Termometría de fósforo

La termometría de fósforo es un método óptico para medir la temperatura de la superficie. El método aprovecha la luminiscencia emitida por el material de fósforo . Los fósforos son polvos inorgánicos finos de color blanco o de color pastel que pueden ser estimulados por cualquiera de una variedad de medios para luminiscer, es decir, emitir luz. Ciertas características de la luz emitida cambian con la temperatura, incluido el brillo, el color y la duración del resplandor. Este último se utiliza más comúnmente para medir la temperatura.

Historia

La primera mención de la medición de temperatura utilizando fósforo se encuentra en dos patentes presentadas originalmente en 1932 por Paul Neubert. ^[1]

Dependencia del tiempo de la luminiscencia.

Diferencia de fase entre salida de LED y luminiscencia.

Normalmente, una lámpara ultravioleta de corta duración o una fuente láser ilumina el revestimiento de fósforo que a su vez se ilumina visiblemente. Cuando cesa la fuente luminosa, la luminiscencia persistirá durante un tiempo característico, disminuyendo constantemente. El tiempo necesario para que el brillo disminuya a 1/e de su valor original se conoce como tiempo de caída o vida útil y se indica como . Es función de la temperatura, T. ${\displaystyle \tau }$

La intensidad I de la luminiscencia comúnmente decae exponencialmente como :

${\displaystyle \!\,I=I_{o}e^{\frac {-t}{\tau }}}$

Donde I ₀ es la intensidad (o amplitud) inicial. La 't' es el tiempo y es un parámetro que puede depender de la temperatura. ${\displaystyle \tau }$

Se ha demostrado que un sensor de temperatura basado en la medición directa del tiempo de desintegración alcanza una temperatura de 1000 a 1600 °C. ^[2] En ese trabajo, se cultivó fósforo YAG dopado sobre una fibra YAG no dopada para formar una estructura monolítica para la sonda, y se utilizó un láser como fuente de excitación. Posteriormente, se realizaron otras versiones que utilizaban LED como fuente de excitación. Estos dispositivos pueden medir temperaturas de hasta 1000 °C y se utilizan en aplicaciones de procesamiento de plasma y microondas. ^[3]

Si la fuente de excitación es periódica en lugar de pulsada, entonces la respuesta temporal de la luminiscencia es correspondientemente diferente. Por ejemplo, existe una diferencia de fase entre una señal de diodo emisor de luz (LED) de frecuencia f que varía sinusoidalmente y la fluorescencia resultante (ver figura). La diferencia de fase varía con el tiempo de desintegración y, por tanto, con la temperatura como:

${\displaystyle \!\,\phi =tan(2{\pi }f{\tau })}$

Dependencia de la temperatura de las líneas de emisión: relación de intensidad

El segundo método de detección de temperatura se basa en relaciones de intensidad de dos líneas de emisión separadas; el cambio en la temperatura del recubrimiento se refleja en el cambio del espectro de fosforescencia. ^{[4] [5]} Este método permite medir las distribuciones de temperatura de la superficie. ^[6] El método de relación de intensidad tiene la ventaja de que la óptica contaminada tiene poco efecto en la medición al comparar relaciones entre líneas de emisión. Las líneas de emisión se ven igualmente afectadas por superficies u ópticas "sucias".

Dependencia de la temperatura

Varias observaciones son pertinentes para la figura de la derecha:

