где єТ – коэффициент черноты, а также формула Вина для монохроматической энергии излучения нагретого до температуры Т твердого тела:
Еl, Т = с1/p* l-3*ехр(с2/lТ).
Методы, основанные на просвечивании пламен.
Более подробную информацию о тепловых либо концентрационных неоднородностях в газовом потоке можно получить при пропускании света через исследуемый участок пламени нагретой струи жидкости или газа, смешивающихся струй различных прозрачных жидкостей или газов и т.п. Имеющиеся в просвечиваемом объекте тепловые и концентрационные неоднородности вызывают изменение коэффициента преломления. Измерения двухмерного распределения этой величины позволяет получить информацию о поле течения, температурах и концентрациях в избранной плоскости течения. Оптической неоднородностью, или шлирой, называют малую область в прозрачной среде, в которой имеется переменный градиент коэффициента преломления света. Нерегулярное отклонение света в различных точках шлиры регистрируется на фотографиях в виде тени данного объема газа, либо тени большого участка потока жидкости или газа. При этом пучок света, проходящий через оптическую неоднородность Н (рис.2), откланяется на экране Э от точки А к А/ на угол є. Поскольку угол є мал, НА/=НА, и вследствие задержки луча SA/ во времени, на экране возникает интерференционная картинка. Соответствующие оптические установки позволяют измерять величину смещения луча Dа = АА/ (теневой метод), угол є (метод Теплера) либо время запаздывания луча t (интерференционный метод). В первом приближении Dа пропорциональна второй производной показателя преломления n,є ~grad n и t ~n.
В теневом методе (рис.3) освещенность экрана определяется расстоянием от кромки ножа Фуко до оптической оси. Этот метод пригоден для изучения явлений, связанных с резким изменением показателя преломления, например, во фронте пламени предварительно перемешанных газов или в детонационной и ударной волнах.
1-источник света;
2- линзы;
3-щель;
4-нож Фуко;
5-экран.
Свет от источника выходит параллельным пучком из объектива, проходящего через оптическую неоднородность. В случае d2n/dx2>0, на экране видны светлые и затененные места в результате перераспределения света шлирой. Метод позволяет получить тенеграмму исследуемого объекта сравнительно больших размеров, но, к сожалению, не пригоден для количественных исследований структуры оптических неоднородностей.
В методе Теплера (шлирен-методе) отклонения света смещает изображение источника и обуславливает изменение освещение изображения некоторой точки исследуемого поля на экране (рис. 4). Источник света S помещен в фокусе вогнутого зеркала М1, так что исследуемый объект освещенный параллельным пучком света. Второе зеркало М2 дает изображение источника в фокусной плоскости К, за которой расположена фокусная линза L, дающая изображение на экране Э или фотопластинке. Если градиент коэффициента преломления отсутствует (или равномерен в пределах разложения) на всей рабочей части, то отдельные изображения источника совпадут.
При возникновении градиента неоднородности изображение смещается в фокусе плоскости К. Для обнаружения этого смещения в методе Теплера применяется прямоугольный источник света, а в фокусной плоскости К помещается кромка ножа Фуко. Она расположена так, что в отсутствие оптических возмущений освещение экрана равномерно. Если при появлении оптической неоднородности (возмущения) часть изображения источника смещается, то освещенность этой части изображения на экране уменьшается или возрастает на величину, пропорциональную градиенту показателя преломления, в зависимости от того, направлено ли отклонение в сторону непрозрачной части ножа или в противоположную.
Методы, основанные на упругом рассеивании света.
Упругое рассеивание света на мелких частицах легло в основу получивших широкое распространение лазерных анемометров. Метод измерения скоростей основан на использовании эффекта Доплера. Если на исследуемую часть потока, содержащую рассеивающие свет частицы, направить монохроматическое излучение с частотой n0, то частота рассеянного света в направлении наблюдателя nн изменится на Dnд:
Dnд = n0 - nн = 1/2p(Кн –К0)U = 1/2pКU,
где К0 и Кн –волновые спектры падающего рассеивающего излучения,
К = Кн – К0 - вектор скорости рассеивающих частиц.
Термопарный метод.
К основным преимуществам данного метода следует отнести то, что термо-э.д.с. может быть измерена с весьма высокой точностью и что возможно изготовить весьма малые термопары (микротермопары). Последнее обстоятельство позволит достичь высокой разрешающей способности и значительно уменьшить погрешности, обусловленные аэродинамическими возмущениями, возникающие при внесении термопары в пламя.
