关于火焰温度测量方法的介绍要点

摘要: 本文综述了火焰的分类及其温度测量方法,介绍了热电偶法、成象法、激光光谱法、辐射法和声波法的测量原理,并分析比较了它们的适用性和各自特点。

简要描述了用于固体火箭发动机羽焰温度测量的多点多波长高温计。

最后,展望了火焰温度测量的发展趋势。

关键词：测量,温度,火焰,原理
Abstract：Reviewed in this paper the classification of the flame and the temperature measuring method, introduces the thermocouple method, imaging method and laser spectrum method, radiation method and principle of measurement of the acoustic method, and analysis and comparison of their applicability and their respective characteristics. Briefly describe the used in solid rocket motor plume flame temperature measuring multi-point multiwavelength pyrometer. In the end, prospects the development trend of flame temperature measurement. Keywords: measurement, temperature, flame, and principle
目录
一.引言 (1)
二.火焰的分类及特性 (1)
三.火焰温度的测量方法 (2)
(一)接触法测温 (2)
1.热电偶法 (2)
2.光纤法 (3)
（二）非接触法测温 (3)
1.成象法 (3)
2.激光光谱法 (5)
3.声波法 (7)
4.辐射法 (9)
D成像法 (11)
四.结语 (16)
致谢 (17)
[参考文献] (17)
一.引言
火焰温度是燃烧过程的重要热力参数之一。

火焰温度测试技术的研究,无论对内燃机燃烧过程的理论基础研究,还是为开发设计高效低污染的新型车用发动机、降低汽车排污以及对于研究电站燃煤锅炉煤粉燃烧的稳定性、经济性和清洁性等都具有重要的意义和应用价值。

此外,对于各种战术、战略武器发射平台的设计来说,发动机燃气流的火焰温度将直接影响着设计的指标和达到设计指标的途径。

火箭发动机喷口的温度,对喉衬材料的选取、增加比冲具有重要的意义。

在采用高能推进剂的发射系统中,发射平台的高温烧蚀将比采用中能推进剂的系统更加突出。

在各种导弹武器的矢量控制技术中也需要考虑火箭羽焰温度对各部件的影响。

火焰温度及其分布的定性或定量的测定,对于观察和了解上述燃烧过程、燃烧流场和燃烧产物的内在特性,建立合理的燃烧模型、进行精确的计算机模拟分析都有着重要的指导作用。

以计算机模拟分析来替代有效的实物尺寸模型实验,能够降低实物实验带来的危险并加速新产品、新型号的开发与使用。

二.火焰的分类及特性
根据火焰辐射光谱的不同特点,火焰可分为发光火焰和透明火焰两大类。

发光火焰内部含有烟粒,火焰辐射出的是0~∞的连续光谱,在可见光谱区内有辐射;透明火焰的辐射光谱多在红外区段,并呈带状或线状辐射,在λ=0·65μm的红光波长上无辐射能。

通常只有炽热的固体才能辐射连续光谱,在特殊情况下,离子复合、原子或自由基的结合也可能达到连续辐射;但是对于气体分子,每个分子只有为数不多的能级,分子能够发射和吸收的辐射波长就限于特定的一些谱线。

从不同光谱谱段的发射机理来说,紫外区和可见光区的光谱一般取决于电子能量的变化,即分子或原子周围的电子能级跃迁;近红外区的的带状光谱取决于分子的振动能和旋转能的变化,远红外区的光谱则取决于旋转能的变化。

