Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Люминофорная термометрия - это оптический метод измерения температуры поверхности. В методе используется люминесценция, излучаемая люминофорным материалом. Люминофоры представляют собой мелкие неорганические порошки белого или пастельного цвета, которые можно стимулировать любым из множества средств к люминесценции, то есть излучению света. Некоторые характеристики излучаемого света меняются с температурой, включая яркость, цвет и продолжительность послесвечения. Последний чаще всего используется для измерения температуры.

Временная зависимость люминесценции [ править ]

Разность фаз между выходом светодиода и люминесценцией.

Обычно ультрафиолетовая лампа или лазерный источник света кратковременного действия освещает люминофорное покрытие, которое, в свою очередь, заметно светится. Когда источник освещения прекращается, свечение будет сохраняться в течение характерного времени, неуклонно уменьшаясь. Время, необходимое для уменьшения яркости до 1 / е от исходного значения, известно как время затухания или время жизни и обозначается как . Это функция температуры T.

Интенсивности , я люминесценции обычно затухает экспоненциально , как:

Где I 0 - начальная интенсивность (или амплитуда).

Было показано, что датчик температуры, основанный на прямом измерении времени распада, достигает температуры 1600 ° C. [1] В этой работе легированный YAG-люминофор был выращен на нелегированном YAG-волокне, чтобы сформировать монолитную структуру для зонда, а лазер использовался в качестве источника возбуждения. Впоследствии были реализованы другие варианты с использованием светодиодов в качестве источника возбуждения. Эти устройства могут измерять температуру до 1000 ° C и используются в системах микроволновой и плазменной обработки. [2]

Если источник возбуждения периодический, а не импульсный, то временной отклик люминесценции будет соответственно другим. Например, существует разность фаз между синусоидально изменяющимся сигналом светоизлучающего диода (LED) с частотой f и возникающей флуоресценцией (см. Рисунок). Разность фаз изменяется в зависимости от времени затухания и, следовательно, от температуры следующим образом:

Температурная зависимость эмиссионных линий: соотношение интенсивностей [ править ]

Второй метод определения температуры основан на соотношении интенсивностей двух отдельных эмиссионных линий; изменение температуры покрытия отражается изменением спектра фосфоресценции. [3] [4] Этот метод позволяет измерять распределение температуры поверхности. [5] Метод отношения интенсивностей имеет то преимущество, что загрязненная оптика мало влияет на измерения, поскольку он сравнивает отношения между линиями излучения. На эмиссионные линии в равной степени влияют «грязные» поверхности или оптика.

Температурная зависимость [ править ]

К рисунку справа относятся несколько наблюдений:

  • Оксисульфидные материалы демонстрируют несколько разных линий излучения, каждая из которых имеет различную температурную зависимость. Замена одного редкоземельного элемента на другой, в этом случае изменение La на Gd, приводит к сдвигу температурной зависимости.
  • Материал YAG: Cr (Y 3 Al 5 O 12 : Cr 3+ ) показывает меньшую чувствительность, но охватывает более широкий температурный диапазон, чем более чувствительные материалы.
  • Иногда времена затухания остаются постоянными в широком диапазоне, прежде чем они становятся зависимыми от температуры при некотором пороговом значении. Это иллюстрируется кривой YVO 4 : Dy; это также справедливо для некоторых других материалов (не показаны на рисунке). Производители иногда добавляют второй редкоземельный элемент в качестве сенсибилизатора. Это может усилить излучение и изменить характер температурной зависимости. Кроме того, галлий иногда заменяют часть алюминия в YAG , что также изменяет температурную зависимость.
  • Спад излучения люминофоров диспрозия (Dy) иногда не является экспоненциальным со временем. Следовательно, значение, присвоенное времени затухания, будет зависеть от выбранного метода анализа. Этот неэкспоненциальный характер часто становится более выраженным с увеличением концентрации легирующей примеси.
  • В высокотемпературной части два образца фосфата лютеция представляют собой монокристаллы, а не порошки. Однако это мало влияет на время распада и его температурную зависимость. Однако время затухания данного люминофора зависит от размера частиц, особенно менее одного микрометра.

На люминесценцию термографических люминофоров влияют и другие параметры, например энергия возбуждения, концентрация примеси или состав или абсолютное давление окружающей газовой фазы. Следовательно, необходимо соблюдать осторожность, чтобы эти параметры оставались постоянными для всех измерений.

Применение термографического люминофора в термобарьерном покрытии [ править ]

Теплозащитное покрытие (ТПГ) позволяет компонентам газовой турбины , чтобы выжить более высокие температуры в горячем участке двигателей, в то время как имеющие приемлемые времена жизни. Эти покрытия представляют собой тонкие керамические покрытия (несколько сотен микрометров), обычно на основе оксидных материалов.