• Los materiales de oxisulfuro exhiben varias líneas de emisión diferentes, cada una con una dependencia diferente de la temperatura. La sustitución de una tierra rara por otra, en este caso cambiando La por Gd, cambia la dependencia de la temperatura.
• El material YAG:Cr (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ :Cr ³⁺ ) muestra menos sensibilidad pero cubre un rango de temperatura más amplio que los materiales más sensibles.
• En ocasiones, los tiempos de desintegración son constantes en un amplio rango antes de volverse dependientes de la temperatura en algún valor umbral. Esto se ilustra para la curva YVO ₄ :Dy; también es válido para varios otros materiales (no se muestran en la figura). A veces los fabricantes añaden una segunda tierra rara como sensibilizador. Esto puede aumentar la emisión y alterar la naturaleza de la dependencia de la temperatura. Además, a veces el galio se sustituye por parte del aluminio en YAG , alterando también la dependencia de la temperatura.
• La desintegración de la emisión de fósforos de disprosio (Dy) a veces no es exponencial con el tiempo. En consecuencia, el valor asignado al tiempo de decaimiento dependerá del método de análisis elegido. Este carácter no exponencial suele volverse más pronunciado a medida que aumenta la concentración de dopante.
• En la parte de alta temperatura, las dos muestras de fosfato de lutecio son monocristales en lugar de polvos. Sin embargo, esto tiene un efecto menor sobre el tiempo de descomposición y su dependencia de la temperatura. Sin embargo, el tiempo de desintegración de un fósforo determinado depende del tamaño de las partículas, especialmente por debajo de un micrómetro.

Hay otros parámetros que influyen en la luminiscencia de los fósforos termográficos, p. ej. la energía de excitación, la concentración de dopantes o la composición o la presión absoluta de la fase gaseosa circundante. Por lo tanto, se debe tener cuidado para mantener constantes estos parámetros en todas las mediciones.

Aplicación termográfica de fósforo en un revestimiento de barrera térmica.

Un revestimiento de barrera térmica (TBC) permite que los componentes de las turbinas de gas sobrevivan temperaturas más altas en la sección caliente de los motores, al tiempo que tienen una vida útil aceptable. Estos recubrimientos son recubrimientos cerámicos delgados (varios cientos de micrómetros) generalmente basados ​​en materiales de óxido.

Los primeros trabajos consideraron la integración de materiales luminiscentes como sensores de erosión en TBC. ^[7] La ​​noción de un "recubrimiento sensor de barrera térmica" (sensor TBC) para la detección de temperatura se introdujo en 1998. En lugar de aplicar una capa de fósforo en la superficie donde es necesario medir la temperatura, se propuso modificar localmente la composición. del TBC para que actúe como fósforo termográfico además de barrera térmica protectora. Este material de doble función permite la medición de la temperatura de la superficie, pero también podría proporcionar un medio para medir la temperatura dentro del TBC y en la interfaz metal/capa superior, permitiendo así la fabricación de un medidor de flujo de calor integrado. ^[8] Los primeros resultados sobre circonio estabilizado con itria co-dopado con polvos de europia (YSZ:Eu) se publicaron en 2000. ^[9] También demostraron mediciones subsuperficiales mirando a través de una capa de YSZ no dopada de 50 μm y detectando la fosforescencia de un capa delgada (10 μm) de YSZ:Eu (sistema bicapa) debajo usando la técnica ESAVD para producir el recubrimiento. ^[10] Los primeros resultados sobre la deposición física de vapor de TBC por haz de electrones se publicaron en 2001. ^[11] El recubrimiento probado fue un recubrimiento monocapa de YSZ estándar co-dopado con disprosia (YSZ:Dy). El primer trabajo sobre sistemas industriales de recubrimiento de sensores por pulverización de plasma atmosférico (APS) comenzó alrededor de 2002 y se publicó en 2005. ^[12] Demostraron las capacidades de los recubrimientos de sensores APS para mediciones de temperatura bidimensionales in situ en plataformas de quemadores utilizando una cámara de alta velocidad. sistema. ^[13] Además, las capacidades de medición de temperatura de los recubrimientos de los sensores APS se demostraron más allá de los 1400 °C. ^[14] Se informaron los resultados de los TBC de detección multicapa, que permiten mediciones simultáneas de temperatura debajo y en la superficie del recubrimiento. Un revestimiento multicapa de este tipo también podría usarse como medidor del flujo de calor para controlar el gradiente térmico y también para determinar el flujo de calor a través del espesor del TBC en condiciones de servicio realistas. ^[15]

