燃气轮机测试-第4章 热辐射及其他温度测量技术

04第4章热辐射及其他温度测量技术4.1热辐射式温度计：普朗克/维恩/斯特藩定律，单色、全辐射、比色及多波长测温4.2其他温度测量技术：示温涂料、磷光、晶体测温应用燃气轮机透平叶片表面温度的非接触在线测量机械工业出版社·教材配套课件第4章

热辐射及其他温度测量技术

4.1.1热辐射测温基本原理图4-1黑体的单色辐射力与波长和温度之间的关系普朗克定律(4-1)E₀λ=c₁λ⁻⁵/(e^(c₂/λT)−1)c₁=3.7413×10⁻¹⁶W·m²，c₂=1.4388×10⁻²m·K维恩公式(4-2)E₀λ=c₁λ⁻⁵e^(−c₂/λT)T<3000K时对普朗克公式的近似，误差<1%斯特藩-玻尔兹曼(4-3)E₀=σT⁴σ=5.67032×10⁻⁸W/(m²·K⁴)发射率ε=E′/E₀（实际表面与同温黑体辐射力之比）描述物体偏离黑体程度；实际物体ε<1，需已知其特性方可反演真实温度。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术4.1.2单色辐射高温计图4-3典型光电高温计的结构亮度温度Tp亮度Lλ∝单色辐射力Eλ；按黑体刻度，测得亮度温度Tp恒低于真实温度T（ελ<1）。光电高温计结构（图4-3/4-4）光学系统+探测器（硅光电池/热敏/热释电）+信号处理与显示。测温量程上限可达3000℃；高温段800~3000℃用硅光电池（0.4~1.1μm），中温0~1000℃用薄膜热电堆（8~14μm）。注意：非黑体ελ影响、中间介质散射/吸收、不宜测反光强或透明火焰——需修正或创造黑体条件。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术4.1.3辐射温度和全辐射温度计图4-5全辐射高温计原理示意图（原书）辐射温度Tc(4-8/4-9)σTc⁴=εσT⁴⇒Tc=T·ε^(1/4)示值恒低于真实温度T，须按ε校正（ε<1）。结构要点（图4-5）物镜+光阑+热电堆（4~8支热电偶串联）+铂箔+目镜；机壳内壁涂黑以近黑体。使用注意：ε

随成分/表面/温度剧变；介质吸收；环境温升致冷端误差；L/D比须受限。精度等级1%以下（1.5%/2.0%/2.5%）。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术4.1.4比色温度计及多波长温度计图4-9双通道光电比色高温计原理（原书）比色温度Ts(4-10~4-12)两波长光谱强度比定温；灰体ελ1=ελ2时Ts=T（最接近真实温度）。结构形式单通道（调制盘交替滤光）/双通道（分光至两探测器），见图4-7、4-9。多波长/三波长(4-16~4-20)发射率随波长线性时，三色温度≈真实温度，可同时测T与ε。亮度/辐射/比色温度均非真实温度，须已知ε方能反演；多波长法最适于高温目标。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术

4.1.5辐射温度计在燃气轮机上的应用图4-13高压透平叶片的温度测量结果（原书）探针与安装（图4-10~12）机匣不同位置周向固定，扫描转子叶片表面，采集大面域辐射。叶片温度分布（图4-13）逐转逐叶片信号→计算机处理→彩色分布图，用于部件健康监测。多波长试验（图4-14/15）蓝宝石探针+光纤→光谱仪/多光谱传感器，测气体温度变化曲线。辐射测温测温范围宽、响应快、不干扰目标温度场，是燃气轮机高温部件温度测量的首选非接触手段。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术

4.2.1示温涂料法图4-16高压涡轮导向器表面示温涂料变色（原书）原理物质颜色随温度不可逆变化；用多点变色涂料或混合多种单变色涂料制得。涂覆与标定涂膜0.03~0.05mm，带状约10mm宽；宜窄条/点状。标定：比色卡或等温线法。性能与局限范围100~1200℃，精度±(5~8)℃；不宜接触高温燃气/摩擦面，变色受升温速度与时间影响。不需引线、不干扰流场，适于航空发动机热端部件、旋转件大面积连续温度场测试。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术

4.2.2磷光测温法图4-18磷光寿命随温度升高变化的典型趋势（原书）磷光强度比法(4-21~4-23)FIR=A·exp(−ΔE/kBT)+C热耦合能级对能级差200~2000cm⁻¹；两波长磷光强度比值随温度单调变化，可抑制光源扰动误差。磷光寿命法(4-24/4-25)I=I₀·e^(−t/τ)τ为强度衰减至1/e的时间，随温度升高而缩短；频域法tanΔφ=2πfτ，时域法拟合指数衰减曲线。典型磷光材料与应用Y₂O₃:Eu、Y₂O₂S:Sm、YAG:Dy等；Y₂O₂S:Sm在900~1425℃测温误差不超过±1℃。图4-20：YAG:Nd激光激发燃烧室壁面磷光涂层，光电倍增管（PMT）收集磷光信号。磷光寿命法不受样品形态、发光强弱、光散射与光源波动影响，具有测温范围宽、重复性好、精度高的优点，已应用于燃气轮机与航空发动机高温部件及其壁面温度测量。机械工业出版社·教材配套课件燃气轮机试验与测试技术第4章

热辐射及其他温度测量技术4.2.3晶体测温法图4-22

SiC晶体的X射线衍射峰位置和半高宽随退火温度的变化曲线（原书）温度记忆效应晶体受高能粒子辐照产生非平衡缺陷，高温退火后缺陷消除程度与所经历的最高温度及退火时间有确定函数关系，缺陷浓度由XRD精确测量。测温晶体（表4-1）第一代金刚石、第二代碳化硅（SiC）、第三代氮化铝等；SiC晶体测温范围150~1430℃，精