Transcript 第四章温度测量方法
温度测量方法 目 录 1 热电偶测温 2 辐射计法测温 3 分光辐射计法 4 光散射测温法 5 TDLAS 第一章 1.1 测温方法的分类 接触式测温 热电偶测温 膨胀式温度计 热电偶测温 热电阻测温 光纤传感器测温 声学测温法 谱线反转法 温度测量 辐射吸收法 辐射计法 色温法 非接触式测温 绝对温度法 分光辐射计法 光学 发射 和吸 收 相对温度法 自发拉曼散射（LRS） 光散射 相干反斯克托斯拉曼光谱（CARS） 激光诱导荧光（LIF） 测量方法 接触式测温 优点 直观、可靠 缺点 存在负载效应 受到测量条件的限制， 不能充分接触，使检测 元件温度与被测对象温 度不一致。 热量传递需要一定时 间造成测温滞后现象。 （动态误差） 非接触式测温 检测部分与被测对象不 直接接触，不破坏原有 温度场。通常用来测量 1000℃以上的移动、旋 转、或反应迅速的高温 物体。 光路复杂，设备昂贵 1.2 热电偶结构及测温原理 热电偶的结构 接线盒 引出线套管 固定螺纹 不锈钢保护管 1）普通装配型热电偶 2）铠装型热电偶外形 铠装型热电偶可 长达上百米 绝缘 材料 A B 薄壁金属 保护套管 （铠体） 铠装型热电偶 横截面 法兰 3）小惯性热电偶 特点： 响应快，时间常 数小，可作温度 变化的动态测量。 热电偶工作原理演示实验 热电极B 热电极A 左端称为：工 作端、热端 A B 右端称为： 参考端、 冷端 结点产生热电势的微观解释： 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密 度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。 自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电 子带正电，B得到电子带负电，从而产生接触电势eAB 。 A ＋ nA nB eAB（ T ） T B 自由 电子 电场 A 扩散 EAB(T ) B 扩散 热电偶工作原理: 热电偶两结点所产生的总的 热电势等于热端接触电势与冷端接触电势之差： EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ） 1.3 热电偶的种类 名称 分度 号 名称 分 度 号 名称 分度 号 铂铑10-铂 S 铜-康铜 T 镍铬-镍硅 K 铂 铑 30- 铂 铑6 B 镍铬-康 铜 E 铂铑13-铂 R 铁-康铜 J K热电偶的 分度表 直接从热电偶 的分度表查温 度与热电势的 关系时的约束 条件是：冷端 温度必须为 0C。 1.4 热电偶冷端温度的补偿方法 1. 补偿导线法 原理：在一定温度范围内，与配用热电偶的 热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导 线为补偿导线。 补偿导线 回路总热电势为 E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0) EAB(T0’,T0)=EA’B’(T0’,T0) E=EAB(T,T0) 补偿导线 2. 冰点法 精度高 多用于实验室 3. 校正仪表机械零点法 当热电偶与动圈仪表配套使用时，如果冷端相对恒 定，测量精度要求不高，可将仪表的机械零点调到热 电偶冷端温度Tn，这就相当于在输入电势之前，就有 一个补偿电势EAB(Tn， 0 ℃)，则有： EAB (T , TN ) EAB (TN ,0) EAB (T ,0) 4.补偿电桥法 利用电桥不平衡原 理，桥臂热电阻随 温度变化，产生补 偿电压V EAB (T , TN ) EAB (T , T0 ) EAB (TN , T0 ) V EAB (TN , T0 ) EAB (T , TN ) V EAB (T , T0 ) 第二章 辐射计法测温 2.1 谱线隐现（反转）法 辐射计法 谱线反转法 需要反复调节参考光源的 辐射吸收法 亮度温度，因此不适应瞬 态火焰温度的测量。 色温法 参考（背景）光源（钨带灯） 的亮度温度为T0，火焰温度为TF 常在火焰中加入钠盐~纳线隐现法 T 0 > TF T0 = TF T0 < TF 谱镜上是暗线光谱 调整T0 ，使得观察到的光 谱线由亮变暗或者由暗变 亮，找到“隐没(消失)点” 谱镜上是亮线光谱 亮温高温计：依据普朗克辐射定律 亮温：在火焰处与光源在该处有相同辐射（亮度） 的黑体温度。 