原子發(fā)射雙譜線(xiàn)測(cè)溫常數(shù)靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)研究

郝曉劍，郭玉楠，楊彥偉

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.呂梁學(xué)院 物理系， 離石 033000)

引 言

溫度是一個(gè)重要的物理量,是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和航空、航天、核爆、化爆試驗(yàn)中測(cè)量的重要參量。因此，對(duì)于瞬態(tài)高溫溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)工農(nóng)業(yè)以及國(guó)防軍事的發(fā)展具有重要的意義，目前溫度的測(cè)量方法主要分為接觸式測(cè)溫法和非接觸式測(cè)溫法[1]。在接觸式測(cè)溫中主要使用傳感器與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，進(jìn)行熱交換來(lái)獲取溫度，比較有代表性的是基于熱電偶的高溫測(cè)量技術(shù)[2-3]，但熱電偶會(huì)對(duì)溫度場(chǎng)造成干擾,高溫環(huán)境也會(huì)縮短熱電偶的使用壽命。為了彌補(bǔ)接觸式測(cè)溫方法的不足，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了多種非接觸測(cè)溫技術(shù)如比色測(cè)溫法[4-5]、光譜測(cè)溫法來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)高溫的測(cè)試，原子發(fā)射光譜雙譜線(xiàn)測(cè)溫法采用了兩條間隔比較小的光譜線(xiàn)[6-8]，避免了比色測(cè)溫法中忽略光譜發(fā)射率和透射率帶來(lái)的誤差[9]。更能適用于高溫、高壓等惡劣環(huán)境的溫度測(cè)量。

在原子發(fā)射光譜雙譜線(xiàn)測(cè)溫公式中,存在兩個(gè)未知特定常數(shù)A,B，它們和測(cè)溫系統(tǒng)的光學(xué)傳遞系數(shù)、所選原子的特性及譜線(xiàn)波長(zhǎng)等因素有關(guān)。因此確定測(cè)溫特定常數(shù)A,B的值，可以提高測(cè)溫的精度，對(duì)原子發(fā)射雙譜線(xiàn)測(cè)溫法的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

1 原 理

根據(jù)原子發(fā)射光譜相關(guān)理論，在熱力學(xué)平衡或局部熱力學(xué)平衡條件下[10-11]，由玻爾茲曼分布及愛(ài)因斯坦輻射理論[12]，可得同一種元素兩條原子譜線(xiàn)的強(qiáng)度之比為：

(1)

式中，Iλ1和Iλ2為所選波長(zhǎng)λ1和λ2光信號(hào)的譜線(xiàn)強(qiáng)度；A1和A2為原子譜線(xiàn)的躍遷幾率；g1和g2分別為譜線(xiàn)激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；E1和E2為原子發(fā)射譜線(xiàn)的激發(fā)電位；K為玻爾茲曼常數(shù)[13]；T為激發(fā)溫度?？紤]到測(cè)溫系統(tǒng)的光學(xué)傳遞系數(shù)，將(Iλ1/Iλ2)乘上一個(gè)系數(shù)加以校正并對(duì)公式兩邊求對(duì)數(shù)得到：

(2)

式中，A1,A2,g1,g2,E1,E2均為與受激發(fā)原子及譜線(xiàn)波長(zhǎng)λ有關(guān)的常數(shù)。故令：

(3)

從(3)式可以得到原子發(fā)射雙譜線(xiàn)測(cè)溫的基本公式為：

T=B/[ln(Iλ1/Iλ2)-A]

(4)

式中,A和B的值跟原子的特性、波長(zhǎng)以及測(cè)溫系統(tǒng)的光學(xué)傳遞系數(shù)有關(guān),可以利用標(biāo)準(zhǔn)溫度對(duì)測(cè)溫特定常數(shù)值進(jìn)行確定。

