Измерение температуры в электромагнитном поле

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Обоснование выбора оптических методов измерения температуры в условиях воздействия сильных электромагнитных полей

В настоящее время существуют различные методы измерения температуры, которые достаточно широко освещены в литературе, например в [12, 13]. Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные свойства жидкостей, газов и твердых тел. В табл. 1.1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения. Анализ отечественных и зарубежных публикаций о методах измерения температуры в устройствах в присутствии сильных электромагнитных полей показал, что существующие неоптические методы не позволяют проводить измерение температуры непосредственно сред, подвергаемых нагреву при воздействии сильных электромагнитных полей. Например, разработанные фирмой Samsung температурные датчики для бытовых микроволновых печей [14] на основе термоэлектрических эффектов не регистрируют процесс нагрева продуктов в рабочей камере печи, а лишь сигнализируют о перегреве элементов конструкции посредством контроля температуры в отсеке воздухообмена печи. В условиях присутствия сильных электромагнитных полей, в том числе и полей СВЧ диапазона, в традиционных устройствах для измерения температуры на основе термопар, термисторов, терморезисторов и других используются сложные системы экранирования [15 - 17]. Основными причинами необходимости экранирования являются следующие: нагревание металлических компонентов в высокочастотных электромагнитных полях, опасность появления кратковременных высоковольтных разрядов, а также опасность попадания искры через металлические провода на легковоспламеняющиеся и взрывоопасные среды. Кроме того, металлические провода сами влияют на нагрев среды. Так при СВЧ нагревании поля могут переотражаться проводами, что вызывает перераспределение теплового поля. Кроме того, вследствие высокой теплопроводности, металлические провода в точках измерения создают значительное изменение температуры, что приводит к искажению данных измерения.

Способ измерения распределения теплового поля нагрева электромагнитными полями СВЧ диапазона без необходимости экранирования описан в [18]. Предлагается использовать систему преобразователей в виде матрицы М х N термочувствительных непроводящих элементов из материала с углеродными добавками, размещенными на диэлектрическом основании. Данную матрицу после СВЧ нагрева вынимают из СВЧ камеры, помещают в термостат и совмещают с матрицей полупроводниковых термодатчиков, идентичной матрице термочувствительных непроводящих элементов, измеряют напряжения на выходах полупроводниковых термодатчиков, пропорциональные температурам термочувствительных непроводящих элементов. Такая система не обеспечивает регистрацию температуры в процессе технологического цикла в режиме реального времени.

Решением проблем, связанных с возникновением помех и наводок из-за присутствия металлических компонентов в традиционных температурных датчиках при нагревании в сильных электромагнитных полях может стать применение измерительных устройств на основе, оптических методов измерения температуры. Требования проведения дистанционных измерений могут быть выполнены при построении методов измерения с использованием волоконно-оптических линий.

Таб. 1.1. Устройства для промышленных измерений температур

2. Оптические методы измерения температуры

На сегодняшний день разработано большое количество оптических устройств для измерения температуры на основе различных физических эффектов [4 - 8]. По принципу действия все оптические методы измерений делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров распространяющейся световой волны (Е₀ ехр [щt + ц]) используется для получения информации о регистрируемом физическом воздействии: амплитуда электрического поля (Е), фаза (ц), состояние и направление поляризации электрического вектора Р или частота (щ). Наиболее распространенными оптическими методами измерения температуры являются амплитудные и фазовые. К амплитудным методам измерения температуры, как уже упоминалось выше, относятся: оптическая пирометрия, поглощение света полупроводниками, температурное тушение флуоресценции, изменение оптических потерь. К фазовым методам измерения температуры относится оптическая интерферометрия.

Чтобы оценить названные оптические методы с точки зрения возможности их использования для измерения температуры в условиях воздействия сильных электромагнитных полей, рассмотрим их особенности и проведем их сравнительный анализ.

