Измерение температуры газа в пламени методом зондовой масс–спектрометрии

Измерение температуры газа в пламени методом зондовой масс–спектрометрии

Данная работа посвящена применению метода зондовой масс–спектрометрии для измерения температуры газа или газовой смеси. Усовершенствование вычислительной составляющей метода пневматического зонда позволило получить более удобную формулу с меньшим количеством неизвестных параметров и сохранением достаточной точности. Показано, что методика отвечает таким требованиям, как высокая пространственная разрешающая способность и быстродействие. Проведением калибровочных экспериментов вычислены температурные калибровочные коэффициенты и прямыми термопарными измерениями подтверждена достоверность методики. Несомненным преимуществом метода зондовой масс-спектрометрии является четкое сопоставление полученной температуры газа и его состава при использовании одного основного измерительно–регистрирующего прибора. Этот факт существенен при сравнении результатов экспериментов и моделирования неравновесных процессов в газах. Научный руководитель: Шмаков А. Г., канд. хим. наук, зав. лаборатории кинетики процессов горения ИХКГ им. ак. В. В. Воеводского СО РАН.

Физика

Другие учебные работы

Вуз: Независимое исследование (нет вуза)

ID: 57417eef5f1be72d9d1f9349

UUID: 5f936030-022f-0134-2e2d-525400003e20

Язык: Русский

Опубликовано: больше 8 лет назад

Просмотры: 95

Источник:

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 0 байт

Поделиться работой

Аннотация Данная работа посвящена исследованию измерения температуры газа или газовой смеси методом зондовой масс-спектрометрии. Усовершенствование вычислительной составляющей метода пневматического зонда позволило получить более удобную формулу с меньшим количеством неизвестных параметров и сохранением достаточной точности. Измерения показали, что методика также отвечает требованиям высокой пространственной разрешающей способности и быстродействия. Проведением калибровочных экспериментов были вычислены температурные калибровочные коэффициенты и прямыми термопарными измерениями подтверждена достоверность методики. Несомненным преимуществом метода зондовой масс-спектрометрии является четкое сопоставление полученной температуры газа и его состава при использовании одного основного измерительнорегистрирующего прибора. Этот факт существенен при сравнении результатов экспериментов и моделирования неравновесных процессов в газах. 2

Оглавление Введение ............................................................................................................... 4 Методика эксперимента ....................................................................................... 5 Оборудование и проведение эксперимента ........................................................ 8 Результаты и оценка погрешностей .................................................................. 11 Заключение ......................................................................................................... 17 Приложения ........................................................................................................ 18 Литература .......................................................................................................... 20 3

Введение Сегодня существует целый ряд методов измерения температуры газа, однако не все из них характеризуются быстродействием, высокой пространственной разрешающей способностью и достаточной точностью. Этим требованиям часто удовлетворяет использование метода зондовой масс-спектрометрии. В общем случае плотность газа связана с температурой через уравнение состояния, которое для идеального газа может быть записано как: pM . (1) R Следовательно, для определения или вычисления температуры можно использовать плотность, при условии, что можно определить среднюю молекулярную массу M . Это не столь существенное препятствие, так как значение M известно, или его можно установить с достаточной точностью. Также уравнение (1) можно связать со статистической моделью молекул, для которых внутримолекулярные силы пренебрежимо малы. Обоснованность такой модели доказана экспериментально для предельных случаев, когда плотность очень низка, следовательно, молекулярный объем становится пренебрежимо малым, а температура высока и кинетическая энергия молекул много больше по сравнению с внутримолекулярными силами. Этим условиям удовлетворяет большинство газов, и закон идеального газа можно применить для измерения температуры, если приемлема точность в долях процента. Существует ряд экспериментальных методов измерения плотности газов. Некоторые из них удовлетворяют требованиям, предъявляемым условиям измерения температуры и условиям пространственной разрешающей способности. Таким образом, целью данной работы является экспериментальное подтверждение достоверности косвенного измерения температуры по усовершенствованной технологии вычислений на основе метода пневматического зонда. T 4

