Question:
Longueur d'onde de crête du spectre d'émission d'une flamme par rapport à la température réelle de la flamme
Koatsen
2016-01-07 11:45:42 UTC
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Je regarde un test en laboratoire de deux variantes de gaz d'hydrocarbures mixtes (57,8% $ H_2 $, 16,9% $ N_2 $, 12,4% $ CH_4 $, 1,11% de vapeur d'eau et 11,8% de gaz "inconnus") brûlant en oxygène qui présente un spectre d'émission discontinu. Les auteurs affirment que puisque leur graphique montre une longueur d'onde de crête à 471 nm, le gaz a donc une température de flamme de crête à 6132 K / 5859 ° C / 10578 ° F selon la loi de déplacement de Wien, qui est absurdement supérieure à la température de flamme adiabatique de tout gaz hydrocarboné connu.

Maintenant, je sais que les pointes affichées correspondent aux bandes $ C_2 $ et $ CH $ Swan. Quelqu'un peut-il expliquer en détail pourquoi ce n'est pas une mesure précise de la température de la flamme?

Je devrais également mentionner que le graphique ne varie que de 200 nm à 1100 nm, et qu'ils ont ajusté le spectre d'émission à un courbe du corps noir. La longueur d'onde de crête pourrait-elle réellement être plus loin dans le spectre infrarouge? Est-ce que l'adaptation du spectre d'émission à une courbe de corps noir est même appropriée pour un émetteur non-noir tel qu'une flamme?

First gas derived from crude oil

Second gas variant derived from ethylene glycol

Votre scepticisme semble très fondé. Wikipedia a "une flamme d'acétylène / oxygène brûle à environ 3773 K" papier?
http://www.magnegas.com/docs/MG-Flame-report.pdf
Je soupçonne que les auteurs ont choisi un pic arbitraire et l'ont ajusté à ce point. Il n'y a aucune justification ou équation qu'ils ont utilisée pour justifier cette action.
Je ne suis pas un expert de la mesure des températures de flamme, mais la méthode utilisée semble totalement erronée. Vous n'adaptez pas la courbe à l'ensemble des spectres, mais prenez plutôt des mesures d'arrière-plan (c'est-à-dire pas sur un pic) du côté haute énergie et extrapolez à une intensité nulle. Du moins, c'est ce que j'ai fait pour la fluorescence X et cela a bien fonctionné.
Un autre problème possible est peut-être qu'ils confondent la "température de flamme" avec la "température de couleur" en raison des lignes d'émission qui, je pense, sont plus probables. Ce n'est pas parce qu'une flamme bleue est bleue qu'elle brûle plus de 6000 K.
@MaxW J'ai du mal à essayer d'expliquer tout cela dans ma tête puisque je ne suis pas un expert des flammes moi-même, mais je trouve toujours cela dégoûtant et bâclé pour un laboratoire sérieux de présenter des données comme celle-ci.
Je ne suis pas un expert, mais vous devez sûrement * exclure * les lignes d'émission fortes avant de procéder au montage (il ne semble pas qu'elles aient fait cela). Même dans ce cas, il semble exagéré de supposer que le reste de l'émission est un corps noir (ce qui est la seule chose pour laquelle un ajustement de courbe d'émission aurait du sens).
Deux réponses:
uhoh
2016-03-08 05:19:26 UTC
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Il semble y avoir un certain nombre de problèmes ici.

  1. Les spectromètres doivent être calibrés en intensité sur une base d'onde par longueur d'onde. Chaque partie du système a une efficacité qui peut varier avec la longueur d'onde, mais la réponse du réseau a tendance à être l'une des plus fortes. Voici un exemple aléatoire de courbe d'efficacité de réseau d'un catalogue Thorlabs:

Thorlabs grating efficiency example

Vous pouvez voir tout de suite qu'un La courbe d'efficacité du réseau peut imposer sa forme sur le spectre mesuré, générant une forme superficiellement similaire à un corps noir, mais totalement instrumentale. Sans étalonnage pour l'efficacité, vous avez juste le nombre ADC par rapport aux données brutes de longueur d'onde!

  1. L'ajustement d'une forme de planche doit être fait au spectre sans ignorer les pics. En d'autres termes, un bon programme d'ajustement s'adaptera à la forme que vous recherchez (Plank) PLUS adapter les pics en même temps. Et n'oubliez pas de calibrer d'abord l'intensité (voir 1.)!

a fake spectrum

  1. "L'adaptation du spectre d'émission à une courbe de corps noir est-elle même appropriée pour un émetteur non-noir comme une flamme?" Probablement pas à moins que vous ne sachiez vraiment ce que vous faites. Les flammes sont belles et compliquées. Il y a une émission thermique du gaz en plus des pics, mais l'émission de type corps noir des particules de suie chaudes est plus forte. Comme il y aura une distribution des températures dans le volume 3D d'une flamme, vous avez un spectre enregistré à partir d'une fraction significative du volume de la flamme qui comprendra une variété de spectres de planches correspondant à différentes températures.

