火焰温度测量

火焰温度测量方法分析聂伟（学号：SA14168089）1.引言众所周知，火焰温度很高，一般很难直接精确测量。

但由于火焰温度是燃烧过程中的重要热力参数之一。

因此，对火焰温度测试技术的研究具有非常大的意义，当前，国家正大力改善自然环境，尤其是招手治理空气污染，在汽车工业方面提出降低汽车尾气排放，鼓励开发设计高效新型低污染发动机，在煤电产业中提出要提高电站煤炭燃烧的效率，这都与火焰温度测量密不可分。

在高音时飞行器的研发过程中，要求其发动机有足够的功率，而发动机的功率可由发动机火焰温度来间接说明，以及发动机等部分的材料选取都在一定程度上受到火焰温度的限制，所以火焰温度测量不论是在国民生产中，还是在国防建设中都具有重要的作用]1[。

2.火焰温度的分类根据火焰辐射光谱的不同特点，火焰光谱可分为发光火焰和透明光谱，发光火焰辐射连续光谱，辐射光波长范围在0- ，在可见光频带内有辐射；透明火焰辐射带状或线状光谱，范围多在红外区段。

而根据火焰结构的不同，火焰可分为预混火焰和扩散火焰，预混火焰的特点是：气态的燃烧剂和氧化剂在进入火焰反应区前已经混合均匀。

由于其传播速度受化学反应和流动力学过程的控制，预混火焰又分为湍流和层流预混火焰两种类型；扩散火焰的特点是：气态的燃烧剂和氧化剂在进入火焰反应区前处于分离状态，在进入反应区后经混合后再燃烧。

3.火焰温度的测量方法火焰温度的测量方法根据火焰的不同类型有不同的方法，在实际应用中主要有接触式测温额非接触式测温方法，接触式测温法包括热电偶测温和光纤测温，非接触式测温包括成像法、激光光谱法、辐射法和声波法。

如图1所示]2[：13.1接触式测温接触式测温]2[，具有代表性的就是热电偶测温。

热电偶由不同材料的金属合金导体构成，当导体两端存在温度差异时，会产生电势差，而此电势与导体两端的温度差呈数关系。

当热电偶的热端与被测对象达到热平衡，另一端处于恒定已知温度时，就可以通过电势差推算出被测对象的温度。

微型热电偶测温分为嵌入热电偶法和表面拉紧热电偶法。

利于热电偶测温具有结构简单，测量可靠的优点。

但是，热电偶用于火焰温度的测量存在着以下缺点：需要直接接触被测火焰，现在采用的热电偶一般为铂铑—铂或钨铼—钨热电偶，一般来说只能测低压（<=2.85Mpa）下的温度分布。

而且，浸没在火焰中的热电偶头容易被吹断；金属热电偶丝耐高温有限度，难以寻求到高熔点的材料满足高温火焰的测量；动态特性差，响应速度慢；动温补偿困难，测得的只是偶头周围火焰气体的滞止温度；由于处于火焰之中，需经受各种恶劣条件，如氧化、还原、烧蚀等考验；当被测火焰很小时，热偶头与燃烧区相比显得太大，较大的破坏了温度的原始分布，热偶头会干扰化学反应，甚至参与到反应当中，引起较大的误差；热电偶测温属于点测温，无法获得瞬时温度场分布；缺乏有效的标定温度源。

