第四章溫度測量方法

1、溫度測量方法溫度測量方法熱電偶測溫熱電偶測溫 1 輻射計法測溫輻射計法測溫2 分光輻射計法分光輻射計法3 光散射測溫法光散射測溫法4 TDLAS5目目 錄錄第一章第一章 熱電偶測溫熱電偶測溫溫度測量溫度測量接觸式測溫接觸式測溫非接觸式測溫非接觸式測溫聲學測溫法聲學測溫法輻射計法輻射計法 分光輻射計法分光輻射計法 譜線反轉(zhuǎn)法譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法絕對溫度法絕對溫度法相對溫度法相對溫度法1.1 1.1 測溫方法的分類測溫方法的分類光散射光散射 自發(fā)拉曼散射（自發(fā)拉曼散射（LRSLRS）相干反斯克托斯拉曼光譜（相干反斯克托斯拉曼光譜（CARSCARS）激光誘導熒光（激光誘導熒光（

2、LIFLIF）光學光學發(fā)射發(fā)射和吸和吸收收膨脹式溫度計膨脹式溫度計熱電偶測溫熱電偶測溫熱電阻測溫熱電阻測溫光纖傳感器測溫光纖傳感器測溫測量方法測量方法優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點接觸式測溫接觸式測溫直觀、可靠直觀、可靠n存在負載效應存在負載效應n受到測量條件的限制，受到測量條件的限制，不能充分接觸，使檢測不能充分接觸，使檢測元件溫度與被測對象溫元件溫度與被測對象溫度不一致。度不一致。n熱量傳遞需要一定時間熱量傳遞需要一定時間造成測溫滯后現(xiàn)象。造成測溫滯后現(xiàn)象。（動態(tài)誤差）（動態(tài)誤差）非接觸式測溫非接觸式測溫檢測部分與被測對象不檢測部分與被測對象不直接接觸，不破壞原有直接接觸，不破壞原有溫度場。通常用來測量

3、溫度場。通常用來測量10001000以上的移動、旋以上的移動、旋轉(zhuǎn)、或反應迅速的高溫轉(zhuǎn)、或反應迅速的高溫物體。物體。光路復雜，設(shè)備昂貴光路復雜，設(shè)備昂貴1.2 1.2 熱電偶結(jié)構(gòu)及測溫原理熱電偶結(jié)構(gòu)及測溫原理1）普通裝配型熱電偶）普通裝配型熱電偶接線盒接線盒引出線套管引出線套管固定螺紋固定螺紋不銹鋼保護管不銹鋼保護管熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)2 2）鎧裝型熱電偶外形）鎧裝型熱電偶外形法蘭法蘭鎧裝型熱電偶可鎧裝型熱電偶可 長達上百米長達上百米薄壁金屬薄壁金屬 保護套管保護套管（鎧體）（鎧體） BA絕緣絕緣 材料材料鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶橫截面橫截面特點特點： 響應快，時間常響應快，時間常數(shù)小，可

4、作溫度數(shù)小，可作溫度變化的動態(tài)測量。變化的動態(tài)測量。熱電偶工作原理演示實驗熱電偶工作原理演示實驗熱電極熱電極A A右端稱為：右端稱為：參考端、參考端、冷端冷端 左端稱為：左端稱為：工工作端作端、熱端、熱端熱電極熱電極B BAB熱電極熱電極A A左端稱為：左端稱為：工工作端作端、熱端、熱端熱電極熱電極B BAB右端稱為：右端稱為：參考端、參考端、冷端冷端 熱電極熱電極A A左端稱為：左端稱為：工工作端作端、熱端、熱端熱電極熱電極B BAB自由自由電子電子ABeAB（ T T ）T T擴散擴散BAnn 擴散擴散電場電場)(TEABAB 兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密兩種不同的

5、金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬度不同，在兩金屬A和和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴散現(xiàn)象擴散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬擴散到密度小的金屬B，使，使A失去電失去電子帶正電子帶正電，B得到電子帶負電得到電子帶負電，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生接觸電勢接觸電勢eAB 。 熱電偶兩結(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電偶兩結(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電勢熱電勢等于熱端接觸電勢與冷端接觸電勢等于熱端接觸電勢與冷端接觸電勢之差之差： EAB（T，T0）=eAB （ T T ）- - eAB （ T T0 ）名稱名稱分度分度號號名稱名稱分 度分

