第四章溫度測量方法

溫度測量方法熱電偶測溫

1

輻射計法測溫2

分光輻射計法3

光散射測溫法4

TDLAS5目錄第一章熱電偶測溫溫度測量接觸式測溫非接觸式測溫聲學(xué)測溫法輻射計法

分光輻射計法

譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法色溫法絕對溫度法相對溫度法1.1測溫方法的分類光散射

自發(fā)拉曼散射（LRS）相干反斯克托斯拉曼光譜（CARS）激光誘導(dǎo)熒光（LIF）光學(xué)發(fā)射和吸收膨脹式溫度計熱電偶測溫?zé)犭娮铚y溫光纖傳感器測溫測量方法優(yōu)點缺點接觸式測溫直觀、可靠存在負(fù)載效應(yīng)受到測量條件的限制，不能充分接觸，使檢測元件溫度與被測對象溫度不一致。熱量傳遞需要一定時間造成測溫滯后現(xiàn)象。（動態(tài)誤差）非接觸式測溫檢測部分與被測對象不直接接觸，不破壞原有溫度場。通常用來測量1000℃以上的移動、旋轉(zhuǎn)、或反應(yīng)迅速的高溫物體。光路復(fù)雜，設(shè)備昂貴1.2熱電偶結(jié)構(gòu)及測溫原理1）普通裝配型熱電偶接線盒引出線套管固定螺紋不銹鋼保護(hù)管熱電偶的結(jié)構(gòu)2）鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面3）小慣性熱電偶特點：響應(yīng)快，時間常數(shù)小，可作溫度變化的動態(tài)測量。熱電偶工作原理演示實驗熱電極A右端稱為：參考端、冷端

左端稱為：工作端、熱端熱電極BAB熱電極A左端稱為：工作端、熱端熱電極BAB右端稱為：參考端、冷端

熱電極A左端稱為：工作端、熱端熱電極BAB自由電子＋ABeAB（

T）T擴(kuò)散擴(kuò)散電場結(jié)點產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋：兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點處會發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生接觸電勢eAB

。

熱電偶工作原理:

熱電偶兩結(jié)點所產(chǎn)生的總的熱電勢等于熱端接觸電勢與冷端接觸電勢之差：

EAB（T，T0）=eAB

（

T）-eAB

（

T0

）名稱分度號名稱分度號名稱分度號鉑銠10-鉑S銅-康銅T鎳鉻-鎳硅K鉑銠30-鉑銠6B鎳鉻-康銅E

鉑銠13-鉑R鐵-康銅J

1.3熱電偶的種類K熱電偶的分度表

直接從熱電偶的分度表查溫度與熱電勢的關(guān)系時的約束條件是：冷端溫度必須為0C。1.4熱電偶冷端溫度的補償方法1.補償導(dǎo)線法原理：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有絕緣層的廉金屬導(dǎo)線為補償導(dǎo)線。補償導(dǎo)線補償導(dǎo)線回路總熱電勢為E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0)E=EAB(T,T0)EAB(T0’,T0)=EA’B’(T0’,T0)2.冰點法精度高多用于實驗室3.校正儀表機(jī)械零點法當(dāng)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(jī)械零點調(diào)到熱電偶冷端溫度Tn，這就相當(dāng)于在輸入電勢之前，就有一個補償電勢EAB(Tn，0℃)，則有：4.補償電橋法利用電橋不平衡原理，橋臂熱電阻隨溫度變化，產(chǎn)生補償電壓V第二章輻射計法測溫譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法色溫法輻射計法

參考（背景）光源（鎢帶燈）的亮度溫度為T0，火焰溫度為TFT0>

TF譜鏡上是暗線光譜T0=TF調(diào)整T0，使得觀察到的光譜線由亮變暗或者由暗變亮，找到“隱沒(消失)點”

T0<TF譜鏡上是亮線光譜常在火焰中加入鈉鹽~納線隱現(xiàn)法需要反復(fù)調(diào)節(jié)參考光源的亮度溫度，因此不適應(yīng)瞬態(tài)火焰溫度的測量。2.1譜線隱現(xiàn)（反轉(zhuǎn)）法輻射計法

亮溫高溫計：依據(jù)普朗克輻射定律亮溫：在火焰處與光源在該處有相同輻射（亮度）的黑體溫度。有效黃色亮溫、紅色亮溫、黃色亮溫、真實溫度色溫高溫計：依據(jù)維恩位移定律色溫：當(dāng)實際光源的光譜成分與黑體在某一溫度時的成分一致或接近（顏色相同）時的黑體溫度。輻射高溫計：依據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼輻射定律著眼點：輻射總能量相同時的黑體溫度。色溫：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。（色溫高溫計：維恩位移定律）

亮溫：物體的輻射能量用同輻射量的黑體溫度表示。（亮溫高溫計：普朗克輻射定律）小于真實溫度。輻射高溫計：Stefan-Boltzman輻射定律。λmT＝b——維恩位移定律，常量b＝2.8978×10-3米·開稱為維恩位移常數(shù)。僅在短波段與實驗結(jié)果相符。譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法色溫法輻射計法

2.2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發(fā)射電磁波，其輻射強度與波長和溫度有關(guān)?；鹧娴陌l(fā)射率ε取決于輻射體的材料性質(zhì)、表面狀況、溫度、波長等因素，測量精度受到很大的影響。

FLIR紅外熱成像儀譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法色溫法輻射計法

2.2輻射吸收法1、架好相機(jī)2、連接相機(jī)3、設(shè)定測量系數(shù)4、顯影2.2輻射吸收法5、對焦6、采集（F5）2.2輻射吸收法譜線反轉(zhuǎn)法輻射吸收法色溫法輻射計法

