Люминофорная термометрия - Phosphor thermometry

Люминофорная термометрия является оптический метод измерения температуры поверхности. Метод использует свечение испускается люминофор материал. Люминофоры представляют собой мелкие неорганические порошки белого или пастельного цвета, которые можно стимулировать любым из множества способов к люминесценции, то есть испусканию света. Некоторые характеристики излучаемого света изменяются с температурой, включая яркость, цвет и продолжительность послесвечения. Последний чаще всего используется для измерения температуры.

Временная зависимость люминесценции

Разность фаз между выходом светодиода и люминесценцией.

Обычно непродолжительный ультрафиолетовый лампа или лазер Источник освещает люминофорное покрытие, которое, в свою очередь, заметно светится. Когда источник освещения прекращается, люминесценция сохраняется в течение характерного времени, постепенно уменьшаясь. Время, необходимое для уменьшения яркости до 1 / е его первоначального значения известно как время распада или время жизни и обозначается как ${\displaystyle \tau }$. Это функция температуры T.

В интенсивность, я люминесценции обычно затухает экспоненциально в качестве:

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

Где я₀ - начальная интенсивность (или амплитуда).

Было показано, что датчик температуры, основанный на прямом измерении времени затухания, достигает температуры 1600 ° C.^[1] В этой работе легированный YAG-люминофор был выращен на нелегированном YAG-волокне, чтобы сформировать монолитную структуру для зонда, а лазер использовался в качестве источника возбуждения. Впоследствии были реализованы другие версии, использующие светодиоды в качестве источника возбуждения. Эти устройства могут измерять температуру до 1000 ° C и используются в системах микроволновой и плазменной обработки.^[2]

Если источник возбуждения периодический, а не импульсный, то временной отклик люминесценции будет соответственно другим. Например, существует разность фаз между синусоидально изменяющимся светодиод (LED) сигнал частоты ж и полученная флуоресценция (см. рисунок). Разность фаз изменяется со временем затухания и, следовательно, с температурой следующим образом:

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

Температурная зависимость эмиссионных линий: отношение интенсивностей

Второй метод определения температуры основан на соотношении интенсивностей двух отдельных эмиссионных линий; изменение температуры покрытия отражается изменением спектра фосфоресценции.^[3][4] Этот метод позволяет измерять распределение температуры поверхности.^[5] Преимущество метода отношения интенсивностей состоит в том, что загрязненная оптика мало влияет на измерения, поскольку он сравнивает отношения между линиями излучения. На линии излучения в равной степени влияют «грязные» поверхности или оптика.

Температурная зависимость

К рисунку справа относятся несколько наблюдений:

• Оксисульфидные материалы демонстрируют несколько разных линий излучения, каждая из которых имеет различную температурную зависимость. Замена одного редкоземельного элемента на другой, в этом случае изменение La на Gd, приводит к сдвигу температурной зависимости.
• YAG: Cr материал (Y₃Al₅О₁₂: Cr³⁺) показывает меньшую чувствительность, но охватывает более широкий температурный диапазон, чем более чувствительные материалы.
• Иногда времена затухания являются постоянными в широком диапазоне, прежде чем они становятся зависимыми от температуры при некотором пороговом значении. Это проиллюстрировано для YVO₄: Кривая Dy; это также справедливо для некоторых других материалов (не показаны на рисунке). Производители иногда добавляют второй редкоземельный элемент в качестве сенсибилизатора. Это может усилить излучение и изменить характер температурной зависимости. Также, галлий иногда заменяют некоторые из алюминий в YAG, также изменяя температурную зависимость.
• Распад эмиссии диспрозий (Dy) люминофор иногда не является экспоненциальным со временем. Следовательно, значение, присвоенное времени затухания, будет зависеть от выбранного метода анализа. Этот неэкспоненциальный характер часто становится более выраженным с увеличением концентрации примеси.
• В высокотемпературной части два лютеций образцы фосфатов представляют собой монокристаллы, а не порошки. Однако это мало влияет на время затухания и его температурную зависимость. Однако время затухания данного люминофора зависит от размера частиц, особенно менее одного микрометра.

На люминесценцию термографических люминофоров влияют и другие параметры, например: энергия возбуждения, концентрация примеси или состав, или абсолютное давление окружающей газовой фазы. Следовательно, необходимо соблюдать осторожность, чтобы эти параметры оставались постоянными для всех измерений.

