CN110987192B - 一种发动机现场温度测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发动机现场温度测量系统及方法，属于发动机现场试验技术领域，解决了现有技术中发动机现场温度测量准确度低的问题，该系统包括，标准光源，用于照射发动机尾焰，包括第一标准光源和第二标准光源；高速切换机构，用于切换第一标准光源和第二标准光源依次照射发动机尾焰；温度测量装置，用于测量第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量M1和M2，还用于测量被测目标的辐射能量M3；处理器，用于根据辐射能量M1和M2获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw，并结合辐射能量M3获得被测目标的真实辐射能量MNB，从而获得被测目标的温度。该系统消除了尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw对温度测量的影响，提高了温度测量的准确性。

Description

一种发动机现场温度测量系统及方法
技术领域
本发明涉及发动机现场试验技术领域，尤其涉及一种发动机现场温度测量系统及方法。
背景技术
目前，随着技术的发展，各类飞行器将逐渐在我国发挥越来越重要的作用，在这些飞行器的研制过程中，发动机的研制及试验技术占有举足轻重的地位，在当前的研究阶段，需要针对发动机的研制、生产进行大量的地面试验。在试验过程中，温度的测量及校准发挥着重要作用，对于发动机的研制具有重要的意义。
现有的发动机现场温度测量方法有和非接触温度测量技术及装置。其中，热电偶等接触式温度传感器的环境适应性差、测温范围窄、动态特性差、精度较低，无法满足发动机试验现场的温度测量需求。针对上述问题，目前我国发动机试验现场大量采用非接触温度测量技术及装置，但非接触温度测量一方面受到发动机尾焰辐射的影响，另一方面会受到气体吸收光谱以及现场杂散光的干扰。这些因素会对温度的测量产生非常不利的影响，导致测量结果准确度下降。
现有技术存在以下缺点，一是接触式温度传感器的环境适应性差、测温范围窄、动态特性差、精度较低，无法满足发动机试验现场的温度测量需求，二是现有的非接触温度测量装置无法消除发动机尾焰和杂散光辐射对温度测量的影响，导致温度测量准确度低。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种发动机现场温度测量系统及方法，用以解决现有技术无法满足发动机试验现场的温度测量需求以及温度测量准确度低的问题。
一方面，本发明提供了一种发动机现场温度测量系统，包括标准光源、高速切换机构、温度测量装置和处理器；所述标准光源，用于照射发动机尾焰，包括光路相互垂直的第一标准光源和第二标准光源；所述高速切换机构，用于切换第一标准光源和第二标准光源依次照射发动机尾焰；所述温度测量装置，用于分别测量所述第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量M1和M2，还用于测量无光源照射时被测目标的辐射能量M3；所述处理器，用于根据辐射能量M1和M2获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw，并结合测得的所述辐射能量 M3获得被测目标的真实辐射能量MNB，从而获得被测目标的温度。
进一步的，处理器通过下述流程获得被测目标的真实辐射能量MNB；
通过下述公式获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw；
Figure RE-GDA0002393461820000022
Figure RE-GDA0002393461820000021
通过下述公式获得被测目标的真实辐射能量MNB；
MNB×τ+MW＝M3，
通过下述公式标定曲线获得被测目标的温度T，
T＝f(MNB)，
其中，MG1为第一标准光源的辐射能量，MG2为第二标准光源的辐射能量， f(MNB)表示温度与辐射能量的标定关系。
进一步的，所述第一标准光源，用于产生中波红外波段和长波红外波段的标准光辐射，所述第二标准光源，用于产生可见光波段和近红外波段的标准光辐射。
进一步的，所述高速切换机构包括光学反射镜和高速电机；
所述光学反射镜包括反射面和透射面；
所述高速电机，用于带动所述光学反射镜旋转或者摆动，以使第一标准光源和第二标准光源产生的辐射光经所述光学反射镜后沿相同路径交替出射。
进一步的，所述光学反射镜为圆盘形结构，所述圆盘形结构包括均分的4个扇形面，相对设置的两个扇形面为所述反射面，其余相对的两个扇形面为所述透射面；
所述光学反射镜倾斜45°放置于第一标准光源光路和第二标准光源的光路的交汇处，通过电机带动所述反射镜旋转，使所述第一标准光源和第二标准光源产生的辐射光沿相同路径交替出射。
进一步的，所述第一标准光源和第二标准光源均采用标准黑体配合LED光源。
