WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«(ПЛАЗМЫ) Прага, 1 0. - 1 9. с е н т я б р я 1 9 7 9. Институт термомеханики Чехословацкой академик наук, Прага, ЧСС? + ) т ' tfstav tor'-'juoffieehaniky б SAY, PuS::inovo лап.9, Praha 6, PSC ...»

Международная летная школа

ДИАГНОСТИКА ВЫСОКОНАГРЕТЫХ ГАЗОВ

(ПЛАЗМЫ)

Прага, 1 0. - 1 9. с е н т я б р я 1 9 7 9 .

Институт термомеханики Чехословацкой академик наук, Прага,

ЧСС? + )

т

' tfstav tor'-'juoffieehaniky б SAY, PuS::inovo лап.9, Praha 6,

PSC 160 00, C03R

школа

НАУЧНЕЙ СОВЕТ ЛЕТНЕЙ

и ихал Мирослав, ч л е н - к о р р е с п. А Н ЧССР, докт.т.н., директор ИТ-ЧСАН,, председатель научного сонета Дунд р И р ж и, инж., к.т.н., КукоЕ Михаил Федорович, гчгшвнкй ученый с е к р е т а р ь СО АК СССР, ч л е н - к о р р е с п. Л Н СССР, п р о ф., Крацкк И р к к, проф., докт.т.н., Маштовский И р ас и, и н ж., к. т. к., Полашек Як, проф., докт., докт.т.н., о т г а р д I1 Л у д в и I1, д о к т., Р докт.м.сг.н., Солоухин Рем Иванович, ч л е п - к о р р е с п. Л Н CCCF } а к а д е м и к АН БССР, п р о ф., д и р е к т о р лТМО АН БССР Ша шк о а Анатолий Герасимович, чдеккорресп..!;Н БССР, п р о ф., докт.т.н., Ииха 11 и л о ш, д о ц е н т, д о к т., к С е к р е т а р ь i-колы: Ду ндр И р к и, инж., к.т.н., ОГЛАВЛЕНИЕ BLAHA J.: Определение состояния газа за ударными 1 волнами рефракционны?.::* оптическими методами VAI-7&C F., PELC Р. : Полупроводниковые датчики дав- 11 ления VOGEL J.: Численные методы обработки термометри- 21 ческих данных калориметрических зондов K V.:. Техника измерений интенсивных тепло- 31 вых потоков J U I D J.: Измерения давления в низкотемпературной D1JR 41 плазме JOIlIs P.: Классификация физического процесса по 50 свойствам его временных изменений КОНЬКОВ А.А.: Диагностика термической плазмы за 60 мощнкыми ударными волнами fif L.: Использование методов решения обратной 70 задачи теплопроводности при намерениях больших теплозых потоков J.: Ударные трубы - основные вопросы и 81 2IA§T0VSKJ?

контактная диагностика МЕЛЬНИКОВА Т.О., ПИКАЛОВ В.В.: Спектральная диаг- 91 носткка нестационарных и асимметричных плазменных объектов ROTHARDT L.: Измерения основных параметров слабо 101 ионизованного газа за ударными волнами с помощью специальных Б ОН Д О В SCHOVANEC К.: Радиометрические измерения интеграль- 111 кого излучения низкотемпературной плазмы ШАП1К0В А.Г.: Методы измерений тепловых потоков в 121 плазме

–  –  –

"ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ 'ГАЗА ЗА УДАРНКМИ ВОЛНАМИ РЕФРАКЦИОНКЧПСКйУ-И КЗТО.ДДМИ"

Кандидат технических наук Ян Блага Институт термомеханики ЧСАН, Прага б, пл.Пушкина,9, ЧССР Б экспериментальной динамике газов оптические методы играют большую роль при исследовании снимаемых сред. Причина заключается прежде всего в том, что они дают информацию о состоянии среды, не оказывая ка нае влияния ( за исключением применения очень мощных лаегроз), так как реагируют на изменение состояния без запаздывания БО времени;. Вто имеет особенно большое значение для тех случаев, когда в экспериментах используется ударная труба Б качестве источника rasa при высокой те7.гаературе .

Современные оптические методы базируются,как правило, на следующих физических явлениях:

- искривлении светового луча при прохождении неоднородной среды;

- изменении фазы световой волны по сравнению с невозмущекным пучком;

- рассеянии света на частицах среды;

- абсорбции света при прохождении среды .

Б дальнейшем подробно обсуждаются только те методк, которые кспользуют изменение фазы световой волны, проходящей чер-es нагретый газ .





Сряди оптических методов исследования оазоЕкх пеоднородностей наиболее точными являются интерференционные. Бее као~ гообразие интерференционных схем можно разделить на две основные группы: 1) с визуализацией поля и 2) с фотоэлектрической регистрацией. В каздом случзе регистрируемым параметром является непосредственно показатель преломления, то есть, в конечном счете, в нейтральном rase - его плотность, в ионизированном rase - как плотность, так и концентрация электронов .

- К числу интерференционных схем с визуализацией поля относятся лйтерферсч'стрм иапкельсска, Замена, «Лаха-Цеадера, Jll Рождественского л др. 5о всех этих интерферометрах осуцеач-вляется амплитудное деле,ние исходного светового пучка на два когерентных пучка, распространяющихся в двух разделенных в пространстве плечах. Затем эти пучки совмещаются и образуют интерференционную картину .

Самым известным из этих интерферометров является интерферометр типа Маха-Цёндера (рис.1), относящийся к классу приборов с наблюдением полос равного наклона .

Рис.1. Схема интерферометра Маха-Цендера .

В этом приборе наблюдение и освещение производят под углом 45° к плоскости эквивалентной пластинки, поэтому угол наклона 4 интерферирующих лучей, определяющий перзюдиче ский фазовый сдвиг для создания полос, мокно выбрать таким, чтобы пересечение лучей (локализация картины интерференции) происходило в плоскости объекта /1/. Угол изменяют обычно поворотом второй полупрозрачной пластинки .

По законам интерференции расстояние между полосами

–  –  –

а поскольку для rasa П - 1 = К ( К - постоянная Гладстолаэ Дейла), то линейное смещение полос U (см. интерферогракму ударной волны на рис.За), вкраяенное в расстояний.*: между полосами е » определяет изменение плотности rasa

–  –  –

С помощью терыодатчиков Тл и Tg, » усилителя и измерителя временных интервалов регистрируют время пробега ударной волны и одновременно получают сигнал для пуска импульсного источника света \р. Коллимационная линза К преобразует расходящийся пучок в параллельный. Посредством объектива Р плоскость объекта изображается на фотопленке F. С точки 8рения исключения побочных влияний целесообразно, чтобы геометрические длины мезду окошками ударной трубы и зеркалами интерферометра были минимальными .

С помощью этого оборудования можно получить следующие интерференционные картины (см. рис.3);

Рис.За. Изменение плотности гаэа на фронте ударной волны, полученное в белом свете. В этом случае возможно точно определить порядок интерференционных полос при переходе через ударную волну .

–  –  –

Рис.Зв. Путей измерения поля плотности за ударной волной возможно исследовать релаксационные (вибрационные) процессы в молекулярных газах. Интерференционная картина получена в C0 g .

Указанные простые методы определения полей плотности нельзя использовать, если гаэ нагрет до той степени, что невозможно пренебречь наличием свободных электронов (их влиянием на коэффициент преломления) .

Оптические свойства плазмы При прохождении световой волны через плазму в нее вносятся амплитудные, связанные с поглощением и рассеянием, и фазовые искажения.Исследуя эти искажения, можно получить сведения о коэффициентах поглощения и преломления плазмы, которые являются функцией температуры плазмы и концентрации составляющих ее частиц; электронов, атомов и ионов. Вклады различного рода частиц в рефракцию плазмы можно считать ад~ дитивными /2/, то есть RNk| (5) где Си. - рефракция частиц к-го сорта в расчете на одну частицу, Nu,- число соответствующих частиц в единице объема .

Вклад электронов в рефракцию плазмы можно найти из соотношения п

–  –  –

где to--2fieД- круговая частота электромагнитного излучения, проходящего через плазцу (с- скорость света); JUP

-6электронная плазменная частота .

Формула (6) справедлива при условии, что частота проходящей через плазму волны много больше частоты соударений х между электронами и тякелыми частицами (_ир, а также электронной циклотронной частоты tOgftjeH/VncC e и m - заряд к масса электрона, И - напряженность электрического поля). Если также сор/to«1, то формулу (6) можно записать в виде

–  –  –

A? где Me - концентрация атомов или ионов на i -м уровне; Ъ-ц,., iik и "^ik"* Длина волны, сила осциллятора и частота, соотве ствующие переходу между t-м и к -м уровнями; ос- степень ионизации .

Для газов при температурах 10 - 10 К наибольший вклад в рефракцию вносят нейтральные атсны в основном состоянии .

Так как резонансные линии большинства газоз лежат в области вакуу.много ультрафиолета, то для излучения в видимой области ( Л. » 7l{.u) соотношение (7) можно записать в виде, известном

–  –  –

рефракция атомов и молекул практически не зависит от длины волны. Формула (8) мокет быть записана такзсе следующим образом:

(n-i)cx = 21Гс^в. No. = C ^ N o., (9) <

–  –  –

чаеь сдвиги полос на интерферограмках плазмы обусловлены как появлением электронов, так и изменением концентрации тяжелых частиц (атомов и ионов), которая может либо увеличиваться, либо уменьшаться. Например, при исследовании лазерного факела на твердой мишени в вакууме концентрация атомов возрастает за счет выброса вещества из мишени. В случае а е дуговых с и искровых разрядов в воздухе концентрация атомоз в плазме уб.ывает по сравнению с исходной за счет их вытеснения иа горячей зоны .

Для того, чтобы разделить вклады, вносимые в рефракщио плазмы электронами и тяжелыми частицами, нужно иметь две (или более) интерферограммы, полученные с помощью излучений с разными длинами волн. Данный метод, предложенный Алфером и Уайтом /5/, широко применяется в интерферометрии (рис.4)« УТ Рис.4. Схема двухволнового интерферометра .

Преобразование интерферометра для двухволнозого метода заключается в разделении интерферокетрического пучка оптиче ским делителем D и включении двух интерференционных филь тров \РЛ и lFz. Конечно необходимо, чтобы источник света испускал достаточно интенсивно при волновых длинах обоих включенных фкльтров. Здесь целесообразно использовать многоходовый лазер .

Сдвиги полос на интерферограммах в случае, когда обе длины волны расположены далеко от линии поглоценх*я, в соответствии с формулами (6а) и (9) равны

–  –  –

При этом чувствительность определения N e и Т с * A N U возрастает по мере увеличения разности длин волн u Хл и Х г • На границе с большими градиентами коэффициента преломления, как например, в ударных волнах? и особенно при использовании лазерной интерферометрии, трудно определить порядок полос справа и слева от границы (сМорио.Зб). Метод двухволновой интерферометрии можно использовать для идентификации порядка интерференционных полос .

Одновременное изготовление двух интерферограмм при разных длинах волн и их расшифровка дают возможность точно определить полосы соответствующего порядка /6/. Из соотношений (11) для сдвигов полос на двух интерферограммах следуev выражение 21 = li, (13) причем общий относительный сдвиг можно определить как

–  –  –

жение (13) позволяет провести коррекцию отсчетов относительных сдвигов полос на интерферогракмах .

Литература .

1. Ю.Е.Нестерихкн, Р.И.Солоухин. Методы скоростных измерений в газодинамике и физике плазмы. "Наука", М., 1967 .

2. А.Н.Зайдель, Г.З.Островская. Лазерные методы исследования плазмы. "Наука", Л.,10?? .

3.- R.Roinpe, M.Steenbek. Progress in Plasma and Gas Electronics. V.I. Akadeiaie-Verlag, Berlin, 1973 .

4. Диагностика плазмы. Под ред. Р.Хаддлстоуиа и С.Леонарда .

"Мир", М., 19?1 .

5. R.A.Alpher, D.R.Vhite. Phys.Fluids, 1958, I, p.^52; 1959, 2, P.*53, 162 .

6. J.Blaha. Sti-ojnxcky casopis, 28, c,6, 700, 1977,

г - 13. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

инжо Франтишек Ванек8 инх« Франтишек Пелц Институт термомеханики ЧСАН, Прага б, пл о ям© Пушкина, ЧССР 1 О Введений В последних годах в облает;* измерения неэлектрических взлич.ип выступает ка порани план использование пьезоомического явления в полупроводшхкахо Датчики давления, основанные иа этой принципа, являются более перспективными чей оса*альнн^ до сих пор применяемые преобразователя^ а именно как с топ* ки зрения кикиатюризедки размеров акгквных частей ДР.ТЧКХОЗ, так ж с точки зрения эффективности серийного прсизводстзаа Высокая деформационная чувствительность полупроводниковых датчиков вкоете е ах. иядыми ивхьнйческяки paau^paaw позволяют кроне стационарных ивмерений очень малых дазленкй (порядково единицы Па) также ювшгрепие переиенных полей дез^ения высотах частот (10 кгц) о Пьезоомичесхим явлониэн в полупроводниках и его хспользозаниеи для измерения давления ккдкос^ей занимался в Институе териоиехаяики ЧСАН инж .
Тоыакец, кандидат наук /1/о В сотрудничестве с ТЕСЛА ВУСТ ии о А о С о Попова были рааработаны и в серийное проиеводство постепенно переданы полупроводниковые датчзкх давления, активными элеквнтаии которых являются кремневые тензонетрические иембрагщ, в которых при по* мощи планарно-дифузяопной техзологхи образуется четверки сопротивлений в общемостсвой схеме* В настоящее время серийно выпускаются в над» предприятия ТЕСЛА Роакоэ два типа полупроводниковых датчиков давления ддя прошапленноро испольеоаания, а именно ТМ 510/01 и SM 610/С1 о «» ПрД-^ШиигОлутаоз.одняноэого датчяка лаэления Разработакикл таа датчика осказон на пьеэосопротявлеяхя в диффу8;?огшнх слоях полупроводника^ воэдейсз'виен неханк* чосгсегг напрйзе:::;^ с опрсдзлгпнс крис-галлографйческоЯ ое* монокристалла полулрозодкика кастукао? анизотропное хвиено»

яко проводь'оеги, объясненное в литературе на модели энергв»

тических лен? монокристалла кремнияо Сс^тое крупное ивменекко удоль;:ого соз\р»т«пла;-:гл имеет крсмкдЯ тина N в

- 12 и кремний типа Р в направлении /111Л Характеристической величиной дьезосопротивдения; является т о н о коэффициент деформационной чувствительности К д~ .

т —— (1) является относительный изменением сопротивления полупроводника и, относительной деформацией»» Значение коэффициента, деформационной чувствительности К составляет для полупроводников 50 - 100, между тем как у металлов оно колеблется в пределах 2 - 4 0 Иа ряда известию: способов преобразования давления жидкостей в электрический сигнал, исполызудгцих пьезосопротзшле ние полупроводников, уделялось в Институте терыомеханикх внимание преобразовании при помощи мембраны. Тонкая пластинка (мембрана) представляет собой не только отделительяый элемент измеряемой среды, но такзе деформационной элемант'о Деформации поверхностных волокон мембрахш9 пропорционзлвнкэ измеряемому дсиланав, преобразсвазаются пьезосопротивлениеы диффузяоннюс слоев в изменение диффузионного сопротивления© Для относительного изизненяя диффузионного сопротивления в лите- .

ратуре /Zi* выведена эависимостх для диффузионного радиального сопротивления(^г)г= ?/^$^+%(% t2) и диффузионного тангенциального сопротивления/-^») -^^ где (jr * механическое радиальное напряжение * Cl • а8ханическо§ тангенциальное напряжение • *%. - продольной коэффициент пьезосопротиаляемостл c iff- - поперечхшй коэффициент пьезосопротивляемоети Для правильного распредел-зния диффузионных сопротизланий на меибране необходимо знать распределение механического на»

пряжаиия на ее поверхности при воздействии давления» Прх рааноыерной нагрувке от давления имеется на мембране т о н» дзуоское напряжение / 3 / с радиальным напряжением и тангенциальным

–  –  –

- давление ' /fa/и / Г- радиальные координаты А - толщина иембракы /и/ ^• число Пуассона (для кристаллографического направления (111) ииеет значение "Й - 0,262) о Элеиентоы преобразования является кремневая мембрана, изготовленная из монокристалла креиния с проводностью типа Я, в поверхность которой диффундируются примеси, образуггцие омические сопротивления с прозодностьв типа Р в оптимальном упорядочении с точки врения деформационной чувствительностио Диффузионные сопротивления рассчитываются по уравнениям (4) и (5) так, чтобы два на краю мембраны расположенные сопротиздеп'лп реагировали преимущественно на радиальное мехакичесхее напряженна ^г (радиальныз сопротивления) и два в центре меибрсня расположенные сопротивления развертывал» тангенциальное напрлэояяв^Стаягенциальяые сопротивления)© При воздействии давленая на нёхгбрану со стороны дкффундаровэнных еопротивлекий nomixazyr тангенциальные сопротивления своп величину и радиальние сопро^лзлэнкя свею величину повышаете Сопрстявлвния пключепи в мостику Уитстона» При литании постоянный током I в силе уравнение для ннходного напряжения датчика где Ъ^Чф^кц. - диффуидирозанные сопротивления, зависимые от давления р и температуры -t Преимущества кремневой тензомзтрической мембраны с диффукдиропаакнци сопротивлени'/'^зозмоЕНО суммировать в несколько пунктов :

lo u&zz& гистерезис, 2* доотагочнал линейность преобраэозания давления в выходное эдектрическсзз напряаеиие, Зо калое внутреннее сопротивление и очень малый шум, 4о допустимость большой диссиповаяной мощности, 5о воэкояность изготовления миниатюрных преобразователей для разных применений, бо взиду малой массы и калых размеров собстзеиаого элемента

- 14 преобразования достигается высокой собственной частоты датчик a j ' .

оптимальная тепловая связь между отдельными сопротивлениями и окружающей средойо Недостатком полупроводниковых датчиков является зяачи • тельная температурная зависимость нулевого отклонения и чувствительности » Но при помощи температурной компенсации BOS*»

I5OSHO понизить эту зависимость на приемлемый уровень о 3 0 Компеиселия температурных зазясимостзй Температурные зависимости параметров является очень незаелательным сопроводительным явлением при применениях полупроводниковых датчшеово Они вызваны как свойствами полупровод*»

никового материала, способом монтажа теязометрической мем • брапы на держатель, так и собственной конструкцией датчика»

Окончательная температурная зависимость параметров является слокной комбинацией всех этих влияний» Поэтому необходимо компенсировать каидый датчик индивидуально* Результат ком пенсации зависит от температурной характеристики выходного напряжения датчика* Из уравнений (6) и (?) очевидно, что выходяое напряжение полупроводникового датчика давления язла»

ется функцией нескольких переменных величия вообще Uy-{(Uo,tt^fl) (8) где Uo- неравновесие напряжения мостика при нулевом напрев»

ленки, являющееся также функцией нескольких перекану- среднее значениш рассеянии диффузионных сопротивлений на ыеабране (без нагрузки} о Из уравнений (7) и (S) очезидно, что единственной желательной зависимостью является ^-/f^l • Зависимость^ от остальных ве.чичня необходимо для правильной функции датчика исключить или ограничкга на допустимый предал» При условии, что # у и при идеальной стабиливацгги питаи^его тока выражает уравнение (G) теып«раг;урпую аавкеиаос** чувстьитбльностм х уравнение (9) зависимость нулевого отклонения от температуры .

- 15 - Теоретически были выведены и экспериментально разработа* аы следующие контурные температурные компенсации :

а/ Температурная компенсация нулевого отклонения»

Били проверенн схемы коммутаций с териисторек, кремневым диодом, операционным усилителей и с помощью последователь* непараллельной схемы коммутации с температурно независимыми сопротивлениями,, Компенсация с последовательнопараллельяыки сопротивлениями (рисо 2) является с точки зрения цепей са •»

ной простой и надежной* При этой способу компенсации одно — временно производится балансировка моста* б/ Компенсация зависимости чувствительности от температура* Компенсация производится питанием датчика или от неточна»

ка постоянного тока или от источника регулируемого тока* Из экспериментально определенных температурных зависимое»

тей параметров датчика производится расчет значений компенсационных элементов при помощи ЭВМ согласно разработанной программе»

4 в Статические параметры полупроводникового датчика давления У полупроводниковых датчиков давления, задевается два от температуря зависимые параметры :

а/ Зависимость нулевого отклонения от температуры, опредо* ленная уравнением л/ #«.- 4, где tCtf - выходное нс„ряжение датчика при двух разныхтеипературах из температурного интервала 1 у / л э при давлении^о,

- выходное иапряхение датчика при номинальной 'Ui давлении,

- выходное напряжение датчика при давлениид^О о Uo б/ Зависимость чувствительности от температуры, выраженная уравнением /?/_ Ut^-Ut^ • в,

–  –  –

где ЪСхц т измеренное значение выходного напряжения при давлении (понижающемся)о Суииарная погрешность (нелинейность вклвчителько гиствре»

виса) выражается зависимость»

–  –  –

5 O Динамические параметра полупроводникового датчика давления При применении полупроводникового датчика давления для из»

ыерения переменной составляющей давления необходимо опреде лить его частотные свойства» Частотные свойства датчика опре«»

делены его собственными частотами} а именно :

а/ Собственная частота мембраны .

Был произведен расчет собственной частоты мембраны согласно литературе /4/© На опытной установке намерялись собствен • • ные частоты мембран у обоих типов датчиков давлекдоо Ревуль • * таты указаны в таб» 2 О

Таблица 2 :

Тип СОБСТВЕННЫЕ ЧАСТОТЫ МЕМБРАНЫ

вычисленное ©качение измеренное вначекие ТМ 510/01 110 кгд 105 кгд ТМ 610/01 165 кгц 190 к щ б/ Собственная частота подвода давление .

Для гармоническог# возбуждающего сигнала в литератур* / 4 / выведено уравнение собственных часто? подвода давления In, ~nJ (*.*.-4) (15) где Со • скорость распространения воля подводом давления Л, - длина подвода давления **/ • натуральное число У полупроводниковых датчиков давления типа ТЫ 510/01 к ХМ 610/01 с подводом давления длиной 1= 12,5о10 и диаметром а= 1,3.10 м было экспериментально определено значение с* = 305 и/з о Подстановкой значений подвода давления в уравнение (15) получатся его собственные частоты f. * 6100 гц,, f _ = 18300 гц и То По в/ Собственные частоты пространства аа мембраной датчика*

У полупроводникового датчика давления одинаковая статическая чувствительность по обеим сторонам меибраныо Пространство га иеыбраной может бпть :

1* Открыто„.затем собственная частота определена уравнением (15) 2о Закрыто, затеи не иаеется передача переменной составляющей (давление за мембраной р^ составляет или Р 2 = 0$ Pg * конст. )• *

- 18 о Расположение стандартной вставки полупроводникового датчика давления Преобразовательная система датчика передавает кроме развертываемого давления также механические сигналы, вызываемые статический или динамический напряженней конструкции, на которой датчик прикреплен. Чтобы передача этих паразитных сигналов была минимальная, преобразовательная система решена с т. Но плавучей мембраной* Разрез вставкой полупроводникового датчика давления указан на рис* 1* Рис. 1 Собственный преобразователем является кремниевая мембрана JL, в которую при помощи планаркой технологии диффундируются сопротивления в мостовой схеме* Мембрана прикреплена к коваровому держателе 3 пшг помощи эвтектики золото-кремний. Вывод» датчика подключены к позолоченному цупрекститному хлеммнику при помощи термокомпреесионнкх спаек .

7* Опчт с причинением полупроводниковых датчккез давления С встаэзсоЛ полупроводникового датчика давления, иэобра жеиной на p, c ii был а Институте тераоыохоники изготовлен i; .

цйдий ряд дптчикоз, а ииецно как для статических измерений,

- 19 так и для измерений переменной составляющей давления. Для питания датчиков были разработаны стабялизаторв питающего тока и для усиления сигнала из измерительной диагонали датчика было разработано несколько типов измерительных усилителей* При помощи регулирования усиления усилителя возможно настроить стандартный выходной сигнал так, чтобы например давлению 0,1 Ш а отвечало выходное напряжение 10 в .

