Способ определения колебательной температуры молекулярных газов

 

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

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(51) C 01 J 5/50

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

0.4 О. фиг.1

0.2

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К ABTOPCHOIVlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21)3366778/18-25 (22) 05.12.81 (46) 23.11.83. Бюл. Р 43 (72) Н.Н. Остроухов, Б.К.Ткаченко и A.Ñ.Äàíèëîâ (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени физико-технический институт (53) 535.231.4(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 387230; G K 13/02, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

9 99904, кл.. G 01 J 5/50, 1955 (прототип) (54)(57) 1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЕBATEJlbHOA ТЕМПЕРАТУРЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ

ГАЗОВ, включающий измерение собственного излучения газа в выбранном спектральном интервале и измерение излучения эталонного источника в том ,же интервале, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений при исследовании неравновесных процессов, выделяют однородную область исследуемого газа, ограниченную неоднородностями Pd" <

СО 01 ата ° см исследуемого газа, где

Р— давление, d - -толщина слоя газа, измеряют коэффициент излучения газа в полосе исследуемой колебательной моды, выделяют спектральные интервалы с .коэффициентом излучения газа 0,85-0,98 и по крайней мере в одном из них проводят измерения. PQ

1055726

2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю шийся .тем, что спектральный интервал для проведения измерений выделяют вблизи одного из максимумов дублета Бьерума полосы исследуемой моды.

Изобретение относится к диагностике горячих газов и низкотемпературной плазмы, в которых имеются колебательно-возбужденные молекулы и

I может быть использован в пирометрии газовых потоков„ спектроскопии, для

5 исследования неравновесных процессов, кинетики в газовой фазе.

Известен способ определения температуры газов. По этому способу возбуждают флюорвсценцию газа по" сторонним источником, регистрируют спектр собственного излучения газа, измеряют распределение интенсивности излучения во вращательной структу-ре молекулярной полосы 1 ). 15

Недостатками способа являются необходимость использования для возбуж-. дения излучения постороннего источника, например высоковольтного или тлеющего рязряда в газе; электрический разряд в газе оказМвает существенное 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 непригоден; способ может применяться лишь при низких давлениях (10 торр ), при которых разрешена вращательная структура молекулярных полос. При умеренных и больших давлениях (P ) i0,1 ата ), особенно в присутствии электричеокого разряда, вызывающего большую концентрацию электронов, линии настолько уширены, что вращательная структура не разрешаЕтся. В способе для измерения распределения интенсивности отдельных спектральных 4О линий необходимо использовать спектральный 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

3. Способ по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что спектральный интервал для проведения измерений выделяют вблизи каната полосы исследуемой моды.

2 спектральной линии этого металла (c шириной спектрального интервала 0, 2А), измеряют абсолютную интенсивностb излучения в выделенном спектральном интервале E2 j.

Недостатками способа являются .. возможное самообращение наблюдаемой резонансной. спектральной линии и необходимость проведения дополни.тельных" действий для устранения вли-, яния этого явления на измерения,. необходимость использования аппаратуры.с высокой разрешающей способностью и, .соответственно, 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 равномерцости распределения; несовпадение температуры атомов металлаприсадки с поступательной, вращатель- ной или колебательной температурами при исследовании термодинамическинеравновесных сред и, как следствие, большая погрешность при исследовании неравновесных процеесов, 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 температуры 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 неоднородностями

P d 0,01 ата см исследуемого газа, где Р— давление; d"- толщина слоя газа, измеряют коэффициент излучения газа в полосе исследуемой колебательной моды, выделяют спектральные интервалы с коэффициентом,излучения 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

1055726 проведения измерений выделяют вблизи максимумов излучения P или R -ветвей (дублет Бьерума 2.

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

Кроме того, для упрощения экспериментального оборудования спектральный интервал выделяют комбинированным10 интерференционно-дисперсионным фильт-, ром и, наконец, в случае, когда коэффициент излучения объема газа мал, для его увеличения исследуемый газ помещают в пространство между зеркалами.