2.3色溫法常用雙色溫法，也稱為雙色法普朗克定律：兩個不同波長的亮度之比優(yōu)點：無需參考光源，從而有利于簡化實用中的光路布置。缺點：測量的精度取決于假定的表達(dá)式的準(zhǔn)確度。2.3色溫法多用三色法：紅、藍(lán)、綠，利用CCD圖像處理技術(shù)重建溫度場色溫法在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用絕對溫度法：僅對單一的譜線或譜帶進(jìn)行絕對輻射量測量。3.1絕對溫度法第三章分光輻射計法采用該法的前提是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；保證測溫時所用的乳劑種類、顯影條件與標(biāo)定時完全一樣。在實際應(yīng)用中是比較難實現(xiàn)的。3.2相對溫度法相對強度測溫法是基于若干譜線和譜帶的相對輻射進(jìn)行測量，由此可確定分子內(nèi)部能級的總體分布以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動、振動或電子溫度。

無需標(biāo)定，只要知道兩個透過率即可以求得兩條譜線的相對強度4.1激光拉曼光譜基本原理Rayleigh散射：彈性碰撞；無能量交換，僅改變方向；Raman散射：非彈性碰撞；方向改變且有能量交換；E0基態(tài)，

E1振動激發(fā)態(tài)；

E0+h0

，

E1+h0

激發(fā)虛態(tài)；獲得能量后，躍遷到激發(fā)虛態(tài).Rayleigh散射Raman散射

h

E0E1V=1V=0h0h0h0H（0

+

）E1+h0E0+h0h(0

-

)激發(fā)虛態(tài)第四章光散射測溫法Raman散射的兩種躍遷能量差：

E=h(0-

)產(chǎn)生stokes線；強；基態(tài)分子多；

E=h(0+

)產(chǎn)生反stokes線；弱；Raman位移：Raman散射光與入射光頻率差；ANTI-STOKES0-

RayleighSTOKES0+

0h(0

+

)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0

h

h0h(0

-

)4.1激光拉曼光譜基本原理Raman散射的產(chǎn)生：光電場E中，分子產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩=E，分子極化率；4.2線性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRS）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：常數(shù)入射激光功率微分散射橫截面立體角分子的數(shù)密度與溫度有關(guān)的修正因子，由譜線分布和譜分辨率決定為求溫度，有兩種方法：應(yīng)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；譜線擬合法。Tr：參考溫度Ir：斯托克斯拉曼譜線積分強度激光光源：He-Ne激光器，波長632.8nm；

Ar激光器：

波長514.5nm，

488.0nm；

散射強度1/4

單色器：

光柵，多單色器；檢測器：光電倍增管，光子計數(shù)器；4.2線性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRS）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直地通過樣品池的中心調(diào)節(jié)匯聚透鏡L1的位置，使聚焦激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，使激光束處于樣品正中央調(diào)節(jié)反射鏡M1使反射光束與入射光束重合調(diào)節(jié)M2使通過M2反射成像與直接成像二者重合反復(fù)調(diào)節(jié)聚光鏡L2的位置，使樣品中激光束通過聚光鏡L2清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)：4.2線性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRS）4.2線性（自發(fā)）激光拉曼散射（LRS）LRS－II型激光拉曼/熒光光譜儀4.3相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）當(dāng)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CARS信號。一般用2束頻率相同的泵浦激光和一束頻率在泵浦光的斯托克斯光位置的激光——三波混頻。

頻率為Vp的泵浦束和頻率為Vs的探測束借助幾何匹配技術(shù)被“混合”。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CARS信號，其頻率為泵浦頻率與拉曼頻移之和。CARS測量原理泵浦光束：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。兩束光與氣體的相互作用會產(chǎn)生一相干的反斯托克斯拉曼光束。Fig.2.CARSenergyleveldiagram,showinghowmultiplelaserbeams(2pumpsand1Stokes)cangeneratefourthCARSbeam.Fig.8.ThepumpandStokesbeamsaremixedinaphasematchingarrangement,suchastheBoxCARSconfigurationshownhere.

CollinearCARSinnondispersivemediaPhasematching2:Beampatterns:

Fig.5.CollinearCARSBox-CARSBoxCARS

CARS測量密度原理當(dāng)相位完全匹配時，CARS信號的功率與激光器和分子數(shù)密度成非線性關(guān)系：Pi：頻率vi下的激光功率z：介質(zhì)中亮光相交區(qū)在光軸方向上的長度x（3）：氣體介質(zhì)的三階非線性極化率（或稱磁化率）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)xr是分子數(shù)量密度和振-轉(zhuǎn)能級間粒子束布居之差的函數(shù)，通過光譜輪廓進(jìn)行擬合可得到溫度場信息；對光譜強度進(jìn)行分析可得到密度信息。CARS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N2和H2。N2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，易于計算；它又有易于被CARS診斷的Q支，故常被選作測溫的成分。CARS測量裝置Nd：YAG激光器：重復(fù)頻率為10Hz、20Hz和30Hz，

=1064nm，倍頻532nm泵浦光束：能量在50mJ—100mJ/脈沖分束鏡分束鏡激發(fā)染料激光（斯托克斯光束）泵浦光束吸收腔體泵浦光束全反鏡全反鏡全反鏡透鏡透鏡透鏡環(huán)狀反射鏡產(chǎn)生CARS信號雙色鏡黑體光腔干涉濾光