Подбором иэ более значительного количества серийно ивго товленных вставок полупроводниковых датчиков давления возможно укомплектовать и теипературно вккомпенсировать измеритель статического давления с общей точностью лучшей чек 0,1%, Описанными вставками полупроводниковых датчиков давления была укомплектована десятиканальная измерительная установка для опытного изучения отношений давлений при полком конден-сациокнои удару* 5 течение эксплуатации установки случалось временами повреждение кремниевых мембран датчиков, вызванное или ошибочный уходом, или влиянием большой амплитуды колебаний измеряемого газа» Необходимо заметить, что у полупроводниковых датчиков очень малая способность выдерживать пере грузки (напр» тип ТМ 610/01 только на 50%) и при перегрузке мембраны очень быстро понижается количество рабочих циклов (гарантированное значение составляет 10 циклов)* Для измерения давления перегретого пара приблизительно 500°С ( FS CVUT Применялись указанные разработанные датчики с водяным охлаждением. Разработанные датчики могут измерять при температурах до +150°С. В настоящее время сдаваются в серийное производство вновь разработанные типы вставок датчиков с стеклянными спаями и с максимальной рабочей температурой до +200°С. Современное развитие в тензометрии для измерения давления при высоких температурах направлено к использованию карбида кремния SiC. У него отличные преобразовательные свойства и при высоких температурах и хроме того он является стойким к агрессивной среде .

После годичной эксплуатации датчиков при непрерывном измерении флюктуации давления вокруг равновесного значения (измерения в тарельчатой колонне в LTZCHT C5AV ) случилось повреждение датчикоз агрессивной средой. Показалось, что испарения с солоней вода сумеют прервать алюминиевую соединительную сеть датчика» Нрк применении датчиков для измерения давде;::« в жидкостях воздушные пузыри в аодноду дезления искажал'я результат!! измерений» Указанные проблемы устраняет конструкция датчика с отделительной стальной иейбракой с передачей давления ка собетпенную напорнун вставку при поыощя столба СЗ-ЛУПСО.ЧОВОГО иасла»

Датчики далее использовались для экспериментального исследования полей давлений (леследоподиа аэроупругостя). Калий г СИГ::Е." ОТ датчики, порядусово деся г?го части милливольта, усил~ яется усилителе!/: с уенлекяэм порядков о 10'". Значение усиления 1ф::?еняэш.гх ыонолктнпх операционных усклятелей огракяче^ но себех-вяникм глумом для данного частотного диапазона. Для устра;:с?1кя дяглгонх подзодоп даалоккй к иэ«ерительной ыеибраке датчика» понукающих соОст-ввнну?.) частоту системы, приступилось к специальной кокструодии крепления держателя датчика» Пр:.-; по?*овд ьтой конструкции датчика било достяаепо конпеисгф^вапяоЯ передаточкоП характеристики бое амплитудного и фа&оиого исксигекнй. В передоваемой полосе частот датчика от 0 до 10 кгц понижение амплитуды меньше чем 3 дб .

В заключение возможно сказать, что в настоящее врскя являются полупроводниковые датчики точный и иадеаным преобрал&;* даалекия в выходной влектричеекки сигнал»

/ i / 7"\r.uw:с L, : ~'.ov6 typy tlr.kovych pi-evodnxku, vyuSn'vapici n i • я о v с z i з t с г: с. с р о 1 о v с и i с и. Отчет UT -С S /. V Z - 3 6 S /7' 2 :

/ 2 / Уог.-)-л':.Ц -С,: Fisaore::Lr-;tencr:i ^r.~v v pol..voi3ic::'ci: a onho vya:i:Uz v ;-.4;ri.ei t e c ) :

- i c e. Каид-;;датская диссертация T"-'"J Л-VUS? IS-УЗ / 3 / ?i.r.oi'hs:-."::o ::.: The or;,' of P l a t e n a'id S h e i k a. T.Ic Gra^v-Hill

–  –  –

"ЧШДЕНШВ 1.1:Т0Д1Д ОБРАБОТКИ ТЭТКО?.13ТРЙЧЕСЮДС ДАННЫХ

КЛЛОРИКВТР1ЯСКИХ ЗОНДОВ"

к КИС Ирас:« Фогвл, кандидат наук Институт яеркомехаккки ЧСАН, лло имо Пушкина 9 9 Б р а г а 6 г ЧССР

–  –  –

При обработке тср!?кетричойякй 9 01?ДСЙ часто необкод:,!5;о решать уравнение теплопроводности .

Только оче:-ь мало за.цат БОЭИО~ИО решать аналитически или п о v 'i-ovjt что ;ra 48.niats 1: граничим© услов:--з задани ка к и а ^ з е т я у в к а ч е с т в е вектороз кла noyo:-.-.y что ТЕрмоф napaiioi-pu я в л я е т с я порешекпк'.-л велмч:п-:я;си в зависимости от тогнтератур:!» Прпмекиг^-м чкелелпыи кетодон я в л я е т с я метол се токе Опыт ::. ятон способу р а с ч е т а разб2!раот этот

–  –  –

и какоп&п гфи yucve термофагячесхих п^раиетроз в качеос-^в функций "гсмпературн кнеео? ураэкевиб теплолровслнос^и слсл.у'С'* щ^га форму о ( г ). 5 ( t ). t T (х,СС) " 3 ^ ( Я (t)rt,,(-:,T)) = 0. (11) Предоои-илка окс;:чптель.ноГ; скорое^-:.: расиросА'ргнеикв тепла

–  –  –

водные каина. Некоторые из отих иегодов являются устойчивыии только для определенного отношения лТ/д х" и у абсолютно устойчнзкк формул (т. е. устойчивых для любого отношения Л Т / Л ' ) остается вопроссш, как вкбзф&ть очко временно-про»

-" етракстззккой сеткк с цель» достигнуть точности расчетао Од»

кки из способов решения этой проблеглх является расчет с аз гсьгатичеолепга изменением врекеиного к простраксяпекного пагово Одной не. многих замен дифференциального уразненмя (?) ненией з кокс-чньас разкостяг: является разяоеткий анаяог

–  –  –

Для 3ео,5; 1!ледоз.чтельно (15) вков?г г^вляется абсолютно усгеЛчкзкмо Для явной формулы очезкднв, что на уедсвие устойчивости козе? оказывать неблагодарное влияние даез большой ко-* Алгоритм расчета бил сосгавлэн с автопатич^екки и ек зреиеккого к ирострапстаенкего кагоьв Согласно програки»

вкуисл,«1ется температурное поле го вреаенг:1Ш шзтерзалаи, в ко-° торнх надо печатать» Б хаздом такз-и участку выаывается процо« дура для ресчота температурного поля, внчкелягхцак температур»

кое поло а конце кавдого KKTepBevta* Еачв^ьнны услоэком для неа является реэультлрузэщэе температурное полз из предыдущего ЙП« тар;о;.;ла0 Процедура одкевреыенно обоспечиг-аот автомати^есксо и Д:-1:И\'Г.УЛ1С.СХОО ''.змененио вроиеикого к пространстзенкого шагов тек« ч-гобм расист пропеходкл с требуемой точностью / i l A Пра Т0КО?,; способу расчета заказчик только вадавает матеркалькие « теплозцэ пос;1!с-:";:;-:ые, узли временно^лространственной сетки, Б когеэах его кктересугя температуры, и допустяиую относптель« ну» погрелност?^ расчета 0 Лр:?. пснощ'Д ЛУНОЙ и пестнточечной Форкудя решились тря sa»

дач::« отлкчаг:-^"бся друг с? дру^в. только величиной текператуpit ог:р(ула:":г.^Л среди t r i t, Длл 1-й пли 2-й кла 3-»й гедачи есстазЛ.ТГ-.':1 '-А « 6C-D°vO jf-я оООО°С или 300°С о Остальной величины ба~

- 25 ли для всех трех задач, одинаковке : Ь = 0,04, с « 400, ^* = =8900s Л = 370r *Qs 6000,0^= 60, t b = 20 o В таб. 1 хшизсены иахсииальные погрешности расчетов при помощи явной и шеститочечной форпу^о Допустимая погрешность расчетов составляла 1 $ Максимальнне погрешности кзбранн ?• всегда для трех пространственных участков отличающихся друг от друга высотой темпера-тур* В таблице указана длжориенти • »

ров к :' 1гаксималькая температура в данной области Б определенное время и относительное время расчета в отношении к вране** ни необходимому для расчета 1-й задачи при поаощи Й Э Н О Й фор

–  –  –

модель дзурэз?1брного случая тсплопрозодкос»

тк (смотри зависимости (1) - (6)) решилась во-первых явным иеодом / 5 / f в е в т о р п х методом переиеккю: яэпраялоняй и v« к о катодом псездоявныгг (метод арифметического среднего) / 6 / г У /7/« Ыетод Г:ереиеию*х. яаирав,«аамй явдг«;ется внгодним ввиду его абсолютной усроПч-каосг-и и возможности решать везякхеззе ^ лкнейпка система уравнений при поаощк катричяой факторизации (прогепкд) / б / 8 /'?/, несмотря на т о г что дело касается дзуразаерпого случая* Псовдояаякгй метод являет ел абсолсх-ио усройчквлч и позволле? вычислять температуры в lr+1-м врекекном слое vo-'-'ько ка основе знаний температур в предыдущей слоо, эпачи?, jjaeHKO так, KCIC у явного ггетода» Б / 7 / по~у« ченкн-э рес-.у.льтаты явились очень хорешмни, ко при испольоозаник двух абсолютно устойчивых методов а случае более высоких ^е?:ператчурц.Ги" потоков получились - по сравнеккэ с явныа иетодом - друглз результаты* которые - как показалось на ссноио более полробкого обеледо&в-и:г - явились охЕгбочннми м бк=»

••• виззакхх слишком больший временным шагоа, которозгу содей»

.•стпозала абсолютная устойчивость этих КЙТОДСВО Взкду того, что аатоматяческое иаменекзие очка временно про:?ранатеезшой ce^jrss ле язляатск въегеддо::-» у даураомериоге обучая по-пероых аля;.^- боль^::^ трьбезланкй «а прзкя SEM, no Г|Т2и:лущссг:*!;5нно ввиду того, тгто сблас-^к, кад siOfopaaa кска»

L - 27 -

лось решение, ЯВИЛИСЬ изрезанными областями, был избран основные числе кнь:.,: ьгйтодом для расчета дзуразиеркой проблема явлпй методе Для изрезанных цилиндрических и осоао сишдетрических областей била разработано программная система СВИВТ, являю»

цзясь акротсюм слов СЕгментный МЕТод .

Сущность угой системы заключается в ток, что изрезанная область раадолитез соо'язетствунгкм обрааой в простые цилкядр::чаокяе сегменты* У каждого сегмента определяются его граничшге условия или сегменты» с которыми он находятся рлдси, к всо ваиисг^зается в програмиу 9 15межщуа предписснпузэ форхяу для стандартной задачи J "определить температурное поле H S регап»эй области в определенном промежутку времена и в олре« деленных пространственных к ерекзннюг. участках при граниппик условиях 3-го рода* Потребитель сиатвьш вадачу з сущности гге програнмирует 9 ко только формулируете В качестве я&ыжа хо??-:«»

кна бнл кзбрса язык программирования Ф0?ТРА11о Система подрсб»

ко описана в / 9 /, / Ю А Она является удобной для гранкчних уелопий 3-го и 1-го родов* Ввиду того, что оказалась потрей™ кость,, она будет расгамрека в скорой вреиоггя и на граякчнкэ условия 2-го рода* В качестве наглядного прииера 9 ш я е т 6v.vz.f хзатда.' указать, -^то для детали на ркс« 1 (ог-делькне сегконты S l j S2t».,t Зб обозначегш пунктхфныии и штрих-луикрирь'1й.:и ликкя1.-п1) возможно осущаетвить расчет температурного поля на дВ'Л при помощи програкшг только с 60 строка:-лл0 На рис* 2 нанесены температурн в месте 2 сегке.ета 1 пря кемяях толщины сегкоята 2© При разработке терглоаетричеся^х данннх калоркиетрических зол;:::? бил its Оран метод сеток в качестве основного численного При одноразмерном случае бкла а качестве сакой выгодной йебршга -г. Но гсестктсчочная формула, ииеь^ая саиае точные льтагм из методов подгзергнутых кспытагаяыв Из стратегий ич-а uiipuu,ii,a^y себя автоматическое- изменение временного и прсстраьстьсикого шаго)з»

г - 28 ~

–  –  –

Ив ме-родякд расчета примекклась для решения систек линей** ных уравнений • н» матричная факторлэоцкя (прогонка), я в л я ющая сь выгодной для трйхдиагоиальних матриц- систе?.що Но во врег.'я испытаний показалось, что и явная формула является применимой ввиду ее достаточной точности и ввиду того» что при автоматическом изменении могет изменяться только гфостраксгзекный oiarj времекиай шаг овтокатическх выходит из предела усяойчипостк. У расчетов температурил* полей в областях без внутренних источников это мозеет ускорить расчет в средних и ококча ~ телы-noi фазахо У двуразкорного случая покавался удобный яввый иетод, потоку что у кеяЕнга: абсолатяо устойчканх методов во-первш: встречаемся с трудпоотяыя при искакип достаточно точного решения автоматиг^ское иаиекенмо очка врекенно-простракстпенной ееткг»

здесь является трудным в техаичэском отношении и требует большую затрату иркиок* (трудности при уточкевии сетки е поиощь»

иэт-ерполкроп^;»;А) и вс-аторда адгорятм для цифровой вцчиелктельгюй uvxiv.uu 6а условия лея для изрезанных областей .

- 29

–  –  –

Рис о 2 Для расчетов температурных полей изрее&нннх, ких и осояо скииотричвеких тел была равработаае састона лроцедур г позволяющая только формулировать задачу обычного рас»

чета 1!бипэратурн7:!х полей относительно очень краткой записью .

С«ерх того ата система является Ч-ИУ. гибкой, что она позволя»* ет, чтобы лотреСа-увль реализовал к нестандартно расчеты, напримар расиетк кеобходкикэ для решения икверсионяой

–  –  –

метра составляй'- 10 - 0 с .

Нестационарные из,'.-.брекия основаны НИ нахождении теплового потока, исходя из изменений температуры (энтальпии) датчика. ГфИ нестационарных измерениях величина теплового потока не ограничиваете л л Ере?:.ч яарас^анля зонда бь'нает от 20 до сд ?.;с, т. е. в 1000 pas :.:инъяе, чем при стационарных измерениях. Рис.й дает нал праицлп нестационарного изаерения теплового потока. Тепле; попадает на лобог//».; поверхность зонда, в которой находится часть, ограниченная торцо:.. медного измерительного цилиндрика с диаметром d .

Через йту огракпчекнуи поверхность тепло попадает в цилиндр, который теплоизолирован ст остальных частей аокда. Здесь тел:ло аккумулируется, что выош?ает по]31:^снме энтальпии Н рис.2 цилиндра. 1сходя из энтальпия ЫОЕно определить тепловой иотсис, исчгохьзуя I.Из ОТНОЛ!ЙНИЯ (1) ясно, что для расчета тепдыого потока необходимо в ]сакдый момент Бремени определить тепло, сосредоточенное в кзмерирельном цкл:-н.дре, :\ли его приращение по времени. Энтальпия к цилиндра находится: из распределения температур (или удельной энтальпии h ) Р ^ С Л Ь цилиндра, которое изменяется со вреузнем при нагрэванкм. При собственно иэкерении определяется температура в одном плл нескольких местах цу.г-лндра, а з осальных местах вдоль цудА-:;адра температура расчитывается но основан:!;-! закономерность теплоперадачк з твердом теле. Ввиду трудсомкоста расчета рйкомендуется применять Э Е томатическуя вачислительнул машину .

Из выражения (1) вытекает, что необходимо определить возрастзг.ие энтальпии, а поэтому при -/.омерениях нужно в определенной точке цилиндра зарсгистриреиить и шгиимальнае и&мененпя удельно;: »нтолъш;к (температуры). Короче гозеря, от кэглетельнсго,yc.'j"::o;";cT~a требуется большая раяреи?а:хг;ал способность .

Тсмиоратурл • отделы;;;.:-: точках, цилиндра определяется с :

по:.:о:;;оч тор./.окг.р, у котпр.чх п^ход.к'о капряг-яенле сост&ьляет

- 33 10 :. (температура около 200 С ). При пряной регистрации /3 напряжения свстолучев^м осциллографом разряшающая способность будет 50 мкЗ, т.е. 0,5VJ О Т 10 мЗ .

Зключкм ля перо.п светолучевым осциллографом пизкоюуио-" вой усилитель постоянного тока (шум 2 мкЗ), то усилитель дифферокцлрует 0,02% от 10 мВ, присоединенный скезолучевой осциллограф ухудшает рэзрешаххдую способность на 0,15%. При обработке исходных сигналов усилителя с помощью аналогоцифрового.преобразователя ( не менее 12 бит ) или аналоговым, разрешающая способность 0,02% существенно не ухудшается .

Не рекомендуется применять для регистрации сигналов измерительна магнетоЬоны с частотной модуляцией, разрешающая способность которих меньше 1% .

Лри измерениях в плазме происходит электрическое соединение плазмотрона и его источника плтаиия с измерительный цилиндром благодаря проводимости плазыы. Поэтому от плаэматрока и его источника питания идут паразитные сигналы к измерительному цилиндру, которые Б значительной мере ухудшают разрешающую способность измерительного устройства. При таких условиях усиление сигналов является критической точкой целого мемерителыюго устройства. На концах термопар, соединенных с измерительным цилиндриком, будут во-nepEfix дифференциальные напряжения, представлявшие измеряемые величины, а зо-вторых больике паразитные синфазные напряженки. Выбором соответствующего усилителя небольших дифференциальных капрякенкй MOZHO оаглушить паразитной синфазное напряжение. Схена входного контура усилителя дана на рис.3, где ис- точник паразитных сигналов А (шгэзматрон, И С Т О Ч Н И К питания) заземлен через полное сопротиазекие Z (емкость к сопротивление всей рис. о установки плаз::тронс по C T P i c i w :: ;-;е!,:ле). С иеыеритэлькым цкляндрикоы соединение 'H^-Hi • о с у л \ т :. л т к проъо^у.г.ол пльомой. ^клиндрйк соединен с з силой ;.;;'-ос

- 34 проводником, импеданс, которого Zg. Под влиянием сигналов помехи контуром Z-,.A s V, г3протекает ток А.который вызывает на импедансе Z~ мешающее напряжение, которое проявляется на присоединенной термопаре как синфазное напряжение. Выходное сопротивление термопары и проводки будут соответственно R^ и Rg. Между входными клеммами м аемлей усилителя будут импедансе Z^ и Zg, которые обладают активным и емкостным сопротивлением. Для заглушения с,пнфазных напряжений и при определенной кесимметрии источника сигналов ( R ^ Rg) необходимо, чтобы активная составляющая импеданс Z, и Zp была больше, нем 1000 ЫОм, а емкостная составляющая бы составляла самое большее десяток пФ. Неравномерность емкостей и утечка между подводящими проводами и аемлей устраняется экранированием, присоединенным к зонду. Влияние магнетических полей помех (которые индуктируют в проводке разностные сигналы) заглушается скручиванием подводимых проводов .

Еще лучше применить усилители постоянного тока с гальваническим разделением входа и выхода, которые позволяют измерять небольшие напряжения источников, находящихся па любом потенциала. Гальваническое разделение входа и выхода достигается либо принципом модуляции и демодуляции с трансформаторной связью, либо переносом сигнала с помощью света. Преимуществом является то, что плазматрон и его источник не изолируются, потому что измерительный цилиндр не заземлен .

Сигналы, полученные с помощью приведенных усилителей, легко регистрируются и обрабатываются следующими приборами .

Будут ли предложены простые расчеты теплового потока, точность которых будет отвечать достигаемой точности измеренных данных, появится возможность обрабатывать сигналы зондов сразу н е с помощью аналогового устройства без перевода-ка цкфрэе зые данные, т.е.можно обойтись Оез дорогой вычислительной машины. Однако простые способы вычисления необходимо разобрать объективно. Рекомендуется проанализировать способ расчета теплового потока, осуществленный измерительной и обрабатывающей y i u i B - o i с помощью переходной характеристики, которая дает c'.u.ci, изменение по нремени отраженного выходного сигнала при мгновенном (скачкообразном) изменении теплового потока. Требуется,

- 35

–  –  –

пары Fe -Ко находят иэ;ченение теплоемкости медного измерительного цилиндра. Термопара расположена в середине длины цилиндрика, а поэтому обрабатываемый сигнал быстро и без выброса достигает величины измеряемого теплового потока. Влияние места расположения термопары показывает переходная характеристика (рис.6) .

Проволоки термопар подведены, к свободным концам 7t откуда напряженке подается на усилитель Z, где будет усилено в lOQ'Q раэ. выходное устройство усилителя соединено двумя цепямы с входом операционного усилителя OZ, .

рис.6 Через первую цепь (С^, R^) протекает, под воздействием выходного напряжения усилителя Z, ток,пропорциональный изменениям сигнала, т. е. производной напряжению по вреьзни и таким образом пропорциональный изменениям энтальпии измерительного цилиндрика 1. Через другую цепь ( Рт_, R 2 ), которая корректирует тепловые потеря измерительного цилиндра 1, к входу OZ, поступает ток, пропорциональный напряжению усилителя Z и е г 0 величина отвечает величине тепловых потерь изглерительного цилиндра. На входе операционного усилителя OZ, оба тока суммируются и результирукгдай той будет пропорционален измеряемому теплоному потеку. Этот ток с помощью оперэцяонного усилителя OZ, и сопротивления обратной связи f?3 преобразуется Б напряжение .

Конденсатор с,, л сопротивление R, стабилизируют действие контура 8 л предохраняют его от; перенапряжения высуни/, частотами

ЧI - 37 -

сигнала,- Величина выходного напряжения операционного усилителя OZ, будет исправлена и сигнал профильтруется от нежелаемых составляющих сигнала в контуре 9. Контур S служит в качестве коэффициентного блока и активного фильтра нижнюс частот. К выходу контура 9 подключено устройство для регистрации иаглеиения теплоаого потоке во времена (напр.осциллограф) .

На рис.7 показано измерение теплового потока в плагие аргоиа на расстояниях 10, 20 и 30 ни от выходного сопла пдазкатрона. С увеличением расстояния от сопла тепловой поток умзкьшается х. наступает пульсирование .

–  –  –

На рис.8 показаны измерения следующие за собой и длящдеся сначала 0,5 а потом 1 с, Храктеры обоих тепловых потеков хорошо совпадают (а в интервале от 0 до О,5с практически перекрцнезэтея)

–  –  –

ваны тем, что измерительная установка не способна регистрировать быстрые изменения измеряемой величины кз-за ограниченной ширины диапазона переноса. О динамических ошибках измерительной установки даст представление, например, снятие ее переходной характеристики .

Статические ошибки иамйрятельной установки мокно разделять на две группа:

а) Ошибки, которые но зависят от величины сигнала и которые вызваны собственными помехами измерительного устройства .

Их величина завислт прежде всего от качества входного усилителя» Абсолютная величина ошибок постоянна и ее MOSно выразг:ть в процентах ст полного измерительного диапазона. Она определяется такиг.: образом, что находится акплитуда сигнала помехи на выходе измерительной установки и берут ее отношение к полному диапазону. Для приведенной установки эта ошибка составляет 0,07% .

б) Ошибки, которые пропорциональны величине входного сигнала и.которое вызваны неточностями усиления усилителей,поточным определенней массы измерительного цилиндра и величины его лобсгзой поверхности, сшибками при градуировке термопар .