La réponse est donc: vous devez effectuer l'ajustement, supprimer les pics en les ajustant simultanément, et plus important encore, vous devez calibrer l'intensité du spectromètre, car les courbes d'efficacité du réseau ressemblent étrangement à une planche, bien qu'elles tombent à zéro beaucoup plus rapidement au-dessus. et en dessous de leur gamme de longueurs d'onde utiles. Il faut également prendre en compte le volume de l'échantillon de la flamme et savoir s'il s'agit ou non d'une véritable émission de corps noir.

Ces valeurs de «crête» sont plus proches des longueurs d'onde d'efficacité de crête du spectromètre, et non vraiment lié à la loi de déplacement de Wein!

MaxW
2016-01-08 04:00:36 UTC
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J'ai calculé un petit tableau de valeurs en utilisant la formule de la loi de Wien: $$ \ lambda_ {max, nm} = \ dfrac {2898000} {T} $$ où T est la température en Kelvin et la longueur d'onde est en nanomètres .

Je ne peux pas réconcilier mon tableau, le graphique, ni la température calculée. Pour le graphique du haut, il semble que la coupure soit quelque chose comme 350 nm, ce qui serait approximativement 8250 Kelvin, ce qui est beaucoup plus grand que 6132 Kelvin que les auteurs ont cité, et beaucoup plus chaud qu'une flamme d'acétylène / oxygène ($ \ environ 3773 K $). 

  T (Kelvin) W (max) en nanomètres 2000 1449 2250 1288 2500 1159 2750 1054 3000966 3250892 3500828 3750773 4000725 4250682 4500644 4750610 5000580 5250552 5500527 5750504 6000483 6250464 6500446 6750429 7000414 7250400 7500386 7750374 8000362 8250351 8500341 8750331 9000322 9250313 9500305 9750297
C'est Ref. 1 utilisé dans le rapport: http: //www.tempe.mi.cnr.it/zizak/tutorial/cairol06-flame-emission.pdfFig. 7 montre "Spectre d'émission d'une riche flamme pré-mélangée butane-air". Par la logique de l'ajustement à une courbe du corps noir, alors la température maximale de la flamme du butane-air devient 9500 K, ce qui n'est certainement pas la température réelle de la flamme. Je pense que mon affirmation sur la confusion entre «température de couleur» et «température de flamme» est probablement correcte.
L'absence de gaz de contrôle dans les tests comme le butane ou l'acétylène rend difficile l'acceptation de leurs résultats. Ils ont référencé un spectre de butane hors de Wikipédia et il est presque identique au deuxième graphique que j'ai publié.
Commentaire révisé: j'ajouterais que 350 nm environ se rapproche probablement de la coupure UV pour l'air. L'oxygène dans l'air absorbera les UV à ondes courtes, de sorte qu'un rayonnement UV inférieur à 350 serait rapidement atténué par l'air.
Les auteurs ont déclaré que leur spectromètre n'était pas assez sensible pour détecter les émissions dans la gamme UV. Remarquez que le spectromètre Ocean Optics HR2000 est le même modèle que j'ai utilisé lorsque j'ai pris des cours d'introduction à la physique et à la chimie pour analyser les spectres des tubes à décharge. On pourrait penser qu'un laboratoire d'optique dédié aurait accès à un meilleur équipement. J'ai également trouvé différentes configurations expérimentales pour mesurer les températures de flamme, mais aucune d'entre elles n'impliquait l'utilisation d'un seul spectromètre.
Je suis vraiment perplexe quant à la raison pour laquelle les premiers spectres semblent se couper à environ 350 nm. Environ 8200K semble bien trop chaud. Si vous essayez de rechercher la longueur d'onde minimale, alors que vous passez du visible aux UV, vous devrez considérer l'optique du détecteur ainsi que le problème d'absorption d'air.
Moi aussi, malheureusement. "Combustion Measurements" de Norman Chigler propose plusieurs méthodes de mesure de la température: https://books.google.com/books?id=aZGBBs7moYgC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false
La luminosité de fond (pas sur une "ligne" spectrale) d'une flamme est-elle vraiment un rayonnement corporel noir?!?


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