火焰溫度測量

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1、火焰溫度測量方法分析聶偉（學(xué)號：SA14168089）1.引言眾所周知，火焰溫度很高，一般很難直接精確測量。但由于火焰溫度是燃燒過程中的重要熱力參數(shù)之一。因此，對火焰溫度測試技術(shù)的研究具有非常大的意義，當(dāng)前，國家正大力改善自然環(huán)境，尤其是招手治理空氣污染，在汽車工業(yè)方面提出降低汽車尾氣排放，鼓勵開發(fā)設(shè)計高效新型低污染發(fā)動機(jī)，在煤電產(chǎn)業(yè)中提出要提高電站煤炭燃燒的效率，這都與火焰溫度測量密不可分。在高音時飛行器的研發(fā)過程中，要求其發(fā)動機(jī)有足夠的功率，而發(fā)動機(jī)的功率可由發(fā)動機(jī)火焰溫度來間接說明，以及發(fā)動機(jī)等部分

2、的材料選取都在一定程度上受到火焰溫度的限制，所以火焰溫度測量不論是在國民生產(chǎn)中，還是在國防建設(shè)中都具有重要的作用。2.火焰溫度的分類根據(jù)火焰輻射光譜的不同特點，火焰光譜可分為發(fā)光火焰和透明光譜，發(fā)光火焰輻射連續(xù)光譜，輻射光波長范圍在-，在可見光頻帶內(nèi)有輻射；透明火焰輻射帶狀或線狀光譜，范圍多在紅外區(qū)段。而根據(jù)火焰結(jié)構(gòu)的不同，火焰可分為預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰，預(yù)混火焰的特點是：氣態(tài)的燃燒劑和氧化劑在進(jìn)入火焰反應(yīng)區(qū)前已經(jīng)混合均勻。由于其傳播速度受化學(xué)反應(yīng)和流動力學(xué)過程的控制，預(yù)混火焰又分為湍流和層流預(yù)混火焰兩種類

3、型；擴(kuò)散火焰的特點是：氣態(tài)的燃燒劑和氧化劑在進(jìn)入火焰反應(yīng)區(qū)前處于分離狀態(tài)，在進(jìn)入反應(yīng)區(qū)后經(jīng)混合后再燃燒。3.火焰溫度的測量方法火焰溫度的測量方法根據(jù)火焰的不同類型有不同的方法，在實際應(yīng)用中主要有接觸式測溫額非接觸式測溫方法，接觸式測溫法包括熱電偶測溫和光纖測溫，非接觸式測溫包括成像法、激光光譜法、輻射法和聲波法。如圖1所示：53.1接觸式測溫接觸式測溫，具有代表性的就是熱電偶測溫。熱電偶由不同材料的金屬合金導(dǎo)體構(gòu)成，當(dāng)導(dǎo)體兩端存在溫度差異時，會產(chǎn)生電勢差，而此電勢與導(dǎo)體兩端的溫度差呈數(shù)關(guān)系。當(dāng)熱電偶的熱端

4、與被測對象達(dá)到熱平衡，另一端處于恒定已知溫度時，就可以通過電勢差推算出被測對象的溫度。微型熱電偶測溫分為嵌入熱電偶法和表面拉緊熱電偶法。利于熱電偶測溫具有結(jié)構(gòu)簡單，測量可靠的優(yōu)點。但是，熱電偶用于火焰溫度的測量存在著以下缺點：需要直接接觸被測火焰，現(xiàn)在采用的熱電偶一般為鉑銠—鉑或鎢錸—鎢熱電偶，一般來說只能測低壓（<=2.85Mpa）下的溫度分布。而且，浸沒在火焰中的熱電偶頭容易被吹斷；金屬熱電偶絲耐高溫有限度，難以尋求到高熔點的材料滿足高溫火焰的測量；動態(tài)特性差，響應(yīng)速度慢；動溫補償困難，測得的只是偶頭

5、周圍火焰氣體的滯止溫度；由于處于火焰之中，需經(jīng)受各種惡劣條件，如氧化、還原、燒蝕等考驗；當(dāng)被測火焰很小時，熱偶頭與燃燒區(qū)相比顯得太大，較大的破壞了溫度的原始分布，熱偶頭會干擾化學(xué)反應(yīng)，甚至參與到反應(yīng)當(dāng)中，引起較大的誤差；熱電偶測溫屬于點測溫，無法獲得瞬時溫度場分布；缺乏有效的標(biāo)定溫度源。5接觸式測溫中還包括光纖測溫法，其主要是利用不同材料的光導(dǎo)纖維具有的不同的光傳輸特性來測量被測對象溫度。雖然其不存在參與火焰化學(xué)反應(yīng)的問題，但是仍存在同熱電偶一樣的其它問題。高溫火焰中燃燒產(chǎn)物發(fā)生電離，形成稠密不均電離的離

6、子體射流，當(dāng)外加電場時，等離子體中的離子和電子定向運動產(chǎn)生電流。等離子體法就是根據(jù)電流的大小反應(yīng)溫度差別的原理測量溫度的。但是這種方法易受干擾，且計算復(fù)雜。3.2非接觸式測溫非接觸式測溫從原理上可以簡單劃分為聲波法和光學(xué)法兩類。聲波法分為聲速法和微波衰減法。聲速法，顧名思義，是通過探測聲波在燃燒火焰氣體中的傳播速度進(jìn)而測量火焰氣體的溫度，適合于已知氣體的溫度測量。但是需要考慮燃燒物的化學(xué)反應(yīng)，計算過程復(fù)雜。微波衰減法屬于主動式測溫，通過測量入射微波通過火焰后的衰減程度進(jìn)而測量火焰氣體的溫度。該方法測得的是

7、微波傳播方向上的加權(quán)平均溫度。為產(chǎn)生足夠的自由電子，需要在火焰中插入一定量的高氯酸鉀，破壞了被測火焰的組分和熱平衡狀態(tài)。光學(xué)法種類繁多，可分為成象法、激光光譜法及輻射法。干涉儀法、紋影法、激光散斑照相法以及激光全息干涉法都屬于成象法，都是利用光的干涉原理來測量火焰的溫度場。它們的原理是將流場中各處折射率的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N光參量的變化，記錄在感光膠片上，從而進(jìn)行定量或者定性的分析。需要指出的是，這幾種方法測得的都是光傳輸路徑上的平均溫度。激光光譜法中具有代表性的就是瑞利散射和拉曼散射光譜法。當(dāng)單色輻射頻率的激

8、光通過一透明物體時，會發(fā)生散射現(xiàn)象，即有少量光線偏離原傳播方向。如果散射的光線大部分頻率不變，該散射成為彈性散射；相反，如果散射的光線頻率發(fā)生改變，則稱為非彈性散射。彈性散射分為瑞利散射和米氏散射；非彈性散射也稱為拉曼散射。拉曼散射分為自發(fā)拉曼散射和受激拉曼散射，上述非彈性散射屬于受激拉曼散射。無論是瑞利散射還是拉曼散射光譜法，它們都是根據(jù)光譜的光強來得到火焰氣體溫度。瑞利散射光譜法不能直接提供有關(guān)組分的信息，并且受顆粒米氏散