6、 度號號名稱名稱分度分度號號鉑銠鉑銠10-鉑鉑S銅銅-康銅康銅T鎳鉻鎳鉻-鎳硅鎳硅K鉑銠鉑銠30-鉑鉑銠銠6B鎳 鉻鎳 鉻 - 康康銅銅E 鉑銠鉑銠13-鉑鉑R鐵鐵-康銅康銅J 1.3 1.3 熱電偶的種類熱電偶的種類K熱電偶的熱電偶的分度表分度表 直接從熱電偶直接從熱電偶的分度表查溫的分度表查溫度與熱電勢的度與熱電勢的關(guān)系時的約束關(guān)系時的約束條件是：條件是：冷端冷端溫度必須為溫度必須為0 0 C C。1.4 1.4 熱電偶冷端溫度的補償方法熱電偶冷端溫度的補償方法1. 1. 補償導線法補償導線法u原理：原理：在一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶的在一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶的熱電特性相同的一對帶

7、有絕緣層的廉金屬導熱電特性相同的一對帶有絕緣層的廉金屬導線為補償導線。線為補償導線。補償導線補償導線補償導線補償導線回路總熱電勢為回路總熱電勢為E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0)E=EAB(T,T0)EAB(T0,T0)=EAB(T0,T0)2. 2. 冰點法冰點法精度高精度高多用于實驗室多用于實驗室3. 3. 校正儀表機械零點法校正儀表機械零點法 當熱電偶與動圈儀表配套使用時，如果冷端相對恒當熱電偶與動圈儀表配套使用時，如果冷端相對恒定，測量精度要求不高，可將儀表的機械零點調(diào)到熱定，測量精度要求不高，可將儀表的機械零點調(diào)到熱電偶冷端溫度電偶冷端溫度T Tn n，這就相當于在輸入電勢

8、之前，就有，這就相當于在輸入電勢之前，就有一個補償電勢一個補償電勢E EABAB( (T Tn n， 0 )0 )，則有：，則有：( ,)(,0)( ,0)ABNABNABET TETET4.4.補償電橋法補償電橋法 利用電橋不平衡原利用電橋不平衡原理，橋臂熱電阻隨理，橋臂熱電阻隨溫度變化，產(chǎn)生補溫度變化，產(chǎn)生補償電壓償電壓V V),(),(),(00TTETTETTENABABNAB),(),(0TTEVTTEABNAB),(0TTEVNAB第二章第二章 輻射計法測溫輻射計法測溫譜線反轉(zhuǎn)法譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法輻射計法輻射計法 參考（背景）光源（鎢帶燈）參考（背景）光源（

9、鎢帶燈）的的亮亮度度溫溫度為度為T0，火焰溫度火焰溫度為為TFT T0 0 T TF F譜鏡上是暗線光譜譜鏡上是暗線光譜 T0 = TF調(diào)整調(diào)整T T0 0 ，使得觀察到的光，使得觀察到的光譜線由亮變暗或者由暗變譜線由亮變暗或者由暗變亮，找到亮，找到“隱沒隱沒( (消失消失) )點點” T T0 0 T TF F譜鏡上是亮線光譜譜鏡上是亮線光譜 常在火焰中加入鈉鹽常在火焰中加入鈉鹽納線隱現(xiàn)法納線隱現(xiàn)法需要反復調(diào)節(jié)參考光源的需要反復調(diào)節(jié)參考光源的亮度溫度，因此不適應瞬亮度溫度，因此不適應瞬態(tài)火焰溫度的測量。態(tài)火焰溫度的測量。2.1 2.1 譜線隱現(xiàn)（反轉(zhuǎn)）法譜線隱現(xiàn)（反轉(zhuǎn)）法輻射計法輻射計法 ，

10、。（色溫高溫計：維（色溫高溫計：維恩位移定律）恩位移定律） （亮溫高溫計：（亮溫高溫計：普朗克輻射定律）普朗克輻射定律）小于小于真實溫度。真實溫度。輻射高溫計：Stefan-Boltzman輻射定律。mTb維恩位移定律，維恩位移定律，常量常量b2.897810-3米米開稱開稱為維恩位移常數(shù)。僅在為維恩位移常數(shù)。僅在與實驗結(jié)果相符。與實驗結(jié)果相符。 譜線反轉(zhuǎn)法譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法輻射計法輻射計法 2.2 2.2 輻射吸收法輻射吸收法根據(jù)熱輻射理論，任何物體均在不斷地向外界根據(jù)熱輻射理論，任何物體均在不斷地向外界發(fā)射電磁波，其輻射強度與波長和溫度有關(guān)發(fā)射電磁波，其輻射強度與波

