火焰温度测量
火焰温度测量方法分析聂伟（学号：SA14168089）1.引言众所周知，火焰温度很高，一般很难直接精确测量。
但由于火焰温度是燃烧过程中的重要热力参数之一。
因此，对火焰温度测试技术的研究具有非常大的意义，当前，国家正大力改善自然环境，尤其是招手治理空气污染，在汽车工业方面提出降低汽车尾气排放，鼓励开发设计高效新型低污染发动机，在煤电产业中提出要提高电站煤炭燃烧的效率，这都与火焰温度测量密不可分。
在高音时飞行器的研发过程中，要求其发动机有足够的功率，而发动机的功率可由发动机火焰温度来间接说明，以及发动机等部分的材料选取都在一定程度上受到火焰温度的限制，所以火焰温度测量不论是在国民生产中，还是在国防建设中都具有重要的作用]1[。
2.火焰温度的分类根据火焰辐射光谱的不同特点，火焰光谱可分为发光火焰和透明光谱，发光火焰辐射连续光谱，辐射光波长范围在0- ，在可见光频带内有辐射；透明火焰辐射带状或线状光谱，范围多在红外区段。
而根据火焰结构的不同，火焰可分为预混火焰和扩散火焰，预混火焰的特点是：气态的燃烧剂和氧化剂在进入火焰反应区前已经混合均匀。
由于其传播速度受化学反应和流动力学过程的控制，预混火焰又分为湍流和层流预混火焰两种类型；扩散火焰的特点是：气态的燃烧剂和氧化剂在进入火焰反应区前处于分离状态，在进入反应区后经混合后再燃烧。
3.火焰温度的测量方法火焰温度的测量方法根据火焰的不同类型有不同的方法，在实际应用中主要有接触式测温额非接触式测温方法，接触式测温法包括热电偶测温和光纤测温，非接触式测温包括成像法、激光光谱法、辐射法和声波法。
如图1所示]2[：13.1接触式测温接触式测温]2[，具有代表性的就是热电偶测温。
热电偶由不同材料的金属合金导体构成，当导体两端存在温度差异时，会产生电势差，而此电势与导体两端的温度差呈数关系。
当热电偶的热端与被测对象达到热平衡，另一端处于恒定已知温度时，就可以通过电势差推算出被测对象的温度。
微型热电偶测温分为嵌入热电偶法和表面拉紧热电偶法。
利于热电偶测温具有结构简单，测量可靠的优点。
但是，热电偶用于火焰温度的测量存在着以下缺点：需要直接接触被测火焰，现在采用的热电偶一般为铂铑—铂或钨铼—钨热电偶，一般来说只能测低压（<=2.85Mpa）下的温度分布。
而且，浸没在火焰中的热电偶头容易被吹断；金属热电偶丝耐高温有限度，难以寻求到高熔点的材料满足高温火焰的测量；动态特性差，响应速度慢；动温补偿困难，测得的只是偶头周围火焰气体的滞止温度；由于处于火焰之中，需经受各种恶劣条件，如氧化、还原、烧蚀等考验；当被测火焰很小时，热偶头与燃烧区相比显得太大，较大的破坏了温度的原始分布，热偶头会干扰化学反应，甚至参与到反应当中，引起较大的误差；热电偶测温属于点测温，无法获得瞬时温度场分布；缺乏有效的标定温度源。
接触式测温中还包括光纤测温法，其主要是利用不同材料的光导纤维具有的不同的光传输特性来测量被测对象温度。
虽然其不存在参与火焰化学反应的问题，但是仍存在同热电偶一样的其它问题。
高温火焰中燃烧产物发生电离，形成稠密不均电离的离子体射流，当外加电场时，等离子体中的离子和电子定向运动产生电流。
等离子体法就是根据电流的大小反应温度差别的原理测量温度的。
但是这种方法易受干扰，且计算复杂。
3.2非接触式测温非接触式测温从原理上可以简单划分为声波法和光学法两类]2[。
声波法分为声速法和微波衰减法。
声速法，顾名思义，是通过探测声波在燃烧火焰气体中的传播速度进而测量火焰气体的温度，适合于已知气体的温度测量。
但是需要考虑燃烧物的化学反应，计算过程复杂。
微波衰减法属于主动式测温，通过测量入射微波通过火焰后的衰减程度进而测量火焰气体的温度。
该方法测得的是微波传播方向上的加权平均温度。
为产生足够的自由电子，需要在火焰中插入一定量的高氯酸钾，破坏了被测火焰的组分和热平衡状态。
光学法种类繁多，可分为成象法、激光光谱法及辐射法]3[。
干涉仪法、纹影法、激光散斑照相法以及激光全息干涉法都属于成象法，都是利用光的干涉原理来测量火焰的温度场。
它们的原理是将流场中各处折射率的变化转变为各种光参量的变化，记录在感光胶片上，从而进行定量或者定性的分析。
需要指出的是，这几种方法测得的都是光传输路径上的平均温度。
激光光谱法中具有代表性的就是瑞利散射和拉曼散射光谱法]4[。
当单色辐射频率的激光通过一透明物体时，会发生散射现象，即有少量光线偏离原传播方向。
如果散射的光线大部分频率不变，该散射成为弹性散射；相反，如果散射的光线频率发生改变，则称为非弹性散射。
弹性散射分为瑞利散射和米氏散射；非弹性散射也称为拉曼散射。
拉曼散射分为自发拉曼散射和受激拉曼散射，上述非弹性散射属于受激拉曼散射。
无论是瑞利散射还是拉曼散射光谱法，它们都是根据光谱的光强来得到火焰气体温度。
瑞利散射光谱法不能直接提供有关组分的信息，并且受颗粒米氏散射、火焰辐射和背景光散射的干扰，限制了应用。
而对于高温火焰，拉曼散射光谱法更加适用，常用方法是相干反斯托克斯拉曼散射（CARS），但是该方法整套实验装置价格十分昂贵，容易受环境干扰。
受激荧光光谱法（LIF）同样属于激光光谱法。
处于基态或低能态的分子受激跃迁到高能态后，通过自发辐射的方式，释放出吸收的能量，就会产生荧光。
LIF是根据荧光的强度随激发光的变化，得到基态转动能级粒子数的分布，后按照波尔兹曼公式得到被测温度。
当测量对象的样品浓度比相干拉曼或自发拉曼光谱探测灵敏度所要求的浓度3还低时，LIF 是一种更有效的方法。
但是在测量过程中需要经过激光波长的扫描，因此不适合于爆炸和紊流等类型的快速变化过程。
谱线反转法（也称自蚀法或谱线隐现法）是发射吸收光谱法中古老的一种，最常用的是在实验室中使用的钠D 线反转法。
其基本原理是在火焰中均匀地加入微量钠盐，钠燃烧产生两条波长为589.0nm 和589.6nm 的黄色明亮谱线，当它在背景光源的连续光谱中消失，则说明钠的谱线与连续光谱融为一体，此时光源的亮度值就等于所求火焰的温度。
该方法主要用于静态火焰测温。
红外测温主要分为红外辐射测温和红外热像测温]5[。
红外测温法测量火焰温度的根据是火焰不断地向外辐射出电磁波，而这种红外辐射也服从黑体辐射的三个基本定律：普朗克辐射定律，维恩位移定理以及斯蒂芬—波尔兹曼定律。
