Диссертация (1102387), страница 17

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 17)

По мере нагревания зонда горячимпотокомтоктермоэлектроннойэмиссиирастетиспустявремяприблизительно 1 с после начала горения он выходит на установившееся99значение, то есть температура зонда к этому времени принимаетстационарное значение. Предполагая, что в установившемся режиметемпература зонда будет равна температуре потока, и, используя графикзависимости тока насыщения на двойной зонд от температуры (см. рис.

24),была определена температура пламени на выходе из канала. В данномэксперименте ток термоэлектронной эмиссии за вычетом тока проводимостиионизованного газа (пламени) достигает 110 мкА. Этому соответствуеттемпература пламени на выходе из канала Т = 1850-1900 К. Полученная спомощью наколенного зонда температура пламени с хорошей точностьюсовпадает с температурой, измеренной спектральным методом.§ 3.6.

Определение температуры пламени по сплошному спектру,испускаемому накаленным вольфрамовым стержнемДля определения температуры пламени по сплошному спектру,испускаемому накаленным вольфрамовым стержнем, необходимо знатькоэффициент спектральной чувствительности спектрографа. С этой цельюобычноиспользуютсяэталонныеисточникинепрерывногоспектра,излучение которых близко к излучению абсолютно черного тела [145].Известно, что для абсолютно черного тела зависимость яркости от длиныволны задается формулой Планка, определяющей мощность излучения с1 см2 поверхности в единичном интервале длин волн,b ,T C11,5 exp C2  1 T (3.13)где C1 = 3,74∙10-12 Вт∙см-2; C2 = 14384 мкм∙К; Т – абсолютная температураабсолютно черного тела.В качестве эталонных источников наиболее широко применяютсяленточные вольфрамовые лампы накаливания.

У таких ламп телом свечения100служит полоска из вольфрамовой отполированной фольги, помещенной воткаченный стеклянный баллон с увиолевым плоским окном [145].Распределения энергии по длинам волн в излучении раскаленного вольфрамаи абсолютно черного тела значительно различаются друг от друга. Всоответствии с законом Кирхгофа выражение для яркости излученияэталонной ленточной лампы B,T можно записать в виде [145]B,T   ,T b,T ,(3.14)где ,T – коэффициент излучения, или коэффициент черноты вольфрама какреального нечерного тела ( ,T  1 и зависит от  и истинной температуры Tвольфрама),   – коэффициент пропускания окна ленточной лампы, b,T –яркость абсолютно черного тела при той же температуре Т.Для характеристики абсолютной яркости излучения нечерных телвводится понятие яркостной температуры Tя.

В соответствии с (3.14)спектральная яркость излучения ленточной лампы с истинной температуройвольфрама Т для любой длины волны меньше яркости излучения абсолютночерного тела с той же температурой Т. Однако для заданной длины волны существует такая температура абсолютно черного тела Тя (причем Тя < Т),при которой его спектральная яркость b ,Tя равна яркости излученияленточной лампы B,T .

Эта температура абсолютно черного тела Tяназывается яркостной температурой вольфрама. Тогда [145]b,Tя  B,T    ,T b,T .(3.15)Так как коэффициент излучения вольфрама  ,T зависит от  и Т, тояркостная температура Tя зависит от истинной температуры вольфрама Т идлины волны .Из формул (3.13) и (3.15) следует1011 1 ln   ,T .T Tя C2(3.16)При градуировке эталонных ленточных вольфрамовых ламп яркостнаятемпература определяется для 0 = 0.65 мкм. Тогда формулу (3.16) можнопереписать в виде1 1  1.04110 4 lg   0 ,T ,T Tя(3.17)где    0.92,  0 ,T - коэффициент излучения вольфрама при 0 = 0.65 мкм итемпературе Т. В паспорте ленточных вольфрамовых ламп указывается силатока, при которой определяется яркостная температура.

Уравнение (3.17)позволяет определить истинную температуру вольфрама Т, если для даннойэталонной лампы известна яркостная температура Tя.1500I, отн.ед.1000500300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800, нмРис. 26. Спектр излучения нагретого горячим потоком пламени вольфрамового стержня,помещенного на выходе аэродинамического канала.В нашем эксперименте сравниваются сплошной спектр, испускаемыйпомещеннымвгорячийпотоквоздушно-углеводородногопламенинакалённым вольфрамовым стержнем (смотри рис.

26), со сплошнымспектромэталоннойвольфрамовой102лампы(смотририс. 27).Вметрологическойлабораториивольфрамоваяленточнаялампабылаоткалибрована на яркостную температуру в зависимости от проходящегочерез лампу электрического тока. Зная ток, протекающий через лампу,можно определить яркостную температуру лампы с использованиемкалибровочной кривой, полученной в метрологической лаборатории. Вчастности на рис. 27 представлен спектр эталонной лампы при яркостнойтемпературе Тя = 2850 К.12000Тя = 2850 КBэ, отн.ед.800040000300400500600700800, нмРис. 27.

Спектры эталонной ленточной вольфрамовой лампы для яркостной температурыТя = 2850 К.Так как вольфрамовый стержень помещается в поток светящегосявоздушно-углеводородного пламени, то наряду со сплошным спектром вдиапазонедлинволн450-800 нмвэкспериментерегистрируетсямолекулярный спектр полос циана в области длин волн 380-430 нм (рис. 26).Это предоставляет возможность провести сравнение температуры пламени,полученную двумя различными методами. Для расчета коэффициентаспектральнойнеобходимочувствительноститакжезнатьспектрографазависимостьAvaSpec-2048-2-DTкоэффициентаизлучательнойспособности вольфрама как реального нечерного тела [146], значениекоторого при Т = 3000 К представлено на рис. 28.1030,460,45(, T=3000K)0,440,430,420,410,400,39300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800, nmРис.