Методика эксперимента Если падение давления через диафрагму пневматического зонда достаточно велико, отношение давлений больше 2, то скорость газа в месте наибольшего сужения становится равной скорости звука, а расход газа – зависимым от давления, температуры, молекулярной массы и теплоемкости среды. Для учета влияния пограничного слоя вводится незначительная поправка на число Рейнольдса. В случае двух диафрагм, соединенных последовательно таким образом, чтобы критические расходы были в обеих, легко показать [1, 2, 3], что температуры и давления перед первой и второй диафрагмами связаны следующим соотношением: T1 AT2 p1 p2 2 , (2) где A – константа, определяемая путем калибровки каждого прибора. Полагается, что молекулярная масса и теплоемкости постоянны. Таким образом, если T1 известная температура на входе в соответствующую зондовую диафрагму, то ее значение можно рассчитать по формуле (2), используя измеренные значения T2, p1 и p2. Очевидно, чтобы T2 удобно было измерять, эта температура должна быть близкой к комнатной. Такой пневматический зонд обеспечивает уникальный метод измерения температуры, позволяющий одновременно определить связанные между собой температуру и состав путем отбора пробы с помощью одного и того же устройства. Хотя для количественных измерений температуры требуется индивидуальная калибровка зонда, окружающая среда на температуру не влияет, и нет необходимости в радиационных поправках, как, например, в случае термопарных измерений. Калибровочная константа A является функцией числа Рейнольдса для каждой диафрагмы. Для очень маленького зонда влияние числа Рейнольдса может быть достаточно сильным, так что A в действительности с температурой меняется. Однако нет абсолютной необходимости проводить калибровку при высоких температурах, поскольку влияние числа Рейнольдса может быть вызвано скорее изменением давления, чем измерением температуры. Это весьма существенно, поскольку технически трудно получить калибровочные данные для температуры выше 1500 К. Необходимо, чтобы обе диафрагмы работали в режиме неразрывного потока, и чтобы не было большой концентрации атомов и радикалов, поскольку они рекомбинируют до прохождения второй диафрагмы, меняя, 5

таким образом, молекулярную массу и теплоемкость. Для удобства работы необходимо иметь минимально возможный объем между двумя диафрагмами, так как время установления равновесия пропорционально этому объему. Давление можно измерять любым удобным для данного случая способом, но с точностью не менее 1%. Масс-спектрометром можно измерять давление, если уже изучен состав. Устройство масс-спектрометра позволяет из данных по составу газовой смеси и интенсивности пиков масс-спектра получить информацию о парциальных давлениях этих газов. Тогда общее давление смеси 𝑃 по закону Дальтона можно найти как сумму парциальных давлений всех газов: 𝑃 = ∑ 𝑝𝑖 , (3) где pi – парциальное давление i-го элемента (соединения). В свою очередь, парциальное давление пропорционально интенсивности пика 𝐼𝑖 i-го элемента в масс-спектре: ∑ 𝑝𝑖 = ∑(𝐼𝑖 − 𝐼𝑖𝑏.𝑔. )𝑘𝑖 , (4) где 𝑘𝑖 – коэффициент чувствительности для i-го элемента, получаемый из калибровок по масс-спектру смесей газов известного состава. Также 𝑏.𝑔. требуется учитывать интенсивность фонового масс-спектра 𝐼𝑖 для каждого i-го элемента и вычитать ее из общей интенсивности элемента 𝐼𝑖 . Как уже было указано выше, для расчета температуры (2) перед входной диафрагмой требуются численные значения параметров T2, p1 и p2. Однако может возникнуть потребность вычислить температуру входящего газа в такой системе, где по каким-либо причинам невозможно с требуемой точностью определить температуру T2. Тогда, имеет смысл некоторая модификация данной методики. Рассмотрим понятие массового расхода газа (в потоке) W через сопло пробоотборника сечением S [4]: 𝛾𝑀 1⁄ 2 𝑊 = 𝑆𝑝0 (𝑅𝑇 ) 0 2 𝑏 ) , 𝛾+1 ( (5) 𝛾+1 (6) 𝐶𝑝 (7) 𝑏 = 2(𝛾−1), 𝛾= 𝐶𝑣 , где T0, p0 – температура и давление смеси перед соплом, R – универсальная газовая постоянная, равная произведению фундаментальных физических констант, числа Авогадро и постоянной Больцмана: 𝑅 = 𝑁𝐴 𝑘𝐵 . (8) 6

