原子发射双谱线测温常数静态标定实验研究

2020-11-11郝晓剑郭玉楠杨彦伟

激光技术 2020年6期

郝晓剑，郭玉楠，杨彦伟

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原 030051；2.吕梁学院物理系，离石 033000)

引言

温度是一个重要的物理量,是工农业生产和航空、航天、核爆、化爆试验中测量的重要参量。因此，对于瞬态高温温度场的准确测量，对工农业以及国防军事的发展具有重要的意义，目前温度的测量方法主要分为接触式测温法和非接触式测温法[1]。在接触式测温中主要使用传感器与被测介质直接接触，进行热交换来获取温度，比较有代表性的是基于热电偶的高温测量技术[2-3]，但热电偶会对温度场造成干扰,高温环境也会缩短热电偶的使用寿命。为了弥补接触式测温方法的不足，国内外已经发展了多种非接触测温技术如比色测温法[4-5]、光谱测温法来实现瞬态高温的测试，原子发射光谱双谱线测温法采用了两条间隔比较小的光谱线[6-8]，避免了比色测温法中忽略光谱发射率和透射率带来的误差[9]。更能适用于高温、高压等恶劣环境的温度测量。

在原子发射光谱双谱线测温公式中,存在两个未知特定常数A,B，它们和测温系统的光学传递系数、所选原子的特性及谱线波长等因素有关。因此确定测温特定常数A,B的值，可以提高测温的精度，对原子发射双谱线测温法的广泛应用具有重要意义。

1 原理

根据原子发射光谱相关理论，在热力学平衡或局部热力学平衡条件下[10-11]，由玻尔兹曼分布及爱因斯坦辐射理论[12]，可得同一种元素两条原子谱线的强度之比为：

(1)

式中，Iλ1和Iλ2为所选波长λ1和λ2光信号的谱线强度；A1和A2为原子谱线的跃迁几率；g1和g2分别为谱线激发态的统计权重；E1和E2为原子发射谱线的激发电位；K为玻尔兹曼常数[13]；T为激发温度。考虑到测温系统的光学传递系数，将(Iλ1/Iλ2)乘上一个系数加以校正并对公式两边求对数得到：

(2)

式中，A1,A2,g1,g2,E1,E2均为与受激发原子及谱线波长λ有关的常数。故令：

(3)

从(3)式可以得到原子发射双谱线测温的基本公式为：

T=B/[ln(Iλ1/Iλ2)-A]

(4)

式中,A和B的值跟原子的特性、波长以及测温系统的光学传递系数有关,可以利用标准温度对测温特定常数值进行确定。

2 测温特定常数A、B静态标定实验

2.1 实验系统介绍

光电测温器特定常数静态标定实验系统如图1所示。本次实验中选用形状规则的紫铜片作为光谱激发样品。采用LS-3000高温黑体炉作为激发光谱的热源，该黑体炉最大可调节温度为3000℃。光电测温器由光学模块、光电转换模块和数据采集存储模块构成。

Fig.1 Schematic diagram of static calibration experiment of photoelectric temperature measurement system

光学模块由蓝宝石探头[14]、Y型光纤以及滤光片组成。蓝宝石探头是用来对光纤的端面进行保护，减少光污染，提高了光纤的传光效率，Y型光纤将蓝宝石探头采集的光谱信号均分两路，滤光片过滤得到所选特定波长的温标谱线。

光电转换模块使用爱尔兰Sensel公司的10035-X08型硅光电倍增管(silicon photomultiplier，SiPM)。该光电倍增管是具有单光子创新型固态硅探测器，具有高增益、响应速度快、工作电压低和集成度高等特点。具体参量如表1所示。

Table 1 10035-X08 silicon photomultiplier tube parameters

数据采集存储模块采用ADI公司生产的AD9226高速模数转换器，可采集双路电压信号，最高采样频率达65MHz。采集的数据通过FPGA EP4CE6F17C8(256M DDR2-DRAM)芯片进行存储。

2.2 测温原子谱线选择

在利用原子发射光谱双谱线原理测温时所选的光谱线要清晰、强度适宜、无自吸现象[15-16],谱线之间的激发能要特别大，而且两条谱线波长要接近，这样可以减小光谱辐射率和光谱透射率等对光谱测量的影响。

利用激光诱导击穿光谱技术对紫铜片进行光谱激发实验[17]。在300nm～800nm波长范围内Cu原子谱线分布图如图2所示。本次实验中选用Cu Ⅰ 510.5nm和Cu Ⅰ 521.8nm作为测温时的温标谱线，在30mJ激光能量条件下，电子温度Te=0.5eV,电子密度Ne=

Fig.2 Atomic spectral distribution of Cu atoms at 300nm～800nm and CuⅠ 510.5nm and CuⅠ 521.8nm spectra

1×1010cm-3[18-19]。温标谱线光谱图如图2标记放大部分所示。光谱线参量如表2所示。

Table 2 CuⅠ 510.5nm and CuⅠ 521.8nm parameter values

2.3 实验及结果分析

高温黑体炉利用高温黑体辐射使Cu样品热激发产生光谱[20],光谱经Y型光纤输出后经滤光片进入硅光电倍增管转换为双通道电压信号，电压信号经数据采集存储模块完成处理，最后在PC机上读出电压值。由硅光电倍增管转换得到的电压的比值为Cu Ⅰ 510.5nm和Cu Ⅰ 521.8nm的光谱强度的比值，因此有：

U1/U2=Iλ1/Iλ2

(5)

实验过程中高温黑体炉显示炉内标准温度，在700℃～2500℃温度范围内,选取多个温度并进行多次测量所测得的双通道最大电压之比如图3所示。

Fig.3 Results of the ratio of the maximum voltage of the two channels in the range of 700℃～2500℃

选择黑体炉炉内两个温度值分别为Tl,Tl′，并记录此时双通道数据采集存储模块最大电压之比分别为I1,2,I1,2′。由(4)式、(5)式可得A,B的计算公式:

3 紫铜薄片燃烧温度场测试实验

3.1 Cu高温燃烧温度场构建

铜燃烧温度场测试实验如图4所示。利用氢氧焰机可控双管路喷射火焰作为热源。以美国IRCON公司的Modline5型智能一体化红外红外测温仪(简称M5)作为标准测温仪器，其测温范围为600℃～1400℃。光电测温器采用特定常数标定后的原子发射双谱线测温器。铜具有优良的导热性，因此实验中采用紫铜片作为被加热对象，将紫铜片加工成30mm×30mm×1mm的薄片，可以保证紫铜片受热均匀。

Fig.4 Cu combustion temperature field test experiment

实验中利用双管路氢氧焰喷射技术构建了温度范围、流体属性相对稳定的Cu燃烧温度场，通过喷射高温火焰对紫铜片进行烧灼，形成一个满足实验需求尺寸的高温区域，通过在喷出的燃气中搀杂一定的元素与物质，实现实际燃烧场多物理特性的模拟。结合多物理场控制原理引入反馈，实现根据人工设定的多物理场参量对2组喷嘴状态进行自动控制，从而实现Cu高温燃烧场环境的自动调控。