Фосфорная термометрия

Фосфорная термометрия — это оптический метод измерения температуры поверхности. В этом методе используется люминесценция , излучаемая люминофорным материалом. Люминофоры представляют собой мелкие неорганические порошки белого или пастельного цвета, люминесценцию которых, т.е. испускание света, можно стимулировать любым из множества способов. Некоторые характеристики излучаемого света меняются в зависимости от температуры, включая яркость, цвет и продолжительность послесвечения. Последний чаще всего используется для измерения температуры.

История

Первое упоминание об измерении температуры с использованием люминофора содержится в двух патентах, первоначально поданных в 1932 году Полом Нойбертом. ^[1]

Зависимость люминесценции от времени

Разность фаз между выходом светодиода и люминесценцией.

Обычно ультрафиолетовая лампа короткого действия или лазерный источник освещают люминофорное покрытие, которое, в свою очередь, заметно люминесцирует. Когда источник освещения прекращается, свечение будет сохраняться в течение характерного времени, постепенно уменьшаясь. Время, необходимое для того, чтобы яркость уменьшилась до 1/e от ее первоначального значения, известно как время затухания или время жизни и обозначается как . Это функция температуры, Т. ${\displaystyle \tau }$

Интенсивность люминесценции I обычно спадает экспоненциально по закону :

${\displaystyle \!\,I=I_{o}e^{\frac {-t}{\tau }}}$

Где I ₀ – начальная интенсивность (или амплитуда). «t» — это время и параметр, который может зависеть от температуры. ${\displaystyle \tau }$

Было показано, что датчик температуры, основанный на прямом измерении времени затухания, достигает температуры от 1000 до 1600 °C. ^[2] В этой работе легированный YAG-люминофор был выращен на нелегированном YAG-волокне для формирования монолитной структуры зонда, а в качестве источника возбуждения использовался лазер. В дальнейшем были реализованы другие варианты с использованием светодиодов в качестве источника возбуждения. Эти устройства могут измерять температуру до 1000 °C и используются в микроволновой и плазменной обработке. ^[3]

Если источник возбуждения является периодическим, а не импульсным, то и временной отклик люминесценции соответственно иной. Например, существует разность фаз между синусоидально изменяющимся сигналом светоизлучающего диода (СИД) с частотой f и возникающей в результате флуоресценцией (см. рисунок). Разность фаз изменяется в зависимости от времени затухания и, следовательно, от температуры следующим образом:

${\displaystyle \!\,\phi =tan(2{\pi }f{\tau })}$

Температурная зависимость эмиссионных линий: соотношение интенсивностей

Второй метод определения температуры основан на соотношении интенсивностей двух отдельных эмиссионных линий; изменение температуры покрытия отражается изменением спектра фосфоресценции. ^{[4] [5]} Этот метод позволяет измерить распределение температуры на поверхности. ^[6] Преимущество метода отношения интенсивностей заключается в том, что загрязненная оптика мало влияет на измерения, поскольку он сравнивает отношения между линиями излучения. На эмиссионные линии одинаково влияют «грязные» поверхности и оптика.

Температурная зависимость

К рисунку справа относятся несколько наблюдений:

• Оксисульфидные материалы демонстрируют несколько различных эмиссионных линий, каждая из которых имеет разную температурную зависимость. Замена одного редкоземельного элемента другим, в данном случае замена La на Gd, смещает температурную зависимость.
• Материал YAG:Cr (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ :Cr ³⁺ ) демонстрирует меньшую чувствительность, но охватывает более широкий температурный диапазон, чем более чувствительные материалы.
• Иногда время затухания является постоянным в широком диапазоне, а затем становится зависимым от температуры при некотором пороговом значении. Это проиллюстрировано на кривой YVO ₄ :Dy; то же справедливо и для некоторых других материалов (на рисунке не показаны). Производители иногда добавляют в качестве сенсибилизатора второй редкоземельный элемент. Это может усилить излучение и изменить характер температурной зависимости. Кроме того, галлий иногда заменяет часть алюминия в АИГ , что также изменяет температурную зависимость.
• Затухание излучения люминофоров диспрозия (Dy) иногда не является экспоненциальным со временем. Следовательно, значение, присвоенное времени затухания, будет зависеть от выбранного метода анализа. Этот неэкспоненциальный характер часто становится более выраженным по мере увеличения концентрации легирующей примеси.
• В высокотемпературной части два образца фосфата лютеция представляют собой не порошки, а монокристаллы. Однако это оказывает незначительное влияние на время затухания и его температурную зависимость. Однако время затухания данного люминофора зависит от размера частиц, особенно менее одного микрометра.

Существуют и другие параметры, влияющие на люминесценцию термографических люминофоров, например, энергия возбуждения, концентрация легирующей примеси или состав или абсолютное давление окружающей газовой фазы. Поэтому необходимо позаботиться о том, чтобы эти параметры оставались постоянными для всех измерений.