несовершенной компенсацией изменений теплоемкости медного измерительного цилиндра при изменении температуры с использованием функциональной зависимости теркоэлектродзижуздей силы, ст температуры термопары Fe -Но. Вероятные ошибки можно выразить в процентах от измеренной величины. Олхибки определяют, с какой точностью выполнено отношение между тепловлм потоком q и выходпкм напряжением U v измерительной установки. Оно вытекает лз выражения для теплового потока, выведенного из выражения (1)

–  –  –

где в выражениях (Й), (3), (4) dU ^р- - производная напряжения термопары по времени касса измерительного цилиндра 1, ь меди при температуре 100°С (°)],ОСГ 12 - поправочный коэффициент, характеризующий несоворшенносгь компенсация изменений теплоемкости меди с помощью термопары Fe -Ко в интервале температур от 20 до 200°С F - площадь лобовой поверхности цилиндра 1 A l - усиление входного усилителя z А„

- ус-кленке контура 9 (рис.5) КдСд-. постоянная времени сопротивления и конденсатора (схема ркс.5) к^ - термоэлектродвижущая сила на один градус Серые пара- Га -Ко при температуре 100°С После вычисления отдельных ошибок членов уравнения (4) калли, чтп вероятная ошибка отношения q/U а в таком случае о погрешность измерения будет составлять - 2,SS .

Суммированием ошибок от диапазона измерений и от измеряемой величины для разных значений теплового потока нахо дится зависимость статической ошибки от теплового потока в процентах ( р и с. 9 ) .

2.8

–  –  –

Лктсротура:

/ 1 / DOLilTSK V.: Ifestacionarni mcrenx tepelneho toku s a u t o matichym analogovym vyhodnocerdra, Zprava Uff-CSAV Z-436/76 DOLii.'EK V» : U e s t a c i o n a m i Irrilorimetricka sonde, в a u t o maticiryin analo^ovym vyhoanocenim, Px-ihlai;.];a vynaleau PV ВУй/78 - / 3 / KRSJCi L.,D0lfj\3K V.: jixperimentalJii s t u die.prostupu t o p i a v proudu argonove рХакчу, Strojiiicky c a s. 0, 2 - 3, 1973 - /4/ SC H A 0, : K i d i c i p o c i t a c e, Praha IA D SNi'b 19 71 ~ /5/ KABES K,: Jednoucelove anaiogove p o c i t a c e, Praha Si-JTL 1971 - /6/ AKALOG DEVICES: Katalog 1978 ~ /7/ BUEH~E?OV;:J: Katalog 1975 ~ / 8 / Ч11РКИН E.G.: Теплофиомческие свойса-ьа материалов, Москва 1959 - /Э/ СЕРГЕЕВ В.Л. : О характере теплообмена на начальной стадии кагрева тела потоком ыосокотемпйратурного х-'аза, Известия АН БССР №2,1972

- 41 И81У1ЕР5НЛЯ ДАВЛЗКЛЯ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ Инж.Ир^и Д у н д р, к*?.и. .

Институт термомеханики ЧСАН, Прага 6, пл.Пушкина 9, ЧССР Измерения скорости в низкотемпературной плазме значительно сложны главным образом из-за высокой энтальпии плазъш и большой скорости течения. Небольшие поперечные размеры плазменных потокоз, особенно при атмосферном давлении, все больше услохшявт как при контактны:-:, так к пр! безконтактных способах измерений скорости. В то время, когда в ИТ.начали проводить иэыерен-ля скорости (1S65), лазерная анемометрия еще не была достаточно разработана даже для течоикя холодных гааов. Да к в настоящее врекя ее применение п : : высокотемперар- турных течениях находится в начально.** стадии апплккацихи В начале работ в ИТ-ЧСАН попробовали реализовать безконтакные измерения с.корост-:: ультразвуковым методом, который использует аффект Дсиплера л визуализацию ультразвукового поля с помощь»

специальной шлироиой аппаратуры» Ввиду небольшой мощности ультразЕуко:о;г.х ксточнккоз и затруднительного проникновения ультразвука в плазму при реализации возникли затруднения, именно при визуализации соотзетствующих физических эффектов /1/,/1а/« Устаног;ка впоследствии была использована для определения средней выходкой скорости плавми / 2 / .

На основании проводимых параллельно с этим литературных разысканий л анализа возьюжкостей измерений скорости /2а/, /26/ било решено применить для измерений скорости контактные пневмо^етрмчеЬкне зо.-|ды. Всзязи с этим была разработана техника измерении давлений з потоке плаама и з области электрического разряда. : дь: чгк сообщении коротко затронуто! проблемы и сведения, заслуживающие особого нкимания .

пулиътплосуъ пне н;лс.".етричес.•: so плов определяется главкам образои набором простей систош! охлаждения, обеспечивающей полнее о л : д н ; к позволяицей миниатхзрное исполнение, необае;с ходимое ьевязи с к'.яленькмп:'. поперечными сечениями потока плазпы. ! о б ; : для ^.. п с - я полного давле.чля мокно применить тео;.о с':рнл ло люоо;: оор:лы, с отбором полного дпаления в точке торможения .

В 1 с к : к 1 пр;'4мез;г»ются зондц цилиндрической и шарообразной ф.т:.;

формы. Б-лнду касбходкмрсти ^^шлатюрпого исполнения лучхо всего -лсполызовать зокди цилиндрической форма, типа аонда Икто (рис.1а,а) или цилиндрические зонды ( p n e. l c, d, e ). Цилиндрические зонды бывают двух типов - хвостовые (рис.Пэ) или сквозные ( р и с. 1 а, е ) .

Охлаждение хвостовых зондов проводится либо с покоздьк»

плоской перегородки (р;:с.1Ъ), либо с помо;цью ЕЛокеиной трубки

- т.наа.охлаждение Фильда ( р и с. 1 а ). Оптимальный д-даметр трубки Фильда dQI\i определяется лз условна минимальной потеря давления трением при учете нагрева охлаждающей вода / 2 / .

–  –  –

Результатом были уравнения 4-го порядка для ламинарного и турбулентного течений охлаадавдей воды. С помощью регрессивного анализа были найдены упрощенные уравнения следующего вида d opt = m ; n r f i (1) где m(d^) и n(d_) изображены графически в /2/ v,/3/; здесь dj внутренний 0 корпусной трубки, d^ внешний $ трубки из ме р е н и я давл е ни я .

На основании теплового баланса, для условий, приведенных на р и с. 1, были расчитены для различных типов эондов с внешним диаметром d 11РЬ.ЦЙЛЬКЧ:Й телло.и^е. погокл. Л а диаграммы ясг;о видно прйитлущсстно сквозных зондов, а у хвостовых зондов пры/;мул1ац'гио плоской перегородки для роаделекия охлаждающего пространства .

Что касается го^хчгщ^^яоягоВ} то имеет место условие —

- 43

–  –  –

ния проявляются совместно и в результирующем эффекте может иметь место взаимная компенсация. В аэродинамических трубах коррекции хорошо известны и обычно составляют порядка % .

В высокотемпературной динамике газов эта методика пока еще недостатоно разработана и проведенные измерения, лишь за некоторым исключением, не коррегируются .

В ИТ-ЧСАН для измерений в свободном потоке применяет." с я зояды Пито # 1,45 и 2,5 мм (рис.2 вниьу).

Для измерений в разрядной камере обычно применяются цилиндрические зонды 0 1,4 мм различного исполнения 1*111 (рис.2 наверху) /15/,/16/, Технология изготовления зондов Пито трудоемка при следующих технологических операциях:

а) волочение медных трубочек, напр. 0 0,4.5/0,20 мы б) "заделка" плоской перегородки внутри зонда

в) взаимная сварка двух ссосных трубок на конце зонда меди .

Для сварки применяется филигранный сварочный комплект (для тол:ц.:нц листа t 0,15 мы), экспериментально такэке лазер и :.:;псроплао.\;екная горелка .

Изготовление цилиндрических зондов гораздо проще. Долговечность &он_ов Пито быьает около 0 часов, зондов j 1,4 мм S около 5-ти часов (эрозия, коррория). В этих же границах лежит и долговечность цилиндрических зондов 0 1,4, которые чаще всеl го применяются при измерениях в РК плазматронО .

Для измерении распределения давления на с тенка x_gg_gj^ рядной камеры (определения аотери давления трением) и течения в пограничном слое_ стенки разрядной камеры применяются специальные стенные зонды отбора статического давления (c:ic. За) направления и величины вектора скорости,как наа."Т" зонд (рис.36 К С П О Л. Г О Л О Б К И А).Зонд для измерения касательного напряжения Xw показан на рис.Зб-испол.В и С.

Да я опредеBO3MO5SHO ления f w использовать отношение, выведенное в /1?/ —у- d - 0,000159 Qv где d^ и d диаметр отверстый отбора давлени!":

–  –  –

Рис.6.1 - разрядная камера, - цллиндрический зонд, 3 - отбор Pg., 4 - передача угла поворота, 6 - углокер, 7 - датчик давления, б - переключатель давления, 9 - спиральный потенциометр A r i t ma дли о;:р, TO'-'KI* кчм., 10 - потенциометр повсрота зокда, 11 система БЕ 4000, 12 и 15 преобразователи сопротивление-капрлзсениеф-ка Тесла, 13 - координатный самописец Aritma, 14 - дигительный вольтметр 5 16 - преобразователь напрлкениепастота, 17 - транзисторной счетчик, 18 - записывающее устройство, 19 - п:аггу.г,ая машинка, ^ иг too

–  –  –

д - р П-г^сд й о s i r s, кандидат наук Икс«.'i'^/-? терко^.':«.%й2хкк 4GAH, Прг.га 6 9 п л о к!*еяи Пустяка 9 Ее я в лр:крлдо 8 п ? и 5:сследсв;^;" я на гвяЕичеекой прак Tjjse Dc-jponae^at явление лилязотел е магекатнчэекой точки нкя ВЗ!:;?^02ГКЙК:/; ПО spe?w;;^ s пояо?;;/ ?л-о С'гг-Г.;::онарное СОСТОЯНИЙ гж^йз^сс крслольвк?.: ЙОО^ОЯШК-:» ДЛЯ вромона ~t сг зознкк*»

гого к Л вее-'рак:: па практике счктпел некотср^го язлегпзл с т а • циокор-л:,;чк«» Eo'i1 ото 'гакг;с г xtoropr.c; в прекеОриккко к орет-ком врекеия по сра2;-онпю с пп.бд'юдеи:.;с-д приблк*сст?ся к п г о д е л ь нону соетокзтиа ( % —оо^ у, т а к и е, пемекэкяя которьк ло зре-« кеня находятся в предслйх ошибок н lluj-bvj этого доклада ЙЙ.ЧЯОГРСА д-и?ь представление о рао»

кообр,л:;-.-л х а р а к т е р а кес^г,:г.:с!нар:г.-к фкеическлх п р о ц г о с о з 0 Для ЫЙУСДЦКИ водладовав-л к а э^ого в к ^ с к а о ^ к'вобз'.одпио

–  –  –

};,:п1 Е'лт.;-..•".'ли в o;",:.''--;"i Т:оч::о ойггае?;: 9 в а е г о р о ^ npo5:c,v;:« к е схг;."у;::.-:

-': Hfjca!t./:y:o:.:.-:ipHi.i.'i п р о ц е с с. В первой or\so цеслодеза»

кгя г:;.-:."1 ееv::c?•"• ;:сс"г!1:х;::о::арпэго r:;r:;;~acicox*s язде::кя йп:лх~

–  –  –

ется в -гом, ч^о оаа

- в сС;ле?л с ног^иачштельлпгля модиф'лкацяянл пркиеаять унгшер*»

сслзглил© иет'оС/" ккслодовакия;

- ка сейойв- »:ao^:.-i'asx на:; окоачо^ояъшгх результатов откх едозеЕпй nr^JStxs^b йэлеиие я подробную ехсау СЙСРЭИЫ и iC so ac!a^bsoBaTfc »е8ульс?атл общих аэоре?лчеоких ев а»

–  –  –

Какдув величинуj описиваюцуи полигаршжачеек!;" процесс t воз»

кожа» выразить npss локощи разложения Фурье»

На практике бывает? гармонические процесса грубой аппрокси* ияцией пелпгармскичзегсого процесса, о котором яано преоблада* от одна частота; икпро напряжение на выходе генератора поре»

гсокпого електрическог© токе; колебаккя кногощ:лпядрового дви« гателя вн;г-'раннего сгорания и т© п о Д^Ш^^5:Ч?11.2.й.^Г:й-:2':.3-^ШЖГ;25Ц ("почгн" периодические) пздя* ю?са супер:«озйцие» Д'оух или к-осколыспх кезавискнях гарког.-i ~ чэс&их прег.оссоа, дла которпм частное лари чае^о1? являемся ?.д^}:за число:» « период s c e r o 17роцасса равен беско и0 Вообще со?:юяно описать велмшшу, xapaxi

•га-сой процосе .

кг-и прикцре-а процессов этого сорта являются колоба»

Kuorossoi'opKcro г.ии'гоаого самолета прл полета с й дзига^елсЛ (аеинхрошшй ps;~:ia:) .

^ ' S L » 5 I l S L ? i l. 1 l S I 2 ! ЯРА-ЯЭТСЯ ВСО осталышо э вначк^^, и гше ароцб&сн, котора® зозйсгсшо в любое время опк са?ь ?04tm--«-i форяз^камк для характеристических величин»

У г1сд&р.1-.;:кмстй^.есз::.!ЗЕ прсцаесоа келься поступать анакогнч»

ко© Коля зеллчкя 8 опаснааищ-лх о-ш процесса, ягл.^ ке.упорядо"-;к-;:лклш и бистро хаотически ксаеняатся во и в прос?рг-нптвво Поеному при класскфякгщии и олисапии е.гучайОт исходии:-: no./ieij мгноваинк;: веяйчтш уакиц о бра в см приходится it болоо гла,:и;."2ь: 3 рпзкомерш.:?! полян уцрэдкенк-кх величин, гес»

'i'opiis во;п"о;тно часа1 О ВНОВЬ исследовать при noisonris обнкяовак»

Sij-iic ггй'годоп j;.iTeua?;r,wQCKoro аислиза© Опредолекле среднего онемегглй :I.;;-:H:'? ДЛЯ кнучеапя случайных процессов основное saa

–  –  –

В случае, nvo определено среднее значение величкни, то обыкновенно вводчзся покятле ^Ьлккту^адиа этой величины, определенное уразнеклгга / „ р _гГ Для среднего значешз фяштуецин в силе Введением E'lvcil величины значительно упрощается сгат кий анализ ггпсзеникх йеличли ? в При достач-очгто бол^шоа количестве образцоз, угит прл окределс;;':пи групповой средней величина» являемся группе»

вое среднее? ::ь*ачспио более уикверсалыгки из всех Езв сродкмг 31га«г;;?кЙ (зрс:..'к;ше клл простракссаенные) и мгш для всех цедетерггннистичеекнх процессс-Зс ификации случайных продассоз с г?опки зрения их в ре»

ке.7;:ет'о раэ»"::ч;я исхода? кз csoilc?s rpyt-позкх средних БН&* чел;:Л сяач'исгл.гззеких характарпстикэ опргделепнак Б данкоха кесгэ облассон воздейот-зпа явяекггя и э равнгис вро;-:елах огг па продоссн, средние зяапзкия psicTXJc ко ? op к:-: изменяется ко враыздш .

Cr^S^cjTun'irj^Pil^ijEpo^eccaHK пааывао^сл техно9 для рых ex1 ззроненлд в которое Ероиазодигся груляоаов усредкенаву кс soBifcsw среднее виьчекив величины ни среднее гначенке квйдратга фдка'гуедлй иолгликяо При эовиек^ости процесса от неоколы:их БОЛП^АШ ке сыее? еаъиее^ь от арскеяя; ни средней энач&изе прог:»зедекия о'лг/йтуецпл лабнх л"У- пелигг^Нс .

У ^яльдосл^ило^а^пг^х^лродоссоэ не воэиеат от времени вазткд образцов все су1:;оо?г:уя;.15!3 ^'оцен^ы разделения вероатнос^к величин оиисг.:зак:ц5'1Х процесс .

23?^г;иоЛ кагсгоряеТг стационарш-лс случгг'1'ных npoticscoB являются эрг од;: ноские продесаа, опр-зделлоино такр чго для кагя « даго пологаг^ельного ч"":слй су^ьствуст пракя усредиенн.ч ко врс::-:т^ i';, дл:1 которого среднее; г-начркио кзадра^г: разности ;jpc;.:r:Kuoro У vv-jriiio;:o\'o среднего окачо;;;з случай:;о% пелпчя-* пи F ( t ) ?.:-2.п.:.:;г чоь? г" J 1 T ± Few-*»} * Воомояно доказать Сг:апр« /2/s "Эргодическая теорема"): необ»

у.одиаим к достаточпыи услоэкем, чтоб:; была выполнена от а за»

ВПСИМОСТЙ^.

является сущееуыоваиие интеграла функции авуокор • • реляции бА.'1»к5?уацай /- ~ F -Р :

Пркмечапно J Это определение эргоД1п:лости и формз*ларовка Эр»

годическей теорекя тсогда-нпиудь откосятся к •« я о слабой эр« ?»

годичностио Сильной эргодкчйоогь» прогресса затея еяуи&й, когда анг.л'огичвке оппедеденгтя и теореин кы для всех еущесгяуютдих статгютическлг: характеристик В дальпоГ1шси кйл-змеспии огракичикся оргодичоскими прецзоеаuut опиеппаеиымя к-эгтрерызкьхий величикаггао A*J»s в^ого иксагея важные практические причины г 1с .

более об5члй случайшге явления требуют группового усреднения, осущэствлоаиэ которого причаш.'ег большие технические трудвос^п и прк простых олатах, необходимо-ли сохранясь кдентическйв условгах для всех осуществлений j 2а теория аргодичкеклх процессогз подробно разработана и для його исследования является составление н е * ит«ельнах систем с удовлетворительинш» сэой« ки только финансовым делом 0 като;.1;,, как поступать при последованим немного исследо— полного фнймчаского процесса с точки зрения его хода по в р е полг;га?н ? что из предидущого исследования (предварислмпгГ: теоретическ1.;^ анализ или иакчрэнно) излесгно, ^" ; о ггроцесс вппяси1? ov М величии (М = 1 Э * о»о) я '.i:x осващеня только ап:м:ра-?^ра:-.{ для игне-реккя оди&^очечиггг статиеткчэс»

–  –  –

ченио одного опыта или лучше иэ величия измеренных при повтортис наблюдениях п течение серии опытов© Для i-сй реализации опыта определяемся последовательность измеренных величин в порядке очереди, в которой они бкдя изиерекк :

L ;i / Кг.: *ч» i • •" ~jt. i \ i *li i • • • %.',' ;»i % 1 • • *• b,»

для кетсдой порледозателыюстя найдется среднее значению L -iTf .

Г. s. - ± Г F i C ~ ы fa ' ; / € - ~ л/ f:-, ^,г.и отклонения отдохьккх наблюдений от этих значении е- ~ В случае^ что s^is отклоке??;гя не зшшсят от врэыени к из ккх вкчисдсггпая вероаг;:яай по^рйящость ?п.:еэт эп&пзнпе отвечающее точяост-к этсморепггй, то ечлггяеы процесс слабостационррныи»

И8 аналогового апалиоа иаблвдеккЛ цегггральных моментов 3-го к 4-го порядков или функции рсизфеделеила воз«озно за»

ключать* если про?:;уос лвляатся сильпоетациоггаркамо Эти хода исследования стацкояараос^к овраиднвают себя да»

s e тогд',ав когда на выходкой эдектрлческий сягкал накледаза»

ется пефлодя^еезгнй СИРКЕЛО Достаточно, чтобы вреьгл усреднения по среиеви б:.:лс достаточно долгам по сравнена» с перло** дом этого сигнала* аии р??.спредело1;:1Я Измерение центральных иокеатов до 4-го порядка принесем одиозрг;:с-нно обос:гогания для расчета коэффициентов аск;.:кетрая S и йксцейса К, Из ©тих коэффициентов позкозно заключать ка форму фушщии расгфеделелня исследуемого процесса& Крппа;: плотное?:* вероя^костя является симметричной вокруг среднего у?-:ачеяип сигнала 't если косф-фициезк1 асимметрии С — е3 -п если S Оэ то кр;:иая но является симметричной и капр« при S 0 в процессе прэобдад&гл1 положи голыше с;у;юктуации9 т о е© J Q общего арамея:! шдбдгдегшд i ; 0 прялодкт более зиачктелькая '••асть v-, н:-. случЕЯ9 когда цгкоаеиное значение сигнала Б ( t ) больше vicn j'J, Мс)С-ст;ю, п?о ):оЕгХяя^дек? эксцесса К таге с'г эначокме 3, сел:; дел о ::ааае'.-сл процкеса с кср-.:а,г;ьг:шз распроделгь:;ен в е J

- 57 - В случаеs что более часто встречаются очень малые флюктуации вокруг* среднего значения S, то функция распределения в окрестное?.;.! Б являемся более крутой чем при норн альису распределении я коэффициент К 3 Функция распределения икает более киЕкуэ и более плоскую вершину (кви у нормального про»

це:зса), когда К 3 О !Согда з:?-:евтся в более значительной коли*»

чеетве в процессе большие флг .

В случае s что проявился в© время анализа повторяемых на»

бладений при повторяешь осуществленп.чх, что в пределах точности иэкареяий являются коастантпымк и значения ной фуякдкх* автокорреляция

–  –  –

то удостоверена слабая эргодичность процесса; т,- это про»

в спх'нале При еналкое случайных процессов создавав? оОккновенно сайне большее трудности идектяфяциропать в процессе перко»

дичйскке 3i.sn псевдспариодичс*ские составляющие© В общем еду»

чао и в течение окончательного осуществления oniiTa келься ss;;: с уверенность и доказать иаянк-нибуяь статиоткческии ш-галиэои. Jb: BOSSIOKJU) обнаружить только в слуг;а^х, когда екпллтудн wTi-ix составляющих достаточно большке8 а именно при KQzaiwiu;cc:ioM рессчотрекии реаультатоэ иамерекий спек?, -»

:

ралькой пдс.: ност;5г функции распределения и функции авто « • корреляция о Акалогкчко улучп;!?ся надежда на подчораку этих соотаплля^рХд когда УОУКОЛНО предполагать величину их час»

то 1 ? в Не nxernv'-r-'ecKTix PHCJ'HKCZ 2 к 3 yicaaaHii ход по ареманк, плотность иорояткостп, функция автокорреляции и спектраль»»

;:оп плот11:осч'л» дла ззелкчин, характериаук^гх четир' типичных с луч аз пр о ч йо с оъ с ~ 58 Чисто гармонический сигнал или с наложенным случайным щупаи слабой интенсивности (рис» 2) обыкновенно возмокко идеятифицирозать уже из хода наблюдаемого на трубке осциллоскопа* У плотности вероятности распределения я стандартной функции корреляции типичные ходн 0 Спектр чисяо гармонического сигнала имеет s саио собой разумеется, единственный пик .

Опасность ошибочкой интерпретации спектра угрожав» в слу* чае суперлоЙИДИИ гармонического сигнала и шула» особенно в случае^ ч-х-о ширкка 'полосы анализатора относительно ве.така в Как езеаидко из сровпеккя с рисо S 9 этот спектр имеет ход аналогичный ходу спектра шума узкой полоско На рисо 3 схематически кэображекн типичкме ходы во времени isyt-а низкой к ш-фокой полос, оба с нормальной плот « ностьи рас::ределевия аерояткости»

Стандгф'гныо фушеции еатокорреляций пораеительао отлича»

втея гашеииеи колебаялйо ЛИТЕРАТУРА / 1 / БЕНЯАТ Д н е, ПйРСОЛ А о : Иваереняе к анализ елучайкнх процессов; перевод из англ., Изд о и Клр», Моокза 1374„ /2/ ЯГЛСП, Ы И К Ш ; Стагис-гкческая гидромеханика; Кяд о и Нау-'.а"8 Моста а 1965 О / 3 / L3VI1; В. К.: Toozie ndhodnych procesu a jeji aplikace v ir.diotech.nice; ffi'TL 1?Г5, Praha .

Ц...*А•' 3 - преобразователь величины в эл.капрачение; 2 - осцилоскоп; 3 " умно^а:с!:ео устройство; 4 - временной интегратор и вольтметр; 6.- ко}.-г-'.?латор; 7 - амплитуд, анализатор; 8 - спсктралъньп;. ;и!!:;л:1зптг] ; 9 - коорлинатнгй ец «. 6 0

–  –  –

Ыацсглач регистрации термодннгг.кчесспх параметров за ударкши Bojnifj.ni является необходимой предпосылки;: теплсфизических исследований с помощью мощных ударных труб .