3. Оптическая пирометрия

В настоящее время метод оптической пирометрии является одним из наиболее развитых и используется в устройствах регистрации температуры различных сред [19-21]. Метод оптической пирометрии положен в основу многих приборов [22], например, оптических пирометров, сканирующих пирометров, тепловизоров, анализаторов температурного поля и т.д. В основе метода оптической пирометрии лежит свойство веществ при температуре Т > 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускать тепловое излучение [23]. Энергия теплового излучения W_л на длине волны л, испускаемая черным телом при температуре Т, выражается формулой Планка (в единицах Вт·м^-3·ср^-1)

W_л = c₁л^-5{exp[c₂/(лT)] - 1}^-1, (1)

где с₁ и с₂ - постоянные коэффициенты.

Суммарная энергия излучения (Вт/мІ) получается путем интегрирования вышеприведенного выражения по всем длинам волн:

, (2)

где у = 5,7 ?10^-8 Вт · м^-2•К^-4 - постоянная Стефана-Больцмана.

Между л_m и Т существует зависимость, выражающая собой закон смешения Вина:

л_m Т = 2,9•10^-3 мК (3)

Таким образом, из формул (1) и (2) на фиксированной длине волны л_m можно определить температуру.

Особенностью метода оптической пирометрии является необходимость выбора компонентов в зависимости от температурного диапазона. Обычно для температур выше 600 ⁰С в качестве детектора применяются кремниевые элементы, а для температур ниже 600°С - элементы на основе германия, соединения PbS и т.д. Диапазон прозрачности оптического волокна из кварцевого стекла 0,4… 2,0 мкм, поэтому область измеряемых температур для волоконно-оптического измерителя излучения простирается примерно от +300 до +2000 ⁰С. Например, в работе [24] описан пирометрический волоконно-оптический датчик температуры, предназначенный для измерения температуры внутри ядерных реакторов. Авторами показано, что датчик имеет достаточно хорошую чувствительность в температурном диапазоне от +250 до +800°С. Для регистрации более низких температур необходимо применение специальных источников и приемников излучения, работающих в этой области длин волн, а также специальных оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей, с длиной волны 2 мкм и более. Например, в волоконно-оптических пирометрических датчиках температуры, выпускаемых фирмой Соnах, США, используется сапфировое оптическое волокно.

В связи с вышесказанным можно сделать вывод о том, что использование метода оптической пирометрии для измерения +300 ⁰С затруднительно.

температура пирометрия оптический электромагнитный

4. Поглощение света полупроводниками

В основе метода температурного изменения поглощения света полупроводниками лежит физическое явление смещения границы полосы поглощения полупроводников л_х при изменении температуры окружающей среды Т [4-8]. Для света с более короткой длиной волны, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры Т граница полосы поглощения

отодвигается в сторону более длинных волн. Проводившиеся исследования поведения полупроводников в сильных электромагнитных полях [25] показали, что в полупроводниках носители зарядов взаимодействуют с полями, в результате чего происходит нагревание полупроводников. При создании устройств измерения температуры в условиях воздействия сильных электромагнитных полей на основе этого метода является обязательным наличие системы экранировки чувствительного элемента полупроводника.

5. Температурное тушение флуоресценции

Явление температурного тушения флуоресценции обусловлено повышением частоты процессов столкновения, что сопровождается дезактивацией возбужденных уровней путем безизлучательной колебательной релаксации молекул и понижением квантового выхода флуоресценции [26, 27].

Различают внешнее и внутренне тушение флуоресценции [26]. Внешнее тушение связано с рекомбинационным взаимодействием. При этом доля переходов без излучения растет с увеличением температуры и уменьшением, интенсивности возбуждения, причем на послесвечение тушители оказывают большее действие, чем на свечение в процессе возбуждения. Роль центров тушения могут играть и мелкие электронные ловушки. При понижении температуры увеличивается время пребывания в них электронов, поэтому увеличивается вероятность рекомбинации последних с дырками. При возбуждении люминесценции излучением, поглощаемым основной решеткой люминофора, это вызывает в низкотемпературной области падение квантового выхода при уменьшении температуры.

Максимум возникает и в тех случаях, когда конкурирующим центром является мелкая дырочная ловушка.

