Termometria fosforu

Termometria fosforu to optyczna metoda pomiaru temperatury powierzchni. Metoda wykorzystuje luminescencję emitowaną przez materiał luminoforowy . Fosfory są drobnymi, białymi lub pastelowymi proszkami nieorganicznymi, które mogą być stymulowane dowolnymi różnymi środkami do luminescencji, tj. emitowania światła. Niektóre cechy emitowanego światła zmieniają się wraz z temperaturą, w tym jasność, kolor i czas trwania poświaty. Ten ostatni jest najczęściej używany do pomiaru temperatury.

Historia

Pierwsza wzmianka o pomiarze temperatury za pomocą luminoforu znajduje się w dwóch patentach złożonych pierwotnie w 1932 roku przez Paula Neuberta.

Zależność czasowa luminescencji

Różnica faz między wyjściem LED a luminescencją.

Zwykle krótkotrwała lampa ultrafioletowa lub źródło laserowe oświetla powłokę luminoforową, która z kolei świeci w sposób widoczny. Gdy źródło oświetlające ustanie, luminescencja będzie się utrzymywać przez charakterystyczny czas, stopniowo zmniejszając się. Czas potrzebny do zmniejszenia jasności do 1/e jej pierwotnej wartości jest znany jako czas zaniku lub czas życia i oznaczany jako ${\ displaystyle \ tau}$ . Jest to funkcja temperatury T.

Intensywność , I luminescencji zwykle zanika wykładniczo jako :

${\ Displaystyle \! \, I = I_ {o} e ^ {\ Frac {-t} {\ tau}}}$

Gdzie I ₀ jest początkową intensywnością (lub amplitudą). „T” to czas, a $.$ parametr, który może być zależny od temperatury

Wykazano, że czujnik temperatury oparty na bezpośrednim pomiarze czasu zaniku osiąga temperaturę od 1000 do nawet 1600 ° C. W tej pracy domieszkowany luminofor YAG hodowano na niedomieszkowanym włóknie YAG, aby utworzyć monolityczną strukturę sondy, a jako źródło wzbudzenia zastosowano laser. Następnie zrealizowano inne wersje wykorzystujące diody LED jako źródło wzbudzenia. Urządzenia te mogą mierzyć temperaturę do 1000 °C i są używane w procesach mikrofalowych i plazmowych.

Jeśli źródło wzbudzenia jest raczej okresowe niż pulsacyjne, wówczas odpowiedź czasowa luminescencji jest odpowiednio różna. Na przykład istnieje różnica faz między sinusoidalnie zmieniającym się diody elektroluminescencyjnej (LED) o częstotliwości f a wynikającą z tego fluorescencją (patrz rysunek). Różnica faz zmienia się wraz z czasem zaniku, a tym samym temperaturą, jako:

${\ Displaystyle \! \, \ phi = dębnik (2 {\ pi} f {\ tau})}$

Zależność temperaturowa linii emisyjnych: stosunek intensywności

Druga metoda detekcji temperatury opiera się na stosunkach intensywności dwóch oddzielnych linii emisyjnych; zmiana temperatury powłoki jest odzwierciedlana przez zmianę widma fosforescencji. Ta metoda umożliwia pomiar rozkładów temperatury powierzchni. Metoda współczynnika intensywności ma tę zaletę, że zanieczyszczona optyka ma niewielki wpływ na pomiar, ponieważ porównuje stosunki między liniami emisyjnymi. Na linie emisyjne w równym stopniu wpływają „brudne” powierzchnie lub optyka.

