СВЧ датчик плотности теплового потока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Станченков, Михаил Александрович

• Станченков, Михаил Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Станченков, Михаил Александрович

Введение

Глава 1 Особенности контроля температуры в камерах сгорания тепловых энергетических установок.

1.1 Принципы термоконтроля.

1.2 Термодатчики.

1.3 СВЧ диагностика процессов горения в ТЭУ.

1.4 Ресурс датчиков плотности теплового потока.

Глава 2 Анализ динамических характеристик СВЧ автогенераторных датчиков температуры пламён.

2.1 Основные типы автогенераторных датчиков. Классификация.

2.2 Физическая модель датчика.16 !

2.3 Принцип действия датчика.

2.3.1 Динамика датчика в рабочем режиме.

2.4 Датчик с выносной антенной в автодином режиме.

2.5 Антенна - чувствительный элемент датчика.

2.5.1 Конструктивные параметры щели в кольцевой щелевой антенне.

2.6 Динамический режим датчика с выносной антенной.

2.6.1 Предварительные замечания.

2.6.2 Уравнение движения ДАТ в неавтономном режиме.

2.6.3 Приближённое решение уравнения диодного автогенератора в неавтономном режиме.

2.6.4 Формирование откликов автодинного датчика на контролируемое и помеховые воздействия.

2.6.4.1 Отклик резонатора на воздействие тепла и вибрации.

2.6.4.2 Отклик датчика на воздействие собственного радиоизлучения пламени (СРП).

2.6.4.3 Главный компонент автодинного отклика в измерительном сигнале.

2.7 Датчик со встроенной антенной.

2.8 Выводы по главе 2.

Глава 3 Спектр и информационное содержание измерительного сигнала.

3.1 Состав и контролируемая полоса спектра.

3.2 Качественное представление структуры измерительного сигнала.

3.2.1 Форма спектра суммарного отклика.

3.3 Отклик датчика при совместном воздействии температуры и концентрации электронов.

3.4 Спектр измерительного сигнала при помеховом вибровоздействии на датчик.

3.5 Информационные характеристики контрольного сигнала, как критерии эффективности датчика.

Глава 4 Экспериментальные оценки функциональных возможностей СВЧ датчиков плотности теплового потока.

4.1 Датчик в составе многоканальной системы контроля.

4.2 Экспериментальные результаты и имитационное моделирование.

4.2.1 СВЧ датчики параметров пламён.

4.2.2 Имитационная модель датчика плотности теплового потока.

Выводы по диссертации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «СВЧ датчик плотности теплового потока»

Развитие теплоэнергетики во второй половине 20-го века наряду с грандиозными успехами характерно участившимися авариями и катастрофами. Наибольшее внимание широкой публики здесь устойчиво привлекают атомные и космические тепловые энергетические установки, третье место принадлежит авиации. Долгое время (в течение десятилетий) главной причиной аварий считался человеческий фактор: безответственность и/или некомпетентность исполнителей в основном низшего производственного звена. Соответственно средством снижения аварийности мыслились в основном административные меры, главным образом потому, что их суть и значимость были понятны высшему руководству, включая лиц, приближённых к генеральным конструкторам. Однако существенных изменений эти меры не давали и за 50 лет космонавтики на 6039 стартов имело место около тысячи аварий.

В российской космонавтике изменение ( вернее, зачатки изменений) такого подхода инициировано четырёхкратным неудачным стартом ракеты «Протон» (семидесятые годы 20-го века) и последовавшим отказом от «Лунной программы» - высадки российских (тогда - советских) космонавтов на Луну. В атомной энергетике рубежом стала Чернобыльская катастрофа.

Думающие инженеры-практики обратили внимание и количественно оценили быстроту аварийных процессов в сопоставлении с быстродействием контрольной аппаратуры и управляющих средств автоматики ТЭУ. Таковое оказалось неблагоприятным.

Более глубокое теоретическое обоснование ситуации в энергетике было сделано нобелевским лауреатом И. Пригожиным, создателем нелинейной (неравновесной) термодинамики.

С точки зрения современной термодинамики, ТЭУ представляет собой неравновесную открытую систему. «Неравновесностъ» означает отсутствие симметрии состояний системы во времени ( «назад пути нет»). «Открытость» означает наличие обмена между термодинамической системой (ТДС) и окружающей средой веществом и энергией (в терминах классической термодинамики это называется тепломассообменом).

Неравновесные ТДС существуют наряду с равновесными (РТДС). Они различаются отношением к внешним возмущениям (флуктуациям). РТДС обладают свойством устойчивого равновесия, к которому они возвращаются из флуктуирующего возмущения. Это состояние соответствует максимумам энтропии (беспорядка) или термодинамического потенциала. НТДС неустойчивы и под действием возмущений образуют новые структуры (например, обломки), то есть флуктуациям соответствует диссипация (потери -по-видимому, энергии), а в результате система становится ещё и диссипативной.

РТДС и НТДС различаются также величиной корреляции (И. Пригожин говорит о «когерентности»). У РТДС (по Пригожину) корреляция короткая, то есть система быстро «забывает» свои прежние состояния. У НТДС «долгая память» (обломки - диссипативная структура - вечны). Поскольку в НТДС флуктуации могут вызывать необратимые переходы в новое состояние (заглохший двигатель), то отклики на флуктуации и сами флуктуации нужно изучать. И.Пригожин даже считает, что свойства НТДС, связанные с этими откликами, важнее, чем свойства в квазиустойчивом (номинальном рабочем) состоянии. Отсюда важность контроля совокупности флуктуаций, то есть их спектра или хотя бы его части, и далее - построения достаточно широкополосных контрольных систем и быстродействующих средств автоматики.

Интересующие теплофизиков и потому прежде всего подлежащие контролю параметры ТЭУ: температура Т , давление Р , объём V и число частиц в единице объёма N связаны между собой законами газового состояния, широко известными по именам их открывателей - Бойль, Мариотт, Гей-Люссак, Авогадро. Контроль флуктуаций этих параметров в достаточно широкой полосе - цель диагностики ТЭУ. К настоящему времени созданы быстродействующие (широкополосные) датчики только давления.

Существенным свойством большинства ТЭУ является наличие химических реакций, но их быстрый контроль лежит вне возможностей радиотехники. Взгляды Пригожина не расходятся с требованиями практики. Действительно, для поддержания номинального режима горения ТЭУ, в том числе транспортного назначения, оснащены многочисленными контрольными и управляющими устройствами. Однако в начале 80-х годов, то есть во времена «зрелости» космической техники, с точки зрения освоения околоземного пространства, были выделены значительные средства на поисковые и исследовательские работы, которые впоследствии должны были привести к разработке быстродействующих (широкополосных) измерителей, удовлетворяющих многочисленным конструктивным и эксплуатационным особенностям космической техники. Аналогичные меры были осуществлены и , как выяснилось, дали хорошие результаты в США.

Нелинейности в ТЭУ порождены мощностью, но не только. Мощность струи РД крупных самолётов - сотни МВт, у стартовых космических РД - доли или единицы ТВт (1012 Вт). При облучении плазмы пламени радиоволнами доступных в РД мощностей излучения, говорить о нелинейных эффектах, казалось бы не стоит. Но скорость распространения электромагнитных волн и диэлектрическая проницаемость пламени зависят от частоты соударений явно нелинейно. Автор текста наблюдал лабораторный стенд с РД, в камеру которого вводили АМ радиоизлучение небольшого (единицы Вт) КВ - передатчика. В рёве РД чётко прослушивалась частота модуляции, то есть имела место демодуляция (детектирование).

Применение средств радиоэлектроники СВЧ и использование при этом методов радиолокации отвечает задаче построения высокоинформативных контрольных систем, которые на данном этапе обладают быстродействием, на много порядков лучшим, чем это требуют теплоэнергетики и во столько же раз превосходящим быстроту средств автоматики (клапаны, реле и т.д.).

Цель и задачи диссертационной работы Цель работы:

Создание научно-обоснованных схемы и конструкции ТД, 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.

Научные задачи:

• Оценка электрофизических свойств пламени, включая выявление спектрально-корреляционных характеристик температуры и других факторов, как возможных источников помех;

• Выработка технических предложений по схеме и конструкции ТД с термозависимой антенной;

• Построение физической модели ТД при динамическом нагреве и комплексе помех;

• Спектрально-корреляционный анализ динамики ТД, установление структуры контрольного сигнала;

• Формулировка диагностического принципа (оценки) эффективности ТД, определение информационной плотности контрольного сигнала и информационной производительности ТД;

• Доработка схемы и конструкции ТД с улучшенными информационными показателями и с учётом его применения в составе многоканальной диагностической системы.

N. с \ I

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Станченков, Михаил Александрович

Выводы по диссертации

1. 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 неустойчив. Тем не менее и эти факторы доступны для радиоволнового контроля."

2. Выбраны два варианта схемно-конструктивных реализаций ТД. 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 термочувствительность на 1-2 порядка выше, чем автодинный, тогда как второй вариант по своей конструкции предпочтителен для высокотемпературных (более 1000° С) пламён.

3. Построенная физическая модель ТД 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. Особенность помех: различные физические механизмы формирования откликов.

4. Математическая модель ТД 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 ТД, 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 ТД. Существенное влияние на спектр оказывают продукты корреляции помех с полезным компонентом отклика и между собой.

5. С учётом современного подхода к диагностике потоковых технологических процессов, высокого уровня помех и специфики их спектра, обобщённым критерием эффективности ТД 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 ТД. Это делает ТД перспективным в плане дальнейшего совершенствования его самого и системы контроля режима ТЭУ в целом.

6. По результатам анализа, натурных и имитационных экспериментов выявлены основные пути совершенствования ТД 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 литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Станченков, Михаил Александрович, 2012 год

1. Александров А.Ф., Богданкевнч Л.С., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы. М.: ВШ, 1978.

2. СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчёт. // Под ред. И.В. Мальского, Б.В. Сестрорецкого. М.: Сов. Радио, 1969.

3. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1978.

4. Михеев А.А. Согласование производительности датчиков с пропускной способностью группового тракта. // Датчики и системы, 2008, т.6, №4 с. 75-79.

5. Ершов А.М., Маслов А.А., Савлуков А.С. Радиочастотная концентратометрия технологических водных растворов. // Датчики и системы, 2007, т.5, №11, с. 17-21.

6. Zoughi R. Microwave non-destructive testing and évaluation. // Kluver Academic Publ., 2000.

7. Nyfors E., Vainikainen P. Industrial Microwave Sensors. // Norwood. Artech House, 1989.

8. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: ИИЛ, 1963.

9. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. Учебное пособие. // Под ред. В.Н. Кулешова, Н.Н. Удалова. М.: Изд. Дом МЭИ, 2008.

10. Болознев В.В. Функциональные преобразователи на основе связанных генераторов. М.: Радио и связь, 1982.

11. Пригожин И. Современная электродинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / И. Пригожин, Д. Кондепуди. М.: Мир, 2002.

12. Теплоэнергетика и теплотехника: спр. серия в 4-х кн. / под общей ред. А.В. Клименко, В.М. Зорина 3-е изд. перераб. и доп. М.: Изд - во МЭИ, 2000.

13. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы / пер. с англ. / под ред. Семендяева. 5-е изд. М.: Наука, 1978.

14. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. Изд. 5-е, стереотип. М.: Наука, 1971.

15. Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые передатчики. М.: Радио и связь, 1981.

16. Бершин В.Е., Суслов Д.И. Интегральные термодатчики и термоконтроллеры. // Приб. и Сист. Упр. 1998. №4. с. 41-45.

17. Малахов А.Н. Флуктуации в автоколебательных системах. М.: Наука, 1968.

18. Вентцель Е.С. Теория вероятностей и её инженерные приложения: учеб. пособие для студ. ВУЗов / Е.С. Вентцель, JI.A. Овчаров. М.: Академия, 2003.

19. Дворников A.A., Уткин Г.М. Автогенераторы в радиотехнике. М.: Радио и связь, 1991.

20. Хотунцев IO.JL, Тамарчак Д.Я. Синхронизированные генераторы и автодины на полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь, 1982.

21. Дворников A.A., Уткин Г.М. Фазированные автогенераторы радиопередающих устройств. М.: Энергия, 1980.

22. Жарков Ф.П., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф., Панов B.C. Использование виртуальных инструментов LAB WIE V. М.: Солон-Р, Радио и связь, Горячая линия -Телеком, 1999.

23. Минаев М.И. Генераторы СВЧ с внешней дополнительной обратной связью. // Минск: Выша школа, 1984.

24. Носков В.Я. Анализ проблем использования автодинов в радиоволновых датчиках технологических процессов. // Радиотехнические системымиллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Сб. научн. трудов. Харьков: ИРЭ АН Украины, 1981, с.48-56.

25. Курокава Т. Принудительная синхронизация твердотельных СВЧ -генераторов. // ТИИЭР, 1973, т.61, №10, с.12-40.

26. Болознев B.B., Чабдаров А.Ш. Датчик диэлектрической проницаемости потока ионизированного газа // Приборы и техника эксперимента. 1992.№5. с.149-152.

27. В.Е. Зарко, Д.В. Вдовин, В.В. Петров. Методические проблемы измерения скорости горения твёрдых топлив с использованием СВЧ-излучения. // Физика горения и взрыва, 2000, т.36, №1, с.68-78.

28. Мальцев В.М. Фундаментальные основы диагностики быстропротекающих процессов. //ПСУКД. 2001. №8. с.67-72.

29. Резников Г.В. Самолётные антенны. // М.: Сов. Радио, 1962.

30. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа, 1988.

31. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах. // Пер. с англ. М.: Мир, 1984.

32. Воробьёв Н.Г., Авксентьев А.А., Стахова Н.Е. Проектирование слабонаправленных невыступающих антенн. Казань. КАИ. 1984.

33. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. М.: Радио и связь, 1982.

34. Болознев В.В., Гафуров Р.А., Законов М.А., Григорьев В.В. Устройство для контроля процесса горения в камере сгорания // Авт. Св. 1283496, БИ, №21, 1986.

35. Болознев В.В., Законов М.А., Романычев А.Д. Устройство контроля процесса горения // Авт. Св. 1575007, БИ №24, 1990.

36. Воронков С.И. Измерение динамических тепловых потоков датчиками с чувствительными элементами на поверхности. // Физика горения и взрыва №5, 1993.

37. Викторов В.А., Лункин Б.В., Савлуков A.C. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энерговатомиздат, 1989.

38. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.

39. Застела М.Ю., Анфиногентов В.И. Механические воздействия и защита радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры. Казань. КАИ. 1992.

40. Застела М.Ю., Сапаров В.И. Испытания радиоэлектронной аппаратуры и испытательное оборудование. Казань. КАИ. 1982.

41. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник.М.: Техносфера, 2005.

42. Голант Н.Е. СВЧ диагностика плазмы. М.: Наука, 1968.

43. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1978.

44. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Л., М.: Госэнергоиздат, 1959.

45. Болознев В.В., Сафонова Е.В. Выбор электротехнических материалов для СВЧ датчиков высокотемпературных технологических потоковых процессов. // Межвузовский сборник научных трудов, посвященный 110-летию В.К. Зворыкина. Муром. Россия. 1999. с.84-90.

46. Лыков A.B. Теория теплопереноса. М.: Высшая школа, 1967.

47. Болознев В.В., Пикулев А.Н., Романычев А.Д. Автогенераторные преобразователи в исследованиях пламён. Автоколебательные системы и усилители в РПДУ. // Сб. научн. трудов № 180. М.: МЭИ, 1988.

48. Сафонова Е.В. Теплостойкие СВЧ датчики систем контроля режимов горения. // Диссертация в виде научного доклада на соискание учёной степени кандидата технических наук. КГТУ, Казань, 2003.

49. Boloznev V.V, Safonova E.V., Stanchenkov M.A, Sultanov F.I. Signal processing principal in a microwave autodyne sensor // Abstracts andproceedings of the 19th European frequency and time forum, Besancon, France,2005.

50. 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.

51. 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 20-th European frequency and time forum, Braunschweig, Germany, 2006.

52. Станченков М.А., научный руководитель к.т.н. проф. Болознев В.В. Датчик температуры // Материалы четырнадцатой международной молодежной научной конференции: Туполевские чтения, Казань, Россия,2006, том 5.

53. Султанов Ф.И., Станченков М.А. Информационная производительность СВЧ датчиков параметров пламён. // Инфокоммуникационные технологии № 4, Самара, Россия, 2009.

54. 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.

55. 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.

56. Станченков М.А., Султанов Ф.И. Оценка эффективности датчиков температуры и концентрации электронов в камере сгорания. Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева, 2009, №4.

57. Болознев В.В., Застела М.Ю., Станченков М.А., Султанов Ф.И. Измерительный и помеховые отклики СВЧ автодинного датчика. Сб. материалов МНТК «Диагностика-2009», Курск, 2009.

58. Болознев В.В., Мирсаитов Ф.Н., Сафонова Е.В., Сулейманов С.С.,Султанов Ф.И., Станченков М.А. Датчик параметров пламени. Свид. о полезной модели, №77419, 2008.

59. Boloznev V.V., Safonova E.V. Diode SHF-active oscillator with multilink resonator in autodine mode. // Proc. of Int. Symp. AFC and SG. , St-Peterburg, Россия, 1998.

60. Boloznev V.V., Safonova E.V. Microwave oscillator as a sensor electrophysics flow parameters. //Proc. of 13-th EFTF Symp., France, Besancon, 1999, p.1062-1065.

61. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трёх томах. Т.1(кн. 1) / Под общ. ред. Ю.Н.Коптева; Под ред. Е.Е. Багдатьева, A.B. Гориша, Я.В. Малкова. М.: ИПРЖР, 1998. - 458с.

62. Ярышев H.A. Теоретические основы измерения нестационарных температур. -М.: Энергия, 1967.

63. Садриев Р.Ш. Экспериментальное определение температуры плазменного столба в установках для плазменной резки и сварки металлов. Вестник КГТУ им. А.Н.Туполева, 2007, №4, с. 10-12.

64. Морозов О.Г., Хайруллин Н.Г., Кривенков М.В., Ильин Г.И., Дорогов Н.В. Автоматизированная система управления участком термической обработки самолётостроительного предприятия.// Современные технологии автоматизации, №3, Москва, Россия, 2008.

65. Петровский В.И., Седельников Ю.Е. Электромагнитная совместимость электронных средств -//Учебн. пос. -М.: Радио и связь, 1986.

66. Safonova E.V. Minimization of an autodine sensor's error, stipulated by the antenna heating. //Proc. of the 14-th EFTF and IEEE Frequency Control Symp., Italy, Torino, 2000, p.241-245.

67. Коган И.М. Теория информации и ближняя радиолокация. М.: Сов.радио, 1968.

68. Болознев В.В., Салахов А.Р., Чабдаров А.Ш. Программируемый детекторный блок. ПТЭ, №5,1992.

69. Станченков М.А. Датчик контроля режима тепловой энергетической установки / Болознев В.В., Мирсаитов Ф.Н., Сафонова Е.В., Султанов Ф.И., Сулейманов С.С. Полезная модель № 77419, опубл.20.10.2008.