有效黄色亮温、红色亮温、黄色亮温、真实温度 色温高温计：依据维恩位移定律 色温：当实际光源的光谱成分与黑体在某一温度时 的成分一致或接近（颜色相同）时的黑体温度。 辐射高温计：依据斯蒂芬-波尔兹曼辐射定律 着眼点：辐射总能量相同时的黑体温度。 λmT＝b——维恩位移定律， 常量b＝2.8978×10-3米·开称 为维恩位移常数。仅在短波段 与实验结果相符。 色温：光源发射光的颜 色与黑体在某一温度下 辐射光色相同时，黑体 的温度称为该光源的色 温。（色温高温计：维 恩位移定律） 亮温：物体的辐射能量 用同辐射量的黑体温度 表示。（亮温高温计： 普朗克辐射定律）小于 真实温度。 辐射高温计：StefanBoltzman辐射定律。 2.2 辐射吸收法 辐射计法 火焰的发射率ε取决于辐射 谱线反转法 体的材料性质、表面状况、 辐射吸收法 温度、波长等因素，测量精 色温法 度受到很大的影响。 根据热辐射理论，任何物体均在不断地向外界 发射电磁波，其辐射强度与波长和温度有关。 I ( , T ) C15 exp(C2 / T ) FLIR红外热成像仪 2.2 辐射吸收法 1、架好相机 2、连接相机 3、设定测量系数 2.2 辐射吸收法 4、显影 2.2 辐射吸收法 5、对焦 6、采集 （F5） 2.3 色温法 谱线反转法 辐射计法 辐射吸收法 色温法 普朗克定律： 常用双色温法，也称为双色法 I ( , T ) C15 exp(C2 / T ) 两个不同波长的亮度之比 I1 12 exp( C2 / 1T ) I 2 2 15 exp( C2 / 2T ) 5 优点：无需参考光源，从而有利于简化实用中的光路布置。 缺点：测量的精度取决于假定的 (,TF ) 表达式的准确度。 2.3 色温法 多用三色法：红、蓝、 绿，利用CCD图像处理 技术重建温度场 色温法在内燃机中的应用 第三章 分光辐射计法 3.1 绝对温度法 绝对温度法：仅对单一的谱线或谱带进行绝对辐射量测量。 采用该法的前提是被测火焰处于热平衡状态，无自吸收作用； 需知道各原子常数，计算粒子密度； 保证测温时所用的乳剂种类、显影条件与标定时完全一样。 在实际应用中是比较难实现的。 3.2 相对温度法 相对强度测温法是基于若干谱线和谱带的相对辐射进行测 量，由此可确定分子内部能级的总体分布以及相应的转动、 振动或电子温度。 1 2 A g E E 2 1 2 1 exp( 1 ) A2 1 g 2 kT E1 E 2 A1 g1 2 2 1 T (ln ) k A2 g 2 1 1 无需标定，只要知道两个透过率即 可以求得两条谱线的相对强度 lg I 1 I 2 lg r lg k 第四章 光散射测温法 4.1 激光拉曼光谱基本原理 Rayleigh散射： 弹性碰撞；无能 量交换，仅改变 方向； Raman散射： 非弹性碰撞；方 向改变且有能量 交换； h(0 - ) 激发虚态 E1 + h0 E0 + h0 h0 h0 h 0 E1 V=1 V=0 E0 Rayleigh散射 H（0 + ） Raman散射 h E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态； 获得能量后，跃迁到激发虚态. 4.1 激光拉曼光谱基本原理 Raman散射的两种跃迁 E1 + h0 E2 + h0 能量差： E=h(0 - ) h(0 - ) 产生stokes线；强；基 态分子多； E1 V=1 E0 V=0 E=h(0 + ) 产生反stokes线；弱； STOKES Raman位移： Raman散射光与入射光 频率差； 0 - h0 h(0 + ) h ANTI-STOKES Rayleigh 0 Raman散射的产生：光电场E 中，分子产生诱导偶极矩 = E， 分子极化率； 0 + 4.2 线性（自发）激光拉曼散射（LRS） 散射组分在特定振动-转动能级状态下的拉曼谱线强度为： I (v, J ) Cg I 0 (d / d)v,J n(v, J )F (, T ) 常数 入射激 光功率 微分散射 立体角 分子的 横截面 数密度 与温度有关的 修正因子，由 谱线分布和谱 分辨率决定 为求温度，有两种方法： •应用斯托克斯和反斯托克斯谱线强度比，仅用于温度 800K以上的测量； •谱线拟合法。 