Применение термографического люминофора в термобарьерном покрытии

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

В ранних работах рассматривалась интеграция люминесцентных материалов в качестве датчиков эрозии в TBC.^[6] Понятие «термобарьерное покрытие сенсора» (датчик TBC) для определения температуры было введено в 1998 году. Вместо нанесения слоя люминофора на поверхность, где необходимо измерить температуру, было предложено локально изменить 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 / верхний слой, что позволяет изготавливать интегрированный датчик теплового потока.^[7] Первые результаты на оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия совместно легированные порошками европия (YSZ: Eu) были опубликованы в 2000 году.^[8] Они также продемонстрировали подповерхностные измерения, просматривая нелегированный слой YSZ толщиной 50 мкм и обнаруживая фосфоресценцию тонкого (10 мкм) слоя YSZ: Eu (двухслойная система) под ним с использованием технологии ESAVD для создания покрытия.^[9] Первые результаты по физическому осаждению ТВП из паровой фазы были опубликованы в 2001 году.^[10] Испытываемое покрытие представляло собой однослойное покрытие из стандартного YSZ, совместно легированного диспрозией (YSZ: Dy). Первая работа по промышленным системам покрытия сенсоров с плазменным напылением в атмосфере (APS) началась примерно в 2002 году и была опубликована в 2005 году.^[11] Они продемонстрировали возможности покрытий датчиков APS для двумерных измерений температуры на месте установки горелок с использованием высокоскоростной системы камер.^[12] Кроме того, были продемонстрированы возможности измерения температуры покрытий датчиков APS при температуре свыше 1400 ° C.^[13] Были опубликованы результаты по многослойным сенсорным ТВП, позволяющим одновременно измерять температуру под и на поверхности покрытия. Такое многослойное покрытие можно также использовать в качестве измерителя теплового потока для отслеживания теплового градиента, а также для определения теплового потока через толщину ТВП в реальных условиях эксплуатации.^[14]

Применение термографических люминофоров в БПЧ

В то время как ранее упомянутые методы сосредоточены на обнаружении температуры, включение фосфоресцирующих материалов в покрытие с тепловым барьером также может работать как микрозонд для обнаружения механизмов старения или изменений других физических параметров, которые влияют на локальное атомное окружение оптического активного элемента. ион.^[7][15] Продемонстрировано обнаружение процессов горячей коррозии в ЯСЗ из-за воздействия ванадия.^[16]