进一步的，所述第一标准光源和第二标准光源与被测目标的距离均小于等于预设值。
进一步的，所述高速切换机构的切换频率为100Hz。
根据上述技术方案，本发明的有益效果如下：
1、本发明采用非接触式的发动机现场温度测量系统，可以有效弥补接触式温度传感器的环境适应性差、测温范围窄、动态特性差和精度较低等缺陷；
2、本发明采用两个标准光源分别照射发动机尾焰，从而获得发动机尾焰透射率和杂散辐射能量，再利用发动机尾焰透射率和杂散辐射能量对测得的被测目标的辐射能量进行校正消除发动机尾焰透射率和杂散辐射能量对测量的影响，从而提高温度测量的准确度。
另一方面，本发明提供了一种发动机现场温度测量方法，具体包括以下步骤：
分别测量第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量M1和M2，并测量无光源照射时被测目标的辐射能量M3；
根据测得的所述辐射能量M1和M2获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw，具体公式如下，
Figure RE-GDA0002393461820000042
Figure RE-GDA0002393461820000041
通过下述公式，根据辐射能量M3获得被测目标的真实辐射能量MNB，
MNB×τ+MW＝M3；
通过下述公式标定曲线获得被测目标的温度T，
T＝f(MNB)，
其中，MG1为第一标准光源的辐射能量，MG2为第二标准光源的辐射能量， f(MNB)表示温度与辐射能量的标定关系。
进一步的，分别测量第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量的时间间隔不大于0.01秒。
由于本发明中的发动机现场温度测量方法与上述发动机现场温度测量系统的原理相同，所以该方法也具有与上述系统相应的技术效果。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为发动机现场温度测量系统实施例的示意图；
图2为发动机现场温度测量方法实施例的流程图；
图3为本发明实施例高速切换机构的以试图
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
系统实施例
本发明的一个具体实施例，公开了一种发动机现场温度测量系统。如图1所示，该系统包括标准光源、高速切换机构、温度测量装置和处理器；所述标准光源，用于照射发动机尾焰，包括光路相互垂直的第一标准光源和第二标准光源；所述高速切换机构，用于切换第一标准光源和第二标准光源依次照射发动机尾焰；所述温度测量装置，用于分别测量所述第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量M1和M2，还用于测量无光源照射时被测目标的辐射能量M3；所述处理器，用于根据辐射能量M1和M2获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量 Mw，并结合测得的所述辐射能量M3获得被测目标的真实辐射能量MNB，从而获得被测目标的温度。
其中，被测目标可以是发动机、发动机内壁、发动机热防护结构或发动机尾喷口内部等部件，通过选择不同的被测目标实现发动机整体温度或各部分温度的测量。
针对发动机现场温度测量，现有的非接触温度测量装置测得的发动机或发动机各部件的温度由于受到发动机尾焰和杂散光辐射的影响，无法保证温度测量结果的准确性。
本发明提出的发动机现场温度测量系统，首先，采用两个标准光源照射发动机尾焰，利用温度测量装置测量两个标准光源的辐射能量，根据两个标准光源辐射能量的测量值和真实值获得发动机尾焰透射率和杂散光辐射能量；其次，利用温度测量装置测量被测目标的辐射能量，并利用发动机尾焰透射率和杂散光辐射能量对测得的被测目标的辐射能量进行校正，消除发动机尾焰透射率和杂散光辐射能量对被测目标辐射能量的影响，以获得被测目标的真实辐射能量，再根据被测目标的真实辐射能量获得被测目标的真实温度，以提高温度测量结果的准确性。
优选的，温度测量装置的摆放位置使其能够接收被测目标发出的辐射。温度测量装置能够记录每次测量结果，其温度测量范围为600℃ -2500℃，测温范围大。经大量试验结果表明，当测量的温度范围为600℃ -1500℃，发动机现场温度测量系统的温度测量误差小于等于3％，当测量的温度范围为1500℃-2500℃时，发动机现场温度测量系统的温度测量误差小于等于4％，测温结果精度高，能够满足发动机试验现场对温度测量结果准确度的要求。
具体的，处理器通过下述流程获得被测目标的真实辐射能量MNB；
通过下述公式获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw；
Figure RE-GDA0002393461820000072
Figure RE-GDA0002393461820000071
通过下述公式获得被测目标的真实辐射能量MNB；
MNB×τ+MW＝M3，
通过下述公式标定曲线获得被测目标的温度T，
