CC BY
68
УДК 536.462
О ВЫБОРЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ИНТЕРВАЛА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПЛАМЕНИ С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОВИЗОРА
М.В. Агафонцев1, ЕЛ. Лобода1, Е.А. Макарова1, В.В. Рейно2
1 Национальный исследовательский Томский государственный университет 2 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск
E-mail: kim75mva@gmail.com
Современные методы инфракрасной диагностики с использованием тепловизоров являются довольно перспективными, так как они позволяют отказаться от применения большого числа термопар при исследовании поля температуры и при этом получить хорошее пространственное разрешение. Также с помощью тепловизоров можно проводить съемку с высокой детализацией по времени, что позволяет проводить исследования быстропроте-кающих процессов. Однако при использовании метода инфракрасной диагностики необходимо учитывать спектр излучения исследуемого объекта и выбирать подходящий спектральный интервал для того, чтобы коэффициент излучения объекта в данном интервале был корректным. В качестве исследуемого объекта было пламя, образующееся в процессе горения различных видов топлив. Производилась съемка процесса горения с помощью спектрографа, по данным которого были получены спектры излучения пламени для разных видов топлив. Одновременно температура в пламени контролировалась при помощи термопары, с которой определялась средняя температура, которая затем выставлялась на модели абсолютно черного тела, и производилась съемка излучения абсолютно черного тела. Спектр излучения абсолютно черного тела является теоретическим максимумом. Далее полученные спектры сравнивались, и производился анализ полученных данных. В результате были определены спектральные интервалы, которые пригодны и не желательны в исследовании поля температуры.
Ключевые слова:
Температура, пламя, ИК-излучение, ИК-камера, ИК-диагностика, спектр излучения.
Традиционные методы экспериментального исследования процессов горения предполагают применение большого количества термопар для определения полей температуры в пламени. Это вызывает ряд технических трудностей, которые практически невозможно решить при проведении крупных или натурных экспериментов. Кроме того, применение контактных методов измерений вносит возмущения в исследуемую среду и искажает истинную картину течения в пламени. Современные методы ИК-диагностики с использованием тепловизоров позволяют отказаться от применения большого числа термопар и при этом получить хорошее пространственное разрешение с высокой детализацией по времени. Однако применение методов ИК-диагностики связано с ря-
Агафонцев Михаил Владимирович, магистрант механико-математического факультета Томского государственного университета.
E-mail: kim75mva@gmail.com Область научных интересов: механика жидкости, газа и плазмы; инфракрасная термография; моделирование и прогноз катастроф. Лобода Егор Леонидович, д-р физ.-мат. наук, зав. кафедрой физической и вычислительной механики Томского государственного университета.
E-mail: loboda@mail.tsu.ru Область научных интересов: механика жидкости, газа и плазмы; инфракрасная термография; моделирование и прогноз катастроф. Макарова Елена Андреевна, магистрант механико-математического факультета Томского государственного университета.
E-mail: zayka_9991@mail.ru Область научных интересов: механика жидкости, газа и плазмы; инфракрасная термография; моделирование и прогноз катастроф. Рейно Владимир Владимирович, вед. науч. сотр. Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск. E-mail: reyno@iao.ru Область научных интересов: изучение распространения оптического излучения в атмосфере; разработка лазерных методов измерения атмосферных параметров; изучение атмосферной турбулентности.
дом трудностей, которые обусловлены необходимостью определения оптических характеристик пламени (коэффициенты излучения и пропускания) [1, 2], выбора спектрального интервала, влиянием слоя пламени на регистрацию экранированных им объектов [1]. Например, при исследовании горения растительных горючих интервалов в диапазоне длин волн 2,5-2,7 мкм наблюдается зависимость коэффициента излучения пламени от влагосодержания горючих материалов [2].
Следует отметить, что применение методов ИК-диагностики в мире в основном приходится на исследование электротехнического и теплового оборудования и связано с определением температур твердых тел, а зачастую и вообще лишь с качественной оценкой наличия градиентов температуры. Кроме того, применение методов ИК-диагностики нашло место при оценке поведения микроэлектронных устройств [3] и в задачах неразрушающего контроля нагруженных конструкций в авиационной технике [4]. В работе [5] приводятся спектры излучения пламени, образующегося при горении растительных горючих материалов, и результаты исследований излучения от фронта пожара на длинах волн 3,6, 4,8 и 4,2 мкм, а в работе [6] представлены спектры излучения и особенности ИК-измерений для различных газов, в том числе паров воды и углекислого газа, разогретых до 2000 К, которые являются основными продуктами горения.
