Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Особенности контроля температуры в камерах сгорания тепловых энергетических установок 6
1.1 Принципы термоконтроля 6
1.2 Термодатчики 7
1.3 СВЧ диагностика процессов горения в ТЭУ 8
1.4 Ресурс датчиков плотности теплового потока 12
Глава 2 Анализ динамических характеристик СВЧ автогенераторных датчиков температуры пламён 14
2.1 Основные типы автогенераторных датчиков. Классификация 14
2.2 Физическая модель датчика 16
2.3 Принцип действия датчика 19
2.3.1 Динамика датчика в рабочем режиме 24
2.4 Датчик с выносной антенной в автодином режиме 31
2.5 Антенна - чувствительный элемент датчика 34
2.5.1 Конструктивные параметры щели в кольцевой щелевой антенне 40
2.6 Динамический режим датчика с выносной антенной 50
2.6.1 Предварительные замечания 50
2.6.2 Уравнение движения ДАТ в неавтономном режиме 54
2.6.3 Приближённое решение уравнения диодного автогенератора в неавтономном режиме 58
2.6.4 Формирование откликов автодинного датчика на контролируемое и помеховые воздействия 65
2.6.4.1 Отклик резонатора на воздействие тепла и вибрации 65
2.6.4.2 Отклик датчика на воздействие собственного радиоизлучения пламени (СРП) 68
2.6.4.3 Главный компонент автодинного отклика в измерительном сигнале 75
2.7 Датчик со встроенной антенной 86
2.8 Выводы по главе 2 95
Глава 3 Спектр и информационное содержание измерительного сигнала 98
3.1 Состав и контролируемая полоса спектра 98
3.2 Качественное представление структуры измерительного сигнала 99
3.2.1 Форма спектра суммарного отклика 102
3.3 Отклик датчика при совместном воздействии температуры и концентрации электронов 106
3.4 Спектр измерительного сигнала при помеховом вибровоздействии на датчик 109
3.5 Информационные характеристики контрольного сигнала, как критерии эффективности датчика 114
Глава 4 Экспериментальные оценки функциональных возможностей СВЧ датчиков плотности теплового потока 120
4.1 Датчик в составе многоканальной системы контроля 120
4.2 Экспериментальные результаты и имитационное моделирование 131
4.2.1 СВЧ датчики параметров пламён 131
4.2.2 Имитационная модель датчика плотности теплового потока 134
Выводы по диссертации 138
Список литературы 141
Приложение 1 148
Приложение 2 153
Приложение 3 155
Приложение 4 160
- СВЧ диагностика процессов горения в ТЭУ
- Приближённое решение уравнения диодного автогенератора в неавтономном режиме
- Качественное представление структуры измерительного сигнала
- Имитационная модель датчика плотности теплового потока
Введение к работе
Актуальность работы
Прогресс в энергомашиностроении сопровождается ростом интенсивности энергомассообмена в тепловых энергетических установках (ТЭУ), скорость истечения продуктов сгорания достигла М-8 и продолжает нарастать. Принципиальная неустойчивость режимов ТЭУ, как открытой термодинамической системы, всегда вызывала необходимость оснащения контрольно-измерительной аппаратурой и средствами автоматики. Сейчас требования к приборному оснащению серьёзно возрастают, особенно в направлении быстродействия. Поэтому внимание разработчиков обращено к контролю наиболее динамичного фактора рабочего процесса - к пламени. С физической точки зрения пламя - это ионизированный газ и его главные параметры совпадают с параметрами газового состояния: объёмом, температурой, давлением и концентрацией частиц. Первый из них в ТЭУ постоянен, быстродействующие манометры известны.
В КГТУ им.А.Н.Туполева разработки в области диагностики космических и авиационных двигателей велись в 80-е годы. В частности, были созданы и экспериментально исследованы датчики на принципах ближней радиолокации. Выявлены основные трудности - подверженность совокупности помех, вызванных агрессивным воздействием побочных факторов процесса горения, и конструктивная совместимость с камерой сгорания. Трудами А.Ш.Чабдарова и позднее Е.Сафоновой предложен, экспериментально исследован и по ряду позиций усовершенствован СВЧ автогенераторный датчик концентрации, удовлетворивший большинству требований, в частности, по термостойкости и ресурсу.
