原子發射雙譜線測溫常數靜態標定實驗研究

郝曉劍，郭玉楠，楊彥偉

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.呂梁學院 物理系， 離石 033000)

引 言

溫度是一個重要的物理量,是工農業生產和航空、航天、核爆、化爆試驗中測量的重要參量。因此，對于瞬態高溫溫度場的準確測量，對工農業以及國防軍事的發展具有重要的意義，目前溫度的測量方法主要分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法[1]。在接觸式測溫中主要使用傳感器與被測介質直接接觸，進行熱交換來獲取溫度，比較有代表性的是基于熱電偶的高溫測量技術[2-3]，但熱電偶會對溫度場造成干擾,高溫環境也會縮短熱電偶的使用壽命。為了彌補接觸式測溫方法的不足，國內外已經發展了多種非接觸測溫技術如比色測溫法[4-5]、光譜測溫法來實現瞬態高溫的測試，原子發射光譜雙譜線測溫法采用了兩條間隔比較小的光譜線[6-8]，避免了比色測溫法中忽略光譜發射率和透射率帶來的誤差[9]。更能適用于高溫、高壓等惡劣環境的溫度測量。

在原子發射光譜雙譜線測溫公式中,存在兩個未知特定常數A,B，它們和測溫系統的光學傳遞系數、所選原子的特性及譜線波長等因素有關。因此確定測溫特定常數A,B的值，可以提高測溫的精度，對原子發射雙譜線測溫法的廣泛應用具有重要意義。

1 原 理

根據原子發射光譜相關理論，在熱力學平衡或局部熱力學平衡條件下[10-11]，由玻爾茲曼分布及愛因斯坦輻射理論[12]，可得同一種元素兩條原子譜線的強度之比為：

(1)

式中，Iλ1和Iλ2為所選波長λ1和λ2光信號的譜線強度；A1和A2為原子譜線的躍遷幾率；g1和g2分別為譜線激發態的統計權重；E1和E2為原子發射譜線的激發電位；K為玻爾茲曼常數[13]；T為激發溫度。考慮到測溫系統的光學傳遞系數，將(Iλ1/Iλ2)乘上一個系數加以校正并對公式兩邊求對數得到：

(2)

式中，A1,A2,g1,g2,E1,E2均為與受激發原子及譜線波長λ有關的常數。故令：

(3)

從(3)式可以得到原子發射雙譜線測溫的基本公式為：

T=B/[ln(Iλ1/Iλ2)-A]

(4)

式中,A和B的值跟原子的特性、波長以及測溫系統的光學傳遞系數有關,可以利用標準溫度對測溫特定常數值進行確定。

2 測溫特定常數A、B靜態標定實驗

2.1 實驗系統介紹

光電測溫器特定常數靜態標定實驗系統如圖1所示。本次實驗中選用形狀規則的紫銅片作為光譜激發樣品。采用LS-3000高溫黑體爐作為激發光譜的熱源，該黑體爐最大可調節溫度為3000℃。光電測溫器由光學模塊、光電轉換模塊和數據采集存儲模塊構成。

Fig.1 Schematic diagram of static calibration experiment of photoelectric temperature measurement system

光學模塊由藍寶石探頭[14]、Y型光纖以及濾光片組成。藍寶石探頭是用來對光纖的端面進行保護，減少光污染，提高了光纖的傳光效率，Y型光纖將藍寶石探頭采集的光譜信號均分兩路，濾光片過濾得到所選特定波長的溫標譜線。

光電轉換模塊使用愛爾蘭Sensel公司的10035-X08型硅光電倍增管(silicon photomultiplier，SiPM)。該光電倍增管是具有單光子創新型固態硅探測器，具有高增益、響應速度快、工作電壓低和集成度高等特點。具體參量如表1所示。

Table 1 10035-X08 silicon photomultiplier tube parameters

數據采集存儲模塊采用ADI公司生產的AD9226高速模數轉換器，可采集雙路電壓信號，最高采樣頻率達65MHz。采集的數據通過FPGA EP4CE6F17C8(256M DDR2-DRAM)芯片進行存儲。

2.2 測溫原子譜線選擇

在利用原子發射光譜雙譜線原理測溫時所選的光譜線要清晰、強度適宜、無自吸現象[15-16],譜線之間的激發能要特別大，而且兩條譜線波長要接近，這樣可以減小光譜輻射率和光譜透射率等對光譜測量的影響。

