Способ определения колебательной температуры молекулярных газов Советский патент 1983 года по МПК G01J5/50 

-I- 0.2

Al-exp(-KL)

7.0

0.8

0.6

фиг.Т

2. Способ по п. 1, отличающийся .тем, что спектральный интервал для проведения измерений выделяют вблизи одного из максимумо-в дублета Бьерума полосы исследуемой моды.

3. способ по п. 1, отличаю ,m и и с я тем, что спектральный интервал для проведения измерений выделяют вблизи каната полосы исследуемой моды. .

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВ, включающий измерение собственi(e/2ll(e) го ного излучения газа в выбранном спектральном интервале и измерение излучения эталонного источника в том ,же интервале, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерений при исследовании неравновесных процессов, выделяют однородную область исследуемого газа, ограниченную неоднородностями РJ 0,01 ата-см Исследуемого газа, где Р - давление, толщина слоя газа, измеряют коэффициент излучения газа в полосе исследуемой колебательной моды, выделяют спектральные интёрва,лы с .коэффициентом излучения газа 0,85-0,98 и по крайней мере в одном из них проводят измерения. (Л с

. Изобретение относится к диагност ке горячих газов.и низкотемпературной плазмы, в которых имеются колебательно-в,озбужденные молекулы ,и может быть использован в пирометри газовых потоков лспектроскопии,, для исследования неравновесных процессо кинетики в газовой фазе. Известен способ определения температуры газов. По этому способу возбуждают -флюоресценцию газа посторонним источником, регистрируют спектр, собственного излучения . газа измеряют распределение интенсивност излучения во вращательной структуре молекулярной полосы 1 . Недостатками спо.соба являются- не обходимость использования для возбу дения излучения постороннего источника, например высоковольтного или тлеющего рязряда в газе; электрический, разряд в газе оказывает сущест венное влияние, на его состояние и может вносить .значительные возмущения в исследуемую среду; необходимость дополнительного .предположения о равновесии между вращательными. и поступательными степенями свободы Для диагностики колебательно-неравновесных сред этот способ вообще не пригоден} способ может применяться лишь при низких давлениях . торр при которых разрешена вращательная структура молекулярных полос. При умеренных и больших давлениях ( Р 0,1 ата), особенно в присутствии , электрического разряда, вызывающего большую концентрацию электронов, ли нии настолько уширены, ч.то вращател ная структура не разрешается. В способе для измерения ра спределения интенсивности отдельных спектральных линий необходимо использовать спект ральный прибор с соответствующим .высоким разрешением по спектру. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, включающий измерение собственного излучения газа в выбранном спектральном интервале и измерение излучения эталонного источника в том же интервале. По этому способу в исследуемый газ (пламя ) вводят щелочной или щелочноземельный металл выделяют среднюю часть резонансной спектральной линии этого металла (с шириной спектрального интер.вала л10,2А), измеряют абсолютную интенсивность излучения в выделенном спектральном интервале 2J. Недостатками способа являю/гея . возможное-самообращёние наблюдаемой резонансной- спектральной линии и необходимость проведения допол:нйтельнух--действий для устранения; влиг яния этого явления на измерения, необходимость и.qпoльзoвaния аппаратуры, с высокой ра.з решающей способностью и, cooTBeTqTBeHHo, большими габаритами:, весом и стоимостью влияние введенных в газ добавок с низким потенциалом ионизации на его характеристики , например на электропроводность , необходимость обеспечения равномерного распределения в пламени (газе } введенного металла и контроля равномерности распределенияj несовпадение температуры атомов металлаприсадки с поступательной, вращательной или колебательной температурами при исследовании термодинамическинеравновесных сред и, как следствие, большая погрешность при исследовании неравновесных процессов,.в частности, кинетики в газовой фазе. Целью изобретения является повышение точности измерений при исследовании неравновесных процессов. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения колебательной т,емпературы молекулярных газов, включающему измерение собственного излучения газа в. выбранном спектральном интервале и измерение излучения эталонного .источника в том же интервале, выделяют однородную область исследуемого газа ограниченную неоднрродностями РсГ.0,01 ата-см исследуемого газа, где Р - давление; толщина слоя газа, измеряют коэффициент излучения газа в полосе исследуемой колебательной моды, выделяют спектральные интервалы с коэффициентом .излучени-я газа 0,85-0,98 и по крайней мере в одном из них проводят измерения. В некоторых случаях, когда спектр полосы исследуемой моды известен заранее, спектральный интервал для