火焰辐射不仅包括羽焰组分的热辐射,而且可能有化学发光。

当化学反应直接产生可辐射的受激态的原子或分子时,火焰的这种发光被称为化学发光。

完全处于平衡态的可逆化学反应仍有可能形成受激的原子和分子。

对于火焰辐射在多大程度上是由一般热激发产生的,在多大程度上是由化学发光产生的,目前尚无定论。

一般认为,在高温火焰中,以热辐射为主;而在温度较低的接近燃烧反应临界状态的火焰中,反应区会因化学发光而增加辐射。

鉴于火焰气体发光的多原理性和发光光谱的多样性,火焰温度的测量方法亦是多种多样。

依据感温元件是否接触火焰对象,火焰温度的测量方法可分为接触法和非接触法两大类[1],如图1所示。

三.火焰温度的测量方法
下面分别介绍各种方法的原理及各自的特点和适用性。

(一)接触法测温
1.热电偶法
热电偶测温是常用的经典测温方法,当不同材料的金属合金导体两端存在温度差异时,导体两端就会产生电势差,热电势与导体两端的温度差存在简单的函数关系,
当这种材料的热端与被测对象达到热平衡而冷端处于一恒定的已知温度时,就可以
由电势差得到被测对象的温度,该方法结构简单、测量可靠。

但用热电偶测量火焰温度还存在如下一些严重缺点:对于高温火焰难以寻求高熔点的热电偶材料来满足测
量温区的要求;动态响应差,难以在被测稀薄的火焰气体和热电偶之间达到热平衡,空间和时间分辨率都很差;由于热电偶头实际上浸没在火焰流体中,所以容易被吹断;测得的只是偶头周围火焰气体的滞止温度,动温补偿困难;暴露于火焰气体中的热电偶头还会干扰火焰气体组分发生的化学反应,甚至本身参与火焰气体组分发生化学反应;热电偶本身存在标定问题。

由于国际实用温标ITS-90规定了银凝固点以上温区由辐射测温方法来定义并传递,所以热电偶在高温火焰内使用缺乏有效的标定温度源。

但是热电偶方法有相当成熟的常规测温经验,也不需要复杂的连接设备和数据处理方法。

因此在火焰温度测量中,国内外也都没有放弃这一传统的方法。

在尽量避免上述问题出现的情况下,热电偶在燃烧火焰温度不太高、火焰气体流速不大的燃烧试验场合的温度测量中仍可见到。

2.光纤法
光纤测温法是利用光导纤维材料温度不同,光传输的特性不同来测量对象的温度,除了不参与火焰气体反应以外,它同样存在热电偶测量火焰温度的其它所有问题。

（二）非接触法测温
1.成象法
在成象法中,激光散斑照相法、纹影法、干涉仪法和激光全息干涉法均是基于光的干涉原理。

从物理模型上来说,基于干涉原理的各种光学方法测量火焰的温度场,均可以等效为首先测量火焰的折射率分布[2]。

因为对气体而言,折射率通常是与密度成正比的,所以可以通过理想气体状态方程从测得的密度场数据获得所需的温度场
数据。

它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化(即密度的变化)转变为各种光
参量的变化,并记录在感光胶片上,从而进行定性或定量的分析判断。

图2所示为从流场折射率的变化转变为光参量变化的示意图。

一束光射入测量区内某处,若区内无密度变化,则光线无偏折地投射在底片上的A点。

若测量区内该处有密度变化,光线则发生折射,投射在底片上的B点。

这样,有折射和无折射的不同可反映在下列3个偏差量上:光束投影点的偏折位置差Δs,光束偏折角Δθ和两光束的光程差Δl(或位相差)。

测出这3种偏差量的任一种,均可获得流场密度的变化。

散斑照相的原理是当光线通过有扰动的气流时,由于局部部位折射率梯度的变化,使通过漫射体的透射光相对于无扰动时发生偏折移位,反映在照相底片上即为散斑位移的变化[3]。

纹影法的原理是利用纹影仪将光线通过气流扰动区后引起的不同方向的偏折光区分开来,并用纹影刀口挡掉部分偏折光,使扰动区折射率的变化呈现为底片上明暗变化的纹影图像。

干涉仪法的原理[1]是用两束同轴相干光分别通过气流扰动区和非扰动区,由于扰动区内折射率的不同引起光程差的变化,使两束相干光产生了相位的变化,从而反映为底片上干涉条纹的变化。