Помимо того, чем больше концентрация глубоких центров тушения, тем больше число дырок успеет перейти к ним от центров свечения за то время, пока электроны остаются на центрах тушения. Поэтому температура, при которой начинается эффективное тушение той или иной полосы тем ниже, чем_; выше отношение концентрации центров тушения к концентрации центров свечения. Доля безизлучательных переходов зависит также от плотности возбуждения. Это объясняется тем, что с увеличением интенсивности возбуждающего излучения скорость рекомбинации растет быстрее, чем скорость освобождения дырок с ионизованных центров или захвата электронов глубокими ловушками, играющими роль центров тушения. В результате эффект тушения ослабляется. По этой причине интенсивность люминесценции возрастает не пропорционально интенсивности возбуждения, имеет место так называемый сверхлинейный рост интенсивности люминесценции. Это явление, наблюдаемое также при наличии конкурирующего более «глубокого» центра свечения, является признаком рекомбинационной люминесценции.

Наряду с внешним тушением люминесценции существует также и внутреннее, происходящее внутри центра свечения. Модель потенциальных кривых дает объяснение явлению внутреннего тушения.

Вследствие того, что потенциальная кривая возбужденного состояния смещена по отношению к потенциальной кривой основного состояния (правило Стокса-Ломмеля) и является обычно более пологой, возможно пересечение этих двух кривых, так что, находясь в возбужденном состоянии, система может принять такую же конфигурацию, какой она обладает в основном состоянии при достаточно большой величине колебательной энергии.

В этом случае происходит безизлучательный переход из возбужденного в основное состояние. Избыток колебательной энергии передается решетке основания люминофора. Согласно квантовой механике, достаточно даже, чтобы кривые просто сблизились друг с другом в такой мере, чтобы был возможен туннельный переход из одного состояния в другое.

В настоящее время существует два подхода к регистрации температуры по спектрам флуоресценции - регистрация интенсивности флуоресценции I (Fluorescence Intensity Ratio - FIR) и регистрация длительности остаточной флуоресценции ф (Fluorescence Lifetime - FL).

В работе [28] авторами был проведен сравнительный анализ подходов FIR и FL. Теоретически и экспериментально было показано, что оба подхода позволяют получать монотонную температурную зависимость флуоресценции. При этом было отмечено, что при низких температурах температурная зависимость имеет значительную чувствительность при измерениях по методу FIR, в то время как остается постоянной при измерениях по методу FL, т.е. чувствительность близка к нулю. По мере увеличения температуры чувствительность в обоих методах становится приблизительно одинаковой. Таким образом, методы FIR являются более универсальными.

В основе современного подхода FIR лежит принцип двух длин волн [31], который заключается в нахождении значения температуры путем вычисления отношения значений интенсивности флуоресценции, измеренных на двух длинах волн. Такой способ регистрации позволяет производить калибровку данных и значительно снижает влияние ошибок на результаты измерений.

6. Флуоресцирующие красители

Существуют волоконно-оптические кабели на основе флуоресцирующих красителей «Родамин 6Ж» и «Родамин С».

Родамин G (С₂₈ H₃₁ N₂ O₃ Cl)

Представляет собой фиолетовые кристаллы, растворимые в воде и спирте. Родамин 6G нашел применение в микроскопии как краситель люминесцентной микроскопии [43,44].

Родамин С (С₂₈ H₃₁ N₂ O₃ Cl)

Представляет собой красно - фиолетовые кристаллы. Температура плавления 210?С (с разложением), растворим в воде, спирте, ацетоне. Наиболее часто родамин С используют в ботанической цитологии, гистологии, энтомологии, микроскопии в качестве красителя люминесцентной микроскопии для прижизненного окрашивания нейтральных растительных жиров, митохондрий, цитоплазмы. [43,44]