Забирая пробоотборником (зондом) одну и ту же смесь газов с разными температурами при одинаковом начальном давлении p0, распишем для каждого случая массовый расход газа в потоке. Первый эксперимент со смесью при комнатной температуре: 𝑊1 = 𝑆𝑝0 ( ̅ 𝛾𝑀 𝑅𝑇1 1⁄ 2 ) 2 ( 𝛾+1 ) 𝛾+1 2(𝛾−1) , (9) . (10) и второй эксперимент нагретой в пламени смесью: ̅ 𝛾𝑀 1⁄ 2 𝑊2 = 𝑆𝑝0 (𝑅𝑇 ) 2 ( 2 𝛾+1 𝛾+1 2(𝛾−1) ) Возьмем отношение 𝑊1 к 𝑊2 , после сокращения одинаковых частей получим: 𝑊 2 𝑇 ( 1 ) = 2. 𝑊 𝑇 2 (11) 1 Здесь следует обратить внимание на тот факт, что усредненная молярная масса веществ в смеси в обоих случаях должна оставаться неизменной, что достижимо, но с некоторой ошибкой. Оценка этой ошибки крайне важна для использования описываемой методики вычислений. Логично предположить, что массовый расход газа в потоке будет пропорционален интенсивности пиков в масс-спектре. Поскольку постольку, при увеличении температуры увеличивается расстояние между молекулами газа, уменьшается плотность газа, а значит и концентрация, следовательно, и зонд производит забор меньшего количества газа, что уменьшает интенсивность пиков составляющих газовой смеси на масс-спектре. А по формулам (3) и (4) суммарная интенсивность пропорциональна общему давлению смеси. Тогда формулу (11), с точностью до умножения на экспериментальную константу – калибровочный температурный коэффициент 𝐴, можно записать в виде: 𝑃 2 𝑇2 = 𝑇1 𝐴 ( 1 ) , 𝑃2 (12) где 𝑃1 и 𝑃2 – суммы парциальных давлений компонентов газовой смеси в первом и втором эксперименте соответственно, а 𝑇1 и 𝑇2 – температуры смесей соответственно перед забором зондом. Таким образом, измерив температуру газа в первом случае и получив результат анализатора массспектрометра в обоих экспериментах, то есть, по интенсивности пиков рассчитав суммарные давления газовой смеси, можно получить температуру нагретой газовой смеси во втором эксперименте без ее прямого измерения. Это и есть главная рабочая формула данного исследования. Также, легко видеть, что формула (12) в некоторой степени коррелирует с формулой (2). 7

