Laser-Induced Phosphor Thermometry

173 Pages·2012·17.78 MB·English

Laser-Induced Phosphor Thermometry - Feasibility and Precision in Combustion
Applications
Lindén, Johannes
2012
Link to publication
Citation for published version (APA):
Lindén, J. (2012). Laser-Induced Phosphor Thermometry - Feasibility and Precision in Combustion Applications.
[Doctoral Thesis (compilation), Combustion Physics].
Total number of authors:
1
General rights
Unless other specific re-use rights are stated the following general rights apply:
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors
and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the
legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study
or research.
• You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal
Read more about Creative commons licenses: https://creativecommons.org/licenses/
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove
access to the work immediately and investigate your claim.
LUND UNIVERSITY
PO Box 117
221 00 Lund
[phone]
Laser-Induced Phosphor Thermometry
Feasibility and precision in combustion applications

Johannes Lindén
Copyright © Johannes Lindén

Lund Report on Combustion Physics, LRCP-154
ISBN 978-91-7473-361-7
ISSN 1102-8718
ISRN LUTFD2/TFCP-154-SE

Printed in Sweden by Media-Tryck, Lund University
Lund 2012
Till Magda och Elvy
Contents

Abstract vii
Populärvetenskaplig sammanfattning ix
List of papers xii
1 Introduction 1
2 Temperature Measurements 5
2.1 History 5
2.2 Thermocouples 6
2.3 Infrared thermometry 7
2.4 Phosphor thermometry 9
3 Thermographic Phosphors 11
3.1 History and Terminology 11
3.2 Fundamentals of Phosphors 12
3.3 Temperature Properties 13
4 Laser-Induced Phosphor Thermometry 21
4.1 Laser diagnostics 21
4.2 Point measurements 22
4.3 Two-dimensional surface measurements 24
4.4 Detectors 28
4.4.1 Point detectors 28
4.4.2 2D detectors 29
iv
5 Results 33
5.1 Free-flow measurements 33
5.1.1 Potential heating by laser 34
5.1.2 Obstructing optical access 35
5.1.3 Relaxation time for achieving local thermal equilibrium 37
5.2 Thickness of coating 38
5.3 Non-linear features 40
5.3.1 Point detectors 40
5.3.2 2D detectors 44
5.4 Precision 50
6 Summary & Outlook 59
Acknowledgements 61
References 63
Summary of Papers 69

v

Abstract
Temperature is one of the most fundamental parameters to be measured in many
research disciplines. In combustion science, a thorough knowledge of temperature is
essential for improving and optimizing combustion processes. Increasingly strict
environmental legislation, greater demands for energy, and efforts to reduce
dependence upon fossil fuels are forcing the combustion industry to obtain more
adequate knowledge of combustion processes generally.
Laser Induced Phosphorescence (LIP) can serve as a tool for measuring
temperature. It utilizes the temperature-dependent properties of the phosphorescence
emitted by inorganic luminescent materials referred to as thermographic phosphors,
after these have been illuminated by laser radiation. Either point- or two-dimensional
measurements are usually performed by the use of either the temporal or the spectral
temperature-dependent properties involved. The technique has many advantages.
When used wisely it can be close to non-intrusive, offers remote sensing capabilities,
and allows a high degree of temporal resolution, accuracy and precision to be
obtained.
The phosphor is usually applied to a surface either as a point or covering some
area. The phosphorescence is detected using either a point light detector, such as a
photomultiplier tube (PMT), or an image detector, such as a CCD camera. By
seeding phosphor particles in free flow it is also possible to perform temperature
measurements in gaseous media.
In the present thesis, temperature measurements using laser-induced
phosphorescence will be described and certain limitations of it will be addressed.
Since the phosphor is applied to a surface as a very thin layer, the measurements
performed are often considered non-intrusive. However, in situations in which the
temperature changes very rapidly, such as in a combustion engine, and large
temperature gradients are present for short periods of time, a relevant question to ask
is whether the temperature of the phosphor agrees with the temperature it is intended
to measure. One can also ask whether the phosphor layer acts as an insulator, making
the measurements indeed intrusive. These are questions investigated in the thesis. At
the same time, the technique is quite susceptible to small systematic errors if
measurements of high precision and accuracy are to be performed. The technique also
requires highly stable detectors in order for correct temperature values to be obtained.
In the thesis, the characteristics of different detectors, both for point- and for 2D
measurement, are investigated in terms of non-linear features and saturation effects.
vii
Also the precision of the technique, and how this is related to the spatial resolution
achieved, are investigated. In addition, the suitability of the technique for
measurements in gaseous media is investigated in terms of the laser heating of the
phosphor particles and the relaxation time required for thermal equilibrium to be
achieved.
viii
Populärvetenskaplig sammanfattning
80 % av den globala energi som används härrör från fossila bränslen. Ytterligare 10 %
baseras på förbränning av någon form av förnyelsebart bränsle. Således är 90 % av vår
energianvändning beroende av någon typ av förbränning, oavsett det rör sig om
förbränning av olja, kol, gas eller biomassa. I en tid då priset på olja ständigt slår nya
rekord, lagstiftningen kring miljöutsläpp blir alltmer strikt samtidigt som efterfrågan
på energi bara växer, är det av största intresse att öka kunskapen om förbränning i alla
dess former. Detta för att effektivisera och optimera de förbränningsprocesser som
redan finns, men också för att hitta nya och bättre sätt att genomföra förbränning.
För att öka kunskaperna om förbränning behöver man mäta. Förbrännings-
processer är dock mycket komplicerade på så sätt att de involverar många olika
kemiska ämnen och reaktionen. De är också vanligtvis mycket snabba, t.ex. sker det, i
en vanlig bilmotorcylinder, 1000 explosionsliknande förbränningsprocesser per
sekund, var och en inte längre än några millisekunder.
Med hjälp av laserbaserad förbränningsdiagnostik kan man mäta många olika
parametrar under mycket korta tidsförlopp. De lasrar som används är pulsade, vilket
innebär att de ungefär 10 gånger per sekund skjuter extremt korta laserpulser
(omkring 10 nanosekunder, dvs. 10 miljarddels sekund). Under den korta
tidsperioden kan en förbränningsprocess i princip betraktas som ”stillastående”.
Laserljuset belyser de molekyler man vill studera, antingen format som en stråle eller
som ett ark, och det ljuset som molekylen sprider detekteras med någon form av
detektor. Med hjälp av specialbyggda motorer, delvis byggda av glas, är det möjlig att
nå in med laserljuset och att detektera det ljus som sänds ut (s.k. optiskt access). På så
sätt kan man mäta många olika parametrar så som temperatur, tryck, flödeshastigeter
samt ämneskoncentrationer, i punkter 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 så som blandning och bränsleförångning.
En stor fördel med laserbaserade förbränningsdiagnostik är att man kan mäta i
stort sett beröringsfritt (eng. non-intrusive); att molekyler belyses med laserljus
påverkar inte kemin i förbränningsprocessen. På så vis kan man mäta realistiskt i
annars besvärliga och svåråtkomliga miljöer som inuti motorer, gasturbiner och
förbränningsugnar.
Naturligtvis finns det även nackdelar men tekniken. Den utrustning som
används är vanligtvis relativt dyr och kräver ofta specialiserad personal och den
ix