Способ определения колебательной температуры молекулярных газов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 31511 С 01 1 5 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСК ВИДЕТЕЛЬС 43К.Ткаченк удовогоехническ ельство СССР02, 1973.ьство СССР1955 (просвиде К 13 идете 1 5/5 ДЕЛЕНИЯ КОЛЕЛЕКУЛЯРНЫХ ние сббствен СПОСОБ ОПРЕ ТЕМПЕРАТУРЫ М ючающий иэмер 04 О О УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Московский орденаКрасного Знамени физикинститут(54)(57) 1БАТЕЛБНОЙГАЗОВ, вкл ного излучения газа в выбранном спектральном интервале и измерение излучения эталонного источника в том ,же интервале, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений при исследовании не" равновесных процессов, выделяют однородную область исследуемого газа, ограниченную неоднородностями Рд"0,01 ата см исследуемого газа, где Р - давление, д - толщина слоя газа, измеряют коэффициент излучения газа в полосе исследуемой колебательной моды, выделяют спектральные интервалы с .коэффициентом излучения газа0,85-0,98 и по крайней мере в одном из них проводят измерения. щ1055726 2. Способ по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с я .тем, что спектральный интервал для проведения измерений выделяют вблизи одного из максимумов дублета Бьерума полосы исследуемой моды,1Изобретение относится к диагностике горячих газов и низкотемпературной плазмы, в которых имеются колебательно-возбужденные молекулы иможет быть использован в пирометриигазовых потоковспектроскопии, для5исследования неравновесных процессов,кинетики в газовой фазе.Известен способ определения тем"пературы газов. По этому способувозбуждают флюорвсценцию газа по"сторонним источником, регистрируютспектр собственного излучения газа, измеряют распределение интенсивностиизлучения во вращательной структуре молекулярной полосы ( 1 3, 15Недостатками способа являются необходимость использования для возбуж-, дения излучения постороннего источника, например высоковольтного или тлеющего рязряда в газе; электрический разряд в газе оказйвает существенное влияние, наего состояние иможет вносить .значительные возмущения в исследуемую среду; необходимость дополнительного предположения о равновесии между вращательными и поступательными степенями свободы. Для диагностики колебательно-неравновесных сред этот способ вообще непригоден; способ может применяться лишь при низких давлениях ( 10 торр ), при которых разрешена вращательная структура молекулярных полос. При умеренных и больших давлениях ( Р ) )0,1 ата ), особенно в присутствии электрического разряда, вызывающего З 5 большую концентрацию электронов, линии настолько уширены, что вращательная структура не разрешаЕтся, В способе для измерения распределения интенсивности отдельных спектральных 40 линий необходимо использовать спектральный прибор с соответствующим высоким разрешением по спектру.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, включающий измерение собственного излучения газа в выбранном спектральном интервале и измерение излучения эталонного источника в том же интервале, По этому способу в исследуемый газ (пламя )вводят щелочной или щелочноземельный металл, выделяют среднюю часть резонансной 3. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что спектральный интервал для проведения измерений выделяют вблизи каната полосы исследуемой моды. 2спектральной линии этого металла(сшириной спектрального интервала0,2 А 1, измеряют абсолютную интенсивность излучения в выделенномспектральном интервале Г 2 Д.Недостатками способа являются.,возможное самообращение наблюдаемойрезонансной спектральной линии инеобходимость проведения дополнительных"действий для устранения вли-,яния этогоявления на измерения,необходимость использования аппаратуры.с высокой разрешающей способностью и, соответственно, большими габаритами:, весом и стоимостью влияние введенных в газ добавок с низкимпотенциалом ионизации на его характеристики, например на электропроводность, необходимость обеспеченияравномерного распределения в пламени(газе ) введенного металла и контроляравномерцости распределения; несовпадение температуры атомов металлаприсадки с поступательной, вращатель-ной или колебательной температурамипри исследовании термодинамическинеравновесных сред и, как следствие,большая погрешность при исследовании неравновесных процеесов, в частности, кинетики в газовой фазе.