Термографические люминофоры как материалы с температурной памятью

Видео: применение термографических люминофоров

Покрытие сенсора фосфоресценции для онлайн-определения температуры

Смотрите также

• Флуоресценция
• Люминесценция
• Фотолюминесценция
• Термометр
• Термометрия

Рекомендации

1. Дж. Л. Кеннеди и Н. Джеу (2002), "Работа Yb: YAG волоконно-оптического датчика температуры до 1600 ° C", Датчики и приводы A 100, 187-191.
2. Серийно выпускается MicroMaterials, Inc. под патентами США 6,045,259 и 9,599,518 B2.
3. Дж. П. Файст и А. Л. Хейес (2000). «Характеристики порошка Y2O2S: Sm как термографического люминофора для высокотемпературных применений». Измерительная наука и техника. 11 (7): 942–947. Bibcode:2000MeScT..11..942F. Дои:10.1088/0957-0233/11/7/310.
4. Л. П. Госс, А. А. Смит и М. Э. Пост (1989). «Термометрия поверхности методом лазерной флуоресценции». Обзор научных инструментов. 60 (12): 3702–3706. Bibcode:1989RScI ... 60.3702G. Дои:10.1063/1.1140478.
5. Дж. П. Файст, А. Л. Хейес и С. Зеефельд (2003). «Термографическая люминофорная термометрия для исследований пленочного охлаждения в камерах сгорания газовых турбин». Журнал власти и энергетики. 217 (2): 193–200. Дои:10.1243/09576500360611227.
6. К. Амано, Х. Такеда, Т. Сузуки, М. Таматани, М. Ито и Ю. Такахаши (1987), «Термобарьерное покрытие» Патент США 4,774,150
7. К-Л. Чой, А. Л. Хейес и Дж. Файст (1998), "Термобарьерное покрытие с термолюминесцентным индикаторным материалом, встроенным в него" Патент США 6,974,641
8. Дж. П. Файст и А. Л. Хейес (2000). «Оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, легированный европием для высокотемпературной люминофорной термометрии». Труды института инженеров-механиков. 214, Часть L: 7–11.
9. К-Л. Чой; Дж. П. Файст; А. Л. Хейес; Б. Су (1999). «Пленки люминофора Y2O3, легированные Eu, полученные методом электростатического химического осаждения из газовой фазы». Журнал материаловедения. 14 (7): 3111–3114. Bibcode:1999JMatR..14.3111C. Дои:10.1557 / JMR.1999.0417.
10. Дж. П. Файст, А. Л. Хейес и Дж. Р. Николлс (2001). «Термометрия люминофора в электронно-лучевом осаждении из паровой фазы дает термобарьерное покрытие, легированное диспрозием». Труды института инженеров-механиков. 215 Часть G (6): 333–340. Дои:10.1243/0954410011533338.
11. X. Chen; З. Мутасим; Дж. Прайс; Дж. П. Файст; А. Л. Хейес; С. Зеефельдт (2005). «Промышленные датчики TBC: исследования по обнаружению температуры и долговечности». Международный журнал прикладных керамических технологий. 2 (5): 414–421. Дои:10.1111 / j.1744-7402.2005.02042.x.
12. А. Л. Хейес; С. Зеефельдт; Дж. П. Файст (2005). «Двухцветная термометрия для измерения температуры поверхности». Оптика и лазерные технологии. 38 (4–6): 257–265. Bibcode:2006OptLT..38..257H. Дои:10.1016 / j.optlastec.2005.06.012.
13. Дж. П. Фейст, Дж. Р. Николлс, М. Дж. Фрейзер, А. Л. Хейес (2006) «Композиции и структуры люминесцентных материалов, включающие один и тот же» Патент PCT / GB2006 / 003177
14. R.J.L. Steenbakker; J.P. Feist; R.G. Веллманн; Дж. Р. Николлс (2008). «Sensro TBC: дистанционный мониторинг состояния EB-PVD покрытий на месте при повышенных температурах, GT2008-51192». Материалы выставки ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea and Air, 9–13 июня, Берлин, Германия. Дои:10.1115 / GT2008-51192.
15. А. М. Сривастава, А. А. Сетлур, Х. А. Команцо, Дж. В. Девитт, Дж. А. Рууд и Л. Н. Брюер (2001) «Прибор для определения условий эксплуатации и остаточного срока службы термобарьерных покрытий и компонентов, имеющих такие покрытия» Патент США 6730918B2
16. J. P. Feist и A. L. Heyes (2003) «Покрытия и оптический метод обнаружения процесса коррозии в покрытиях» GB. Патент 0318929.7

дальнейшее чтение

• К. Т. В. Граттан; З. Я. Чжан (1995). Волоконно-оптическая флуоресцентная термометрия. Springer. ISBN  0-412-62470-2.
• С. В. Эллисон и Г. Т. Гиллис (1997). «Дистанционная термометрия с термографическим люминофором: приборы и приложения». Обзор научных инструментов. 68 (7): 2615–2650. Bibcode:1997RScI ... 68.2615A. Дои:10.1063/1.1148174.
• А. Х. Халид и К. Контис (2008). «Термографические люминофоры для высокотемпературных измерений: принципы, современное состояние и недавние применения». Датчики. 68 (8): 5673–5744. Дои:10,3390 / с8095673. ЧВК  3705526. PMID  27873836.
• М. Д. Чемберс и Д. Р. Кларк (2009). «Легированные оксиды для высокотемпературной люминесценции и долговременной термометрии». Ежегодный обзор исследований материалов. 39 (7): 325–359. Bibcode:2009AnRMS..39..325C. Дои:10.1146 / annurev-matsci-112408-125237.
• М. Алден; А. Омран; М. Рихтер и Г. Сарнер (2011). «Термографические люминофоры для термометрии: обзор приложений горения». Прогресс в области энергетики и горения. 37 (4): 422–461. Дои:10.1016 / j.pecs.2010.07.001.
• Я. Брюбах; К. Пфлич; А. Драйзлер и Б. Атакан (2011). «Об измерениях температуры поверхности с помощью термографических люминофоров: обзор». Прогресс в области энергетики и горения. 39: 37–60. Дои:10.1016 / j.pecs.2012.06.001.
• Brites, C. D. S .; Millan, A .; Карлос, Л. Д. (2016). «Глава 281: Лантаноиды в люминесцентной термометрии». В Бюнцли Жан-Клод; Печарский, Виталий К. (ред.). Справочник по физике и химии редких земель. Эльзевир. С. 339–427. Дои: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.). ISBN  978-0-08-102029-6. Получено 20 ноября, 2019.
• С. В. Эллисон (2019). «Краткая история люминофорной термометрии». Измерительная наука и техника. 30 (7): 072001. Bibcode:2019MeScT..30g2001A. Дои:10.1088 / 1361-6501 / ab1d02.