Первые экспериментальные исследования термопары пламен были выполнены методом зондирования фронта тонкими (20мкм) термопарами. Наряду с термопарами применяли и термометры сопротивления, а также, методы оптической интерферометрии, пневматического зонда, треков, поглащения радиации и радиационной пирометрии. Но все же метод с термопарами предпочтительнее, так как сочетает высокую точность измерения локальной температуры с хорошим пространственным разрешением.
При очень высоких температурах пламен термопарный метод лучше не применять по следующим причинам:
1) при температуре 1770 – 2270 К материал обычно используемых термопар разрушаемых;
2) при высоких температурах растут радиационные потери, а способы ведущие к их уменьшению, приводят к значительному уменьшению измерительной аппаратуры;
3) при больших скоростях потоков значительными и трудно учитываеми становятся погрешности, обусловленые аэродинамическими искажениями;
4) внесение термопары в пламя может повлиять на химические процессы в пламенах;
5) при быстро меняющихся температурах термопарный метод непригоден вследствие инертности термопар.
Спектроскопия пламен.
УФ- и ИК-спектроскопия пламен.
Превращение молекул топлива во фронт пламени сопровождается испусканием света в различных спектральных областях. Поэтому спектроскопия пламен, как бесконтактный метод, с давних пор была главным инструментом исследования процессов горения.
Обнаружение и идентификация спектров неизвестных активных частиц, существование которых не доказано, но участие их в процессах горения предполагается на основе косвенных данных, все еще остается задачей современной спектроскопии.
Спектр углеводородных пламен в видимой УФ области содержит яркие системы полос ОН, СН и полосы Свана.
В УФ-области есть также система полос НСО и СН2О. Излучение этих молекул обусловлено ярким окрасом фронта пламени.
В ИК-спектрах углеводородных пламен присутствуют яркие полосы излучения молекул воды и диоксида углерода.
Обшая характеристика методов лазерной спектроскопии.
В настоящее время широкое распространение получили лазерные методы исследования пламен. Чрезвычайно высокая плотность энергии, полученная в лазерах, а также довольно большая длина когерентности послужила основой для развития следующих методов:
1) внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС);
2) спектроскопии лазерно-индуцированной флуоресценции (СЛИФ);
3) спектроскопии спонтанного комбинированного рассеивания (ССКР);
4)спектроскопии когерентного антистоксового комбинационного рассеивания (СКАКР);
5) оптогальванической лазерной спектроскопии (ОГЛС);
6) спектроскопии лазерного магнитного резонанса (СЛМР).
Лазерные методы.
Зондирование пламени пробоотборниками.
Введение зонда в неравновесную среду, какой является зона фронта пламени, вызывает ряд опасений но они не всегда оправдываются.
Зонд представляет собой кварцевую трубку с оттянутым капилляром в форме усеченного конуса с углом раствора 10-15°. Общая длина капилляра до 8 мм, внутренний диаметр его входного отверстия 35 мкм, а наружный не превышает 100-350 мкм.
Такая конструкция зонда позволяет вводить его в пламя без какого-либо влияния на фронт.
ЭПР -спектроскопический метод.
Метод ЭПР позволяет измерять концентрацию атомов и радикалов в пламенах. Пламя помещают под резонатором радиоспектрометра. Важно не допускать изгиба в трубке пробоотборника, т.к. всякое торможение скорости потока приводит к потерям активных частиц из-за их гибели на стенках. Внутреннюю поверхность кварцевой трубки, ведущей от пробоотборника к резонатору, следует обрабатывать фтористоводородной кислотой, а затем насыщенным раствором тетрабората калия.
Схема установки для ЭПР -спектроскопического зондирования пламен:
1-пробоотборник;
2-магнит спектрометра;
3-резонатор;
4-сосуд с жидким азотом;
5-монометр;
6-горелка с пламенем;
7-форбалон.
Метод резонансной флуоресценции.
Основным инструментом лазерной спектроскопии является лазер с перестраивающейся частотой, в частности, лазеры на основе органических красителей. В настоящее время благодаря использованию большого числа органических красителей (несколько сотен) с помощью таких лазеров удается генерировать излучение с любой длины волны от 0.34 до 1.2 мкм.