Оборудование и проведение эксперимента Оборудование Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. ММ ЛТ Система подачи газа Трубка Микрозонд Термопара Массспектрометр Рисунок 1. Схема экспериментальной установки Установка состоит из каркаса, координатного механизма для перемещения микрозонда, системы стабилизированной подачи газовой смеси, лабораторного трансформатора (ЛТ), кварцевой трубки, обмотанной электрическим проводником (нагревательным элементом) и внешней асбестовой теплоизоляцией, мультиметра цифрового серии DT830 (ММ), термопары типа К (ТР-01), модифицированного квадрупольного массспектрометра Hiden HPR-60, а также микрозонда - кварцевой трубки, имеющей коническое сужение и отверстие при вершине, которая характеризуется следующими параметрами: длина - 120 мм; внешний диаметр - 6 мм; внутренний диаметр - 4 мм; внешний угол конической части - 200 ~ αкритич (экспериментально доказано); длина конической части - 12 мм; диаметр отверстия – 0,06 мм; толщина стенок вблизи отверстия – 0,06 мм; время регистрации масс-спектра анализируемой пробы - 0,33 с. Фотография установки приведена в приложении 1. Проведение эксперимента Для корректной обработки первичных экспериментальных данных необходимо знать коэффициент чувствительности прибора по каждому соединению. Поэтому, перед проведением основного эксперимента, осуществлялась калибровка по масс-спектру смесей газов известного состава. В работе использовались следующие газовые смеси: N2+O2 – воздух; CO2 +N2 – в процентном отношении 20/80; 8

Ar+CO – в процентном отношении 85/15; H2O+N2+O2 – воздух. Расчет коэффициентов чувствительности производился по формуле (4) выражением 𝑘𝑖 и вычислением мольной доли (концентрации) i-того вещества Ci : 𝑝 𝐶𝑖 = ∑ 𝑝𝑖 , 𝑗 (13) где pi - парциальное давление i-ого соединения в смеси, Σpj - сумма парциальных давлений основных соединений в смеси. Результаты калибровки представлены в таблице 1 раздела «Результаты и оценка погрешностей». Основной эксперимент заключался в следующем. Сначала производился забор микрозондом воздуха для регистрирования фонового масс-спектра. Далее, при помощи системы стабилизированной подачи газовой смеси при атмосферном давлении через силиконовую трубку поступала смесь N2 + CO2 (в процентном соотношении 80/20). Газ, при нормальной температуре, забирался микрозондом, за счет сильного перепада давления после прохождения конической части пробоотборника (с 1 атмосферы до ~3÷7 torr) адиабатически расширялся и ускорялся до скорости порядка скорости звука, с последующей регистрацией его масс-спектра. Следующим этапом эксперимента являлось пропускание смеси через кварцевую трубку с намотанным на нее нагревательным элементом – электрическим проводником и внешней асбестовой теплоизоляцией. После этого, газовая смесь также поступала в пробоотборник. Таким образом, достигалась регистрация масс-спектра нагретого газа. Данный эксперимент был выполнен для следующих значений температур: 298 К, 385 К, 505 К, 725 К. Следует отметить, что перед микрозондом на всех этапах эксперимента помещалась термопара, подключенная к мультиметру, для измерения температуру газа, а изменение температуры смеси, выходящей из нагревателя, достигалось регулировкой напряжения на нагревателе, подключенного к лабораторному трансформатору. Впоследствии, проводилась обработка полученных экспериментальных данных, и по полученным из масс-спектров давлениям, по формуле (12), вычислялись температуры входящего в пробоотборник газа. Калибровочные температурные коэффициенты A для каждой из температур подбирались методом Монте-Карло. Полученные вычислениями и измерениями значения температур сравнивались. Результирующие графики представлены в разделе «Результаты и оценка погрешностей». 9

Достоверность и достаточная точность измерений температуры методом зондовой масс-спектрометрии подтверждаются результатами сторонних экспериментов. Они заключались в получении значений температур продуктов горения образца лесного горючего материала (ЛГМ) – отдельной хвоинки Сосны Сибирской. Прямое измерение температур проводилось термопарным методом. Дополнительно, изучалась зависимость температуры газовой смеси от расстояния между микрозондом и пламенем образца ЛГМ. Эти результаты также приведены в следующем разделе. 10