接触式测温中还包括光纤测温法，其主要是利用不同材料的光导纤维具有的不同的光传输特性来测量被测对象温度。

虽然其不存在参与火焰化学反应的问题，但是仍存在同热电偶一样的其它问题。

高温火焰中燃烧产物发生电离，形成稠密不均电离的离子体射流，当外加电场时，等离子体中的离子和电子定向运动产生电流。

等离子体法就是根据电流的大小反应温度差别的原理测量温度的。

但是这种方法易受干扰，且计算复杂。

3.2非接触式测温非接触式测温从原理上可以简单划分为声波法和光学法两类]2[。

声波法分为声速法和微波衰减法。

声速法，顾名思义，是通过探测声波在燃烧火焰气体中的传播速度进而测量火焰气体的温度，适合于已知气体的温度测量。

但是需要考虑燃烧物的化学反应，计算过程复杂。

微波衰减法属于主动式测温，通过测量入射微波通过火焰后的衰减程度进而测量火焰气体的温度。

该方法测得的是微波传播方向上的加权平均温度。

为产生足够的自由电子，需要在火焰中插入一定量的高氯酸钾，破坏了被测火焰的组分和热平衡状态。

光学法种类繁多，可分为成象法、激光光谱法及辐射法]3[。

干涉仪法、纹影法、激光散斑照相法以及激光全息干涉法都属于成象法，都是利用光的干涉原理来测量火焰的温度场。

它们的原理是将流场中各处折射率的变化转变为各种光参量的变化，记录在感光胶片上，从而进行定量或者定性的分析。

需要指出的是，这几种方法测得的都是光传输路径上的平均温度。

激光光谱法中具有代表性的就是瑞利散射和拉曼散射光谱法]4[。

当单色辐射频率的激光通过一透明物体时，会发生散射现象，即有少量光线偏离原传播方向。

如果散射的光线大部分频率不变，该散射成为弹性散射；相反，如果散射的光线频率发生改变，则称为非弹性散射。

弹性散射分为瑞利散射和米氏散射；非弹性散射也称为拉曼散射。

拉曼散射分为自发拉曼散射和受激拉曼散射，上述非弹性散射属于受激拉曼散射。

无论是瑞利散射还是拉曼散射光谱法，它们都是根据光谱的光强来得到火焰气体温度。

瑞利散射光谱法不能直接提供有关组分的信息，并且受颗粒米氏散射、火焰辐射和背景光散射的干扰，限制了应用。

而对于高温火焰，拉曼散射光谱法更加适用，常用方法是相干反斯托克斯拉曼散射（CARS），但是该方法整套实验装置价格十分昂贵，容易受环境干扰。

受激荧光光谱法（LIF）同样属于激光光谱法。

处于基态或低能态的分子受激跃迁到高能态后，通过自发辐射的方式，释放出吸收的能量，就会产生荧光。

LIF是根据荧光的强度随激发光的变化，得到基态转动能级粒子数的分布，后按照波尔兹曼公式得到被测温度。

当测量对象的样品浓度比相干拉曼或自发拉曼光谱探测灵敏度所要求的浓度3还低时，LIF 是一种更有效的方法。

但是在测量过程中需要经过激光波长的扫描，因此不适合于爆炸和紊流等类型的快速变化过程。

谱线反转法（也称自蚀法或谱线隐现法）是发射吸收光谱法中古老的一种，最常用的是在实验室中使用的钠D 线反转法。

其基本原理是在火焰中均匀地加入微量钠盐，钠燃烧产生两条波长为589.0nm 和589.6nm 的黄色明亮谱线，当它在背景光源的连续光谱中消失，则说明钠的谱线与连续光谱融为一体，此时光源的亮度值就等于所求火焰的温度。

该方法主要用于静态火焰测温。

红外测温主要分为红外辐射测温和红外热像测温]5[。

红外测温法测量火焰温度的根据是火焰不断地向外辐射出电磁波，而这种红外辐射也服从黑体辐射的三个基本定律：普朗克辐射定律，维恩位移定理以及斯蒂芬—波尔兹曼定律。

红外测温主要就是利用这三大定律，经过发射率修正，进而得到火焰温度。

制约红外测温方法的主要是发射率修正困难，因为物体的发射率不是一个常数，而是受材料、表面形态、波长、温度以及辐射条件、环境因素等影响的变量。

而多光谱测温法是根据多个光谱下的物体辐射亮度信息得到物体温度的方法。

4. 可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS ）测温技术4.1 TDLAS 的测温原理可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS ）技术是利用气体吸收光谱随温度变化的特性实现温度测量，是一种新型的非接触式气体温度测量技术，具有受气体环境影响小、响应速度快、可靠性高和可实现气体温度和浓度的同时测量等优点。