Zależność temperaturowa

Kilka obserwacji odnosi się do rysunku po prawej stronie:

Materiały tlenosiarczkowe wykazują kilka różnych linii emisyjnych, z których każda ma inną zależność od temperatury. Zastąpienie jednego pierwiastka ziem rzadkich innym, w tym przypadku zamiana La na Gd, zmienia zależność od temperatury.
Materiał YAG:Cr (Y3Al5O12 _: Cr3 + ^{) wykazuje mniejszą czułość}_{, ale obejmuje}_szerszy zakres temperatur niż bardziej czułe materiały .
Czasami czasy rozpadu są stałe w szerokim zakresie, zanim staną się zależne od temperatury przy pewnej wartości progowej. Jest to zilustrowane dla krzywej YVO ₄ :Dy; dotyczy to również kilku innych materiałów (niepokazanych na rysunku). Producenci czasami dodają drugą pierwiastek ziem rzadkich jako substancję uczulającą. Może to zwiększyć emisję i zmienić charakter zależności temperaturowej. Ponadto gal jest czasami zastępowany przez część aluminium w YAG , również zmieniając zależność od temperatury.
Zanik emisji luminoforów dysprozu (Dy) jest czasami nie wykładniczy w czasie. W konsekwencji wartość przypisana do czasu zaniku będzie zależała od wybranej metody analizy. Ten niewykładniczy charakter często staje się bardziej wyraźny wraz ze wzrostem stężenia domieszki.
W części wysokotemperaturowej dwie próbki fosforanu lutetu są raczej monokryształami niż proszkami. Ma to jednak niewielki wpływ na czas rozpadu i jego zależność od temperatury. Jednak czas zaniku danego luminoforu zależy od wielkości cząstek, zwłaszcza poniżej jednego mikrometra.

Na luminescencję luminoforów termograficznych mają wpływ inne parametry, np. energia wzbudzenia, stężenie domieszki czy skład lub ciśnienie bezwzględne otaczającej fazy gazowej. Dlatego należy zadbać o utrzymanie tych parametrów na stałym poziomie dla wszystkich pomiarów.

Zastosowanie luminoforu termograficznego w powłoce termoizolacyjnej

Powłoka termoizolacyjna (TBC) pozwala elementom turbiny gazowej przetrwać wyższe temperatury w gorącej części silnika, zachowując przy tym akceptowalną żywotność. Powłoki te to cienkie powłoki ceramiczne (kilkaset mikrometrów) zwykle na bazie materiałów tlenkowych.

Wczesne prace dotyczyły integracji materiałów luminescencyjnych jako czujników erozji w TBC. Pojęcie „powłoki czujnika z barierą termiczną” (sensor TBC) do wykrywania temperatury zostało wprowadzone w 1998 r. Zamiast nakładania warstwy luminoforu na powierzchnię, na której ma być mierzony temperatura, zaproponowano lokalną modyfikację składu TBC dzięki czemu działa jako luminofor termograficzny, a także ochronna bariera termiczna. Ten dwufunkcyjny materiał umożliwia pomiar temperatury powierzchni, ale może również zapewnić środki do pomiaru temperatury w TBC i na styku metal/powłoka nawierzchniowa, umożliwiając w ten sposób produkcję zintegrowanego miernika strumienia ciepła. Pierwsze wyniki dot cyrkon stabilizowany tlenkiem itru współdomieszkowane proszkami europia (YSZ: Eu) zostały opublikowane w 2000 r. Zademonstrowali również pomiary podpowierzchniowe, patrząc przez niedomieszkowaną warstwę YSZ o grubości 50 μm i wykrywając fosforescencję cienkiej (10 μm) warstwy YSZ: Eu (dwuwarstwowa system) pod spodem przy użyciu techniki ESAVD do wytworzenia powłoki. Pierwsze wyniki fizycznego osadzania TBC z fazy gazowej wiązką elektronów opublikowano w 2001 roku. Badaną powłoką była jednowarstwowa powłoka ze standardowego YSZ współdomieszkowanego dysprozą (YSZ:Dy). Pierwsze prace nad przemysłowymi systemami powlekania czujników natryskiwanymi plazmą atmosferyczną (APS) rozpoczęto około 2002 r. i opublikowano w 2005 r. Zademonstrowały one możliwości powłok czujników APS do dwuwymiarowych pomiarów temperatury in situ na platformach palnikowych przy użyciu systemu kamer o dużej szybkości. Ponadto wykazano możliwości pomiaru temperatury powłok czujników APS powyżej 1400°C. Przedstawiono wyniki wielowarstwowych czujników TBC, umożliwiających jednoczesne pomiary temperatury poniżej i na powierzchni powłoki. Taka wielowarstwowa powłoka mogłaby być również stosowana jako miernik strumienia ciepła w celu monitorowania gradientu temperatury, a także określenia strumienia ciepła przez grubość TBC w realistycznych warunkach użytkowania.