Применение термографического люминофора в термобарьерном покрытии

Теплозащитное покрытие (TBC) позволяет компонентам газовой турбины выдерживать более высокие температуры в горячей части двигателей, сохраняя при этом приемлемый срок службы. Эти покрытия представляют собой тонкие керамические покрытия (толщиной несколько сотен микрометров), обычно на основе оксидных материалов.

Ранние работы рассматривали интеграцию люминесцентных материалов в качестве датчиков эрозии в TBC. ^[7] Понятие «термобарьерное сенсорное покрытие» (сенсор TBC) для определения температуры было введено в 1998 году. Вместо нанесения слоя люминофора на поверхность, где необходимо измерять температуру, было предложено локально модифицировать состав TBC, так что он действует как термографический люминофор, а также как защитный тепловой барьер. Этот двойной функциональный материал позволяет измерять температуру поверхности, но также может служить средством измерения температуры внутри TBC и на границе раздела металл/верхнее покрытие, что позволяет изготовить интегрированный датчик теплового потока. ^[8] Первые результаты по порошкам стабилизированного иттрием диоксида циркония , легированного европием (YSZ:Eu), были опубликованы в 2000 году. ^[9] Они также продемонстрировали подповерхностные измерения, просматривая нелегированный слой YSZ толщиной 50 мкм и обнаруживая фосфоресценцию тонкий (10 мкм) слой YSZ:Eu (двухслойная система) под ним с использованием технологии ESAVD для получения покрытия. ^[10] Первые результаты электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы TBC были опубликованы в 2001 году. ^[11] Испытанное покрытие представляло собой монослойное покрытие из стандартного YSZ, легированного диспрозией (YSZ:Dy). Первые работы по системам промышленных сенсорных покрытий, напыленных атмосферной плазмой (APS), начались примерно в 2002 году и были опубликованы в 2005 году. ^[12] Они продемонстрировали возможности сенсорных покрытий APS для двумерных измерений температуры на месте на горелках с использованием высокоскоростной камеры. система. ^[13] Кроме того, были продемонстрированы возможности измерения температуры сенсорных покрытий APS при температуре выше 1400 °C. ^[14] Сообщалось о результатах многослойного зондирования TBC, позволяющего одновременно измерять температуру под и на поверхности покрытия. Такое многослойное покрытие также можно использовать в качестве датчика теплового потока для контроля температурного градиента, а также для определения теплового потока через толщину ТВП в реальных условиях эксплуатации. ^[15]

Применение термографических люминофоров в ТВЧ

Хотя ранее упомянутые методы ориентированы на определение температуры, включение фосфоресцирующих материалов в термобарьерное покрытие может также работать как микрозонд для обнаружения механизмов старения или изменений других физических параметров, которые влияют на локальное атомное окружение оптически активного вещества. ион. ^{[8] [16]} Было продемонстрировано обнаружение процессов горячей коррозии в YSZ из-за воздействия ванадия. ^[17]