Aplicaciones de fósforos termográficos en TBC

Si bien los métodos mencionados anteriormente se centran en la detección de temperatura, la inclusión de materiales fosforescentes en el recubrimiento de barrera térmica también puede funcionar como una microsonda para detectar mecanismos de envejecimiento o cambios en otros parámetros físicos que afectan el entorno atómico local del activo óptico. ion. ^{[8] [16]} Se demostró la detección de procesos de corrosión en caliente en YSZ debido al ataque de vanadio. ^[17]

Ver también

• Fluorescencia
• Luminiscencia
• Fotoluminiscencia
• Termómetro
• termometria

Referencias

1. Allison, SW (2019). Una breve historia de la termometría de fósforo. Ciencia y tecnología de medición, 30(7), 072001.
2. JL Kennedy y N. Djeu (2002), "Funcionamiento del sensor de temperatura de fibra óptica Yb:YAG hasta 1600 °C", Sensores y actuadores A 100 , 187-191.
3. Comercializado por MicroMaterials, Inc. bajo las patentes estadounidenses 6.045.259 y 9.599.518 B2.
4. JP Feist y AL Heyes (2000). "La caracterización del polvo Y2O2S: Sm como fósforo termográfico para aplicaciones de alta temperatura". Ciencia y tecnología de la medición . 11 (7): 942–947. Código Bib : 2000MeScT..11..942F. doi :10.1088/0957-0233/11/7/310. S2CID  250917066.
5. LP Goss, AA Smith y ME Post (1989). "Termometría de superficie por fluorescencia inducida por láser". Revisión de Instrumentos Científicos . 60 (12): 3702–3706. Código Bib : 1989RScI...60.3702G. doi :10.1063/1.1140478.
6. JP Feist, AL Heyes y S. Seefeldt (2003). "Termometría termográfica de fósforo para estudios de enfriamiento de películas en cámaras de combustión de turbinas de gas". Revista de Poder y Energía . 217 (2): 193–200. Código Bib : 2003PIMEA.217..193F. doi :10.1243/09576500360611227. S2CID  95454730.
7. K. Amano, H. Takeda, T. Suzuki, M. Tamatani, M. Itoh e Y. Takahashi (1987), "Revestimiento de barrera térmica", patente estadounidense 4.774.150
8. KL. Choy, AL Heyes y J. Feist (1998), "Recubrimiento de barrera térmica con material indicador termoluminiscente incrustado en el mismo" Patente de EE. UU. 6.974.641
9. JP Feist y AL Heyes (2000). "Circonia estabilizada con itria dopada con europio para termometría de fósforo a alta temperatura". Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos . 214, Parte L: 7–11.
10. KL. choy; JP Feist; AL Oye; B. Su (1999). "Películas de fósforo Y2O3 dopadas con Eu producidas por deposición química de vapor asistida electrostática". Revista de investigación de materiales . 14 (7): 3111–3114. Código Bib : 1999JMatR..14.3111C. doi :10.1557/JMR.1999.0417. S2CID  98365100.
11. JP Feist, AL Heyes y JR Nicholls (2001). "La termometría de fósforo en una deposición física de vapor por haz de electrones produjo un revestimiento de barrera térmica dopado con disprosio". Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos . 215 Parte G (6): 333–340. doi :10.1243/0954410011533338. S2CID  137294920.
12. X. Chen; Z. Mutasim; J. Precio; JP Feist; AL Oye; S. Seefeldt (2005). "TBC con sensores industriales: estudios sobre detección de temperatura y durabilidad". Revista Internacional de Tecnología Cerámica Aplicada . 2 (5): 414–421. doi :10.1111/j.1744-7402.2005.02042.x.
13. AL Hola; S. Seefeldt; JP Feist (2005). "Termometría bicolor para medición de temperatura superficial". Óptica y Tecnología Láser . 38 (4–6): 257–265. Código Bib : 2006OptLT..38..257H. doi :10.1016/j.optlastec.2005.06.012.
14. JP Feist, JR Nicholls, MJ Fraser, AL Heyes (2006) "Composiciones y estructuras de materiales luminiscentes que los incorporan" Patente PCT/GB2006/003177
15. RJL Steenbakker; JP Feist; RG Wellmann; J.R. Nicholls (2008). Sensro TBC: monitoreo remoto del estado in situ de recubrimientos EB-PVD a temperaturas elevadas, GT2008-51192 . Actas de ASME Turbo Expo 2008: Energía para tierra, mar y aire, 9 al 13 de junio, Berlín, Alemania. doi :10.1115/GT2008-51192.
16. AM Srivastava, AA Setlur, HA Comanzo, JW Devitt, JA Ruud y LN Brewer (2001) "Aparato para determinar las condiciones de servicio anterior y la vida útil restante de los recubrimientos de barrera térmica y los componentes que tienen dichos recubrimientos" Patente de EE. UU. 6730918B2
17. JP Feist y AL Heyes (2003) "Recubrimientos y un método óptico para detectar procesos de corrosión en recubrimientos" GB. Patente 0318929.7