В ранних работах рассматривалась интеграция люминесцентных материалов в качестве датчиков эрозии в TBC. [6] Понятие «термобарьерное покрытие сенсора» (сенсор TBC) для определения температуры было введено в 1998 году. Вместо нанесения слоя люминофора на поверхность, где необходимо измерить температуру, было предложено локально изменить состав. TBC так, чтобы он действовал как термографический люминофор, а также как защитный тепловой барьер. Этот двойной функциональный материал позволяет измерять температуру поверхности, но также может служить средством измерения температуры внутри TBC и на границе раздела металл / верхнее покрытие, что позволяет изготавливать интегрированный датчик теплового потока. [7] Первые результаты по диоксиду циркония, стабилизированному оксидом иттрия.совместно легированные порошками европия (YSZ: Eu) были опубликованы в 2000 году. [8] Они также продемонстрировали подповерхностные измерения, просматривая 50 мкм нелегированный слой YSZ и детектируя фосфоресценцию тонкого (10 мкм) слоя YSZ: Eu ( двухслойная система) снизу с использованием техники ESAVD для создания покрытия. [9] Первые результаты по физическому осаждению ТВП из паровой фазы электронным пучком были опубликованы в 2001 году. [10] Испытываемое покрытие представляло собой однослойное покрытие из стандартного YSZ, совместно легированного диспрозией (YSZ: Dy). Первая работа по промышленным системам покрытия сенсоров с плазменным напылением в атмосфере (APS) началась примерно в 2002 году и была опубликована в 2005 году [11].Они продемонстрировали возможности покрытий датчиков APS для двумерных измерений температуры на месте установки горелок с использованием высокоскоростной системы камер. [12] Кроме того, были продемонстрированы возможности измерения температуры покрытий датчиков APS при температуре свыше 1400 ° C. [13] Были представлены результаты по многослойным сенсорным ТВП, позволяющим одновременно измерять температуру под и на поверхности покрытия. Такое многослойное покрытие можно также использовать в качестве измерителя теплового потока для контроля теплового градиента, а также для определения теплового потока через толщину ТВП в реальных условиях эксплуатации. [14]

Применение термографических люминофоров в БП [ править ]

В то время как ранее упомянутые методы сосредоточены на обнаружении температуры, включение фосфоресцирующих материалов в покрытие теплового барьера также может работать как микрозонд для обнаружения механизмов старения или изменений других физических параметров, которые влияют на локальное атомное окружение оптического активного ион. [7] [15] Было продемонстрировано обнаружение процессов горячей коррозии в YSZ из-за воздействия ванадия. [16]

Термографические люминофоры как материалы с температурной памятью [ править ]

Видео: применение термографических люминофоров [ править ]

Покрытие сенсора фосфоресценции для онлайн-определения температуры

См. Также [ править ]

  • Флуоресценция
  • Свечение
  • Фотолюминесценция
  • Термометр
  • Термометрия

Ссылки [ править ]