Учитывая, что современные тепловизоры позволяют работать в диапазонах длин волн от 2 до 5 мкм, где находятся основные мощные линии излучения пламени и при этом имеется возможность при помощи узкополосных фильтров производить избирательную съемку, то возникает необходимость правильного выбора спектрального интервала для решения различных задач, таких как получение хорошо детализированного поля температуры в пламени или регистрация объектов, которые пламя экранирует. Далее приводятся результаты экспериментальных исследований по определению спектральных характеристик пламени, образующегося при горении различных горючих материалов, и делается вывод с рекомендациями по выбору различных спектральных интервалов для решения ряда практических задач с применением методов ИК-диагностики.
При экспериментальном исследовании процессов горения с применением методов ИК-диагностики представляет интерес определение оптических свойств пламени, таких как спектральные интервалы, где находятся мощные линии излучения с коэффициентом излучения, близким к 1, т. к. в этих спектральных интервалах можно применять методы ИК-диагностики для определения температуры в пламени, а также представляет интерес влияние пламени на результаты регистрации экранированных пламенем высокотемпературных объектов. Далее приводятся результаты определения оптических свойств пламени в среднем ИК-диапазоне, образованном при горении некоторых горючих материалов.
В качестве горючих материалов использовались: растительные горючие материалы (хвоя сосны, кедра, полевые растения), древесина сосны, березы и кедра, каменный уголь сорта ДО, спирт, керосин, бензин, дизельное топливо, пропано-бутановая смесь. Масса образцов растительных горючих материалов (хвоя кедра, сосны, полевые растения) составляла 50 г, древесины сосны, березы и кедра - 200 г, каменного угля - 300 г, объем жидкостей - 20 мл.
Регистрация спектра излучения пламени производилась при помощи спектрографа SOLAR TII MS2001i с диапазоном измерений 2,0-5,6 мкм. Измерения производились с расстояния 1 м от пламени. Температура в пламени контролировалась при помощи термопары типа ХА с диаметром спая 500 мкм. В соответствии с максимальными значениями показаний термопары в пламени производилась регистрация спектра излучения модели абсолютно черного тела (АЧТ) с соответствующей температурой и на таком же расстоянии (1 м). В качестве модели АЧТ использовался излучатель АЧТ-45/100/1100 с диапазоном изменения температуры от 573 до 1373 К. Дополнительно контролировались температура воздуха, относительная влажность воздуха, атмосферное давление.
На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки, где источник излучения и регистрирующая аппаратура размещены на одной оптической оси.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - модель АЧТ-45/100/1100; 2 - слой исследуемого материала с длиной l и высотой h; 3 - пламя фронта горения; 4 - спектрограф SOLAR TII MS2001i
На рис. 2-4 приведены спектры излучения пламени (кривая 2), образующегося при горении указанных выше горючих материалов, и спектр излучения АЧТ (кривая 1) при температуре, соответствующей температуре в пламени при горении соответствующих горючих материалов.
a
2:11 оООО -Ш -zll z'zll
2000 :::: зооо :::: :::: ::::
л пт ,
с а
Рис. 2. Спектры излучения АЧТ (кривая 1) и пламени (кривая 2), образующегося при горении: а - пропан-бутановой смеси; Ь - бензина; с - керосина, й - дизельного топлива
b
;;;; :;:>; 4мо
л. " "1
я
2соо ;осо -:;;
300-,
2000 I:;; ¿¿со 4.000 ззсо
И
Рис. 3. Спектры излучения АЧТ (кривая 1) и пламени (кривая 2), образующегося при горении: е - хвои сосны;/- хвои кедра; я - сосновой древесины; И - березовой древесины
Рис. 4. Спектры излучения АЧТ (кривая 1) и пламени (кривая 2), образующегося при горении: 1 - кедровой древесины;у - спирта
Из анализа рис. 2-4 можно сделать вывод, что наиболее мощные линии излучения соответствуют основным продуктам горения - парам воды и углекислому газу. В случае горения
других горючих материалов в спектре излучения пламени присутствует излучение разной интенсивности в диапазоне длин волн 3-4 мкм, обусловленное в большей степени излучением конденсированных продуктов горения (сажи и дыма), концентрация которых различна для разных видов горючих материалов.