全息干涉法[4,5]仍然基于干涉仪法的原理,不过它采用离轴记录法,不仅记录物波波前的振幅信息,同时还记录波前的相位信息。

由此可见,散斑照相法记录的是偏折位置差,反映的是折射率梯度的变化(即折射率的二阶导数);纹影法记录的是偏折角度差,反映的是折射率的梯度(即折射率的一阶导数);干涉仪法记录的是光波相位差,反映的是折射率本身;而全息干涉法既有相位信息又有振幅信息,反映的是折射率本身和三维流场的立体信息。

上述4种方法测得的温度均为传输路径上火焰气体的平均温度。

其中,散斑照相适于测量试验段比较长、温度梯度比较大的流场,但它不能进行在线观察和测量,不适于测量瞬态的温度场;纹影法适于测量弱激波和密度梯度变化小的流场,但对火焰的
自身发光十分敏感;干涉仪法在测量时对振动相当敏感,故造价昂贵,测试麻烦,实际使用受到限制;除全息法外,其它3种方法都需要借助计算机扫描技术才能获得火焰的三维立体信息,但全息法的光路比较庞大,对测量系统的防震性能和实验时的工作环境要求较高,因此用该项技术进行火焰诊断的实例还不多见。

2.激光光谱法
2.1瑞利散射和拉曼散射光谱法
当具有单色辐射频率的光线照射一透明物体时,会有少量的光线偏离了原来的传播方向,发生光的散射现象。

散射光的大部分频率不发生变化,被称为弹性散射。

如果弹性散射由直径远小于入射光波波长的散射粒子所引起,则称这种散射为瑞利(L.Rayleigh)散射;如弹性散射由直径大于入射光波波长的散射粒子所引起,则称这种散射为米氏(G.Mie)散射。

同时,在与入射光传播方向成某些角度的地方还可以观测到与入射光频率不同的散射光,它的强度与散射方向无关,这种分子与光子之间的非弹性散射称为拉曼散射,如图3所示[1]。

非弹性散射存在能量交换,当介质分子从入射光获得能量时,会跃迁到高能态,产生斯托克斯谱线(Stokes);反之,介质分子损失能量时,产生反斯托克斯谱线(Anti-Stokes)。

瑞利光谱的光强正比于气体分子数密度,而拉曼光谱的光强正比于气体分子数,分别根据理想气体状态方程和玻耳兹曼(Boltzmann)分布可知,这两种光谱的光强均是气体温度的函数,这样就可以根据散射光谱的变化得到气体的温度数据。

通过测量不同散射的光谱信号,相应地也就产生了瑞利光谱和拉曼光谱这两种不同的测温方法。

瑞利光谱测温法[8]的测试系统简易,脉冲的瑞利光谱技术还可以用来观察瞬时的火焰结构。

但由于它是一个弹性散射,所以不能直接提供有关组分的信息,并且受颗粒Mie散射、背景光散射和火焰辐射的干扰,这些缺点限制了它主要应用于自由散流和开口火焰以及某些燃料的干净流场的测量,妨碍了它进一步应用于实际燃烧系统。

相比而言,拉曼散射光谱技术的实用性更好。

它的主要应用之一就是测量气体的温度。

拉曼光谱测温法根据入射光源的不同形式又分为自发拉曼散射和受激拉曼散射。

应用分子转动能态的拉曼光谱法适合较低温度的测量,当火焰温度超过2 000 K 时,则在分子的转动光谱上就会加上高温激励的振动光谱,重叠无法分开,因此,对高温燃气用分子的振动拉曼光谱法更适合。

但由于自发拉曼散射的信号微弱和非相干性,对于许多具有光亮背景和荧光干扰的实际体系,它的应用受到一定的限制。

与自发拉曼光谱相比,受激拉曼散射能大幅度提高测量的信噪比,常用的方法是相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)[9,10]。