红外测温主要就是利用这三大定律，经过发射率修正，进而得到火焰温度。
制约红外测温方法的主要是发射率修正困难，因为物体的发射率不是一个常数，而是受材料、表面形态、波长、温度以及辐射条件、环境因素等影响的变量。
而多光谱测温法是根据多个光谱下的物体辐射亮度信息得到物体温度的方法。
4. 可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS ）测温技术4.1 TDLAS 的测温原理可调谐二极管激光吸收光谱（TDLAS ）技术是利用气体吸收光谱随温度变化的特性实现温度测量，是一种新型的非接触式气体温度测量技术，具有受气体环境影响小、响应速度快、可靠性高和可实现气体温度和浓度的同时测量等优点。
其测量原理为比尔-朗伯定律：[]PXL T S I I )()(exp )()(0νννΦ-=,其中)(和)(0ννI I 分别表示频率为ν的激光入射时的光强和经过压力P ，浓度X 和光程L 的气体后的光强，)(T S 为线强，)(νΦ为线形函数，表征吸收谱线的形状，与气体的种类、压力和温度等有关。
对于更一般非均匀分布，为路径的积分结果]6[：()()[]()⎪⎭⎫ ⎝⎛-Φ⨯-=⎰L i i dx x T S x PX I I 000exp )()(ννννν 吸收线线强S 温度的函数，随温度变化关系为：5()()()()1000000exp 1exp 111exp -⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-''-=kT hc kT hc T T k E hc T Q T Q T S T S νν其中Q 为分子总配分函数，h 为普朗克常数，c 为光速，k 为玻尔兹曼常数，E ''为跃迁低态能级，可以看出线强的温度依赖主要因素是配分函数和低态能级（玻尔兹曼分布的体现），上式最后两项的乘积接近1，而且大部分情形下几乎不变]6[，配分函数可通过查表得到相应值，而通过光谱图能得到能级值即可得出温度。
可调谐二极管激光吸收光谱温度测量技术利用比尔-朗伯关系通过两条被测气体吸收谱线的吸收光谱来实现温度测量]7[。
所选谱线对吸收应较强，线强比值为温度的单调函数，低能级差较大保证了较高的测温灵敏度，频率间隔较小应落在激光器频率调谐范围内。
4.2 TDLAS 的实验装置实验采用蝶形封装的DFB 激光器，出射激光用光纤分束器分为2路，一路直接经过环形干涉计（MHz FSR 315=）由探测器PDI 接收，用于做波长标定；另一路用单模光纤传输到需要测试的现场，经准直器准直后发射穿过待测试区域，由透镜收集到2PD 接收。
1PD 和2PD 的光电流信号经放大和调理后，由上位机控制采集卡进行采集和后处理。
实验室高温炉的实验装置如图2所示。
图2 实验装置示意图激光器波长扫描为电流调谐方式，激光器工作温度固定。
调制波形采用锯齿，使周期内起始时间段激光器电流处于出光阑值以下，用作(特别是燃烧环境下)背景光辐射。
探测器和电子学噪声等造成直流偏移量的本底参考。
5 总结火焰温度测量的方法很多，但都有一定的缺陷。
TDLAS 技术以其高灵敏度、高的谱分辨率、快速的响应时间、大的动态测量范围、多参量同时测量等优点在高温测量领域占据重要地位。
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基于直线光路布局的纹影法测量火焰温度
0254-6124/2020/40(l)-079-07 Chin. J. Space Sci.空间科学学报SHI Jianping, LIU Junguo, DAI Guoliang. Flame tem perature measurement by a straight-type schlieren method (in Chinese). Chin. J. Space Sci.,2020, 40(1): 79-85. D01:10.11728/cjss2020.01.079基于直线光路布局的纹影法测量火焰温度史建平u刘俊果1戴国亮21(河北科技大学生物科学与工程学院石家庄050000)2(中国科学院力学研究所微重力重点实验室北京100190)主商要测量火焰不同位置的温度对研究火焰结构具有重要意义.目前纹影法测量火焰温度多采用Z型布局的光 路.为了在未来空间实验中将纹影法与其他光学方法集成开展多类型实验观测，摒弃了纹影法传统的Z型光路，采 用直线型光路布局，针对光源、透镜、刀口切割量等因素对纹影系统灵敏度的影响开展研究，优化了直线型纹影系 统.以蜡烛火焰为研究对象，对优化后的纹影系统进行标定，观测了其纹影图像，计算了蜡烛火焰中多处位置的火 焰温度，并将计算结果与实测结果进行比较.结果表明，采用本研究设计的直线型纹影系统可以实现对火焰温度的 精确测量.关键词纹影法，直线型光路布局，火焰结构，温度测童中图分类号V 524Flam e T em perature M easurem ent by aS traigh t-typ e Schlieren M eth odSHI Jianping1’2LIU Junguo1DAI Guoliang2l(School of Biological Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang050000) 2(Key laboratory of Microgravity, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing100190)A b str a c t It is critical to determinate the temperature distribution of flame for studying its structure.In this paper,the schlieren method of the straight-type,instead of the Z-type in common used,is employed for the sake of