На фиг. 1 представлена зависимость излучения газового слоя половинной

I толщины от коэффициента излучения всего слоя; на фиг. 2 — зависимость коэффициента излучения слоя газа

20 см, помещенного между зеркалами, от коэффициента поглощения; на фиг. 3 — то же, для различного числа проходов излучения между зеркалами с коэффициентом. отражения = 0,95.

Способ основан на непосредственном

25 измерении интенсивности собственного излучения газа, сопоставлении. этого излучения с излучением черного тела и определении такой температуры

30 с однородной областью вдвигают окно для вывода излучения. Любая неоднородность на границе исследуемого объема искажает измеряемую температуру, так как в ней происходит поглощение излучения из исследуемого объема, и одновременно сам неоднородный слой вносит вклад в излучение. По оценкам, в худшем случае, 60 наибольших коэффициентов поглощения черного тела, при которой его излу чение в данном спектральном интер вале 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- 40 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, разгоном газа в,профилированном сопле, перемешиванием газа в замкнутом объеме или отсасыванием возмущенных областей из исследуемого объема.

При наличии в газе неоднороднос-— тей в неоднородную часть до границы и допустимой погрешности по измеряемой интенсивности излучения в 20Ъ в диапазоне встречающихся температур„ параметр Р0, где P — давление, d"толщина 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 д может быть больше или при сохранении P д <

«<0,01 ата. см будет большей точность измерения.

Для исследования неравновесных процессов, в которых колебательная температура отличается от температуры электронного 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 излучению в соответствующей ей колебательно-вращательной полосе (КВП).

Форма КВП, в том числе положение максимумов и интенсивность излучения в отдельных спектральных интервалах, зависит от многих параметров: температур, концентрации излучающего 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 определения 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 худшем случае (при высоких температурах 400 К ) коэффициент излучения газа в выбранном спектраль" ном интервале должен превышать 0,85.

Необходимый спектральный интервал находят путем регистрации относительной интенсивности собственного. излучения газа в полосе исследуемой моды и близлежащих участках спектра, вычленяют участки спектра с замет- . ным 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

1055726 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, наибольшие значения средних коэффициентов 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 0,6 излучения всего слоя.

Таким образом, если исследуемый слой разделить непрозрачной для регистрируемого излучения перегорад5 кой и сравнить интенсивность излучения всего слоя и его части, можно определить,. достаточна или нет оптическая плотность всего .слоя для проведения измерений. Таким образом, для проверки достаточности для измерений коэффициента излучения га-, за в исследуемый объем вдвигают непрозрачную стенку, которая уменьшает длину оптического пути в 1,53 раза, 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 достаточно плавно, сравнивают излучение газа во всем выбран— ном интервале и в некоторой его части, например в половине. Если интенсивность излучения газа пропорциональна ширине интервала, значит в выбранном интервале нет спектральных .областей, где коэффициент поглощения значительно ниже среднего.

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

Если оптическая плотность исследуемого обьема газа недостаточна для проведения измерений, ее можно увеличить помещением газа В пространство мехсцу параллельными зеркалами. Плоский слой газа толщиной Р, имеющий температуру Т и средний по спектральному интервалу.>1>1 коэффициент поглощения К, излучает по нормали к поверхности .Я) 3 (1 ) = 3o(d> ) 5P-ехр(-kE) (1) где Зо(ЗЪ) - плотность излучения черного тела.

Пусть излучающий слой помещен в пространство между двумя зеркалами

55 с коэффициентами отражения К.1 и К причем зеркало Д 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

53 (2n) = 3 (2n-2) R„R2exp(-kg) (2)

:где и - число пар проходов.

1055726

3 t«а„ехР(-МЕ))

R„R,exp(-ÿÈ)

» ({-ехр(-ИЯ {+ й„ехр(-{с РЦ о (R

10 раз.