它可使收集到的有效散射光信号强度比自发拉曼散射提高好几个数量级,同时还具有方向性强、抗噪声和荧光性能好、脉冲效率高和所需脉冲输入能量小等优点。

适合于含有高浓度颗粒的两相流场非清洁火焰的温度诊断。

但是,CARS法测温还不能完全取代自发拉曼散射测温。

这是由于CARS法的整套实验装置价格十分昂贵;作为一种分析手段,近共振、非共振本底、双光子共振吸收等干涉效应会使得CARS线型变得复杂,使信号的处理相当困难,并影响测温精度。

2.2受激荧光光谱法
一般来讲,处于基态或低能态的分子是比较稳定的,分子受激跃迁到高能态后,还会通过自发辐射的方式释放出所吸收的能量,这时它就会产生荧光。

受激荧光光谱(LIF)法测温是通过测量荧光强度随激发光波长的变化,从而得到基态转动能级粒子数的分布或者振动能级粒子数的分布,然后根据玻耳兹曼公式计算出体系的温度[1]。

在燃烧过程研究中,当作为温度测量对象的样品浓度比自发拉曼或相干拉曼光谱探
测灵敏度所要求的浓度还要低时,荧光光谱就是一种更为有效的探测方法。

但测量需要经过激光波长的扫描,即需要经过许多激光脉冲的入射,因此对于紊流和爆炸等类型的快速变化过程是不适合的。

3.声波法
3.1声速法
在热力学中,声波在气体中的传播速度与气体的温度、比热和分子量有关,由下式表示:
其中,T 是火焰的绝对温度;u 是声波在气体中传播的速度;为气体的平均分子量;是气体的平均定容比热,是温度的函数;R 是气体的普适常数。

式中和可根据已知气体的化学成分从有关手册中查到。

声速法就是利用高功率脉冲激光聚焦在被测火焰处形成一个声脉冲。

声脉冲与探测光束作用,使得探测光束发生偏转,用示波器测量两平行探测光束的偏转信号便得到了声速,依据上式进行换算便得到了温度【11】。

由于光速法是通过探测声波在气体中的传播速度测量体系温度,因此完全摒弃了燃烧体系中发光背景的干扰。

但从该方法的基本出发点来看,它适用于已知气体的温度测量。

这里的已知指的是和至少能够计算出来,但是这种计算是相当复杂的,还要考虑不同成分燃烧的先后以及燃烧中发生的化学反应。

3.2微波衰减法
当入射微波通过火焰时,与火焰中的等离子体相互作用,使出射的微波强度减弱,
通过测量入射微波的衰减程度可以确定火焰气体的温度[1]。

对于电场强度为E0的入射波,火焰气体中的电场强度E f 和出射波E out 的电场强度分别为：
d
-0out -0f e E E e E E ΓΓ==；χ
式中,x 表示火焰沿微波传播方向的距离,Γ=α+iβ为传播常数,α、β为衰减常数和相位常数,它们是火焰温度、压力、微波频率、气体成分和密度、介质电子密度等的函数。

微
波衰减法测得的是微波传播方向的加权平均温度。

为了产生足够的自由电子,需要在火焰中掺入一定量的高氯酸钾(KClO4) ,因此会破坏被测火焰的组分和热平衡状态。

该方法的另一困难还在于测量所需的等离子体的传播常数须经标定获得。

4.辐射法
4.1发射-吸收光谱法
谱线反转法是发射-吸收法的最古老形式,也称自蚀法或谱线隐现法。

最常见的是在实验室早已使用的钠D线反转法。

它的基本原理是在目标火焰中均匀地加入微量钠盐,钠燃烧产生两条波长为589·0 nm和589·6 nm的黄色明亮谱线。

当背景光源的自然光线照射并通过钠蒸气时,钠线相对于背景光源的连续光谱可能发暗或发亮,这取决于被测火焰的温度是低于或高于光源的亮度温度。

如果钠线在背景的连续光谱中消失时,光源的亮温就等于火焰的温度。

谱线反转法的装置简单,适用于试验室中火焰稳定、测量方向温度梯度不大的场合,由于背景光源亮度变化范围的限制,其测温范围在1 000到2 800 K之间。

发射-吸收法是谱线反转法的发展,它使用光电传感器代替了人眼,而且无需达到谱线反转点,因而有更快的响应速度和更大的测温范围。

发射-吸收法在推进剂火焰的测温中研究较多[12,13,14]。

该方法结构庞大、造价昂贵、技术复杂,难以推广到大发动机试车现场使用。

它的另一局限在于需要向被测火焰中添加染色剂,因此容易破坏被测火焰的组分和热平衡状态。

4.2高温计法
应用高温计测量火焰温度的基础定律为普朗克定律[20]、维恩定律和斯忒藩-玻耳兹曼定律。

由于光谱发射率的影响,高温计的温度示值并不是物体的真温,而是根据使用的全辐射高温计、单色高温计和比色温度计的不同,得到辐射温度、亮度温度和比色温度。

若想知道火焰的真温,就需要对上述温度进行发射率修正。

以往所采用的方法主要有发射率修正法、逼近黑体法、辅助源法和偏振光法[15]。

目前获得物体真温和光谱发射率数据的最有效的方法是多光谱测温法,它是利用多个光谱下的物体辐射亮度信息,经过数据处理得到物体的真实温度。

作为多光谱测温技术的应用,本课题组承担了航天工业总公司第四研究院的“固体火箭发动机喷焰温度测量技术
研究”的预研课题,研制了一种能同时测量一定空间分布的6个点、每个点具有8个工作波段的多点多波长高温计,成功地测试了固体火箭发动机的羽焰温场[16]。

固体火箭羽焰在可见光区和近红外区都有很强的热辐射,其产物包括气态和凝
聚相产物。

气态成分基本上总是CO、CO2、H2、H2O和N2,含高氯酸铵的推进剂的气态产物还有HCl;凝聚相产物主要是Al2O3,它的熔点为2 350 K,沸点为3 750 K,在固体火箭发动机羽焰温度区间(1 500~3 000 K)内,既可能呈固态,也可能呈液态。

因此固体火箭羽焰属于发光火焰,辐射连续光谱。

由于不同物质的发射率特性不同,而且影响发射率变化的因素很多,特别是对于固体火箭羽焰这样的特殊辐射体来说,推进剂的种类和成分繁多,发动机的工况和燃烧反应进行的程度也不一样,羽焰的构成成分、成分的比例、不同波长下的发射率和发射率的变化等差异都很大。

因此,为使多光谱测温的各个测量通道都能得到有意义的信号,要选择羽焰热辐射的发射物质尽
可能少的光谱区间,以减少测量过程中影响发射率的因素,并有效地避开气态组分的带状光谱的影响。

需要指出的是该高温计测得的是羽焰中凝聚相产物Al2O3的温度。

整个仪器由包含前置级放大线路的光学系统、采样保持和记录控制系统3部分构成,如图4所示。

采用一点标定法,即使用高精度的定点测量结果,结合高温计波长函数(PWF)外推至仪器工作的全量程。

因此标定工作包括高温计波长函数(PWF)和人工黑体的定点标定两部分。

仪器指标:温度量程为1 500~3 000 K;测量距离为3~6 m 和6~8 m; 6个测量目标点,每个点8个工作波长,波长范围为0·4~1·1μm;48个测量通道的采集控制同步优于2μs。

一共进行了两次地面搭载试验,第1次实验时间为20 s,记录时间为25 s;第2次实验时间为60 s,记录时间为75 s。

该多波长高温计性能稳定、信噪比高,可对一定空间分布的6个目标点进行测量。

特别设计的同步数据采集系统能实现高时间分辨率的同步测量,以满足目标变化剧烈的情况下多光谱测温理论的要求。

这种高温计可用于:一般多波长高温计使用场合;测量不多于空间6个点的温度分布;通过在温度分布均匀表面的一个或多个目标点钻孔模拟人工黑体,真正实现材料真温和光谱发射率的同步测量;在测量对象变化剧烈的场合,实现多光谱真温测量[17]。

D 成像法
火焰的图像通过摄像机和图像卡后,以数字的形式储存在计算机内。

系统中所用的摄像机——CCD(Charge Coupled Devic 火焰的图像通过摄像机和图像卡后,以数字的形式储存在计算机内。

系统中所用的摄像机——CCD(Charge Coupled Devices)电荷耦合器件是一种70年代初发展起来的新型半导体器件,已经被越来越广泛地运用到工业诊断和过程监视中。

彩色CCD 的任务就是把来自景物的入射光分解为波长分别为700 nm 、546.1 nm 、435.8 nm 的红(r)、绿(g)、蓝(b)三基色。

因而火焰图像在计算机内实际上是以r 、g 、b 为波长的三色图像。

利用其中的两个颜色的图像,根据比色法测温原理,就可以进行温度场计算。

在煤粉燃烧火焰辐射的波长范围400nm 到750 nm 及温度范围3000K 以下,Planck 辐射定律可由维恩辐射定律取代（2）
(1) T),()T
2exp(-1
(T)E 5λλλλ∈=C C 式中,EK(T)为火焰辐射能,E(K,T)为辐射率,K 为波长,C1和C2为常数。

如果在两个波长K1和K2下若同时测量到同一点发出的单色辐射能EK1(T)和EK2(T),则根据两者
的比值即可计算出该点的温度: ）（）（12212(T)1(T)12ln 5-ln E E ln )
11C2(
λλλλλλλλ∈∈-- （2） 在彩色CCD 获取的三色火焰图像中,我们任意选取其中两个颜色的图像,即可利用式(2)计算出温度场。

在下面的叙述中,我们将用蓝色和红色、绿色和红色、蓝色和绿色计算温度而分别记为Tbr 、Tgr 和Tbg,并对三种方法进行分析比较。

（1）误差分析及校正
A.修正由光强代替辐射能引入的误差
在运用图像处理技术进行温度场的测量计算中,通常是将由CCD 获取的光强值来代替辐射能。

一般认为,火焰的光强与辐射能成正比,因此两种波长下的辐射能之比可以由光强之比来代替。

但是,考虑到在从火焰本身到摄像机的光路系统中辐射能的流失和衰减,在将光强之比来代替辐射能之比时,还需引入一个由r 、g 、b 亮度确定的修正系数U(Lr,Lg,Lb),即: 2
1)(2)(1L Lb)Lg,(Lr,=E E λλλλϕL T T (3) 其中,EK1(T)、EK2(T)为两种波长下的辐射能,LK1、LK2为两种波长的光强U(Lr,Lg,Lb) 是根据标准黑体炉标定的修正系数,由r 、g 、b 亮度值和具体光路系统确定。

B.火焰黑度引起的误差
在测温公式(2)中,ln(EK1EK2)一项是由于不同波长下辐射率变化而引起的。

当选取的比色波长K1和K2比较接近时,可以认为EK1≈EK2,即ln(EK1EK2)≈0。

测量计算中,我们就是采取这样的假设来处理的。

但是,实际火焰在不同波 长下的辐射率EK1和EK2并不
相近,由此造成的误差可用下式表示: ]111(2ln C T[=T △2
121)21112(--+∈∈-λλλλλλC T (4) 由式(4)可以看出,误差的大小与1λ、2λ的选取和EK1/EK2的值有密切的关系。

CCD 所获得的火焰图像有三个波长下的亮度值,因此选取哪两个波长进行测温
对计算有着直接的影响。

图2、3、4比较了在1273K 、1523K 、1773K 时,Tbr 、Tgr 和Tbg 的测量误差,横坐标为两种波长下火焰辐射率的比值。

由图2、3、4可以看出:
(1)系统误差随辐射率比值的增大而呈指数形式减小。

(2)根据蓝色和红色亮度值计算出的温度(Tbr)误差最小。