Дальнейшее совершенствование контрольной аппаратуры идёт в направлении создания диагностической системы, включающей датчики всех газовых параметров и обработки совокупности их показаний в реальном времени. Для реализации стоящей задачи необходимо сопоставление спектров контролируемых процессов. Существующие средства контроля температуры свыше 1000 С — датчики плотности теплового потока (ПТП) — обладают достаточным быстродействием, но малым ресурсом. В этом плане создание быстродействующего датчика температуры, сочетающего достоинства названных СВЧ и ПТП датчиков, представляется насущной задачей.
Цель работы
Целью настоящей работы является создание научно-обоснованных схемы и конструкции СВЧ датчика плотности теплового потока (ДПТП), входящего в состав системы контроля режимов РД, обеспечивающего
регистрацию флуктуации температуры в полосе нескольких десятков Гц и способствующего оптимизации режима горения, включая выявление предаварийных ситуаций.
Решаемые задачи
Оценка электро-и теплофизических свойств пламени, включая выявление спектрально-корреляционных характеристик температуры и других факторов, как возможных источников помех;
Выработка технических предложений по схеме и конструкции ДПТП с термозависимой антенной;
Построение физической модели ДПТП при динамическом нагреве и комплексе помех;
Спектрально-корреляционный анализ динамики ДПТП, установление структуры контрольного сигнала;
Формулировка диагностического принципа оценки эффективности ДПТП, определение информационной плотности контрольного сигнала и информационной производительности ДПТП;
Доработка схемы и конструкции ДПТП с улучшенными информационными показателями и с учётом его применения в составе многоканальной диагностической системы.
Методы исследования и достоверность
В диссертационной работе применяется комплексный подход, заключающийся в сочетании методов теоретического анализа и компьютерного моделирования с результатами экспериментальных исследований. В ходе работы над диссертацией использованы:
Методы электродинамического анализа состояния плазмы в газовом приближении;
Методы теории теплопереноса в газах и твёрдых телах;
Методы теории колебаний в приложении к системам с медленно-меняющимися (флуктуирующими) параметрами со статистическими оценками откликов;
Методы теории передачи информации;
Методы моделирования MATLAB.
Полученные аналитические выражения по структуре сходны с известными, а в предельных случаях совпадают с ними. Результаты анализа находятся в соответствии с многочисленными экспериментальными данными 80-х годов и начала XXI века, а также подтверждены имитационным экспериментом.
Объекты контроля
Камеры сгорания жидкостных (космических) и воздушных (авиационных) ракетных двигателей (РД).
Предмет исследования
СВЧ датчик плотности теплового потока в камере сгорания в применении к косвенной регистрации спектра температурных флуктуации пламени.
Научная новизна работы
Разработана электро-теплофизическая модель ДПТП с предварительной оценкой постоянных времени откликов;
Проведён анализ динамики электрических и тепловых процессов в их совокупности, определены корреляционные функции и спектральные плотности откликов на температуру и помеховые факторы;
В качестве оценки эффективности датчика предложены и вычислены информационная плотность контрольного сигнала и информационная производительность ДПТП, определены квазиоптимальные системные, схемные и конструктивные показатели ТД по этим критериям.
Практическая значимость
Применение быстродействующего ДПТП позволяет реализовать выдвинутые нелинейной термодинамикой (И.Пригожин) предложения о контроле хаотических процессов в открытых термодинамических системах, в наибольшей степени характеризующих их неустойчивость и позволяющих выявить предаварийную ситуацию. В номинальном режиме ТЭУ - улучшение энергетических и экономических показателей.
Реализация результатов работы
Результаты исследования в виде методики внедрены на предприятии СО «Сигнал» г.Нижний Новгород, а также используются в учебном процессе ИРЭТ КНИТУ-КАИ в рамках дисциплины «Устройства генерирования радиосигналов». Использование результатов подтверждено актами о внедрении.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. 19th European frequency and time forum, Besancon, France, 2005;
Wave Electronics and its Applications in the Information and Telecommunication Systems, St. Petersburg, Russia, 2005;
20th European frequency and time forum, Braunschweig, Germany, 2006;
Четырнадцатой международной молодежной научной конференции: Туполевские чтения, Казань, Россия, 2006;
Тринадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва, Россия, 2007;
Международной научно-технической конференции: Радиолокация, навигация, связь, Воронеж, Россия, 2007;
Девятой международной научно-технической конференции: Проблемы техники и технологии телекоммуникаций, Казань, Россия, 2008.