Первым членом такой последовательности для излучения, распространяющегося в сторону выходного зеркала, является величина .3, а для идущего в противоположном направлении—

3 R åõð.(-k E) . Тогда суммарйая плот- 5 ность излучения после бесконечного числа проходов составит: т. е. резонатор с бесконечным числом 15 проходов увеличивает излучение слоя в (2

При R < = R 2 = R формула (3) принимает вид: ех (-k ) () о 1 - Rexp -kQ

Для примера на фиг. 2 показана зависимость коэффициента излучения плос- 25 кого слоя газа толщиной 20 см, помещенного в пространство между зеркалами с бесконечным числом проходов, от коэффициента поглощения для нескольких значений коэффициентов от- 3{} ражения зеркал, а на фиг. 3 та же зависимость для различного числа проходов при коэффициенте отражения зеркал .Я,= 0,95. Из фиг. 3, в частности, видно. что при К = 0,02 см-" излуче- 35 ние после 10 проходов достигает 90Ъ от излучения после бесконечного числа проходов, что позволяет (для толщины в 20 см J считать укаэанную величину К наименьшей допустимой. Таким образом, при использовании зеркал допустимым является произведение АР = 0,4, а без зеркал )eP = 2,3 и выигрыш в габаритах составляет б раз. Для оценок удобно иметь общее выражение коэффициента излучения 45

А слоя газа, помещенного между зеркалами, от числа проходов:

Л=(»-e»p(-e»e))(s+e exp(-М() (iz„p ехр(-где(), (Й .50 где n = 2m + 2 — число проходов;

m О.

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 топлива в камере образовывалась смесь 60 газов, состоящая из N2 и СО с приблизительно равным их содержанием с параметрами Р = 20-40 атм, То

2500-3000К. При давлении, близком к максимальному, диафрагма разруша- 65 лась 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 измеря- лась температура 43 — моды СО>. Измеряли собственное излучение моды

V СО2 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, устанавливае(ые заподлицо с внутренней поверхностью боковых стенок сопла и, таким образом, не вносящие дополнительных возмущений в исследуемый поток.

Статическое давление потока в месте измерения составляло Р 0,1 атм, концентрация вдуваемого СО2, расчитанная по его расходу, изменялась в пределах 0,1-0,25. Толщина погранслоя на окнах по оценкам не превышала 1 мм. Таким образом, P(-g " для

2 погранслоя составляло величину (1-2,5)10 > атм.см. Измерения проводились в участке полосы Л = 4,3 мкм в интервале, выделяемом узкополосным комбинированным интерференционнодисперсионным фильтром с полосой пропускания Ъ = 4,3+0,1 мкм, т.е. в интервале от максимума Р-ветви до канта полосы. Даже в максимумах по— глощения 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 выше спектральном интервале определяли коэффициент излучения газа. Для этого в противоположной боковой стенке сопла устанавливалось второе окно, через которое в поток направляли излучение глобара. В зависимости от расхода вдуваемого .углекислого газа коэффициент излучения газа изменялся в пределах

0,7-0,88.

На окно, через которое выходило регистрируемое излучение, устанавливалась круглая .диафрагма с отверстием диаметром 2,5 мм. Измерялось собственное излучение газа, сигнал

1055726

15

3 101 регистрировался Ge-As фотоприемником и..эаписывался 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 газа, сопровождающегося уменьшением коэффициента излучения ®}„ погрешность измерения СО резко увеличивалась и при Е 0,7 превышала 15%.

Затем измеряли интенсивность излучения 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 „„ = 1400K. Измерение интенсивности излучения глобара позволило установить соответствие между сигналом измерительной системы и температурой черного тела при Т = Т =

Ьс

= .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 была определена температура моды ф> СО . В зависимости от расхода вдуваемого СО> она изменялась в пределах 1050-1300+70K.

Таким образом, способ определения колебательной температуры молекулярных газов позволяет измерять температуру отдельной колебательной моды газов, активных в инфракрасной области спектра, с погрешностью ч10В, Метод прост и доступен в применении и не требует для реализации специальной аппаратуры..

1055726

10 фигЗ

Составитель .Л. Латыев

Редактор С. Лыжова Техред С.Мигунова Корректор A.. Ференц

Заказ 9227/19 Тираж 471 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

„по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушскея наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4