Целью изобретения является повышение точности измерений при исследовании неравновесных процессов.Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу определения колебательной температуры молекулярных газов, включающему измерение собственного излучения газа ввыбранном спектральном интервале иизмерение излучения эталонного,источника в том же интервале, выделяютоднородную область исследуемого газаограниченную неоднородностямиР д( 0,01 ата см исследуемого газа,где Р - давление; ив толщина слоягаза, измеряют коэффициент излучения газа в полосе исследуемой колебательной моды, выделяют спектральные интервалы с коэффициентом,излучения газа 0,35-0,98 и по крайнеймере в одном из них проводят измерения,В некоторых случаях, когда спектрполосы исследуемой моды известен заранее, спектральный интервал дляпроведенияизмерений выделяют вблизи максимумов излучения Р или Й -ветвей (дублет Бьерума ).Если полоса имеет кант, то вблизи него может находиться локальный максимум излучения и поэтому спектральный интервал для проведения измерений выделяют вблизи канта.Кроме того, для упроцения экспериментального оборудования спектральный интервал выделяют комбинированными интерференционно-дисперсионным фильт-, ром и, наконец, в случае, когда коэффициент излучения объема газа мал, для его увеличения исследуемый газ помецают в пространство между зеркалами.На фиг. 1 представлена зависимость излучения газового слоя половиннойтолщины от коэффициента излучениявсего слоя; на фиг. 2 - зависимостькоэффициента излучения слоя газа20 см, помещенного между зеркалами,от коэффициента поглощения; нафиг. 3 - то же, для различного числапроходов излучения между зеркаламис коэффициентом. отражения ) = 0,95.Способ основан на непосредственном 20 измерении интенсивности собственного излучения газа, сопоставлении, этого излучения с излучением черного тела и определении такой температуры 30 с однородной областью вдвигают окно для вывода излучения. Любая неоднородность на границе исследуемого объема искажает измеряемую температуру, так как в ней происходит поглощение излучения из исследуемого объема, и одновременно сам неоднородный слой вносит вклад в излучение, По оценкам, в худшем случае,60 наибольших коэффициентов поглощения черного тела, при которой его излучение в данном спектральном интервале совпадает с измеренным излучением газа. При достаточной величине среднего по интервалу коэффициента 35 излучения газа определенная таким образом температура будет совпадать с температурой излучающей моды. Для достоверного отнесения определенной таким образом температуры к некоторому состоянию газа необходимо выде ление его объема с постоянной температурой. Следует отметить, что постоянной .по исследуемому объемудолжна быть лишь измеряемая температура, другие параметры газа (плот ность, поступательная температура и т.п. ) могут иметь произвольное распределение и изменяться в широких пределах. Однородный объем создают известными способами, например, разгоном газа в,профилированном сопле, перемешиванием газа в замкнутом объеме или отсасыванием возмуценных областей из исследуемого объема,При наличии в газе неоднороднос- - тей в неоднородную .часть до границы и допустимой погрешности по измеряемой интенсивности излучения в 20 в диапазоне встречающихся температур параметр РО; где Р - давление, д"- толщина слоя газа, должен быть не больше 0,01 ата см исследуемого газа, что соответствует коэффициенту излучения газа не более 0,98.В случае меньших коэффициентов поглощения параметр Р д может быть больше или при сохранении Р д 0,01 ата. см будет большей точность измерения.