利用激光誘導擊穿光譜技術對紫銅片進行光譜激發實驗[17]。在300nm～800nm波長范圍內Cu原子譜線分布圖如圖2所示。本次實驗中選用Cu Ⅰ 510.5nm和Cu Ⅰ 521.8nm作為測溫時的溫標譜線，在30mJ激光能量條件下，電子溫度Te=0.5eV,電子密度Ne=

Fig.2 Atomic spectral distribution of Cu atoms at 300nm～800nm and CuⅠ 510.5nm and CuⅠ 521.8nm spectra

1×1010cm-3[18-19]。溫標譜線光譜圖如圖2標記放大部分所示。光譜線參量如表2所示。

Table 2 CuⅠ 510.5nm and CuⅠ 521.8nm parameter values

2.3 實驗及結果分析

高溫黑體爐利用高溫黑體輻射使Cu樣品熱激發產生光譜[20],光譜經Y型光纖輸出后經濾光片進入硅光電倍增管轉換為雙通道電壓信號，電壓信號經數據采集存儲模塊完成處理，最后在PC機上讀出電壓值。由硅光電倍增管轉換得到的電壓的比值為Cu Ⅰ 510.5nm和Cu Ⅰ 521.8nm的光譜強度的比值，因此有：

U1/U2=Iλ1/Iλ2

(5)

實驗過程中高溫黑體爐顯示爐內標準溫度，在700℃～2500℃溫度范圍內,選取多個溫度并進行多次測量所測得的雙通道最大電壓之比如圖3所示。

Fig.3 Results of the ratio of the maximum voltage of the two channels in the range of 700℃～2500℃

選擇黑體爐爐內兩個溫度值分別為Tl,Tl′，并記錄此時雙通道數據采集存儲模塊最大電壓之比分別為I1,2,I1,2′。由(4)式、(5)式可得A,B的計算公式:

3 紫銅薄片燃燒溫度場測試實驗

3.1 Cu高溫燃燒溫度場構建

銅燃燒溫度場測試實驗如圖4所示。利用氫氧焰機可控雙管路噴射火焰作為熱源。以美國IRCON公司的Modline5型智能一體化紅外紅外測溫儀(簡稱M5)作為標準測溫儀器，其測溫范圍為600℃～1400℃。光電測溫器采用特定常數標定后的原子發射雙譜線測溫器。銅具有優良的導熱性，因此實驗中采用紫銅片作為被加熱對象，將紫銅片加工成30mm×30mm×1mm的薄片，可以保證紫銅片受熱均勻。

Fig.4 Cu combustion temperature field test experiment

實驗中利用雙管路氫氧焰噴射技術構建了溫度范圍、流體屬性相對穩定的Cu燃燒溫度場，通過噴射高溫火焰對紫銅片進行燒灼，形成一個滿足實驗需求尺寸的高溫區域，通過在噴出的燃氣中攙雜一定的元素與物質，實現實際燃燒場多物理特性的模擬。結合多物理場控制原理引入反饋，實現根據人工設定的多物理場參量對2組噴嘴狀態進行自動控制，從而實現Cu高溫燃燒場環境的自動調控。

3.2 實驗及結果分析

首先將紫銅片固定于特定的位置，放置于氫氧焰機雙管路噴射火焰處行加熱，然后利用光電測溫器測量被加熱銅片的溫度，測溫過程中待光電測溫器溫度顯示在接近600℃的同時，M5紅外測溫儀對準銅片進行溫度的測量。

實驗過程中，銅片被氫氧焰加熱而升溫，并逐漸呈現亮紅色，繼續加熱銅片燃燒并發出淺綠色火焰，最后生成黑色粉末狀固體。光電測溫器測得最高溫度為1297℃，M5紅外測溫儀測得的最高溫度為1315℃。測試結果如圖5所示。

Fig.5 Temperature measurement results of photoelectric temperature measurement system and M5 infrared camera

設標準M5紅外測溫儀測得的溫度為標準溫度Tb,設光電測溫器測得的溫度為測量溫度Tc。實驗結果如表4所示。

Table 4 Temperatures measured by photoelectric thermometers and M-type infrared thermometers and their relative errors

由實驗結果可得,光電測溫器測得的溫度與M5型紅外測溫儀測得的溫度平均相對誤差為1.3%。

4 結 論

針對原子發射雙譜線瞬態高溫測溫的問題。對原子發射雙譜線測溫系統進行了靜態標定實驗。得出特定常數A,B的值，并對標定后的測溫系統進行銅燃燒溫度場驗證實驗。實驗結果表明：測溫特定常數A,B靜態標定實驗對于原子發射雙譜線測溫法準確測量瞬態高溫具有重要的意義。