4.1.1.4 Контроль процесса горения путем измерения температуры

Температура является одним из основных параметров многих физико-химических процессов. Для измерения температур пламён и газовых сред применяются следующие оптические методы: 1) яркостный метод; 2) цветовой метод; 3) метод обращения спектральной линии; 4) метод интенсивности насыщенного центра спектральной линии; 5) метод относительной интенсивности спектральных линий; 6) метод измерения температуры по вращательному молекулярному спектру; 7) метод измерения температуры по колебательному молекулярному спектру; 8) метод измерения температуры по допплеровскому уширению спектральной линии и др.

Необходимо отметить, что применимость перечисленных оптических методов, а также точность, достигаемая ими, целиком определяется свойствами исследуемых газовых сред и пламён. Ввиду того, что излучение газовых сред и пламён зависит не только от их температуры, но и от многих других факторов (от коэффициента излучения и размеров факела, от химических процессов, происходящих в газах и т. д.), применению выбранного оптического метода измерения температуры должно предшествовать проведение предварительных спектральных исследований объекта; лишь после тщательного анализа свойств излучающей среды можно остановиться на том или ином оптическом методе определения температуры, который дает при измерении достаточную методическую точность.

Оптическими методами, применяемыми для определения температур светящихся газовых сред и пламён, в большинстве случаев измеряется не истинная температура, а некая эффективная радиационная, яркостная, цветовая температура, отличие которой от истинной определяется в основном испускательной способностью среды.

Оптико-электрические системы, применяемые при измерении температуры, имеют, как правило, три основных элемента: а) чувствительный элемент (приемник излучения); б) усилитель- преобразователь; в) регистрирующий прибор. В некоторых системах, работающих с применением метода лучеиспускания — поглощения, к данным элементам добавляется источник сравнения.

Ввиду того, что оптические методы определения температур требуют в большинстве случаев выделения и измерения узких спектральных полос (обладающих малой суммарной энергией излучения), сигнал, получаемый с чувствительных элементов, имеет весьма малую величину. Это обстоятельство в ряде случаев вынуждает применять электронные усилители, имеющие значительные коэффициенты усиления. Усилители, применяемые в таких приборах, могут вносить существенные погрешности при измерении быстропеременных температур, поэтому их широкополосность имеет важное значение.

4.1.1.5 Спектроскопические методы контроля процессов горения

К числу наиболее информативных оптических методов контроля процессов горения относятся спектроскопические. В зависимости от характера исследуемых спектров различают спектральный анализ по спектрам испускания (эмиссионный), по спектрам поглощения (абсорбционный, позволяющий определять как элементарный, так и молекулярный состав вещества), по спектрам комбинационного рассеяния света, по спектрам люминесценции, по рентгеновским спектрам и

по спектрам микроволнового излучения. Спектроскопия в настоящее время является единственным экспериментальным методом, позволяющим изучать кинетику и механизм реакции, не нарушая и не прерывая ее.

Особенное значение спектроскопические методы имеют при изучении сложных химических реакций при горении, в ходе которых в реагирующей системе возникают и исчезают разнообразные промежуточные вещества.

Поскольку в большинстве случаев эти вещества обладают весьма малой продолжительностью жизни, обычный химический анализ в данном случае оказывается бессильным; спектроскопический же метод в принципе позволяет не только идентифицировать отдельные промежуточные вещества, но и также измерять их концентрацию и установить их роль в механизме реакции.

Прибором контроля в данном случае является спектральный прибор, который исследует электромагнитное излучение как сигнал, несущий спектроскопическую информацию об объекте, т.е. о процессе горения.

Спектральные приборы позволяют: а) разложить исследуемое излучение в спектр и зафиксировать положение отдельных его участков или отдельных спектральных линий; б) измерить интенсивность того или иного участка спектра, той или иной спектральной линии.

Как отмечалось во введении, основные преимущества спектроскопических методов по сравнению с остальными состоят в следующем:

- не вносят возмущений в исследуемую среду и не вызывают изменения ее

физических и химических свойств;

- обладают большой чувствительностью;

- позволяют осуществлять контроль в реальном времени;

- применимы для исследования нестационарных, быстропротекающих

явлений (таких, как горение, детонация, распространение ударных волн и

т.д.), так как они не обладают инерционностью;

- зачастую являются единственно возможными, например, при изучении

весьма удаленных или труднодоступных объектов;

- обладают высокой информативностью, при этом получаемая спектроскопическая информация позволяет судить о наличии соответствующего химического элемента, о кинетической температуре излучающего газа (доплеровское уширение контура линии), о плотности возмущающих частиц (уширение из-за эффекта давления), концентрации заряженных частиц (штарковское уширение) и о концентрации излучающих частиц по интенсивности обнаруженной линии.

Особенное значение спектроскопических методов при решении задач контроля процессов горения подчеркивает актуальность разработки новых методов анализа спектра оптических сигналов и новых спектральных приборов оптического диапазона, а также дальнейшей разработки теории спектральных измерений.