Способ измерения полей температуры на поверхности исследуемого объекта с помощью люминесцентных преобразователей температуры (ЛПТ)
METHOD OF MEASURING TEMPERATURE FIELDS ON SURFACE OF INVESTIGATED OBJECT USING LUMINESCENT TEMPERATURE CONVERTERS (LTC)

Предложенное техническое решение относится к люминесцентным композициям, люминесцирующие свойства которых используют для измерения температуры поверхности исследуемого объекта, на которые они нанесены тонким прозрачным слоем и включает цифровую визуализацию процессов с помощью устройств регистрации изображений, сформированных с помощью излучения. Такие устройства относятся к средствам регистрации оптических изображений и могут быть использованы в системах скоростной цифровой съемки для исследования быстропротекающих процессов, когда изображение объекта исследования формируют с помощью различных видов излучений.
Известен метод призменного делителя изображений при измерении распределения давления методом двухцветных люминесцентных преобразователей (ЛПД), описанный в журнале Приборы и техника эксперимента, 2001, №1, С. 149 /1/. Описан призменный делитель изображений, обеспечивающий одновременную регистрацию двух спектрально-разделенных изображений с помощью одной цифровой камеры. Суть метода заключается в том, что поверхность модели покрывается чувствительной к давлению краской - люминесцентным преобразователем давления. При испытаниях модели исследуемую поверхность освещают возбуждающим люминофор ультрафиолетовым излучением и регистрируют с помощью средств цифровой видеотехники распределение интенсивности люминесценции. Из полученных видеоизображений методом цифровой обработки получают искомое распределение давления. Данный метод предназначен исключительно для измерения давления.
Известен метод люминесцентных преобразователей температуры (ЛПТ), описанный в журнале Ученые записки ЦАГИ, Том XXXVIII, 2007, №1-2, с. 94 /2/, который использовался для измерения давления на поверхности объекта. Модель также покрывается слоем измерительной люминесцентной краски на основе европия и кумаринового красителя. Интенсивность люминесценции ЛПТ-покрытия при освещении возбуждающим излучением зависит от температуры и не зависит от давления. Импульсное освещение позволяет измерять мгновенное распределение температуры окрашенной поверхности в потоке. Для этого необходимо зарегистрировать (например, с помощью п.з.с.-камеры) два распределения интенсивности ЛПТ-покрытия: одно - в потоке на исследуемом режиме (рабочее), другое - при известной температуре без потока (опорное). Отношение интенсивностей рабочего и опорного изображений определяется только температурой.
Недостатком метода является необходимость использования мощного импульсного ультрафиолетового источника света для возбуждения люминесценции, что делает метод технически сложным.
За прототип выбран способ для измерения температуры по соотношению интенсивностей люминесценции в спектральных интервалах, описанный в статье Lavieille Р. и др. Evaporating and combusting droplet temperature measurements using two-color laser-induced fluorescence // Exp. Fluids. 2001. T. 31. С. 45-55 /3/.
В статье предлагается новая технология, позволяющая с помощью лазерно-индуцированной люминесценции выполнять измерения температуры испаряющихся и сгорающих капель, основанная на изменении спектра люминесценции вещества (родамина) от изменения температуры. Целью работы было исследование процесса горения спрея из жидкости, состоящей из этилового спирта с низкой концентрацией родамина В. Капли облучают аргоновым лазером с длиной волны излучения 514 нм, тем самым возбуждают люминесценцию родамина. По результатам измерений спектр люминесценции родамина зависит от температуры: в области 525-545 нм интенсивность люминесценции от температуры зависит слабо; в области 570-670 нм с ростом температуры интенсивность падает на 3% на градус К. Таким образом, по соотношению интенсивностей люминесценции в этих спектральных интервалах можно определять температуру жидкости. С помощью оптической системы направляют излучение люминесценции капель на два фотоэлектронных умножителя (ФЭУ): перед одним стоит интерференционный фильтр, пропускающий свет в диапазоне 520-540 нм; перед вторым - пропускающий свет с длиной волны больше 590 нм. Разделив сигнал, измеренный первым ФЭУ, на сигнал, измеренный вторым ФЭУ, измеряют температуру капли во время сгорания.