  1. ^ JL Kennedy и N. Djeu (2002), "Работа Yb: YAG волоконно-оптического датчика температуры до 1600 ° C", Датчики и исполнительные механизмы A 100 , 187-191.
  2. ^ Коммерциализируется MicroMaterials, Inc. под патентами США 6,045,259 и 9,599,518 B2.
  3. ^ JP Собачонок & Л. Хейес (2000). «Характеристики порошка Y2O2S: Sm как термографического люминофора для высокотемпературных применений». Измерительная наука и технология . 11 (7): 942–947. Bibcode : 2000MeScT..11..942F . DOI : 10.1088 / 0957-0233 / 11/7/310 .
  4. ^ LP Госс, А. А. Смит и ME Post (1989). «Термометрия поверхности методом лазерно-индуцированной флуоресценции». Обзор научных инструментов . 60 (12): 3702–3706. Bibcode : 1989RScI ... 60.3702G . DOI : 10.1063 / 1.1140478 .
  5. ^ JP Feist, AL Heyes и S. Seefeldt (2003). «Термографическая люминофорная термометрия для исследований пленочного охлаждения в камерах сгорания газовых турбин». Журнал власти и энергетики . 217 (2): 193–200. DOI : 10.1243 / 09576500360611227 .
  6. ^ К. Амано, Х. Такеда, Т. Сузуки, М. Таматани, М. Ито и Ю. Такахаши (1987), « Термобарьерное покрытие» Патент США № 4,774,150.
  7. ^ а б К-Л. Чой, А.Л. Хейес и Дж. Файст (1998), « Термобарьерное покрытие с термолюминесцентным индикаторным материалом, встроенным в него» Патент США 6,974,641.
  8. ^ JP Собачонок & Л. Хейес (2000). «Оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, легированный европием для высокотемпературной люминофорной термометрии». Труды института инженеров-механиков . 214, Часть L: 7–11.
  9. ^ KL. Чой; JP Feist; А.Л. Хейес; Б. Су (1999). «Пленки люминофора Y2O3, легированные Eu, полученные методом электростатического химического осаждения из газовой фазы». Журнал материаловедения . 14 (7): 3111–3114. Bibcode : 1999JMatR..14.3111C . DOI : 10.1557 / JMR.1999.0417 .
  10. ^ JP Собачонка, А. Л. Хейес и JR Николс (2001). «Термометрия люминофора в электронно-лучевом осаждении из паровой фазы дает термобарьерное покрытие, легированное диспрозием». Труды института инженеров-механиков . 215 Часть G (6): 333–340. DOI : 10.1243 / 0954410011533338 .
  11. ^ X. Чен; З. Мутасим; Дж. Прайс; JP Feist; А.Л. Хейес; С. Зеефельдт (2005). «Промышленные датчики TBC: исследования по обнаружению температуры и долговечности». Международный журнал прикладных керамических технологий . 2 (5): 414–421. DOI : 10.1111 / j.1744-7402.2005.02042.x .
  12. ^ А.Л. Привет; С. Зеефельдт; Дж. П. Файст (2005). «Двухцветная термометрия для измерения температуры поверхности». Оптика и лазерные технологии . 38 (4–6): 257–265. Bibcode : 2006OptLT..38..257H . DOI : 10.1016 / j.optlastec.2005.06.012 .
  13. ^ JP Feist, JR Nicholls, MJ Fraser, AL Heyes (2006) «Композиции и структуры люминесцентных материалов, включающие один и тот же» Патент PCT / GB2006 / 003177
  14. ^ RJL Steenbakker; JP Feist; Р.Г. Веллманн; Дж. Р. Николлс (2008). «Sensro TBC: дистанционный мониторинг состояния покрытий EB-PVD на месте при повышенных температурах, GT2008-51192». Материалы выставки ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea and Air, 9–13 июня, Берлин, Германия . DOI : 10.1115 / GT2008-51192 .
  15. ^ AM Srivastava, AA Setlur, HA Comanzo, JW Devitt, JA Ruud и LN Brewer (2001) «Аппарат для определения условий эксплуатации в прошлом и оставшегося срока службы термобарьерных покрытий и компонентов, имеющих такие покрытия» Патент США 6730918B2
  16. ^ JP Feist и AL Heyes (2003) «Покрытия и оптический метод обнаружения процесса коррозии в покрытиях» GB. Патент 0318929.7

Дальнейшее чтение [ править ]

  • КТВ Граттан; З.Ы. Чжан (1995). Волоконно-оптическая флуоресцентная термометрия . Springer. ISBN 0-412-62470-2.
  • SW Allison & GT Gillies (1997). «Дистанционная термометрия с термографическим люминофором: приборы и приложения». Обзор научных инструментов . 68 (7): 2615–2650. Bibcode : 1997RScI ... 68.2615A . DOI : 10.1063 / 1.1148174 .
  • А.Х. Халид и К. Контис (2008). «Термографические люминофоры для высокотемпературных измерений: принципы, современное состояние и недавние применения» . Датчики . 68 (8): 5673–5744. DOI : 10.3390 / s8095673 . PMC  3705526 . PMID  27873836 .
  • Доктор медицины Чемберс и доктор Кларк (2009). «Легированные оксиды для высокотемпературной люминесценции и долговременной термометрии». Ежегодный обзор исследований материалов . 39 (7): 325–359. Bibcode : 2009AnRMS..39..325C . DOI : 10,1146 / annurev-matsci-112408-125237 .
  • М. Алден; А. Омран; М. Рихтер и Г. Сарнер (2011). «Термографические люминофоры для термометрии: обзор приложений горения». Прогресс в области энергетики и горения . 37 (4): 422–461. DOI : 10.1016 / j.pecs.2010.07.001 .
  • Й. Брюбах; К. Пфлич; А. Драйзлер и Б. Атакан (2011). «Об измерениях температуры поверхности с помощью термографических люминофоров: обзор». Прогресс в области энергетики и горения . 39 : 37–60. DOI : 10.1016 / j.pecs.2012.06.001 .
  • Британцы, CDS; Millan, A .; Карлос, LD (2016). «Глава 281: Лантаноиды в люминесцентной термометрии». В Бюнцли Жан-Клод; Печарский, Виталий К. (ред.). Справочник по физике и химии редких земель . Эльзевир. С. 339–427. DOI : 10.1016 / bs.hpcre.2016.03.005 . ISBN 978-0-444-63699-7.
  • Драмичанин, Мирослав (2018). Люминесцентная термометрия: методы, материалы и приложения (1-е изд.). ISBN 978-0-08-102029-6. Проверено 20 ноября 2019 года .
  • SW Эллисон (2019). «Краткая история люминофорной термометрии». Измерительная наука и технология . 30 (7): 072001. Bibcode : 2019MeScT..30g2001A . DOI : 10,1088 / 1361-6501 / ab1d02 .