11、長和溫度有關(guān)?；鹧娴陌l(fā)射率火焰的發(fā)射率取決于輻射取決于輻射體的材料性質(zhì)、表面狀況、體的材料性質(zhì)、表面狀況、溫度、波長等因素，測量精溫度、波長等因素，測量精度受到很大的影響。度受到很大的影響。 FLIRFLIR紅外熱成像儀紅外熱成像儀)/exp(),(251TCCTI譜線反轉(zhuǎn)法譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法輻射計法輻射計法 2.2 2.2 輻射吸收法輻射吸收法1 1、架好相機、架好相機2 2、連接相機、連接相機3 3、設(shè)定測量系數(shù)、設(shè)定測量系數(shù)4 4、顯影、顯影2.2 2.2 輻射吸收法輻射吸收法5 5、對焦、對焦6 6、采集、采集（F5F5）2.2 2.2 輻射吸收法輻射吸收法譜線

12、反轉(zhuǎn)法譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法輻射吸收法色溫法色溫法輻射計法輻射計法 2.3 2.3 色溫法色溫法常用雙色溫法，也稱為常用雙色溫法，也稱為雙色法雙色法)/exp(),(251TCCTI普朗克定律普朗克定律：兩個不同波長的亮度之比兩個不同波長的亮度之比)/exp()/exp(225121252121TCTCII優(yōu)點優(yōu)點：無需參考光源，從而有利于簡化實用中的光路布置。：無需參考光源，從而有利于簡化實用中的光路布置。缺點缺點：測量的精度取決于假定的：測量的精度取決于假定的( ,)FT 表達式的準確度。表達式的準確度。2.3 2.3 色溫法色溫法多用三色法：紅、藍、多用三色法：紅、藍、綠，利用綠，利用CC

13、DCCD圖像處理圖像處理技術(shù)重建溫度場技術(shù)重建溫度場色溫法在內(nèi)燃機中的應用色溫法在內(nèi)燃機中的應用絕對溫度法：僅對絕對溫度法：僅對單一的譜線單一的譜線或譜帶進行或譜帶進行絕對輻射量絕對輻射量測量。測量。3.1 3.1 絕對溫度法絕對溫度法第三章第三章 分光輻射計法分光輻射計法采用該法的采用該法的前提前提是是被測火焰處于熱平衡狀態(tài)，無自吸收作用被測火焰處于熱平衡狀態(tài)，無自吸收作用；需知道各原子常數(shù)，計算粒子密度；需知道各原子常數(shù)，計算粒子密度；保證測溫時所用的乳劑種類、顯影條件與標定時完全一樣。保證測溫時所用的乳劑種類、顯影條件與標定時完全一樣。在實際應用中是在實際應用中是比較難實現(xiàn)比較難實現(xiàn)的。

14、的。3.2 3.2 相對溫度法相對溫度法相對強度測溫法是相對強度測溫法是基于若干譜線和譜帶的相對輻射基于若干譜線和譜帶的相對輻射進行測進行測量，由此可確定分子內(nèi)部能級的總體分布以及相應的轉(zhuǎn)動、量，由此可確定分子內(nèi)部能級的總體分布以及相應的轉(zhuǎn)動、振動或電子溫度。振動或電子溫度。 )exp(2121212121kTEEgAgA112221121)(ln12gAgAkEETkrIIlglglg21無需標定，只要知道兩個透過率即無需標定，只要知道兩個透過率即可以求得兩條譜線的相對強度可以求得兩條譜線的相對強度 4.1 4.1 激光拉曼光譜基本原理激光拉曼光譜基本原理E0基態(tài)， E1振動激發(fā)態(tài)； E0