Otras lecturas

• KTV Grattan; ZY Zhang (1995). Termometría de fluorescencia de fibra óptica. Saltador. ISBN 0-412-62470-2.
• SW Allison y GT Gillies (1997). "Termometría remota con fósforos termográficos: instrumentación y aplicaciones". Revisión de Instrumentos Científicos . 68 (7): 2615–2650. Código Bib : 1997RScI...68.2615A. doi : 10.1063/1.1148174 .
• AH Khalid y K. Kontis (2008). "Fósforos termográficos para medidas de alta temperatura: Principios, estado actual del arte y aplicaciones recientes". Sensores . 68 (8): 5673–5744. Código Bib : 2008Senso...8.5673K. doi : 10.3390/s8095673 . PMC  3705526 . PMID  27873836.
• MD Chambers y DR Clarke (2009). "Óxidos dopados para luminiscencia de alta temperatura y termometría de por vida". Revisión anual de la investigación de materiales . 39 (7): 325–359. Código Bib : 2009AnRMS..39..325C. doi :10.1146/annurev-matsci-112408-125237.
• M. Aldén; A. Omrane; M. Richter y G. Sarner (2011). "Fósforos termográficos para termometría: un estudio de las aplicaciones de combustión". Progresos en Ciencias de la Energía y la Combustión . 37 (4): 422–461. doi :10.1016/j.pecs.2010.07.001.
• J. Brubach; C. Pflitsch; A. Dreizler y B. Atakan (2011). "Sobre mediciones de temperatura superficial con fósforos termográficos: una revisión". Progresos en Ciencias de la Energía y la Combustión . 39 : 37–60. doi :10.1016/j.pecs.2012.06.001.
• Brite, CDS; Millán, A.; Carlos, LD (2016). "Capítulo 281: Lantánidos en termometría luminiscente". En Bünzli, Jean-Claude; Pecharsky, Vitalij K. (eds.). Manual de Física y Química de Tierras Raras . Elsevier. págs. 339–427. doi :10.1016/bs.hpcre.2016.03.005. ISBN 978-0-444-63699-7.
• Dramicanin, Miroslav (2018). Termometría de luminiscencia: métodos, materiales y aplicaciones (1ª ed.). Ciencia Elsevier. ISBN 978-0-08-102029-6. Consultado el 20 de noviembre de 2019 .
• SW Allison (2019). "Una breve historia de la termometría de fósforo". Ciencia y tecnología de la medición . 30 (7): 072001. Código bibliográfico : 2019MeScT..30g2001A. doi :10.1088/1361-6501/ab1d02. S2CID  150322424.