Для исследования неравновесных процессов, в которых колебательная температура отличается от температуры электронного возбуждения, вращательной и поступательной температур, а, в свою очередь, колебательные температуры отдельных мод могут отличаться одна от другой, необходимо измерять колебательную температуру исследуемой моды по излучению в соответствующейей колебательно-вращательной полосе (КВП). Форма КВП, в том числе положение максимумов и интенсивность излучения в отдельных спектральных интервалах, зависит от многих параметров: температур, концентрации излучающего газа, давления и т,д. Каждый из этих параметров может быть заранее неизвестен или вообце не определяться в данных экспериментах. Поэтому положение максимумов излучения и распределение интенсивности излучения в спектре полосы, выбранной для определения колебательной температуры, заранее неизвестно и требует специального определения. Кроме того, КВП различных молекул или отдельных мод могут перекрываться, поэтому для обеспечения заданной точности для измерения необходимо выбирать участки спектра, вклад в излучение в которых посторонних молекул или полос пренебрежимо мал. Такие участки необязательно совпадают с максимумами излучения, но, как правило, находятся вблизи их., Также для обеспечения точности измерений не менее 10 в худшем случае (при высоких температурах ф 400 К ) коэффициент излучения газа в выбранном спектраль" ном интервале должен превышать 0,85.Необходимый спектральный интервал находят путем регистрации относительной интенсивности собственного излучения газа в полосе исследуемой моды и близлежащих участках спектра, вычленяют участки спектра с заметным вкладом других молекул или мод исследуемой молекулы, определяют положение максимумов излучения в КВП исследуемой моды, проверяют величину коэффициента излучения в участках спектра вблизи максимумов излучения, по совокупности требований определяют положение участкаспектра для определения колебательной температуры.Выделение требуемого участка спектра производят при тех же ус- . ловиях, при которых будет,определяться колебательная температура. Как показывают оценки, для данной операции вполне достаточно спектральное разрешение порядка 1/10 ширины КВП исследуемой моды, Для нахождения максимума излучения нетнеобходимости использовать заранееопределенные или известные значениякоэффициентов поглощения газа.Ширина спектрального интервала выбирается из соображений удобства и имеющейся аппаратуры. С увеличением ширины интервала увеличивается отношение сигнал-шум регистрирующейаппаратуры, однако в интервалах,ширина которых соизверима с ширинойвсей полосы исследуемой моды, коэфФициент излучения газа может быть недостаточно высоким, В интервалах малой ширины легче обеспечить необходимое значение коэффициента излучения, однако величина сигнала,регистрируемого аппаратурой, снижается. В качестве приемлемого можно рекомендовать интервал, включающий,по крайней мере, две вращательныелинии основного перехода.Выделение интервала можно производить инфракрасными спектрометрами, либо узкополосными фильтрами.В максимумах Р и Й -ветвей (дублет Бьерума )колебательно-вращательные полосы имеют, как правило, наибольшие значения средних коэффициентов поглощения, а значит,и максимум коэффициента излучения,Поэтому возможно и целесообразновыделение спектрального интервалавблизи максимумов дублета Бьерумабез предварительного нахождениямаксимума излучения полосы. Точность измерения предлагаемымспособом сильно зависит от коэффициента излучения газа, который, в свою очередь, определяется оптической плотностью газа в выбранном спектральном интервале. Наиболее прямой способ определейия оптической плотности - измерение поглощения падающего излучения слоем исследуемого газа, что, однако, не всегда возможно на реальных устройствах, Для проверки достаточности коэффициента излучения для проведения измерений можно сравнить излучение всего исследуемого слоя и некоторой его части, На фиг. 1 приведена зависимость излучения газового слоя половинной толщины от коэффициента излучения всего слоя, Видно, что, если коэффициент излучения исследуемого слоя превышает 0,85, интенсивность излучения слоя половинной толщины составляет неменее 0,6 излучения всего слоя.