T＝f(MNB)，
其中，MG1为第一标准光源的辐射能量，MG2为第二标准光源的辐射能量， f(MNB)表示温度与辐射能量的标定关系。
具体的，温度与辐射能量的具体对应关系表格为本领域技术人员已知的现有技术，因此，采用查表法根据具体对应的温度值和辐射能量值获得拟合标定曲线，再根据标定曲线和被测目标的真实辐射能量获得被测目标的温度。
优选的，所述第一标准光源，用于产生中波红外波段和长波红外波段的标准光辐射，所述标准光源，用于产生可见光波段和近红外波段的标准光辐射。
考虑到，要消除发动机的带来的影响，准确获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw，需要使得两次照射发动机尾焰的时间间隔足够短，为了能够自动迅速切换第一标准光源和第二标准光源依次照射发动机尾焰，采用了高速切换机构，如图3所示，所述高速切换机构包括光学反射镜和高速电机；
所述光学反射镜包括反射面和透射面；
所述高速电机，用于带动所述光学反射镜旋转或者摆动，以使第一标准光源和第二标准光源产生的辐射光经所述光学反射镜后沿相同路径交替出射。
优选的，所述光学反射镜为圆盘形结构，所述圆盘形结构包括均分的4个扇形面，相对设置的两个扇形面为所述反射面，其余相对的两个扇形面为所述透射面；
所述光学反射镜倾斜45°放置于第一标准光源光路和第二标准光源的光路的交汇处，通过电机带动所述反射镜旋转，使所述第一标准光源和第二标准光源产生的辐射光沿相同路径交替出射。
优选的，所述透射面为镂空结构，能够使第一标准光源和第二标准光源直接透过出射。当光路相互垂直的第一标准光源和第二标准光源同时照射至光学反射镜的反射面时，同时被反射，光路处于水平位置的第一标准光源的光线被反射，无法照射发动机尾焰，此时，光路处于竖直位置的第二标准光源的光线被反射至发动机尾焰，并被温度测量装置接收，进而测得第二标准光源的辐射能量；当光路相互垂直的第一标准光源和第二标准光源同时照射至光学反射镜的透射面时，同时被透射，第二标准光源直接透过光学反射镜，无法照射发动机尾焰，此时，第一标准光源的光线直接透过光学反射镜照射至发动机尾焰，并被温度测量装置接收，进而测得第一标准光源的辐射能量。
优选的，所述第一标准光源和第二标准光源均采用标准黑体配合 LED光源。所述标准黑体配合LED光源，其辐射口径为25mm，可产生覆盖可见光(0.4μm～0.78μm)、近红外(1μm～3μm)、中波红外 (3μm～5μm)以及长波红外(8μm～12μm)全波段的稳定标准光辐射，并配备防护结构，以适应发动机现场恶劣环境，提高发动机现场温度测量系统的环境适应性。其中，本领域技术人员能够已知的，标准黑体配合LED光源的辐射口径的大小，可以根据发动机现场温度测量的实际需求进行选择。
优选的，所述第一标准光源和第二标准光源与被测目标的距离均小于等于预设值，以使第一标准光源、第二标准光源与被测目标处于几乎相同的发动机现场环境，保证测得的第一标准光源、第二标准光源与被测目标的辐射能量受发动机尾焰和杂散光辐射的影响几乎相同，从而提高温度测量结果的准确性。
优选的，所述高速切换机构的切换频率为100Hz，以保证第一标准光源、第二标准光源分别照射发动机尾焰时，所处的发动机现场环境几乎相同，从而可以根据温度测量装置测得的第一标准光源、第二标准光源辐射能量和其真实能量联立方程获得发动机尾焰透射率及杂散光辐射，从而提高测量准确性。
与现有技术相比，一方面，本发明采用非接触式的发动机现场温度测量系统，可以有效弥补接触式温度传感器的环境适应性差、测温范围窄、动态特性差和精度较低等缺陷；另一方面，本发明采用两个标准光源分别照射发动机尾焰，从而获得发动机尾焰透射率和杂散辐射能量，再利用发动机尾焰透射率和杂散辐射能量对测得的被测目标的辐射能量进行校正消除发动机尾焰透射率和杂散辐射能量对测量的影响，从而提高温度测量的准确度。
方法实施例
另一方面，本发明提供了一种发动机现场温度测量方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
分别测量第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量M1和M2，并测量无光源照射时被测目标的辐射能量M3；
根据测得的所述辐射能量M1和M2获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw，具体公式如下，
Figure RE-GDA0002393461820000091
Figure RE-GDA0002393461820000101
通过下述公式，根据辐射能量M3获得被测目标的真实辐射能量MNB，
MNB×τ+MW＝M3；
通过下述公式标定曲线获得被测目标的温度T，
T＝f(MNB)，
其中，MG1为第一标准光源的辐射能量，MG2为第二标准光源的辐射能量， f(MNB)表示温度与辐射能量的标定关系。