compatibility with other optical methods in future space experiments with different purposes.Moreover,the design of straight-type schlieren system is optimized by investigating the effects of light source,lens,and knife edge on the system sensitivity.Then,the schlieren images of a candle flame are recorded using the optimized schlieren system after calibration.The temperature distribution calculated from these images coincides with those measurement through thermocouples,thus the flame temperature can be obtained accurately from the straight-type schlieren system.K ey w ord s Schlieren method,Straight optical path arrangement,Flame structure,Temperature measurement **中国科学院战略性先导科技专项空间科学预先研究项目资助（XDA15012600)2019-11-25收到原稿通信作者刘俊果，E-mail: 1308676013@•通信作者戴国亮，E-mail: dspr@80Chin. J. Space Sci.空间科学学报2020, 40(1)〇引言空间微重力环境下，由于浮力对流的消失，燃烧 过程与地面相比存在一定变化，特别是火焰的结构、温度等燃烧参数会发生相应改变w.对火焰温度等 参数进行精确测M有助亍了解空间微重力环境中燃 烧的内在机理以及燃烧状态的各种变化.在微重力 燃烧实验中，对实验设备有非常高的要求，例如功能 性、安全性、实用性、准确性和环境的适应性等.另 外，还要求能够通过实验对燃烧过程中周围空气密度 变化、温度分布等进行定性或者定量分析.了解火焰 的温度分布是开展燃烧实验的基础工作之一.针对空间微重力燃烧实验环境的特点，火焰温 度测量常采用非接触式的光学测童方法，例如以光 学纹影技术为基础的流场成像定量测量技术.纹影 法已广泛应用于流场温度测量以及晶体结晶时周围 浓度梯度的观测等研究领域.已有许多学者通过非 接触光学诊断对燃烧实验进行研究.Ibarreta等通过彩虹纹影法对预混火焰的温度分布进行了测量. Schwarz等M通过纹影仪对火焰结构进行多层次分 析.W ong等W通过彩虹纹影法对不稳定火焰进行 定量测量.Xiao等W采用激光干涉法测量预混火焰 的温度.D u等W采用差分干涉法测量微重力环境 下（落塔）蜡烛的温度分布.纹影方法在提出的初期仅用来进行定性观测和 分析.随着计算技术的发展，火焰温度的精确测量已 成为可能.Hargathei•等对三种纹影方法的定量测董方法进行了研究分析.M eng等m采用Z型光 路布局的纹影法定量测量火焰温度，并分析了误差产 生原因.以往开展的纹影法定量研究中，纹影的光路布局 基本都采用Z型光路布局16-81，该布局具有光路尺 寸紧凑的优点，且入射光源自身不会对纹影成像产生 影响.考虑到未来在空间微重力科学实验中，纹影法 能够与其他光学方法集成，例如相衬显微法可与直线 型纹影法集成，实现在有限的实验空间内增加原理样 机的多功能性，这里直线型是指整个光路中的光学元 件均布局于一条直线上，同时实现流场观测与样品形 貌观测的目标要求.在相应光路设计中，只有直线 型纹影法光路布局可以满足需求.直线型与Z型光 路布局相比，同样的实验空间条件下光路较短导致的 纹影图像分辨率较低的问题不容忽视.为使直线型光路布局的纹影系统达到与Z型布局相比拟的准确性，需要对光源、透镜、刀口、图像的接收等纹影系统 各项参数进行优化，从而研制满足空间微重力实验需 求的多功能光学观测原理样机.因此摒弃了传统的Z 型光路布局，采用直线型光路布局开展纹影法相关实 验.系统地研究了光源、透镜、刀口切割量等因素对 纹影系统灵敏度的影响,并对优化后的纹影系统进行 标定.本研究采用蜡烛火焰作为研究对象，记录了其 纹影图像.建立了纹影图像数据处理的方法，最终实 现火焰温度的定量测量，并将结果与热电偶实测结果 进行比较.1理论原理纹影法原理如下：平行光通过被测流场后，由于 流场密度的差别而导致折射率不同，光线发生偏转后 再通过刀口的切割形成纹影图像.光在介质中折射的几何理论参见文献[9, 10].折 射率n与偏转角0的关系为式中，z为光线入射方向，2/为与:c垂直的流场方向. 由格拉斯通戴尔（Gladstone-Dale)关系I6]可得折 射率n与密度p的关系为n= 1+kp.(2)式中A:为常数，值非常小可以忽略.此时认为获得的 火焰纹影图像为轴对称图像，火焰纹影截面最外层距 离中心的半径为某一点距中轴线的半径为n (此时对应的偏转角为氏).半径r与光线入射方向:r和 测试流场方向2/有以下关系：r2= x2+y2.(3)将式（2)和式（3)代入式（1)并对式（1)积分可得d n y---------n 7'9y\/r2—y2⑷假设在半径r"i+1)区间内折射率梯度是不变 的，即此区间内折射率呈线性变化，则对每一个（n，r,+ 1)区间，利用式（4)通过直接积分法确定偏转角0史建平等：基于直线光路布局的纹影法测量火焰溫度81与折射率n之间的关系：\X3"1-dr,rj\/r2j-y22y(d n\/ri-i+ V r iyy2'(5)式中，&为纹影图像某个位置对应的偏转角，y为久 对应的半径通过式（5)从火焰纹影截面最外层半径r Q开始 逐步积分到^，最外层处折射率n Q为空气的折射 率，取值为1.000 29.