28. Коэффициент излучения или коэффициент «черноты» вольфрама как реальногонечерного тела при истинной температуре вольфрама Т = 3000 К.k()10,10,01350400450500550600650700750800, нмРис. 29. Коэффициент спектральной чувствительности спектрографа AvaSpec-2048-2.Регистрируя спектр испускания вольфрамового стержня, помещенногов горячий сверхзвуковой поток пламени на выходе аэродинамическогоканала,ииспользуякоэффициентспектральнойчувствительностиспектрографа (смотри рис.

29), можно измерить температуру поверхностных104слоев вольфрамового стержня, которая на поздних временах после началагорения отождествлялась с температурой пламени. В качестве примера нарис. 30 представлено сравнение экспериментально измеренной яркостиизлучения вольфрамового стержня (сплошная кривая) с рассчитанной(пунктирные кривые) зависимостью от длины волны при различныхтемпературах.

Все кривые нормированы на единицу при  = 770 нм.Значение температуры приведено около соответствующей кривой.Bbr(,T)/Bbr(=770nm,T)10100-1250024002300220021002000190010-2180017001600150014001300 1200101100 1000-3450500550600650700750800, nmРис. 30. Сравнение экспериментально измеренной (сплошная кривая) с рассчитанной(пунктирные кривые) зависимостью яркости излучения вольфрамового стержня от длиныволны при различных температурах.Для определения в масштабах реального времени температурыпламени использовался метод относительных интенсивностей двух участковсплошного спектра I450 нм/I770 нм в области длин волн 1 = 450 нм и 2 = 770 нм.Для этого использовались приведенные на рис. 30 рассчитанные приразличных температурах зависимости яркости излучения вольфрамовогостержня от длины волны. На рис.

31 приведена калибровочная кривая дляопределения температуры поверхностных слоев вольфрамового стержня, спомощьюкоторойпроводился105экспресс-анализэффективностисверхзвуковогоплазменно-стимулированногогорениявоздушно-углеводородных топлив внутри аэродинамического канала.-110-2I450 нм/I770 нм10-310-410-510100014001800TW , K22002600Рис. 31. Калибровочная кривая для определения температуры поверхностных слоеввольфрамового стержня.Распределение температуры может быть достаточно просто измереноприпомощитермопар, представляющихсоединение (обычноспай)разнородных электропроводящих элементов (как правило, из металлическихпроводников, реже из полупроводников).

Если контакты проводящихэлементов, образующих термопару, находятся при разных температурах, то вее цепи возникает ЭДС, величина которой однозначно определяетсятемпературами горячего и холодного контактов и природой материалов,примененных при изготовлении термопары. Обычно, в зависимости отинтервала температур, используются комбинации различных металлов(например, платина/платина-родий, или вольфрам/вольфрам-молибден).Основным недостатком метода является то, что он измеряеттемпературу контакта металл-металл, которая затем должна быть соотнесенас температурой окружающего газа.

Поэтому измеряемая температура (т.е.температура проводящих элементов) может сильно (на сотни градусов)отличаться от температуры окружающего газа. Баланс энергии будет106включать вклад от каталитической реакции на поверхности термопары,теплопередачу от проводящих элементов к обычно керамической основетермопары, излучение из проводящих элементов, теплопроводность иконвекцию из газовой фазы к проводящим элементам. Тем не менее, методлегко использовать, он недорог и может быть применен для качественныхизмерений [147]. Для качественного измерения в экспериментах температурыгорения термопары устанавливались либо на стенках аэродинамическогоканала, либо в непосредственной близости 2-5 см от пламени, но внегорячего химически-активного потока на выходе канала.

Однако для насособый интерес представляло распределение температуры на разныхучастках внутри самого пламени, поэтому предпочтение отдавалось другимметодам.§ 3.7. Определение концентрации электронов по штарковскомууширению спектральных линий бальмеровской серии водородаКонцентрация электронов в плазме канального электродного разряда ввысокоскоростном потоке пропан-воздушной смеси, а также в плазмеповерхностного СВЧ-разряда в воздухе измерялась спектроскопическимметодом по регистрации штарковского уширения спектральной линии H сдлиной волны  = 656.3 нм и линии H с длиной волны  = 486.1 нм [146].Излучение из канального разряда вблизи кончиков электродов с помощьюлинз и зеркал проецировалось на входную щель спектрального прибора.Концентрация электронов вычислялась по полуширине  линий Н и H сучетом таких уширяющих факторов, как аппаратная функция спектральногоприбора, эффект Доплера, внешний микроволновой эффект Штарка иконечной ширины входной щели спектрального прибора.107В [148] теоретически рассчитаны профили линии водорода дляразличных температур и плотностей электронов, что позволяет надежноизмерять ne по ширине линии Δ , используя соотношениеne  Cne ,Te Δ3/ 2 ,(3.18)где Cne ,Te   штарковская константа, слабо зависящая от ne и Te .1019101810171016101510141013-3ne, смHH1/2, нм-210-101010110Рис.

32. Калибровочные кривые, построенные в двойном логарифмическом масштабе,зависимости концентрации электронов от полуширины спектральных бальмеровскихлиний H и H водорода.Соотношение (3.18) можно представить графически в видеln ne  f ln Δ .Нарис.

Характеристики

Список файлов диссертации