Люминесцентные методы измерения температуры

Министерство образования и науки Республики Казахстан Карагандинский Государственный Университет им. Е.А. Букетова Кафедра Теплофизики КУРСОВАЯ РАБОТА по оптике на тему Люминесцентные методы измерения температуры Подготовила студентка гр. ЗМиФ-46 Ютландова В.Ю. Проверила Карицкая С.Г. Караганда,

2004 Содержание Введение 1. Понятие люминесценции 1. Возникновение люминесценции 2. Классификация процессов люминесценции 3. Закономерности люминесценции 2. Люминесцентные методы измерения температуры 1. Волоконно-оптические датчики 2. Люминесцентные покрытия 3. Области применения люминесцентных методов измерения температуры 15

Заключение 17 Список использованных источников 18 Введение Температура оказывает влияние на многие процессы и реакции, протекающие в природе, осуществляемые в лабораториях и на промышленных предприятиях. Измерения температуры по оценкам специалистов составляют 50 от общего числа всех измерений на производстве. В связи с этим измерение температуры приобретает очень большое значение. В частности, температура определяет протекание процессов, состояние технологических

аппаратов и режимы их функционирования. Температура - одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ, характеризующая степень нагретости тела. Это статистически формирующаяся термодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела, носителями которой являются атомы и молекулы. При этом температуру определяет их кинетическая энергия движения.

В отличие от других параметров, характеризующих состояние вещества, измерение температуры можно производить только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Например, такой физической величиной может быть объем вещества, давление, электрическое сопротивление или другой параметр, зависящий от температуры. При этом необходимо, чтобы изменение используемого параметра было связано с температурой функциональной

зависимостью, близкой к линейной эта связь должна наименьшим образом искажаться из-за воздействия других параметров процесса, точно и просто воспроизводиться при градуировании измерительного прибора. Обычно, измеряемые температуры лежат в интервале от -273 до 3000 С, поэтому для измерения температуры во всех возможных случаях необходимы разные средства и методы измерений, к которым в зависимости от поставленной задачи измерения выдвигаются существенно различные требования,

касающиеся точности измерения. Все эти факты приводят к дополнительным трудностям при выборе метода измерения такого параметра как температура в конкретных производственных и лабораторных условиях. Известные на данный момент способы измерения температуры можно поделить на две группы контактные и бесконтактные методы. При использовании приборов первой группы например, термопар, термоанемометров, акустических анемометров др. приходится в той или иной степени принимать во внимание особенности теплообмена

между объектом, термометром и внешней средой, так как контактные термометры непосредственно контактируют с объектом, что сильно влияет на результаты измерений, внося значительные погрешности. При измерении температуры с помощью оптических методов интерферометрический, оптико-голографический и др. температурное поле объекта измерения не искажается. Кроме того, возникает возможность измерения температуры не в одной точке, а сразу по всему объему изучаемого

объекта. Наряду с этим оптические методы не имеют инерционных погрешностей, что способствует проведению точных измерений мгновенных значений. Высокая чувствительность и точность измерений обусловливают применение оптических методов в изучении сложных процессов, сопровождающихся резкими колебаниями характеристик процесса. Среди оптических методов измерения температуры, в последнее время широкое применение находит быстро развивающийся люминесцентный метод. Он основан на зависимости интенсивности свечения люминофоров

от температуры среды, в которую они помещены. Основным преимуществом этого метода является более высокая точность измерения и меньшая сложность организации процесса изучения температуры объекта по сравнению с другими способами измерения. В первой главе данной работы кратко рассматривается основной теоретический материал, связанный с понятием люминесценции. Во второй главе дается описание люминесцентных методов измерения температуры. В заключении приведены основные выводы.