'Для визуализации распространения разрывов л определения плотности среды- за н ш п целесообразно воспользоваться слсте~ мой Ро.-.-доствепского / I /, в которо.'! пнтеруэроглетр иаха-ЦендеCxei.ia эксперимента в случае^сПстсхЛЫ Рождественского приведена на рис. I .

<

–  –  –

интерферометра укреплены в оправах, которые Б СВОЮ очередь, установлены на специальных подставках. Юстировка зеркал осуществляется с помощью мшсромстрических винтов. Эта система установлена па швеллере шириной 40 см ^длиной 250 см, который в свою очередь для исключения влияния посторонних ьлбршщй установлен на двух амортизаторах .

Пнтерйерограшы, полученные с лошщыл этой системы, позволяют не только определить длину ударно нагретой области, но и ла-йтп распределеш-ie плотности за уддрныш волнами. Покалгеи это на примере аргона.

3 случае однократной ионизации аргона, когда число ионов равно числу электронов, H O S H O написать:

а) *%&/- соответственно рефракции атомов, ионов аргона и эле:-тронов, „м, ; ^г -соотвзтствепно концентрацшг атог.юз аргона перед ударной волной iijiocre неё, J\fc -концентрация электронов, h * X * h ~ Д- 1 Л 1 Ш в о л и » отвечающие максимумам освещенности in-i— тер^еренциокиой картины до пр; кода ударной волны, S-^- o, •"-•;-$, t где SOibi,ЬХ- кзмекетЕхя поряди, интерйеренJ?:::, обуслоЕ.тенные щпходом ударной волны. ( lf Поскольку значения реуравди;': известны, а.5,( могзгт быть определены с помощью иктериерограилы, то система уравнен• 11 / I / :

позпо.1яет п а й т и ^ » //с и в случае необходимости ~«^ .

Результат;.: исследований, проведенных по этой методике, описан;.: в /2-4/,

Погрэкпооть пз:.:ерон.:гя шютностн и электронной коицентраи;::.:

при использо^нпп с:юа1е;.1ы уравнений (1) пе превышает 24/i, Б тдх случаях, когда SJ, H S S S C T H O, Д Л Я определения птотности л концсп7ргцл; электронов достаточно двух утс'внезп:'; с:тсте1.;ы(1)0 7i:.oiaQii::c ч~лсягх уравпотгй от трех до двух иргпзодлт к зг;лоль!ле-к;:.: погре::п:оо?:; np:i',;c].-;io в полтора раза .

- G2 Достаточно полно разработаны ге для быстропротекшощих процессов методы измерения температуры в подавляющей большинстве применимы для прозрачных плазм. Исключение составляют метод icpaciro-сшюго отношения и метод обращения спектральных линий. Однако метод красно-синего отношения позволяет найти температуру только в случае серых тел, а метод обращения, предполагает, что плазма прозрачна' п непрерывном cneircpe. Зти предположения обычно не реализуются для плотных плазм, что заставило предложить и реа7п-1зовать новый метод изыерешш температуры. В основу метода положен закон Кирхгофа:

цГлТ здесь: Xtf- монохроматическая пзлучательная спосоокость объекта, Ау$- его монохроматическая поглощатедъная способность, ^у,шнохро1лат1-гчес1;ая излучательная способность черного тела,/^показатель прзлог.ыеппя среды, дня плазм o6ii4HOJh;T-l(^'0,no3Toм у К ^ в (2) могшо ощ г стпть .

Су::!,ество метода состоит в том, что одновременно измеряются монохроматические кзлучательная и поглощательная способности, что позволяет вычислить для: 1са::;дого момента врз;.:еш1 зна~ чет'Л функщах Планка, а следовательно и температуру объекта»

Поскольку для измерения температуры с помощью закона ICupxroQa необходп.ю ::тлерять лзлу^тательпзпэ и поглоп^ательпутэ способности для одно:! фиксированной длины волны, то элементы олтичесг.о'1' с::сте:.".п (линзы, светоуильтры, монохроматоры) могут быть oo'iuiiMH np:i измерении как излучатожыюи, так и поглощателыюЛ спосоогостп .

Прппцг.гппа^ьпая схема такоГ; установки для измерения температуры дакл на т,:;с. 2. для :is:.iepen:n излучательпой способности центр :!злуча::;:;;его объекта (I) просцируетсл линзой (2) на вхолиую цель 1.:о;ю::ро;.:атора (5)'типа ;"; - 2. Затем излучение прсо^р^зустоя t;oTo-i.nio::;iiTOJioi:i (7) Tiuia wco"-38 в электрический c:irix-"{ :: регистр::рустся одним из лучей д.вухлучсвого осщ1ялог~ psfjci (У) типа 01-17.отот хсанал градуируется перед 1и:.;дш опытом т абоол:зт;пг:с едшегца^г с ггог.юнко ленточ-юи воль^-щюло'г ла:.;пм тмпа CIr-..J-3G0 и стробоскопа (4). Ленточная воль0ра1.:о"|.^я.:u:.:iia уста.и;л-ли:глстся в те :::е ог[тпческле условия, что и

- 63 исследуемый объект. Нейтральные светофильтры (3) позволяют в широких пределах изменять чувствительность репгстртгруэдей системы. Для измерения поглоцательпой способности используется гелий-неоновый оптггческпй квантовьи генератор типа ЛГ-75 (II) .

Луч оптического квантового генератора, отразнгшсь от соблра;:щего зеркала (12), проходит исследуемую плазму, в которой частично поглощается. Это изменение интенсивности регистрируется системой, состоящей из линзы (2), нейтральных светоОильтроз (3), монохроматора (5), поворотной призмы п 0отоу7.шо;лптеля (0) .

ПолучащзтПся в результате шпульс напряжения записывается втерьй1 лучом осщылбгрсфа (9). Питание уотоушо;штелей осуществляется высоковольтным стабилизированным випряг-птелетл (10) типа ВС-22. Дпауравли (13) п (14) позволяют улучшить простртнетвенное разрешение, Епс. 2 Для не зависит юго нзмеро-пя излучательной л поглоцателыюй способности нлазгл входная к выходная цели мокохроматога разделены на две части, впсот:оторых I мгл и 3 ш. Для пз:.:ерет тт. пзлу.гм?ель-чо:': спососопстп попользовался участок вблизи А= 6328Х с полуплркпой бХ, иолуппрхпа лшеш,' нзлучаег.юП оптичесип.1 K::aiiTO3i.:.i генератором, порока 0,1. Отс:^а следует, что пзлучателъпас и поглог-дтельная способности измеряются па участках спектра различной ширины и щх^еиешго заг.опа иатрхгоrJa з это:.! слзп1ао ;.:о:::ет бить оправдано только при услог.-::: нез сглы-юго :1сг!спс!ГАЯ! этих веаиин на указанных з-гю участях огектта, так что :;х средние зиачешх i:a участках 0,'il п 5Л отл1:ча:огс;; кссуцсственпо. Поэтов np:i:.;oneir.:;o ушного метода ~l должен предшествовать анализ спектрального состава излучения плазмы, температуру которой предполагается измерить. Кроме того необходим анализ состояния объекта, который дол;::еп дать ответ на вопрос о то:.; находится ли объект в состоянии локального термодинамического ревновесля .

Время нарасташ-ш енпгала для канала излучения обусловлено заполнением апертуры оптической системы, для канала поглощения - временем, за которое отраженная волна проходит диаметр луча оптического квантового генератора. Очевидно, что в общем случае эти интервалы времени различны. Ясно такде, что соответствующие участки ос].^1*Йграг.п.1 долгяны быть исключены из рассмотрения .

Источником систематических оипбок ыо;;:ет слушать неоднородность исследуемого объекта вдоль оптической осп системы.

В случае отралештя ударно.'! волны от торца ударной трубы размеры это;"' области могу? составлять существенную, величину, поэтому при измерении температуры плазмы за отраженно;: ударно:;

волно-1 не следует располагать есфптичееко;-! системы от торца ударно:; трубы далее, чем 5r.m-r .

Oni::6;ca-измерзши температуры определяется соотношением:

т где А - ~ относительная оппбгл: измерения лзлучательнсн способности, ~~ -относительная ошибка пзглерення поглощательноп способности, В - фуш:п;:я ГЬтанка .

OiiLioKa нз:.:о'рон;ш излучателыю.'; способности р OLiii6i:o:'i измерен:^! ;:;.:rr;v7bc::L:x напря::сеш1:1 в экспере;.:енте л Б О З г.ю;:а-:о;ч петоч::остыэ установки ленточной вольфрамовой ла;.шы .

Созрсмсшгыс ол"о:-:тронп::е ооц:;ллогра.лы позволяют измерять :г.1пу.":ьсние папря;::ен;:л с точностью не ху:::е, чем 3%. Погрешность, ооусловлеппал петочпостыэ усгаповк:: лепточноЛ ла:.:пн, составляет та::"".п около S^'. 0::1:юка ;:с.:.:ерзп;:я погло::;атольно;1 способности опрс;.;::7яотся ти.с.:е oi::io::o." пзм&ренгш ш.лульснь-:: напря:;:еп:::1, ЛО, Y i ' UJKI.«J.-..II .

.' - i U1I'.4L-.":.. Л \ U,_.O/ old O. ;. _ j.d iiU...Ui ijjv' ^Oijjic.i'j

–  –  –

толе 3%. Так, например, для а^хгона величина, стоящая в числи теле (:;ор:.1ули (.3) при Т=2ОО0К составляет 20-215», при Т =

-I3-I4/J. Знаменатель в уорглуле (3) наоборот уменьшается с ростом температуриf так что погрешность при измерении тешературы в диапазоне 12000-2СОООК остается в первом приближении постоянно:'; проставляет 7-8)1 .

Результаты измерения температуры по методике, оппсапоп выше, за. ударными Еолнаглп в аргоне, воздухе и двуокиси углерода дарш'в /5-7/ .

В основу метода измерзшш давления, описание которого приведено кике, поло;;:ен пьезоелектрический эудект.Еслп на торец однородного стержня действует с:иа равная S-Pfe), то величина напряжения на расстояш-ni У о от начала стер:лш в иоыент to пря?ло пропор-циопадьна топу значению енли, которое она шлела в момент t=io~ --. Зтфигуащш будет иметь ыесто до тех пор пока дронт волны, отразившись от свободного конца стержня не ^ в точку X. Если в точке *^о установлен пьезоэлеглепт .

ii шшедакс которого равен шустическо!.^ ш.гпедаксу стер::^1я, причем так, чтэ пьезокерашка плотно соприкасается с материалом стерглня, то волна г.юханическнх папрязкеши^ распространятся не испытывая лскадешп!.

Ыоынфоказать, что для о Ьг!-?-:

УМ = о где VH)~- разность потенциалов па обкладглх пьезоолс:.:еп?а, с - скорость звука в стор:::не, С - длина стер:лш, h- - высота иьезиоло.мепта,?^ =—?, А -константа .

Из (-1) следует, что разность гютек^голоз на об1^адках п ь е зоя;ге" |0}ггр^.

уст-.'-'т-оз^епчпго в точт-"в -Vr с-тпр-;гл о Гь.ягодаттсом psii His.: ::..пэдг.псу !1ьозозле;:о::та, будет следог-ать до ;.:о:.:онта t ~ с :г -азд1сан;:с;.: 4t= ^ Y Го, есл::

- 66 измененном P(v за ззреяля Zo мошю пренебречь. Т а ш м образом, с помощью датчика, построенного на изложенных виде принципах, мо;:що измерять давление с запаздыванием электрического сигнала го отношению к исходному воздействию д ^ ^ г - ^ простоянной времени Zo Одни из вариантов крепления датчика давления в стенке ударной трубы показан па рис. 3 .

П 3 Рис. 3 Здесь: I - пьезоэлемент, 2, 3 - латунные стор;::пп, 4 - кольца из вакуумной резинн и эпоксидная смола, 5 - латушш.'! корпус, 6 - центрирующее кольцо из теулона, 7 - болт, 8 - ошанец .

В качестве чувствительного элемента датчика давления использовался пьезлэлэ:.;епт, изготовленный ::з цпрконата-тптаната свинца марки ЦТО-10 в виде цилиндрического столбика диаметром 5 ыгл п висотоЛ" 2 ;.ш1. Шюс:-ле поверхности пьезоэлеисита покри-ги серебро:.;. Пьезоэлемепт устанавливался :.:о::йу двуия стер:л:;::.;;: из латуни i.:ap:::i Л-5Ь. /-липа первого стер::з{я - 15 i.n, второго iri диаметр отер;лгзГг - 5 мм .

.., да обеспечения п-эдйг^юго акустпчооного контакта торцевые псьерхнос?:: латунн:^: стерта::, обра;ден;;::е к пьезозлемскту тщательно яр::^::ралпсь о по:.:оць:з пасты IS.1. Высокая точка iliopn nbcao::epri.::i;i::: цТС-1Ь (около у1 „о 1\) по::ьо.^;:ла припаивать стер:::la к иьезо;г:о:.:е:-;т'' сплаве:.: для пооппрозапил (висмут - oJiJ, _.•.. о;г. ',-.--. v. .

- п~П \ С'ТС'о:.:пл с :1ьезоо.:сменгом дол:::пп о::.ть vc'rancixieiii.! так, чтоicoi:. Поэтому к стер:жям с помощью эпоксидной смолы крешишсь кольца из вакуушо:-: резины. Бате!.! стерши с пьозоэлемснтотл к кольцами из резины помещались в латуннш корпус так, чтобы первый стержень висту пал из корпуса па 5 мм, а после этого пространство не::ду корпусом п кольцами заполнялось элокслднон сыолой. Изготовленш:л т а к ш способов датчик устанавливался в стенке ударно:: трубы так, чтоб:.-! торец первого латунного стержня совпадал с знуттрлпел поверхностью какала трубы, а гле:л.цу r стежой п B}rjTpeiV"n6j^ep;aioc'rL::.) стерли оставайся зазор около 0,2 ш. Этот зазор предотвращает акустический контакт ыег;.;у СЕободныгл 1СО1ЩО1Л первого стетх:;]Я и стенкой ударно:'! труби. В противном случае датхл; давлещш регистрирует сигнал, связанnvSi с ударом о стенку ударноJ2 трубы лепестков раскрывающееся диафрагмы, отот сигнгл ш л е т опередить ударяю волну или прздтп одновре:ло:"10 с нь:: и искаысть полезп::Г спгкал .

Особенность реглстрацнн сигнала, ззозшпшего в цепи датчика, обусловлена весыла высока; coirooTiui-iemieu датчика (более "П Г 19 Ю- -- 1О~" о:л.Зависимость напряжения на входе регистрирующего прибора от времени связана о постоянной врег.:еп:1 электрлческо" цепи ? : : ; у прибором и датшисом дапленпя. В обгюы сл^учае.е.д сопротивлеп::е эт-oil цепи определяется сопротив-лениеп датчика, 2зходш1гя сопротивлением регистрирующего щгпбора, а так:-:е сопротивлением jтечки подводяиртх 1сабеле::. При рзшетрацзш сигнала с помощь;;; ос:?.1ялогра:,а 01-17 это сопротквлкзше равно входно:.~7 coiipoT:r:^i3inm оа.тлллог^-'а (500 кглоом), т.к. это сопротпвлешю на 31есколых[пор%д1-.ов i.:eiibme остальных. Емкость электрпчоско.': цэп:1 ородо;.т;ется емкостью датчика (~20 mQ), емкостью Kadojxfi (~I,JGn:y), i: зх:сдно:1 е;.:костыэ оси^гллограГр, (СО пз;:.:) .

Бее sTJi'ei.n:ocT:i одного поряд:-п, поото:.:у замена, например, одного кабеля на другой I.:O:::GT повлечь за codoii за;.:етное изменение емкостл все': цзп::. Ьто обстоятельство влечет за собсл. н е обходимость вглючеипх; параллельно входному сопротивлению осдпллогра^а дополните.'] :,iгол ei.acooTii, величина ко торой дол;:г!а

C- e:лсост ь доНИ, яI5C п:С\ Тги:т~л образом, соли обозначить:

бить много больше сопротпгаенне, У Н ) и v(t)— соответственно 11ГГЯ.- ь:а гда-д-.ях ллезоэлемонта и зарпглс

- G3

–  –  –

п для того, чтобы мо::;но бито считать ^ / = l ^ V ну'лю, чтобы %^ ^0~'"° Отсюда, полагая врег.н регистрации разным л50 i.::xe::, получки С ^ 0,05 J.:I:(V;. При прочих т^впых условиях сигнал будет те!.: ;.-:спьие, чем больше С, т. е. увеличение ётлюст..; сверх не обходу ;:лого нецслосообраспо. Поэто;.:/ величина дополн::тзлъкол ё:.псости 6iui& взята равно]! и,05 око .

Tapnpoi'icy датч:п-л дашхення в абсол;:тшх еддпшцах целесообразно ви..тол]1ять Б условиях, блпзга-ix к тегл, в которых проводятся пзмер^лтя. В этогл ол^чаа могло пеглючптъ влияние ат.ллзаудЮ~чаотот7;о:'1 хараь:тер:1ст:л^: датчика давления на результаты ]i3r.iepeiLT;.'.:, Для этол доли 6IV:II попользованы ударные волпк с nauojibviiz.z: чпсла;.:к Паха, т. е. Taicir.iii, 1югда нет ооновсашй подвергать сомнении расче'п::-:е з н а ч е ^ л давлени5, полученные с И0'.юзцыо сгиюпоз со::ранен:гя. Тархрокл датчиков давлешш осуществлялась с по;:о;.;ыо отрг:.:епньх ударнпх волн в аргоне при чпелах I.K'.O. Погрсппость, с которой: измеряется давление олреде:шется иогро:люитью измеронтгя ш.;лульскьк ла1гтл;:;еш1й, погрепHOCTLID :1г:.:орош1я калибровочного папрл::ения, поступа:ог!эго от гоператот:^ стацг,а2/.'11:1;с сигналов, к составляет 1 5 ' J .

Результаты пзмерентгя д а г л о т к с по1.:оць:о пэ;го:::е1шои котодпк:г за 0Tp.:::eiiiiMi.i ударни;.!: волпаг.п: з вогду^се, аргоне ii дгвуокпеп углевода orr.:c:::n-i в /6 - 8/ .

.'[.;.',. 0. Po:.;;r,ccTi:enc-.;::.':. "Габотх: п о а;.'.};.;га.ъпоЛ д п е п е р с и п в п а

–  –  –

" ш ю ь з о в д ;;:•;;; МЕТОЛ ОН РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ Т;:ПЛСПРОЬОД~ ПООТУ! НО СА?^^Г;ГЛГ, В0Я1КЩ. Т!-;ШЮ1Ш ПОТОКОВ У, А ПОВЕРХНОСТИ Tjc'i" .

Икж.Лудек Крейчи, кандидат техн.наук Институт те гл.:о механики ЧСАН, ил,Пушкина Но. У, Прага 6, ЧССР, При экспериментальном исследовании теплообмена на поверхности тел, обтекаемых потоком низкотемпературной плазмы, камеряем локальные тепловое потоки т.наэ.калориметрическими зондами .

Из нескольких причин np;:voM иы отдали предпочтение йондам где тепловог. поток определяемся из услоп::й распространения тепла в вонде.

исмерешы.ч в точение кратковременного »кспер1::.:с;:-тта:

1) Н течение; нестационарного нагрева ко:~.по иметго контро.;;провать до которой степени дойстиугощлс условия р^спрострплоккя тепла в венде соотчествуют условиям теоретически предполмгаeuhiw. .

–  –  –

полагают, чго п течение всего эксперимента соблюдаются условия одномерного распространения тепла в эонде. В сущности это значит, что торец конда равномерно нагревается и что его боковая поверхность и тыльный торец совершенно теплоизолироьаш» .

Применение электролитической меди на одной стороне гарантирует одьо.'/ерное распространение тепла вдоль оси зонда прибльамтельн:.) у:хе а глуби 0,1 мк от переднего торце, зонда / 7 / ;

пдрозитные теплоэые потоки г/е.яду боковой поверхностью зонда и oKpyscaiciL;;-)!,! воздуганм слоем могут однако, особенно у зондов кал ого диаметра /3/,/9/, быть причиной того что одномерное распространенно тепла по длине зонда нарушается .

Все методы вес-тпковлеккя теплопого потока на торце калоркметркчаского зонда данного w.na имеют точно тот основной недостаток, что возпольаулсь ими нет воэмокна проверка выполнения одномерности расш.;острапоп:;я тепла Б зонде в условиях эксперимента, сто токи одна из основных причин, которая прииела нас к предложению ик:-е опкеаппиго кьдорьметрического метода .

Его основная черта - ок дает возможность прямого контроля распростраиекия тепла з калориметрическом зонде я одновременно контроля достоверности полученных данных по тепловому потоку в условиях действительного эксперимента .

Данн;.-" метод основан на с:акте, что при одномерной распространении топла в кьлерлметрическом зонде все тепло, поступающее в эонд в нем акгуиудируетея. Прирост теплосодержания з единицу премеал дает так;:м образок прямо искомое среднее значение потока 'rer.v:a на лобс-пом торце son да в заданном интервале врекеял, COOTJJCCTJJGHHO о

–  –  –

(3)

- 75 где "^М.'П " температура в точке 1 в моменте времени Т дТ, д 3?,... л"Т - первые, вторые,... н-тыс разности соотвествуюдкх температур /12/ .

Температуру Т/g ^вычислим аналогично из температур Т/, ~- • .

-• T/g ~,к кэ сэотвестБуюцих разностей /12/ .

:

5) Из известных температур, размеров эонд и данных теплофизическях свойств его материала МО::ЙК теперь вычислить среднее значение теплового потока на лобовой поверхности зонда в моменте К] времени Т + -~- при помощи разностного выражения ДЛЯ (1) 1-8

–  –  –

Точкость результатов расчета теплового истока, полученных описа:;иы:л способом зависит от:

1) точности измерения температур в отдельных точках зонда,

й) того, ыатолнямтся ли в течении эксперимента оснопино предположения, на которых данный метод; расчета основан,

3) сходг:кости численного риз^ьния основной системы разностных ур&Г)Кенкй .

1) Точность лзмерс;;::я те мл ops тур в зонду зависит глазпим образом от мгновенной иеличини градиента температуры в месте спая тс p..) пары, от точности размещения спаев отдельных термоi':

пар к способа обработки их сигналов /16/,/17/» На показания т ? : е :. у в зонду наеденном в струю плазмы монет кроме привей.пр-ту денного р : ; т значительное клкяние то:+-е галпаническое соединееь ние столСа и:;..м » тел:! уонда. Способ устранения этого вредл.-г:

ного Е;ООД'-:;;СТП;:Я И сама мктодкка обработки сигналов термопар подр|л.''11о О";;сг:;;ы то"-е В / 1 7 / .

Ь oo::v.'i/ ь;и:;:г.о с к а з п т ь, что при измерении т е м п е р а т у р м е д ь к о tio т: 1« т;. J; ; :-J.I !*: тс ]\v:n:ap:-.i ;;•, которые с о с т о я т г.э K O K C T I I H T U H O D H X

•S.:.;;

)'|-.О;--олок, ^ : : ' ' T w;i 0,3 ww, проткнут:-::-; через п о п е р е ч н м е с в е р л е ™., i.. j ] ),

- 76 нид в зонду," образующем их второй электрод, мы получим данные температуры с погрешностью 0,5 * 0,6 °С /12/,/16/ .

?.) Как ухо было приведено, опыт показал, что основным источником ов:;:бок по практическому использованию какого-нибудь решения обратной задачи теплопроводности по определению тепловых потоков на поверхности тел может быть тот факт, что в условиях эксперимента всегда сохраняется предполагаемое одномерное распространение тепла зоидо». Притом показалось, что дочее контроль условий распространения тепла а зонде сравнением температур кзмереи.ч'х в местах 4 и 6 •• рис.3 - с данными теоретически рас™ • читанными при предложении одномерного распространения тепла 1сет достаточно оффективнкй / 3 /. Чтобы напр, однозначно выяснить вопрос о ылиянки тепловых потерь или о влиянии нестационарных кэнвектиышх явлений в условиях введения зокда в струю плазмы .