Международной научно-технической конференции: Диагностика-2009, Курск, Россия, 2009.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 работ. Из них статьи: 4 ; в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК: 3 ; патент РФ: 1 ; свидетельство о полезной модели: 1; тезисы конференций : 7.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 74 наименований и четырёх приложений. Она содержит 173 страницы, в том числе 140 страниц основного текста, 60 рисунков, 3 таблицы, приложения на 25 страницах. Автор выражает признательность кандидату технических наук, профессору М.Ю. Застела за постоянное внимание к работе и научные консультации.
СВЧ диагностика процессов горения в ТЭУ
Для СВЧ диагностики процессов горения и, в частности, измерения температуры рабочего тела характерно:
Ограничение перечня известных методов заимствованных из диагностики плазмы, а именно отказ от методов рефракции и отсечки;
Создание специфичных способов СВЧ диагностики, включая невозмущающий контроль процесса горения;
Разграничение способов, пригодных для стендовых экспериментов и ориентированных на технологический контроль в реальных условиях эксплуатации ТЭУ;
Трудность в применении альтернативных СВЧ методов, позволяющих оценить точность контроля;
Совершенствование помехоустойчивости измерительной аппаратуры;
Акцент на схемную и конструктивную разработку СВЧ датчиков, жёсткая привязка их конструкции к конструкции камеры сгорания;
Внимание к таким свойствам электротехнических материалов, как тепло-и температуропроводность, тепловое расширение, невосприимчивость к осаждению продуктов сгорания;
Соответствие контрольной аппаратуры, установленной в камере сгорания, специфике контролируемого процесса. По отношению к датчику температуры это: виброустойчивость, вибропрочность при длительном или кратковременном воздействии, ударная устойчивость и прочность, устойчивость к воздействию одиночных ударов с большим ускорением, устойчивость к воздействию центробежного ускорения, звукового давления, взрывным воздействиям, износоустойчивость элементов. Кроме того датчик должен обладать специфическими характеристиками: теплоустойчивость при длительном и кратковременном воздействии, устойчивость к циклическому воздействию температуры, воздействию повышенного или пониженного атмосферного давления, солнечной радиации, пылезащищённость, устойчивость к воздействию гидростатического давления;
Разработка методов обработки первичного измерительного сигнала в темпе реального технологического процесса, включая сбор информации о помехах и их компенсацию.
Наиболее распространённые методы диагностики плазмы, успешно применяемые для контроля процессов горения в ТЭУ и обеспечивающие невмешательство измерительной аппаратуры в технологический процесс: интерферометрический и гшпедансный [44]. Обобщённая схема интерферометрического метода на примере измерения электронной концентрации представлена на рисунке 1.3.1.
Схема интерферометра включает генератор зондирующей частоты Г, делитель мощности ДМ, опорное и измерительное плечи, фазовый детектор ФД и блок вторичной обработки и индикации БВОИ. Сигнал в измерительном плече проходит через плазму, а о её диэлектрической проницаемости судят по фазе (р. Таким образом, в ходе косвенного измерения совершается цепочка преобразований: N— 8-+v—:Kp-+n, где п - показание индикатора.
Вариантом интерферометра является рефлектометр. Измерительный прибор здесь представляет собой радиолокационный приёмопередатчик непрерывного излучения (рис. 1.3.2). В отличие от интерферометра, излучённый сигнал в измерительном плече рефлектометра отражается от экрана и принимается той же антенной. Направленный ответвитель НО и циркулятор Ц осуществляют развязку опорного и измерительного плеч.
Импедансный метод основан на свойствах антенн, размещённых в материальных средах [33]. В методах, принадлежащих данной группе, цепочка измерительных преобразований имеет следующий вид: N-+e— Z-+ p— n, где п - показание индикатора.