проведения измерений выделяют вблизи максимумов излучения Р или R -ветвей (дублет Бьерума ).

Если полоса имеет кант, то вблизи него может находиться локальный максимум излучения и поэтому спект- 5 ральный интервал для проведения измерений выделяют вблизи канта.

Кроме того, для упрощения экспериментального оборудования спектральный интервал выделяют комбинированнымю интерференционно-дисперсионным фильтром и, наконец, в случае, когда коэффицие«т излучения объема газа мал, для его- увеличения исследуемый газ помещают в пространство между зер- .с калами. . .

На фиг. 1 представлена зависимость излучения газового слоя половинной толщины от коэффициента излучения всего СЛОЯ} на фиг. 2 - зависимость коэффициента излучения слоя газа 20 20 см, помещенного между зеркалами, от коэффициента поглощенияJ на фиг. 3 - то же, для различного числа проходов излучения между зеркалами с коэффициентом, отражения R 0,95. 25

Способ основан на непосредственном измерении интенсивности собственно- го излучения газа, сопоставдении, этого излучения с излучением черного тела и определении такой температуры ЗО черного тела, при которой его излучение в данном спектральном интервале совпадает с измеренным излучением газа. При достаточной величине среднего по интервалу коэффициента « излучения газа определенная таким образом температура будет совпадать с температурой излучающей моды. Для достоверного отнесения определенной таким образом температуры к некоторому состоянию газа необходимо выде- 4 ление его объема с постоянной температурой. Следует отметить, что постоянной -по исследуемому объему должна быть лишь измеряемая температура, другие параметры газа (плот- 45 ность, поступательная температура и . т.п. ) могут иметь произвольное распределение и изменяться в широких пределах. Однородный объем создают известными способами, например, раз- JQ гоном газа в,профилированном сопле, перемешиванием газа в замкнутом объеме или отсасыванием возмущенных областей из исследуемого объема.

При наличии в газе неоднородное- е .тей в неоднородную часть до границы с однородной областью вдвигают окно для вывода излучения. Любая неоднородность на границе исследуемдго объема искажает измеряемую температуру, так как в ней происходит по- 60 глощение излучения из исследуемого объема, и одновременно сам неоднородный слой вносит вклад в излучение. По оценкам, в худшем случае, наибольших коэффициентов поглощения 5

и допустимой погрешности по измеряемой интенсивности излучения в 20% в диапазоне встречающихся температур параметр Р(Г, где Р - давление, cfтолщина слоя газа, должен быть не больше 0,01 ата-см исследуемого газа, что соответствует коэффициенту излучения газа не более 0,98.В случае меньших коэффициентов поглощения параметр Р (Г может быть больше или при сохранении Р еГ i ;fO,01 ата. см будет большей точность измерения.