最终可以得出折射率梯度的分 布之后再次通过积分可得出折射率n.k度:T与折射率n的关系可以通过格拉斯通- 戴尔（Gladstone-Dale)关系式和理想气体方程得出,即T= ^r T〇-(6)式中n0和71)分别为实验环境中空气的折射率和环 境温度，这里Tb为300 K.式（5)中准确获得偏转角0的数值，即对纹影系 统的标定，这是定量解析纹影图像中重要的一步.目 前有两种纹影系统标定方法：一是标准光度法，即在 测试区域放置标定镜片，以此来确定偏转角二是测试区域无测量对象的情况下，通过不同的刀口进 给量，采集相应不同灰度的图片，以此建立标准曲线 确定偏转角Ul^131.2实验方法与装置2.1纹影系统光路和装置直线型纹影系统光路如图1所示.图1中S为 光源，一般选择激光、卤素灯、氙灯和LED灯作为 纹影系统光源.氙灯具有亮度高的特点，但是考虑到 空间实验对功耗等有严格要求，这里未选择氙灯，而 选择了 100W的卤素灯、30W的LED灯、50mWL2 Knife edge图1直线型纹影系统光路Fig. 1 Light path diagram of the straight-typeschlieren system 的激光和l o w的L E D灯四种光源分别进行实验. L1和L2分别为准直镜和纹影镜，在光源一定的情 况下，选择不同直径与焦距的准直镜L1和纹影镜L2 进行对比，参数列于表1.P为实验对象;刀口位于纹影镜L2的焦点处，刀口切割面相对于测试区域垂直放置，以便在测试区域 获得可视化的水平折射率梯度由于刀口切割量不同使得刀口进给量不同，随之导致纹影效果不同，通过对刀口的进给量进行实验对比，可以获得最佳刀 口进给量条件；以相机作为纹影图像采集器.实测蜡烛火焰温度采用的热电偶为R型热电偶，直径50/xm，该热电偶的精度为0.25%.2.2纹影系统标定采用标准光度法进行纹影系统标定.标定镜片 的大小需要覆盖光线通过火焰时偏转角的范围，焦距 也要足够长使得下式成立：式中n为标定实验图像中某一点像素在实际标定镜 片上对应的半径，/为标定镜片的焦距.本实验选用 标定镜片直径为20 mm、焦距为10 m的透镜，材料 为JGS1，光洁度为40/20.通过标定纹影系统后可以 得出图像灰度与像素之间的标准曲线,进而得出某个 灰度值对应的偏转角.标定过程中将标定镜片放置于与样品完全相同 的位置.标定过程中的纹影图像如图2(a)所示，以纹影图像的水平中心线建立像素与灰度的工作曲线, 如图2(b)所示.纹影系统标定完成后,在拍摄蜡烛火 焰的纹影图像时，采用的实验环境、亮度以及相机设 置(曝光时间、感光度、光圈等)均与标定时的条件保 持相同，以确保实验结果的可靠性.本实验的相机采 用了 Nikon D5600,参数设置为：分辨率6000x4000, ISO感光度100,曝光时间1/4000,光圈F5.6.表1 两组准直镜L1和纹影镜L2参数Table 1 Param eters of two sets oflenses LI and L2L I L2少/mm//m m少/mm//m m a5015050150b10050010080082Chin. J. Space S c i.空间科学学报2020,40(1)Pixel图2标定使用的纹影图像（a)及像素和灰度的标定曲线（b)Fig. 2 Schlieren image for calibrating the schlieren system (a) and the calibration curve (b)2.3纹影图像的解析方法标定完成后，取下标定镜片，在同一位置放置待测的蜡烛火焰，在相同实验条件下采集纹影图像.筛选出轴对称的图像，对挑选出的轴对称纹影图像进行逆向分析,通过标定曲线找出获得的纹影图像灰度对应的像素;将对应的像素换算为实际标定镜片对应的半径，通过式（7)得出对应的偏转角度.通过式（5)给出的偏转角与折射率梯度的关系，计算出折射率梯度的分布，对折射率梯度积分并结合式（6)即可得到蜡烛火焰的温度分布.3结果与讨论3.1纹影系统各参数的影响对纹影图像产生影响的主要因素，即纹影系统的 光源、透镜参数、刀口切割量以及纹影图像的采集等 因素开展研究.3.1.1光源如图3所示，分别给出以50m W的激光和10 W 的LED灯为光源获得的纹影图像.实验结果表明，采 用激光作为光源时，由于球差的因素导致刀口切割效 果很差且激光源光束的相干性较强[141，严重影响了 纹影图像的质量，导致纹影图像不够清晰（见图3a).此外，100 W的卤素灯和30 W的LED灯产热非常严 重，这使得光源设计难度较大.以LED灯通过小孔后 的光作为入射光源，小孔直径约1mm，10 W的LED 灯亮度足够且产热量不大，光源的组装相对简便，所图3采用激光和LED作为光源获得的蜡烛火焰纹影图像.(a) 50mW 激光，（b) 10W LEDFig. 3 Schlieren images obtained by different light source, (a) 50 mW laser, (b) 10 W LED得纹影图像质量较好,整体比较清晰、均匀，火焰结构 也能清晰分辨出来.相应地，数据分析时实验误差也 较小（见图3b).因此，后续实验过程中均采用10 W 的LED灯作为光源.3.1.2透镜图4分别是两组不同透镜参数（a)和（b)得到 的蜡烛火焰纹影图像，可以看出图4(a)获得的火焰 纹影效果非常不理想.对比图4(b)与图4(a)的结果 可以看出，纹影图像边缘清晰，层次分明，火焰的结 构可分辨.实验结果表明，准直镜L1和纹影镜L2的直径 越大，系统灵敏度越高，纹影图像质量也越好;纹影史建平等：基于直线光路布局的纹影法测量火焰温度83图4两组不同准直镜L1和纹影镜L2条件下获得的蜡烛火焰纹影Fig. 4 Schlieren images obtained by two sets of lensesLI and L2 with different diameters and focal lengths镜L2的焦距越长，纹影系统的灵敏度越高，获得的 纹影图像清晰度也越高.另外，通过多次实验还发现，蜡烛火焰放置的位置以距准直镜L1较近处为佳.后 续实验中均采用直径100mm、焦距分别为500mm 和800 m m的准直镜L1和纹影镜L2开展实验.3.1.3刀□的切割给出4种不同刀口进给量条件下获得的蜡烛火 焰纹影，实验结果如图5所示.