Недостатком прототипа можно считать то, что данный метод можно использовать только для измерения температуры жидкости. Данная оптическая система не позволяет определять распределение температур, а проводит измерение только в одной точке.
Для определения распределения температуры по поверхности исследуемого объекта можно использовать люминесцирующие покрытия, содержащие в своей композиции данный люминесцентный краситель (родамин) в полимерной матрице. Из уровня техники известны различные люминесцирующие покрытия и способы их нанесения.
3
2
Известен способ получения прозрачной пленки, описанный в патенте WO 2008/110567, «Photovoltaic modules with improved quantum efficiency» /4/, который выбран прототипом люминесцирующего покрытия. По данному способу прозрачная пленка входит в состав фотоэлектрического модуля в качестве структурного элемента и/или защитного слоя и предназначена для преобразования падающего электромагнитного излучения с помощью люминесцентного материала, который поглощает падающий свет в спектральном диапазоне от 300 до 500 нм, предпочтительно при 400 нм, где фотоэлектрический модуль имеет низкое значение внешней квантовой эффективности, и вторично излучает в спектральном диапазоне от 400 до 700 нм, где ФЭП имеет высокое значение внешней квантовой эффективности. Люминесцентный материал содержит хотя бы одно из следующих веществ: органический люминесцентный материал, предпочтительно родамин, кумарин, рубрен (ru-brine), краситель для лазеров (laser dye), AIq, TPD, GaqCI; периленовый краситель, и др. Для образования на поверхности ФЭП слоя (пленки), содержащего люминесцентный материал, используется метод термического ламинирования с применением различных полимерных материалов на основе поливинилацетатных, полиакрилатных и полиэпоксидных матриц.
Данное изобретение не предназначено для измерения температуры, в них используются различные люминесцирующие красители, а не только родамин. Как меняются их свойства и при изменении температуры и возможно ли использовать двухцветную систему регистрации из прототипа для подобного типа покрытий неизвестно.
Для люминесцентной визуализации распределения температур, необходима одновременная запись двух изображений в двух спектральных интервалах. Из уровня техники известно множество систем, позволяющих это сделать.
Задачей изобретения является получение качественных результатов измерений температуры с помощью создания люминесцирующего прозрачного покрытия на поверхности исследуемого объекта.
п1
п2
p1
p2
p1
p2
п1
п2
p1
p2
п1
п2
p1
p2
п1
п2
Поставленная задача выполняется благодаря тому, что способ измерения полей температуры на поверхности исследуемого объекта с помощью люминесцентных преобразователей температуры (ЛПТ) включает нанесение на исследуемую поверхность тонкого слоя покрытия люминесцирующего при освещении возбуждающим излучением, интенсивность люминесценции которого зависит от температуры. Люминесцирующее покрытие для измерения распределения температуры по поверхности исследуемого объекта, включает родамин и оптически прозрачный полимер. Согласно изобретению покрытие выполнено на основе полимерной композиции, имеющей в своем составе нитролак или полиуретановый лак, смешанный при комнатной температуре до образования однородной массы с родамином и люминесцирующим пигментом, при этом пигмент не взаимодействует с родамином и интенсивность люминесценции его не зависит от температуры поверхности исследуемого объекта, а спектральный диапазон люминесценции пигмента, лежащий в пределах длин волн λ-λ, отличается от спектрального диапазона люминесценции смешанного с полимером родамина, лежащего в пределах длин волн λ-λ. В качестве полимерной композиции используют нитролак или полиуретановый лак, в качестве пигмента использовали зеленый люминесцентный краситель для художественных красок, полученный путем растворения пигмента из акриловых красок производства «ЗАО Завод художественных красок «Невская палитра» в спирте. В качестве пигмента возможно использовать и другие красители, нечувствительные к температуре. Для измерения распределения температуры по поверхности исследуемого объекта на поверхность исследуемого объекта наносят люминесцирующее покрытие с определенными (присущие ему) калибровочными данными - зависимостью отношения интенсивностей флуоресценции родамина и выбранного (опорного) пигмента от температуры в данной полимерной композиции, и сушат при нормальных условиях до образования тонкой полимерной пленки. На покрытие воздействуют возбуждающим люминесценцию излучением и с помощью оптической системы одновременной регистрации и компьютерной обработки получают два цифровых изображения исследуемого объекта: первое с помощью оптического фильтра, пропускающего излучение в спектральной полосе, соответствующей излучению родамина λ-λ, второе - с помощью оптического фильтра, пропускающего излучение в спектральной полосе, соответствующей полосе излучения люминесцирующего пигмента λ-λ. Можно использовать любую другую оптическую систему, позволяющую с помощью подходящего метода цифровой (компьютерной) обработки получить отношения интенсивностей флуоресценции родамина и опорного люминофора для каждого пикселя изображения. При использовании в качестве опорного пигмента зеленого пигмента для художественных красок, поскольку λ-λ и λ-λ не перекрываются, компьютерная обработка заключается в следующем: интенсивность для изображения в первой спектральной полосе попиксельно (в каждой точке поверхности) делится на интенсивность для изображения во второй спектральной полосе; затем по результату деления и с учетом калибровочных данных - зависимости отношения интенсивности люминесценции в спектральном интервале родамина λ-λ к интенсивности люминесценции в спектральном интервале пигмента λ-λ от температуры, устанавливают распределение температуры в каждой точке поверхности объекта.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в простоте измерения полей температуры исследуемого объекта с помощью люминесцирующего покрытия.
На фиг. 1 изображены спектры люминесценции нитролака, смешанного с родамином, нанесенного на медную поверхность и высушенного при температурах 25°С и 50°С.
На фиг. 2 изображены спектры люминесценции нитролака, смешанного с родамином и зеленым люминесцентным пигментом, нанесенного на медную поверхность и высушенного при температурах 25°С и 40°С.
На фиг. 3 градациями серого изображено распределение температуры по поверхности затупленного конуса, полученные в аэродинамическом эксперименте в разные моменты времени.
Способ измерения полей температуры на поверхности исследуемого объекта с помощью люминесцентных преобразователей температуры (ЛПТ) осуществляется следующим образом. Изготавливают люминесцирующее полимерное покрытие, в качестве чувствительного к температуре люминофора в нем используют родамин. Родамин хорошо окрашивает практически любую поверхность, однако при высыхании, как правило, практически перестает люминесцировать. Его можно смешать с буферной средой, формирующей устойчивое оптически прозрачное покрытие после высыхания. При этом поведение родамина может различаться, в зависимости от среды. При смешивании, например, с ПВА, акриловым лаком после высыхания родамин также практически не люминесцирует. При смешивании с нитролаком или с полиуретановым лаком получающееся покрытие способно сильно люминесцировать под воздействием возбуждающего излучения. Возбуждающее излучение для родамина может быть любым с длиной волны менее 560 нм и выбирается из соображений удобства и эффективности. Для возбуждения люминесценции в эксперименте был использован синий светодиод с полосовым светофильтром (полоса пропускания 450-470 нм). При этом спектр люминесценции зависит от среды, в которой находится родамин: в прототипе максимум излучения растворенного в спирте родамина приходится на 570 нм, у используемого полимерного покрытия - на 600 нм. Температурная зависимость сохраняется, чем выше температура, тем ниже основной пик (см. фиг. 1). Однако для измерения температуры поверхности исследуемого объекта использовать абсолютный уровень интенсивности излучения затруднительно, так как на результат будут влиять: колебания яркости источника возбуждающего излучения, геометрия оптической системы, толщина нанесения слоя полученного люминесцирующего покрытия. При этом наблюдается аналогичный с прототипом эффект: в области 550-560 нм интенсивность люминесценции от температуры не зависит, ее можно использовать в качестве опорного сигнала. Можно также проводить измерения в двух спектральных полосах: результат деления сигналов будет зависеть только от температуры, влияние всех прочих факторов будет одинаково и при делении даст 1.