2 測(cè)溫特定常數(shù)A、B靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

光電測(cè)溫器特定常數(shù)靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。本次實(shí)驗(yàn)中選用形狀規(guī)則的紫銅片作為光譜激發(fā)樣品。采用LS-3000高溫黑體爐作為激發(fā)光譜的熱源，該黑體爐最大可調(diào)節(jié)溫度為3000℃。光電測(cè)溫器由光學(xué)模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。

Fig.1 Schematic diagram of static calibration experiment of photoelectric temperature measurement system

光學(xué)模塊由藍(lán)寶石探頭[14]、Y型光纖以及濾光片組成。藍(lán)寶石探頭是用來(lái)對(duì)光纖的端面進(jìn)行保護(hù)，減少光污染，提高了光纖的傳光效率，Y型光纖將藍(lán)寶石探頭采集的光譜信號(hào)均分兩路，濾光片過(guò)濾得到所選特定波長(zhǎng)的溫標(biāo)譜線(xiàn)。

光電轉(zhuǎn)換模塊使用愛(ài)爾蘭Sensel公司的10035-X08型硅光電倍增管(silicon photomultiplier，SiPM)。該光電倍增管是具有單光子創(chuàng)新型固態(tài)硅探測(cè)器，具有高增益、響應(yīng)速度快、工作電壓低和集成度高等特點(diǎn)。具體參量如表1所示。

Table 1 10035-X08 silicon photomultiplier tube parameters

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊采用ADI公司生產(chǎn)的AD9226高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可采集雙路電壓信號(hào)，最高采樣頻率達(dá)65MHz。采集的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA EP4CE6F17C8(256M DDR2-DRAM)芯片進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.2 測(cè)溫原子譜線(xiàn)選擇

在利用原子發(fā)射光譜雙譜線(xiàn)原理測(cè)溫時(shí)所選的光譜線(xiàn)要清晰、強(qiáng)度適宜、無(wú)自吸現(xiàn)象[15-16],譜線(xiàn)之間的激發(fā)能要特別大，而且兩條譜線(xiàn)波長(zhǎng)要接近，這樣可以減小光譜輻射率和光譜透射率等對(duì)光譜測(cè)量的影響。

利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對(duì)紫銅片進(jìn)行光譜激發(fā)實(shí)驗(yàn)[17]。在300nm～800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)Cu原子譜線(xiàn)分布圖如圖2所示。本次實(shí)驗(yàn)中選用Cu Ⅰ 510.5nm和Cu Ⅰ 521.8nm作為測(cè)溫時(shí)的溫標(biāo)譜線(xiàn)，在30mJ激光能量條件下，電子溫度Te=0.5eV,電子密度Ne=

Fig.2 Atomic spectral distribution of Cu atoms at 300nm～800nm and CuⅠ 510.5nm and CuⅠ 521.8nm spectra

1×1010cm-3[18-19]。溫標(biāo)譜線(xiàn)光譜圖如圖2標(biāo)記放大部分所示。光譜線(xiàn)參量如表2所示。

Table 2 CuⅠ 510.5nm and CuⅠ 521.8nm parameter values

2.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

高溫黑體爐利用高溫黑體輻射使Cu樣品熱激發(fā)產(chǎn)生光譜[20],光譜經(jīng)Y型光纖輸出后經(jīng)濾光片進(jìn)入硅光電倍增管轉(zhuǎn)換為雙通道電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊完成處理，最后在PC機(jī)上讀出電壓值。由硅光電倍增管轉(zhuǎn)換得到的電壓的比值為Cu Ⅰ 510.5nm和Cu Ⅰ 521.8nm的光譜強(qiáng)度的比值，因此有：

U1/U2=Iλ1/Iλ2

(5)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中高溫黑體爐顯示爐內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)溫度，在700℃～2500℃溫度范圍內(nèi),選取多個(gè)溫度并進(jìn)行多次測(cè)量所測(cè)得的雙通道最大電壓之比如圖3所示。

