Phosphor Thermometry on Surfaces - A Study of its Methodology and its Practical Applications

Abstract: Popular Abstract in Swedish Eld och kontroll av denna samt dess användning anses vara en av människans äldsta och mest betydelsefulla teknologier som hjälpt till att bana väg för vår väsentliga framgång från stenåldern ända fram till vårt nutida samhälle. Det är därför inte konstigt att vi idag lever i en värld där mer än 90 % av vårt dagliga energibehov täcks genom förbränning av fossila och förnyelsebara bränslen. Men i takt med att Kina, Indien och de afrikanska länderna progressivt höjer sin levnadsstandard samtidigt som vi blir allt fler människor på jorden, ökar också behovet av energi i världen. För att kunna säkerställa en tillräcklig energiförsörjning framöver och för att minska den relativa mängden av de skadliga utsläppen, såsom växthusgaser och avgaser, är det av största intresse att öka vår kunskap om förbränning i alla dess former. Den stora mängd förbränningsenergi som används idag innebär att även små förbättringar kan ge enorma utslag i världsekonomin och i mängden skadliga emissioner. Forskning inom förbränning är därmed en mycket prioriterad verksamhet. Temperatur är en särskilt viktig parameter i samband med förbränningsrelaterade processer. Livslängden hos en gasturbin avgörs t.ex. huvudsakligen av livslängden hos de komponenter som utsätts för högst temperatur. Temperaturen bestämmer även hastigheten av kemiska reaktioner vilka har stor betydelse för formering av skadliga utsläpp och är avgörande för värmefrigörelseprocesser. I förbränningsmotorer sker de största energiförlusterna just i form av värmeförluster till väggarna. Om man alltså lyckas minska dem, så minskar bränsleförbrukningen och utsläppen av växthusgaser med lika stor omfattning. Yttemperaturer är därför av stor betydelse, både för motordelarnas design och som inparameter i relaterade datorsimuleringar. Förbränningsmotorer är dock rent allmänt sett relativt svåra att mäta temperaturer i. Att motorn består av en hel del rörliga delar som under drift kan röra sig flera tusen gånger per minut från och till sitt utgångsläge skapar huvudsakligen två svårigheter för motorforskarna. För det första så är det svårt att koppla in temperaturkänsliga sensorer i väggarna inuti den trycksatta förbränningskammaren där allt är i snabb rörelse. Det andra problemet är de höga varvtalen som skapar mycket snabba temperaturändringar. Under motorns drift kan dessa vara så pass snabba att konventionella temperaturmätare såsom termoelement ibland inte hinner med att upplösa temperaturens tidsförlopp. Dessa problem kan till stor del undanröjas med hjälp av laserbaserade mättekniker. Den stora fördelen som sådana tekniker erbjuder är att man kan mäta på avstånd, utan att direkt påverka mätobjektet. På så vis kan man mäta realistiskt i annars besvärliga och svåråtkomliga miljöer. Laserdiagnostikska metoder möjliggör också att mäta många olika parametrar såsom temperatur, tryck, flödeshastigheter samt ämneskoncentrationer, i punkter och/eller tvådimensionella tvärsnitt av förbränningsrummet. De ämnen vars koncentration man kan mäta är bland annat bränsle, olika förbränningsradikaler och sot. Man kan även visualisera flamfronter och studera fenomen såsom blandning och bränsleförångning. Dessutom så kan man mäta flera av dessa parametrar under mycket korta tidsförlopp. De lasrar som används är oftast pulsade, vilket innebär att de flera gånger per sekund genererar extremt korta laserpulser (omkring 10 nanosekunder, dvs. 10 miljarddels sekund!). Under såpass korta tidsperioder kan förbränningsprocessen i princip anses som “stillastående”. Nackdelen är att laser-baserade mättekniker ofta är relativt dyra och kräver optisk access till mätområdet genom optiska fiber eller genom fönster. Laser-Inducerad-Fosforescens är en laserbaserad teknik för att mäta temperaturer upp till ca. 2000 K beröringsfritt på ytor, där konventionella mätmetoder med t.ex. termoelement är svåra att tillämpa. Fosfortermometri, som tekniken mera allmänt kallas för, bygger på att ett tunt temperaturkänsligt lager av ett fosforescerande ämne appliceras på en yta som sedan belyses med ljus. Det ljuset som fosformaterialet ger ifrån sig en mycket kort stund efter att ha blivit belyst av en kort och intensiv laserstråle kallas för fosforescens och för med sig egenskaper som i själva verket är temperaturberoende. Emission från termografiska fosforer kan vara temperaturberoende på olika sätt för olika fosforer. I huvudsak används två egenskaper hos emissionen för att erhålla information om temperaturen: Dels kan livstiden på emissionen minska med ökad temperatur och dels kan själva spektrumet förändras med temperaturen, vilket möjliggör mätning av intensitetskvotsvariationer för utvalda våglängder. Båda dessa metoder kräver att man först gör en kalibreringsmätning för att ta reda på vilket temperaturberoende ett visst material har. Detta görs oftast i en ugn där referenstemperaturen mäts med termoelement. Denna avhandling är tänkt som faktakälla för nya forskare inom fosfortermometri. Teknikens metodik beskrivs med hjälp av olika praktiska exempel. Dessa exempel påvisar en del förväntade och oväntade felkällor som uppstår i samband med tillämpningen, sådana som både erfarna och mindre erfarna forskare lätt kan råka ut för. Dessa är exempelvis fosforns uppvärmning som följd av hög excitationsintensitet, temperaturgradienter tvärs över fosforlagrets tjocklek, icke-linjära effekter i detektionssystemet och flertydiga resultat från temperaturutvärderingen. Förutom själva mätmetodiken så har termografiska fosforer i samband med detta arbete även använts för tillämpade yttemperaturmätningar i en rad krävande industriella förbränningsmiljöer: i en lastbilsmotor, i efterbrännkammaren på en flygplansturbin och inuti en storskalig fartygsmotor.