15、+ h 0 ， E1 + h 0 激發(fā)虛態(tài)；獲得能量后，躍遷到激發(fā)虛態(tài). h E0E1V=1V=0h 0h 0h 0H（ 0 + ）E1 + h 0E0 + h 0h( 0 - )第四章第四章 光散射測溫法光散射測溫法RamanRaman散射的兩種躍遷散射的兩種躍遷能量差：能量差： E=hE=h( ( 0 0 - - ) )產(chǎn)生產(chǎn)生stokesstokes線線；強；基；強；基態(tài)分子多；態(tài)分子多； E=hE=h( ( 0 0 + + ) )產(chǎn)生產(chǎn)生反反stokesstokes線線；弱；弱；RamanRaman位移：位移：RamanRaman散射光與入射光散射光與入射光頻率差頻率差；ANTI-ST

16、OKES 0 - RayleighSTOKES 0 + 0h( 0 + )E0E1V=1V=0E1 + h 0E2 + h 0 h h 0h( 0 - )4.1 4.1 激光拉曼光譜基本原理激光拉曼光譜基本原理RamanRaman散射的產(chǎn)生：光電場散射的產(chǎn)生：光電場E E 中，分子產(chǎn)生誘導偶極矩中，分子產(chǎn)生誘導偶極矩 = = E E， 分子極化率；分子極化率；4.2 4.2 線性（自發(fā)）激光拉曼散射（線性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRSLRS）散射組分在特定振動散射組分在特定振動- -轉(zhuǎn)動能級狀態(tài)下的拉曼譜線強度為：轉(zhuǎn)動能級狀態(tài)下的拉曼譜線強度為：),(),()/(),(,0TFJvnddICJv

17、IJvg常數(shù)常數(shù) 入射激入射激光功率光功率微分散射微分散射橫截面橫截面立體角立體角 分子的分子的數(shù)密度數(shù)密度與溫度有關(guān)的與溫度有關(guān)的修正因子，由修正因子，由譜線分布和譜譜線分布和譜分辨率決定分辨率決定為求溫度，有兩種方法：為求溫度，有兩種方法：應用斯托克斯和反斯托克斯譜線強度比，僅用于溫度應用斯托克斯和反斯托克斯譜線強度比，僅用于溫度 800K以上的測量；以上的測量；譜線擬合法。譜線擬合法。ITFTFITTrrr),(),(T Tr r：參考溫度：參考溫度I Ir r： 斯托克斯拉曼譜線積分強度斯托克斯拉曼譜線積分強度激光光源：激光光源：He-NeHe-Ne激光器，波長激光器，波長632.8n

18、m632.8nm； ArAr激光器：激光器： 波長波長514.5nm514.5nm， 488.0nm 488.0nm； 散射強度散射強度 1/1/ 4 4 單色器：單色器： 光柵，多單色器；光柵，多單色器； 檢測器：檢測器： 光電倍增管，光電倍增管， 光子計數(shù)器；光子計數(shù)器；4.2 4.2 線性（自發(fā)）激光拉曼散射（線性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRSLRS）激光拉曼光譜儀實驗設(shè)備激光拉曼光譜儀實驗設(shè)備：M2L2L1SS1P1P2laserM1調(diào)節(jié)外光路使入射激光束垂調(diào)節(jié)外光路使入射激光束垂直地通過樣品池的中心直地通過樣品池的中心調(diào)節(jié)匯聚透鏡調(diào)節(jié)匯聚透鏡L L1 1的位置，使聚焦激的位置，使聚焦激

19、光束的腰部正好處于樣品池的中心光束的腰部正好處于樣品池的中心調(diào)節(jié)樣品架的位置，使調(diào)節(jié)樣品架的位置，使激光束處于樣品正中央激光束處于樣品正中央調(diào)節(jié)反射鏡調(diào)節(jié)反射鏡M M1 1使反射使反射光束與入射光束重合光束與入射光束重合調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)M M2 2使通過使通過M M2 2反射成反射成像與直接成像二者重合像與直接成像二者重合反復調(diào)節(jié)聚光鏡反復調(diào)節(jié)聚光鏡L L2 2的位置，使的位置，使樣品中激光束通過聚光鏡樣品中激光束通過聚光鏡L L2 2清清晰地成像于單色儀入射狹縫上晰地成像于單色儀入射狹縫上激光拉曼光譜儀光路調(diào)節(jié)：激光拉曼光譜儀光路調(diào)節(jié)：4.2 4.2 線性（自發(fā)）激光拉曼散射（線性（自發(fā)）激光拉曼散

