Фосфорлық термометрия: беттік температураны өлшеу әдісі мен қолданылуы
Phosphor thermometry
Фосфорлы термометрия: беттік температураны оптикалық түрде өлшеу әдісі. Фосфордың жарық шығару қасиеттері температураға байланысты өзгереді, соның ішінде жарқырау ұзақтығы.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Фосфор термометриясы – беткей температурасын өлшеудің оптикалық әдісі. Бұл әдіс фосфор материалының люминесценциясын пайдаланады. Фосфорлар – әртүрлі тәсілдермен жарық шығаруға, яғни люминесценцияға түрткі болатын, ақ немесе пастельді түсті органикалық емес ұнтақтар. Шығарылған жарықтың кейбір қасиеттері температураға байланысты өзгереді, оның ішінде жарықтығы, түсі және қалқыма жарық енеу ұзақтығы. Соңғысы температураны өлшеу үшін ең көп қолданылады.
Phosphor thermometry is an optical method for surface temperature measurement. The method exploits luminescence emitted by phosphor material. Phosphors are fine white or pastel colored inorganic powders which may be stimulated by any of a variety of means to luminesce, i. e. emit light. Certain characteristics of the emitted light change with temperature, including brightness, color, and afterglow duration. The latter is most commonly used for temperature measurement.
Тарих
Фосфорды қолданып температураны өлшеудің алғашқы айғағы 1932 жылы Пауль Нойберт тапсырған екі патентте кездеседі.
The first mention of temperature measurement utilizing a phosphor is in two patents originally filed in 1932 by Paul Neubert.
Шығару желілерінің температураға тәуелділігі: интенсивтілік қатынасы
Температураны анықтаудың екінші әдісі екі бөлек эмиссия сызығының қарқындылық қатынастарына негізделген; қаптама температурасының өзгеруі фосфоресценция спектрінің өзгеруі арқылы байқалады. Бұл әдіс беткі температура таралуын өлшеуге мүмкіндік береді. Қарқындылық қатынасы әдісінің артықшылығы - ластанған оптиканың өлшеуге тигізетін әсері аз, себебі ол эмиссия сызықтары арасындағы қатынастарды салыстырады. Эмиссия сызықтары "ластанған" беттер немесе оптикаға бірдей әсер етеді.
The second method of temperature detection is based on intensity ratios of two separate emission lines; the change in coating temperature is reflected by the change of the phosphorescence spectrum. This method enables surface temperature distributions to be measured. The intensity ratio method has the advantage that polluted optics has little effect on the measurement as it compares ratios between emission lines. The emission lines are equally affected by 'dirty' surfaces or optics.
Термографиялық фосфорды жылу кедергісі бар қаптамаға қолдану
Термиялық кедергілі қаптама (ТБК) газ турбинасының компоненттеріне қозғалтқыштардың ыстық бөлігіндегі жоғары температураны қабылдауға және қа acceptable өмір мерзімін сақтауға мүмкіндік береді. Бұл қаптамалар әдетте оксид материалдарына негізделген жұқа керамикалық қаптамалар (бірнеше жүз микрометр) болып табылады. Алғашқы зерттеулерде люминесцентті материалдарды ТБК-да эрозия сенсорлары ретінде пайдалану қарастырылған. 1998 жылы температураны анықтауға арналған «термиялық кедергілі сенсорлық қаптама» (сенсорлық ТБК) тұжырымы енгізілді. Температураны өлшеу қажетті бетке фосфор қабатын жағудың орнына, ТБК құрамын жергілікті түрде өзгерту ұсынылды, осылайша ол термографиялық фосфор ретінде де, қорғаныш термиялық кедергі ретінде де әрекет етеді. Бұл екі функциялы материал беткі температураны өлшеуге мүмкіндік береді, сонымен қатар ТБК ішіндегі және металл/сыртқы қабат интерфейсіндегі температураны өлшеуге арналған құралды жасауға болады, осы арқылы интеграцияланған жылу ағынын өлшегіш құралды жасауға мүмкіндік туады. 2000 жылы европиймен қосымша легирленген иттриймен тұрақталған цирконий (YSZ:Eu) ұнтақтары бойынша алғашқы нәтижелер жарияланды. Олар сондай-ақ 50 мкм допингсіз YSZ қабаты арқылы төменгі өлшеулерді көрсетті және ESAVD техникасын қолдана отырып, астыңғы жұқа (10 мкм) YSZ:Eu қабатының (екі қабатты жүйе) фосфоресценциясын анықтады. 