1. Понятие люминесценции Люминесценция от латинского lumen - свет и -escent - суффикс, означающий слабое действие, излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний. Природные явления люминесценции - северное сияние, свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева - были известны с очень давних времен, однако систематически изучать люминесценцию стали с конца 19

века Э. и А.Беккерели, Ф.Ленард, У.Крукс и другие. Интерес к исследованию свечения различных веществ привел В.К.Рентгена к открытию рентгеновских лучей, а в 1896 году А.Беккерель, занимавшийся изучением люминофоров, открыл явление радиоактивности. В установлении основных законов люминесценции, а также в развитии ее применений исключительное значение

имели работы советской школы физиков, созданной С.И.Вавиловым. 1. Возникновение люминесценции Люминесценция может быть вызвана бомбардировкой вещества электронами и другими заряженными частицами, пропусканием через вещество электрического тока, освещением вещества видимым светом, рентгеновскими и гамма-лучами, а также некоторыми химическими реакциями в веществе. Люминесценция наблюдается во всех агрегатных состояниях - в газах, в жидкостях и в твердых телах.

Например, пары и газы O2, S2, Na2 и т.д соединения бензольного ряда, ароматические соединения, разные виды красителей, неорганические кристаллы с примесями тяжелых металлов, называемые кристаллофорами, являются люминесцентными веществами - люминофорами. В отличие от равновесного теплового излучения, люминесцентное излучение не имеет равновесного характера. Оно вызывается сравнительно небольшим числом атомов, молекул или ионов.

Под действием источника люминесценции они переходят в возбужденное состояние, и их последующее возвращение в нормальное или менее возбужденное состояние сопровождается испусканием люминесцентного излучения. Эти атомы, молекулы и ионы принято называть центрами люминесценции. Элементарный процесс люминесценции состоит из двух этапов. На первом происходит возбуждение центра люминесценции, на втором его высвечивание при переходе из возбужденного

состояния в основное или менее возбужденное. Энергия рождающегося на заключительном этапе фотона ровна, очевидно, разности энергий состояний, между которыми произошел соответствующий квантовый переход. Таким образом, центр люминесценции использует энергию возбуждения, преобразуя ее в энергию собственного излучения. Длительность свечения обусловлена длительностью возбужденного состояния, которое, помимо свойств люминесцирующего вещества, зависит от окружающей среды.

Если возбужденное состояние метастабильно, то время пребывания в нем частицы может достигать 10-4 сек, что соответственно увеличивает и длительность люминесценции. 1.2. Классификация процессов люминесценции Люминесценцию, сразу прекращающуюся после окончания действия возбудителя свечения, называют флуоресценцией. Люминесценция, сохраняющаяся длительное время после прекращения действия возбудителя свечения, называется фосфоресценцией.

Флуоресценция обусловлена переходами атомов, молекул или ионов из возбужденного состояния в нормальное. Фосфоресценция обусловлена наличием метастабильных возбужденных состояний атомов и молекул, переход из которых в нормальное состояние затруднен по тем или иным причинам. Переход из метастабильного состояния в нормальное возможен лишь в результате дополнительного возбуждения, например теплового. Разграничение на флуоресценцию и фосфоресценцию является достаточно условным.

Люминесценция под действием света называется фотолюминесценцией, под действием бомбардировки электронами - катодолюминесценцией, под действием электрического поля электролюминесценцией, под действием химических превращений - хемилюминесценцией. Известны также триболюминесценция - свечение при трении некоторых веществ, кристаллолюминесценция - свечение, возникающее при механическом сжатии кристаллов, и ионолюминесценция - свечение при прохождении ультразвуковых волн через растворы некоторых веществ.