Удваивая частоту генерации на кристаллах КДР можно получить перестраиваемое излучение в УФ -области спектра.
Сейчас разработано много методов лазерной спектроскопии. Это – абсорбционный, оптико-акустический, метод комбинационного рассеивания. Остановимся на двух наиболее перспективных для исследования пламен: методе резонансной флуоресценции и внутрирезонансной лазерной спектроскопии. Флуоресцентный метод основан на регистрации флуоресценции, возникающей при поглощении веществом энергии лазерного пучка. Метод регистрирует квантовые переходы атомов, молекул, сопровождающиеся распадом частиц в возбужденных состояниях.
1- зеркала;
2- УФ- фильтр;
3- КДР- кристалл для удвоения частоты;
4- полупрозрачное зеркало;
5- импульсная лампа;
6- кювета с красителем;
7- эталоны Фабри-Перо;
8- зеркало;
9- реакционный сосуд;
10-ФЭУ;
11-монохроматор;
12-осциллограф.
Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия.
Весьма эффективен лазерный метод высокочувствительного обнаружения слабых линий поглощения, основанный на помещении внутрь резонатора многоходового лазера с широкой полосой поглощения среды со слабым поглощением внутри полосы усиления лазера. Этот метод был продемонстрирован в экспериментах с импульсным лазером на неодимовом стекле, взятом для возбуждении флуоресценции на красителе. Когда ячейка помещена внутрь резонатора, слабое поглощение на отдельных частотах приводит к перераспределению интенсивности излучения в различных модах. Моды, попавшие внутрь слабых линий поглощения, подавляются, т.е. происходит селективное их тушение. Это приводит к резким провалам в спектре излучения лазера, которых нетрудно обнаружить с помощью обычного спектрографа.
Схема установки внутрирезонаторной спектроскопии:
1- резонатор лазера на красителях;
2- кювета с красителем;
3- поглощаемый слой;
4- поворотное зеркало;
5- спектрограф.
Высокая чувствительность метода внутрирезонаторного поглощения сравнительно с методом измерения однопроходного поглощения вне резонатора достигается за счет многократного прохождения излучения за время генерации через поглощенную среду. Эффективная длина пути в поглощающем веществе определяется произведением скорости света на время генерации лазера и достигает 30 нм. Например, при возбуждении молекул красителя с помощью лазера на неодимовом стекле (τ=10-3 с), удается обнаружить чрезвычайно слабые линии поглощения молекул (NH3, HN3, CO2, C2H2 и т.д. ) обусловленные колебательно-вращательными переходами в области 9380 - 9480 см-1 с коэффициентом поглощения 10-7. Следует отметить, что метод внутрирезонаторного поглощения обладает очень высоким временным разрешением – менее 10-6 , что делает его очень перспективным для регистрации короткоживущих продуктов химических реакций радикалов и нестабильных молекул.
Лазерный магнитный резонанс (ЛМР).
Схема лазерного спектрометра магнитного резонанса с внутренним поглощением:
1- магнит;
2- модуляционные катушки;
3- прерыватель;
4- диэлектрический расщепит ель;
5- лазерная труба;
6- поглощающая труба.
Резонатор образован зеркалами С и Д. Полиэтиленовый вращающийся лучерасщепитель 4 (толщина 0.5 мм) делает излучение лазера линейно поляризованным. Вращение лучеращепителя позволяет создать распределение поляризации по отношению к внешнему магнитному полю. Отраженная мощность от лучеращепителя попадает на детекторы А и В. Детектор А служит для удержания частоты лазера на вершине контура. Детектор В регистрирует сигнал поглощения. Модуляционная катушка 2, надетая на полюсы магнита 1 создает магнитную модуляцию частотой 83 Гц. В качестве детектора использована ячейка Голея. Сигнал с этой ячейки подавался на фазовый детектор.
ЛМР подобен двум другим методам магнитной спектроскопии: ЭПР и ЯМР. Метод ЯМР основан на резонансном поглощении веществом радиочастотного излучения, которое обусловлено энергетическими переходами между уровнями ядерного спина. По методу ЭПР наблюдают резонансное поглощение в области более коротких длин волн (0.1 – 10 см), которые обусловлены переходами между уровнями электронных спинов. В лазерном магнитном резонаторе используется излучение лазеров в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах, чтобы вызвать резонансные переходы между вращательными или колебательно-вращательными уровнями в парамагнитных молекулах.
