Оптические методы наблюдения быстропротекающих процессов.

Формирование кривой путь- время, дифференцированием которой получают скорость протекания процессов, осуществляется движением фотоплёнки или развёрткой свечения вращающимся зеркалом.

В узкоплёночном фоторегистраторе плёнка движется с большой скоростью, что позволяет фотографировать процесс со скоростью нескольких тысяч кадров в секунду. В тех случаях когда быстопротекающий процесс синхронизируют со съёмкой, можно получить и более высокие скорости регистрации процесса предварительно разогнав перемотку плёнки до больших скоростей. В таких случаях достигают скорости до 10 тысяч кадров в секунду. Дальнейшее увеличение скорости перемотки плёнки становится проблематичным из-за ограниченной прочности плёнки.

Большую скорость развёрстки можно получить на барабанном фоторегистраторе. Схема барабанного фоторегистратора и принцип образования кривой путь – время показаны на рис. 1.23.Основными частями фоторегистратора являются барабан с двигателем, объектив и плёнка, которая крепится на наружной поверхности барабана. Скорость вращения барабана регистрируется различными способами. Среди них: электронный, основные элементы которого магнит на валу барабана и неподвижная катушка. Движущийся магнит проходя мимо катушки наводит в ней эдс .Электрический импульс поступает в электронное считывающее устройство.

Кривая путь- время образуется следующим образом. Допустим детонационная волна прошла к данному моменту времени участок АВ. Для упрощения рассуждений предположим, что фронт детонации представляет собой светящуюся точку. При неподвижном барабане светящаяся точка экспонирует на плёнке прямую А^′ В^″ , параллельную образующей барабана. Если плёнка будет двигаться со скоростьюv в направлении перпендикулярном фронту детонации, то на плёнке экспонируется некоторая кривая А^′ В^′ С^′. В случае постоянства скорости детонации, т.е. мгновенной стабилизации её без разгонного участка, и постоянства скорости вращения барабана, кривая А^′ В^′ С^′ представит собой прямую линию. Кривая А^′ В^′ С^′ (или прямая) и представляет собой в определённом масштабе запись путь – время для детонации или взрыва заряда. Фронт детонации представляет собой не светящуюся точку, но несколько размытую зону с послесвечением продуктов детонации. Поэтому для уменьшения такого эффекта необходимо уменьшить ширину светящегося при детонации пятна. Этого добиваются путём ограничения пятна с помощью щели, параллельной оси заряда ВВ. Наиболее рациональное размещение щели – внутри фоторегистратора перед барабаном , параллельно образующей последнего.

Скорость детонации в каждом сечении заряда на расстоянии ℓ от детонатора или начала заряда (точка А) равна

D =

Проекция не плёнку сработавшей части заряда ВВ будет равна А^′ В^″ или согласно рисунку

Y = βℓ dℓ = d ,

где - коэффициент увеличения прибора ( как правило < 1).

Перемещение плёнки за счёт вращения барабана с постоянной скоростью будет равно

X = v t ,откуда dt = d .

Подставляя значения dℓ и dt в выражение для D и учитывая, что β и v постоянные величины , получим

D = и v = 2πrn, или v =ωr (1,46)

где φ - угол наклона касательной к кривой путь –время, r - радиус барабана, n – число оборотов барабана в единицу времени, ω – угловая скорость.

К недостаткам фоторегистраторов с движущейся фотоплёнкой следует отнести недостаточную для регистрации скорости детонации линейную скорость плёнки и очень малый коэффициент увеличения β. Для большинства барабанных развёрсток коэффициент увеличения

β = 0,05 – 0,25,

и поэтому процесс идущий по заряду на участке 100мм , фиксируется на плёнке в виде экспонированного участка протяжённостью всего 5 – 25 мм.

Что касается максимально допустимой линейной скорости плёнки, то при скоростях, превышающих 100м./сек, начинает деформироваться эмульсионный слой под действием центробежной силы.

Максимальная относительная ошибка определения скорости процесса равна

(1.47).

На точность определения скорости детонации наибольшее влияние оказывает ошибка при определении угла φ.

Минимальная ошибка измерения скорости процесса будет при выполнении условия

, то есть при значении угла φ =45⁰

Выполнить это условие практически не реально. Действительно, при D = 7000 м/ сек и v =100м/сек условие выполняется, если β = , что неприемлемо из- за необходимости при испытаниях использовать очень длинные заряды( более 2 метров).