Рис. 1 В зависимости от характера элементарных процессов, приводящих к люминесцентному излучению, различают спонтанные, вынужденные и ре-комбинационные процессы люминесценции, а также резонансную флуоресценцию. Резонансная флуоресценция наблюдается в парах атомов и состоит в спонтанном высвечивании с того же энергетического уровня, на котором оказался излучающий атом при поглощении энергии от источника люминесценции. При возбуждении резонансной флуоресценции светом имеет место резонансное излучение, переходящее в резонансное

рассеяние при увеличении плотности паров. Спонтанная люминесценция состоит в том, что под воздействием источника люминесценции вначале происходит возбуждение атомов молекул или ионов на промежуточные возбужденные энергетические уровни Е2 - Далее с этих уровней происходят излучательные, а чаще безызлучательные рис. 1 переходы на уровни, с которых излучается люминесцентное свечение. Такой вид люминесценции наблюдается у сложных молекул в парах и растворах, у примесных центров в твердых

телах. Вынужденная метастабильная люминесценция характера тем, что под действием источника люминесценции происходит переход на метастабиль-ный уровень, а затем следует переход на метастабильный уровень, а затем следует переход на уровень люминесцентного излучения рис. 2. Примером является фосфоресценция органических веществ. Рекомбинационная люминесценция представляет собой рекомбинационное излучение, которое возникает при

воссоединении тех частиц, которые были разделены при поглощении энергии от источника люминесценции в газах - радикалы или ионы, в кристаллах - электроны и дырки. Рис.2 Рекомбинационная люминесценция может происходить на дефектных или примесных центрах центры люминесценции, когда дырки захватываются на основной уровень центра, а электроны - на его возбужденный уровень. 1.3. Закономерности люминесценции 1.3.1. Правило Стокса длина волны фотолюминесценции, как правило,

больше, чем длина волны возбуждающего света. В более общей формулировке максимум спектра люминесценции смещен в длинноволновую сторону от максимума спектра поглощения. С квантовой точки зрения правило Стокса означает, что энергия hv кванта возбуждающего света частично расходуется на неоптические процессы hv hvлюм W, т.е. vлюм v или люм , где W - энергия, затраченная на различные процессы, кроме фотолюминесценции.

1.3.2. В некоторых случаях фотолюминесцентное излучение имеет в своем спектре длины волн, меньшие длины волны возбуждающего света ан-тистоксово излучение. Это явление объясняется тем, что к энергии возбуждающего фотона добавляется энергия теплового движения атомов, молекул или ионов люминофора hvлюм hvпогл akT, где а - коэффициент, зависящий от природы люминофора, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура люминофора.

Антистоксово излучение проявляется все отчетливее оп мере повышения температуры люминофора. 1.3.3. Отношение энергии люминесценции к энергии, поглощенной в стационарных условиях люминофором от источника, возбуждающего люминесценцию, называется энергетическим выходом люминесценции. Квантовым выходом фотолюминесценции называется отношение числа фотонов люминесцентного излучения к числу поглощенных фотонов возбуждающего света при фиксированной энергии последнего.

Энергетический выход фотолюминесценции возрастает прямо пропорционально длине волны л поглощаемого излучения, а затем, достигая в некотором интервале при л макс максимального значения, быстро спадает до нуля при дальнейшем увеличении закон Вавилова. С увеличением длины волны возбуждающего света растет число фотонов с энергией hv, содержащихся в данной энергии первичного излучения. Поскольку каждый фотон может вызывать появление кванта hvлюм, то с увеличением длины волны происходит

возрастание энергетического выхода при л макс объясняется тем, что энергия поглощаемых фотонов становится недостаточной для возбуждения частиц люминофора. Согласно закону Вавилова квантовый выход фотолюминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света в стоксовой области vвозб vлюм и резко падает в области антистоксова излучения vвозб vлюм. Величины квантового и энергетического выхода сильно зависят от природы люминофора и внешних условий.

Это связано с возможностью бе-зызлучательных переходов частиц из возбужденного в нормальное состояние, так называемое тушение люминесценции. Основную роль в процессах тушения играют столкновения второго рода, в результате которых энергия возбуждения переходит во внутреннюю энергию теплового движения без излучения. Имеет место также резкое уменьшение интенсивности флуоресценции при чрезмерно большой концентрации молекул люминесцирующего вещества, называемое концентрационным тушением.