其中，图5(a)为刀 口最初的位置，此时刀口进给量为〇,即刀U未切割 光斑.图5(b)〜(d)的刀口进给量逐渐增加，纹影图 像中出现清晰的明暗条纹，而且暗条纹逐渐增大.纹 影图像暗侧是因为刀口挡住了左侧发生偏转的光线，从而该区域变暗;亮侧是因为右侧光线向刀口外侧发 生了偏转.图5(d)的纹影图像明暗条纹较其他图像 更容易分辨，可以清晰地观察到火焰的结构特征.因 此，随着刀口进给量的增加，火焰纹影信息也更加明 显.后续实验中所采用的刀口进给量均为刀口切割一 半光斑的位置.3.1.4图像采集采集纹影图像时，相机前有无接收屏对采集到的 纹影图像均匀性有很大影响.开展了采用毛玻璃作 为接收屏及不使用接收屏直接采集纹影图像的研究，结果如图6所示.通过图6(a)与（b)的比较可以明显看出，采用毛 玻璃作为接收屏得到的纹影图像颗粒感很强,使用图 像灰度值获取时，在同一火焰结构层面的灰度值波动 很大，造成后续数据处理时的误差非常大.直接用相 机采集到的纹影图像则清晰均匀，同一火焰结构层图5不同刀口进给量下的蜡烛火焰纹影.（a)刀口最初的 位置，此时进给量为〇;(b)〜(d)刀口进给量逐渐增加；(d)刀口进给量为刀口切割一半光斑的位置Fig. 5 Schlieren images obtained under differentpositions of the knife edge, .(a) Initial position ofthe knife edge, (b)〜(d) the level of obstruction by the knife edge increasesing in turn, (d) theknife edge obstructs half of the light spot图6采用毛玻璃作为接收屏（a)和不采用接收屏（b)采集到的蜡烛火焰纹影Fig. 6 Schlieren images taken by a camera with (a) and without (b) a ground glass as a receiving screen面的灰度值波动非常小.此外，还尝试使用硫酸纸、透明塑料薄膜等作为纹影图像采集接收屏，结果显示 使用这些接收屏采集到的纹影图像效果比毛玻璃更 差，这里未给出相关实验结果.据此，进行纹影系统 图像采集时均不使用接收屏，而采用相机直接采集.3.2蜡烛火焰温度的定量测量经过以上光路参数的影响分析后，获得了所需原84Chin. J. Space S e t .空间科学学报 2020, 40(1)理样机系统的直线型纹影光路参数（见表2).在计算蜡烛火焰温度分布数据时，采用表2所 列参数的直线型纹影系统.首先对该系统进行标定，然后在与标定过程相同的实验条件下采集蜡烛火焰 的纹影图像，如图7所示.在火焰纹影图像中距离蜡 烛顶端2c m 处画出一条横线（见图7中红线)，对蜡 烛火焰在纹影图像画线所经过区域的火焰温度进行 计算，得到距离蜡烛火焰顶端2 cm 处的温度分布，如 图8中实线所示.该结果与文献[1]基本吻合，这表 明利用直线型纹影系统对火焰温度测量，其准确性接 近于差分干涉法图8中虚线.此外对距离蜡烛顶端〇.5cm 和1.5cm 处的截面 温度进行了相应分析.同时还采用3个热电偶对火 焰3处不同位置的温度进行测童，并将多次测量值 与在相同位置利用火焰纹影图像计算所得温度进行 比较，结果见表3.火焰3处位置分别用A (0.5cm ， |1.5cm)，B (1.5cm ，5.5)和 C (2cm ，3.5cm )表示.括 号中的数值分别表示距离蜡烛顶端的距离值和径向表2直线型纹影系统采用的参数T able 2P a ra m eters o f th e stra ig h t-ty p esch lieren sy stem参数最佳条件光源10W 的LED 灯透镜直径均为100m m ,准直镜L 1焦距为500 m m ,纹影镜L 2焦距为800 mm 刀口进给量刀口边缘遮挡一半光斑接收屏直接相机采集（无接收屏）图7蜡烛火焰纹影Fig. 7 Schlieren image of candle flame距离值.表3第3列热电偶实测值括号内数值为热电偶 的测量误差，该误差是由蜡烛燃烧时内部结构产生微弱的波动而导致的.在考虑各个温度区间内热电偶不 同的辐射修正数据后，表3第5列数值给出了蜡烛火 焰3个不同位置的误差值.表3结果显示，采用直线 型纹影系统得到的温度结果与热电偶实测值之间的 最大误差较小，辐射修正后最大误差为8.04%.与文 献[7]的结果（最大误差约为9%)相比，经各项光路 参数优化后，该直线型光路布局的纹影系统能够达— Schlieren—-Differential interferometry图8距离蜡烛顶端2 c m 处火焰截面温度分布(虚线数据来源于文献[1])Fig. 8 Temperature distribution of candle flame at2 cm from the top of the candle (dottedline: data of Reference [1])表3蜡烛火焰3处位置的温度实测值 与纹影图像计算值的比较T able 3C om p arison o f th e m ea su rem en tsand ca lcu la ted tem p e ra tu r e valu es o f can d leflam e at th r ee d ifferent p o sitio n s位置纹影法 计算值/K热电偶 实测值/K最大误差/(%)辐射修正后 最大误差/(%)A 866857土 25 4.09 6.09*B 13081301 土 26 2.59 6.44*C18301806土 303.048.04**注*根据文献[15, 16]可知，温度在800 K 左右时热电偶的辐射修正低于2%，温度在1300左右时辐射修 正约为3.85%.由文献[17]可知高温的辐射修正约为5%.到目前Z 型光路布局纹影系统的精确度，其测量精 确度较好.4结论直线型纹影系统以10 W 的LED 作为光源，选择 直径大且焦距长的准直镜和纹影镜，刀口进给量采用 切割光斑一半的位置，相机直接采集纹影图像.