Этот анализ позволят сделать заключение о том, что барабанные развертки можно применять только для сравнительно медленных процессов, например горения.

Приемлемые значения β = - и φ = 45⁰ выполняются при v 1000м/сек.

Такая развёртка может быть получена на фоторегистраторах с вращающимся зеркалом, посредством которого изображение светящегося объекта проецируется на неподвижную фотоплёнку. Основными блоками таких фоторегистраторов являются оптическая система, блок синхронизации, высокоскоростной затвор и система развёртки.

Оптическая система (рис. №1.24)состоит из двух линз с общей фокальной плоскостью. Такая система при использовании светосильных и длиннофокусных объективов в качестве линз позволяет получить большой радиус развёртки (т.е. расстояния от зеркала до фотоплёнки) и достаточно освещённое изображение на плёнке. Кроме того сам заряд ВВ может быть расположен достаточно далеко от прибора. Использование такой оптической системы имеет ещё одно преимущество, состоящее в том, что между дорогостоящей оптикой и зарядом ВВ может быть установлено бронестекло (что и делается всегда), защищающее прибор от осколков и ударных волн.

Щель, помещённая в общей фокальной плоскости объективов, служит для ограничения ширины изображения. Зеркало имеет поверхностный отражающий слой и изготавливается из металла с тем, чтобы исключить прогиб его при очень высоких скоростях вращения.

Зеркало закреплено на оси электродвигателя, скорость вращения которого может регулироваться в широком диапазоне. Узел синхронизации обеспечивает совмещение начала взрыва с определённым положением зеркала относительно фотоплёнки, открытием и закрытием затвора. Роль последнего состоит в исключении повторного экспонирования плёнки. Подрыв заряда ВВ производится в тот момент, когда проецируемое на плёнку изображение находится в самом начале плёнки. Команда на открытие затвора подаётся раньше. Затвор начинает закрываться после поворота зеркала на 60⁰ .

Линейная скорость развёртки v определяется следующим образом (см.рис. пп).

Угловая скорость вращения зеркала ω = .

Угловая скорость вращения отражённого луча (ОВ) ω₁ = . Линейная скорость отражённого луча v = 2ωR, где R – радиус развёртки. Формула для скорости, аналогичная полученной для барабанной развёртки перепишется следующим образом:

D= , (1.48)

где φ – угол наклона касательной к кривой путь – время, - постоянная прибора. Обозначая её через С,получим D = C n tgφ.

Если радиус развёртки R = 0, 2 м, то при скорости вращения зеркала n = 30000 об/ мин=500 об/сек, v = 1256м/сек. Для того чтобы tgφ = 1, при регистрации скоростей порядка 7000м/сек, необходимо чтобы выполнялось условие β ≤ 0,2. Такому условию соответствует длина заряда 150 мм.

Если перед фотоплёнкой устанавливается 2-х или4-х рядный растр, то при достаточной подсветке будет получена покадровая съёмка процесса. Конструкция растра состоит из дугового каркаса на котором укреплены линзы, диаметр которых составляет 0,5 или 0,25 ширины эмульсионного слоя фотоплёнки. Линзы дополнительно уменьшают проецируемое на плёнку изображение в 2- 4раза. В растре линза выполняет роль как объектива, так и затвора. Последний эффект связан с высокоточным изготовлением растра и способностью любой из растровых линз пропускать через себя изображение только в случае совпадения оптической оси линзы с оптической плоскостью вращающегося зеркала. Оптическая ось каждой линзы сдвинута относительно соседней на малый угол. Поэтому в любой момент времени только одна линза проецирует изображение на фотоплёнку. На рис.№1.26 показана последовательность проецирования изображения на плёнку через 2-х рядный растр.

При покадровой съёмке быстропротекающего процесса применять для подсветки можно только очень интенсивные источники. И это даже несмотря на использование специальных фотоплёнок очень высокой чувствительности . Автор настоящей монографии применял для подсветки достаточно мощный взрыв, с помощью которого в трубе диаметром 40 см и длиной 1метр создавалась ударная волна. Распространяющаяся в воздухозаполненной трубе ударная волна светится очень интенсивно, что и обеспечивает нормальную освещённость быстропротекающего процесса (срабатывание кумулятивного заряда в заполненном водой аквариуме).