В этом случае из-за сильной связи между частицами невозможно образование центров люминесценции. 1.3.4. Интенсивность свечения для спонтанной и метастабильной люминесценции изменяется с течением времени по экспоненциальному закону , где I - интенсивность свечения в момент времени t, I0 - интенсивность свечения в момент прекращения возбуждения люминесценции средняя продолжительность возбужденного состояния атомов или молекул люминофора.

Величина т имеет обычно порядок 10-9 10-8 сек. В отсутствие тушащих процессов т слабо зависит от условий и определяется в основном внутримолекулярными процессами. 1.3.5. Интенсивность рекомбинационного люминесцентного свечения изменяется с течением времени по гиперболическому закону , где а и п - постоянные величина а лежит в пределах от долей сек-1 до многих тысяч сек-1 , где I0 - интенсивность рекомбинационной люминесценции в момент ее возбуждения п заключено в пределах от 1

до 2. 2. Люминесцентные методы измерения температуры В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров, которое находит применение в различных датчиках измерения температуры и термопокрытиях. 2.1. Волоконно-оптические датчики Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных

объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике безындукционность т.е. неподверженность влиянию электромагнитной индукции малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т.д. 2.1.1. Датчик на основе теплового излучения. В качестве устройств для измерения температуры могут быть использованы волоконно-оптические датчики

на основе теплового излучения, сущность которых раскрываемая в частности в 7 состоит в следующем. Изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает тепловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксированной длине волны или в диапазоне

волн. Основным преимуществом данного способа является возможность бесконтактного измерения высоких температур. В зависимости от диапазона измеряемых температур выбирают световые детекторы и оптические волокна. Область измерения температур для волоконно-оптических датчиков излучения находится в пределах от 400 до 2000 С. При использовании оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более, можно осуществлять измерение и более низких температур.

2.1.2. Датчик на основе поглощения света полупроводником. Известны также волоконно-оптические датчики, работа которых основана на оптических свойствах некоторых полупроводников. Используемый полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения. Для света с более короткой длиной волны, чем у проводника, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны отодвигается в сторону более длинных волн около 3 нмК.

При подаче на полупроводниковый кристалл луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрестности указанной границы спектра поглощения, интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температуры будет падать. По выходному сигналу детектора, указанным методом можно регистрировать температуру. Используя данный метод можно мерить температуру в интервале от 30 до 300 С с погрешностью 0,5 С. 2.1.3. Датчик на основе флуоресценции.

Данный датчик устроен следующим образом. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения для сигнала с длиной волны, сильно зависящего от температуры к интенсивности сигнала с другой

длиной волны, слабо зависящего от температуры. Область измеряемых температур таким датчиком находится в пределах от -50 до 200 С с погрешностью 0,1 С. Использование волоконно-оптических датчиков, при всей своей привлекательности, позволяет производить измерение температуры только в локальной точке объекта, что несколько сужает область их применения. 2.2. Люминесцентные покрытия Необходимость получения информации о поле температур на поверхности объектов сложной геометрической

формы привела к появлению новых методов измерения температуры. В частности, в последнее время особое внимание уделяется разработке различных термических покрытий на основе специальных красителей играющих роль люминофоров, наносимых на изучаемую поверхность, и позволяющих получить информацию по всему полю температур одновременно. В ранних исследованиях люминесцентного метода измерения температурных полей объектов основывался на

покрытии поверхности объекта специальной полимерной композицией, которая включала в себя мелкоразмолотые частицы кристаллофосфора на основе атомов европия, чья люминесценция зависит от температуры. Основной недостаток, выявленный при использовании данного покрытия, нерастворимость кристаллофора в полимерном связующем, что приводит к неравномерному распределению его частиц по объему покрытия и, соответственно, к увеличению погрешности измерения. В работе Акылбаева

Ж.С. 1 было предложено использовать полимерное термопокрытие с молекулярным распределением красителя в слое полимера так называемый истинный раствор. Такое покрытие позволило снять проблему искажения результатов из-за существовавшей в более ранних исследованиях неоднородности распределения красителя в полимере. Это покрытие позволяет производить измерение температур в диапазоне -20 С 60 С. Принцип действия данного покрытия состоит в температурном тушении люминесценции.