可以 获得很好的火焰纹影图像.利用此纹影图像计算得到 的火焰温度与实测值的相对误差小.经过各项光路参 数优化后，该纹影系统可以达到较高的测量精确度.参考文献[1] DU Wenfeng, ZHANG Xiaoqian, WEI Minggang, et al.Candle flame tem perature measurement in microgravity by differential interferometry [J]. J. Combust. Sci. Tech” 2000, 6(2): 129-132 (杜文锋，张孝谦，韦明罡，等•差分干涉法测量微重力环境蜡烛火焰的温度问.燃烧科学与技术，2000,6(2): 129-132)[2] IBARRETA A F, SUNG C J. Flame tem perature and location measurements of sooting premixed Bunsen flames by rainbow schlieren deflectometry [Jj. Appl. Opt., 2005, 44(17): 3565-3575[3] SCHWARZ A. M ulti-tomographic flame analysis with aschlieren apparatus [J]. Meas. Sci. Technol., 1996, 7(3): 406-413[4] WONG T, AGRAWAL A K. Quantitative measurementsin an unsteady flame using high-speed rainbow schlieren deflectometry [J]. Meas. Sci. Technol., 2006, 17(6): 1503- 1510[5] XIAO X D, CHOI C W, PURI I K. Temperature measurements in steady two-dimensional partially premixed flames using laser interferometric holography [J]. Combust Flame, 1999, 120(3): 318-332[6] HARGATHER M J, SETTLES G S. A comparison ofthree quantitative schlieren techniques [J]. Opt. Laser. 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关于火焰温度测量方法的介绍要点
摘要: 本文综述了火焰的分类及其温度测量方法,介绍了热电偶法、成象法、激光光谱法、辐射法和声波法的测量原理,并分析比较了它们的适用性和各自特点。
简要描述了用于固体火箭发动机羽焰温度测量的多点多波长高温计。
最后,展望了火焰温度测量的发展趋势。
关键词：测量,温度,火焰,原理Abstract：Reviewed in this paper the classification of the flame and the temperature measuring method, introduces the thermocouple method, imaging method and laser spectrum method, radiation method and principle of measurement of the acoustic method, and analysis and comparison of their applicability and their respective characteristics. Briefly describe the used in solid rocket motor plume flame temperature measuring multi-point multiwavelength pyrometer. In the end, prospects the development trend of flame temperature measurement. Keywords: measurement, temperature, flame, and principle目录一.引言 (1)二.火焰的分类及特性 (1)三.火焰温度的测量方法 (2)(一)接触法测温 (2)1.热电偶法 (2)2.光纤法 (3)（二）非接触法测温 (3)1.成象法 (3)2.激光光谱法 (5)3.声波法 (7)4.辐射法 (9)D成像法 (11)四.结语 (16)致谢 (17)[参考文献] (17)一.引言火焰温度是燃烧过程的重要热力参数之一。
燃烧火焰温度分布测量的实验研究
燃烧火焰温度分布测量的实验研究
近年来，科学及技术的发展使得用科学数据检测、研究与测量燃烧火焰温度分布等工作变得更加容易，对于此类研究来说，它有助于提高能源利用效率，保证燃料的可持续性，以及分析材料表面的热性能。
针对这一课题，近期开展了一项实验研究，旨在通过测量燃烧火焰温度分布，详细研究燃烧火焰特征。
该研究从实验工艺、仪器设备的准备、试验测量等方面展开，采用高温摄像系统、近红外光谱技术、无缝隙测温仪、热电偶仪等仪器进行了测量，模拟了不同的燃烧火焰状态，测量了燃烧火焰温度分布，并检测了火焰颜色和识别燃烧产物。
实验结果表明，燃烧温度分布与实验参量（如空气比例、火焰尺寸和燃料种类等）密切相关，也受影响于燃烧时间和环境气压等因素。
在某一定的参数下，火焰常温的最高温度区域中心便是燃烧的最热区，而火焰的边缘则是最低温区域。
利用这项实验检测，能够得出准确的燃烧火焰温度分布结果，进而对燃烧过程及温度分布曲线作出分析，推导出不同燃烧参量及条件下燃烧火焰温度分布图，从火焰分布现象中得出结论，有助于行业安全作业，更好地满足工程应用需要。
总之，这项实验研究对研究燃烧火焰温度分布是十分重要的，能够帮助我们对燃烧的特性有更深入的见解，为后续的技术开发和应用研究打下基础。