п1
п2
p1
p2
p1
p2
п1
п2
p1
p2
п1
п2
Однако интенсивность люминесценции в независящем от температуры регионе спектра мала. Чтобы увеличить опорный сигнал, помимо родамина в лак добавляют дополнительный люминофор (опорный). Люминесцирующее покрытие выполняют из оптически прозрачной жидкой полимерной композиции, имеющей в своем составе нитролак или полиуретановый лак, смешанный при нормальных условиях до образования однородной массы с родамином В(С) и, как пример, опорный люминофор - зеленый пигмент для художественных красок, полученный путем растворения пигмента из акриловых красок производства «ЗАО Завод художественных красок «Невская палитра» в спирте, люминесценция которого также эффективно возбуждается излучением использованного светодиода. В результате в спектре люминесценции полимерной композиции наблюдаются два пика: первый - на длине волны 510 нм, определяющийся люминесценцией зеленого пигмента, от температуры не зависит; второй - на длине волны 600 нм, определяющийся люминесценцией родамина, который снижается при увеличении температуры на поверхности объекта (см. фиг. 2). Можно использовать любой пигмент, который химически не взаимодействует с родамином, не влияет на его флуоресценцию и интенсивность люминесценции которого не зависит от температуры поверхности исследуемого объекта, а диапазон спектра люминесценции пигмента λ-λ, отличается от диапазона люминесценции родамина λ-λ. При этом следует выбирать источник излучения, эффективно возбуждающий флуоресценцию как родамина так и используемого пигмента. Данный эффект можно использовать для измерения распределения температуры по поверхности исследуемого объекта. После нанесения на поверхность люминесцирующего покрытия его сушат при нормальных комнатных условиях до образования тонкой полимерной пленки и воздействуют возбуждающим люминесценцию излучением, например излучением синего светодиода. После высыхания покрытия, родамин способен люминесцировать в спектральном диапазоне λ-λ (580-620 нм при использовании полиуретанового лака); а люминесцирующий пигмент в диапазоне λ-λ (480-550 нм для зеленого люминесцирующего пигмента для художественных красок). Для полученного люминесцирующего покрытия в высохшем состоянии строится калибровочная кривая - зависимость отношения интенсивности люминесценции в спектральном интервале родамина λ-λ к интенсивности люминесценции в спектральном интервале пигмента λ-λ от температуры (см. фиг. 2).
p1
p2
п1
п2
Для визуализации процессов, происходящих на поверхности исследуемого объекта, используют известную оптическую систему (см. Приборы и техника эксперимента, 2001, №1, С. 149). Одновременно регистрируют два цифровых изображения объекта - с помощью оптического фильтра, пропускающего излучение в спектральной полосе, соответствующей излучению родамина λ-λ, и с помощью оптического фильтра, пропускающего излучение в спектральной полосе, соответствующей полосе излучения люминесцирующего пигмента λ-λ, интенсивность для изображения в первой спектральной полосе попиксельно (в каждой точке поверхности) делится на интенсивность для изображения во второй спектральной полосе, по результату деления и калибровочной кривой устанавливается распределение температуры по всей поверхности объекта (см. фиг. 3).
Технический эффект заключается в том, что вычисленное отношение интенсивностей не зависит от яркости выбранного возбуждающего люминесценцию источника, толщины нанесения слоя лака, геометрических характеристик объекта исследования.
Техническим результатом изобретения является возможность одновременного контроля температуры в непрерывном режиме по всей поверхности объекта или выборочно на конкретном участке исследуемого объекта и повышение достоверности результата визуального контроля температуры на исследуемой поверхности.
Источники информации
1. Кулеш В.П. и др. Использование призменного делителя изображений при измерении распределения давления методом двухцветных люминесцентных преобразователей // Приборы и техника эксперимента. - 2001. - №1. - С. 149.
2. Мошаров В.Е. и др. Измерение полей тепловых потоков в трубах кратковременного действия с помощью люминесцентных преобразователей температуры // Ученые записки ЦАГИ. - 2007. - Т. 38. - №. 1-2. - С. 94-101.
3. Lavieille Р. и др. Evaporating and combusting droplet temperature measurements using two-color laser-induced fluorescence // Exp. Fluids. - 2001. - T. 31. - C. 45-55. – прототип.
4. Патент WO 2008/110567, МПК C09K 11/00, 2008 г.