关于火焰温度测量方法的介绍

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