Люминесцентные термопокрытия нашли также широкое применение в индикации температуры с помощью термоиндикаторов. Известны обратимые и необратимые термоиндикаторы, широко применяемые в промышленности. В качестве люминесцентных составляющих термопокрытий в разных работах, обзор которых, в частности дан в 4, были предложены растворы пирена в полиметилметакрилате, ряд органических люминофоров и т.д. В основе данных термоиндикаторов лежит изменение цвета при определенной температуре.

При использовании термоиндикаторов область регистрируемых температур находится в пределах от 0 до 300 С. 2.3. Области применения люминесцентных методов измерения температуры Люминесцентные методы измерения температуры нашли широкое применение в различных отраслях науки и промышленности. В частности, волоконно-оптические датчики на основе люминесцентных методов благодаря своим высоким электро- и теплоизоляционным характеристикам, безы-нерционности, малым габаритам и массе используются

в энергетике. На основе таких датчиков созданы системы наблюдения внутри топок тепловых электростанций, устройства для измерения температуры проводов линий передачи и внутри трансформаторов. В металлургии, химической и нефтеперерабатывающей отраслях зачастую датчики работают в неблагоприятных условиях повышенные или пониженные температуры, агрессивные среды, сильные электрические и магнитные поля, взрывоопасная атмосфера. Здесь волоконно-оптические датчики с их бесконтактностью и дистанционностью

измерений тоже имеют преимущество перед другими методами измерения температуры. Различные люминесцентные термопокрытия находят свое применение, например, в аэрогидродинамике, в частности для исследования температурных полей на поверхности различных машин, в том числе летательных аппаратов в процессе их эксплуатации. Термоиндикаторы с люминесцентными составляющими дают, например, возможность своевременно заметить перегревы в движущихся частях различных механизмов, обнаружить нагревание, связанное

с перегрузкой электрического оборудования или элементов электрических цепей, контролировать качество теплоизоляции, способствовать предотвращению попадания горячих жидкостей в холодные линии трубопроводов на химических предприятиях и решать многие другие задачи. Заключение Представленный в работе обзор люминесцентных методов измерения температуры по сравнению с контактными методами обладает теми же преимуществами, что и оптические методы.

В то же время он является менее сложным при организации процесса изучения температуры и не менее точным по сравнению с другими оптическими методами. Кроме того, использование свойств люминесценции делает возможным разработку методов измерения температурных полей объектов сложной геометрической формы. Из вышеприведенного обзора очевидна необходимость дальнейшей разработки и совершенствования технологий измерения температуры с использованием люминесцентных методов.

Список использованных источников 1. Акылбаев Ж.С. Новые оптические методы исследования тепломас-сопереноса. -Алматы Гылым, 1995. 2. Большая советская энциклопедия, эл. версия. 3. Годжаев Н.М. Оптика. Учебн. Пособие для вузов. М. Высш. Школа, 1977. 4. Карицкая С.Г. Диагностика полей температур и скоростей люминесцентными методами.

Дисс. на соискание ученой степени к.ф-м.н 1997 год. 5. Ландсберг Г.С. Оптика. М. Наука, 1976. 6. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем М. Металлургия, 1980. 7. vи др. Волоконно-оптические датчики. Пер. с япон Л. Энергоктомиздат. Ленингр. от-ние, 1991. 8.

Яворский Б.М Детлаф А.А. Справочник по физике М. Наука, 1971.