Разнообразие лазеров позволило создать лазерные спектрометры магнитного резонанса (ЛСМР) с различным диапазоном, такие спектрометры отличаются по некоторым техническим особенностям, но общая их структура одинакова.
Масс-спектрометрия молекулярного пучка.
Использование молекулярного пучка для исследования пламен устраняет некоторые недостатки микрозондовой техники. Например, процессы протекающие на стенке пробоотборника исключаются полностью, поскольку частицы в молекулярном пучке не соударяются. Это преимущество позволяет определять в пламенах концентрации атомов, радикалов и пероксидов, что невозможно при использовании микрозонда.
Бревер применил метод масс-спектрометрии молекулярного пучка для исследования структуры пламен, горящих при атмосферном давлении и больших давлениях.
Установка состоит из двух последовательно расположенных осесимметричных конусов и связанных с ними соосно двух коллимационных щелей, за которыми следует ионизационная коробка масс-спектрометрического анализатора. Несмотря на значительные успехи теоретических работ, посвященных вопросу формирования молекулярного пучка, все же оптимальное расстояние между вершинами конусов, как и оптимальный угол раствора конусов продолжают оставаться эмпирически подбираемыми величинами. Вся система помещается в секционированную трубу, из которой ведется непрерывная секционная откачка с нарастанием глубины вакуума от секции к секции. Например, в пространстве между входным конусом и скиммером давление не должно быть меньше (4-2,7)* 10-1 Па. Молекулярный пучок формируется скиммером и после первой диафрагмы модулируется, что обеспечивает значительное улучшение отношения полезного сигнала анализатора к сумме разнообразных шумов.
Схема формирования молекулярного пучка:
1- входной конус;
2- скиммер;
3- щели коллиматоров;
4- заслонка;
5- щели масс- спектрометра;
6 электронный пучок.
Чувствительность установки зависит от интенсивности молекулярного пучка и чувствительности масс-спектрального анализатора. Этим методом удается обнаружить в пламенах частицы с концентрацией 1013 см-3.
Применение этого метода для исследования пламен, однако, создает некоторые неудобства и имеет недостатки.
Частью они обусловлены формой напускного конуса, геометрические параметры которого определяются оптимальными условиями формирования молекулярного пучка, но эти условия являются неблагоприятными для зондирования пламен.
Так при введении в пламя входного конуса с оптимальным углом раствора возникают аэродинамические и тепловые помехи. Однако Биорди с сотрудниками установили, что входной конус с углом раствора 60 градусов позволяет производить отбор проб с точностью, не уступающей микропробоотборнику. Благодаря быстродействию (время формирования пучка составляет с, что меньше времени релаксации и гибели подавляющего числа известных радикалов) этот метод в ряде случаев остается единственным для исследования быстропротекающих процессов.
ВЫВОД.
Применение различных методов диагностики пламен позволяет получать исследователям разнообразные данные, несущие информацию о таких характеристиках пламени, как: температура, концентрация различных веществ, соединений и заряженных частиц; получать сведения о температурных, концентрационных полях, структуре пламени, полях скоростей. Каждая методика исследования имеет свои рамки применения, свои достоинства и недостатки. Полученная в результате применения этих методик информация используется учеными в дальнейшем развитии науки о горении – ложится в основу новых теорий, а также является критерием проверки существующих. Также, некоторые методы диагностики пламени играют важную роль в сфере промышленного использования процессов горения как базовый инструмент средств контроля определенных параметров технологического процесса.
Развитие методов диагностики пламен обуславливалось как развитием представлений о физике протекающих процессов, совершенствованием существующих методик, так и появлением принципиально новых приборов, становившихся базой для передовых методик диагностики.
В настоящее время развитие электроники и компьютерной техники позволяет, как улучшать техническую базу существующих устройств диагностики, так и конструировать новые автоматические комплексы для регистрации и обработки экспериментальных данных, оказывающих значительную помощь в научно-исследовательской работе.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Ксандопуло Г.И., “Фронт пламени и ингибирование процессов горения”— Автореферат, Алма-Ата, 1974.
2. Ксандопуло Г.И.,“Химия горения”¾ М.: Химия, 1980г.
3. Ксандопуло Г.И., Дубинин В.В. Химия газофазного горения;
М: Химия, 1987г.
4. ГарднерУ.мл, Химия горения¾ М: Мир,1988г.
Страницы: 1, 2