Результаты и оценка погрешностей Результаты экспериментов Соединение M0 ki H2O 18 1,5∙10-6 CO 28 1,2∙10-6 N2 14 1,1∙10-6 O2 32 9,7∙10-7 CO2 44 7,5∙10-7 Таблица 1. Калибровочные коэффициенты для расчета концентрации соединений по интенсивности пиков масс в масс-спектре элементов газовой смеси. 900000 Интенсивность пика, относит. ед. 800000 700000 600000 N2+CO2 298K 500000 N2+CO2 385K ВОЗДУХ 400000 N2+CO2 505K 300000 N2+CO2 725K 200000 100000 0 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 время, ms График 1. Зависимость интенсивности пиков масс m/e 28 (синяя линия) и m/e 44 (сиреневая линия) для воздуха и смеси N2+CO2 при различных температурах. На графике 1 хорошо видно, что при увеличении температуры падает интенсивность пиков масс в масс-спектре, что подтверждает справедливость основной формулы (12), задающей зависимость плотности, концентрации газа от его температуры. 11

770 T=Tref*K*(∑(Pi(Tref))/∑(Pi(T)))2 Измеренная температура, К 670 570 Ksumm=0,94 K(N2)=0,92 K(CO2)=1,05 N2+CO2 N2 CO2 470 370 270 270 370 470 570 670 770 Заданная температура, К График 2. Сопоставление результатов измерений и расчетов. Из графика 2 легко видеть, что линейная интерполяция с достаточно высокой точностью описывает сходство измерений и вычислений температуры. Что также доказывает правильность закона (12). 900000 800000 700000 N2, 14, 28 600000 500000 H2O, 18 400000 300000 O2, 32 200000 CO2, 44 100000 0 -100000 0 50 100 150 200 250 График 3. Изменение масс-спектра продуктов горения образца ЛГМ. На графике 3 представлены результаты регистрации масс-спектра продуктов горения образца ЛГМ. Наиболее показательно выглядит масс-спектр азота. Отлично видно, как падает интенсивность пика m/e 28 (т. е. и плотность, и концентрация и давление) при прохождении пламени около сопла на расстоянии 2 мм от пробоотборника во время горения хвоинки. Покажем падение давления в зависимости от времени на графике 4: 12

1,08E+00 9,75E-01 8,75E-01 7,75E-01 6,75E-01 5,75E-01 4,75E-01 3,75E-01 0,00E+00 5,00E+01 1,00E+02 1,50E+02 2,00E+02 2,50E+02 График 4. Зависимость суммы парциальных давлений газов от времени. 1,2 14 1 12 0,8 10 0,6 N2 CO O2 CO2 H2O s 0,4 0,2 0 18000 -0,2 8 6 4 20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000 2 0 График 5. Зависимость концентрации соединений от времени при прохождении пламени около микрозонда. На 5 графике представлена зависимость концентрации соединений (в мольных долях) при прохождении пламени образца ЛГМ около микрозонда. Обращая внимание на профили концентраций O2 и CO2, легко понять, почему они имеют такую форму. При приближении пламени к пробоотборнику, концентрация кислорода за счет окислительной поддержки процесса горения падает, а количество углекислого газа, выделяющегося при горении, возрастает. 13

Трапециобразный сигнал на графиках – это сигнал светодиода, являющегося частью системы синхронизации экспериментальных данных, показывающий положения пламени на моменты регистрации. 1400 14 T, oC thermocouple s 1200 12 1000 10 800 8 600 6 400 4 200 2 0 0 10 15 20 25 30 35 График 6. Результаты вычислений (метод пневматического зонда, синяя линия) и измерений температуры (микротермопарный метод, красная линия) при горении образца ЛГМ. Сравнение результатов вычислений и измерений температуры продуктов горения образца ЛГМ наглядно показывает применимость формулы (12) для измерения температуры с погрешностью не более ± 10 %. График 7. Трехмерный профиль температур газа в зависимости от расстояния до пламени образца ЛГМ. Температуры вычислены исследуемым методом пневматического зонда на основе данных масс-спектрометрии. 14