Таким образом, если исследуемыйслой разделить непрозрачной для регистрируемого излучения перегородкой и сравнить интенсивность излучения всего слоя и его части, можно определить,. достаточна или нетоптическая плотность всего .слоя дляпроведения измерений. Таким образом,для проверки достаточности для измерений коэффициента излучения га-,за в исследуемый объем вдвигаютнепрозрачную стенку, которая уменьшает длину оптического пути в 1,53 раза, аппаратурой и в условияхэксперимента измеряют интенсивностьизлучения в выбранном спектральноминтервале и сравнивают с интенсивностью излучения всего слоя.Однако описанный способ неприго 20 ден для проверки участков спектра,где коэффициент поглощения изменяется скачком, например в окрестности канта полосы, Для того, чтобыубедиться, что в выбранном интерва 25 ле оптическая плотность газаизменяется достаточно плавно, сравнивают излучение газа во всем выбранном интервале и в некоторой егочасти, например в половине. Если интенсивность излучения газа ропорциональна ширине интервала, значитв выбранном интервале нет спектральных,областей, где коэффициент поглощения значительно ниже среднего.Если пропорциональность не наблюдается, следует определить областьс низким коэффициентом поглощения и,соответственно, изменить интервал,в котором будут проводиться измерения,4 О Если оптическая плотность исследуемого обьема газа недостаточнадля проведения измерений, ее можноувеличить помещением газа В пространство между параллельными зерка 45 лами. Плоский слой газа толщиной. имеющий температуру Т и средний поспектральному интервалу 11 коэффициент поглощения К, излучает по нормали к поверхности50 3(1 й) = Зо(дЛ ) 10-ехр(-К), (1)где 3 О(дЪ) - плотность излучениячерного тела,Пусть излучающий слой помещен впространство между двумя зеркалами55 с коэффициентами отражения й.1 и К 2,причем зеркало Д является выходным,т.е, часть излучения может проходитьчерез него, например, в отверстие.В пренебрежении потерями внутри системы после каждой пары проходовмежду зеркалами плотность излученияувеличивается наЬЗ (2 и) =(2 и) й, В ехр(-АР), (2)1055726 5 М = 2,5, через отверстия диаметром 1 мм осуществлялся вдув холодногоСО 2. Отверстия были просверленыпо нормали к образующей сопла и расположены в ряд с шагом 10 мм, причемряды на противоположных стенках были сдвинуты друг относительно друга на 5 мм. В экспериментах измеря-лась температура 43 - моды СО 2. Измеряли собственное излучение модыЧз СО 2 в сечении сопла, отстоящемна 10 мм вниз по потоку от меставдува. Однородный объем исследуемойгазовой смеси создавался при расширении газа в сопле, Проведенные эксперименты показали, что при вдуве 20 через отверстия существенных неоднородностей в газовом потоке в сечении измерения нет за исключениемпограничных слоев на стенках сопла.Для вывода излучения использовались сапфировые окна, устанавливаеьые заподлицо с внутренней поверхностью боковых стенок сопла и, таким образом, не вносящие дополнительных возмущений в исследуемый поток.Статическое давление потока в месте измерения составляло Р - 0,1 атм,концентрация вдуваемого СО 2, расчитанная по его расходу, изменяласьв пределах 0,1-0,25. Толщина погранслоя на окнах по оценкам не превышала 1 мм. Таким образом, Рср д" для2погранслоя составляло величину (1-2,5)10-3 атм см. Измерения проводились в участке полосы Л = 4,3 мкм винтервале, выделяемом узкополоснымкомбинированным интерференционнодисперсионным фильтром с полосойпропускания Ъ = 4,3+0,1 мкм, т.е.в интервале от максимума Р-ветви доканта полосы. Даже в максимумах поглощения Р и Р -ветвей при комнатнойтемпературе оптическая плотностьпогранслоя на окне не превышала0,15, а осреднения по спектральномуинтервалу составляла 0,08-0,1, т.е.коэффициент излучения в проведенныхэкспериментах был не более 0,98.В указанном выше спектральном интервале определяли коэффициент излучения газа. Для этого в противоположной боковой стенке сопла устанавливалось второе окно, через котороев поток направляли излучение глобара. В зависимости от расхода вдуваемого .углекислого газа коэффициентизлучения газа изменялся в пределах 60 м 0,7-0,88.