На (рис. 1.3.3. а) показан импедансный измеритель с контролем коэффициента стоячей волны, на (рис. 1.3.3. б) автодинный измеритель. Автодинный измеритель представляет собой приёмопередатчик системы ближней радиолокации (рис. 1.3.4). Автодинный отклик порождается сигналом, отражённым либо от объекта, либо от антенны, и заключается в изменении амплитуды и (или) частоты генерации. Для его реализации элемент связи резонатора и антенны должен пропускать сигналы в обоих направлениях. Отражение сигнала от антенны является условием работы датчика. Поэтому антенна заведомо рассогласована с АГ. В ближней радиолокации автодин может применяться в различных целях и работать в различных режимах.
Наиболее известен доплеровский автодин, применяемый для измерения скорости движения облучаемого объекта. Здесь вследствие доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала активный элемент работает в роли преобразователя частоты. Разностная частота проходит через фильтр питания. Режим доплеровского автодина может быть воспроизведён при вибрациях противоположной стенки камеры сгорания. В другом применении автодинов облучаемый объект малоподвижен и расположен в ближней зоне антенны. Отражённый сигнал, воздействуя на автогенератор, вызывает статическое смещение частоты, пропорциональное расстоянию до объекта.
В третьем варианте использования автодина сигнал отражается от антенны. Эффект связан с изменением сопротивления антенны, излучающей в материальную среду, отличную по свойствам от вакуума [33]. Довольно хорошо изучен режим автогенераторов, а также предложен ряд технических решений по управлению частотой генерации, основанных на имитации данного эффекта.
Приближённое решение уравнения диодного автогенератора в неавтономном режиме
Метод решения уравнений вида (2.6.18), предложенный А.Малаховым [17] в своей основе базируется на методе медленно меняющихся амплитуд (ММА) и его многочисленных модификациях, а также на принципе Эйнштейна - Фоккера - Планка. Метод позволяет установить соответствие между исходными СП и КФ и их отображениями в измерительном сигнале. В тексте данного параграфа под исходными понимаются изменения откликов антенны и резонатора на косвенные параметры пламени. Соответствующие СП найдены выше.
Известную трудность представляет стиль изложения метода в главном труде А.Н.Малахова [17], а именно: общность постановки задачи и базовых результатов анализа контрастирует с простейшими ( двумя - для АГ в режиме свободных автоколебаний, одного - в режиме внешней синхронизации и одного для отражательного клистрона (всюду активные элементы вакуумные)) и сейчас уже безнадёжно устаревшими примерами. Сохраняя идею метода, внесём некоторые изменения в порядок совершаемых операций и формы представления поэтапных результатов. Во исполнение такого порядка решения задачи в данном параграфе произведено разделение детерминированных и флуктуационных членов дифференциального уравнения автодина и его решение в детерминированном приближении.
Средний член левой части уравнения (2.6.17) сам по себе мал и поэтому флуктуирующие слагаемые двух сопротивлений Rd и RK, а также частоты соо и добротности QP здесь могут быть отброшены.
Прежде, чем переходить к процедуре решения уравнения (2.6.17) , необходимо установить структуру отражённого от антенны колебания с учётом требований ММА, где приближённое решение ищут в форме: относя при этом изменения частоты, детерминированные и случайные, ко второму слагаемому в аргументе косинуса. ММА включает также разделение основного уравнения на два ортогональных слагаемых - синфазную (cos coot) и квадратурную (sin coot) , соответствующие активным и реактивным токам. В таком случае отражённый сигнал при коэффициенте отражения Га = raexp(j(pa) принимает вид:
Учтём теперь результаты [23] и [50] в части выбора рабочей точки , соответствующей середине линейного участка передаточной характеристики датчика, и примем ра« 1. Соответственно sin дера &cpa, cos сра - cos дера & 1. В окончательном виде дифференциальное уравнение датчика принимает вид:
(2.6.29) Левая часть уравнения отображает свойства колебательной цепи ( в умеренно высокочастотном диапазоне это колебательный контур, у нас - резонатор ). Первый член в правой части - нелинейные свойства автогенератора в автономном режиме, второй член - внешние воздействия ( фактически это нагрев и в какой-то мере вибрация) на резонатор, третий член - всю совокупность эффектов автодинного режима, включающей детерминированный ( «холодный» или «горячий») и флуктуационный компоненты, порождённые изменением концентрации N, соударениями v, температурой Т и вибрациями V. Наконец, последний член отображает достаточно привычный радистам вид помехи - белый шум.