T I F ( , T ) T r r F ( , Tr ) I Tr：参考温度 Ir： 斯托克斯拉曼谱线积分强度 4.2 线性（自发）激光拉曼散射（LRS） 激光拉曼光谱仪实验设备： 激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm； Ar激光器： 波长514.5nm， 488.0nm； 散射强度1/4 单色器： 光栅，多单色器； 检测器： 光电倍增管， 光子计数器； 4.2 线性（自发）激光拉曼散射（LRS） 激光拉曼光谱仪光路调节： M1 调节反射镜M1使反射 光束与入射光束重合 L2 M2 S 调节M2使通过M2反射成 像与直接成像二者重合 S1 调节样品架的位置，使 激光束处于样品正中央 L1 P1 laser P2 反复调节聚光镜L2的位置，使 样品中激光束通过聚光镜L2清 晰地成像于单色仪入射狭缝上 调节汇聚透镜L1的位置，使聚焦激 光束的腰部正好处于样品池的中心 调节外光路使入射激光束垂 直地通过样品池的中心 4.2 线性（自发）激光拉曼散射（LRS） LRS－II型激光拉曼/荧光光谱仪 4.3 相干反斯托克斯拉曼散射（CARS） 当几束激光按一定的角度要求在燃烧场中聚焦时，在聚 焦区域会产生一束类似于弱激光的CARS信号。一般用2束 频率相同的泵浦激光和一束频率在泵浦光的斯托克斯光 位置的激光——三波混频。 频率为Vp的泵浦束和频率为Vs的探测束借助 几何匹配技术被“混合”。激光通过三阶非线性 极化率同介质相互作用，产生震荡偏振，并发出 CARS信号，其频率为泵浦频率与拉曼频移之和。 CARS测量原理 泵浦光束：固定频率的激光器的光束 斯托克斯光束：可调频率激光器的光束 聚焦于采样区，两频率之差等于采样区 内某种气体成分的拉曼频移。两束光与 气体的相互作用会产生一相干的反斯托 克斯拉曼光束。 Fig.2.CARS energy level diagram, showing how multiple laser beams (2 pumps and 1 Stokes) can generate fourth CARS beam. Fig.8.The pump and Stokes beams are mixed in a phase matching arrangement, such as the BoxCARS configuration shown here. Collinear CARS in nondispersive media •Phase matching 2: Beam patterns: Fig.5.Collinear CARS Box-CARS BoxCARS CARS测量密度原理 当相位完全匹配时，CARS信号的功率与激光器和分子数密度成非线性关系： 4 2 v3 2 2 ( 3) 2 2 P3 ( 2 ) P1 P2 x z c Pi：频率vi下的激光功率 z ：介质中亮光相交区在光轴方向上的长度 x（3）：气体介质的三阶非线性极化率（或称磁化率） x(3) xr xnr 共振部分，取决于光束的频率，代表了 被研究组分的拉曼激发跃迁，通过玻耳 兹曼分布之差可提取温度信息。 非共振部分，基本是常数，与激光频率无关 xr是分子数量密度和振-转能级间粒子束 布居之差的函数，通过光谱轮廓进行拟 合可得到温度场信息；对光谱强度进行 分析可得到密度信息。 CARS测量温度原理 常用的测温介质组分是简单的双原子气体，特别是N2和H2。N2是空气参加燃 烧的系统中的一种主要成分，它的谱线常数是已知的，物理模型也很好建 立，易于计算；它又有易于被CARS诊断的Q支，故常被选作测温的成分。 CARS测量装置 激发染料激光 （斯托克斯光束） 分束镜 全反镜 泵浦光束 环状反射镜 分束镜 泵浦光束 全反镜 全反镜 透镜 吸收腔体 产生CARS信号 透镜 双色镜 黑体光腔 干涉滤光片 透镜 Nd：YAG激光器：重复频率为10Hz、20Hz和30Hz， =1064nm，倍频532nm 泵浦光束：能量在50mJ—100mJ/脉冲 CARS测量装置 CARS测量装置 4.3 相干反斯托克斯拉曼散射（CARS） 优点：CARS法的信噪比高，与LRS相比，所需的激光脉冲 能量低一个数量级，且激光器在10Hz-30Hz范围内，数据 率较高。精度高（2000K/+-50K），易于分辨。 缺点：要求视线光学通路，产生前向信号，能用于实际发 动机的燃烧室；不适合吸收性太大的火焰；设备昂贵，成 本高。 CARS测量结果 CARS适合含有高浓度颗粒的两相流场 非清洁火焰的温度诊断。能测高温， 测量效率高，信噪比高。 CARS信号对很多因素的非线性关系使 得处理信号相当困难。 谢 谢！