2001 жылы ТБК-ны электронды сәулемен физикалық булану арқылы жасау бойынша алғашқы нәтижелер жарияланды. Сыналған қаптама диспрозиймен қосымша легирленген стандартты YSZ моноқабатты қаптамасы (YSZ:Dy) болды. Өнеркәсіптік атмосфералық плазмамен шашырату (АПС) сенсорлық қаптама жүйелері бойынша алғашқы жұмыстар 2002 жылы басталды және 2005 жылы жарияланды. Олар АПС сенсорлық қаптамаларының жоғары жылдамдықты камера жүйесін пайдалана отырып, оттықтардағы екі өлшемді температураны өлшеу мүмкіндіктерін көрсетті. Бұдан әрі, АПС сенсорлық қаптамаларының температураны өлшеу мүмкіндігі 1400 °C-тан жоғары көрсетілді. Бірнеше қабатты сенсорлық ТБК бойынша нәтижелер баяндалды, олар қаптаманың астындағы және бетіндегі температураны бір мезгілде өлшеуге мүмкіндік береді. Мұндай көп қабатты қаптама жылу ағынын өлшегіш ретінде термиялық градиентті бақылау үшін, сондай-ақ нақты пайдалану жағдайында ТБК қалыңдығы арқылы жылу ағынын анықтау үшін де қолданылуы мүмкін.
A thermal barrier coating (TBC) allows gas turbine components to survive higher temperatures in the hot section of engines, while having acceptable life times. These coatings are thin ceramic coatings (several hundred micrometers) usually based on oxide materials. Early works considered the integration of luminescent materials as erosion sensors in TBCs. The notion of a "thermal barrier sensor coating" (sensor TBC) for temperature detection was introduced in 1998. Instead of applying a phosphor layer on the surface where the temperature needs to be measured, it was proposed to locally modify the composition of the TBC so that it acts as a thermographic phosphor as well as a protective thermal barrier. This dual functional material enables surface temperature measurement but also could provide a means to measure temperature within the TBC and at the metal/topcoat interface, hence enabling the manufacturing of an integrated heat flux gauge. First results on yttria stabilized zirconia co doped with europia (YSZ:Eu) powders were published in 2000. They also demonstrated sub surface measurements looking through a 50 μm undoped YSZ layer and detecting the phosphorescence of a thin (10 μm) YSZ:Eu layer (bi layer system) underneath using the ESAVD technique to produce the coating. The first results on electron beam physical vapour deposition of TBCs were published in 2001. The coating tested was a monolayer coating of standard YSZ co doped with dysprosia (YSZ:Dy). First work on industrial atmospheric plasma sprayed (APS) sensor coating systems commenced around 2002 and was published in 2005. They demonstrated the capabilities of APS sensor coatings for in situ two dimensional temperature measurements in burner rigs using a high speed camera system. Further, temperature measurement capabilities of APS sensor coatings were demonstrated beyond 1400 °C. Results on multilayer sensing TBCs, enabling simultaneous temperature measurements below and on the surface of the coating, were reported. Such a multilayer coating could also be used as a heat flux gauge in order to monitor the thermal gradient and also to determine the heat flux through the thickness of the TBC under realistic service conditions.
Термографиялық фосфорларды ТБК-да қолдану
Жоғарыда айтылған әдістер температураны анықтауға бағытталған, бірақ фосфоресцентті материалдарды жылулық кедергі қабатына енгізу, оптикалық белсенді иондардың жергілікті атомдық ортасына әсер ететін қартаю механизмдерін немесе басқа физикалық параметрлердің өзгеруін анықтауға арналған микрозонд ретінде де жұмыс істей алады. Ванадийдің шабуылынан туындаған ЖСЗ-дағы қызу коррозиясы процестері анықталды.
While the previously mentioned methods are focusing on the temperature detection, the inclusion of phosphorescent materials into the thermal barrier coating can also work as a micro probe to detect the aging mechanisms or changes to other physical parameters that affect the local atomic surroundings of the optical active ion. Detection was demonstrated of hot corrosion processes in YSZ due to vanadium attack.