В применении к нашей задаче приближённое решение нелинейного уравнения (2.6.29) отыскивают в виде (2.6.25), причём амплитуда X(t) и фаза r\(t) есть медленные функции времени. Для амплитуды медленность обусловлена свойствами колебательной цепи, в которой существенное изменение амплитуды связано с изменением запасённой резонатором колебательной энергии и требует времени, измеряемого большим числом периодов высокочастотного колебания. Для частоты изохронного генератора энергообмен не является обязательным условием, но здесь действуют свойства внешних возмущений, для которых высшая частота спектра Qs « coo. Решение целесообразно осуществить поэтапно:
- стационарный режим свободного и «холодного» автогенератора (то есть датчика без антенны);
- то же для автодинного, но «холодного» режима и без воздействия концентрации и других помех;
- то же для «горячего» автодинного режима при квазистатическом нагреве;
- динамический режим датчика с учётом воздействия температуры и комплекса помех.
Первые три этапа необходимы для сопоставления полученных результатов с известными работами [23,45] и убеждения в достоверности этапов анализа. Четвёртый этап существенно отличается тем, что в него включено отыскание спектральных плотностей откликов датчика и оценка совокупного спектра измерительного (контрольного) сигнала.
Завершив подстановку (2.6.28) в уравнение (2.6.29) и группируя коэффициенты при sinO и cos в , как это сделано в [45] , получим далее отсутствующие в [45], но необходимые нам далее укороченные уравнения:
Сейчас рассматриваются первые три этапа оценки решения уравнения (2.6.29) и поэтому в (2.6.31 - 2.6.33) присутствуют только детерминированные компоненты, ответственные за режим датчика в рабочей точке. Небольшое смещение фазы Лсра введено потому, что в противном случае два последних уравнения становятся неинформативными и не позволяют оценить различие частот «холодного» и «горячего» режимов. Кроме того достижение рабочей точки сра- 0 требует «подбора» соответствующей векторной суммы Хп, Xt, Xv, что весьма проблематично. Предложенный для этой цели [15] подбор длины вспомогательного отрезка линии передачи (фидерной линии) возможен только в датчике с многозвенным резонатором [64], однако и здесь техническая реализация проблематична.
Стационарная амплитуда вычисляется из условия dX/dt - О, равнозначному балансу амплитуд: причём в отсутствие отражения результат близок к так называемой амплитуде Ван - дер - Поля: Хо = 2, что объясняется кубичной (предложенной Ван - дер -Полем) аппроксимацией ВАХ и соответствующей нормировкой физической амплитуды. Частота генерации имеет тривиальное значение соо в отсутствие отражения и зависит только от размеров резонатора (2.6.18). Влияние реактивности диода нами не учтено главным образов потому, что в грамотно спроектированном датчике диод почти не нагревается [47] и поэтому не вносит своей доли в различие частот «горячего» и «холодного» режимов. И, что более существенно, не влияет на форму спектров автодинного отклика. При заметном изменении фазы отражения Асра , что неизбежно при переходе от «холодного» режима к «горячему» и к тому же в силу свойств антенны — её реакции на изменение Т или N - сопряжено с одновременным изменением Га , изменяются и частота (О и амплитуда X.
Автодин неизохронен, точнее, взаимосвязь амплитуды с частотой в нём гораздо сильнее, чем в автономном АГ. Отметим, что (2.6.33) по форме совпадает с результатом [45] , но существенно отличается в количественном отношении из-за различия Qi и Q$ , хотя нельзя не признать, что он гораздо ближе к работам классиков.
Качественное представление структуры измерительного сигнала
В [50] показано, что в ходе формирования ИС и при контроле электронной концентрации имеет место взаимосвязь откликов на контролируемый и помеховые факторы. Таковое наблюдается БРЛ при зондировании нескольких объектов. В случае двух объектов (факторов) спектр отклика:
Здесь Кi2 - коэффициенты, отображающие цепочку преобразований: G— yur+r- x(t) (для автодина) и G- ym— x(t) (для автогенератора , G=N,T,V, Si,2 (О) - СП двух воздействий, Su - обобщённое представление продуктов взаимного влияния двух процессов (в упрощённом виде - взаимная СП).