Fig.3 Results of the ratio of the maximum voltage of the two channels in the range of 700℃～2500℃

選擇黑體爐爐內(nèi)兩個(gè)溫度值分別為T(mén)l,Tl′，并記錄此時(shí)雙通道數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊最大電壓之比分別為I1,2,I1,2′。由(4)式、(5)式可得A,B的計(jì)算公式:

3 紫銅薄片燃燒溫度場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 Cu高溫燃燒溫度場(chǎng)構(gòu)建

銅燃燒溫度場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖4所示。利用氫氧焰機(jī)可控雙管路噴射火焰作為熱源。以美國(guó)IRCON公司的Modline5型智能一體化紅外紅外測(cè)溫儀(簡(jiǎn)稱(chēng)M5)作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀器，其測(cè)溫范圍為600℃～1400℃。光電測(cè)溫器采用特定常數(shù)標(biāo)定后的原子發(fā)射雙譜線(xiàn)測(cè)溫器。銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性，因此實(shí)驗(yàn)中采用紫銅片作為被加熱對(duì)象，將紫銅片加工成30mm×30mm×1mm的薄片，可以保證紫銅片受熱均勻。

Fig.4 Cu combustion temperature field test experiment

實(shí)驗(yàn)中利用雙管路氫氧焰噴射技術(shù)構(gòu)建了溫度范圍、流體屬性相對(duì)穩(wěn)定的Cu燃燒溫度場(chǎng)，通過(guò)噴射高溫火焰對(duì)紫銅片進(jìn)行燒灼，形成一個(gè)滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求尺寸的高溫區(qū)域，通過(guò)在噴出的燃?xì)庵袛v雜一定的元素與物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際燃燒場(chǎng)多物理特性的模擬。結(jié)合多物理場(chǎng)控制原理引入反饋，實(shí)現(xiàn)根據(jù)人工設(shè)定的多物理場(chǎng)參量對(duì)2組噴嘴狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)Cu高溫燃燒場(chǎng)環(huán)境的自動(dòng)調(diào)控。

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

首先將紫銅片固定于特定的位置，放置于氫氧焰機(jī)雙管路噴射火焰處行加熱，然后利用光電測(cè)溫器測(cè)量被加熱銅片的溫度，測(cè)溫過(guò)程中待光電測(cè)溫器溫度顯示在接近600℃的同時(shí)，M5紅外測(cè)溫儀對(duì)準(zhǔn)銅片進(jìn)行溫度的測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，銅片被氫氧焰加熱而升溫，并逐漸呈現(xiàn)亮紅色，繼續(xù)加熱銅片燃燒并發(fā)出淺綠色火焰，最后生成黑色粉末狀固體。光電測(cè)溫器測(cè)得最高溫度為1297℃，M5紅外測(cè)溫儀測(cè)得的最高溫度為1315℃。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

Fig.5 Temperature measurement results of photoelectric temperature measurement system and M5 infrared camera

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)M5紅外測(cè)溫儀測(cè)得的溫度為標(biāo)準(zhǔn)溫度Tb,設(shè)光電測(cè)溫器測(cè)得的溫度為測(cè)量溫度Tc。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

Table 4 Temperatures measured by photoelectric thermometers and M-type infrared thermometers and their relative errors

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,光電測(cè)溫器測(cè)得的溫度與M5型紅外測(cè)溫儀測(cè)得的溫度平均相對(duì)誤差為1.3%。

4 結(jié) 論

針對(duì)原子發(fā)射雙譜線(xiàn)瞬態(tài)高溫測(cè)溫的問(wèn)題。對(duì)原子發(fā)射雙譜線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。得出特定常數(shù)A,B的值，并對(duì)標(biāo)定后的測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行銅燃燒溫度場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)溫特定常數(shù)A,B靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)對(duì)于原子發(fā)射雙譜線(xiàn)測(cè)溫法準(zhǔn)確測(cè)量瞬態(tài)高溫具有重要的意義。