7. Механизм люминесценции

Люминесценция (от лат. lumen, род. падеж luminis - свет и - escent - суффикс, означающий слабое действие), свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения. Представляет собой избыток над тепловым излучением, испускаемым веществом при данной температуре за счет его внутренней (тепловой) энергии. В отличие от других видов свечения (напр., рассеяния света, тормозного излучения) люминесценция характеризуется временем свечения, значительно превышающим период колебаний световой волны и составляющим от 10^-12 с до несколько суток. Понятие люминесценции применимо только к такому веществу (совокупности частиц), состояние которого не слишком отличается от термодинамически равновесного, иначе различие между люминесценцией и тепловым излучением теряет смысл. Механизм люминесценции заключается в образовании под действием энергии от внешнего или внутреннего источника возбужденных состояний атомов, молекул, кристаллов и в последствий испускании ими квантов света (фотонов). По типу возбуждения выделяют фотолюминесценцию (источник энергии возбуждения - свет), радиолюминесценцию (радиоактивное излучение), рентгенолюминесценцию (рентгеновское излучение), электролюминесценцию (электрическое поле), катодолюминесценцию (пучок электронов), триболюминесценцию (механическое воздействие), хемилюминесценцию (химические реакции) и другие. Различают молекулярную люминесценцию, при которой молекулы или атомы испускают фотоны при переходе из возбужденного состояния в основное квантовое состояние, и рекомбинационную люминесценцию, когда под действием энергии возбуждения образуются носители заряда (электроны и дырки в кристаллофосфорах) или ионы и радикалы (в газах, жидкостях, стеклах), последняя рекомбинация которых сопровождается испусканием фотонов. Переход из возбужденного состояния в основное происходит самопроизвольно (спонтанная люминесценция) или под действием внешнего электромагнитного излучения (вынужденная люминесценция). Испускание света может происходить не обязательно теми же молекулами, которые возбуждаются при поглощении энергии, но и другими, если происходит безизлучательная передача энергии возбуждения (сенсибилизированная люминесценция). Люминесценция характеризуют спектром испускания (фотолюминесценцию - также спектром возбуждения), квантовым выходом, поляризацией, кинетикой затухания. Флуоресценция характеризуется малой длительностью (менее 10^-6 с) и обусловлена испусканием фотонов при переходе системы из возбужденного состояния той же мультиплетности, что и основное состояниями.

Спектр испускания представляет собой зависимость интенсивности свечения от частоты (длины волны) испускаемого света. В литературе обычно приводят наблюдаемые спектры испускания, зависящие от спектральной чувствительности и градуировки прибора. Для получения истинного спектра испускания выражают интенсивность люминесценции в числе фотонов, приходящихся на единичный интервал частот. Спектром возбуждения люминесценции называется зависимость интенсивности свечения на фиксированной частоте от частоты (или длины волны) возбуждающего света. Для получения истинного спектра возбуждения необходимо учитывать зависимость интенсивности возбуждающего света (выраженной в числе падающих или поглощенных фотонов в единицу времени) от частоты. При слабом поглощении света образцом истинный спектр возбуждения люминесценции в большинстве случаев совпадает со спектром поглощения люминесцирующего вещества. Положение (частота) полосы в спектре люминесценции определяется разностью энергий состояний, связанных излучательным переходом; интенсивность полосы и время затухания свечения - заселенностью возбужденного состояния и вероятностью перехода (или временем жизни возбужденного состояния). Как правило, люминесценция происходит при переходе молекулы в основное состояние S₀ с нижнего колебательного уровня первых возбужденных электронных состояний S₁ и T₁; при возбуждении молекулы в более высокие электронные состояния (S₂ и др.) или на верхние колебательные уровни состояний S₁ и Т₁ избыточная энергия, как правило, релаксирует гораздо быстрее (за время 10^-12 с), чем происходит испускание. При испускании фотона сохраняется равновесная ядерная конфигурация молекулы, свойственная возбужденному состоянию, поэтому при возвращении в основное состояние молекула обычно оказывается на одном из верхних колебательных уровней, соответствующем колебаниям тех химических связей, равновесная длина которых при данном электронном переходе меняется. В результате в колебательной структуре спектров люминесценции у множества молекул проявляются частоты колебаний основного состояния, тогда как в колебательной структуре спектров поглощения проявляются частоты колебаний возбужденного состояния. [45]

Размещено на Allbest.ru