Zastosowania luminoforów termograficznych w TBC

Podczas gdy wspomniane wcześniej metody koncentrują się na wykrywaniu temperatury, włączenie materiałów fosforyzujących do powłoki bariery termicznej może również działać jako mikrosonda do wykrywania mechanizmów starzenia lub zmian innych parametrów fizycznych, które wpływają na lokalne otoczenie atomowe optycznie czynnego jon. Wykazano wykrywanie gorących procesów korozyjnych w YSZ w wyniku ataku wanadu.

Zobacz też

Dalsza lektura

KTV Grattan; ZY Zhang (1995). Światłowodowa termometria fluorescencyjna . Skoczek. ISBN 0-412-62470-2 .
SW Allison i GT Gillies (1997). „Zdalna termometria z luminoforami termograficznymi: oprzyrządowanie i zastosowania”. Przegląd instrumentów naukowych . 68 (7): 2615–2650. Bibcode : 1997RScI...68.2615A . doi : 10.1063/1.1148174 .
AH Khalid i K. Kontis (2008). „Fofory termograficzne do pomiarów w wysokich temperaturach: zasady, aktualny stan wiedzy i najnowsze zastosowania” . Czujniki . 68 (8): 5673–5744. Bibcode : 2008Senso...8.5673K . doi : 10.3390/s8095673 . PMC 3705526 . PMID 27873836 .
MD Chambers i DR Clarke (2009). „Domieszkowane tlenki do luminescencji w wysokich temperaturach i termometrii dożywotniej”. Roczny przegląd badań materiałowych . 39 (7): 325–359. Bibcode : 2009AnRMS..39..325C . doi : 10.1146/annurev-matsci-112408-125237 .
M. Aldén; A. Omrane; M. Richter i G. Sarner (2011). „Fofory termograficzne do termometrii: przegląd zastosowań spalania”. Postęp w nauce o energetyce i spalaniu . 37 (4): 422–461. doi : 10.1016/j.pecs.2010.07.001 .
J. Brubach; C. Pflitscha; A. Dreizler i B. Atakan (2011). „Pomiary temperatury powierzchni za pomocą termograficznych luminoforów: przegląd”. Postęp w nauce o energetyce i spalaniu . 39 : 37–60. doi : 10.1016/j.pecs.2012.06.001 .
Brytyjczycy, CDS; Millan, A.; Carlos, LD (2016). „Rozdział 281: Lantanowce w termometrii luminescencyjnej”. W Bünzli, Jean-Claude; Peczarski, Witalij K. (red.). Podręcznik dotyczący fizyki i chemii pierwiastków ziem rzadkich . Elsevier. s. 339–427. doi : 10.1016/bs.hpcre.2016.03.005 . ISBN 978-0-444-63699-7 .
Dramićanin, Miroslav (2018). Termometria luminescencyjna: metody, materiały i zastosowania (wyd. 1). ISBN 978-0-08-102029-6 . Źródło 20 listopada 2019 r .
SW Allison (2019). „Krótka historia termometrii luminoforu”. Nauka o pomiarach i technologia . 30 (7): 072001. Bibcode : 2019MeScT..30g2001A . doi : 10.1088/1361-6501/ab1d02 . S2CID 150322424 .