Для исследования неравновесных процессов, в которых колебательная температура отличается от температуры электронногб возбуждения, вращательной и поступательной температур, а, в свою очередь, колебательные температуры отдельных мод могут отличаться одна от другой, необходимо измерять колебательную температуру исследуемой моды по изЛУЧЙ1ИЮ в соответствующейей колебательно-вращательной полосе (КВП}. Форма КВП, в том числе положение масимумов и интенсивность излучения в отдельных спектральных интервалах, зависит от многих параметров: температур, концентрации излучакядего газа, давления и т.д. Каждый из этих параметров может быть заранее неизвестен или вообще не определяться в данных экспериментах. Поэтому положение максимумов излучения и распределение интенсивности излучения в спектре полосы, выбранной для опрделения колебательной температуры, заранее неизвестно и. требует специального определения. Кроме того, КВП различных молекул или Отдельных мод могут перекрываться, поэтому для обеспечения заданной точности для измерения необходимо выбирать участки спектра, вклад в излучение в которых посторонних молекул или полос пренебрежимо мал. Такие участки необязательно совпадают с максимумами излучения, но, как правило, находятся вблизи их., Также для обеспечения точности измерений не менее 10% в худ1аем случае (при высоки температурах К ) коэффициент излучения газа в выбранном спектральном интервале должен превышать 0,85

Необходимый спектральный интервал находят путем регистрации отностельной интенсивности собственного излучения газа в полосе исследуемой моды и близлежащих участках спектра вычленяют участки спектра с заметным вкладом других молекул или мод исследуемой молекулы, определяют положение максимумов излучения. в КВП исследуемой моды, проверяют величину коэффициента излучения в участках спектра вблизи максимумов излучения, по совокупности требований определяют положение участка

спектра для определения колебательной температуры.

Выделение требуемого участка спектра производят при тех же ус-. ловиях, при которых будет.определяться колебательная температура. Как показывают оценки, для данной операции вполне достаточно спектральное разрешение-порядка 1/10 ширины КВП исследуемой моды. Для нахождения максимума излучения нет необходимости использовать заранее определенные или известные значения коэффициентов поглощения газа.

Ширина спектрального интервала выбирается из соображений удобства . и имеющейся аппаратуры. С увеличением ширины интервала увеличивается отношение сигнал-шум регистрирующей аппаратуры, однако в интервалах, ширина которых соизверима с шириной всей полосы исследуемой моды, коэффициент излучения газа может быть недостаточно высоким. В интервалах малой ширины легче обеспечить необходимое значение коэффициента излучения, однако величина сигнала, регистрируемого аппаратурой, снижается. В качестве приемлемого можно рекомендовать интервал, включающий, по крайней мере, две вращательные линии основного перехода,. .

Выделение интервала можно производить инфракрасными спектрометрами, либо узкополосными фильтрами.

В максимумах Р и R -ветвей (дублет Бьерума ) колебательно-вращательные полосы имеют, как правило, наибольише значения средних козффициентов поглощения, а значит, и-максимум коэффициента излучения. Поэтому возможно и целесообразно выделение спектрального интервала вблизи максимумов дублета Бьерума без предварительного нахождения максимума излучения полосы.

, Точность измерения предлагаемым; способом- сильно зависит от коэффициента излучения газа, который, в свою очередь, определяется оптической плотностью газа в выбранном спектральном интервале. Наиболее прямой способ -определейия оптической плотности - измерение поглощения падающего излучения слоем исследуемого газа,- что, однако, не всегда возможно на реальных устройствах. Для проверки достаточности коэффициента излучения для проведения измерений можно сравнить излучение всего исследуемого слоя и. некоторой его части. На фиг. 1 приведена зависимость излучения газового слоя половинной толщины от коэффициента излучения всего слоя. Видно, что, если коэффициент излучения исследуемого слоя превышает 0,85, интенсивность излучения слоя

половинной толщины составляет не менее 0,6излучения всего слоя.

Таким образом, если исследуемый слой разделить непрозрачной для регистрируемого излучения перёгород5 кой и сравнить интенсивность излучения всего слоя и его части, можно определить,, достаточна или нет оптическая плотность всего -слоя для проведения измерений. Таким образом,

JQ для проверки достаточности для измерений коэффициента излучения газа в исследуемый объем вдвигают непрозрачную стенку, которая уменьшает длину оптического пути в 1,5Зраза, аппаратурой и в условиях эксперимента измеряют интенсивность излучения в выбранном спектральном интервале и сравнивают с интенсивностью излучения всего слоя.

Однако описанный способ неприго20 ден для проверки участков спектра, где коэффициент поглощения изменяется скачком, например в окрестности канта полосы. Для того, чтобы убедиться, что в выбранном интерва25 ле оптическая плотность газа изменяется достат.очно плавно, сравнивают излучение газа во всем выбранном интервале ив некоторой его части, например в половине. Если ин3Q тенсивность излучения газа пропорциональна ширине интервала, значит в выбранном интервале нет спектральных .областей , где коэффициент поглощения значительно ниже среднего.

,. Если пропорциональность не Иаблюдается, следует определить область -. с низким коэффициентом поглощения и, соответственно, изменить интервал, в котором будут проводиться измерения.

0 Если оптическая плотность исследуемого объема газа недостаточна для проведения измерений, ее можно увеличить помещением газа з прост.ранство между параллельными зерка5 лами. Плоский слой газа толщиной Р . имеющий температуру Т и средний по спектральному интервалу 4 Л коэффициент поглощения К, излучает по нормали к поверхности 0 а(ЛЛ) ОрСлЛ )(-kE) , (1)

где 30( jiJ/) плотность излучения

черного тела.

Пусть Излучающий слой помещен в пространство между двумя зеркалами 5 ,с коэффициентами отражения RJ, и R 2 причем зеркало Ку является выходным, т.е. часть излучения- может проходить через него, например, в отверстие. В пренебрежении потерями внутри системы после каждой пары.проходов между зеркалами плотность излучения увеличивается на

Д3(2п) Л(2п-2)К. R2exp(-k2), (2)