на распространение тепла в зонду, показалось необходимым контролировать одномерность распределения тепла и зонду по коэффициенту температуропроводности его материала, вычисленном прямо из дани-ix темперитур Б точках 2, 4 и 8 зонда - рис.2, 3. При данных краевых и на чадных условиях и пр/. одномерном фурьеро веком распространении тепла зондом коэффициент температуропроводности его материала в каждый момент времени однозначно определяет его температурное поле. Если и течении эксперимента выполняется условие одномерности распространения тепла в зонде, то коэффициент темпер&туропгемодности должен соотаеетвоЕать его табличному значекни, определенному при данной среднекктегральiioii температуре /17/,/18/ эопда (в нашем случае относительно точно определенной температурой измеренной в течке 4 ) .

Кг.;; расчете температуропроводнес ти материала зонда вычисляем ~ точно как при расчете тепловых потоков - из показаний температур а точках Й и 8 зонда одномерное температурное поле мемду итм"л последовательно Для рядя значений коэффициента темноротурэ;:рз:зо;:,ност;; г.п:5ранных по определенно;'! схеме. Расчет впедстег» до мзие.чта прсмепп, пока TPMnepiiTyj-а в точке 4 зонда с определенной f.iдлиной точностью не совпадает с температурой и этой тлчко i:s:.:o;.CHHo;i. допустимое отклонение притом подбираем pcii:i"r';fH 1 •. что n r f. - ; ). c i c O со^тьктст!\ует средней относительной по-гго:"но',;тл v.'ciV.cp'jii'Mi тег/пег а туры /16/. Расчет проводится такхе

- 77

–  –  –

Расчеты проводились для величины интервала времени 0, 1 ;

0,2 и 0,4 с е к. Как видно, значения теплового потока сходятся к пределным с растущим интервалом времени .

Результаты более подробных расчетно-экслерпментальных исследований / 6 /, / Й 1 / показали, что при оптимальном интервале времени д Т с 5С-персентным изменением его величины изменяется расчитанное значение теплового потока на 3-4 Ъ. Это также к результирующая погрешность описанного метода .

Литература /i/KREJCi L.,PALYZA J. : Отчет ИТ-ЧСАЫ, Z-236/66 - /2/XREJCl

L.,DOLfoKK V.: Отчет ИТ-ЧСАН, Z-340/71 - /3/ВЗСХ J.V./wOLF H. :

AS;.:IE Paper- 17o.65-KT-40, 1565 - / 4 / СЫТЕЕВ В.Л. : Высокотемпературный тапло-и массообмек в с т а ц. и н е с т а ц. у с л о в и я х, 31Т1Л0 АН БССР, MZKCIC 1978, 140-158 - / 5 / АЛИФлНСЬ О.М. J Тепло и массоп-еренос, т. 8, ИТЫО АН БССР, Минск 1^72,.136-141 - / 6 / КйЖШ А.Г. :. Обратные методы теплопроводности, Энергия, Москва 1У73

- /7/KREJCi L. : Отчет ИТ-ЧСАН, Z -2w6/70 - /3/KREj6f L.,DObfКЕК V.,VOGEL J. : 0 т ч е т WT-ЧСчН, Z -544/76 - /9/KREJCf L t, VOGEL J. : Отчет ИТ-ЧСАН, Z -E33/77 - / 1 0 / КУЛАКОВ IS.В.,КЫС&FOB Б.И. г лгллереиме температуры поверхности твердых т е л, Энергия Москва 1^69 - / 1 1 / S C H I L L 1 : ; G B O L. : 1CASA ЕТ D-4107, 1967 l^/ICRSJCI L.sVOGEL J. : Отчет ИТ-ЧСлН, Z -295/70 - /13/KRSJCl L,,VOGEL J«:Тепло и 'ыассоперенос, т. 9, ч. 2, К Г О АН БССР, ТЛ Кпкск 1972, 493-504 - /14/IffiEJCx L. : Отчет ЙТ-ЧСАН, Z -214/66

- /15/VOGEL J. : Численные методы обработки термометрических дапнкх калориметрических аондов, См.настоящий с б. - / 1 6 / Ярышев Н.А.: Теоретические основы измерения нестаи.температур, Энергия Lie с к иа 1 У 6 7 - /17/DOLxI7EK V. :Техника измерений интенсивных тепловых потоков, С?л.настоящий с б. - / 1 8 / КУДРЯВЦЕВ S .

Б., ЧАКАЛЯЗ К.К.,11'У"1н.К0Б Ы.Ь. : Нестап.теплообмен, Язд.Академии ни.ук СССР f.ocKua 1961 - /1&/DOL±;:EK V.: Отчет ИГ-ЧСАН, Z S/7S - /?.С/ И'АПКОЗ А.Г., ISEjSf L,, СЕРГЕЕВ В.Л. : Тепло и АН БССР У.:'.кск 1972, 373-378.1, Иf

- 80 ОСНОВНОЕ ВОПРОСЫ УДАРНЫХ ТРУБ К КОНТАКТНАЯ ДИАГНОСТИКА

Канд. техн. наук Ирки Маштовский Институт термомеханики ЧСАН, Прага 6, пл.Пушкина, 9, ЧССР В последние десятилетия исследование веществ, особенно газов, при высоких температурах (и вообще в экстремальных условиях) приобрело большое значение для современной техники и.самой науки. Оборудованием, которое зо кногих отношениях сделало возможными эти исследования, является ударная труба .

Ударная труба (УТ) служит для создания ударных волн (УБ), которые ускоряют газ до в.иеоких скоростей, подогревают его до высоких температур к сжимают до больших давлений .

Принцип действия УТ известен уже из прошлого столетия (Бертелло, Ле Шателье, Вяей). Из-за технических трудностей развитие этой отрасли испытывало застой практически до второй мировой войны. С 50-vc годов, ввиду требований авиации, космонавтики, магнитной гидродинамики, ядерного синтеза и химической кинетики и благодаря успехам электроники, теория и техника эксперимента на ударных трубах быстро развивались .

В настоящее врекя они разработаны настолько, что могут удовлетворить большинство требований, связанных с решением разнообразных задач /1,,3/. Несмотря ка это, теория, экспериментальная техника и специальная диагностика в этой области продолжают постоянно развиваться, и возникает ряд новых результатов /4,5/ ( а. д : два года организуются международные симк:ье позиумы по ударным труба:/., общее количество которых достигло з 1979 году двенадцати) .

Известно, что ударная волна формируется из импульса давления с высокой амплитудой (крутизна фронта импульса растет и переходит и УБ, распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью). Б отличие от акустической волны УВ является узкой областью, котор.уг, теоретически КОУЛНО считать разрывной, Б которой велики гуьдхенг-ы температуры и давления и з которой проявляемся злияюге молекулярного переноса .

Сташюпарные ударные ыодкк образуются перед телом, даих у :. с или обтекаемым потоком со сверхзвуковой скоростью .

.ш5мя Фронт водшл В ОТКХ случаях, валлих, например, для авиации и

- 81 турбокашин, не бывает плоским. Однако для моделирования различных процессов более удобны плоские нестационарные волны,

• которые можно определенным образом формировать в ударных трубах .

В зависимости от принципа образования УВ ударные трубы можно разделить на электрические и мембранные .

Область применения труб первого типа специальная и относаделько узкая (главным образом в физике высокотемпературной плазмы к магнитной гидродинамике). Зти трубы обычно стеклянные, работают с простыми газами при низком давлении (вакууме), УВ генерируется здесь искровым разрядом или электромагнитным сжатием. Конструкция этих УТ отличается главным образок форкой и размещением электродов. В них достигаются высокие скорости УВ к высокие температуры, т.е. сильная ионизация .

По сравнению с тем, ударные трубы с диафрагмой прккениш для исследований в целой ряде областей. В простейшем случае труба этого типа (рис.1) состоит из двух достаточно длинт / ных камер (4,1), которые разделены мембраной М к наполнены газами до разных давлений (р^р.,). После разрыза мембраны (например, давлением) толкающий газ устремляется из камеры высокого давления 4 в канал низкого давления 1. При этом образуется волна сжатия, которая переходит на малом расстоянии в плоскую ударную волну, распространяющуюся вдоль трубк со скоростью w. Толкающий газ, как поршень, течет за ударной волной с меньшей скоростью. Граница !,5езду толкающим и исследуемым газом называется контактной поверхностью К .

В камере высокого давления распространяется в противо подокном направлении со звуковой скоростью волна разрежения Р. Параметры газа за этими волнами (u.P, Pg, Тр, Pg, Tg) вид.ны из рис.1. После контакта с препятствием (торцом канала) ударная волка отражается (О), в результате чего давление к температура за волной еше более повышаются (состояние 5 ) .

Для практической эксплуатации УТ надо знать количественную взаимосвязь кекду параметрами газа в окрестности ударной волны, ее скоростью и исходными параметрами газа (состоянием 1 и 4 ) .

~l * — • / / / / ~1

- 83 - Так как волна разрежения является областью нестационарного непрерывного течения, а ударная волна - областью течения с разрывом, решение в обеих этих областях несколько отличается /6,7/. Для краткости опустим волну разрежения и будем рассматривать только область ударной волны .

Соотношения для параметров rasa перед УВ и за ней моано получить из основных законов сохранения. Несмотря на TO f что об2эазование ударной волны является сильно необратимым (следовательно, иеизэнтропическим) процессома включение диссипативнкх членов в нестационарные уравнения очень затруднило бк их решение. Кроме того, в первом приближении предполагается, что; 1) мембрана разрывается игновеино и полностью,

2) гаэы термически и калорически идеальны, 3) вязкость и теплопроводность (за исключением ударной волны) пренебрежимо малы, 4) случай одномерный., Поскольку достаточно точно выполняется условие, что состояние и скорости газа перед волной и за ней и скорость самой УВ со временем не изменяются, задачу M O S H O рассматривать как стационарную и применять систему координат, движущуюся с постоянной скоростью ударной волны w .

Если обозначить абсолютную скорость течения газа перед и за волной через U ^ и и~, то скорости газа относительно УВ

–  –  –

Ети шесть уравнении для шести неизвестных надо решать методом итераций.

Однако, для идеального газа мы получаек * просто извест.кке уравнения Рэшсян-Гюгоньо:

–  –  –

Соединяя эти соотношения с уравнением для волны разрежения, 1лошш получить основное уравнение для всего пространства УТ, которое свяапзает скорость (т.е. интенсивность) УВ с исходными параметрами газа перед разрывом диафрагмы. Для бесконеч* ко большого отношения давлений ка мембране это уравнение

- 85 Решающими факторами для увеличения скорости УВ является комбинация толкающего и исследуемого газов (их молекулярный вес,, теплоемкость) и отношение их температур. Влияние разных комбинаций газов на скорость УВ показывает таблица:

–  –  –

Видно, что, например, в аэродинамике, где работают с воздухом, нельзя даже с помощь» дорогого толкающего гелия достичь значений Ма10. Скорость течения газа за УВ (разумеется без приу кенения сопла) для исследования обтекания тел при этом еще меньше (рис.й) .

С точки зрения аэродинамических ксследований общие требования для этих установок следующие:

1) обеспечить достаточное время измерения,

2) позволить вкладывать достаточно большие модели,

3) получать достаточно высокие скорости газового потока .

Предельными с точки зрения техники эксперимента можно считать дпа направления: первое, у которого решающую роль играют раэкерьг измерительного ка?гала, к второе, где желательно получить * самые высокие (значения числа ttaxa .

Для получения сильных ударных волн надо пользоваться толкающяк газом с малой молекулярной массой и большой внутренней энергией (см.таблицу), т.е. водородом или подогретым толкающим гааим (подогрев одектркчоекий, взрывчатой смесью Н о + 0о, твердым взгызчатым веществом, ударом, адиаоаткческим сзатием и т.п.) .

- 66 Главными факторами установок, предназначенных для исследования физических и химических процессов в газах, являются не размеры измерительного канала или скорость течения гаэа оа УБ| а возможность получения большего диапазона температур и давлений, возможность измерения в других газах (не только Е воздухе) к возможность работы за отраженной ударной волной .

В результате отражения волны не только дополнительно повышаются температура и давление, но частицы гаэа тормозятся до нулевой сред'немассовой скорости .

Для исследования химических реакций применяется специальный вариант УТ с так называемым единственным ккпульсом .

Палитра физических и химических исследований в ударных трубах весьма обширна. Для этого используются всевозможные известные принципы намерения. Эти принципы нередко надо было кодифицироаать, чтобы они могли удовлетворять сложным и зачастую противоположным требованиям, как, например, кратксвременГ; —6 —3 VJ кость (10 - 10 до 10 с ), высокая чувствительность и необходимая разрешающий способность. Хороший обзор по некоторым стандартным и специальным диагностическим методам можно получить из литературы /2,3,8/ .

В следующих лекциях будут иэположени некоторые основные методы измерения пат.аметров газов за ударными волнами. Здесь ограничимся описанием двух основных методик: измерения давления гэзо за УБ и температуры на поверхности стенки и теплового потока от гаэа и стенку .

Для измерения давления ударно сжатых газов наиболее удобным оказался пьеэоолектричееккй способ. Ь'атериылом активной чгзсти датчиков служат обыкновенно пьезоэлектрические Корами;:!! {например, титинэт бьрия) или кварц. Здесь остановимся на менее распространенных у нас кварцевых датчиках, преKrsyiX'CTue.v. к т р - : является хорошая точность к линейность ос:.х 1 в. ( р ? / я хорошая сткбьльность, малые размеры я возмокность ::!;о5., c u ; : i a ! c - кьи; л бровки. К нодостаткмм их можно отнести отноri:o3p:ii "

- 87 - еительно малую чувствительность, что компенсируется применением подходящих усилителей .

Современные кварцевые датчики (например, "Кистлер") используют поперечный (трансверсальный} пьезоэффект. У них на величину заряда Q.

можно влиять геометрическими размерами (фориой) кварцевого элемента:

где " 1 ~ пьезоэлектрический коэфг— + фициент} Р„ - сила; а. у Ь размеры кварца .

|р у Конструкция этих датчиков позволяет измерять давление от вакуума до 30-50 МПа и больше с линейностью 0,2-0,3 % и до теьшературы датчика 240°С с хорошей компенсацией. Большинство кварцевых датчиков, предназначенных для УТ, прочны и миниатюрны. Их собственная частота достигает ^ 0, 2 Мгц. Они работают как слабо демпфированная система согласно нижеприведенной схеме, для которой можно написать дифференциальное уравнение:

–  –  –

При предположении слабого демпфирования (г^ Х. 1, для отношения двух соседних ат-тлитуд A UOJKHO написать логарк6::кческ«21 декремент затухания

–  –  –

На оскгте зависимости амплитуды от частоты кокно из этих уравнений приближенно опредеяуг^ь степень затухания и кскекение аыплитудп для определенной частоты. Трудности УТОГО рода при иакереши: устраняются обыкновенно регулируемой низкочастотной фильтрацией а иркменяеки:: усилителях .

Второй ос.човиой диагностической задачей является измерение температуры на поверхности или измерение нестационарного теплового потока в торец или стенку ударной трубы .

Для этого применяются быстродействующие термометры по npi:j:u:iny термопары или теркомотра сопрсткялеиия. Последние sicr.iiuvca более просплг.ц с технической и технологической точки зрения и более надиг^ш в практике. Техника их применения рларайотака настолько, что позволяет получать довольно точные: колачестие.'-ьчке донные. Датчики этого типа часто служат vai:::.c дли с::гяалиаащ::1 прохождения УВ (для запуска электронной аппаратур;;, намерения скорости.ударной волны и др.) .

ДпЧ'Ч-Л'Л СОСТОИТ В ПрлКЦКПС ИЗ ИЗОЛЯЦИОННОЙ ПОДЛОЖКИ (ГЦ1~ пр;::.;йр, сз.'Сл.1:1Нной), на которую цаяееена металлическая пленка г соугуО'гкиы 1.ол:1'!:1 соодиноггйая с илечетрическими проводами .

dI - 89 -

Если пленка относительно толстая (например, металлическая фольга)i то датчик является технологически простым, прочным, дешевым, ко инерционным. Ок может служить только как калориметр для кратковременного прямого измерения теплового потока. Тепло, накопленное "толстой" пленкой, вызывает пропорциональный рост измеряемой температуры пленки до тех пор, пока мокыо пренебречь потерями (главным образом уходои тепла- в подложку). Время регулярного измерения растет с увеличение;.; толщины пленки, но при этом уменьшается чувствительность датчика. Это ограничивает применимость датчиков с толстой пленкой для специальных случаев .

Более распространенными и универсальными являются тонкопленочные термометры. Спи измеряю1? прямо (например, в мостовой схеме) и с хорошей точностью (возможна стационарная калибровка) температуру на поверхности УТ /9/ или применяются для измерения тепловых потоков в стенку. Ji конструкция должx на обеспечить малую инерционность (постоянная времени поряд~ ка 10 с) и подавление всех явлений, влияющих на погрешность измерений .

У тонкопленочнмх датчиков обеспечена одинаковая температура металлической плешах и поверхности подложки. Подложку можно считать полуограничекинм телом, поэтому для расчета одномерного теплового потока о в Датчик по изменению температурь! Т можно пользоваться уравнениями теории теплопроводности /1С,11/ .

Решением дифференциального уравнения с начальными и граничными условиями для данного случая ( кремЯ; х - координата)

–  –  –

• Решение этого уравнения предложено в ряде работ (аналитическое, например, з /12/). Поскольку аппроксимация экспериментальной температурной зависимости простои аналитической функцией обычно трудна, для практической обработки измерений более удобно пользоваться численнкм интегрированием по отрезкак нременк. Для достаточно большого числа п. отрезков расчетнал формула упрощается к виду /13/:

–  –  –

Т.СЛ-.-альникоБа г В.В.Пт-олов HIICTIJ'J.'J^'теплотизш-ой СО ЛИ СССР, HoBOCE6!ipcic-9Q, пр .

Науки, д. 1, СССР .

Задаваясь определенной -лоделыо состояния ш;азмн могтю .

измеряя в noli некотортле мгг^граяъные Ее.яичины, найти ее параметры. Ijaripiffiiep, но интеасианости излучения г.:охно определить плотности ч з с п ' д, сооташиЕсцж плазьу, IIZ температура п т. д .

Поскольку лаборатор].™:5 плэя;'.;ы обычно щ^остранса'вэпно неодкоро,щ1ы, то,;ля оюрэдулзння rj: парзметров необходимо перегон к локально! р;злучателыгим зглр^ктерпепяам .

Болыпо]";. кнтерес а настоящее время щедстаь^1яет диагностика кестэцпонзрк!?х ь^^.метр^шых плаол: .

С TO4IV?* чрэшга экспе'рд^ептэлького решензая задач о спгютРОЛЬПОЙ ^-.J^rivJOOTHKS J'-ООТгЦИСЕЗрННХ аС'-'.М8Тр1ГЧК11Х об!ьер:тов ^:o:-.crw расс.е.:атряьать отдельно 3 случая:

2. са-ацкокпрп

3. нестзщгокарная еслт.тг..:егрпчкая шхазш .

В качес^ье пр!-лгра кесгатщонаркой огаглетркчной ПЛЗБ:,::!

о расслогрсть раедэда'лп^ся плазму, ЕЯЭЗГ.^ с пзрзмсн:-1г.т iu ила с з-:8устойч:':вос^я:.ш' алла ператяхек .

Ирк ЖМТСПЙЛЖЛ п?:рл1,;етроз такс!: шгао;»н ЕЙОЙХО^&Ю, ВОекта D огсзделвиис;.! слятстралько;.7 дггопэзоне sa j ^ оротшдЛ пр::;е;:-чуток гременп, Бо-Бтор:чх, зл:л'са?.тколичество Trpip:i:i3& га 2-1Оследге:."сГ; лро"е:яуток j?ps:.:sira с ?ядан..еи Ере1.'.э:..11игл шгге-рвало;.-! ^е.*;.тгу шп-.'П-х,чтобы ког/:;о йнло просле;цить за к?;лек8н:ю'.г плрпгоетроБ плзаг/к во вргмйпп .

Дяя рс:г;о!г;гя ОУСГ. ВЛДЙЧН ЗТЛС-Т^Э J.:O-.-;.IO воспользоваться обтпноя сготорэзЕврс?::о'; попорочкого рг;сзя5деле-гт*; летенс^в™ исот;.-; к нооьохить oopiuo-ny и^гепкз в К Й ^ У Й гломелт времени .

ОДНАКО, ^TsCVO ЗЛОрГ^'.' F:-!;-y^M".;.'f С..'".-ги;;г?д ; \ я л а ДЛЯ

- 02 фотографической регистрации в узком спектральном Диапазоне, поэтому приходится попользовать фотоатеятрические методы. Для фотоэлектрической регистршззи необходимо проводить исиерзчное сканирование изображения перед входной целью спектрального прибора. Применяется различные методы сканароьг'.гшя. Нэпршлер, в работе [ I ] использовался вращающийся дпсн со щелью, в работе [2] - зеркальная развертка, M O S H O пользоваться тзкяе Д30П,ом [з]. Если Т- время завися поперечного профиля интенсивности, J7 - размер изображения поперечного сечения плазменного образования, V*- частота вращешя разворачивающего устройства, /?о - расстояние от оси вращешя до входной щелл спектрального прлбора, то в случае дисковой ргзвортки:

Т'для зеркальной ра Основное ограшгаение временного разрешения для дисковой развертки - Е!то уменыазаие мехвнической 1фочности даска при ува'ашенпи/^и v^. Дяя зеркальной se развертки /?а коixsT быть взято достаточно большкм,Тев. мезно получить больm®Q вре^кшое рззрзгаенже. Иснользовахше ДЗОП при том яе саком вреглешюм разрепении позволяет приблизительно на 2 порядка снизить пороговую Ч5гвст2ительность регистрации. Однако, ДЗОЛ трзбует довольно громоздкой системы шгтания, поэтов/ в случаях, когда объект достаточно ярккД, проще дользоЕаться кехажшеехт.ш развертками, которые, к толу se,обычно Еглею?сл в нал.т^:;:гл в плазменных лабораториях .

Вторая честь задачи, а именно,получение иеобходшлого количества коперечнтге профилей за леследуегзый проиеауток времена с м.ш^илальк1Ш вре.ж:ершнм интерзалом ме^цу записанннirJL прсф:ЛлЯ:.Л1 репалась в раоотз [4J. На що,1 прязодитсп использу&г.:.'зл в этой работе схела реглс?рац2ш. Изобрааею;е подоречлого сечения пхаБмзкко1'О тсанала J7 с помощью дзиз /^, Ьць отрыгаясь от зеркальней грани ьрэщсисцейся дрпзата,проектируется яа плоскость "К", па которой располагаются торцеr-ые iiOEsp;a':oc/;-it с^зтогодозсу....^. ОгБзткзе колдн светозодоз codruiiii з rpodc.'iiQ*- которая плотно прилегает к вхеллой

- S3 чаемого сигнала относительно центра плазменного канала по обе сторону, от изображения сигнала на плоскость "К" фокусируются изображения лампочек Лу и * ^ с леиточшгля телами накала. При вращении призмы 3 мшло входной щатга УМ-2 проходят последовательно изображения: лампочки Л/, плазменного канала до гпзметру, лампочки J73. Разложенный мокохрокатором свет лоподпет на Фд7~2Э, сигнал с которого подается на вертип кальные пяасигаы осциллографа 7ё$су ". Изображение с эзгана осудшюграфа фокусируется на женку скоростной ктшокамерн.работащую в реккме непрзрызноЛ" развертки. Развертка сигнала во вр-эмени осуществляется протя;пгай плешк. Использование с:юте~ т светоЕог'ОЕ и многогранной зеркальной призмы позволило скаjajpouaTb профили одплн за другг:.".м с задштишл временным шггерваJ;O:VT. Ошсаняая схеиа пслольког-?злась дая определекш из;.1екения тсьшерагузлюго цроггшгя в ^кмргхческой аргоновой дуге атмосферного каш&пж. Дуга горела в керамическом канале Ёнутретп2я дзганетром 0„009 м, г.гок гщггп i.'.or меняться в пределах 50-I60A.' Имелись кел&ознля i'o:a, с частотой 300 гц, связанные с ксточШ1 0 питают!. Они составляли I3JS от велнчдш* Toica. На рнс.2.КМ лр::гБеде1ш яолучекнуе подзречп-гэ npcgauni ннгенсивностл.дяя т о коп дуги [vOjSO л IDI'A. Промежуток вреп&нн между двумя запкезнHh:.c-i посдедора'д'элыю :ьо вре^е^га профцл.^хг.'И составляет 300 ш:с .