График 8. Трехмерный профиль температур газа в зависимости от расстояния до пламени образца ЛГМ. Температуры измерены микротермопарным методом. На трехмерных графиках 7 и 8 представлен комплексный результат исследования зависимости температуры газовой смеси от расстояния между пробоотборником и пламенем образца ЛГМ. Температуры измерены разными методами: на графике 7 – результат косвенного измерения температур методом зондовой масс-спектрометрии (вычислены по формуле (12)), а на графике 8 – результат прямого измерения температур платиновой микротермопарой. Полученные результаты хорошо согласуются. С учетом погрешности ~ ±10%, данные эксперимента с использованием исследуемого метода являются оценкой «сверху» для данных, полученных измерениями термопарой, но без учета микроколебаний температуры и ошибки, возникающей из-за пространственных неоднородностей при динамике газовой смеси. Красной чертой на фотографиях пламени образца ЛГМ, помещенных вдоль осей расстояния до фронта пламени, помечен «уровень» значения 0 для этих же осей. 15

Оценка погрешностей Оценим среднюю погрешность сохранения усредненной молярной массы для эксперимента по горению образца ЛГМ за счет химических реакций: для O2+N2 вне пламени: M = 29 г/моль; для CO2+H2O+N2 в пламени: M = 31,24 г/моль; в итоге, ошибка составляет ~ ± 7 %, что достаточно много. Оценим возможные источники погрешностей для величин в изучаемых процессах: по предыдущей оценке, M постоянна с ошибкой в ± 7 %; из-за возникновения пространственных неоднородностей, возможно увлечение исследуемой смесью газов воздуха около пробоотборника со сферы радиусом порядка 3-х диаметров отверстия сопла; так как исследуемый процесс является динамическим, то возможны существенные тепловые потери из анализируемой газовой пробы на нагревание пробоотборника. 16

Заключение В данной работе приведено системное, фундаментальное обоснование способа косвенного измерения температуры газа методом зондовой массспектрометрии. Проведен основной эксперимент и ряд калибровочных опытов, наглядно доказывающих обоснованность метода в своих границах применимости. Оценена основная погрешность, связанная с возможным изменением усредненной молярной массы, указаны другие причины возникновения отклонений от действительных значений величин. В связи с достаточно высокими значениями погрешностей требуется дальнейшая оптимизация экспериментальной и расчетной методики использованного метода. 17

Приложения Приложение 1. Экспериментальная установка. Фотография. 18

Приложение 2. Процесс горения образца ЛГМ. Фотография. Приложение 3. Профиль концентрации кислорода в зависимости от расстояния до пробоотборника. 19

Литература 1. Moore Jr. D. W. A Pneumatic Method for Measuring High-Temperature Gases //Aeronautical Engineering Review. – 1948. – Т. 7. – № 5. 2. Simmons F. S., Glawe G. E. Theory and design of a pneumatic temperature probe and experimental result obtained in a high-temperature gas stream [Technical note 3893] // NACA. – Washington, USA. – 1957. 3. Фристром Р. М., Вестенберг А. А. Структура пламени [Пер. с англ.] // М.: изд. «Металлургия». – 1969. – 364 с. 4. Hayhurst A. N., Telford N. R. Mass spectrometric sampling of ions from atmospheric pressure flames – I: Characteristics and calibration of the sampling system // Combustion and Flame Review. – 1977. – № 28. – p. 6780. 5. Korobeinichev O. P., Tereshchenko A. G., Paletsky A A., Gonchikzhapov M B., Shundrina I.K., Kataeva L.Yu., Maslennikov D.A., Naganovsky Y.K., Naian Liu. Kinetics of Pine Needles Pyrolysis, Book of abstracts of The 8th International Seminar on Flame Structure [Electronic publication] // ISBN 978-3-943685-96-1. – Berlin, Germany. – 21-24 September. 20

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв