Модель цепи формирования сигнала фотоприемника

Фотоголовка устанавливается на двигателе так, чтобы ее ось визирования была направлена на участок лопатки, температуру которого нужно измерить. Установка фотоголовки определяет углы визирования. Схема формирования сигнала фотоэлектрического пирометра приведена на рис.7.6.

Рис. 7.6. Формирование сигнала пирометра

Фокусное расстояние линзы, телесный угол фотоголовки и расстояние до лопатки определяет диаметр пятна визирования.

Излучение с площади пятна диаметром d фокусируется линзой и диафрагмой на фотодиод, преобразуется последним в электрический сигнал, который в свою очередь поступает на вход предварительного усилителя.

Фотоприемник и объект измерения связаны оптическим каналом. Модель цепи формирования сигнала ФЭП в статике представлена на рис.7.7.

Рис.7.7. Модель цепи формирования сигнала пирометра

Поверхность лопатки неизотермична, причем разность температур по диаметру пятна визирования может достигать значительной величины. Поэтому, рассмотрев пятно в виде совокупности элементарных изотермичных участков dS_i с температурой T_i. можно отметить следующее.

Согласно закону Вина, элементарный участок dS_i излучает энергию E (dS_i):

, (7.1)

где λ – длина волны излучения, м; с ₁=(3,7413+0,0002) 10^-16 Вт м²;

с ₂=(1,4380+0,0001) 10^{-12 м град.}

Энергия излучаемая всем пятном площадью S, определяется интегрированием:

, (7.2)

Допуская, что энергия, излучаемая неизотермичной поверхностью, равна энергии, излучаемой изотермичной поверхностью с температурой Т _к, можно записать:

, (7.3)

где Т _к – кажущаяся температура неизотермичной поверхности.

Выражение справедливо при условии, что степень черноты поверхности материала лопатки ε=1. Если поверхность лопатки имеет степень черноты отличную от единицы, то энергия излучения зависит от степени черноты, формы поверхности, температуры окружающих элементов, конструкции двигателя.

С учетом эффективной степени черноты поверхности лопатки выражение (7.3)запишется в виде:

, (7.4)

где ε_эф – эффективная степень черноты. Тепловое излучение лопатки передается на фотоприемник по оптическому каналу, роль которого

выполняет промежуточная среда, состоящая из продуктов сгорания топлива. Обозначим коэффициент пропускания этого канала через К ₁. Несгоревшие частицы углерода имеют широкий спектр излучения, лежащий в области чувствительности фотоприемника. Дополнительное излучение Е_нч несгоревших частиц большой удельной мощности суммируется с излучением лопатки, создавая значительные помехи.

При вращении турбины изменяется расстояние от поверхности лопатки до линзы и углы визирования, что может привести к изменению величины энергии излучения, направленного в сторону фотоприемника. Данные изменения учтем коэффициентом К ₂.

Оптическая система характеризуется телесным углом ω, от величины которого зависит поток излучения, поступающий на фотоприемник:

. (7.5)

Величина телесного угла может быть определена через плоский угол 2γ:

, (7.6)

тогда выражение запишется:

. (7.7)

Так как геометрические параметры оптики постоянны, введем коэффициент К₃:

. (7.8)

Тепловое излучение поступает на линзу через защитное стекло. Оптическое стекло имеет коэффициент пропускания меньше единицы, кроме того, возможно закопчение стекла продуктами сгорания. Введем коэффициент К₄, учитывающий изменение пропускания оптики.

Тепловое излучение, воспринимаемое фотоприемником, определяется:

, (7.9)

где Ф_л – поток излучения поверхности лопатки; Ф_нч – поток излучения несгоревших частиц.

При отсутствии излучения несгоревших частиц тепловой поток определится:

. (7.10)

Таким образом, на формирование сигнала фотоприемника влияют следующие величины:

– степень черноты лопатки;

– флуктуации расстояния от поверхности лопатки до линзы;

– геометрические параметры оптики;

– излучение несгоревших частиц;

– распределение температуры по поверхности лопатки.

При известных коэффициентах, получаемых путем градуировок и экспериментальных исследований, тепловой поток можно однозначно связать с распределением температуры по поверхности лопатки и выходным сигналом фотоприемника.