры // Сб. Объективные методы пирометрии излучения металлов. М.: Наука. 1976.-С.20-25.

54. Брамсон М.А. Инфракрасное излучение нагретых тел. М.: Изд-во Наука, 1964.- 313с.: ил.

55. Математическая статистика: Учебник /Иванова В.М., Калинина В.Н., Нешумова JI.A. и др. 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1981.-371с.: ил.

56. МИ 188-79. Методика установления допускаемой погрешности поверки средств измерений.- М.: Изд-во стандартов. -Введ. 29.07.1979.- 12с.

57. Ю-30.67.063. Комплекс спектрально-вычислительного КСВУ-23.Техническое описание и инструкция по эксплуатации, ЛОМО, 1988.- 22с.

58. Измерение параметров приемников оптического излучения / Н.В. Васильченко, В.А, Борисов, Л.С. Кременчугский и др. Под ред. Л.Н. Курбатова, Н.В. Васильченко.- М.: Радио и связь, 1983.-320с.: ил.

59. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. -М.: Советское Радио, 1978.-400с.: ил.

60. Андреева Т.П., Исанин В.Г. Вопросы метрологического обеспечения пирометрических измерений температуры лопаток ГТД. // Авиационная промышленность, 1984.-№ 10.-С.21-23.

61. Установки с излучателями типа черного тела для проверки пирометров в диапазоне температур 573-2773К. / Амброк Г.С., Бароненкова Ю.Д., Гоголев H.JI. и др. // В кн.: Методы и средства оптической пирометрии. М.: Наука, 1983.-С.93-102.

62. Андреева Т.П., Исанин В.Г., Чистяков В.А. // Метрологическое обеспечение производства и эксплуатации пирометров типа ОПП. Авиационная промышленность. 1989.- N6.- С.66-67.

63. Излучатели для градуировки пирометров частичного излучения при эксплуатации ГТД: Тех. отчет / ЦИАМ; Рук. В.А. Сосунов № НТО 4912-10-86.-М, 1986.-46с.

64. A Simple Secondary Standard Radiation Thermometer For Us In Industrial Standards Laboratories. Michael. E. Brown. // Symposium On Major Problems Of Present-day Radiation Pyrometry. M.: 1986. - C.46-54.

65. OCT 1.02701-90. Отраслевая система обеспечения единства измерений. Ведомственная поверочная схема для пирометров в диапазоне температур от 933 до 2273 К. Введ. 01.01.91. 25с.

66. Техническое описание и инструкция по эксплуатации Хд 2.991.024 ТО. Исходная образцовая мера температуры затвердевания меди t = 1084,62°С (Т=1357,77 К) типа РЭИ АЧТ Медь. / НПО «ВНИИМ им Д.И. Менделеева».-1992,- 20с.

67. Техническое описание и инструкция по эксплуатации Хд2.991.024 ТО. Исходная образцовая мера температуры затвердевания серебра при 1=961,78° С (Т=961,78К) типа РЭИ АЧТ Серебро. / НПО «ВНИИМ им Д.И. Менделеева»,- 1992.- 20с.

68. Коган А.В. Градуировка и поверка пирометров излучения для близкой инфракрасной области спектра по температурным лампам. //Измерительная техника.-1976.-№4. -С. 53-55.

69. А. с. 1542204 СССР, МКИ G01J 5 /60. Пирометр спектрального отношения /Р.З.Бахтизин, Р.Г.Сагитов , М.В.Долгов , Ю.М.Попов , В.Н.Селезнев Т.П.Андреева (СССР).-№42007699/31-25; Заявл. 09.03.87, Опубл. в Б.И. 7.02.90. №.5.-6с.: ил.

70. Измерение температуры рабочих лопаток ГТД. /Асланян Э.В., Парфенов Г.Б., Кумунжиев К.В., Токарев В.П. //Авиационная промышленность. 1978.-№2,- С. 32-33.

71. Исследование пирометрического канала измерения температуры лопаток турбины в системе ТРДД. /Августинович В.Г., Девятьяров В.Б., Латышев В.Г. и др. // Авиационная промышленность.- 1983.- №9.-С. 31-33.

72. Dixon J. Industrial Radiation Thermometry // Means. + Contr., 1987, 20, № 6, pp. 11-16.

73. John V.Collins, Coral L. Martinez, Aaron Schwartzbart. Results of Pyrometer Tests in Simulated Rocket Engine Turbopump Environment. //AIAA-90-2231 .-1990.-pp. 23-24.

74. Исследование оптических систем пирометров ОПП-94К, 0704 AM, TR-109. /Техническая справка № 30145 //ОАО «АВИДВИГАТЕЛЬ», Пермь, 1996.-35с.

75. Стендовые испытания бихроматического пирометра фирмы «ОКСИТРОЛЬ» и монохроматического пирометра фирмы «РОУЗМАУНТ» в составе двигателя ПС-90А. /Технический акт № 29742 //ОАО «АВИАДВИГАТЕЛЬ», Пермь, 1996. 25с.

76. Оптические характеристики волоконных световодов в металлическом покрытии и их оптимизация. /Ерофеева Е.Ф., Кондратьев Ю.Н., Комаров А.В. и др. //Вестник «ноу-хау», М.: 1993.-№ 5 (Вып. 7). С. 41-43.

77. Разработка вариантов архитектурной реализации процессора сигналов пирометра. /Техническая справка № ТС-2-92 //НЦ СМКТ «АКСОН», Уфа, 1992. Юс.

78. Сборник переводов рекламных проспектов зарубежных фирм производителей средств оптической пирометрии. № 93-01/СБ //Предприятие «АВИАПИРС Лтд.», Уфа.- 1993.-150с.: ил.156

79. Чапирел М., Вильгельм Ж. Пирометр инфракрасного излучения для измерения температуры лопаток турбины. //MESURES, REGULATION, AUTOMATISME, 1976. AVRIL.- № Т-4. С.41-50.