Расчёт тег.лзратуркьх дсосшлей: показал, что для всех трёх т о в мйкелг.угле составлял, около 1000 К .

ков разброс Диагностика с^пцгэтларяац аслг.1метрпчкой mrasi.«2 списана в работах [5-6.], Л:отот.О!:а исследовалось иоле температур дуго~ jBOii шшуга „ ис:.:еще1пюй в попорэчпое г.:агкитное поле. В этом случае илаи\;-?-?г:1ое odjwsoBainie в плоскости наолюденля по форt/id з.гаиоьиктрло л:1що„ Для нолучеши! локпльнкх коэфажщшнтов и з луп-зпня иг:.т-:-р2Ш^я келпсь под иесколыехз углгж: каблвденкя .

Т.к. ооъек-г ciiiu стац'юкзрхшм во Бремени, то время регясгрэции не бюю ог;;^.:П'чег.0г 3 работе приводятся алгоритм л дрограг.аш пересчета хо^ълыиж : э^Тст^ектов пзлучешм .

В ь'лч'со:и:ис лесатлию^арнои аск-кетрглшой ш/азгш моктю р э с С:.:-?.'.стжг.э2.1ь ';:r\;-c ллги::.^^ в KorojXiX значительное в.тояние oicaBi;r.;.от лсусл'о;.л:зос1:.у, Б j.av'ir/oc [ 1 ] списан пстод лзмерекия

- 94 ный на регистрации поперечного распределения излучения одновременно под несколькими углами наблюдения. Для проведения таких измерений сконструирована специальная шайба, имеющая 12 окон, расположенных через 30° но округлости шайбы.Оптическая схема измерительной шайбы проведена на рис.За.Сечение канала с помощью короткофокусных линз фокусируется в плоское изображение на поверхности соответствующих световодов Q - С^, Противоположные концы световодов собраны в блок (рис.36), картина с которого регистрируется на пленку кинокамеры. Кагдый кадр на пленке соответствует поперечному распределению внтенсиБносгк жзлученпя в данный момент времени с 6 направлена:, наблюдения .

Измерялось поперечное поле температур аргоновой дуговой плазмы атмосферного давления, поглощенной в продольное магнитное поле. Эксперименты проводились при следующее параметрах дуги: ток 100 А, давлеьше аргона Г 1 0 Ц/мг, расход 0.25-3 г/с,икдукгаш продольного 1.;ад?1штного поля В = 0 * 0.4 Т. На рис.4 приводятся картины, снятые с блока световодов. Видно, что при В = 0 (ряс.4а) дуговой шнур центрально симметричен, однако, уяе при В = 0.001 Т (рис,46) он принимает винтовую форгду. Блнт вращается вокруг оси электродуговой камеры. При дальнейшем увеличении поля появляется расщепление электродугового ыиура на несколько (рис.4в). Приведённые картины в настояи'ее время обрабатьшаются с целью получения поля температур* Лля этого попользуется один из изложенных штв методов .

.Математическая обработка радиационных данных .

Ме-годы 1штер1гретации результатов спектральных диагностических nsMepeiniii суздествегшо зависят от тех математических и ф:лзш1ес1:.?:з: моделей,которыми описывается исслсдус^яй! плазмент т объект. 1Сак у."е отмечалось,определение параметров плазмы непзбеш-ю связано с воссталовлеклем излучатедъных характеристик : коэфукхгпентоз ЭЛЕССИИ И абсорбщл! (пли pa0para.pni в иытер

–  –  –

лучения в изолированной спектральной Л Е Н И И В неоднородной среде можно описать, пренебрегая рефракцией и рассеянием, в (I) Отсюда мокло получить ицраиение для интенсивности излучения»

выходящего кз объема вдоль некоторого ^тапровленшт:

М j{ Здесь р TS. ц -коршль?х5е координаты луча найшадегшя, J ^ интенсивность яросЕечпгзязщего излучения, &(Х,$Т1&&,0-ОЕ&К2-~ ральше когйС-ДС-с-нты ЕЛИССИИ Е абсорбции,2"^^/- оптичеокея толцгл3 объекта вдоль луча .

Чаще БСОГО, когда ото EOSMOSHO, В лао'ораториогл эксперименте зякеют дело с опт^лески прозрачной шшзмой, в этом случае сС^О. Torii.a регистрлТруемэя пптеяснБность связана с локальшсяЕ хтовффэдпентагяи астссвн сооткошеюгсл (при j (3) При иивестню://9 g/ уравнения (2) - (3) в общем случае являются дцу;.;ернш.2г ыггегра:п.-1п?:ж ураззиенилгли ёрэдголы-.га первого рода .

КоЕйфтщпетл'и логлс;з.э;сш, входящие в уравнение (2),могут бпп'ь опредалспы в ИЗЗЭЕЕСЕШХ ка.мерешшх по пропуслсанзБо длазг;.??.

Тогда тфолусЕокив 7"{р^}) связано с локальные ковффиидектами абсорбщн соотиош8К};2.м:

которое форз.ально совпадает с уравнением ( 3 ), п о э т о в далее будем счзтгатъ фушзд'по^Тлу^/ка^аеыой и рассмотрим некоторые случал восстйггозлелия лшзь шункщп ffag/ .

IOiaccnc};;i;/3ic:no методов решегсж уравнения (2) огкоекгелъко /k,/J ХОУАЮ i-фовестл ко степени у'леныяе:-шя априорноR Е Н цчзрмяг^н об облаете .

I. 1Ьтаз;га с задашюл формой пгояшшн»

В Его?.! cj^ise считается, что ки располагаем д^окпыг.ш: о фор!.те 'A3одними.'фкостен плазмы. Сща, в частности, огноептся cci.v.iit рлептротронентп;!} случай сссси?глетр]гчнш: сб^естов»

когд,~ ii3Cj;Zi~;:i цредегавлягг/г couoli citCTtu.iy хоадем1.; -лчиглсах схругл.'остс]'.:. Тогда радцгольлое рзеэтеделзхше ё(ъ\ ще z JJeT^'J'S ошхмеается Шатегралыи"".- ;Т/ааиснлс?л Абеля ( / € -ра днус плазмы):

(4) или уравнением Фриглепа-Каца дня оптически плотной плазмы:

„^

-Z/JLL.. п г*,. -РГ ftefat.c/T. 1 гс/t где е)(к)- щзоцускание плазмы. Здесь предполагается, что из~ MepsHsm в е е т с я вдоль скстеьш параллельных прямых. Если ле реиготращя гедется в "Ееерной" схеме, т. е. вдоль пучка прямых, шходацмх из одпой точня, то получаем, соответственно, !леш1я, напршлер, для ( 4 ) :

где 2 о - раозгошше о? центра плазмы до точки насЗлрдензян .

Другш.с! варианта?.'.?! задакил формы нзсошнлй являются модели:

а) некощсктргческих отсрутшостей [ i o j, б) сдвинуо?нх а?шшсов [ " 8 f 9 f I l J, в) семейства однопарамсгркчесглх, внпуклшх, зашенутыя щ)ивых без самопересечешш ГбЗ .

Все эти (щчяз. сиодот двумерную яада"чу к одномерной,stoiv да кце-тся функдш! / б ' параметра t, уараэтеризущего выбранное семейство лзоллшйг яркостей. Дчя модели в ), вяшчавдей в себя в внде ч«'5стннх случаев модели (4-6), a ), d ), подучено интегвольное травнен11з Больтерра 1-го -рода ВИДЕ.' zxp [fj -Kelt)] dt Здесь if- есть решокпе уравнешш/^г/г-^фушарп!^ и опреде я ди'^ерешг.'алом длины вдоль дажии наблзденяя OimcaTi.ur.ii подаод был испа?гьзован в работах авторов [ 4, 7 | для дгагиосг'П'Л njiasj-M дуги, горящем в аргоне в слабом щодельпем im-xvsiicM похг, когда реализуется эллиптическая форя духи. Еггл стегл изл^'чекие njtG3Jai в оптически прозрачно!!

"Г5ллстл сло:«хра было связано с ло?.сальнн;.л Kosg@B2^ianrar,ui SASICс;Л1 соо7кспс1г'.е;л [ 7 J :

- 97 - Здесь а тя. о - величины соответственно большой и малой полуосей эллипса, с*. - величина сдвига центрального эллипса .

На рис«5 приведен пример восстановленного поля температур аргонсвол плазмы в определённом поперечном сечении .

2. Упрощенные модели аетилетртгшого излучателя .

Пусть априорная ккфоршлдя о локалъшх оптических харзютеристиках объекта описывается следуещим образом:

' (*&= г, (*)-e2fej, эе(х&=ъ(х)-хгfyj (io) Задача ^осстановлеккя^^'гогда оклеивается уде систеией двух к^егральш'х уравнений f I2J: и В частном случае оптически прозрачной плазглк d имеется тпростое рзаегше, этой систе;'*-з: -ф ( (12) Как вждло ггз прлвадскикх фор:.^л, двштй метод предполагает наличие Езглерехетй с двух взаимно- перпендлвулярннх направлений. Эти г.е данные, при нарушении условий (10), мояно в оптически: тонком случае обработать с других ограничений [ l 3 j :

Bfij OJ= a(i)i-d, (г) cos 9+ Бведенниз здесь пглгзвестные (Т^ушйцти^^г/определ^оотся через измеректт-в интенсивности путем решения интехралышх уравнетпхй ЬЛ-ътя [ l 3 J .

3, }1лазкзш:ий объект произвольной кон&тгурацкы .

За !:скотор:.':л1 псюсочешгтш, метода диагностики аск?яметр:1Ч1:о;; ктгазг.з.! до сих пор разрзСэтывалпсь для оптически npospav::j:c случезэ.

При Е-ТО:Л сооткемсние ( 3 ) s известное в маге^'Л'Ггке так преобразование Радона, допускает формальное 06p;:;;e;nra:

И Ыр (14) <

–  –  –

В работах [5-6] дня обработки результатов плазыешшх экспериментов используется разложение функции (?,д)ъ обобщенный ряд Фурье:

[ г г Здесь Wc-O.S^ Wmcf(m± 0Х^(к г ]'обобщенные полиномы Лагерра, сС - параметр, влияющий па скорость сходимости рядов. Коэффщ::энты ряда В/п^тв. 2?тк связаны с регистрируемкли мктенс^вностямя^'/^*/соотношениями двойного интегрирования [в] i которые ка их грсмозкость/бЬы опускаем .

Следует от&хятъ, что формальным решеттем задача (14), такке как и т.:е:огцимйгся обращешшг.13 уравкелий (4) - (5), следует пользоваться с ооторо^костыо. Действительно, в си-" лу некорректносш интегральных уравнений первого рола, их решение требуе1.? специальной техтпси ре1ул?фжзацаи [ 14J, поэволякг^ен снизить влияние экспериментальных шумов на результаты решения .

Прз использовашш фор:5улы (14) (эли обратного преобразования Абеля в ссесигялеуричном случае) ошибки эксп&ргшента в значительной степени проявятся при численном дгкгференщ р о в а т ш. Су1,г.йфованпе рядов Фурье (15) с неточно заданными козМ^ищектагш ряда - также некорректная задача [I4J .

В работе [8]описаны способы регуляризации при использовании ъсех рассмотренных выэе моделей. Кроме того, там дрпведоно решение и самой общей задачи диагностики oriTiraecш поужен ас:::.::.:етрпчно.'1 плазмы. Предлагается метод кослокиого рас'леилслия, позиоллтий значительно сттезить вычислительное трудяосл'Н, путем сведения двумэрной задачи (2) к набору o,Tiao:.:ep:i;.;x задач. В основе данного метода лег,пт котор;:е счг'тоглоя аависацт^^ от о,т;но:г переменной О в пределах кольца 1 €[11 j2cff] Цр-1 5то:-л'л'отделыю;': (Тугащйи i(

never-:око ;п1Т-;!:гйль]юе уравнение й-рздголыла 1-го рода:

–  –  –

ния и осью 0#$г-0вне С-го кольца и Ji -/ внутри; ^ тенсивность излучения,доходящая вдоль линии наблюдения до j-TQ кольца,т.е. это интенсивность ^(Р^) за вычетом излучения и поглощения во внешних кольцах .

Алгоритм (16) подробно исследован в работе [в],где в модельных расчетах были получены хорошие результаты восстановления до оптических толщин Т6[Ц /С] при уровне экспериментальных кумов 1-2% .

ЛИТЕРАТУРА

1. G.L. Ccx/z/ъ. /9&L Де/oor-t, 7O6S, /&?3 .

2. Т.С.Мельшгкова.В.НЛчжон.Тез.докл.б Бсос.к. по ген.низк .

шхазмн.Фрунзе 1974, 381-384 .

3. Ю.Б.Нестер:!хян,Р.И. Солоухин.Методы скоростных измерении в газодашшке и физике плаз?.ш. Нов-ск, 1965 .

4. Т.С.Мельникова,В.В.ГЬгкалов,В сб.: Метрологическое обеспе чекяе В С1 Х температур и параметров пл:азмы. Харьков, 1979 Ы 0Ш

5. Often MY., Malclortclo C%., оОиеЛ:ztfor-h/z &., Салгоп Л

7. В.В.Пикалов.В кн.: Инверсия Абеля и ее обобщения.Новосибирск, ИТ1Ш, 1978 .

8. В.В.Пшгалов,Н.Г.Преображенский.Опт.и спектр. 1979, 4S, I, 209 .

9. Е.П.Горбунов.,В кн.:Диагностика плазмы,авп.З,Автомяздат, М., 1973, 358 .

Ю.Ю.А.Заэарепко, О.Н.Крохин.,Г.В.Склизков,А.С.Шнканов .

1Спант.электрон., I97S, 3, 5, 1068 .

Тп : Р-гоС xjy терт (г, Grenoget ?9?? .

12.13.Г.Горбупов.Ю.Н.Днестровсяш*».,Д,П,Костоьазров,КРФ,1968, S3, 5, 812 .

13.А.Н.Т13хонор.,В.Я.Аростйш. Метода реиения некорректннх задач. М., Наука, 1974 .

- 100

–  –  –

"ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СЛАБО ИОНИЗИРОВАННОГО ГАЗА

ЗА УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ С ПОМОЩЬЮ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЭСНДОЗ "

Док-тор физ.-мат. наук Людвиг Ротхардт Центральный институт электронной физики АН ГДР 69 Йена, Фребельштиг, 3, ГДР Настоящая лекция посвящена применению электрических методов дла измерения основных свойств слабо ионизированного газа за ударными волнами. При исследовании этого вопроса требуются вкакмя из областей и газовой динамики и физики гаоогкх разрядов .

Газова.? дикагяпса ударг?кх золн уне рассматривалась на предыдущих.лекциях отой секции. Основные понятия физики газовых разрядов и их явлений излагаются здесь в ?сороткоы вгзедеизм». Более подробная информация содержимся в Большой советской энциклопедии и в монографиях, список которых прлведен з конце этого текста .

Прике-нешле электростатических и газоразрядных зондов Б ударных трубах является нестандартным. До сих пор еще не имеется обэоркыу и обобщающих публикаций по этоку вопросу .

Какдкй отдел!иий случай применения этих Б О Н Д О В требует кяд»ИДУ6ЛЫ1ЫХ исследований* Поэтому в данной лекции приводятся типичные примеры из совместной работы с Институток термокеханитси ЧСАН .

БСЗЫОЕНО О суE.iL^^Jl^ ще С т :, к 'V ь ра о.г1, лч ныик с D С С О 6 ами;

•• '

1.1. lioabiiUeKiiea температуры газа, например, с помадыс адд&битического о/.а^ия ва ударной волко;г;

I.S. Воэдейстз^е.м.электрического поля (г:лп н а п р я ж е н и я ), например^ п р и электрическом пробое;

1.3. Докств:."?!.1; фотонного потока (фстопонивация), i:anp:i'.'.ip, при импульсной севещекли Е л а з е р а х ;

1,4» ec:Ti?;'2}.c потоке нплргстлчеекк:: чаекгц, jJciripiii.icjf, быс'Г'рне адьк'л'роай в ИАШ^ЛЬОНЫХ,»aaepa.s* Длл :. с здесь особи;: интерес представляет способ 1.15 ;а ' " к ;-л. процесс г.огглгаи::;: в &то:-л случае яэляется типичной. а.:г » 102 химической реакцией. Существует пороговая анергия, называемая энергией ионизации ( oU „_„„_). Энергетические неупругие столкновения между атомами (молекулами) приводят к образованию электронов и конов. Каздый сорт частиц, то есть электроны, иоии, атомы и молекулы, имеет приблизительно термическое распределение скорости, после того как было осуществлено новое термодинамическое равновесие (существует термичная плазма). Переход происходит череэ релаксационные процессы. При этоц каздый род частиц (подколлективы) может иметь равную температуру .

Для нас важен также к случай 1.2., когда процесс кониеациг: происходит согласно обычным представлениям атомной физики» Существую? отдельные частицы, имеющие электрический заряд е и средний длину свободного пробега А. Если в электрическом поле напряженностью Е для электронов выполняется уело сие еЕА^ eU „„„.,„, то значительная часть кеупругих соударен?;;; электронов с атомами (молекулами) ведет к ионлзацки последних .

Так как космические лучи вызывают очень слабую ионизацию в ка::сдом газе,эти первичные электроны определяют качальпие условия электрического пробоя. При наличии электрического поля, капрлкеккость которого сильнее критического значения ^ сп» плотность электронов очень быстро растет (мультипликация). Формируются лавины. Конечным состоянием этого процесса является какой-лкбо кз известных видов газовых разрядов. Многообразие газовых разрядов обусловлено внешними условиями .

Для большинства газовых разрядов действует так казкзаемгее законы подобия. 3 случае пробоя закон Пашена, напрлмэр, устанаБЛИйает^ что критическое напряжение электрического поля мезду г«;адк;:ь:к электродам:! аазискт только от произведения у-. (р ~ давление геза,d ~ расстояние мехду электродаш!). Это1?

.о закон ВЫЕ еден пр;; условии кокааткой температуры. Для применения з горячих газах его надо модифицировать. Каилучшимк параtisvpaMM подобия янляптся й /% или « (g - плотность гака) .

J Я» Вз"•;;•?:'_'l? v-.tоР"г:ь:\-:од|сv.о'.с^т~.а иoi_:.::•}иррвНРПГ::*с газов .

Ио-оа o.:-U-, !ЮДБи:::ности эле:трс::ов внутренние електрлo--.")i

- 103 - ческие поля в плазмах отсутствуют. Внешние электрические поля экранируются аналогично поведению электролитов (дебаевское экранирование). Виртуальная попытка отделить электроны от ионов ведет к появлению поляризации, однако электростатические сила иеаду ними блокируют ее .

2*2. Болклэя1 электрическая, проводимость Из-за большой ПОДВИЖНОСТИ электронов ъ уае слабые электрические поля вызывают дрейфовое движение коллектива электровоз со средней скоростью b Уе = S. CD Если п с - плотность электронов, то плотность электрического тока, ^ где I? - электрическая проводимость .

о 3« Ко.г.~ йктиннце я плепия .

Следствием кваакней-трольности з: дебаевского экранирования окавмйаются коллективкке явления. Примером могут служить нонно-звукоБые волны. У них движущей силой является псрциалькое давление электронного газа p e = n o k T e и инерцией - плотность тяжелых частлц п.^.^ —, С^- степень ионизации). Отсюда следует, что величина скорости ионного звука

3. Слр^и существуют ?аи, где квавинейтральность уке не сохраняется. Это происходит в областях, близких к стенкам сосудов (например, в тлеются:; разряде и в каскадной дуге) или в окрестности •.••.ехкаэдпх объектов (например, плававших зондов) .

3.1. При термической ионизации ( Е = О) не сущэствует разницы «езду метахлическ;:,:.--- и изолированны-.-:- стенкам;:, йаряаекпие част;:цм (ухсктрок!* И И О Н Ы ) дрейфуют э?.'5иполяр:-:о к ки:-:. При 3ccow KCir-aiftHCKpyiJTCi перенесе.чнке заряды электронов к коков .

3.2. So ид о :•, ело:; б:ор;:лруктся перед и'еталлическш.ж об''.л--:таТ'и (зонд.':-^:-:), iC0TDp.-J0 пкецт разность электрического пг. :-:ци— ола относительно гглагим. Из--сза б л. !. о г разниц».* ые^ду ; ^кто1"';;

р е ш ю й и ;;онной гк\г,п:-:-::нос'г;-г зольт—а^'.иернпя :г-ряктер:и--.':и:а

J - 104 -

таких электростатических зондов является сильно несимметричной .

Существует широкая специальная литература о эондах, некоторые из публикаций указаны в списке .

3.3. При ионизации с помощью электрического поля (случай 1.2) образуются слои с заметным падением потенциала. Примеры: катодное падение тлеющего разряда (несколько сотен вольт,катод холодный), катодное пятно дугового разряда (пятно, нагретое разрядный током, испарение катодного материала) и анодные падения *

4. Столбы газовым разрядов .

Кроме электродных облесрей (слои со значительном потен- • цкальнык падением) газовые разряды имеют столбы, которне КЕазииектралькы. Аксиальное электрическое поде в столбе относительно слабо. В столбе тлеющего разряда существует баланс мезкду генерацией заряженных частиц, возникающих при электронных соударениях (п.1.2) и их потерей при амбиполярной диффузии к стенке (поверхность рекомбинации). Обычно в этом случае Т. Т___, и плазма столба нетермичка .

В дуговом же столбе термическая ионизация (п.1.1) и объемная рекомбинация (тройные соударения) образуют соответствующий баланс. Здесь Г iy T„_„, и плазма термична .

с Гас Конвекция ведет к дополнительный потерям} которые сильно влияют ка баланс энергии. Например, повышается рабочее напряжение разрядов под действием дутья. Конзекция (дутье) оказывает влияние даже на внутренние части слоев. В результате изменяется характеристика зондов и, з частности, такке катодные слои .

5• Газовые разряди как зои.гп_з газодинамической ударной 5«1» ШЙ.?.'1П1*Ё_2У5 # л к локализации фронта ударной волшг ( В пространственном и временном отношении) .

Маленькие дзухэлектродиые системы мокко использовать для локализации ударных фронтов в широком диапазоне гааодиKGy;i4ccK::x параметров. Ски хорошо работают и пр: малых числах Маха, где тонкослойные термометры перестают действовать .

Ка р:!С,1 показана типичная кривая Иашена (характеристиL ка пробоя). Она относится к системе, состоящей кз двух цдлиндрических электродов (типичные размеры электродов, исполь. ауеиых в наших экспериментах: диаметр^ 0,2 мм, длина и расстояние ыезду электродами - 5 мм). Из-за неоднородности электрического поля «езду этими электродаьш невозможно заимствовать такую информацию из литературы. В каждой случае эту характеристику надо измерять в покоящемся газе перед применением в ударной трубе .

Для локализации ударного фронта используется та часть характеристики, которая расположена слева от миницума. Скачок плотности при прохождении фронта ведет к переходу "i"-^ .

"2" (ем.рнс,1) и тем самки к подниганию разряда .

.

Электрическая цепь, используемая для этих измерений, очень проста, она показана на рис.2 .

