第四章温度测量方法

温度测量方法热电偶测温1辐射计法测温2分光辐射计法3光散射测温法4TDLAS5目录第一章热电偶测温温度测量接触式测温非接触式测温声学测温法辐射计法分光辐射计法谱线反转法辐射吸收法色温法绝对温度法相对温度法1.1测温方法的分类光散射自发拉曼散射（LRS）相干反斯克托斯拉曼光谱（CARS）激光诱导荧光（LIF）光学发射和吸收膨胀式温度计热电偶测温热电阻测温光纤传感器测温测量方法优点缺点接触式测温直观、可靠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1）普通装配型热电偶接线盒引出线套管固定螺纹不锈钢保护管热电偶的结构2）铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面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A右端称为：参考端、冷端左端称为：工作端、热端热电极BAB热电极A左端称为：工作端、热端热电极BAB右端称为：参考端、冷端热电极A左端称为：工作端、热端热电极BAB自由电子＋ABeAB（T）T扩散BAnn扩散电场)(TEABAB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。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）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6B镍铬-康铜E铂铑13-铂R铁-康铜J1.3热电偶的种类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0C。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。补偿导线补偿导线回路总热电势为E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0)E=EAB(T,T0)EAB(T0’,T0)=EA’B’(T0’,T0)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：(,)(,0)(,0)ABNABNABETTETET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),(),(),(00TTETTETTENABABNAB),(),(0TTEVTTEABNAB),(0TTEVNAB第二章辐射计法测温谱线反转法辐射吸收法色温法辐射计法参考（背景）光源（钨带灯）的亮度温度为T0，火焰温度为TFT0TF谱镜上是暗线光谱T0=TF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”T0TF谱镜上是亮线光谱常在火焰中加入钠盐~纳线隐现法需要反复调节参考光源的亮度温度，因此不适应瞬态火焰温度的测量。2.1谱线隐现（反转）法辐射计法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。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：Stefan-Boltzman辐射定律。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。谱线反转法辐射吸收法色温法辐射计法2.2辐射吸收法根据热辐射理论，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。火焰的发射率ε取决于辐射体的材料性质、表面状况、温度、波长等因素，测量精度受到很大的影响。FLIR红外热成像仪)/exp(),(251TCCTI谱线反转法辐射吸收法色温法辐射计法2.2辐射吸收法1、架好相机2、连接相机3、设定测量系数4、显影2.2辐射吸收法5、对焦6、采集（F5）2.2辐射吸收法谱线反转法辐射吸收法色温法辐射计法2.3色温法常用双色温法，也称为双色法)/exp(),(251TCCTI普朗克定律：两个不同波长的亮度之比)/exp()/exp(225121252121TCTCII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(,)FT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绝对温度法：仅对单一的谱线或谱带进行绝对辐射量测量。3.1绝对温度法第三章分光辐射计法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。)exp(2121212121kTEEgAgA112221121)(ln12gAgAkEETkrIIlglglg21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；E0基态，E1振动激发态；E0+h0，E1+h0激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.Rayleigh散射Raman散射hE0E1V=1V=0h0h0h0H（0+）E1+h0E0+h0h(0-)激发虚态第四章光散射测温法Raman散射的两种跃迁能量差：E=h(0-)产生stokes线；强；基态分子多；E=h(0+)产生反stokes线；弱；Raman位移：Raman散射光与入射光频率差；ANTI-STOKES0-RayleighSTOKES0+0h(0+)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0hh0h(0-)4.1激光拉曼光谱基本原理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；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：),(),()/(),(,0TFJvnddICJvIJvg常数入射激光功率微分散射横截面立体角分子的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。ITFTFITTrrr),(),(Tr：参考温度Ir：斯托克斯拉曼谱线积分强度激光光源：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）激光拉曼光谱仪实验设备：M2L2L1SS1P1P2laserM1调节外光路使入射激光束垂直地通过样品池的中心调节汇聚透镜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样品架的位置，使激光束处于样品正中央调节反射镜M1使反射光束与入射光束重合调节M2使通过M2反射成像与直接成像二者重合反复调节聚光镜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激光拉曼光谱仪光路调节：4.2线性（自发）激光拉曼散射（LRS）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.CARSenergyleveldiagram,showinghowmultiplelaserbeams(2pumpsand1Stokes)cangeneratefourthCARSbeam.Fig.8.ThepumpandStokesbeamsaremixedinaphasematchingarrangement,suchastheBoxCARSconfigurationshownhere.CollinearCARSinnondispersivemedia•Phasematching2:Beampatterns:Fig.5.CollinearCARSBox-CARSBoxCARSCARS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：22)3(22122323)4(zxPPcvP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）nrrxxx)3(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/脉冲分束镜分束镜激发染料激光（斯托克斯光束）泵浦光束吸收腔体泵浦光束全反镜全反镜全反镜透镜透镜透镜环状反射镜产生CARS信号双色镜黑体光腔干涉滤光片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！