燃烧火焰温度的光学测量方法
燃烧火焰温度的光学测量方法燃烧是一种非常常见的化学反应过程，火焰的温度是燃烧过程中一
个重要的参数。
准确地测量火焰的温度对于研究燃烧过程以及优化燃
烧效率具有重要意义。
传统的测温方法包括热电偶、红外辐射测温仪等，然而这些方法存在着一定的局限性。
近年来，光学测量方法逐渐
成为燃烧火焰温度测量的新趋势。
一、原理介绍
光学测量方法利用火焰辐射光谱特性来测量火焰温度。
火焰是由燃
烧过程中释放的热辐射光谱组成的，不同温度下的火焰辐射光谱特性
也不同。
通过分析火焰的光谱特性，可以推算出火焰的温度。
这种方
法不需要接触火焰，且测量范围广，精度高，适用于不同类型的火焰
测温。
二、实验步骤
1. 准备光学测量设备，包括光谱仪、透镜、光纤等。
2. 将光谱仪调整至合适的波长范围，并与火焰发射光谱进行匹配。
3. 利用透镜将火焰辐射光聚焦至光谱仪中进行测量。
4. 对测得的光谱数据进行处理，通过光谱特性分析确定火焰的温度。
三、优势与应用
光学测量方法具有非接触、无污染、高精度等优势，适用于各种不
同类型的火焰，例如天然气燃烧火焰、工业煤气火焰等。
在工业燃烧
过程中，光学测量方法可以用于优化燃烧控制，提高燃烧效率，减少污染物排放。
在火灾事故中，光学测量方法也可以用于现场火灾温度监测及事故原因分析。
综上所述，光学测量方法作为一种新型的燃烧火焰温度测量方法，具有准确、可靠、实时监测等优势，被广泛应用于各个领域。
随着技术的不断发展完善，光学测量方法将在燃烧领域发挥越来越重要的作用。
fta火焰温度 -回复
fta火焰温度-回复火焰是一种燃烧时释放出的可见光和热能的化学反应。
当物质燃烧时，其化学能被转化为热能和光能。
火焰温度是指火焰释放的热能所对应的温度，它是一个关键参数，对于燃烧过程的分析和应用有着重要的意义。
本文将逐步探讨火焰的基本原理和形成原因，以及如何测量火焰温度。
首先，我们来了解火焰的基本原理。
燃烧是一种氧化还原反应，通常需要三个要素：可燃物、氧气和点火源。
可燃物是一种能够在足够的温度下与氧气反应的物质，常见的可燃物包括煤、木材、石油等。
当可燃物与氧气接触并达到点火温度时，燃烧反应开始发生，生成可燃气体。
可燃气体在火焰中燃烧，同时释放出大量的热能和可见光。
火焰的产生与火焰三角密切相关。
火焰三角由可燃物、氧气和点火源组成。
如果其中任何一个要素缺失，燃烧反应将无法进行。
例如，如果没有足够的氧气供应，燃烧反应将变得不完全，产生的火焰将变暗或熄灭。
接下来，我们探讨火焰温度如何测量。
测量火焰温度的常用方法之一是通过热电偶或热电阻测温仪。
热电偶是一种能够将温度转化为电压的设备，通常由两种不同材料的导线焊接而成。
当热电偶的焊点暴露在火焰中，其温度将被转化为电压信号，通过读取电压信号可以确定火焰的温度。
类似地，热电阻测温仪也可以测量火焰温度，它通过导线材料的电阻值随温度变化的特性来测量温度。
除了直接测量火焰温度，还可以通过间接方法来估算火焰温度。
例如，火焰的颜色可以提供有关火焰温度的信息。
根据黑体辐射理论，不同温度的物体会以不同波长和强度的光辐射热能。
对于一般的火焰，蓝色和紫色意味着较高的温度，而橙色和红色意味着较低的温度。
因此，观察火焰的颜色可以初步判断火焰的温度范围。
需要注意的是，火焰温度并非均匀的，它通常在火焰的不同部位存在差异。
火焰的最热部分通常位于火焰的底部，并且向上逐渐变冷。
这与燃烧过程中的氧气供应和物质燃烧速率有关。
此外，火焰的温度还受到环境条件的影响，例如周围气体的温度和压力。
火焰温度的测量对于许多应用至关重要。
火焰温度测量方法
火焰温度测量方法
火焰温度测量方法有：
1．接触式测温法：也被称为直接温度测量法，具体方法是将温度传感器直接在火焰温度场中进行放置。
这种方法具有受外界影响较小、测量精度高等优点，但难以快速反映瞬息变化的火焰温度场和火焰的脉动情况，因此被局限于锅炉的换热实验或在锅炉稳定工作的前提下，选取关键位置进行温度检测。
2．非接触式测温法：在工业生产中，通常用到两类非接触式测量温度的方法，一是通过测量燃烧介质的热力学参数，进而实现温度值的测量；二是利用高温火焰的辐射特性对温度值进行比较精确的测量。
火焰光度计不确定度定度(线性误差及检测限)
袁哨兵]
一、测量过程简述 1、测量依据：JJG 630-2007 《火焰光度计》 ； 2、 测量环境条件： 温度： （10~35） ℃； 相对湿度： ≤85%RH;电源： 电压 （220±22） V，频率（50±0.5）Hz； 3、测量对象：火焰光度计（型号：AP1200，出厂编号：20150101，厂家： 上海傲谱分析仪器有限公司） ； 4、测量标准：氯化钠纯度标准物质（GBW06103a） 、氯化钾纯度标准物质 （GBW06109） ； 5、测量方法： a、用空白溶液校正零点；用 0.06mmol/L 钾（K）与 0.3mmol/L 钠（Na）的混合标准溶液连续进样 15s，待稳定后连续观测并读出仪器示值与初 始值 间的最大偏移量∆ ，计算仪器示值的相对最大变化量 ;然后 5min 内，对仪 器不作任何调整并重复 6 次测量， 每次间隔 1min， 计算仪器各次示值与初始值 间 的最大漂移量∆ ，求出 6 次仪器示值的最大变化量。测量过程中进样管插入溶液 的深度应没有相对明显的改变。 b、根据仪器灵敏度选择点，钾（K）0.01mmol/L、0.02mmol/L、 0.04mmol/L、 0.06mmol/L、 0.08mmol/L；钠（ Na ） 0.05mmol/L、 0.10mmol/L、 0.20mmol/L、0.30mmol/L、0.40mmol/L 各元素进行 5 个点的标准曲线点测量， 每一个点进行两次测量，取其测量谱线强度平均值。 c、按线性回归法求出标准曲线的截距、斜率，及标准工作曲线 的线性方程。然后计算标准曲线各点测量的线性误差∆ 。 d、对 0.04mmol/L 的钾（K） 、钠（Na）混合标准溶液分别进行 11 次平行测量，并求出其标准偏差，计算出检测限 。 6、不确定度的使用：符合上述条件的测量结果，可直接使用本评定方法进 行评定。 二、数学模型 线性方程： ̅= + ̅− = 线性误差： ∆ 标准偏差： = 检测限： = 3 ∑ ̅ ( − ) −1 = −
