Измерение температуры пламени методом обращения спектральной линии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Измерение температуры пламени методом обращения спектральной линии

Для измерения температуры как в пламени горелки наилучшие результаты дает применение спектроскопического метода.

При этом свет от накаленной электричеством нити проходит через пламя, окрашенное следами щелочного металла.

Первым исследовать температуру несветящихся пламен «окрашивая» эти пламена солью какого-либо металла предложил Фери, а измерения проводить методом обращения спектральных линий.

Метод основан на том, Что излучение нити и пламени наблюдается через спектроскоп.

То есть на разности температур между нитью накаливания и пламенем свечи

А) При температурах нити накаливания ниже температуры пламени - спектр дает яркие линии излучения натрия.

Б) При увеличении температуры нити выше температуры пламени -линии натрия становятся черными линиями поглощения

Температура нити, при которой происходит обращение излучения в поглощение, и есть температура газового пламени.

Такой метод измерения температуры горящих газов называется методом обращения спектральных линий. в его основу положено принцип того что интенсивность резонансной спектральной линии, испускаемой возбужденными атомами вещества, которое содержится в пламени, при прочих равных условиях зависит от температуры пламени. Очень часто используются спектральные линии щелочных металлов (натрия, лития, калия), имеющих низкий порог ионизации. Наиболее удобны желтые линии натрия, присутствующего (в составе хлористого натрия) в примесях к горючему.

Принципиальная оптическая схема устройства, используемого для измерения температур пламени методом обращения спектральных линий, представлена на рис. 2.

Излучение от источника 1 регулируемой интенсивности с помощью линзы 6 фокусируется внутри объема 7, заполняемого пламенем в данном его сечении.

Прошедшее через газ излучение вместе с собственным излучением пламени фокусируется линзой /,8 на щели спектрального разрешающего прибора 9, соединенного с соответствующим регистрирующим устройством или заменяющим его окуляром для визуального наблюдения спектра.

Наблюдатель на выходе спектрального прибора видит сплошной спектр, обусловленный источником излучения, и накладывающееся на него изображение спектральной линии. Изменяя яркость источника (силу тока через температурную лампу), добиваются, чтобы видимые яркости спектральной линии и сплошного спектра (фона) уравнялись и линия совпала с фоном -- чтобы произошло обращение спектральной -линии

Рис 2

Рис 1

При получении спектральных линий используется обычно самая яркая резонансная линия.

В процессе работы пламя просвечивается источником сравнения таким образом чтобы в спектроскоп расположенный с другой стороны пламени попадало как собственное излучение пламени так и излучение источника сравнения (в качестве такового обычно применяется лампа накаливания с плоской нитью) прошедшее через пламя.

В спектроскопе мы будем наблюдать полосу сплошного спектра от источника сравнения на фоне которой будет выделяться линия появляющаяся в результате введения в пламя щелочного металла.

Эта линия будет светлее или темнее близлежащих областей сплошного спектра в зависимости от того будет ли энергия излученная пламенем в той области спектра в которой расположена спектральная линия больше или меньше энергии поглощенной пламенем из излучения источника сравнения в этой же области спектра.

Из закона Кирхгофа следует что при равенстве истинной температуры пламени и яркостной температуры источника сравнения названные величины будут равны и линия не будет выделяться на фоне сплошного спектра.

Это исчезновение (обращение) спектральных линий достигается изменением температуры источника сравнения.

В промышленной и лабораторной практике наибольшее распространение получили методы измерения температуры тел с помощью оптических яркостных и цветовых пирометров, а также метод обращения спектральных линий.

Использование этих методов для определения истинной температуры светящегося пламени было рассмотрено.