20、射（LRSLRS）4.2 4.2 線性（自發(fā)）激光拉曼散射（線性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRSLRS）LRSII型激光拉曼/熒光光譜儀4.3 4.3 相干反斯托克斯拉曼散射（相干反斯托克斯拉曼散射（CARSCARS）當幾束激光按一定的角度要求在燃燒場中聚焦時，在聚當幾束激光按一定的角度要求在燃燒場中聚焦時，在聚焦區(qū)域會產(chǎn)生一束類似于弱激光的焦區(qū)域會產(chǎn)生一束類似于弱激光的CARSCARS信號。一般用信號。一般用2 2束束頻率相同的泵浦激光頻率相同的泵浦激光和和一束頻率在泵浦光的斯托克斯光一束頻率在泵浦光的斯托克斯光位置的激光位置的激光三波混頻三波混頻。 頻率為頻率為VpVp的泵浦束和頻率為的泵浦束

21、和頻率為VsVs的探測束借助的探測束借助幾何匹配技術(shù)被幾何匹配技術(shù)被“混合混合”。激光通過三階非線性。激光通過三階非線性極化率同介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生震蕩偏振，并發(fā)出極化率同介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生震蕩偏振，并發(fā)出CARSCARS信號，其頻率為泵浦頻率與拉曼頻移之和。信號，其頻率為泵浦頻率與拉曼頻移之和。 CARS CARS測量原理測量原理泵浦光束：固定頻率的激光器的光束泵浦光束：固定頻率的激光器的光束斯托克斯光束：可調(diào)頻率激光器的光束斯托克斯光束：可調(diào)頻率激光器的光束聚焦于采樣區(qū)，兩頻率之差等于采樣區(qū)聚焦于采樣區(qū)，兩頻率之差等于采樣區(qū)內(nèi)某種氣體成分的拉曼頻移。兩束光與內(nèi)某種氣體成分的拉曼頻移。兩束光與

22、氣體的相互作用會產(chǎn)生一相干的反斯托氣體的相互作用會產(chǎn)生一相干的反斯托克斯拉曼光束?？怂估馐ig.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 CA

23、RS in nondispersive mediaPhase matching 2: Beam patterns:Fig.5.Collinear CARSBox-CARSBoxCARS CARS CARS測量密度原理測量密度原理當相位完全匹配時，當相位完全匹配時，CARSCARS信號的功率與激光器和分子數(shù)密度成非線性關(guān)系：信號的功率與激光器和分子數(shù)密度成非線性關(guān)系：22)3(22122323)4(zxPPcvPP Pi i：頻率：頻率vivi下的激光功率下的激光功率z z ：介質(zhì)中亮光相交區(qū)在光軸方向上的長度：介質(zhì)中亮光相交區(qū)在光軸方向上的長度x x（3 3）：氣體介質(zhì)的三階非線性極化率（或稱

24、磁化率）：氣體介質(zhì)的三階非線性極化率（或稱磁化率）nrrxxx)3(共振部分，取決于光束的頻率，代表了共振部分，取決于光束的頻率，代表了被研究組分的拉曼激發(fā)躍遷，通過玻耳被研究組分的拉曼激發(fā)躍遷，通過玻耳茲曼分布之差可提取溫度信息。茲曼分布之差可提取溫度信息。非共振部分，基本是常數(shù)，與激光頻率無關(guān)非共振部分，基本是常數(shù)，與激光頻率無關(guān)x xr r是分子數(shù)量密度和振是分子數(shù)量密度和振- -轉(zhuǎn)能級間粒子束轉(zhuǎn)能級間粒子束布居之差的函數(shù)，通過布居之差的函數(shù)，通過光譜輪廓光譜輪廓進行擬進行擬合可得到合可得到溫度場信息溫度場信息；對；對光譜強度光譜強度進行進行分析可得到分析可得到密度信息密度信息。 CARS CARS測量溫度原理測量溫度原理常用的測溫介質(zhì)組分是簡單的雙原子氣體，特別是常用的測溫介質(zhì)組分是簡單的雙原子氣體，特別是N N2 2和和H H2 2。N N2 2是空氣參加燃是空氣參加燃燒的系統(tǒng)中的一種主要成分，它的譜線常數(shù)是已知的，物理模型也很好建立，燒的系統(tǒng)中的一種主要成分，它的譜線常數(shù)是已知的，物理模型也很好建立，易于計算；它又有易于被易于計算；它又有易于被CARSCARS診斷的診斷的Q Q支，故常被選作