1 前言
温度与燃烧过程热效率的关系,温度与能量转换装置(例如内燃机等)的排放和热负荷的关系已经在许多文献中作过描述[1-6]。燃烧过程的研究包括化学动力学,传热和传质过程以及气体动力学等。在燃烧过程中导致不完全燃烧的机理有各种因素,它们都与燃气的特性紧密相关。随着新技术的发展,对温度测试技术又提出了许多挑战性的要求。
2 接触式光纤温度计[5]
虽然已有许多温度测量技术可用于高温气体测试,例如:非接触式的光学方法、声学方法和激光全息摄影法[1-4]。但由于高额费用和严格的适用条件限制,这些技术很少应用于动力机械中的燃气温度测量。到八十年代以后光纤传感技术的出现和迅速发展代替了现有的技术或扩展了它们的功能。1983年美国的戴尔斯博士首次开发了单晶(α-Al2O3)蓝宝石高温传感器。但是,由于涂覆材料(Ir+Al2O3)热性能不理想,传感器的寿命受到了限制。在我们近期的工作中,一种新的接触式光纤温度计开发出来了。温度敏感元件是一个人造的小黑体腔(探测器),它被镀覆在高温光纤温度计(蓝宝石)的尖端,如图1所示。它镀了一层2μm的非金属薄膜。由于镀膜材料和蓝宝石光纤的高熔点以及它们在高温下稳定的光学性能,不仅在动态响应方面而且在空间分辨能力和测量精度方面,光纤温度计均已明显超过了戴尔斯的传感探头。
图1描述了光纤温度计的测量系统。探头1是直接暴露在环境热辐射中,热辐射从探头通过光纤3传到干涉滤光镜5和光探测器6,一旦相应于一定波长λ或窄波段Δλ的热辐射能量EA(λ,T)被光探测器测量出来,介质温度就可用普朗克公式计算得到。这里要注意的是波长0.7～10μm的红外辐射正是工程中经常遇到的高温范围。因此,这时最佳波长的选择应能提供最高的灵敏度和在温度升高时的良好的低吸收性能。为此,我们选用大约0.8μm中心波长作为测量波长。
3 测量系统的校准
光纤温度计的测温精度主要取决于光路的传输效率和与波长相对应的干涉滤色镜及光学探测器的频谱性能、黑体探头的发射能力。因此,系统发出的能量可表示为
式中A是黑体腔腔口的发射面积;C1,C2是普朗克第一和第二常数;εA(λ,T)是黑体腔的发射率,通常探头可近似为黑体,即εA(λ,T)≈1;η(λ,T)是光路的传输效率,它表明在光信号的传输过程中辐射能量的损失,它包括了光纤的传输衰减、光纤耦合器损失和其它光学元件的损失等,很明显η(λ,T)<1;f(λ)是以λ0为中心、带宽为Δλ的干涉滤色镜的频谱函数;D(λ)是光电探测器的频谱函数;f(λ)和D(λ)可用波谱实验方法来决定。
为了求出传输效率η(λ,T),对探头定标是由公式(1)正确计算V(T)的关键。蓝宝石光纤工作在温度变化的环境中,其传输效率是随着温度而变化的,但它主要取决于蓝宝石光纤随温度变化的传输性能。当在一个狭带宽为Δλ(以波长λ0为中心)的范围内,公式(1)可写为
因为测量系统的输出是由光电探测器转化为电压输出的,所以公式(2)可改写为
式中D(T)是探测器的电压输出;AP是放大电路的增益;Ad是A/D转换器的模数比。
上式中K(λ0,T)定义为系统的装置函数。它表明了探头与黑体之间的辐射能力的差别、辐射信号的传输、数据的采集、放大器和信号处理系统等的损失。
D(T)在理论上可由公式(5)计算出,但因为系统的复杂性和各种因素的影响,是不能预言的,因此整个系统要靠实验定标。经验告诉我们,实验定标方法是非常有效的,所以应该采用高精度的设备来定标。光纤温度计的实验定标如图2所示。测试系统的装置函数实验结果如图3所示。根据D.A.Gryvnak的结论,随着温度的升高,蓝宝石光纤的传输能力逐渐提高,而温度系数却随温度的提高而降低。当温度升高到了1800K时,直至接近蓝宝石的熔点(波长在0.8μm附近),其辐射能力的变化相对稳定。因此装置函数-温度曲线变得平缓,由此可见,D.A.Gryvnak与现在的研究结果是完全一致的。因此在高温领域,该温度测量系统有很好的适应能力。当K(λ0,T)知道后,D(T)可由公式(5)算出。
4 应用实例
运用光纤温度计及其检测系统,测量含95%和100%的酒精的燃烧火焰温度分布,其测量结果分别用图4(a)和(b)表示。图中的R和H分别为灯芯的径向和高度方向坐标。从径向看火焰温度均有两个峰值。对称于灯芯轴,随着火焰平面高度的增加,径向分布的峰与谷的温差逐渐减小,当高度达到一定时,两者温差消失(外焰部分),这个结果与有关文献中的描述是一致的。95%的酒精火焰相对稳定,这是由于95%酒精中所含的水份降低了酒精的扩散速度。
测量装置还经过了专业部门的检测,其测量误差<5%,并且有较高的稳定性和可重复性。
5 结论
理论和实验均证明本文研究的蓝宝石光纤温度计是一种较理想的高温测量工具。可测量900～2000K的高温。光纤温度计具有良好的物理化学特性、抗振和抗腐蚀等特性。在测量动力机械的气体温度时,光纤温度计比其它非接触的辐射法、光学法简单而便宜。除此之外,本文在对探头镀膜材料和结构尺寸的优化以及蓝宝石光纤的温度特性等方面进行了大量的理论和实验研究,并提出了一个最佳方案。因此,光纤温度计可用于多种情况的高温动态测量,它具有广阔的应用前景。
参考文献
1 H.X.Quoe,J.M.Vignon,et.al.,A New Ap-proach of the Two - Color Method for De-terming Local Instaneous Soot Concentrationand Temperature in a D.I.Diesel CombustionChamber. SAE Tran,910736,Vol.100
2 J.C.Livengood,C.F.Taylor,et.al.,Measure-ment of Gas Temperture in an Engine by Veloc-ity of Sound Method.SAE Tran,Vol.66,pp683-699
3 T.M.Dyer,et.al.,New Experimental Techin-ques for In-cylinder Engine Study.SAE Tran,850596,Vol.94,pp190-207
4 J.A.Gatowsk,J.A.Heykwood,et.al.,FlamePhotographs in a Spark-igNItion Engine.Com-bustion Flame.Vol.56,1984,pp71-81
5 R.R.Dils,High - Temperature Optical FiberThermometer.J.Appl Phys. Vol.54,No.23,pp1198-1983
6 Xiaoli Yu, Zhaoda Yan, et. al., The ContactType of Optical Fiber Thermometer.Proceedingof the First Asian-PACific International Sym-posium on Combustion and Energy Utilization,Oct.1993,Beijing China
