автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Теплостойкие СВЧ датчики систем контроля режимов горения

На правах рукописи

САФОНОВА ЕКАТЕРИНА ВИКТОРОВНА

ТЕПЛОСТОЙКИЕ СВЧ ДАТЧИКИ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ

ГОРЕНИЯ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2003

Работа выполнена на кафедре радиоэлектронных и квантовых устройств Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Болознев Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Солдаткин Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент Бугаенко Адольф Георгиевич

Ведущая организация: ОКБ «Сокол», г. Казань

Защита состоится <¿3» МАОНЯ 2003г. в /Г часов на заседании диссертационного совета Д212.079.04 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева в зале заседаний ученого Совета по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева

Автореферат разослан «£/» уШХЛ.. 2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Козлов В.А.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется нарастающим стремлением энергомашиностроителей, инженеров и ученых, к повышению функциональных, экономических и экологических характеристик тепловых энергетических установок. Значительное внимание здесь уделяется оптимизации режимов горения и предотвращению развития аномальных режимов, приводящих к участившимся авариям и катастрофам. Последнее обстоятельство особенно значимо для авиационной и космической техники.

Существующие методы контроля режимов не обеспечивают полноты и достоверности информации. Но главным их недостатком является инерционность - результаты измерения становятся известны поздно. Это одна из причин упомянутых аварий.

Одним из наиболее перспективных методов считается СВЧ зондирование внутрикамерного пространства. Здесь исследования идут в двух направлениях:

- установление зависимости между электрофизическими параметрами плазмы пламени (электронной концентрацией, частотой соударений, структурой электромагнитного поля, собственным радиоизлучением) и рабочими характеристиками тепловой энергетической установки (ТЭУ).

- создание измерительных систем, обеспечивающих невозмущающий и оперативный контроль.

Первое из направлений реализуется в работах теплофизиков ряда стран: России, Белоруссии, Италии, США.

Особенностью второго направления является создание средств не возмущающего и оперативного контроля режимов ТЭУ в реальных эксплуатационных условиях с помощью датчиков электрофизических параметров. Здесь недопустимо существенное изменение конструкции камеры сгорания и размещение датчиков в ее объеме. Датчики должны обладать высокой эрозионной устойчивостью, а формируемые им сигналы - слабой зависимостью от многофакторного воздействия процесса горения. И здесь работы ведутся во многих странах (Австрия, США и др.) Значительный вклад в работы по второму направлению внесли ученые КГТУ (Р.А.Гафуров). В частности были созданы и экспериментально опробованы СВЧ автодинные измерители, которые по большинству функциональных характеристик удовлетворяли требованиям энергетиков. Основным недостатком датчиков являлась низкая теплостойкость. Нагрев датчика приводил не только к очень высокому уровню погрешностей, но и являлся причиной частого выхода из строя.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка принципов построения СВЧ датчиков параметров пламени в (транспортных) ТЭУ, обеспечивающих невмешательство в контролируемый процесс горения и сохраняющих точность контроля при нагреве со стороны контролируемого рабочего тела. _

Г:- -С. НАЦИОНАЛЬНАЯ

| БИБЛИОТЕКА С.Петербург

5 09 3<И)3*К1»2р-> I

Задачи исследований:

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

/. Анализ электрических процессов в датчиках, отыскание передаточной функции,

2. Выявление структуры температурных полей в теле датчиков при статическом, флуктуационном и стартовом нагреве его огневой поверхности

3. Оценка влияния температуры на надежность и погрешности измерения в трех названных выше режимах нагрева,

4. Выработка технических предложений, позволяющих сохранить работоспособность датчиков и снизить температурную погрешность с применением схемных и конструктивных методов; экспериментальная оценка работоспособности предложенных схемотехнических и конструктивных решений.

Методы исследования и достоверность. Для анализа использованы классические методы теории колебаний, применяемые в радиотехнике и теории теплопереноса. Полученные аналитические выражения по структуре сходны с известными, а в предельных случаях совпадают с ними.

Ряд аналитических соотношений проверен экспериментально. Результаты анализа электрических процессов в датчиках соответствуют экспериментам в проведенных ранее исследованиях.

Практическая ценность и реализация. Конкретные примеры схем и конструкций СВЧ автодинных датчиков ориентированы на применение в авиационных и космических двигателях. Для применения в поршневых двигателях достаточно изменить поперечный размер датчика.

Результаты работы в виде опытного образца датчика использованы в лаборатории промышленных горелок КГТУ им. А.Н. Туполева при доводке газовой горелки Г-18 и ее промышленных испытаний.

Методика повышения теплостойкости датчиков технологических процессов использована в металлургической промышленности в ГПВО «Тяжпром-экспорт».

Разработанный СВЧ датчик внедрен в учебный процесс РТТ в лабораторную работу «Исследование автодинного приемопередатчика СБРЛ» по дисциплине «Генераторы СВЧ и КВЧ» в КГТУ им. А.Н. Туполева.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту:

1. Изучена динамика автодина с многозвенным резонатором и антенной, излучающей в материальную среду с переменной диэлектрической проницаемостью.

2. Найдены условия устойчивости основного автодинного режима и неустойчивости паразитных режимов. Найдено сочетание параметров многозвенного резонатора (МЗР), обеспечивающее соблюдение этих условий.

3. Выявлена структура температурных полей в теле датчика при статическом, флуктуационном и быстром плановом нагреве, происходящих соответственно при стационарном режиме и его изменении (например, при запуске ТЭУ). На

этой основе предложены конструктивные решения, обеспечивающие теплозащиту и функционирование активного элемента (диода Ганна или лавинно-пролеггного диода ЛПД).

4. Вычислены статическая, случайная и динамическая температурные погрешности. Предложены и проанализированы технические решения, снижающие случайную погрешность.

5. Созданы экспериментальные модели датчиков, в соответствии с полученными аналитическими соотношениями. Проведены эксперименты, подтвердившие повышенную теплостойкость датчиков.

Вклад автора. Научные данные, изложенные в диссертации, получены, лично автором. Положения и выводы, выносимые на защиту, как и проведенный эксперимент, принадлежат автору.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Yakovkin Memorial 4th International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures, 1998 International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency control and Signal generation and International Conference for Young Researchers on Acoustoelectronic and Acoustooptic Information Processing St.Peterburg-Kizhi-Valaam-St.Peterburg, Russia, 1998; Joint meeting of the 13th European frequency and time forum and 1999 Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) international frequency control symposium, Besancon, France, 1999; на 1П Всероссийской конференции «Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды» г.Муром, 1999; Joint meeting of the 14"1 European frequency and time forum and 2000 IEEE international frequency control symposium EFTF, Torino, Italy 2000; на 1-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиотехнический факультет к 5-летию малой радиотехнической академии, г. Казань, 2000; 2000 IEEE/EIA international frequency control symposium and exhibition, Kansas city, USA, 2000; Scuola Intemazionale Di Fisica "Enrico Fermi": "Recent advances in metrology and fundamental constants", Varena, Italy, 200ft- получен сертификат физика данной школы и грант за лучший стендовый доклад; International Forum on Wave Electronic and its Applications, St.Peterburg-Valaam-Mandrogi-St.Peterburg, Russia, 2000; Joint meeting of the 15th European frequency and time forum and 2001 IEEE international frequency control symposium, Neufchatel, Switzerland, 2001; IV International Conference for Young Researches Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems, St.Peterburg, Russia, 2001,-выступление в качестве председателя на этой же конференции в секции "Acoustoelectronics"; на Научной Технической конференции «Автоматика и электронное приборостроение» Казань, КГТУ, 2001; Joint meeting of the 16th European frequency and time forum and 2002 IEEE international frequency control symposium, St.Peterburg, Russia 2002; решением Правления Международной Соросовской Программы Образования в Области точных Наук Института Открытого Общества присвоено звание Соросовского Аспиранта.

