Методи вимірювання температури полум'я (стр. 3 из 4)

(5)

де

, - відповідні цим лініям енергії збудження; , , , - ймовірності переходів і статистична вага вихідних рівнів; - постійна Больцмана.

На відміну від методу абсолютної інтенсивності, що застосовується в умовах достатньої, для насичення лінії, концентрації випромінюючих атомів, метод відносних інтенсивностей може бути використаний тільки в умовах малих концентрацій. Причина такого обмеження полягає в тому, що абсолютні інтенсивності різних спектральних ліній різні, і, отже, ступінь наближення їх до стану насичення буде різним. Тому відношення інтенсивності r не є однозначною мірою тільки температури полум'я Т, а також визначається тим, наскільки спектральні лінії далекі від стану насичення, тобто від тієї області, в якій порушується пряма пропорційність інтенсивності лінії і концентрації випромінюючого елементу.

Логарифмування (5) дає

(6)

Таким чином, обернене значення температури полум'я лінійно пов'язане з логарифмами відношення інтенсивностей двох ліній.

З метою перевірки на відсутність впливу області насичення або хелюмінесценціії корисно використовувати декілька спектральних ліній одного і того ж елемента, знаходячи попарно відношення їх інтенсивностей і визначаючи для кожної пари температуру полум'я

Відносна похибка визначення температури, обумовлена похибкою

вимірювання відношень , прямо пропорційна температурі Т і обернено пропорційна різниці енергій верхніх станів двох ліній

(7)

Для здійснення методу відносних інтенсивностей створена спеціальна апаратура, яка в поєднанні з електронною обчислювальною схемою знаходить логарифм відношення інтенсивностей вибраних спектральних ліній і вирішує рівняння (6) безпосередньо щодо Т.

Найбільш ефективним є застосування метода відносних інтенсивностей для дослідження полум’я з температурами вище 3000 К. У цих умовах сильно збільшується кількість ліній в спектрі полум'я, що полегшує їх вибір. Крім того, в умовах дуже високих температур значно розширюються межі області лінійної залежності інтенсивності ліній від концентрації випромінюючого елементу.

3.5 Визначення «обертальної» температури

Вимірювання температур полум'я, що мають у спектрі смуги випромінювання, може бути виконано по енергії обертального руху молекул. Цей метод аналогічний методу відносних інтенсивностей. Для його здійснення вибираються дві чи краще декілька ліній тонкої обертальної структури смуг. Як показує теорія, інтенсивність Е кожної такої лінії характеризується виразом

(8)

де N - число збуджених молекул;

і - обертальні енергії початкового і кінцевого станів.

Знаходячи відношення інтенсивностей кожної з обраних ліній до однієї з них, будують напівлогарифмічний графік, в якому по осі абсцис відкладають величину

для різних ліній. Тоді 1/Т визначається як тангенс кута нахилу прямої.

3.6 Визначення «коливальної» температури

Смугасті спектри випромінювання молекул дозволяють визначити температуру полум'я, що відповідає енергії коливального руху атомів в молекулі. Для цієї мети знаходиться або відхилення інтенсивностей поблизу максимумів двох смуг, або відношення їх повних інтенсивностей. Так як інтенсивність смуг коливальної структури описується рівнянням, аналогічним (8), то «коливальна» температура знаходиться як котангенс кута нахилу прямої, побудованої в напівлогарифмічному масштабі по відношенню вимірювання інтенсивностей кожної пари смуг.

Вимірювання інтенсивностей смуг не вимагає спектральної апаратури великої роздільної здатності, що істотно спрощує техніку експерименту. Однак при недостатньо ретельному виборі спектральних областей результат вимірювань може виявитися спотвореним накладенням ліній тонкої структури. Найкращі результати вимірів «коливальних» температур виходять при використанні смуг випромінювання двоатомних молекул.

3.7 Метод яскравісної температури

Для випромінюючого полум'я з високим коефіцієнтом чорноти випромінювання може бути застосований простий у апаратурній реалізації метод вимірювання яскравісної температури полум'я. У багатьох випадках це може бути звичайний оптичний пірометр із зникаючою ниткою. Ототожнення вимірюваної таким приладом яскравісної температури полум'я з його дійсною температурою можливо тільки для полум'я з настільки великою концентрацією твердих завислих частинок, що коефіцієнт чорноти його випромінювання стає практично рівним одиниці. Тому із яскравісною температурою полум'я доцільно вимірювати монохроматичний коефіцієнт чорноти випромінювання для тієї довжини хвилі, що відповідає ефективній довжині хвилі застосованого оптичного пірометра. Найбільш простий і достатньо надійний спосіб такого виміру складається у використанні сферичного увігнутого дзеркала, що встановлюється позаду полум'я (рис. 4) так, щоб центр його кривизни знаходився всередині полум'я. Цим же оптичним пірометром виконується вимірювання власної яскравості факела а і сумарної яскравості b обумовленою власною яскравістю полум'я і яскравістю його зображення, що утворюється в фокусі дзеркала розглянутого через полум'я. Якщо позначити через

коефіцієнт відбивання сферичного дзеркала для даної довжини хвилі, а через середній коефіцієнт поглинання полум'я для тієї ж довжини хвилі, то для обох результатів вимірювань отримаємо

,

звідки

Рис .4 Схема прибору з сферичним дзеркалом для вимірювання яскравісної температури полум'я

Для термічного випромінювання полум'я

. Визначення дійсної температури полум'я за його яскравісної температурі і коефіцієнтом чорноти випромінювання знаходиться звичайним способом.

Вимірювання яскравості температур нестаціонарного полум’я вимагає застосування відповідної швидкодіючої фотоелектричної апаратури.

3.8 Метод кольорової температури

До полум'я з суцільним спектром застосуємо звичайний метод визначення кольорової температури по відношенню виміряних значень інтенсивності

і спектру в двох довжинах хвиль. Якщо монохроматичні коефіцієнти чорноти випромінювання в цих довжинах хвиль рівні, то в цьому випадку, як відомо, колірна температура полум'я дорівнює його дійсній температурі. Однак для дуже яскравісного полум’я така рівність не завжди дотримується. Справа в тому, що випромінювання маси завислих в газі твердих частинок супроводжується розсіюванням на них променевої енергії. У результаті монохроматичний коефіцієнт поглинання випромінюючого полум’я , при термічному характері випромінювання, і його монохроматичний коефіцієнт чорноти випромінювання зменшуються з довжиною хвилі спектру. Ця залежність може бути представлена у вигляді

(9)

Дані про показник степеня n для різних типів полум’я наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Показник степеня n для різного полум’я

Тип полум'я	n	Тип полум'я	n	Тип полум'я	n
Ацетон	1,43	Бензол – повітря	1,23	Бензол – оксид азоту	1,05
Амілацетат	1,39	Нитроцеллюлоза	1,14	Ацетилен – повітря	0,66…0,75
Коксовий газ - повітря	1,29

Вплив розсіювання випромінювання завислих частинок на вид залежності

змушує з обережністю підходити до вибору колірного методу вимірювання температури полум'я. Доцільно перед використанням методу на маловивченому полум’ї поставити контрольний експеримент, що дозволяє оцінити, чи має місце в даному полум'ї відчутна величина інтенсивності розсіяння світла.