Сопоставление описанных результатов расчетов с опубликован ными в работах экспериментальными данными показало следующее. Практически все результаты измерения статической температуры в пламени (выполненные методом обращения спектральных линий щелочных металлов) соответствуют расчетным кривым, полученным при использовании минимальных значений константы скорости реакции. Учитывая, однако, что на температуру газа в пламени влияют не только неравновесные эффекты, но и такие трудно поддающиеся точному учету факторы, как теплоотвод в стенки и неполнота сгорания, можно предположить, что при сравнении экспериментальных данных с расчетными возможна некоторая ошибка вследствие завышения рассчитываемой температуры. В связи с этим желательно дополнительно рассмотреть какой-либо другой, независимо определенный, неравновесный параметр, чтобы проверить выводы, получаемые в результате сравнения температур. С этой целью была предпринята попытка сопоставить расчеты с результатами измерений концентрации радикала ОН в сопле, произведенных с помощью спектральных методов. К сожалению, полученные опытные данные имеют очень сильный разброс, перекрывающий по существу весь диапазон изменения концентрации ОН за счет вариации константы скорости реакции. В качестве примера на нанесены экспериментальные точки, и позволяющие судить о степени согласования расчетных и экспериментальных данных. Анализ полученных результатов показывает, что на основании указываемых в работ концентраций ОН в сопле трудно сделать достаточно строгие выводы о точности выбора величины - Очевидно, для этого необходимо дальнейшее накопление экспериментального материала.

В некоторых случаях возможны значительные отклонения от равновесного состояния (особенно „в зоне реакции или во фронте пламени). Любые методы, измерения при этом дают не истинные, а некоторые эффективные значения температур.

Методы обращения спектральных линий, абсолютной и относительной интенсивности, определения вращательной и колебательной температуры основаны на измерении интенсивности излучения тех или иных газообразных частиц. В случае аномального возбуждения газообразных частиц, по интенсивности из'лучения которых производится измерение, эффективная температура будет зависеть от вида и степени отклонения и в большинстве случаев будет недостоверна (не будет характеризовать даже примерное распределение энергии. температура пламя спектральный линия

Наличие в пламени взвешенных твердых частиц приводит к ослаблению яркости источника также вследствие рассеяния света частицами. Следовательно, наличие в пламени значительного количества взвешенных твердых частиц занижает результаты измерения температур методом обращения спектральных линий. Этот метод используется не только для измерения средней температуры факела в данном его сечении, но иногда и для исследования поля температур. Выбираются спектральные линии такого щелочного металла, который либо совсем отсутствует, либо находится в очень небольшом количестве в горючем. Раствор солей щелочного металла последовательно вводят в отдельные места факела, осуществляя тем самым местное «окрашивание» пламени и наблюдая каждый раз обращение выбранных спектральных линий. Очевидно, что введение «красителя» в отдельные зоны факела в той или иной степени нарушает его температурное поле.

При использовании фотоэлектрической измерительной системы с линейной характеристикой определяется непосредственно как разность отношений ординат записей соответствующих сигналов. Поэтому, зная яркостную температуру источника и эффективную длину волны пропускания светофильтров с данным фотоэлементом, легко определить температуру пламени. В отличие от метода обращения спектральных линий здесь в процессе измерений нет необходимости изменять температуру источника. Яркостная температура источника может быть даже ниже измеряемой температуры пламени, что практически очень важно из-за трудностей создания стабильных высокотемпературных источников. Однако, чем больше разность Гис-- Тпл, тем больше погрешность измерения Тпл.

Может быть также установлена связь между средней оптической и максимальной температурами пламени, строго говоря, зависящая от характера распределения температур в пламени и его степени черноты; однако в некоторых случаях эти зависимости проявляются слабо и это облегчает определение максимальных температур по средним Все же всем этим методам свойствен общий недостаток, заключающийся в том, что их применение не позволяет непосредственно измерить поле температур в факеле. Поэтому метод обращения спектральных линий в сочетании с местным окрашиванием пламени с помощью Nad или LiCl является практически единственным, позволяющим измерить поля истинных температур пламени, и наиболее часто применяемым для этой цели. Само собой понятно, что для получения искомой локальной температуры факела (пламени) окрашенная зона должна быть по возможности узкой, а температурное искажение в потоке должно быть при этом минимальным.

Размещено на Allbest.ru