При помощи 5ткх двух-электродшос зондов мокно прозести зондирование такне с пространственным разложением. Зто существенно отлкчает газоразрядные зонды от оптических методов измерения, например, интерферометрии. С другой стороны, газоразрядные зонды требуют наличия вокруг них изолирующих стенок, чтобы избежать искажения потенциала*

5.2. Тлег-та-й зонл для локализацииftpoHTa_ударг.ой волны Когда работает по схеме рис.2 с вышеуказанной системой двухэдектродных БОНДОВ, ТО уке в покоящемся газе перед фронтом ударной волны существует тлеющий разряд кеяду этики электродами (применяется разрядный ток порядка миллиампер) .

В момент прохождения ударного фронта повышается плотность газа, и пз»за этого умекыцается разрядный ток (если питзюцее напряжение остается постоянный). Этот переход "I"—•*"" демонстрируется на рлс.З с помощью характеристики столба тлеющего разряда. К о.. того, газодинамика ведет (из-за сжатия р;'е газа и СКД7ЛЮЙ конвекции) к добавочлойу эффекту..На рис.4 это схематически представлено: а - показывает кевознущеиный разряд, ударный фронт находится еще далеко от измерительной системы; б - покакнвает мокент прибивания фронта в область разряда, c a : e. 4ор;-.;;;ру«хсл -гонкий •тсиаопр^ьолящлИ мост, s~;ri который показан ыа осциллограмме тока пиком; в - показывает I конвективное удаление высокопросодящего поста, при этом разрядный ток быстро г.ацр.ет, рг.оряд или кечезпет или продолжает

- 106 гореть с меньшим током .

Тлевдие зонды этого типа легче применять, чем пробивные зонды, потому что они просты и менее чувствительны к помехам .

5,3, Тлеюя№гй._з_онд „для одновременного зондирования ударного фронта ц контактной поверхности (границы двиаущего газа) Тлеющие зонды во многих случаях дают возможность одновременно определить обе границы сжатого газа в ударной трубе .

Для этого нужно, чтобы тлеющий разряд зонда дальше горел эа ударным фронтом, но исчезал при прибывании холодного плотного двккущего газа. Такие исследования были успешно проведены и при малых числах Маха в аргоне, движущим газом при этом служил водород. Результатом этих исследований явилось докааа тельство того, что контактная поверхность деформируется вблизи стенки ударной трубы. Там образуется турбулентная зона, через которую истекает значительная доля сгатого газа, особенно при малых числах Маха. Типичные осциллограммы приведены на рис.Б. Верхний луч показывает токовнй сигнал в радиальной позиции г = R/2. Нижний луч в случае "а" находится в позиции г = О (центр), и в случае "б" - в позиции г = R (у стенки) .

дз'яч.б.скж? зонда .

6.1. Дакгмарор-скке эондн .

Зтот стандартный тип зондов часто применяется в медленно текущих, слабо ионизированных газах. Ко вследствие сильных газодинамических эффектов за ударными волнами зонд при этих условиях пэ применяется. Следует отметить, что возбужденные атомы «гакке значительно изменяют свойства зондовых слоев .

6.2. jl?ojj'-SuJ}Ss-. Дяоксона и Ыальтера Двойные аендн существенно меньше реагируют на возмущения, чем единичные зонды, потому что между этими парами эондо?; действует существенно меньшее рабочее напряженке. Теория

Джонсона и !.:дльтера дает нам следующие формулы для определения температуря, Й П Л О Т Н О С Т И электронов ( T g и п-е) из водьтамперкой характеристики двойного зокда:

L - 107 -

о Здесь А - эффективная поверхность одного зонда, V * M I характерные величины для насыщения вольт-амперной характеристики (см.рке.6). Эти формулы действительны, пока влияние конвекции не существенно. Влияние конвекции минимально, когда оба зонда направлены в направлении потока .

6.3. Щдзнешш:'-! поглотитель в пламенном потоке .

В отличие от двойного зонда, при которой зондовыа слои играют валкую роль, а влиянием конвекции мозско пренебречь, у плаешзкного поглотителя роли меняются. Плазменный поглотитель состоит из целого ряда тонких металлических фолы, которые изолированы друг от друга и обращены к потоку своей тонкой стороной. Таким образом, плазма втекает практически бев сопротивления. Когда включают фольги, как показано схематически на рис»7, то оплть появляется двойной зокдг но вместо характерной скорости |/l«Te/w^ для этого случая з формуле (5) надо использовать скорость потока vp, а величина А представляет собой эффективную поверхность плазменного поглотителя. Скорость v n получают с помощь» фоторегистратора, гая что КО;ЙПО изглерить Т_ м п е в плазменном потоке .

Такие намерения выполнялись наки при магнитно-плазмодинамйчесгсих исследованиях с поиогдыэ специальной электродинамической ударной труби при низких давлениях газа и высокой степени ионизации .

О подобных исследованиях в индуктивно-гмдродикакичеекой ударной трубе cv., список литературы в конце текста .

6.4. IT*; 'Л?' !t?У-'~'Л[Й ПОГ.ЛГОТ;ГТЕЛЬ КЭК КуЛЪТКЗЛбКТТОДННЙ 8ОН.Ц Трение sa ударными волнами в плотном газе делает невоэi o « u. применение плазменного поглотителя, описанного в i:uji раздело G.3. Но поглотитель может точно работать как ??ультиалектроднкй диойиой зокд, когда он находится в стенке или у рефлектора (в торце) ударной труОн. При таком рабочем pes:jMc о н iv.:iii".'.;.i',jihinj ь;«ыбе-г о б ъ е к т у и з м е р е н и я .

Нал удалось, кгпркме-р, с пог-'стцыо зондкро}5ания ударного фронта i KOii'.TK'iHo-i поверхности {одповременпо) и прйг^йиовия t r xap:ix,\y::?'Wi-.;\ поглотителя в завкс«?.:ости от времени олределить Т п м о, T D (t) и n_(t). В смесях аргона с молекулярными газами (например, водородом) оказалось, что Т_ за ударным фронтом гораздо ниже, чем 2 L a a, потому что электроны сильно взаимодействуют с внутренними степенями свободы молекул водорода. Степень ионизации смеси в течение нескольких микросекунд остается ниже на один порядок, чем в чистом аргоне .

Список литературн а ) ' Ударные трубы Я.Б.Зельдович, Й.П.Райзер. Фиаика ударных волн и высокотемпературная гидродинамических явлений. Фивматгиз, М., 1963 .

H.Oortel. Stossrohre. Springer-Verlag, VI en. X9&6* E.F.Greeno, J.P.Toennics. Clieinisclie Kealcfcionen in Stosswellcm .

Steinkopf-Vorlac, Danastadt, 1953, б).фиокка плавка, газовке разряди НьА.Капцов. Электрические явления в гаэах к вакууне.М.,1950 .

В.Л.Грановский.Злектрический ток в газе. Т. 1-2.Наука,Ы,1951/?1 .

В.Е.Голаит, А.П.лСилинсккй, С.А.Сахаров. Основы фиэикк плаэны, Атокиздат, М., 197? .

Большая советская энциклопедия. М., 1970-76, статьи: Плазма .

Электрический разряд в газах. Дуга электрическая и т.п .

в) Зонды Лохте-Хольтгревен (ред).Методы исследования плазмы.Ш;р,М., 197:;. .

О.В.Козлов. Электрический зонд в плазме. Атомиздат, М.,1969 .

P.M.Chuns, L.Talbot, K.J.Touryan, Eloctrio Probos in Stationary mid Flowing Plasmas. Springer-Verlae1, Berlin,.T975»

г^ Оригинальные статьи автора (частично с соавторами) пробихзние и гао^яднне Г О т ы 'тд:

Praco Xnstytutu 1-taazyn Prssoplywowyeh PAW k6 (.Т9б9) - ' - ~ 3 li?5i gi/2,5 (1971) 19-21Czooboslovak J o u r n a l of P h y s i c s В 2 (1972) 5 ^ - 5 1 & б 3 2 а, Ъ, с .

n7

• iJiii"-!Г-!-"Нг1й поr.i^ory Praco I n s t y t u t u llvis"zyn Przoplywotvycli ?Л1Г 2/3 (Х973) 75-78 .

CKOchoalovalc Journal of Physics OJiJl ( l 9 7 j 0 757-6^;

D_26 (1976) 860-62 & 95ба .

индукчУ1г;ко-Гя;;родкьа^кчйская^,улг::Г^н&я__тууба;

Monatoberielite iioutsche Akadomie c'.lvisseiischai't, (Berlin) 5 (1963) 17-20;

J3oitrat-;o aus d^Plasmaiihysilr X2_ (li7--) 2 7 - 3 8 ; ^2. (-г?"''3) ЗЕ~9 .

- 109

–  –  –

Икьс.Карел Схованец, к, т.к .

Институт термомеханики ЧСАН, Прага 6, пл.Пушкина 9, ЧССР 1.0» Ё2й С псвккекием температуры газы переходят в состояние плазяы и одноаремоыно с этим возрастает энергия их излучения. Вычислять эту энергию возможно только в некоторых самых простых случаях. Поэтому экспериментальный путь, основанный на спектральных и радиометрических методах, играет существенную роль .

Спектральные методы определяв? энергию излучения отдельных спектральных формаций. Для определения энергии полного излучения необходимо провести суммирования или интегрирование в требуемом дказтт.зске длин волн, что отнимает много времени. Причем, вьаду ограниченной пропускной способности применяемой оптики и чувствительности применяемого фотографического материала измеряемая область длин волн будет токе ограничена. Наоборот, с пскощыз радиометрического метода мокко измерять энергии иалучсзния з ютпоком диапазоне ллян волн благодаря подходящего выбора датчккз или оптики радиометра. Этот метод применимый при большинстве условий У. ДЛЯ самых различных видов газов .

.0. з]2;;21--ё2-У1Н!™152 Измерительная установка С О С Т О И Т И З радиометра и из устрой-стйа для усиления к индикации его сигнала .

Рапко:-:ьт:"а обычного исполнения состоял1 из когкуса, датчика v.

сп • ; ' : е : л илехаиговш Корпус радиометра служит дли охраны •-•е:':

датчика от уег-ганяч^ск'.т^ позреу.г.дон.'.'й и теплового »л:;яния окрукак^-'.-й атиос':ра;. Корпус имеет с котику дг:афрагк, которые огранпч;гл;.'?л.г Идл;:ч'..счзо внергияк-лученкк, поподаючем на датчик .

1иог;;1 л'сглоуч пег.чное о.гле.-.:ден:1й корпуса .

Z,:..'.. i!.^T4V7c

–  –  –

который характеризует линейный датчик .

Чувствительность к потоку монохроматического излучения называется спектральной чувствительностью и для линейного датчика она имеет вид ///ii sWЩ Спектральная чувствительность очень тесно связана с понятием селективности датчика. Чувствительность селективных датчиков зависит от длика ьолны излучения. Сюда относятся различные датчики, работающие на принципа фотоэффекта. Абсолютно неселектхвные датчмки практически не существуют. Однако некоторые датчики можно считать, что они неселективнл в границах определенной спектральной области и с определенной степенно точности. Это касается прежде всего термопар и болометров .

Основным требованием паи выборе датчика для измерения полного излучения является неселектглвкость и как мокно большая чувствительность. Оба эти свойства зависят от спектральной поглощзтельной способности принимающей поверхности датчика .

Старается, чтобы спектральная поглощательыэя способнее ть была как мокко больше (в идеальном случае = 1) и чтобы ока не зависала от дли к. волны. Это адеэлькое состояние достигается прил ыене-п'.ем различна плонок и покрытий на поверхности датчика /1/, /Z/ .

При рыблр? датчика большую роль играэт порог чуистзятольносп;, которой определяется из условия, что значение излеряемой Г:С;:::-7ЛНЫ пч,, л г о бить меньше, чем уровень помех и лунов го:н пр/. д. ; ' ы : усло-эяях измерения. Различные шумы, вызнанные 5лукиз - туацис-й,возникают как в самом датчике, так и в устройствах, усиливающих и индккующих сигнал, где необходимо по мере возможности шум устранить. В случае измерения полного излучения величина сигнала достаточна и МОУКО обойтись без усилительного устройства .

Й.1.Й. Оптические_элементы. Оптические элементы включают в себя окошки, фильтры, линзы и отражающие поверхности, которые служат для охраны датчика от вредного влияния окружающей атмосферы а т.чкже для регуляции принимаемого излучения. При работе с ними необходимо иметь в виду их иэлучателкую, поглощате^ную и пропускател-_ную способность, которые зависят от длины волны падающего излучения и влияют как на величину сигнала датчика, так и на диапазон измеряемых длин волн. Необходимо также уважать различные дефекты изображения (линзы, зеркала). Для измерения полного излучения стараемся обойтись без оптических элементов, однако в случае высокотемпературных газов это не Есегда возможно. В этой случае иногда для охраны датчика необходимо применить окошки из материала с высокой точкой плавления .

Главным образом речь идет о плавленном кварцем искуственкоъг cand-ирз (с температурой плавления 1710°С или-же 2150°С) с х о рошей пропускать Й О Й способностью в диапазоне длин волн X = 0,2 - 3,5 МК и Л = 0,3 • 5 МК .

• 2.2 .

Выходной ci-.гнал радиометра поступает в указывающие или записывающие приборы. Болометры включают через мостик Уитстона, причем часто применяют два болометра, один из который излучение принимает, t другой защищен от излучения и измеряs ет температуру еярузавщей среды. В тех случаях, когда сигнал датчика слабый по отношению к чувствительности индикаторного прибора, необходимо сигнал усилить. В принципе можно усилить как постоянный, так и переменный сигнал. Усилители постояаккого тока гораздо сложнее, чем переменного тока и работают либо с контакторе:/:, либо с вибратором. Еаяшое значение имеет их временная устойчивость. Усилители временного тока проще по уст~ L ройстыу, однако они требуют вспомогательное устройство для

- 114 преобразования постоянного сигнала в импульсный, что испольняется с помощью вращающегося диска с секторами, который периодически прерывает излучение, или использованием механического прерывания выходного сигнала. В болометрах через мостик мояно пропускать переменный ток .

При усилении сигнала большую роль играет постоянная времени датчика. Для тепловых датчиков эта величина обычно высокая ( 1 ""с) а поэтому ограничивает возможность работы.0 с переменным током, гак как с возрастанием частоты чувствительность резко уменьшается. В фотоэлектрических датчиках, постоянная времени, которых небольшая, это ограничение наступает тогда, когда наблюдаются высокие частоты или импульсный режим .

3.0. ТаИ0вка ES522KSS22S Для определения зависимости U = J Ся)радиометра необходимо применить один ка эталонных источников излучения. Одним из таких будет модель абсолютно черного тела. Это источник сплошного излучения близкий своими свойствами к абсолютно черному телу (руководствуется законом излучения Планка);

излучаемая им энергия определяется однозначно температурой .

Практически речь идет о полости, имеющей в стене отверстие, размеры которого малы по сравнению с поверхностью полости .

Свойством модели абсолютно черного тела, заслунквающем особого внимания, является независимость его излучения и поглощения от формы полости, материала стены к характера ее поверхности. Однако, Б действительности форма полости, материал стенки и характер поверхности определяют степень приближения ее к абсолютно черному телу. В литературе мокко найти подробную теорию и ряд результатов расчета степени черноты для различных конфигураций полости /3/,/4/ .

В ИТ-ЧСАН для тарировки радиометров была разработана модель абсолютно черного тела. Она представляет собой цилиндрическую полость, нагреваемую электрическим током, температура которой измеряется тар::ров:дк:1сй термопарой Pt ~ PtRh* Paspes гтоп модели показан на рис.1. В цилиндрическом корпусе, выложенном инутри керамической массой, находится керамическая

–  –  –

расположение величин Т ; ef на активной поверхности источника излучения. Значение о. определяется из выражения а абсолютная ошибка из выражения

–  –  –

а) Принимаем ли струю газа за точечный источник, тогда при отсутствии значительной реабсорбдии на ь"аре радиуса^будет одинаковая плотность потока излучения л (вт/си ). .

Поток излучения на сферическую поверхность Q. будет

–  –  –

где j - коэффициент излучения (вт/ск°) .

б) Измерения в части свободной струи представляют собой по существу один из вариантов измерения а ). В свободной струе с помощью диафрагмы выделяется излучение определенного объема, для которого, при соблюдении вапкеприведенных предположений, можно применить уравнения (10) и (11) .

в) При измерениях в истинней изображении свободной струи можно для осуществления истинного увеличенного изобрааеккя свободной струи использовать зеркало или линзу, Помещением радиометра в некоторую точку изображения можно теоретически измерить излучение, которое дает соответствующая точка струи. И в этом случае предполагает, что реабсорбция отсутствует. Недостатком з данном случае является ограниченная пропускательная способность оптических материалов и различные дефекты изображения .

При измерениях вне свободной струи плазмы главным образом применялся способ а) вместе с радиометром, разработанным для зтой.цели, которой приведен на рие.8 .

В корпус 1 помещается полированная диафрагма. За ней находится датчик 3, который изолирован от дкьфрагкы к корпуса прокладкой \ из тефлона и корпусом 5 из текстолита. Полссть закрыта крышкой 6 тоне из текстолита. Б радиометр не пходпт ни О Д И Н оптический элемент, а поэтому с его помощью «ОЙ.ко 2:змерять практически в неогханиченном диапазоне ддкк ноли. ~ качестве датчика зкбрали термопару (ее чудствителькосч'ъ не orpj:H"4(?r.ri ua у оку» область длин волк), состояз^уэ кз парк *ле;;ь-конс7-а:;тан р цсполн'.:пи!' Гг.г,".пка / 5 / .

.

г - 118

–  –  –

Измерения в разрядной камере плаематрона проводились в пдазматроке типа 100 V, разрядная камера которого иглеет 1 зондовых отверстий, размещенных по 6-ти друг против друга» измерялось излучение, попадающее ка стенку разрядной камеры, йзкерктельная установка приведена ка рис.5 .

В аокдовое отверстие стенки разрядной камеры ?.узикчивет-ся наконечник 1. в лобовой части которого коходктея диафрагма с диаметром 3 ! :. В нскснечнкк помбпаетйл защитнее окошко 2.»

из плавленного кварг.а, заг1:нчипается ь!у;!та 3 и вложен езетовод

–  –  –

/1/ HEN1TI17G P.: Temperaturmessting, Leipzig 1955 - / 2 / SPARROW E.U.,CESS R.D.: Radiation Heat Transfer, 1966 .

Helmont. California - /3/ БРАМСОН А.Г.: Инфракрасное излучение нагретых тел, Москва 1964 - /4/ V/ILLIAKS Ch.S«;

Journal of Optical Society of America 5, 51, 1961, 564 GAItDOIc R,: Rev.of Scientific Instruments, 1953,5,366 .

- 121 ПГИНЦШШ ИЗГЯЕРЕгТиП ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В ПЛАЗМЕ"

• Профессор Л.Г.ИЗаикоа Институт тепло- и массообмена АН БССР, г.Минск, ГСП, Подпесвая 1 5 .

Идентификация теплового потока сводится к нахождению обратного or/оратора зонда. Если зонд теплового потока характеризуется оператором G, то выход измерительной системы GG совпадает со значением входа q, - значением теплового потока, иначе говоря оператор С ' полностью идентифицирует систему .

Рассмотрим методы определения теплового потока, основан низ на регистрация мгновенных значении температур в харак торных сечениях зонда - поверхности, на которую поступает тепловой поток или ( И ) поверхности сечения зонда на некотором расстоянии от воспринимаемой поверхности .

Зонд моделируется•полупространством ( полуограниченным стержнем) или двухслойной системой образующей полупространство .

Математической моделью полупространства может быть уравнение теплопроводности, использующее обычный закон Фурье, либо гиперболическое уравнение теплопроводности .

В основу идентификации положена структурная схема переноса тепла в полупространстве [ \ _/. Структурная схема с помощью операторов в области I - изображений устанавливает связь тлокду наблюдаемыми и измеряемыми величинами .

Идентификационная задача формулируется так: на зонд и его математическую модель воздействует один и тот же тепловой поток. Значение теплового потока находится из условия минимума средчеквадраткчного отклонения G измеряемой величины ( температуры ) от вычисленной с помощью оператора. .

Принципиальная схема идентификации теплового потока приведена на рис.] .

Разработано несколько методик определения теплового по тока. Реализация топ пли иной методики существенно зависит от способа : места измерения тет.иерптурк зонда .

:

Тсшсоаттру зон,-,-! игл.'.еряют либо Tep:.!onapoii, либо тошеоплекочныгл, хжт толстослой'нш.! термеметпогл сопротивления .

- 122

–  –  –

Выбор способа и места измерения температурь' зонда основывается да анализе взаимодействия среды с поверхностью зоида. Термопару никогда нельзя разместить точно на поверхности воспринимающей тепловой поток. Поэтому к термопариш измеренглм прибегаю? тогда, когда, например, взаимодействие среда с поверхностью исключает размещение на ней измерителя тетлературы, а изменения плотности теплового потока достаточно велпш-t, чтобы вызвать колебания температуры 1 ( х, t ) в некотором сечении X зонда достаточно большие, чтобы они могли быть надежно измерены .

Рассмотрим несколько методик идентификации тепловых истоков .

I. Температура 1 ( 0, t ) поверхности торца лолуограниченного стерпня измеряется тонкопленочнш (теплоемкостью пленки i.rasno пренебречь, температуропроводность пленки - большая ) термометром сопротивления, размещенным на тепловоспрл - .

ншлающей поверхности .

Такие зонды теплового потока имеют ряд достоинств:

- быстрая реакция,

- чувствительность к небольшим тепловым потокам,

- измеряемая кепосредственно величина ( вкход измерительной схеш ) монет быть использована для численной оцешш теплового потока .

К огранпчеютятл применения тонкопленочного зонда откосят следующее:

- численная оценка теплового потока трудос-т-гка: процедура интегрального слертывант требует табужфовашж и nporpai.s.ni

–  –  –

- точность определения теплового потока определяется оценкой тешгофизэтеских свойств подложки;

- пленка не может быть использована в электропроводящей среде;

- тонкая пленка чувствительна к эрозии .

Схема идентификации теплового потока в области L ~ изображений представлена на рис.2 .

–  –  –

монет бить пригодным для вшктсленгя О (0, t ). • Процесс вычисления a (• 0, t ) по результатам и з мерения т? ( 0, t ) с помощью (Т;орг.5ул трудоемок. Поэтому.для ыгсяслэнпя и регистрации ви'пгсленного значения q ( 0, t ) цолесообраз]ю пр:^.:онлть быстродсИствугагле аналогогше G:!CTC;:H, Такте спстег.ш должны впполкять слодуго

<

L иц-е оперпцип: - 124 -

1. Линейное преобразование величины температуры Т( 0, i ) в электрическое напряжение;

2. Преобразование электрического напряжения, пропорцио ~ налыюго 1( 0, t ) в напряжение, пропорциональное q( 0, t ) .

Первую операцию выполняет термометр сопротивления.Вторая операция предполагает реализацию передаточной сТушодии в с помощью электрической цепи. Приближенно оператор fe\pp в заданном интервале частот может быть реализован, в частности, электрической цепью, рис.3 Г В J

–  –  –

Рис. 7 II!. Структурная схема рис. 8, отображающая форм-ф температурного поля в состнкоппнтю:'! системе, составлешюЛ из ограниченного и полуограи:!чешюго стержней, позволяет указать v. проанализировать метода измерения тепловых пото- ков .

- 127

–  –  –

Тепловой поток С[ { р ), поступающий в ограниченный стержень частично, q t ( 0, р ) идет на его нагрев, частично q ( 0, р ) через торцевую поверхность X = \ поступает в полубесконечный стержень .

Структурная схема позволяет указать и проанализировать методы измерения тепловых потоков, которые основаны на ксполь зованпп толстой пленки (слоя, в котором учитывается процесс теплопроводности) .

