Методи вимірювання температури полум'я (стр. 1 из 4)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НІЖИНСЬКИЙ ДЕРЖАВНІЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ МИКОЛИ ГОГОЛЯ

КАФЕДРА ФІЗИКИ

Методи вимірювання температури полум’я

Курсова робота

Студента 4-го курсу

групи ПФ-41

фізико-математичного факультету

Лозка Валерія Івановича

Науковий керівник

доцент

ЗАКАЛЮЖНИЙ В.М

Ніжин 2009р.

Зміст

1. Вступ

2. Контактні методи вимірювання температури полум’я та особливості їх застосування

3. Безконтактні методи вимірювання температури полум’я

3.1 Метод обернення спектральних ліній

3.2 Метод випромінювання і поглинання

3.3 Метод абсолютної інтенсивності спектральної ліні

3.4 Метод відносних інтенсивностей спектральних ліній

3.5 Визначення «обертальної» температури

3.6 Визначення «коливальної» температури

3.7 Метод яскравісної температури

3.8 Метод кольорової температури

4. Висновки

5. Список використаної літератури

1. Вступ

Сучасні наукові та виробничі технології вимагають використання високотемпературних реакцій для отримання тугоплавких високоміцних матеріалів, процесу легування тощо. Тому джерела енергії повинні забезпечувати високі температури.

Зазвичай вимірювані температури лежать в досить широкому інтервалі від -273ºС до 3000ºС і більше. Тому для вимірювання температури у всіх можливих випадках необхідні різноманітні засоби і методи вимірювань, до яких, в залежно від поставленого завдання вимірювання, висуваються різні вимоги.

Загальні відомості про характер випромінювання полум’я

Полум’я являє собою газовий потік, у середині якого відбувається хімічна реакція горіння завислих у потоці частинок твердого, рідкого або газоподібного палива з бурхливим виділенням теплоти. Швидкість виділення теплоти і інтенсивність випромінювання визначають температуру полум’я.

У спокійному ламінарному полум’ї можна виділити три зони: внутрішній конус, в якому відбувається хімічна реакція; зовнішній конус, що містить продукти горіння; проміжна перехідна зона, що знаходиться між цими двома конусами. У турбулентному полум’ї хімічна реакція горіння відбувається рівномірно по всьому перерізу полум’я.

Наявність процесів горіння в полум’ї викликає специфічні особливості його випромінювання. Поряд з термічним випромінюванням нагрітих газів, що характеризується рівномірним розподілом енергії по всіх ступенях вільності молекул і атомів газів, що _имірювання_, у зонах реакції виникає додаткове випромінювання, що називається хемілюмінесцентним. У цьому випадку хімічна енергія горіння безпосередньо перетворюється у випромінювання, яке за властивостями відрізняється від термічного.

У реагуючих газах не може відбуватися рівноважний розподіл енергії, навіть якщо не розглядати можливість утворення нових типів молекул в результаті хімічного процесу. Молекула в результаті хімічної реакції переходить в збуджений стан. Середній час, необхідний молекулі для випромінювання світла і переходу в основний стан, для дозволених електронних переходів становить 10

…10 с. Збуджена молекула в газі при атмосферному тиску зазнає від 10 до 1000 зіткнень, що явно недостатньо для досягнення рівномірного розподілу енергії за ступенями вільності. Відновленню рівноважного розподілу енергії перешкоджають також величезні градієнти температур, що досягають сотень тисяч кельвінів на міліметр. Такі градієнти температур, відповідають сильній просторовій анізотропії швидкостей молекул і порушення статистичних законів.

Температура груп молекул і атомів характеризується розподілом ймовірностей енергетичних станів. При нерівномірному розподілу енергії за ступенями вільності кожному виду руху молекул буде відповідати своя температура. Тому залежно від обраного фізичного закону, що використовується для вимірювання температури не рівноважного полум’я, отримують «поступальні», «коливальні» або «обертальні» температури. Ці назви умовних температур вказують на вид енергії руху,який використаний для вимірювання температури.

2. Контактні методи вимірювання температури полум’я та особливості їх застосування

Високі температури і агресивність газів в полум’ї створюють істотні обмеження застосування контактних методів.