На окно, через которое выходилорегистрируемое излучение, устанавливалась круглая .диафрагма с отверстием диаметром 2,5 мм. Измерялось 65 собственное излучение газа, сигнал 3 1+Рехр(-КОДЭфф -РРгехр(-Иц1-ехр(-ИЯ 1+Рехр(-МДо 1-РР 2 ехР (-2 И) раз. При В = В 1 мает вид:3) прин формул 1 - ех (-Е 7)оо 0 1 - йехр - 1 сРДля примера на фиг. 2 показана зависимость коэффициента излучения плос кого слоя газа толщиной 20 см, помещенного в пространство между зеркалами с бесконечным числом проходов, от коэффициента поглощения для нескольких значений коэффициентов от ражения зеркал, а на Фиг. 3 та же зависимость для различного числа про ходов при коэффициенте отражения зерк л Я,= 0,95. Из фиг. 3, в частности, видно. Что при К = 0,02 смизлуче ние после 10 проходов достигает 90 от излучения после бесконечного числа проходов, что позволяет (для толщины в 20 см ) считать укаэанную величину К наименьшей допустимой. Таким образом, при использовании зеркал допустимым является произведение АР = 0,4, а без зеркал ХР = 2,3 и выигрыш в габаритах составляет б раз. Для оценок удобно иметь общее выражение коэффициента излучения 45 А слоя газа, помещенного между зеркалами, от числа проходов:(Й .50ходов; 7Первым членом такой последовательности для излучения, распространяющегося в сторону выходного зеркала, является величина .Э, а для идущего в противоположном направлении - Э В ехр.(- М К), Тогда суммарйая плотность излучения после бесконечного числа проходов составит:т.е. резонатор с бесконечным числомпроходов увеличивает излучение слояв где и = 2 щ + 2 - число прощ 3 0.П р и м е р. Проверка работоспособности способа была проведена на установке для исследования колеба" тельно-неравновесных потоков на основе смесей М 2 и СО со вдувом СО 2.Установка состоит из камеры нагрева и соплового блока, разделенных диафрагмой. После сжигания порции топлива в камере образовывалась смесь газов, состоящая из М и СО с приблизительно равным их содержанием с параметрами Ре = 20-40 атм, То =2500-3000 К. При давлении, близком к максимальному, диафрагма разрушалась и смесь истекала через плоскоепрофилированное сопло с угловой точкой шириной 200 мм в вакуумную емкость. В сверхзвуковой части сопла,в сечении, где число Маха потока10 15 20 регистрировался Се-Аэ фотоприемником и. записывался запоминающим осциллографом С 8-11, При расходах вдуваемото углекислого газа, обеспечивающих коэффициент излучения газа более 0,85, погрешность измерения колебательной температуры рассматриваемой моды составляла 2,5-7. При уменьшении расхода углекислого газа, сопровождающегося уменьшением коэффициента излучения Щ погреш" ность измерения СО резко увеличивалась и при Е 0,7 превышала 15.Затем измеряли интенсивность излучения эталонного источника, в качестве которого использовали тот же глобар,Геометрия оптической системы при измерении излучения газового потока и глобара сохранялась одинаковой. Температура глобара по паспорту Т= 1400 К. Измерение интенсивности излучения глобара позволило установить соответствие между сигналом измерительной системы и температурой черного тела при Т = Т 1.=Ьс = .1400 К. После этого по известной зависимости интенсивности излучения черного тела от температуры (формула Планка ) была построена тарировочная кривая зависимости сигнала измерительной системы от температуры в диапазоне 500-4000 К. По этой кривой и интенсивности излучения исследуемого потока была определена температура модыСО. В зависимости от расхода вдуваемого СО онаизменялась в пределах 1050-1300+70 К. Таким образом, способ определения колебательной температуры молекулярных газов позволяет измерять температуру отдельной колебательной моды газов, активных в инфракрасной области спектра, с погрешностью ч 10, Метод прост и доступен в применении и не требует для реализации специальной аппаратуры,.1055726 Составитель .Л. Латыевжова Техред С.Мигунова Корректор А, фере актор С аказ 92 ПП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектна 7/19 Тираж ВНИИПИ Государст по делам изобр 113035, Москва,71нного коений и о35, Раув Подписноетета СССРрытийея наб., д, 4/