В предшествующих исследованиях [50], и в ходе выполнения данной работы выявлено пять физических механизмов формирования корреляционных связей между откликами: естественные, методические, системные, аппаратурные, технологические. Естественные заложены в свойствах плазмы и никак не зависят от методов измерения. По отношению к N и Т статистическая взаимосвязь определяется ионизационным уравнением Саха-Ленгмюра [ ]. Отыскание коэффициента корреляции здесь по силам учёному-теплоэнергетику.
К методическим отнесём взаимосвязь, проявляющуюся при СВЧ диагностике по косвенному параметру: подверженному влиянию как концентрации N, так и частоты соударений v. Системные механизмы (три разновидности) привнесены используемыми в ТД процессами БРЛ и показаны на (рис. 3.2.1) применительно к двум превалирующим факторам: контролируется температура, то есть Si = ST(Q), а помеху создаёт концентрация, & = SN(Q).
Здесь видно, что на каждом этапе задействованы два параметра и каждый из них воздействует на два параметра следующего этапа преобразования. Показанная обратная связь отражает факт зондирования не гармоническим, а модулированным сигналом (это есть и в БРЛ).
Аппаратурные механизмы (их два) возникают вследствие несовершенства конструкции ТД - зависимости коэффициента преобразования одного фактора от воздействия другого и от неизохронности автогенератора. Второй тщательно изучен в [17] и впоследствии многими уточнялся. Он состоит во влиянии амплитудной модуляции на частотную и проявляется в несимметрии высокочастотного спектра.
Технологические механизмы порождены побочными воздействиями, не присущими горению, как таковому. Главный из них - вибрации. В обобщённом виде структура спектра ИС применительно к основному информационному параметру - частоте: где т — соответствует откликам ТД на все помехи, С(С1) = dco/dG, SG(CO) -совместные СП всех воздействий друг на друга. В формулу не входят компоненты амплитудных откликов.
В задачу данной главы хотелось бы включить вычисление всех компонентов (3.2.3), наиболее значимые из них по числу превосходят десять. Поэтому ниже ограничимся описанием общего подхода и двумя частными случаями: «концентрационным» и «вибрационным». Вернёмся к уравнению (2.6.57), где теперь нас интересуют не только передаточные характеристики, но и искомые спектры откликов. При этом значения СП S Q), Sr(Q): причём коэффициенты взаимной корреляции Cn,r(Q) требуют отыскания в данной главе.
Нахождение СП откликов по методике [17] включает представление совместных СП (третьи слагаемые в (3.2.4)) в виде двух ортогональных компонентов, хотя они представляют один физический процесс, но его фаза не совпадает ни с частотными, ни с амплитудными флуктуациями, а по предположению близка либо к arctg отношения названных компонентов, либо квадратному корню из этого отношения. После выкладок на основе (2.6.4.57) и формул (6.4.17) и (9.5.4) в [17] путём громоздких вычислений имеем:
В основном, то есть в первом из этих уравнений, второе слагаемое отображает эффект неизохронности, который невелик, во-первых в силу того, что Пз » U4 и, во-вторых, убывает при удачном выборе рабочей точки (rj « 1). Одновременно убывает и совместная СП SACO( ), как по мощности, так и по полосе. Поскольку в обоих вариантах термодатчиков ситуация ц = О нереализуема (ниже это обстоятельство доказано), то возможно схемное усложнение ТД. Материал данного параграфа полезен также для правильного построения схем демодуляции ИС.
Имитационная модель датчика плотности теплового потока
Целью компьютерного моделирования является количественное подтверждение основных теоретических результатов, полученных во второй и третьей главах. В последнем случае речь идёт о структуре контрольного сигнала (КС), как совокупности откликов датчика на контролируемые и помеховые воздействия.
Основными этапами КМ являются:
Создание виртуальных узлов физической модели датчика, отображающих четыре основных пути воздействия пламени и сопутствующих процессов на датчик и формирующих отражение зондирующего сигнала от антенны, а также приём собственного радиоизлучения пламени;
Создание виртуального сумматора токов, вызванных отражением от антенны с учётом различия полосы откликов, влияющих на частоту и амплитуду КС;
Создание виртуальных узлов, отображающих вклад воздействий за счёт нагрева и вибраций резонатора;
Создание виртуальных узлов, отображающих влияние нагрева и вибраций диода решено отложить на будущее, так как выше оно признано слабым и теоретические оценки этого обстоятельства не вызывают сомнений в достоверности [50].
Имитация воздействий в виде совокупности электрических эквивалентов реальных физических процессов и в соответствии с мощностью и формой огибающих спектров;
Исследование прохождения имитированных воздействий и вызванных ими электрических сигналов через виртуальные узлы и образования суммарного выходного (контрольного) сигнала, основной характеристикой которого считается форма спектра;
Сравнение полученных при КМ результатов с теоретическими. Основные задачи КМ сводятся к установлению соотношений откликов датчика на контролируемый параметр (7) по мощности и полосе при варьировании доступных (в части схемного и конструктивного изменения) параметров узлов датчика и отыскание квазиоптимального сочетания этих параметров. Решение полной совокупности названных задач в рамках настоящей диссертационной работы представляется затруднительным даже в рамках существующих в настоящее время схемных и конструктивных предложений. Поэтому приоритет должен быть отдан тем техническим решениям, которые способствуют повышению эффективности многоканальной системы контроля [60]. Другим приоритетом при выборе варьируемых параметров и соответствующих границ этого варьирования является возможность сопоставления результатов с другим имитационным экспериментом: испытанием датчика на имитаторе РД - газовой горелке, довольно успешно применяемой в КГТУ на кафедрах моторостроительного факультета.
Для компьютерного эксперимента использован программный продукт MATLAB фирмы Math Works, Inc. Для построения блок-схемы используется функциональная панель. Графическая блок-схема датчика температуры составляется из виртуальных инструментов, соединённых между собой и реализующих операции обработки данных и управления ходом выполнения программы. На панели управления производится соединение выводов виртуальных инструментов между собой, то есть создание функциональной схемы виртуального датчика (рис. 4.2.2).
Кроме того панель управления осуществляет ещё две функции:
1. приведение в действие виртуального прибора;
2. контроль его функционирования с наглядной индикацией процессов (на экране дисплея, в виде двумерных графиков, а также объёмных пространственных фигур).
Функциональная схема программируется в окне Command Window. При работе виртуального прибора программный продукт MATLAB использует данные из рабочей области Workspace. Процесс выполнения программы (работы модели) может быть остановлен в любой момент для корректировки входных параметров, а также регулировки работы виртуальной схемы в целом. Для наглядности графического представления обработка данных может происходить циклически с перебором всех возможных значений переменных (в графическом окне отображается семейство кривых), либо система останавливается при достижении переменной максимального значения (рис.4.2.3).
Использование программного продукта MATLAB для создания виртуального датчика температуры, имитирующего реальный прибор с помощью аппаратно-программных средств, позволило компактно представить на панели управления его блочную конструкцию, каждая составляющая которой имеет своё функциональное назначение (имитация прохождения температурных волн по телу антенны и резонатора; воздействия СРП и вибраций; отклика датчика на температуру и помеховые факторы) и наглядно показать работу отдельных узлов устройства.
Круг решаемых вопросов затронул теплофизику,электродинамику, радиотехнику и радиоэлектронику. Результаты исследования имитационной модели, а также её блочная структура приведены в Приложении 1. Сопоставим приведённые выше теоретические и экспериментальные показатели СВЧ ТД с показателями родственных по принципу работы и по назначению приборов. СВЧ ТД явно проигрывают по ИПр существующим приборам БРЛ, эксплуатируемым в авиации и космонавтике ТД - термопарам, работающим на постоянном токе - по разрешающей способности ( последняя близка по смыслу к ИПл, а полоса обратная быстродействию и ограниченная физиологическими возможностями пилота, очень узкая и близка к 1Гц). В обоих ситуациях причина одна - чувствительность к мощным помехам.
Но поскольку информативность контроля (у нас это ИПр) зависит от полосы линейно, а от отношения сигнал / помеха логарифмически, в целом возможности СВЧ ТД уже сейчас большие. Хотя по названным причинам эксперименты, натурные и имитационные, проведены в ограниченном объёме, вывод о работоспособности быстродействующих СВЧ термодатчиков и перспективность их применения в системах контроля ТЭУ представляется обоснованной.