初中物理教案：测量火焰的温度
初中物理教案：测量火焰的温度测量火焰的温度一、引言火焰是我们日常生活中经常接触的现象，它既美丽又神秘，因此许多人对于火焰的性质和特点非常感兴趣。
在物理学中，我们可以通过测量火焰的温度来进一步了解它。
本教案将介绍如何利用已知方法和仪器准确地测量火焰的温度。
二、理论知识1. 火焰的产生火焰是可燃物与氧气发生化学反应时放出的能量所形成的。
当可燃物与氧气相遇并达到着火点时，可燃物开始燃烧，释放出大量热能和光能。
2. 火焰的组成火焰由三个主要区域组成：内部核心区域、次级燃烧区域和外部扩散带。
内部核心区域是最亮、最炽热的部分，温度通常较高。
次级燃烧区域位于核心之外，含有尚未完全搅拌均匀而变白颜色的副产物。
外部扩散带则是边界层，传递热量给周围环境。
3. 测量火焰温度的方法目前常用的方法有两种：光学法和电磁法。
光学法是通过比较火焰的颜色与已知温度下不同物质辐射光谱进行匹配，从而确定火焰温度。
电磁法则是利用火焰激发的振动、摆动或旋转原理来测量温度。
三、实验步骤1. 准备工作首先，准备好所需仪器和材料：辐射计、电磁感应仪、红外测温仪、试管、丙酮（可燃物）等。
2. 光学法测量a) 将试管倒立放入待测试的火焰中心，使其完全沉浸于火焰中。
b) 观察试管内露出的部分，在相对黑暗环境下观察其颜色，并比对一个已知温度下不同物质辐射光谱图表以确定火焰温度。
3. 电磁法测量a) 使用电磁感应仪将探头置于待测试的火焰核心区域。
b) 根据感应仪所显示出的值来计算火焰温度。
这里的原理是通过测量火焰内部振动或旋转频率来推测温度。
4. 红外测温法a) 使用红外测温仪将其瞄准在待测试的火焰核心区域。
b) 从测得的红外辐射值中推算出火焰温度，这是利用火焰辐射出的红外波长与温度之间的关系进行计算。
5. 结果分析比较三种方法所得到的结果，找出它们之间的差异与相似之处，并对比已有文献中关于不同类型火焰温度范围的数据。
若三种方法结果基本一致，则可以确认所得结果具有一定可靠性。
基于梯度投影法的火焰温度测量技术研究
基于梯度投影法的火焰温度测量技术研究郭广廓;王振兴;崔双龙;孙晓刚;邢键【摘要】基于多光谱辐射测温技术,提出一种无需假设发射率模型的梯度投影算法,并对6种发射率模型进行了仿真计算.结果表明:梯度投影法反演结果误差小于20 K,发射率反演结果的趋势与模型吻合.梯度投影法属约束优化算法,与多光谱辐射测温技术结合可避开发射率无法确定需要假设模型的难题,开辟了多光谱辐射测温新的研究思路.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2018(040)007【总页数】6页(P712-717)【关键词】辐射测温;梯度投影;模型仿真【作者】郭广廓;王振兴;崔双龙;孙晓刚;邢键【作者单位】工业和信息化部电子第五研究所,广东广州 510610;哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨 150001;东北林业大学,黑龙江哈尔滨 150040【正文语种】中文【中图分类】V4300 引言多光谱辐射测温技术具有非接触、无测温上限及不干扰温度场等优点[1-2]，经多年发展，已成为航天发动机火焰温度的主要测量方式之一。
目前制约该技术发展的主要问题之一是发射率难以确定，计算时需要假设一个发射率模型[3]。
Pyatt于1954年使用三波长比色温度计来探索波长λ与发射率ε之间的关系，开启了发射率模型探索的先河[4]。
美国、欧洲、日本相继开始研究，不断改进。
我国于1984年研制成功三波长HDW-1型红外测温仪。
1991年戴景民教授（哈尔滨工业大学）等人与G.Ruffino（罗马大学）教授合作研制出棱镜分光式35波长高温计[5-6]，在理论和实践中为我国发展多光谱辐射测温技术奠定坚实的基础。
后续孙晓刚、戴景民等又再次提出了发射率自动辨识[7]、二次测量[8]等数据处理方法，提高了多光谱辐射测温反演精度，扩展了多光谱辐射测温理论。
但反演过程中涉及的发射率模型依然是多光谱辐射测温的难点。
测量火焰温度实验报告
测量火焰温度实验报告实验报告标题：测量火焰温度实验报告一、实验目的本实验的目的是通过测量火焰的温度，探究不同火焰的温度差异和影响因素。
二、实验原理火焰温度的测量可以利用火焰的颜色进行估算。
不同温度的火焰所发射的光的颜色也不同，如炉火的颜色从红色、黄色到白色渐变，红热钢铁炉温度一般约为900C，黄热约为1100C，白热温度则在1400C以上。
三、实验步骤1. 准备实验装置：将火源放置在固定的位置上，保持相对稳定。
2. 在火焰的观察位置上放置一张白纸或其他不易燃烧的材料。
3. 调整观察位置并使用色温计或者其他颜色测量仪器来测量火焰颜色的RGB或HSV数值。
4. 根据所得到的RGB或HSV数值查找相应的颜色-温度转换表格，获得大致的火焰温度。
四、实验数据与结果在实验过程中，我们记录了以下数据：实验次数颜色测量值观察到的温度-1 (255,0,0) 约9002 (255,165,0) 约11003 (255,255,255) 约1400根据所得到的数据，我们可以观察到火焰颜色与温度之间存在着一定的对应关系。
随着火焰温度的升高，RGB数值依次从红色向黄色、白色过渡。
五、实验讨论与分析通过实验数据与结果的观察，我们可以得出以下结论：1. 随着火焰温度的升高，火焰的颜色由红色逐渐变为黄色、白色。
2. 火焰颜色-温度转换存在一定的不确定性，实际温度与通过颜色测量得到的温度可能存在一定的偏差。
3. 实验所得到的温度是近似值，精确度有限。
六、实验总结本实验通过测量火焰颜色来估算火焰温度，通过实验我们了解到火焰的颜色与温度之间存在一定的关系。
在实际应用中，我们可以通过测量火焰的颜色来推测其温度，对于一些需要控制火焰温度的场合具有一定的参考价值。
然而，在实际测量中仍需要注意温度传感器的准确性和精确度，以及更为精确的温度测量方法的探索。
在以后的实验中可以进一步探究不同因素对火焰温度的影响，以及更精确的测量方法的应用。