5 где п - число пар проходов. Первым членом такой последовател ности для излучения, распространяющ гося в сторону выходного зеркала, является величина Э, а для идущего в противоположном направлении 3 R-,exp(-kE). Тогда суммарйая плотность излучения после бесконечного числа проходов составит: . , ,exp(-Kej «N-R R2exp(-21cej l-exp())(-icej| о 1-R R2exp(-2lce; - Т.е. резонатор с бесконечным число проходов увеличивает излучение слоя в . 1 + R-,exp(-kF) Т - R R expl-akE) При R R2 R формула (3) принимает вид:. 1 - 3 1 - exp(-kg) ... °о 1 - Rexp(-k2) Для примера на фиг. 2 показана зави симость коэффициента излучения плос кого слоя газа толщиной 20 см, поме щенного в пространство между зеркалами с бесконечным числом проходов, от коэффициента поглощения для нескольких значений коэффициентов отражения зеркал,, а на фиг. 3 та же зависимость для различного числа про ходов при коэффициенте отражения зерк R 0,95. Из фиг. 3, в частности, видно, что при К 0,02 из луче ние после 10 проходов достигает 90% от излучения после бесконечного чис ла проходов, что позволяет (для тол щины в 20 см )считать указанную величину К наименьшей допустимой. Таким образом, при использовании зеркал допустимым является произведение i(2 0,4, а без зеркал 2,3 и выигрыш в габаритах составляет раз. оценок удобно иметь общее выражение-коэффициента излучени А слоя газа, помещенного между зеркалами, от числа проходов: A i-expKej i+R2exp(--ke)(2) где п 2т + 2 - число проходов; m 7/ 0. Пример. Проверка работоспособности способа была проведена на установке для исследования колебательно-неравновесных потоков на основе смесей N2 и СО со вдувом СО2. Установка состоит из камеры нагрева и соплового блока, разделенных диафрагмой. После сжигания порции топ лива в камере образовывалась смесь газов, состоящая из N2 и СО с приблизительно равным их содержанием с параметрами PQ - 20-40 атм, Тд 2500-ЗОООК. При давлении, близком к максимальному, диафрагма разрушалась и смесь истекала через плоское профилированное сопло с угловой точкой шириной 200 мм в вакуумную емкость. В сверхзвуковой части сопла, в сечении, где число Маха потока М 2,5, через отверстия диаметром 1 мм осуществлялся вдув холодного СО2 Отверстия были просверлены по нормали к образующей сопла и расположены в ряд с шагом 10 мм, причем ряды на противоположных стенках были сдвинуты друг относительно друга на 5 мм. В экспериментах измерялась температура Vj - моды СО2 Измеряли собственное излучение моды Vj С02 в сечении сопла, отстоящем на 10 мм вниз по потоку от места вдува. Однородный объем исследуемой газовой смеси создавался при расширении газа в сопле. Проведенные эксперименты показали, что при вдуве через отверстия существенных неоднородностей в газовом потоке в сечении измерения нет за исключением пограничных слоев на стенках сопла. Для вывода излучения использовались сапфировые окна, устанавливаемые заподлицо с внутренней поверхностью боковых стенок сопла и, таким образом, не вносящие дополнительных возмущений в исследуемый поток. Статическое давление потока в месте измерения составляло атм, концентрация вдуваемого COj расчитанная по его расходу, изменялась в пределах 0,1-0,25. Толщина погранслоя на окнах по оценкам не превышала 1 мм. Таким образом, PCO погранслоя составляло величину (1-2,5)10 atMCM. Измерения проводились в участке полосы Л 4,3 мкм в интервале, вьоделяемом узкополосным комбинированным интерференционнодисперсионным фильтром с полосой пропускания Л 4,,1 мкм, т.е. в интервале от максимума Р-ветви до х канта полосы. Даже в максимумах поглощения Р и R -ветвей при комнатной температуре оптическая плотность погранслоя на окне не превышала 0,15, а осреднения по спектральному интервалу составляла 0,08-0,1, т.е. коэффициент излучения в проведенных экспериментах был не более 0,98. В указанном выи1е спектральном интервале определяли коэффициент излучения газа. Для этого в противоположной боковой стенке сопла устанавливалось второе окно, через которое в поток .направляли излучение гл бара. В зависимости от расхода вдуваемого .углекислого газа, коэффициент излучения газа изменялся в пределах /v/0,7-0,88. На окно, через которое выходило регистрируемое излучение, устанавливаласЬ круглая .диафрагма с отверстием диаметров 2,5 мм. Измерялось собственное излучение газа, сигнал

регистрировался Ge-As фотоприемником и.-записывался запоминающим осциллографом С8-11, При расходах вдуваемото углекислого газа, обеспечивающих коэффициент излучения газа более 0,85, погрешность измерения . колебательной температуры рассматриваемой моды составляла 2,5-7%. При уменьшении расхода углекислого газ.а, сопровождающегося уменьшением коэффициента излучения (ig-.)Vi погрешность, измерения СО резко увеличивалась и при / 0,7 превышала 15%.

Затем измеряли интенсивность излчения эталонного источника, в качестве которого использовали тот же глобар.,

Геометрия оптической системы при измерении излучения газового потока и глобара сохранялась одинаковой . Температура глобара по . паспорту Т рд 140ОК. Измерение интенсивности излучения глобара позволило установить соответствие между сигналом измерительной системы и температурой черного тела при Т Т 1400К. После этого по известной зависимости интенсивности излучения черного тела от температуры (формула Планка ) была построена тарировочная кривая зависимости сигнала измерительной системы от температуры в диапазоне 500-4000К. По этой кривой и интенсивности излучения исследуемого потока былаопределена температура моды ilf СО. В зависимости от расхода вдуваемого СОд она изменялась в пределах 1050-1300+70К.

Таким образом, способ определения колебательной температуры мо- лекулярных газов позволяет измерять температуру отдельной колебательной моды газов, Активных в инфракрасной области спе-ктра, с погрешностью/ч10%. Метод прост и доступен в применении и не требует для реализации специальной: аппаратуры.