Интенсивность потока тепла может быть определена двумя методами;

- калориметрическим методом, предполагающим, что почти все тепло идет на нагрев слоя;

- термометрическим методом, основанном на предположении, что тепло переносится через слои с малым градиентом температуры з слое. Заметим, что когда б 2 = 0, т.е. все тепло поступает па нагрев слоя толщиной t, температура в сечении х - % будет определяться выражением а те;-.:пет)рлуоа в любом сечопни слоя

–  –  –

Таким образом, если зонд теплового потока реализует модель "адиабатической пробки1,1 то тепловой поток может рассчитываться по скорости изменения средней температуры 1^р( р ). Для этого необходимо измерить тср ( р ). Эту процедуру можноосуществить приближенно, поместив измеритель температуры (например термопару) в некоторую точку слоя х = X *, которая определяется Е З условия

–  –  –

. Еолп слой имеет толщину 1 и соотношешю мекду теплоcniisineoKi'i.ni свол'ютвами слоя и поджгжи таковы, что поверхность стыка х = t за врегля регистрации теплового потока C, ( 0, i ) нагревается значительно меньше, чем поJ верхность X = 0, то слой будет находиться в резкяле, близком к рспп?.5у калориметра: основное количество тепла,впоcni:oro теплозз!!;." потоком CJ, ( 0, Ь ), будет поглощаться слоогл и только незначнтслыгач часть тепла будет перепо епться в подлокку. В области L - нзобраяешт, согласно стругл'урнои схеме р::с. 8. баланс тепла запишется так

–  –  –

• Нетрудно видеть, что когда 6 2 « 6j •, зонд будет работать в решаю, близком ренсплу калориметра. Однако в этом случае терморезистивннй толстый слой не мокет выполнять фушщии термометра сопротивления, поскольку величина его электрического сопротивления будет существенно зависеть не только от температуры, но и от градиента тешературы. Поэтоьу для определения теплового потока О ( t ) необходимо измерить температуру Д Т ( I » t ) каким-либо другим способом, например с помощью термопары или тонкопленочного тершрезистора, разг.зщенкого в сечении X = I, Этот случай, в сущ кости, сводится к pie рассмотренному ранее, когда свойства полупространства принпгяались однородныг.ш ( 6 1 = 6 г ) .

Целесообразность т^спользовать ТОЛСТОСЛОЁНЫЙ теркорезкетор в качестве измерителя тег.ягературы слоя наталкивает на поиск условий, при соблюдении которых толстослойный тернорезпетор • ыокет с оцененной точностью выполнять функции термометра сопротивления .

Действительно, с течением врем8Ш1 часть тепла, вноехплого тспловьм потоком а ( р ), и,цущая на нагрев слоя уг.гены:гается, а другая часть тепла, переносима* в подложку, увеличивается. При этом разность те.т«шератур

–  –  –

разность Д Т Д О, р ) - дТ(1,р) станет сталь мало!:, что толстослойный терморезистор уже мо:.;ст виполиять гуккгх::; термоме сопротивления, измеряющего среднюю тег.шературу слоя дТ1ср(р), которая npudjn'JiceHKO ото:;-:дестз.Щ1ется с теипеатурой д Т ( t, р ). Средаэдя тешература слоя д Т С Р ( р ) по определенпю

–  –  –

В соответствии с этиы выраненпем процедура плстгтпйккацтпг тзп лового потока может быть представлена схемой рг:с. 10 .

АТ 1 С Р (Р)

ТОЛСТОПЛЕНОЧНЫЙ ЗОНД

–  –  –

х) Такое предположение означает, что термометр сопротивления - терглорезистивный слой - мозшо тарировать в стационарном решше, когда температурное поле однородно .

- 132

–  –  –

Инерщюнные свойства зонда и возможность использовать тертло резистивный слой в качестве термометра сопротивления можно оценить по аьшлитудно-фазовой характеристике зонда .

–  –  –

• Граг;т:к G(joj) приведен па рпс. 11. С по:.:оцыо этого графика, зная частотны]': спектр теплового истока С| ( t ).^окl оц е но оптимально выбрать значения СЦ, \, 6 1, Ьг * - ~ нить династическую погрешность измерения .

Электрическое сопротивление толетоплсночного тор;горозгтегора 10 ом, Поэтому для надезшок регистрации падеппя напряжения, необходимого для определения изменения величины сопротивления терморезистора, ток, проходящий через терг,:орезкстор, должен достигать 5 - Ю а, Величина мгновенного теплового потока пропорциональна скорости изменения средней теглературы слоя. Эта скорость кахо дится неточно. Низший предел интенсивности теплового потока,который мояет надежно регистрироваться на два порядка в ш е, чем у тонкопленочного зонда и составляет 100 ът/с:,Р .

Необходима калибровка для определешш свойств слоя .

Наряду с этак недостатками определение теплового потока по даннил регистрации средней температуры слоя иглеет ряд достоинствСраБьжтелыю быстрая реакщхя средней теыпзратури слоя кв изменение теплового потока. Скорость решидип колет быть оценена .

2. Большая теплоаккумужгрувдая способность слоя позволяет регистрировать большие тепловые потоки в течение длительного времени без оплавления поверхности,

3. Нечувствительность к эрозии поверхности .

Одновременное использование тонкопленочных и толстопленочных зондов при промежуточных интенсивноетях теплового потока позволяет экспериментатору сравнить результаты измерений, выполненных по двум методикам. В диапазоне возможного прпыене кия двух методик получено хорошее соответствие .

Литература

1. капков А.Г., Абраменко Т.Н. Структура теплопроводности,ЖЕ, 28, 1Ь Б, 1975 .

2. Аиифаков О.М. Обратная задача теплопроводности, 1Ш,ХХУ,

• JS 3, 1973 .

3. Физика быстропротекающих процессов, т.З, изд-во "?.;::р",1971 .

4. Шашков А.Г.,Кре1'.чп Л..Сергеев В.Л..Нестащгопаршдй теплообL мен в плазменной струе, -Тспло-п массоперекос т.1, часть I, 1972, стр. 373-378 .

г СПГ-ЖТГ-АЛн:OF, лз:

иг.ж-л "ш кистлтут тормомэхак;:ки ЧСлН, Прага с, пл. Пушкина t, 4CCF ;

Для измерения температур заметно к злу ч х : :. газов ;:;-н ал,'х.с::о часто использовать некоторю! КЙ спектральных мстодоь. li их основе лехат явления, имеюадц место н спектрах гаг,ов - avovнке или ионные j, K : i непрерывное ;:а.':ученке, холе куц :ir,\iv.Q

iKj:j

полосы .

Атоккке или конные лнн;::» ЕОЗНИКУ:ЗТ при пс-геходах орлеанпых электронов нейтральных или кокизкго^анных атомоя, 2^л яо~

-;

.марений мокно использовать либо мощность,.чзлучаомую всей линией, либо пгоакль линии, ко-гернй являетск сеаульты'гом нескольких механизмов ушкренкя- Для диагностики налболяе ьскное уд'ирекке Допплэра я уширонкэ Штарка. Первое зозпикает при тепловом дзкжении излучающ-их атокоз, uvopoe илляниек эхектричесхого поля охрукак:цкх заря^.инных часгиц .

Непрерывное излучение в большинстве случаев зезникаот при столкноЕекиях свободных. ол(?хтроной с ионами К Л Й С г.то:/а~ ми. Второй процесс принимает участие при малых степенях ионизации гаоа .

Молекулярные гяоа (пока us наступает полная диссоциация молекул) кзлучаит ?и1лекулярш.;е полоса, состо5П'.;:;о из большого количества линии. Пои том ;хе электронном переходе вознккаат целая система полос. Слозхносхч^ молекулярного спектра.заключается в том, что йолучает вся молекула.

Отдельные полосы:

сксгемы воиниказот при переходах между раоличик.^: колебито.^ьными уровня кя. Разные Л И Н И И П О Л О З Ы получаются и у. я переходах мезду различными арашателькыг.-;! уровнями .

Спектральные методы мокно разделить на абсолютные л относительые. К первых определяется абсолютная нелкчкка кокности излучения определенной сиектр&льной линия или непрерывного излучения (при определенной д.ппно. волны). D относительных методах сравнивается излучение нескольких линий (атомных, ионных или линий 1/оля:уляря:1Х полос), диким и непрерывного излучения или непрорхпзногс излучения при нескольких.длинах волны. Сюда же относятся метод ун'иренкя линии .

В большинстве спектральных методе» г.ра;;пол^га'--тся пили-чие оптически тонкого слоя, т. е. сакопоглощеиие не принимается во внимание. Ь таксы случае спектральная rhi-гено.иьиость излучения, т.е. мощность, излучаем я ед;:к::ие;: поверхности (перпендикулярной к направлению рис.прострскенкя) в единицу телесного угла и отнесенсаяк единице интерзала частоты V, будет I /у - Jjv clx. (l) о Здесь /у - спектральный коэффициент излучения, т.е. мощность, излучаемая при спонтанных переходах из ед и низин объема в единицу телесного угла и отнесенная опять к единице интервала Эта величина зависит от рода газа и его СОСТОЯНИЯ В данном месте. Интегрирование проводится в направлении луча. Если слой в етом направлении однородный, то /у - JM I. Б относительных методах из отношений интенсивностей прямо Бнтекает отношение коэффициентов. 3 абсолютных методах для определения /у необходимо знать толщину слоя 2 .

Несколько сложнее будет расчет в случае аксиально сямметрических объектов, когда направление наблюдения будет перf пендикулярно к оси симметрии. Наложим ли ату ось на ось z, тогда для определенного сечения (z ='const.) моьно написать Формальное аналитическое решение этого уравнения Абеля известно j. (3) Исходя из изкеренного распределения интенсианостей" /у(у),иож~ но определить радиальное распределение коэффициента излучения jv(r) .

Иногда различные спектральное методы приводят к разным результатам. Это происходит тогда, когда нарушается локальное -термодинамическое равновесие. При этом часто случается, что распределения.на отдельных степенях свободы будут типа Больцг/.ана, но величины "температуры" не одинаковы. Ка основании допплеровского уширения (если оно у измеряемой линии является преобладающий) можно определить температуру поступательного движения тяжелых частиц. Метод абсолютной интенсивности непрерывного излучения и метод у.";крения И'тарка при- « 137

–  –  –

ного аргона .

i том же диапазоне дс 14000 К (вследствие С~стрсгс росi та концентрации электронов Ne) приходит токе во внимание использование прссиля линий нейтрального аггока. У отлх. линий приблизительно ст 9000 К преобладает утирание Старка. Полуширины штаркозехого профиля пряыо пропорциональны/^ .

Е методе относительной интенсивности линяй достижение необходимой точности требует, чтобы измеряемые линии имели достаточно различную энергию верхних урозней (по сравнению с Т) и чтобы длины их волн особо не отличались. У нейтрального аргона таких линий нет .

Еядно что для аргона в области до 14000 К м : ; о с нао.н деждой применить метод абсолютной интенсивности непрерывного излучения, метод абсолютной интенсивности линий нейтрального аргона и метод уширения этих линий. Разберем эти методы бо~ лее подробно. Начнем с метода абсолютной интенсивности непрерывного излучения .

Предполагая, что m«обладающим процессом при возникновении непрерывного излучения будут столкновения олектонов с положительными ионами (заряда ?.ё), можно для коэффициента, непреркзного излучения написать / 1 / z V NtNe Здесь J - кооффициент Биберкана-Поркаиа, который характеризует отличие действия данного иона от водородного. Детальные расчеты J для инертных газов провел Шлютер /2/. При применении его результатов и для определения концентраций елетстроноз и ионов N необходимо учесть снижение' энергии ионизации А% .

Определение Д% можно достоверенно провести в двух-противоположных областях. В области разрешенной плазмы имеет силу где RD- yc/r/e*/Ve(Z+f)- радиус ДпЗая-Хкккеля. Коэффициент Ср обычно берется Ср = 1. Зккер и Крел /3/ с помощью введения квантовомеханической модели свободно-связанного олектрона вывели Ср = 1, 4. У разреженной плазмы среднее количество заряженных частиц U в шаре с радиусом Дебая-Хкжхеля ^ 1 .

- Л3 В противоположной области плотно:; пла&ми C-S^l) будет

–  –  –

в силу чего повышается уровень непрерывного спектра, что можно характеризовать коэффициентом Одновременно весь непрерывный спектр сдакгается на АУ — Если включим оба слияния в Л, то noii^4i'Mjfv,T)~pj0f На рис.2 вынесены результаты ^{У,Т)ДЛЯ температуры 12000 К .

Рядом с первоначальной сплошной линией 1!1лютора а.-тркховой линией показан результат поправки согласно (5) с Ср = 1,4 и штрих-пунктиром с Ср = 4. Последняя величина оио;фалась со~ гласно экспериментальной величине Д% /?/'• Йэ р;:с.}'нка видно, что в двух спектральных областях (*,Т) почти но зависит от величины А%, Первая включает длины волн Л 430 им, вторая находится в интервале 550-670 нм. В этих областях можно получить хорошие результаты измерений без точного знания /З/f .

Объясним коротко способ измерений температурь! плазмотроном нагретого аргона с помощью спектрографа. Выходящий поток газа изобразим на плоскость 'цели прибора так, чтобы ось

- 140 изображения была перпендикулярна а;ели. Qделан несколько экспозиций на "измерительную" фотопластинку, убере;.: плаз матрон и на его место поставим гр-гдукрозанкуа зольсрзлшу

–  –  –

Рис. 2 Влияние енкшения энергии ионизации на коэффициент Биберкана-Нормана ленточную лампу в качестве нормального источника. На другую "калибровочную" пластинку (из той а е коробки) сделаем окспос эиции излучения ленточной лампы при различных величинах электрического тока. Время экспозиции и ширину щели спектрографа избираем ОДИНЭКОЕР.. при калибровке и собственном измерении. Обе фотопластинки проявляем одновременно. По почернению калибровочной пластинки для выбранной длины волны определим абсолютную калибровочную кривую, по которой проводим оценку измерительной пластинки .

При оценке в сущности идет о сравнении плотности облучения при собственном измерении Г „- (10)

–  –  –

иохнкь: фпл:-~ом. При том же почернению С у дут плотности обручения (10) к (11) одинаковые. Сравнение отих аормул приводит Здесь d v- d - диаметры диафрагм изобразающего объектива .

Удобно построить калибровочную кривую как зависимость.5"^ .

С помощь» калибровочной кривой преобразуем из измерительной пластинки фотокетриронаиием полученное распределение почернений S(y) в распределение интенсисности излучения lv(y)»

Преобразование Лбеля (3) проводим простым способом. Распределение /yfy) аппроксимируем кривой Гаусса /?0SXp[~(-^-J] .

Искомое радиальное распределение /у(Г") в отом случае иь:еет ъпр, JM(r) - J»oexpt-(-pr)a], где jyo = /i,oj^tlb. Распределение температур определим из L{/~) с помощью (4) .

При применении метода абсолютной интенсивности непрерывного излучения достаточно иметь в каждом измеряемом месте одно показание. Для обычных измерений не нужно применять спектральный прибор, хватит более простое устройство с интерференционным фильтром или в крайнем случае оптический пирометр .

Второй иа возможных методов - метод абсолютной интенсивности спектральной линии ~ исходит из выражения для полного коэффициента излучения линии Вт ~*T (is) Здесь Ут,- частота линии, )п и дт - энергия и степень вырождения верхнего уровня, А/а - концентрация атомов, d - статистическая сумма. Атп означает вероятность данного' спонтанного перехода. Ввиду того, что нейтральный атом аргона представляет сложную систецу, пока можно применить только зкепериментальные данные Атп, Между спектральным коэффициентом /м и полным коэффициентом излучения линии /«л существуют соотношения Функция P(y-*iJ, характериэую!ц?.я профиль линии, нависит от лиши и состояния гаоа в месте излучения. 3 каждом месте Для получения коэффициента /'„„ via уоавнения (14) необходимо интегрировать /у по спектральной области линии. Это мокно сделать двумя способами. 3 первом случае выбирается узкая щель спектрального прибора (по сравнению с полушириной линии). Последовательным фотометрированиек определяется профиль /у Е области линии я интегрирование Jf*cf)s проводится численно. Этот способ довольно трудоемкий и требует качественного спектрального прибора с хорошей дисперсией .

Второй способ использует интегральную способность широкой щели; в этом случае хватит более просткй прибор. Если пренебречь искажением прибора, тогда при бесконечно узкой щели изображенный профиль отвечает действительному. При конечной ширине щели полученный профиль дается кнтеграл/ом вэаимо сдвигнутых изображений от отдельных точек щели .

Плотность облучения в середине результирующего профиля буК сожалению, шсль нельзя расширять бесконечно .

С увеличением ширины щели убьшает отношение плотности облучения в середине линии к фону и укенкшстся точность измерений. Для широких линий необходимо исследовать зависимость

–  –  –

ших измерений для 7~ 11000 К величины температурь:, определенные по некоррегироаанной зависимости хорошо согласуются с результатами метода абсолютной интенсивности непрерывного излучения. Для Т 11500 К применение коррегированной зависимости приводит к более высоким величинам, чем метод непрерывного излучения. Использование некоррегированой кривой наоборот даст результаты меньше чем метод непрерывного излучения. Иепользонанная величина С повкдимоку слишком большая .

jmnx растет с температурой медленнее, чем только Jmn .

Поэтому при недостатечной ширине щели деке в случае точного знания$(Т) область применения метода более ограничена и точность резулътата меньше чем в случае достаточной пплрины .

Хорошее знание постоянной С необходимо и при применении метода уширения'линии нейтрального аргона. Необходимо также принять во внимание приборное расширение. 2аетод требует оценки всего профиля линии и к тому нужен качественный прибор. Зтот метод мы пробовали для измерений в разрядной камере плазматрона, где применение абсолютных методов встречается с трудностями. С помошью спекртографаКЬЗ 2 могсно определить полуширины линий нейтрального аргона, которые в измеряемом диапазоне порядка сотых-нм. Зависимость полуширина от Ne была определена, экспериментально в потоке аргона .

Литература .

/1/ BIBERMAN I.M., Н 0 Ж М G.E.. JQJ3RT 3» 221, 1963 /2/ SCEL.UT3R D.. Z. Hays. 210, 80, 1968 /3/ ECKER G., KRDli W.; Z. Naturforsch. 21a, 2012, 1966 A/ ECKER G., vVSIZEL W. ; Ann. Ehys. 6 Polge, 17, 126. 1956 /5/ ULSGRTA J..'Отчет $Т 5SAV Z 552/76 /6/ ECKER G., KROLL W.. Phys. KLulds 6, 62, 1963 /7/ GOIDBAGH C., KOLLSZ G.. Coaptes Eenclus Ac ad. Sci. 275 B,

-• 137, 1972




Похожие работы:

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ пнет ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ 238— СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИСТЕМА ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ВОЗДУШ НЫ Х СУДОВ В ВОЗДУХЕ БОРТОВАЯ Спецификация минимальных эксплуатационных характеристик Издание официальное Москва Стандартинфор...»

«АМАНКЕШУЛЫ ДАСТАН МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ ПОДДЕРЖКИ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОДГОТОВКОЙ МАГИСТРОВ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЯХ ПОЖАРНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ Специальность: 05.13.10 – "Управление в социальных и экономических системах" (технические науки) АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва –...»

«ПРОЕКТНАЯ ДЕКЛАРАЦИЯ СВЕТЛАНОВСКИЙ UP КВАРТАЛ № 47-000161 Дата подачи декларации: 16.01.2019 01 О фирменном наименовании (наименовании) заст ройщика, мест е нахождения заст ройки, режиме его работ ы, номере т елефона, адресе офиц...»

«Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" Труды 61-й Всероссийской научной конференции МФТИ 19–25 ноября 2018 Фундаментальная и прик...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет...»

«Генеральный секретариат (ГС) Женева, 22 февраля 2019 года Осн.: CL-19/8 – Администрациям Государств – Членов TSB/AM Союза – Членам Секторов, Ассоциированным Для контактов: Алессия Мальярдити член...»

«РЕКОМЕНДАЦИИ по регулировке и техническому обслуживанию рельсовых цепей тональной частоты и путевых устройств АРС системы Днепр МОСКВА—1998 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ 2 . ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 3. РЕЛЬСОВЫЕ ЦЕПИ 3.1 ОБЩИЕ С...»

«Инструкции ECL Comfort 110 Применение 130 (действует применительно к версии программного обеспечения 1.08) Регулирование температуры подаваемого теплоносителя систем отопления с погодной коррекцией Инструкция пользователя Установк...»

«ОБЩИЕ ВОПРОСЫ УДК 669.018 РОССИЙСКАЯ ПРОГРАММА СНИЖЕНИЯ ОБОГАЩЕНИЯ ТОПЛИ­ ВА В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РЕАКТОРАХ В.Г. Аден, Е.Ф. Карташев, В.А. Лукичев, ФГУП НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля; П.И. Лавренюк, В.М. Чернышов,ОАО ТВЭЛ; А.В. Ватулин, А.В. Морозов,...»

«А.Н. Субоч, Н.В. Громов, Т.Б. Медведева и др. Вестник Томского государственного университета. Химия. 2018. № 11. С. 65–82 УДК 544.472.2; 547.458.8 DOI 10.17223/24135542/11/6 А.Н. Субоч1, 2, Н.В. Громо...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный национальный исследовательски...»

«СОЛДАТОВА НАТАЛЬЯ СЕРГЕЕВНА Новые методы синтеза и свойства диарилиодониевых солей, иодиларенов и их производных Специальность: 02.00.03 Органическая химия ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандид...»

«ОПИСАНИЕ ТИПА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ СОГЛАСОВАНО Зам. руководителя ГЦИ СИ УНИИМФГУПУНИИМ И. Е. Добровинский 2003 г . Спектрофотометр атомно-абсорбционный Внесен в Г Г/ ЯГГРНЙ реестр ОЛ ПГЯНЫ Л "Спираль-17" средств измерений...»

«Масло для промывки двигателей автомобилей Газпромнефть РПБ № 84035624.02.36145 стр. 3 Действителен до 28.10.2019 г. из 15 МП Синтетик по СТО 84035624-123-2014 1. Идентификация химической продукции и сведения о производителе...»

«Сорокин Игорь Андреевич ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ-МАРКЕРОВ ПРОДУКТОВ ВЫСТРЕЛА В ОБЪЕКТАХ КРИМИНАЛИСТИКИ 02.00.02 – аналитическая химия Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук Томск – 2018 Работа выполнена в ФГАОУ ВО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Н...»

«КУЗОВОВ Сергей Сергеевич ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН ИЗМЕНЕНИЕМ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗОНЫ В СТАЛЬНЫХ ОТЛИВКАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Специальность 05.16.04 – Литейное производство Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководите...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Школа ИШПР Направление подготовки 21.4.01 Нефтегазовое дело Отделение школы (НОЦ) Отделение нефтег...»

«ГОСТ Р 51924-2002 Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й СТАНДАРТ Р О С С И Й С К О Й Ф Е Д Е Р А Ц И И ТРУБЫ ДВО Й Н Ы Е к о л о н к о в ы е ДЛЯ ГЕОЛОГО-РАЗВЕДОЧНОГО БУРЕНИЯ Общие технические условия И здани е оф ициаль...»

«КГБПОУ "Тальменский технологический техникум" Форма по 0301019 ОКУД р.п. Тальменка Алтайского края по ОКПО 02503573 Номер Дата документа ПРИКАЗ 45-к 15.08.2018г. "О зачислении"1. На основании решения приемнойкомиссии КГБПОУ "ТТТ" (протокол №1 от 15.08.2018г.) зачислить с 01 сентября 2018 года на 1-й курс...»

«ГОСТ 16441-78 Группа Е42 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР КАБЕЛИ МАСЛОНАПОЛНЕННЫЕ НА ПЕРЕМЕННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ 110-500 кВ Технические условия Oil-filled cables for alternating voltage 110-500 kV. Specifications ОКП 35 3119 Дата введения 1980-01-01 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ 1. РАЗРАБОТАН И ВНЕСЕН Министерство...»

«УТВЕРЖДЕН ЖТЯИ.00035-01 90 01 ЖТЯИ.00035-01 90 01-ЛУ Общее описание ЖТЯИ.00035-01 90 01. КриптоПро УЦ. Общее описание . АННОТАЦИЯ Настоящий документ содержит описание программно-аппаратного комплекса "Удостоверяющий Центр "КриптоПро УЦ" (ПАК "КриптоПро УЦ"), обеспечивающего реализацию целевых функций удостоверяющего центра...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СТАРООСКОЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А.А. УГАРОВА (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" ОСКОЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ УТВЕРЖДЕНО НМС ОПК...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.