Смотрите также

• флуоресценция
• Люминесценция
• Фотолюминесценция
• Термометр
• Термометрия

Рекомендации

1. Эллисон, SW (2019). Краткая история люминофорной термометрии. Измерительная наука и технология, 30(7), 072001.
2. Дж. Л. Кеннеди и Н. Джеу (2002), «Работа оптоволоконного датчика температуры Yb: YAG до 1600 ° C», Датчики и исполнительные механизмы A 100 , 187-191.
3. Коммерческое использование MicroMaterials, Inc. по патентам США 6 045 259 и 9 599 518 B2.
4. Дж. П. Файст и А. Л. Хейес (2000). «Характеристика порошка Y2O2S:Sm как термографического люминофора для применения при высоких температурах». Измерительная наука и технология . 11 (7): 942–947. Бибкод : 2000MeScT..11..942F. дои : 10.1088/0957-0233/11/7/310. S2CID  250917066.
5. LP Goss, AA Smith и ME Post (1989). «Поверхностная термометрия методом лазерно-индуцированной флуоресценции». Обзор научных инструментов . 60 (12): 3702–3706. Бибкод : 1989RScI...60.3702G. дои : 10.1063/1.1140478.
6. Дж. П. Файст, А. Л. Хейес и С. Зеефельдт (2003). «Термографическая люминофорная термометрия для исследований пленочного охлаждения в камерах сгорания газовых турбин». Журнал власти и энергии . 217 (2): 193–200. Бибкод : 2003PIMEA.217..193F. дои : 10.1243/09576500360611227. S2CID  95454730.
7. К. Амано, Х. Такеда, Т. Сузуки, М. Таматани, М. Ито и Ю. Такахаши (1987), «Теплобарьерное покрытие», патент США 4,774,150.
8. КЛ. Чой, А. Л. Хейес и Дж. Файст (1998), «Теплобарьерное покрытие со встроенным в него термолюминесцентным индикаторным материалом», патент США № 6 974 641.
9. Дж. П. Файст и А. Л. Хейес (2000). «Диоксид циркония, легированный европием и стабилизированный иттрием, для высокотемпературной люминофорной термометрии». Труды Института инженеров-механиков . 214, Часть L: 7–11.
10. КЛ. Чой; Дж. П. Файст; АЛ Привет; Б. Су (1999). «Люминофорные пленки Y2O3, легированные Eu, полученные методом электростатического химического осаждения из паровой фазы». Журнал исследования материалов . 14 (7): 3111–3114. Бибкод : 1999JMatR..14.3111C. дои : 10.1557/JMR.1999.0417. S2CID  98365100.
11. Дж. П. Файст, А. Л. Хейес и Дж. Р. Николлс (2001). «Фосфорная термометрия при электронно-лучевом физическом осаждении из газовой фазы позволила получить термобарьерное покрытие, легированное диспрозием». Труды Института инженеров-механиков . 215 Часть G (6): 333–340. дои : 10.1243/0954410011533338. S2CID  137294920.
12. X. Чен; З. Мутасим; Дж. Прайс; Дж. П. Файст; АЛ Привет; С. Зеефельдт (2005). «Промышленные датчики TBC: исследования по определению температуры и долговечности». Международный журнал прикладной керамической технологии . 2 (5): 414–421. дои : 10.1111/j.1744-7402.2005.02042.x.
13. AL Эйес; С. Зеефельдт; Дж. П. Файст (2005). «Двухцветная термометрия для измерения температуры поверхности». Оптика и лазерная техника . 38 (4–6): 257–265. Бибкод : 2006OptLT..38..257H. doi :10.1016/j.optlastec.2005.06.012.
14. Дж. П. Файст, Дж. Р. Николлс, М. Дж. Фрейзер, А. Л. Хейес (2006) «Композиции люминесцентных материалов и структуры, включающие их» Патент PCT/GB2006/003177
15. Р.Дж.Л. Стинбаккер; Дж. П. Файст; Р.Г. Веллманн; Дж. Р. Николлс (2008). Sensro TBC: удаленный мониторинг состояния покрытий EB-PVD на месте при повышенных температурах, GT2008-51192 . Материалы выставки ASME Turbo Expo 2008: Энергия для суши, моря и воздуха, 9–13 июня, Берлин, Германия. дои : 10.1115/GT2008-51192.
16. А. М. Шривастава, А. А. Сетлур, Х. А. Команзо, Дж. В. Девитт, Дж. А. Рууд и Л. Н. Брюэр (2001) «Устройство для определения условий прошлой эксплуатации и остаточного срока службы термобарьерных покрытий и компонентов, имеющих такие покрытия» Патент США 6730918B2
17. Дж. П. Файст и А. Л. Хейес (2003) «Покрытия и оптический метод обнаружения процесса коррозии в покрытиях» GB. Патент 0318929.7.

дальнейшее чтение

• КТВ Граттан; З.Я. Чжан (1995). Волоконно-оптическая флуоресцентная термометрия. Спрингер. ISBN 0-412-62470-2.
• SW Эллисон и GT Гиллис (1997). «Дистанционная термометрия с термографическими люминофорами: приборы и приложения». Обзор научных инструментов . 68 (7): 2615–2650. Бибкод : 1997RScI...68.2615A. дои : 10.1063/1.1148174 .
• А.Х. Халид и К. Контис (2008). «Термографические люминофоры для измерения высоких температур: принципы, современное состояние и недавние применения». Датчики . 68 (8): 5673–5744. Бибкод : 2008Senso...8.5673K. дои : 10.3390/s8095673 . ПМЦ  3705526 . ПМИД  27873836.
• Доктор медицины Чемберс и доктор Кларк (2009). «Допированные оксиды для высокотемпературной люминесценции и прижизненной термометрии». Ежегодный обзор исследований материалов . 39 (7): 325–359. Бибкод : 2009AnRMS..39..325C. doi : 10.1146/annurev-matsci-112408-125237.
• М. Альден; А. Омране; М. Рихтер и Г. Сарнер (2011). «Термографические люминофоры для термометрии: обзор применения горения». Прогресс в области энергетики и науки о горении . 37 (4): 422–461. дои : 10.1016/j.pecs.2010.07.001.
• Дж. Брюбах; К. Пфлич; А. Дрейзлер и Б. Атакан (2011). «Об измерениях температуры поверхности с помощью термографического люминофора: обзор». Прогресс в области энергетики и науки о горении . 39 : 37–60. дои : 10.1016/j.pecs.2012.06.001.
• Британцы, CDS; Миллан, А.; Карлос, LD (2016). «Глава 281: Лантаниды в люминесцентной термометрии». В Бюнцли, Жан-Клод; Печарский, Виталий К. (ред.). Справочник по физике и химии редких земель . Эльзевир. стр. 339–427. doi : 10.1016/bs.hpcre.2016.03.005. ISBN 978-0-444-63699-7.
• Драмичанин, Мирослав (2018). Люминесцентная термометрия: методы, материалы и приложения (1-е изд.). Эльзевир Наука. ISBN 978-0-08-102029-6. Проверено 20 ноября 2019 г.
• SW Эллисон (2019). «Краткая история люминофорной термометрии». Измерительная наука и технология . 30 (7): 072001. Бибкод : 2019MeScT..30g2001A. дои : 10.1088/1361-6501/ab1d02. S2CID  150322424.