Публикации. По теме опубликовано 15 печатных работ, в том числе 8 статей и 7 тезисов докладов.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы. Дана ее общая характеристика.

В первой главе описаны принципы сверхвысокочастотной диагностики пламен, дан обзор работ в данном направлении, трудности и предпосылки диагностики ТЭУ в эксплуатационном режиме, а также сформулирована цель диссертационной работы.

Во второй главе выявлены условия функционирования датчиков при воздействии пламени и сформулированы требования к схемам и конструкциям, обеспечивающим работоспособность при таких условиях:

- невозмущающий характер контроля, включая отсутствие влияния на процесс горения, малые конструктивные изменения камеры сгорания при установке датчика, достаточная удаленность вторичных приборов.

- слабая зависимость формируемого измерительного сигнала от агрессивных помеховых факторов, прежде всего - от интенсивного и неравномерного нагрева датчика.

- оперативность контроля, включая не только быстроту отклика на внезапные аномалии (предаварийную ситуацию), но и удобство вторичной обработки измерительного сигнала в реальном времени.

Предпринимаемые ранее и в процессе данной работы попытки удовлетворить реречисленным требования с помощью одних только конструктивных модификаций известных диагностических систем к успеху не привели. Наилучшим среди предложенных оказался автодинный принцип формирования измерительного сигнала:

- преобразование диэлектрической проницаемости плазмы пламени в комплексное сопротивление невыступающей и слабонаправленной антенны.

- последующее преобразование сопротивления в частоту генерации -основной информационный параметр.

- передача сформированного сигнала в приборный отсек.

Применение данного принципа позволило существенно изменить конструкцию и построить компактный модуль, предназначенный для установки в стандартный штуцер на камере РД.

Датчик представляет собой высокочастотный (сверхвысокочастотный) приемопередатчик автодинного типа ближней радиолокации с невыступающей (щелевой) антенной. Датчик формирует локальное зондирующее электромагнитное поле и преобразует значение контролируемого параметра в частоту зондирующего колебания.

Исходя из принципа работы датчики пригодны для контроля тех технологических процессов, в которых интересующий параметр имеет однозначную взаимосвязь с диэлектрической или магнитной проницаемостью рабочего тела. Его структура (рис. 2.1.1) включает:

б

Рис.1 Обобщенные структура (а) и конструкции датчика (б)

Позиции на рис.1: 1-активный элемент (АЭ), 3 - резонатор, 5 -антенна (А), 2, 4, 6 - элементы связи резонатора с АЭ, А и Н выходом, 7 -элемент настройки, 8 - фильтр питания, 9 - облучаемый объект (в нашем случае им может оказаться не только плазма пламени, но и противоположная стенка камеры сгорания), 10 - стенка камеры, 11-штуцер, £„ ~ диэлектрическая проницаемость среды распространения.

Наиболее известен доплеровский авто дин, применяемый для измерения скорости движения объекта 9, расположенного обычно в дальней зоне направленной антенны (хотя эта зона является дальней для антенны, но для РЛ она все равно ближняя). Здесь вследствие доплеровского смещения частоты принимаемого сигнала АЭ работает также и в роли смесителя, точнее, преобразователя частоты. Разностная частота проходит через фильтр питания (вых.2). Режим доплеровского автодина может возникать при вибрации противоположной стенки камеры 9.

В другом применении автодинов объект 9 малоподвижен и расположен в ближней зоне антенны. Отраженный сигнал, воздействуя на автогенератор, вызывает статическое смещение частоты, пропорциональное расстоянию до объекта. В наиболее известных случаях (предотвращение столкновений транспортных средств, и охранная сигнализация) диэлектрическая проницаемость среды £ = 1 и поэтому во внимание не принимается. Однако автодин может быть использован аналогично рефлектометру, то есть для измерения £, но при условии известности и постоянства расстояния до отражателя.

Наконец в третьем варианте использования автодина сигнал отражается от антенны. Эффект связан с изменением сопротивления антенны, излучающей в материальную среду, отличную по свойствам от вакуума. В применении к од-нокаскадным передатчикам эффект известен давно. Довольно хорошо изучен режим автогенераторов, а также предложен ряд технических решений, по управлению частотой генерации (как модуляции, так и стабилизации), основанных на имитации данного эффекта.

Эскиз обобщенной конструкции такого автодинного датчика, названного нами также антенно-генераторным модулем (ATM), со многими условностями, вызванными стремлением к обобщению, показан на рис.1 (б).

В отличие от двух первых применений автодина здесь отражение (конечно частичное) сигнала от антенны является условием работы датчика. Поэтому антенна заведомо рассогласована с АГ при любых значениях диэлектрической проницаемости. В нашем случае материальной средой является плазма пламени, зависящая от электронной концентрации N,. Антенна ненаправленная, чему способствуют ее малые размеры, напряженность поля быстро убывает с расстоянием. Поэтому электронная концентрация сказывается на свойствах антенны вблизи ее раскрыва, то есть в основном в пристенной области. Причем форма этой области подобна ближней зоне антенны. С другой стороны в силу структуры пламени в потоке распределение Nt в указанной области неравномерно, по мере удаления от стенки концентрация растет. Поэтому авто-динный эффект обусловлен некоторой усредненной концентрацией по ближней зоне антенны.

Огневая поверхность датчика (то есть конструктивные элементы антенны) подвержена агрессивному воздействию пламени. Часть этих воздействий -термоэрозию и осаждение сажи удается ослабить защитной диэлектрической радиопрозрачной пленкой. Однако нагрев ослабить невозможно. Большая часть датчика на рис. 1(6) слева находится во внешней и достаточно холодной среде. Тепловой поток, вызванный перепадом температур внутри и вне камеры сгорания, достигает активного элемента, но температура последнего существенно ниже, чем у антенны. Степень этого понижения сильно зависит от схемы и конструкции датчика, а главным образом - от размеров резонатора и элементов связи (не показанных на рис. 1(6)). С другой стороны длина резонатора определяется зондирующей частотой, а та в свою очередь - электронной концентраци-

Подчеркнем, что росту энергетической эффективности ТЭУ сопутствует и повышение температуры, и концентрации электронов. Первое требует удлинения резонатора, второе — его укорочения. Дополнительное затруднение здесь

вносит диэлектрическое заполнение резонатора (£р). Оно не только предотвращает проникновение продуктов сгорания внутрь датчика (в резонатор), но, как мы увидим ниже, является важным силовым элементом всей конструкции.

ей:

(1)

Ясно, что £р > 1, что приводит к физическому укорочению резонатора (в сравнении с пустотелым). Наконец, с позиций вышесказанного теплопроводность диэлектрика и проводящих материалов стенок резонатора являются важными теплофизическими характеристиками. Это резко ограничивает номенклатуру пригодных для наших целей диэлектриков.

Основные рабочие характеристики датчика:

• Частотный диапазон

• Передаточная функция,

• Диапазон контроля концентрации электронов

е

• Чувствительность

• Нелинейность

• Инерционность

• Уровень собственных шумов и отношение сигнал/шум, динамический диапазон

• Мощность (достаточная для приведения в действие вторичных при боров)

• Надежность

Уравнение частоты генерации со:

Хр(а>,Т) + К2Хд(а>,Т) + К,Хл{со,е,Т) = 0 (2)

где Хр - реактивное сопротивление, резонатор, диод, антенна соответствуют позициям 3, 1 и 5 (рис.1(б)), К1А - коэффициенты включения, е - контролируемая ДП, Т - обобщенная помеха, отображающая многофакторное воздействие со стороны рабочего тела ракетного двигателя РД (пламени).

В линейном (Тейлоровском) приближении частота:

й)(е, Т) = 0)а + Аа)р(Т) + А<ад(Т) + АЮа (е, Т) , (3)

где номинальная частота (в воздухе), л(Т)- смещение частоты, вызванное прямым воздействием помехи на резонатор и диод и

Аа>А{е,Т)*АоА(.е) + Аа>м(Т), (4)

причем первое слагаемое есть полезный эффект, то есть передаточная функция датчика в явном виде.

Выбор номинальной частоты исходит из условия, что минимальное значение ^миХ^уТ) должно превосходить плазменную (критическую) частоту:

Т)>а>п» = , (5)

(ЬкЩГц2 /м1)).

Для авиационных и космических РД ^^ > (1016...10")—5- и поэтом

му / = б)/2тг> (2..3)ГГц. Таким частотам соответствует длина четвертьволнового резонатора менее (40....25)мм, следствием чего является недопустимо высокая температура датчика в целом, приводящая к тепловому разрушению генераторного диода. Нагрев антенны достигает 600"С и более.

Крутизна передаточной характеристики:

Дальнейшее содержание второй главы состоит в отыскании явного вида зависимости и включает исследование антенны, резонатора и автоди-

на в целом.

По условиям применения в датчиках используются невыступающие и слабонаправленные антенны, преимущественно щелевые, конструкции которых известны.

Соответствующая часть работы свелась к выбору оптимальной для нашего случая аппроксимации, поскольку антенны работают в нештатном, несогласованном режиме.

В традиционных конструкциях компактных автодинов диод отдарен от антенны (а у нас это и огневая поверхность) на расстояние в четверть длины волны, то есть при наших частотах не более 40мм. Предлагается использовать многозвенный резонатор (МЗР), представляющий собой отрезок волновода с отражающими преградами через полволны. Также резонаторы применяются в КВЧ диапазоне, но их свойства, существенные для нашего применения, не изучены.

МЗР решает следующие задачи: физическое удлинение расстояния между огневой поверхностью и диодом, приводящее к снижению рабочей температуры последнего и уменьшению таким путем температурных флуктуаций частоты; обеспечение устойчивости автодинного режима и предотвращение возбуждения на низких частотах,

Найден полный эквивалентный коэффициент отражения в МЗР как функция парциальных коэффициентов и числа звеньев.

Г = г__^_

'я А1

Г__!__(?)

г,-

2 Г

" г„-1/г„

где V2 = 1" |Г|2, Г, = Г, ехр<у>0).

При Г «1 здесь можно учесть только первое отражение падающей волны, поскольку переотраженная волна пропорциональна Г*2и+1', где т - номер переотражения, ее вклад очень слабый. Тогда

г„ «4 V V =г2>» +г>2"

ы>

(8)

С ростом Г и N влияние антенны уменьшается пропорционально

2 N

р = |Г.|/Г, = -=

(9)

Величину аа рассматриваем, как коэффициент включения антенны в резонатор аа = ^у/ • Графически зависимости Гр(Л^Г) и я„(ЛГ,Г) представлены на рис.2.

Г„а' \

\

ч

* \

4

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,0 07 0 8 0,В 1

I

Рис.2 Полный коэффициент отражения и коэффициент включения

Показано, что с электродинамических позиций целесообразен трех- че-тырехзвенный резонатор при малом парциальном коэффициенте отражения. Вычислена добротность МЗР, весьма существенная при формировании авто-динного эффекта:

дн * 1 /[1 -Жг^Г1-Г2а]

(10) I >

Основная рабочая функция датчика основана на автодинном эффекте: изменение частоты автоколебаний под влиянием отражения генерируемого сигнала от несогласованной антенны.

В работе уделено внимание двум вопросам:

1) Отысканию явной функциональной зависимости автодинного

эффекта от параметров пламени, 2) Изучению устойчивости автодинного режима.

По первому вопросу исследование свелось к вычислениям, базирующимся на так называемом втором условии Курокавы. Полученные результаты — передаточная функция, в том числе с аргументом е„, - похожа (но не совпадает в деталях) с классической. Линейный участок достаточно протяженный, а рабочая точка при <р=О достигается выбором длины фидера. с1Асо со Г<Л\ . _ с/ят<р.

Формула (11) отражает чувствительность (крутизну) датчика

Рис.3 Передаточная функция автодинного датчика

Неустойчивость автодинного режима стимулируется удлинением резонатора в сочетании с особенностью отражения волны от антенны Первый из эффектов известен в автодинах КВЧ диапазона. Анализ устойчивости проведен с привлечением третьего условия Курокавы.

ст ±х мм

(11д'(1а> е1в»'ад> (13)

Наиболее опасной представляется частота, для которой общая длина резонатора является четвертьволновой. Для такой частоты плазма пламени элек-тропроводна, антенна короткозамкнута и коэффициент отражения от нее - единица.

(2Г-1)-2яу,

То есть резонатор гораздо добротнее и условия самовозбуждения более благоприятны. Однако парциальные отражения от преград здесь не сфазирова-

Рис. 4 Векторные диаграммы напряжений в автодине на основной (а) и одной из паразитных частот (б)

Показано, что паразитный режим неустойчив если групповая фаза отражения больше |я/4|. Полученные соотношения указывают путь реализации такого режима выбор параметров: число звеньев, коэффициент отражения, длины резонатора.

Проведенный во второй главе анализ в детерминированном приближении показал функциональную осуществимость автодинных измерителей ДП пламени, приемлемую линейность передаточной характеристики, а при соблюдении выявленных мер - и устойчивость.

В третьей главе проведена оценка влияния нагрева датчиков на точность контроля параметров.

Воздействие пламени на рабочую поверхность датчика вызывает комплекс помех, среди которых эрозия антенны и осаждение сажи на ее поверхности, электрические и электромагнитные явления, а также вибрации. Однако наиболее сильная помеха и наиболее существенная погрешность связана с неравномерным и нестационарным нагревом, при средней температуре на огневой поверхности до 600 "С и более.

Выделены три характеристики ситуации:

- квазистатический нагрев и порожденная им систематическая погрешность.

- флуктуационный нагрев, вызванная им нестабильность частоты и — случайная погрешность.

- быстрый нагрев при изменении режима горения, например при старте, и динамическая погрешность.

В соответствии с представлением автора о происходящих процессах построена тепло электрофизическая модель датчика (рис. 5).

Рис.5 Электротеплофизияеская модель СВЧ датчика

Непосредственному воздействию теплового потока подвержена антенна МЛА (Мл - оператор, А - обобщенный параметр антенны), от нее прогревается резонатор (МхХ), где тепловой поток распространяется вдоль координаты X, формируя температурное поле 7^(7) и достигая диода при температуре ?!(/). Оператор Мх отражает убывающее распределение температуры вдоль оси резонатора и суть решения уравнения теплопроводности (в статике) и теплопередачи (в динамике). Каждый элемент длины нагревается по-разному, соответственно различно изменение длина и диэлектрической проницаемости; совокупный результат нагрева оценивается интегральным оператором А/5 и температурными коэффициентами К, и Ре. Учтено изменение поперечных размеров резонатора (Мр и Мг), а также емкость диода {¿С!(1Т). Электрические операторы А.....5 используются для вычисления изменения частоты измерительного сигнала, вызванного нагревом; эти операторы найдены в гл.2.

В этом разделе диссертации составлена таблица электрических и тепло-физических свойств материалов, рекомендуемых для конструкции датчиков.

Остальную часть гл.З составляет отыскание операторов М при статическом, флуктуационном и быстром нагреве.

В статике антенна нагревается до температуры Т{. Распределение температуры по длине резонатора.

ЛТ01 {А, ехр (тх)+ А2 ехр (- тх )}

где т,п- коэффициенты теплоотдачи вовне, ЛТ01 = т, ~Т0, = (1Т п)ехр(+ тЬ)

Остановимся на температуре диода:

7(1)= Т0 +&Г0,/сН.тЦйТта!*(7й.Щ''С- это условие функционирования датчика. Расчетные значения нагрева диода приведены в табл. 1. В верхней части таблицы приведены датчики с резонаторами традиционной конструкции, но с различной толщиной стенок, и с диэлектрическим заполнением. В нижней половине таблицы резонатора из диэлектрика с тонким (толщиной скин-слоя 4.... 10 мкм) покрытием. Для теплозащиты диода существенное значение имеет применение МЗР, позволяющее увеличить длину резонатора Ь, не снижая рабочую частоту.

4 4 4

а б

Рис.5 Зависимость нагрева диода от материалов резонатора с преобладанием в конструкции металлических (а) и диэлектрических (б) деталей

Материалы ■ш ch{mL) ТдприАТ = 600° Безопасная длина резонатора мм

Медь" 6...9 U...l,4 430 500

Медь" 15...22 2,4...4,6 170 150

Титан' 14...21 2,2...4,1 190 170

Титан" 28...40 7,4...27 35 65

Сапфир Кварц плавленый Кварц пористый 31...46 80.. .120 200...300 11...50 >103 >105 10 <1 сЮ1 <50

Таблица 1

Квазистатическое температурное смещение частоты от продольного расширения резонатора составляет:

(А^Ж^^-Й^-Ч, (|6)

от поперечного расширения:

Д,=

14

ЛЬ/» (аЬ)

(17)

где а, у - электрические постоянные распространения и затухания,

ИЛИ С - скорость света, смещение от на-

грева диода и антенны представлены графически рисДб)^

+д 10'-

Рис.6 Смещение частоты генерации при статическом нагреве резонатора

Таким образом, нагрев очень существенно изменяет среднюю частоту, систематическая погрешность велика, но может быть учтена, поскольку Т, известна.

Дня датчика с МЗР влияние нагрева антенны на частоту с ростом числа звеньев ослаблено несущественно, остальные факторы ослаблены существенно, что упрощает учет систематической погрешности (рис.7).

кг1 кг* юг1

I*

10-.

[<г

Ю-

-.^М-3

А,,

Рис.7 Зависимость частоты датчика от температуры при разном числе звеньев в МЗР: влияние антенны (а), удлинения резонатора А, и изменения диэлектрической проницаемости д2 (б).

В отличие от статического случая при флуктуационном нагреве изотермические поверхности смещаются, в теле датчика распространяются температурные волны. Закон распространения волны .¡-той частоты.

н

Шг+Е1.1

Н а

где р = ^1С1/2а(1/м) - постоянная затухания, она же постоянная распространения (волновое число) а - коэффициент температуропроводности, Н - коэффициент теплоотдачи от огневой поверхности, уг^ = агссц£\ + Н/р).

Таким образом, имеют место скачки амплитуды и фазы температурной волны на границе сред, затухание волны и разная скорость распространения волн различных частот.

Исходный спектр процесса Г,(0 достаточно широк, но в низкочастотной (< 1 Гц) части флуктуации подавлены действием системы управления ТЭУ. С другой стороны по мере распространения в теле датчика более существенному подавлению подвергается высокочастотная часть флутпуационного спектра. Тело датчика работает как фильтр нижних частот. Более всего на коэффициент фильтрации влияет температуропроводность. Коэффициенты фильтрации для антенны и резонатора соответственно равны Ф(р) и

К,\№,щп) = = ФСр)М(р,т,п)

сЦт1) - пяЦтГ)

и]=-х {1 - ехр[? (т ± />)/]}ехрфя/)

т±р

(град / Гц)

19)

(Гц)

Рис.8 Спектральные плотности температурных флуктуации в резонаторе

и антенне

Изменение поперечных размеров и диод влияют на этот процесс несущественно. На рис.8 показаны спектры флуктуаций исходной температуры пламени (кривая 4), а также антенны (1), и резонаторов из плавленого (2) и пористого (3) кварца.

При отыскании результирующей спектральной плотности ^(П) .учтена корреляция случайных процессов в антенне и резонаторе. По грубой оценке коэффициент корреляции:

Вщ « 2^2(г-1)]--2вф[-2г] ~ 0,9 (20)

г*»1 г* 1

Л = у^ - число волн з-той частоты по длине резонатора. Определенную роль в

нестабильности частоты датчика, то есть и случайной погрешности играет антенна, что определяет одно из главных направлений совершенствования теплозащитных свойств датчика.

Четвертая глава посвящена разработке термостойких датчиков и эксперименту.

При разработке ставились две задачи:

• снижение флуктуационной погрешности,

• повышение надежности контроля путем улучшения теплозащиты диода.

В дополнение к использованию МЗР здесь рассмотрено еще два технических предложения:

- термокомпенсированная биметаллическая КЩА.

- выполнение силовых элементов конструкции датчика из пористых диэлектриков.

Первое предложение развивает идею известной биметаллической антенны. Его физическая основа состоит в том, что длина и ширина щели при нагреве изменяют электрические параметры в противоположные стороны. В прототипе это сделано для согласованной антенны и результат представлен конкретным числовым соотношением.

В нашем случае стабилизируется коэффициент отражения от несогласованной антенны, а соотношения найдены в общем виде.

Формулировка задачи: изменение вещественной и мнимой частей коэффициента отражения не должны превышать допустимых, при этом варьируемые параметры - К, лежат в естественных пределах для электротехнических металлов и сплавов.

|</Г/<Л"| <3 = О/АТ

и (21)

После подстановки ранее найденных значений коэффициента отражения Г(Г) условие термокомпенсации сведено к системе неравенств:

V, 2 У2

У3*,-¿>4+/^ у3К1+34+Мг

V ь л? ь--

у4 2 У4

^лпи - ^1,2 - ^макс ,

У1Д = ± , У3>4 = 2 Т .

/г,3 (Ом/град) - функции электрических проводимостей антенны, входящих в коэффициент отражения, у12 (безразмерна) - функция конструктивных параметров антенны, <У34- приведенные допустимые погрешности, //12- погрешности Тейлоровского приближения, К12- коэффициенты линейного расширения, км**>к**с- граничные значения коэффициентов для огнестойких и экономически доступных электромеханических металлов.

Результаты решения неравенств представлены графически (рис.9) на трех осях с аргументом К, , разрешенные неравенством (22) области выделены штриховкой (красной и синей) и желтым цветом. Область пересечения трех неравенств (то есть ее решение) имеет волнистую штриховку, наличие металла (сплава) с Кт в этой области создает возможность построения термокомпенси-рованной антенны со значительным и равномерным по частотному диапазону снижением флукгуационной погрешности. Расчетные примеры подтверждают реализуемость антенны, косвенно это подтверждено и существованием прототипа.

у,к,+»,: х.

V. - V, У,

о ;к_

Рис.9 Графическое решение системы неравенств

Другой задачей теплозащиты является построение резонатора. Здесь подбор материалов исходит из двух требований:

- теплозащита диода,

- снижение уровня флуктуаций частоты, особенно в окрестности десятков герц.

Одновременно оценена конструкция резонатора в виде диэлектрического бруска или стержня с напыленными проводящими поверхностями (здесь пришлось дополнить анализ главы 3), толщина которых в подобных технических решениях равна или несколько превышает толщину скин слоя.

Критерием достаточности теплозащиты выбрано произведение Щ, поскольку теплопроводность и диэлектрическая проницаемость влияют на длину противоположно.

Щр< М[агсс>1(АТВ1/АТ^)? (23)

_аС_

Т1£г К ШЪК, [агссЬ{АТт/АТ^ )Р (24)

где ДГИ=(Г,-Г0), ДГ = (Г^, -Т„).

Наилучшие показатели у пористых керамик и стекол. Напыленный проводник толщиной в скин-слой способствует (хотя и в небольшой степени) росту теплопереноса, что ужесточает эти соотношения на 5... 10% . Выигрыш же у традиционных конструкций по температуре диода - более сотни градусов.

Флуктуационная температурная волна в таком резонаторе ослабляется в сто тысяч раз при / = 1 Гц и Х= 1 см.

В реально осуществленную протрамму эксперимента вошли этапы:

- изготовление и опробование двух датчиков, модификация газовой горелки, оценка пространственной чувствительности датчика (ближней зоны антенны).

- измерение «холодной» чувствительности, т.е. крутизны передаточной характеристики.

-'исследование рабочей характеристики.

- оценка зависимости частоты от температуры.

Пространственная область контроля достигает оси (пламенного) горящего потока.

Чувствительность датчика несколько ниже, чем в результатах предшественника (А.Чабдаров).

При исследовании теплостойкости изменение температуры датчика достигалось изменением режима горения. Температура стенки камеры, контролируемая термодатчиком, лежала в диапазоне от 400 до 2500С. Датчик сохранил работоспособность, которая отмечалась по реакции на впрыск в пламя порошка алюминия.

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлены аналитические зависимости, связывающие исходный косвенный параметр диэлектрическую проницаемость «холодного» датчика с частотой выходного сигнала, то есть найдена передаточная функция датчика. Результаты находятся в согласии с ранее проделанными и полученными в данной работе экспериментальными исследованиями. Датчик обеспечивает высокий уровень сигнала (по мощности), необходимый динамический диапазон по входу и выходу.

Определены условия устойчивости рабочего режима. Ввиду конкуренции основного и ряда паразитных режимов генерации (как с более высокими, так и

с более низкими частотами) меры по обеспечению устойчивости сопряжены с подавлением последних.

2. Выявлены и описаны структура температурных полей и механизмы воздействия на измерительный сигнал статического, флуктуационного и динамического нагрева.

3. Анализ позволил предложить меры, а эксперимент подтвердил, что совокупность предложенных мер обеспечивает теплозащиту генераторного диода (диода Ганна) при нагреве огневой поверхности датчика до температур более 1000 "С.

Систематическая температурная погрешность в квазистатическом режиме горения очень велика (до нескольких процентов) Она может быть учтена при вторичной обработке сигнала с использованием установленных в работе аналитических зависимостей.

Флуктуационная, то есть случайная, погрешность имеет специфический спектр. В нем инфранизкочастотные флуктуации подавлены автоматикой энергетической установки, а более высокочастотные (десятки герц) - тепловой инерционностью тела датчика. Предложены конструктивные меры, использующие последнее свойство для дальнейшего снижения флуктуаций.

Динамическая погрешность проявляется при плановом изменении режима энергетической установки. Ее величина и продолжительность во времени затрудняют применение СВЧ датчиков при запуске ЭУ

4. Предложен усовершенствованный автодинный датчик для внутри камерной диагностики пламен в энергических установках, в частности, в ВРД и ЖРД. Его конструкция включает биметаллическую антенну и многозвенный резонатор. Сформулированы требования к используемым в конструкции электротехническим материалам. Выдвинуты предложения по конструктивным модификациям датчиков для применения их при контроле технологических процессов в металлургии, потоковых химических процессов, толщины и качества полимерных пленок и стенок труб в процессе их изготовления при высоких температурах.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Boloznev V.V., Safonova E.V. Diode microwave active oscillator with a multilink resonator // Proc. International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency control and Signal generation, June, St.Peterburg, Russia, 1998.- p. 139-143.

2. Boloznev V.V., Safonova E.V., Microwave oscillator as a sensor of electrophys-ics flow parameters // Proc. Joint meeting of the 13th European frequency and time forum and 1999 IEEE international frequency control symposium, Besancon, France, 1999,- p.1062-1066.

3. Сафонова E.B. СВЧ-генератор как датчик электрофизических параметров потока // Сборник докладов Ш Всероссийская научная конференция «Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды» Муром, Россия, 1999.- стр. 199-200

4. Болознев В.В., Сафонова Е.В. Выбор электротехнических материалов для СВЧ датчиков высокотемпературных технологических потоковых процессов

// Межвузовский сборник научных трудов, посвященный 110-летию В.К. Зворыкина, Муром, Россия, 1999.- стр.84-90.

5. Сафонова Е.В., научный руководитель Болознев В.В. Смещение частоты СВЧ Авто дина при импульсном нагреве // тезисы докладов шестой международной научно-технической конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва, Россия, март 2000.- стр.22-23.

6. Safonova E.V. Minimization of an autodyne sensor's error, stipulated by the antenna's heating // Proc. Joint meeting of the 14ft European frequency and time forum and 2000 IEEE international frequency control symposium EFTF Torino, Italy, 2000.- p.241-245.

7. Сафонова E.B., научный руководитель Болознев В.В. Расчет коэффициента отражения от щелевой антенны при аномальной температуре // материалы 1 научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиотехнический факультет к 5-летию малой радиотехнической академии, Казань, Россия, 2000.-стр.10-11.

8. Boloznev V.V., Safonova E.V. Determination of the frequency of oscillations in the autodyne's sensor under the regular and casual temperature mode variations // Proc. 2000 IEEE/EIA international frequency control symposium and exhibition, Kansas, USA, 2000.-p.96-99.

9. Safonova E.V. Autodyne sensor for monitoring systems of the processes of burning U thesis of Scuola Intemazionale Di Fisica "Enrico Fermi" ¡"Recent advances in metrology and fundamental constants", Varena, Italy, 2000.-p.164

10. Boloznev V.V., Safonova E.V. Autodyne sensors for internal-combustion engine diagnostics // thesis of2000 International Forum on Wave Electronic and its Applications, St.Peterburg, Russia, 2000, p.96.

11. Safonova E.V., Boloznev V.V. Autodyne microwave sensor of combustion process: behavior under fast heating // Proc. Joint meeting of the 15th European frequency and time forum and 2001 IEEE international frequency control symposium, Neufchatel, Switzerland, 2001.-p.84-88.

12. Сафонова Е.В. СВЧ автодинные датчики с частотным выходом// Тезисы Научной Технической конференции «Автоматика и электронное приборостроение» Казань, КГТУ, 2001.-стр.50-51.

13. Safonova E.V. Aggressive Influence on microwave sensor of an electrophysical parameters in flame // IV International Conference for Young Researches Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems, St.Peterburg, Russia, 2001.-p.28-30.

14. Сафонова E.B., Болознев В.В. Нагрев антенны как причина погрешности автодинного датчика// Электронное приборостроение 2001, вып.4(20) Казань

15. Safonova E.V. Microwave sensors of an electrophysical parameters of flames

// Thesis of Joint meeting of the 16th European frequency and time forum and 2002 IEEE international frequency control symposium, St.Peterburg, 2002.-p.109.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Усл.печл. 1,16. Усл.кр.-отг.1,21. Уч.-изд.л.1,0. Тираж 100. Заказ г не.

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К.Маркса, 10

- 8 8 7 1

SS/I

Введение

Глава 1 Методы диагностики плазмы и пламен

1.1. Электрофизические свойства плазмы и диагностические параметры

1.2. Возбуждение и распространение электромагнитных волн в плазме

1.3. СВЧ методы диагностики плазмы

1.4. СВЧ диагностика процессов горения

Глава 2 Автодинный метод внутрикамерной диагностики процесса горения в ракетном двигателе

2.1. Требования к СВЧ датчикам, характеристики, конструкции

2.2. Многозвенный резонатор

2.3. Антенны

2.4. Автодин Выводы по второй главе

Глава 3 Влияние нагрева СВЧ датчиков на точность контроля параметров процесса горения

3.1. Сравнительные оценки помеховых воздействий на автогенераторный датчик

3.2. Теплофизическая модель СВЧ датчика

3.3. Нагрев СВЧ датчика при стационарном режиме горения

3.4. Флуктуационный нагрев СВЧ датчика

3.5. Температурная погрешность СВЧ датчика в режиме выхода на марш Выводы по третьей главе

Глава 4 Разработка термостабильных СВЧ датчиков

4.1. Компенсация температурной погрешности кольцевой щелевой антенны

4.2. Выбор электротехнических материалов

4.3. Экспериментальная оценка функциональных возможностей и температурной погрешности СВЧ датчика систем контроля режимов горения, его применение

Выводы по четвертой главе

Выводы по диссертации

Изучением процессов горения в тепловых энергетических установках (ТЭУ) заняты десятки исследовательских групп в мире. Интерес к данным процессам обусловлен, в частности, интенсивным развитием двигателестроения и необходимостью улучшения функциональных, экономических и экологических характеристик ТЭУ; оптимизацией режимов горения и предотвращением развития аномальных ситуаций, приводящих к участившимся авариям и катастрофам. Последнее обстоятельство особенно значимо для авиационной и космической техники.

Существующие в настоящее время методы контроля [76] не обеспечивают полноты и достоверности информации. Главным их недостатком является низкая скорость извлечения контрольной информации. Это одна из причин упомянутых аварий.

Одним только увеличением числа датчиков, устанавливаемых на конкретных двигателях, этот недостаток устранить нельзя. Необходима разработка, как новых методов диагностики, так и самих датчиков, работающих на иных физических принципах.

Одним из наиболее перспективных методов считается СВЧ зондирование внутрикамерного пространства. Здесь исследования идут в двух направлениях:

• установление зависимости между электрофизическими параметрами плазмы пламени (электронной концентрацией, частотой соударений, структурой электромагнитного поля, собственным радиоизлучением) и рабочими характеристиками ТЭУ.

• создание измерительных систем, обеспечивающих невозмущающий и оперативный контроль.

Первое из направлений реализуется в работах теплофизиков ряда стран: России, Белоруссии, Италии, США [1-21].

Особенностью второго направления является создание средств невозму-щающего и оперативного контроля режимов ТЭУ в реальных эксплуатационных условиях с помощью датчиков электрофизических параметров. Здесь недопустимо существенное изменение конструкции камеры сгорания и размещение датчиков в ее объеме. Датчики должны обладать высокой эрозионной устойчивостью, а формируемые им сигналы - слабой зависимостью от многофакторного воздействия процесса горения. И здесь работы ведутся во многих странах (Австрия, США и др.) Значительный вклад в работы по второму направлению внесли ученые КГТУ (Р.А.Гафуров). В частности были созданы и экспериментально опробованы СВЧ автодинные измерители, которые по большинству функциональных характеристик удовлетворяли требованиям энергетиков. Основным недостатком датчиков являлась низкая теплостойкость. Нагрев датчика приводил не только к очень высокому уровню погрешностей, но и являлся причиной частого выхода из строя.

Вышеупомянутые проблемы диагностики процессов горения, недостатки существующих методов контроля и самих датчиков позволили сформулировать цель исследований настоящей работы.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения СВЧ датчиков параметров пламени в (транспортных) ТЭУ, обеспечивающих невмешательство в контролируемый процесс горения и сохраняющих точность контроля при нагреве со стороны контролируемого рабочего тела.

Задачи исследований: Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Анализ электрических процессов в датчиках, отыскание передаточной функции.

2. Выявление структуры температурных полей в теле датчиков при статическом, флуктуационном и стартовом нагреве его огневой поверхности.

3. Оценка влияния температуры на надежность и погрешности измерения в трех названных выше режимах нагрева.

4. Выработка технических предложений, позволяющих сохранить работоспособность датчиков и снизить температурную погрешность с применением схемных и конструктивных методов; экспериментальная оценка работоспособности предложенных схемотехнических и конструктивных решений.

Методы исследования и достоверность. Для анализа использованы классические методы теории колебаний, применяемые в радиотехнике и теории теплопереноса. Полученные аналитические выражения по структуре сходны с известными, а в предельных случаях совпадают с ними.

Ряд аналитических соотношений проверен экспериментально. Результаты анализа электрических процессов в датчиках соответствуют экспериментам в проведенных ранее исследованиях.

Практическая ценность и реализация. Конкретные примеры схем и конструкций СВЧ автодинных датчиков ориентированы на применение в авиационных и космических двигателях. Для применения в поршневых двигателях достаточно изменить поперечный размер датчика.

Результаты работы в виде опытного образца датчика использованы в лаборатории промышленных горелок КГТУ им. А.Н. Туполева при доводке газовой горелки Г-18 и ее промышленных испытаний.

Методика повышения теплостойкости датчиков технологических процессов использована в металлургической промышленности в 11ШО «Тяжпром-экспорт».

Разработанный СВЧ датчик внедрен в учебный процесс «Радиотехника и телекоммуникации» (РТТ) в лабораторную работу «Исследование автодинного приемопередатчика системы ближней радиолокации» по дисциплине «Генераторы СВЧ и КВЧ» в КГТУ им. А.Н. Туполева.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной и выносимые на защиту: 1. Изучена динамика автодина с многозвенным резонатором и антенной, излучающей в материальную среду с переменной диэлектрической проницаемостью.

2. Найдены условия устойчивости основного автодинного режима и неустойчивости паразитных режимов. Найдено сочетание параметров многозвенного резонатора (МЗР), обеспечивающее соблюдение этих условий.

3. Выявлена структура температурных полей в теле датчика при статическом, флуктуационном и быстром плановом нагреве, происходящих соответственно при стационарном режиме и его изменении (например, при запуске ТЭУ). На этой основе предложены конструктивные решения, обеспечивающие теплозащиту и функционирование активного элемента (диода Ганна или лавинно-пролетного диода ЛПД).

4. Вычислены статическая, случайная и динамическая температурные погрешности. Предложены и проанализированы технические решения, снижающие случайную погрешность.

5. Созданы экспериментальные модели датчиков, в соответствии с полученными аналитическими соотношениями. Проведены эксперименты, подтвердившие повышенную теплостойкость датчиков.

Вклад автора. Научные данные, изложенные в диссертации, получены лично автором. Положения и выводы, выносимые на защиту, как и проведенный эксперимент, принадлежат автору.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Yakovkin Memorial 4th International Symposium on Surface Waves in Solid and Layered Structures, 1998 International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency control and Signal generation and International Conference for Young Researchers on Acoustoelectronic and Acoustooptic Information Processing St.Peterburg, Russia, 1998; Joint meeting of the 13 th European frequency and time forum and 1999 Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) international frequency control symposium, Besancon, France, 1999; на III Всероссийской конференции «Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды» г.Муром, 1999; Joint meeting of the 14th European frequency and time forum and 2000 IEEE international frequency control symposium EFTF, Torino, Italy 2000; на 1-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов. Радиотехнический факультет к 5-летию малой радиотехнической академии, г. Казань, 2000; 2000 IEEE/EIA international frequency control symposium and exhibition, Kansas city, USA, 2000; Scuola Internazionale Di Fisica "Enrico Fermi": "Recent advances in metrology and fundamental constants", Varena, Italy, 2000- получен сертификат физика данной школы и грант за лучший стендовый доклад; International Forum on Wave Electronic and its Applications, St.Peterburg, Russia, 2000; Joint meeting of the 15th European frequency and time forum and 2001 IEEE international frequency control symposium, Neufchatel, Switzerland, 2001; IV International Conference for Young Researches Wave Electronics and Its Applications in Information and Telecommunication Systems, St.Peterburg, Russia, 2001,-выступление в качестве председателя на этой же конференции в секции "Acoustoelectronics"; на Научной Технической конференции «Автоматика и электронное приборостроение» Казань, КГТУ, 2001; Joint meeting of the 16th European frequency and time forum and 2002 IEEE international frequency control symposium, St.Peterburg, Russia 2002; решением Правления Международной Соросовской Программы Образования в Области точных Наук Института Открытого Общества присвоено звание Соросовского Аспиранта.

Публикации. По теме опубликовано 15 печатных работ, в том числе 8 статей и 7 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 98 наименований и приложений, и изложена на 184 страницах машинописного текста, иллюстрирована 47 рисунками и 12 таблицами.

Выводы по диссертации:

1. Установлены аналитические зависимости, связывающие исходный косвенный параметр диэлектрическую проницаемость «холодного» датчика с частотой выходного сигнала, то есть найдена передаточная функция датчика. Результаты находятся в согласии с ранее проделанными и полученными в данной работе экспериментальными исследованиями. Датчик обеспечивает высокий уровень сигнала (по мощности), необходимый динамический диапазон по входу и выходу.

Определены условия устойчивости рабочего режима. Ввиду конкуренции основного и ряда паразитных режимов генерации (как с более высокими, так и с более низкими частотами) меры по обеспечению устойчивости сопряжены с подавлением последних.

2. Выявлены и описаны структура температурных полей и механизмы воздействия на измерительный сигнал статического, флуктуационного и динамического нагрева.

3. Анализ позволил предложить меры, а эксперимент подтвердил, что совокупность предложенных мер обеспечивает теплозащиту генераторного диода (диода Ганна) при нагреве огневой поверхности датчика до температур более 1000 °С.

Систематическая температурная погрешность в квазистатическом режиме горения очень велика (до нескольких процентов) Она может быть учтена при вторичной обработке сигнала с использованием установленных в работе аналитических зависимостей.

Флуктуационная, то есть случайная, погрешность имеет специфический спектр. В нем инфранизкочастотные флуктуации подавлены автоматикой энергетической установки, а более высокочастотные (десятки герц) — тепловой инерционностью тела датчика. Предложены конструктивные меры, использующие последнее свойство для дальнейшего снижения флуктуаций.

Динамическая погрешность проявляется при плановом изменении режима энергетической установки. Ее величина и продолжительность во времени затрудняют применение СВЧ датчиков при запуске ЭУ

4. Предложен усовершенствованный автодинный датчик для внутри камерной диагностики пламен в энергических установках, в частности, в ВРД и ЖРД. Его конструкция включает биметаллическую антенну и многозвенный резонатор. Сформулированы требования к используемым в конструкции электротехническим материалам. Выдвинуты предложения по конструктивным модификациям датчиков для применения их при контроле технологических процессов в металлургии, потоковых химических процессов, толщины и качества полимерных пленок и стенок труб в процессе их изготовления при высоких температурах.

1. Zarko V. Е. and Kuo К. К. Critical review of methods for regression rate measurements of condensed phase systems // Nonintrusive Combustion Diagnostics / K. K. Kuo and T. Parr (Eds). New York: Begel House, 1994, p. 600-623.

2. Strand L. D., Magiawala K. R., and McNamara R. P. Microwave measurement of solid-propellant pressure-coupled response function // J. Spacecraft. 1980, v. 17, N6.

3. Foss D. Т., Roby R. J., and O'Brien W. F. Development of dual-frequency microwave burn-rate measurement system for solid rocket propellant // J. Propulsion and Power. 1993, v.9, N 4.

4. Venugopalan P., Jose K. A., Nair K. G., et al. Microwave method for locating inhornogeneities in cured rocket propellant samples// NDT International. 1986,v. 19, N6.

5. Koch B. Reflexion de micro-ondes par des pheriomenes de detonation // C.r. Acad Sci Paris. 1953, v.236, p. 661-663.

6. Cook M. A., Doran R. L., and Moris G, J. Measurement of detonation velocity by doppler effect at three-centimeter wavelength // J. Appl. Phys. 1955, v.26, N 3.

7. Cawsey G. F., Farrands J. L., and / Thomas S. Observations of detonation in solid explosives by microwave interferometry // Proc. Roy. Soc. London. Ser. A: Mathematical and Physical Sciences, v.248, May 1958, p. 499-521.

8. Johnson D. L. Microwave measurement of the solid propellant burning rates. Duarte: Giannini Controls Corp., TN, July 1962.

9. Cole R. B. High pressure solid propellant combustion studies using a closed bomb // Rohm and Haas Co., Rept. S-68, Contract DA-01-021 ord-11, 909(Z). Huntsville, AL, Oct. 1965.

10. Dean D. S. and Green D. T. The use of microwaves for the detection of flaws and measurement of erosion rates in materials // J. Scient. Instrum. 1967, v.44, N9.

11. Wood H. L., O'Brien W. F., and Dale С. B. Measurement of solid propellant burning rates employing microwave techniques // Proc. of the 6th Intern. Sympos. on Air Breathing Engines. Paris, France, 1983.

12. Gittins J., Gould R. D., Penny P. D., and Wellings P. C. Solid propellant combustion instability // J. British Interplanetary Soc. 1972, v.25, N 6.

13. Wood H. L. and O'Brien W. F. Progress Report, NASA Research Grant NCR 47-004-024, Virginia Polytechnic Institute. Blacksburg. Va, 1968.

14. Wood H. L. Final Report, NASA Grant NCR 47-004-024, Virginia Polytechnic Institute. Blacksburg. Va, 1970.

15. Anicin B. A., Jojic В., Blagojevic D., et al. Flame plasma and the microwave determination of solid propellant regression rates // Combust.and flame. 1986, v.64.

16. Bozic V. S., Blagojevic D. D., and Anicin B. A. Measurement system for determining solid rocket propellant burning rate using reflection microwave interfer-ometry // J. Propulsion and Power. 1997, v. 13, N 4.

17. Bozic V. S., Blagojevic D. D., and Anicin B. A. Measurement system for determining solid propellant burning rate using transmission microwave interferome-try // J. Propulsion and Power. 1998, v. 14, N 4.

18. Shelton S. V. A technique for measurement of solid propellant burning rates during rapid pressure transients // Bulletin of the 4th ICRPG Combustion Conference, CPIA Publication N 162; V.I.Silver Spring, Md, Dec. 1967, p. 361-372.

19. Strand L. D., Schultz A. L., and Reedy G. K. Microwave Doppler shift technique for determining solid propellant transient regression rates // J. Spacecraft, and Rockets. 1974, v. 11, N 2.

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

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

22. Мальцев В.М. Фундаментальные основы диагностики быстропротекаю-щих процессов // ПСУКД, 2001, №8, с. 67-72.

23. Foss D. Т., Roby R. J., and O'Brien W. F Development of a dual-frequency microwave burn-rate measurement system for solid rocket propellant // J. Propulsion and Power, 1993, v. 9, N 4, p. 497.

24. Лебедев А. В., Лобойко Б. Г., Филин Б. П., Шапошников В. В. Ра-диоволновый метод измерения скорости горения взрывчатых материалов в герметичном объеме//Хим. физика, 1998, т. 17, №9, с. 129-131.

25. Астафьева Н. М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физ. наук, 1996, т. 166, № 11, с. 1145-1170.

26. Резников Г.В. Самолетные антенны // М.: Сов.радио, 1962.

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

28. Никольский В.В., Никольская Т.М. Электродинамика и распространение радиоволн. М., Наука, 1989.

29. Носков В .Я. Автодины на полупроводниковых приборах СВЧ и их применение //Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук, Нижний Тагил, 1995.

30. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах // Пер. с англ. — М.: Мир, 1984, с.416.

31. Бригидин A.M., Микаев М.И. Перестройка частоты магнетрона в режиме самосинхронизации //Электронная техника/сер.Электроника СВЧ, 1976, №2.

32. Минаев М.И. Радиопередающие устройства СВЧ Минск,: Школа, 1978, с. 220.

33. Борисенко А.А., Мендрул Н.Г., Правда В.И. Твердотельные генераторы СВЧ на диэлектрических волноводах (обзор) // Изв. вузов Радиоэлектроника, 1988, с.11-18.

34. Фельд Я.Н., Бененсон JI.C. Антенно-фидерные устройства Изд. ВВИА, 1959, с. 551.

35. Воробьев Н.Г, Авксентьев А.А., Стахова Н.Е. Проектирование слабонаправленных невыступающих антенн Казань, КАИ, 1984 .

36. Хотунцев Ю.Л., Тамарчак Д.Я. Синхронизированные генераторы и автодины на полупроводниковых приборах М.: Радио и связь, 1982, с. 240.

37. Царапкин Д.П., Генераторы СВЧ на диодах Ганна -М.: Радио и связь, 1982, с.112.

38. Давыдова М.С., Данющевский Ю.З. Диодные генераторы и усилители СВЧ М.: Радио и связь, 1986.

39. Kurokava К. Some basic characteristics of broadband negative oscillator circuits//B.S.T.J, 1969, №6.

40. Алмазова Ф.М., Болознев B.B., Гафуров P.А., Законов M.A. Анализ характеристик датчика локальных параметров плазмы. // Тезисы доклада научно-практического семинара по электрофизике горения Караганда, 1985.

41. Измеритель параметров пламени //Авт.св. 11791174, БИ, № 34, 1985.

42. Болознев В.В., Гафуров Р.А., Законов М.А. Устройство для контроля тепловой энергетической установки. // Авт.св. 1264050, БИ, № 12,1986 .

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

44. Болознев В.В., Гафуров Р.А., Законов М.А., Салахов А.Р. Система контроля режима ТЭУ // Авт.св. № 1285176, БИ №22,1986.

45. Болознев В.В., Романычев А.Д., Ксенофонтов B.JL, Устройство контроля режима ТЭУ//Авт.св. № 1408160, БИ№34,1987.

46. Болознев В.В., Пикулев А.Н., Романычев А.Д. Автогенераторные преобразователи в исследованиях пламен Автоколебательные системы и усилители в РПдУ // Сб. науч. трудов № 180 -М, МЭИ, 1988, с.35-42.

47. Болознев В.В., Гафуров Р.А., Романычев А.Д., Чабдаров А.Ш. Датчик измерителя параметров пламени // Авт.св. № 1567943, БИ № 20,1990.

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

49. Болознев В.В., Романенко Ю.И., Романычев А.Д. Датчик параметров пламени//Авт.св. 1638477,БИ№ 12, 1991.

50. Болознев В.В., Гаянов Р.А., Одинцов В.Б. Система контроля эрозионных процессов в камере сгорания // Авт.св. 1703920, БИ № 1,1992.

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

52. Болознев В.В., Сакманов A.M., Салахов А.Р., Чабдаров А.Ш. Программируемый детекторный блок // Приборы и техника эксперимента, № 6,1992,с. 206-207.

53. Болознев В.В., Романычев А.Д. Малогабаритный датчик для СВЧ интерферометра // Приборы и техника эксперимента, № 5,1993, с. 125-128.

54. Болознев В.В., Романычев А.Д. Датчик параметров пламени в камере ЭУ // Авт.св. 1829006, БИ № 27, 1993.

55. Коробейничев О.П. Исследование структуры пламени слоевых систем на основе ПХА // Физика горения и взрыва, №2, 1990 .

56. Приборы и установки контактной диагностики и их использование в исследовании высокотемпературных двухфазных потоков //Физика горения и взрыва, №6,1991.

57. Васильев А.А. Экспериментальная оценка скорости горения взрывчатой газовой смеси при повышенных давлении и температуры //Физика горения и взрыва, №4,1992.

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

59. Занотти С. Экспериментальные и числительные подходы к изучению частотного отклика твердых топлив // Физика горения и взрыва, №3,1993.

60. Валов А.И. Спектроскопические исследования горения одиночных частиц в воздухе и углекислом газе // Физика горения и взрыва, №4,1994.

61. Головин В.А. Исследование высокотемпературного горения мелких частиц углеродного топлива // Физика горения и взрыва, №1, 1994.

62. Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики — М.:: Радио и связь, 1981.

63. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ /Под ред. Уткина Г.М. -М.: Советское радио, 1979.

64. Вамберский М.В., Казанцев В.И., Шелухин С.А. Передающие устройства СВЧ, М.: Высшая школа, 1984.

65. Викторов В.А., Лункин Б.В., Савлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов -М.: Энергоатомиздат, 1989.

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

67. Никольский В.В., Никольская Т.М., Электродинамика и распространение радиоволн М.: Наука, 1989.

68. Исаев Н.А. О природе ионизации при горении // Тез. доклада научно-практич. семинара по электрофизике горения.- Караганда, 1985, с.27.

69. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей М.: Маши-ностороение, 1973.

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

71. Г.А. Марков, И.В. Катин Волновая диагностика плазмы с помощью диэлектрического волновода //Известия высших учебных заведений: Радиофизика, №3,1999.

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

73. Хилд М., Уортон Д. Микроволновая диагностика плазмы- М.: Наука.1960.

74. Лыков А.В. Теория теплопереноса, М.: Высшая школа, 1967.

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

76. Анго А. Математика для радиоинженеров М.: Наука, 1967.

77. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / Под ред. В.И. Вольмана, М.: Радио и связь, 1982.

78. Авксентьев А.А., Воробьев Н.Г. Авт.Св. СССР №1628111, БИ №6, 1991.

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

80. Boloznev V.V., Safonova E.V. Diode microwave active oscillator with a multi-link resonator // Proc. International Symposium on Acoustoelectronics, Frequency control and Signal generation, June, St.Peterburg, Russia, 1998, p. 139-143.

81. Сафонова E.B. СВЧ-генератор как датчик электрофизических параметров потока // Сборник докладов Ш Всероссийская научная конференция «Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды» Муром, Россия, 1999, с. 199-200.

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

83. Сафонова Е.В. Смещение частоты СВЧ автодина при импульсном нагреве //Тезисы докладов шестой международной научно-технической конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва, Россия, март 2000, с.22-23.

84. Safonova E.V. Autodyne sensor for monitoring systems of the processes of burning // thesis of Scuola Internazionale Di Fisica "Enrico Fermi" :"Recent advances in metrology and fundamental constants", Varena, Italy, 2000, p. 164.

85. Boloznev V.V., Safonova E.V. Autodyne sensors for internal-combustion engine diagnostics // Thesis of 2000 International Forum on Wave Electronic and its Applications, St.Peterburg, Russia, 2000, p.96.

86. Сафонова Е.В. СВЧ автодинные датчики с частотным выходом// Тезисы Научной Технической конференции «Автоматика и электронное приборостроение» Казань, КГТУ, 2001, с.50-51.

87. Сафонова E.B., Болознев B.B. Нагрев антенны как причина погрешности автодинного датчика // Электронное приборостроение 2001, вып.4(20), Казань.

88. Safonova E.V. Microwave sensors of an electrophysical parameters of flames // Thesis of Joint meeting of the 16th European frequency and time forum and 2002 IEEE international frequency control symposium, St.Peterburg, 2002, p. 109.