Контактні методи вимірювання температури допускаютьбезпосередній контакт з вимірюваним об’єктом. Проте використання контактного термометра може призводити до порушення структури полум’я. При виборі контактного термометра слід враховувати, що термометр повинен витримувати механічні, хімічні та термічні навантаження, яким він піддається на даному об’єкті дослідження. Часто власна температура контактного термоперетворювача відрізняється від температури вимірюваного середовища. Ця відмінність визначається особливостями теплообміну між термоперетворювачем і вимірюваним середовищем, конструктивними і теплофізичними характеристиками самого перетворювача та окремих його частин арматури.

При виборі матеріалів термоперетворювача для вимірювання температур у зоні реакції слід брати до уваги можливість виникнення каталітичного ефекту, який часто призводить до досить істотного (до кількох сотень кельвінів) перевищення температури термоперетворювача в порівнянні з температурою його газів. Тому доцільно утримуватися від застосування термоперетворювачів, які за своєю конструкцією допускають безпосередній контакт з полум’ям.

Контактні методи для вимірювання температур полум’я також мають переваги над оптичними. За допомогою контактного термопетворювача досить малого розміру можна провести локальні вимірювання температури і, отже, досліджувати температурне поле полум’я, що здійснити оптичними методами досить важко, а в ряді випадків і неможливо. Якщо за низкою зазначених вище причин контактні термоперетворювачі дають помилкові абсолютні значення температури полум’я, то вимірювання, необхідні для дослідження температурного поля полум’я, дають досить надійні значення.

У разі великих температур і швидкодіючих процесів використовуються оптичні методи вимірювання температури.

3. Безконтактні методи вимірювання температури полум’я

3.1 Метод обернення спектральних ліній

Для вимірювання температури полум’я, що не світиться або мало світиться, широкого розповсюдження отримав метод обернення спектральних ліній. Цей метод заснований на тому, що інтенсивність резонансної спектральної лінії, що випускається збудженими атомами речовини, залежить від температури полум’я. Для цієї мети часто використовуються спектральні лінії лужних металів (натрію, літію, калію), що мають низький поріг іонізації. Найбільш зручними є жовті лінії натрію, які присутні (у складі хлориду натрію) в домішках пального.

Принципова оптична схема пристрою, що використовується для вимірювання температур полум’я методом обернення спектральних ліній, представлена на рис.1. Випромінювання від джерела S регульованої інтенсивності за допомогою лінзи L

фокусується усередині об’єму, заповненого полум’ям G. Випромінювання, що пройшло через газ, разом з власним випромінюванням полум’я фокусується другою лінзою L2 на щілини спектрального приладу D, сполученого з відповідним реєструючим приладом Р або замінюють його окуляром для візуального спостереження спектра. Спостерігач на виході спектрального приладу бачить суцільний спектр, обумовлений джерелом випромінювання, і накладає на нього зображення спектральної лінії. Змінюючи яскравість джерела (силу струму через температурну лампу), добиваються, щоб видимі яскрависні спектральні лінії і лінії суцільного спектру (фону) зрівнялися – відбудеться обернення спектральної лінії.

Позначимо через

яскравість джерела, через яскравість полум’я і через - коефіцієнт поглинання полум’я у вузькій області довжин хвиль, що охоплює спектральну лінію. Вважаючи, що і спектральна лінія, і сусідній з нею фон зазнають однакових ослаблень в оптичних деталях спектрального приладу, отримуємо для яскравості спектральної лінії, що спостерігається в спектроскопії, вираз

= (1- ) +

Рис.1. Схема експериментальної установки для вимірювання температури полум’я методом обернення спектральних ліній:

S – джерело світла; G – полум’я; L1 і L2 – лінзи;

D – спектральна роздільна система;Р – реєструючий прилад

Так як градієнт яскравості з суцільного спектру джерела невеликий, то можна вважати, що яскравість суцільного спектру поблизу лінії буде дорівнювати його яскравості при довжині хвилі спектральної лінії. Тоді для умови рівності яскравості довжин хвиль можна записати

= (1- ) + (1)