Разработка электронного устройства для бесконтактного измерения температуры плазмы. (стр. 3 из 6)
Температуру пламени можно определять также по распределению интенсивности колебательных полос внутри системы полос. При этом измеряется или суммарная интенсивность всей полосы, или максимальная интенсивность передней части каждой полосы; это позволяет (в отличие от измерения температуры по вращательному спектру) использовать спектральные приборы со сравнительно небольшой дисперсией.
Относительные вероятности переходов для полос могут быть вычислены или определены экспериментально при помощи источника излучения с известной температурой, излучающего те же самые колебательные полосы. Экспериментальный способ определения вероятностей переходов обеспечивает более высокую точность измерения температуры.
Так же как и при измерении температуры по вращательному спектру, данный способ измерения позволяет определить истинную температуру пламени лишь при наличии термодинамического равновесия. Наличие хемилюминесценции делает этот метод неприменимым для измерения температуры пламени, а пря наличии задержки возбуждения он позволяет определить не истинную, а колебательную температуру, которая может заметно отличаться от истинной температуры пламени. /11/
Измерение температуры по Допплеровскому уширению спектральной линии.
Если излучающие атомы движутся от наблюдателя или к нему, то спектральная линия смещается соответственно в сторону более длинных или более коротких волн. Это явление называется эффектом Допплера. Излучающие атомы совершают в пламени хаотическое движение, которое приводит к уширению спектральной линии в сторону как больших, так и меньших длин волн. Это уширение зависит от скорости молекул и, следовательно, от температуры.
Полуширина линии Δλ определяется выражением
, (1.10)где М—молекулярный вес излучающих атомов или молекул;
T— температура;
ν—волновое число спектральной линии;
R—газовая постоянная;
С—скорость света.
Измерение температуры сильно разреженных пламен при малой концентрации излучающих атомов практически возможно путем измерения полуширины спектральной линии, но это требует применения специальной аппаратуры – интерферометра Фабри – Перо в сочетании со спектрографом, обладающим высокой разрешающей способностью.
По мере увеличения давления газа уширение спектральной линии, вызванное столкновением излучающих атомов между собой и с другими атомами и молекулами (так называемое лоренцовское уширение), все усиливается. Это уширение уже при атмосферном давлении и Т=2000-3000 К сравнимо с уширением, вызванным эффектом Допплера.
Кроме этого, в результате реабсорции, ширина линии увеличивается с ростом концентрации излучающих атомов.
Таким образом, описываемый метод практически не может быть применен для измерения температуры неразреженной плазмы, поскольку в этом случае все три эффекта, приводящие к уширению линии, имеют приблизительно одинаковую величину и выделить уширение, вызванное эффектом Допплера, практически невозможно.
Метод обращения спектральных линий
Для измерения температуры прозрачного пламени широко применяется метод обращения спектральных
линий. При использовании метода обращения спектральных линий используется обычно самая яркая резонансная линия. Метод обращения спектральных линий (рисунок 1.2) заключается в следующем: 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.
Рисунок 1.2. Оптическая схема измерения температуры пламени методом обращения спектральных липни
Исходя из определения методических и приборных погрешностей, данных во введении, можно утверждать, что метод обращения спектральных линий позволяет измерять температуру пламени с методической погрешностью, равной нулю. Но только в оптически чистых средах, так как в промышленных условиях линии спектра будут ослабляться.
Температура частичной радиацииВ системах частичной радиации со спектральной полосой от 0 до λ зависимость суммарной энергии, воспринимаемой пирометром, от температуры более сильная, а зависимость от излучательной способности более слабая, чем в системах полной радиации.
Предположим, что характеристика спектральной чувствительности пирометра частичной радиации является прямоугольной. Для величины энергии излучения, воспринимаемой пирометром, можно написать выражение:
. (1.11)Через Тq обозначим температуру, измеряемую по энергии радиации. В данном случае при измерении температуры поверхности с излучательной различие между Т и Тq за счет неполноты излучения можно записать в виде относительной методической погрешности:
δTq = ( Т – Тq )/ Т = 1 – εq1/n (Т). (1.12)
В пирометрии полного излучения n = 4 и
Т/Т = 1 – ε1/4 (Т).Для пирометра частичной радиации величина n будет увеличиваться не только при уменьшении λq, но и при понижении температуры. Чем ниже значения последней, тем слабее величина ε(Т) влияет на результаты измерения пирометром.
Яркостная температура
Зависимость интенсивности теплового излучения определенной длины волны от температуры, лежащая в основе методов монохроматической пирометрии, полностью описывается законом Планка.
Графиком этой зависимости от температуры является изохромата (λ=соnst). В пределах применимости приближения Вина удобна логарифмическая форма записи уравнения изохроматы излучения:
. (1.13)  |
Таким образом, логарифм интенсивности излучения связан с обратным значением температуры линейной зависимостью.
Зависимость яркости от температуры тем сильнее, чем короче длина волны. Дифференцируя уравнение, описывающее в приближении Вина изохромату излучения, и переходя к конечным приращениям, получим выражение для относительной чувствительности метода монохроматической пирометрии:
. (1.14)Относительная чувствительность метода обратно пропорциональна величине
. Таким образом, чем выше измеряемая температура и чем больше применяемая длина волны, тем ниже точность метода монохроматической пирометрии.При больших значениях произведения
для монохроматической пирометрии используется уравнение Рэлея - Джинса, которое относительно Т можно записать так: 
. (1.15)С точностью порядка 1% это уравнение справедливо лишь при значениях
> 50. Таким образом, для яркостной пирометрии в видимой области спектра приближение Рэлея - Джинса может быть использовано лишь для температур выше 25000°С. Однако, если для измерения температуры использовать излучение в диапазоне микрорадиово 
лн, то уравнение справедливо во всем температурном диапазоне, начиная с нескольких градусов Кельвина.Абсолютная чувствительность метода в области Рэлея - Джинса вследствие линейной зависимости силы излучения от температуры существенно ниже. Относительная чувствительность метода монохроматической пирометрии в области Рэлея - Джинса постоянна и от температуры не зависит:
. (1.16)В монохроматическом методе пирометрии температура измеряется по величине спектральной яркости. За яркостную температуру тела
, имеющего спектральную излучательную способность 
, принимается температура черного тела, имеющего при выбранном значении длины волны ту же величину спектральной яркости. Таким образом,