其测量原理为比尔-朗伯定律：[]PXL T S I I )()(exp )()(0νννΦ-=,其中)(和)(0ννI I 分别表示频率为ν的激光入射时的光强和经过压力P ，浓度X 和光程L 的气体后的光强，)(T S 为线强，)(νΦ为线形函数，表征吸收谱线的形状，与气体的种类、压力和温度等有关。

对于更一般非均匀分布，为路径的积分结果]6[：()()[]()⎪⎭⎫ ⎝⎛-Φ⨯-=⎰L i i dx x T S x PX I I 000exp )()(ννννν 吸收线线强S 温度的函数，随温度变化关系为：5()()()()1000000exp 1exp 111exp -⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-''-=kT hc kT hc T T k E hc T Q T Q T S T S νν其中Q 为分子总配分函数，h 为普朗克常数，c 为光速，k 为玻尔兹曼常数，E ''为跃迁低态能级，可以看出线强的温度依赖主要因素是配分函数和低态能级（玻尔兹曼分布的体现），上式最后两项的乘积接近1，而且大部分情形下几乎不变]6[，配分函数可通过查表得到相应值，而通过光谱图能得到能级值即可得出温度。

可调谐二极管激光吸收光谱温度测量技术利用比尔-朗伯关系通过两条被测气体吸收谱线的吸收光谱来实现温度测量]7[。

所选谱线对吸收应较强，线强比值为温度的单调函数，低能级差较大保证了较高的测温灵敏度，频率间隔较小应落在激光器频率调谐范围内。

4.2 TDLAS 的实验装置实验采用蝶形封装的DFB 激光器，出射激光用光纤分束器分为2路，一路直接经过环形干涉计（MHz FSR 315=）由探测器PDI 接收，用于做波长标定；另一路用单模光纤传输到需要测试的现场，经准直器准直后发射穿过待测试区域，由透镜收集到2PD 接收。

1PD 和2PD 的光电流信号经放大和调理后，由上位机控制采集卡进行采集和后处理。

实验室高温炉的实验装置如图2所示。

图2 实验装置示意图激光器波长扫描为电流调谐方式，激光器工作温度固定。

调制波形采用锯齿，使周期内起始时间段激光器电流处于出光阑值以下，用作(特别是燃烧环境下)背景光辐射。

探测器和电子学噪声等造成直流偏移量的本底参考。

5 总结火焰温度测量的方法很多，但都有一定的缺陷。

TDLAS 技术以其高灵敏度、高的谱分辨率、快速的响应时间、大的动态测量范围、多参量同时测量等优点在高温测量领域占据重要地位。

参考文献：[1]李响.利用非接触红外测温技术测量火焰温度[A].天津理工大学硕士学位研究生学位论文，2011.[2]戴景民，金钊.火焰温度测量技术研究[J].计量学报.2003，10(4): 297-302.[3] 李金义.基于可调谐激光吸收光谱的燃烧场温度测量研究[A].天津大学博士论文.2013.[4]张虎.基于CRAS的火焰温度测量技术研究[A].哈尔滨工业大学工学博士学位论文,2009.[5]郑倩瑛.基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的高温温度测量研究[A].浙江师范大学硕士学位研究生学位论文，2013.[6]许振宇，刘文清，刘建国等.基于可调谐半导体激光器吸收光谱的温度测量方法研究[J].物理学报，2012,234204（12）：1-8.[7]王健,黄伟等.可调谐二极管激光吸收光谱法测量气体温度[J].光学学报，2007，9(9)：1639-1642.。