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

Abstract

Phosphor Thermometry is a term describing an optical measurement technique for remote temperature sensing. Its working principle is based on the temperature-sensitive emission characteristics of certain ceramic substances termed thermographic phosphors. These inorganic materials can either be coated on objects for surface thermometry or be seeded into the gas phase or into liquid flows as solid particles. After optical excitation, often achieved using pulsed laser systems, the phosphor emits an extended and typically red-shifted afterglow referred to as phosphorescence. As the temperature changes, either the temporal or the spectral composition of the phosphorescence emission can be used to determine temperatures through comparison with the results of temperature calibration, carried out earlier. In many applications, temperatures both at various points and in two-dimensional fields have been characterised with a high degree of temporal and spatial resolution by use of thermographic phosphors. The combined sensitivities of different phosphors span a temperature range extending from cryogenic temperatures up to approximately 2000 K.



In the present study, the reader is introduced to the physical basis of phosphor luminescence and to utilization of the optical properties involved for temperature measurement. The thesis also examines various means of reducing measurement uncertainty in surface phosphor thermometry. This is done in a series of experimental studies concerned with the characterization and treatment of various error sources during temperature calibration, signal detection and data evaluation. A major factor considered here is that of the coating thickness. It appears to have an intrusive effect on surface temperatures in applications involving both high local and temporal thermal gradients.

The effects of instrumentation on signal detection are also investigated. The measurement accuracy was found to depend very much upon the consistency, achieved in the reproduction of the operating conditions from the temperature calibrations carried out to the experiments. This can be attributed to non-linear signal transformations that occur during detection. Even two detectors nominally identical were shown to exhibit large differences in the linearity of the signal response. Unfortunately, the linear workspace of many detectors is confined to very low signal values, the measurement precision being comparably poor due to the low signal-to-noise ratios involved. In order to improve the measurement precision without reducing the accuracy of the results, higher signal levels could be accessed through measures to compensate for detector-specific non-linearities. The signal responses to variations in operating conditions of several different point detectors and imaging devices were characterized, providing a basis for effective means of signal correction.

Interest in uncertainty reduction here also led to the investigation of means of signal processing enhancement. Temperature sensitivity was found to be a quantity which is not determined exclusively by the phosphor itself, it is also depending on the operator's choice of conditions for detection and evaluation. For evaluation schemes based on temporal decay transients, the proper choice of a time window for evaluation was found to play an important role.

Finally, the versatility of phosphor thermometry as applied to surfaces was demonstrated in several industry-relevant applications, including a car engine, an aircraft turbine and a large-bore two-stroke diesel engine for marine vessels.

Abstract (Swedish)

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.

• author: Knappe, Christoph
• supervisor: Mattias Richter
• opponent: Dr. Eldrige, Jeffrey I., NASA Glenn Research Center, MS 6-1, 21000 Brookpark Rd., Cleveland, OH 44135 U.S.A.
• organization: Combustion Physics
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Coating Thickness, Temperature Calibration, Two-Colour Ratio, Lifetime Decay, Thermometry, Thermographic Phosphor, Laser Combustion Diagnostics, Laser-Induced Phosphorescence, Non-Linearity, ICCD, PMT, Signal Processing Algorithms, Fysicumarkivet A:2013:Knappe
• in: Lund Reports on Combustion Physics
• volume: LRCP-169
• pages: 308 pages
• defense location: Lecture hall Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering.
• defense date: 2013-10-25 10:15:00
• ISSN: 1102-8718
• ISBN: 978-91-7473-616-8
• ISBN: 978-91-7473-615-1 (print)
• language: English
• LU publication?: yes
• id: cc23fc4d-9dce-4202-af54-79b5ddf38dcb (old id 4022201)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:24:06
• date last changed: 2023-04-18 18:54:27