优选的，分别测量第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量的时间间隔不大于0.01秒，以保证第一标准光源、第二标准光源分别照射发动机尾焰时，所处的发动机现场环境几乎相同，从而可以根据温度测量装置测得的第一标准光源、第二标准光源辐射能量和其真实能量联立方程获得发动机尾焰透射率及杂散光辐射，从而提高测量准确性。
与现有技术相比，一方面，本发明采用非接触式的发动机现场温度测量方法，可以有效弥补接触式温度传感器的环境适应性差、测温范围窄、动态特性差和精度较低等缺陷；另一方面，本发明采用两个标准光源分别照射发动机尾焰，从而获得发动机尾焰透射率和杂散辐射能量，再利用发动机尾焰透射率和杂散辐射能量对测得的被测目标的辐射能量进行校正消除发动机尾焰透射率和杂散辐射能量对测量的影响，从而提高温度测量的准确度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种发动机现场温度测量系统，其特征在于，包括标准光源、高速切换机构、温度测量装置和处理器；
所述标准光源，用于照射发动机尾焰，包括光路相互垂直的第一标准光源和第二标准光源；
所述高速切换机构，用于切换第一标准光源和第二标准光源依次照射发动机尾焰；
所述温度测量装置，用于分别测量所述第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量M1和M2，还用于测量无光源照射时被测目标的辐射能量M3；所述被测目标为发动机内壁、发动机热防护结构或发动机尾喷口内部；
所述处理器，用于根据辐射能量M1和M2获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw，并结合测得的所述辐射能量M3获得被测目标的真实辐射能量MNB，从而获得被测目标的温度，具体包括：
通过下述公式获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw；
Figure FDA0002929144550000011
Figure FDA0002929144550000012
通过下述公式获得被测目标的真实辐射能量MNB；
MNB×τ+MW＝M3，
通过下述公式标定曲线获得被测目标的温度T，
T＝f(MNB)，
其中，MG1为第一标准光源的辐射能量，MG2为第二标准光源的辐射能量，f(MNB)表示温度与辐射能量的标定关系。
2.根据权利要求1所述的一种发动机现场温度测量系统，其特征在于，所述第一标准光源，用于产生中波红外波段和长波红外波段的标准光辐射，所述第二标准光源，用于产生可见光波段和近红外波段的标准光辐射。
3.根据权利要求2所述的一种发动机现场温度测量系统，其特征在于，所述高速切换机构包括光学反射镜和高速电机；
所述光学反射镜包括反射面和透射面；
所述高速电机，用于带动所述光学反射镜旋转或者摆动，以使第一标准光源和第二标准光源产生的辐射光经所述光学反射镜后沿相同路径交替出射。
4.根据权利要求3所述的一种发动机现场温度测量系统，其特征在于，所述光学反射镜为圆盘形结构，所述圆盘形结构包括均分的4个扇形面，相对设置的两个扇形面为所述反射面，其余相对的两个扇形面为所述透射面；
所述光学反射镜倾斜45°放置于第一标准光源光路和第二标准光源的光路的交汇处，通过电机带动所述反射镜旋转，使所述第一标准光源和第二标准光源产生的辐射光沿相同路径交替出射。
5.根据权利要求4所述的一种发动机现场温度测量系统，其特征在于，所述第一标准光源和第二标准光源均采用标准黑体配合LED光源。
6.根据权利要求5所述的一种发动机现场温度测量系统，其特征在于，所述第一标准光源和第二标准光源与被测目标的距离均小于等于预设值。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种发动机现场温度测量系统，其特征在于，所述高速切换机构的切换频率为100Hz。
8.一种发动机现场温度测量方法，具体包括以下步骤：
分别测量第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量M1和M2，并测量无光源照射时被测目标的辐射能量M3；所述被测目标为发动机内壁、发动机热防护结构或发动机尾喷口内部；
根据测得的所述辐射能量M1和M2获得发动机的尾焰透射率τ及杂散辐射能量Mw，具体公式如下，
Figure FDA0002929144550000031
Figure FDA0002929144550000032
通过下述公式，根据辐射能量M3获得被测目标的真实辐射能量MNB，MNB×τ+MW＝M3；
通过下述公式标定曲线获得被测目标的温度T，
T＝f(MNB)，
其中，MG1为第一标准光源的辐射能量，MG2为第二标准光源的辐射能量，f(MNB)表示温度与辐射能量的标定关系。
9.根据权利要求8所述的一种发动机现场温度测量方法，其特征在于，分别测量第一标准光源和第二标准光源照射发动机尾焰时的辐射能量的时间间隔不大于0.01秒。
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