Учитывая, что тепловизоры калибруются по излучению АЧТ, то, сравнивая спектр излучения пламени и спектр излучения АЧТ для одной и той же максимальной температуры, можно увидеть, что в диапазоне от 4 до 5 мкм в спектре излучения пламени присутствует излучение, превышающее по интенсивности излучение АЧТ. Из этого следует, что выбор узкого спектрального интервала в диапазоне 4,3-4,7 мкм нецелесообразен для измерения температуры в пламени, т. к. в этом случае необходимо учитывать концентрации продуктов горения СО и Ш2 и их вклад в интегральное излучение пламени, за исключением горючих материалов: керосина и дизельного топлива (рис. 2, с и й).
Для регистрации поля температуры в пламени наиболее предпочтительными являются узкие спектральные интервалы, находящиеся в диапазоне длин волн 2,5-3,0 мкм, т. к. в этом диапазоне интенсивность излучения пламени не превышает интенсивность излучения АЧТ для соответствующей температуры, и при этом в спектральном интервале находятся достаточно мощные линии излучения с эффективным коэффициентом излучения, близким к «1».
В случае если стоит задача регистрации экранированных пламенем объектов и при этом не требуется регистрация температуры в пламени, то следует выбирать узкий спектральный интервал, лежащий в диапазоне длин волн 3,3-4,0 мкм.
Выводы
При исследовании процессов горения с применением методов ИК-диагностики необходимо:
1. Применять тепловизоры с рабочим диапазоном 2-5 мкм, с охлаждаемой матрицей и позволяющих производить запись с частотой не менее 40 кадров в секунду.
2. Для решения задачи по определению полей температуры в пламени необходимо применение узкополосных фильтров, в полосу пропускания которых будут попадать линии излучения продуктов горения, интенсивность которых не превышает интенсивность излучения АЧТ для максимальной температуры в пламени.
3. Для рассмотренных в данной статье видов горючих материалов целесообразно использовать спектральный интервал 2,5-3,0 мкм для определения полей температуры в пламени.
4. Для регистрации объектов, экранированных пламенем, образованным при горении рассмотренных в статье горючих материалов, целесообразно использовать спектральный интервал 3,3-4,0 мкм. При использовании спектрального интервала 2,5-3,0 мкм излучение от пламени будет вносить значительный вклад в интегральную величину регистрируемого излучения.
5. Использование спектрального интервала 4,0-4,7 мкм нецелесообразно для измерения температуры, т. к. при этом необходимо будет учитывать концентрации СО и CO2 и оценивать их вклад в интегральное излучение пламени.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 14-01-00211.
Статья рекомендована к публикации по итогам работы VМеждународной молодежной конференции "Электроэнергетика глазами молодежи 2014".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Влияние коэффициента излучения пламени на измерение температур ИК-методами при горении лесных и степных горючих материалов при различном вла-госодержании. Частотный анализ изменения температуры // Оптика атмосферы и океана. -2011. - № 11.- С. 1002-1006.
2. Лобода Е.Л., Рейно В.В. Влияние коэффициента излучения пламени на измерение температур ИК-методами при горении лесных и степных горючих материалов при различном вла-
госодержании. Частотный анализ изменения температуры // Оптика атмосферы и океана. -2011. - № 11.- С. 1002-1004.
3. Huang W., Skadron K., Gurumurthi S., Ribando R.J. Stan Differentiating the Roles of IR Measurement and Simulation for Power and Temperature // Aware Design Performance Analysis of Systems and Software. 2009. ISPASS 2009. IEEE International Symposium DOI: 10.1109/ISPASS.2009.4919624.
4. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. - М.: ИД «Спектр», 2009. - 544 с.
5. Meléndez J., Aranda J.M., A.J. de Castro, López F. Transient Infrared Temperature Measurements of Liquid-Fuel Surfaces: Results of Studies of Flames Spread Over Liquids // Quantitative InfraRed Thermography Journal. - 2006. - V. 3. - Issue 2. - P. 183-199.
6. Rawlins W.T., Lawrence W.G., Marinelli W.J., Allen M.G. Hyperspectral infrared imaging of flames using a spectrally scanning fabry-perot filter // 2nd Joint Meeting of the U.S. Sections of the Combustion Institute, March 2001. - P. 1-13.
Поступила 28.01.2015 г.
