Termometría de fósforo

La termometría de fósforo es un método óptico para medir la temperatura de superficies. El método aprovecha la luminiscencia emitida por el material de fósforo . Los fósforos son polvos inorgánicos finos de color blanco o pastel que pueden estimularse por diversos medios para que emitan luminiscencia, es decir, luz. Algunas características de la luz emitida cambian con la temperatura, incluido el brillo, el color y la duración del resplandor. Este último es el más utilizado para medir la temperatura.

Historia

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

Dependencia temporal de la luminiscencia

Diferencia de fase entre la salida del LED y la luminiscencia

Normalmente, una lámpara ultravioleta de corta duración o una fuente láser iluminan el revestimiento de fósforo, que a su vez emite luminiscencia de forma visible. Cuando la fuente de iluminación deja de emitir luz, la luminiscencia persistirá durante un tiempo característico, disminuyendo de forma constante. El tiempo necesario para que el brillo disminuya a 1/e de su valor original se conoce como tiempo de decaimiento o vida útil y se representa como . Es una 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. '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 decaimiento alcanza una temperatura de entre 1000 y 1600 °C. ^[2] En ese trabajo, se desarrolló un 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 utilizan 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, la respuesta temporal de la luminiscencia es correspondientemente diferente. Por ejemplo, existe una diferencia de fase entre una señal de un diodo emisor de luz (LED) de frecuencia f que varía sinusoidalmente y la fluorescencia resultante (véase la figura). La diferencia de fase varía con el tiempo de decaimiento y, por lo tanto, con la temperatura, como sigue:

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

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

El segundo método de detección de temperatura se basa en las relaciones de intensidad de dos líneas de emisión separadas; el cambio en la temperatura del revestimiento 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 la relación de intensidad tiene la ventaja de que la óptica contaminada tiene poco efecto en la medición, ya que compara las relaciones entre las líneas de emisión. Las líneas de emisión se ven igualmente afectadas por superficies u ópticas "sucias".

Dependencia de la temperatura

Varias observaciones son pertinentes a la figura de la derecha:

• Los materiales de oxisulfuro presentan varias líneas de emisión diferentes, cada una con una dependencia de la temperatura diferente. Sustituir 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.
• A veces, los tiempos de decaimiento son constantes en un amplio rango antes de volverse dependientes de la temperatura en un valor umbral. Esto se ilustra para la curva YVO ₄ :Dy; también se cumple para varios otros materiales (no se muestran en la figura). Los fabricantes a veces agregan una segunda tierra rara como sensibilizador. Esto puede mejorar la emisión y alterar la naturaleza de la dependencia de la temperatura. Además, a veces se sustituye el galio por parte del aluminio en YAG , lo que también altera la dependencia de la temperatura.
• La desintegración de la emisión de los fósforos de disprosio (Dy) a veces no es exponencial con el tiempo. En consecuencia, el valor asignado al tiempo de desintegración dependerá del método de análisis elegido. Este carácter no exponencial suele ser más pronunciado a medida que aumenta la concentración del 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 en el tiempo de desintegración y su dependencia de la temperatura. Sin embargo, el tiempo de desintegración de un fósforo determinado depende del tamaño de partícula, especialmente por debajo de un micrómetro.

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

Aplicación de fósforo termográfico en un revestimiento de barrera térmica

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

Los primeros trabajos consideraron la integración de materiales luminiscentes como sensores de erosión en los TBC. ^[7] El concepto de un "recubrimiento de barrera térmica" (TBC sensor) para la detección de temperatura se introdujo en 1998. En lugar de aplicar una capa de fósforo sobre la superficie donde se necesita medir la temperatura, se propuso modificar localmente la composición del TBC para que actúe como fósforo termográfico y como 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, lo que permitiría la fabricación de un medidor de flujo de calor integrado. ^[8] Los primeros resultados sobre zirconia estabilizada con itria co-dopada con polvos de europia (YSZ:Eu) se publicaron en 2000. ^[9] También demostraron mediciones subsuperficiales mirando a través de una capa de YSZ sin dopar de 50 μm y detectando la fosforescencia de una capa delgada (10 μm) de YSZ:Eu (sistema de dos capas) debajo usando la técnica ESAVD para producir el recubrimiento. ^[10] Los primeros resultados sobre deposición física de vapor por haz de electrones de TBC 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 de recubrimiento de sensores industriales rociados con 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 usando un sistema de cámara de alta velocidad. ^[13] Además, se demostró la capacidad de medición de temperatura de los recubrimientos de sensores APS por encima de los 1400 °C. ^[14] Se informaron los resultados de los TBC de detección multicapa, que permiten mediciones simultáneas de temperatura debajo y sobre la superficie del recubrimiento. Un recubrimiento multicapa de este tipo también podría usarse como un medidor de flujo de calor para monitorear 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 los fósforos termográficos en los TBC

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

Véase también

• Fluorescencia
• Luminiscencia
• Fotoluminiscencia
• Termómetro
• Termometría

Referencias

1. Allison, SW (2019). Una breve historia de la termometría de fósforo. Measurement Science and Technology, 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 de Y2O2S:Sm como fósforo termográfico para aplicaciones de alta temperatura". Measurement Science and Technology . 11 (7): 942–947. Bibcode :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 mediante fluorescencia inducida por láser". Review of Scientific Instruments . 60 (12): 3702–3706. Bibcode :1989RScI...60.3702G. doi :10.1063/1.1140478.
6. JP Feist, AL Heyes y S. Seefeldt (2003). "Termometría de fósforo termográfico para estudios de enfriamiento de película en cámaras de combustión de turbinas de gas". Journal of Power and Energy . 217 (2): 193–200. Bibcode :2003PIMEA.217..193F. doi :10.1243/09576500360611227. S2CID  95454730.
7. K. Amano, H. Takeda, T. Suzuki, M. Tamatani, M. Itoh y Y. Takahashi (1987), "Recubrimiento 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 estadounidense 6.974.641
9. JP Feist y AL Heyes (2000). "Circonia estabilizada con itrio 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 Heyes; B. Su (1999). "Películas de fósforo Y2O3 dopadas con Eu producidas por deposición química en fase de vapor asistida por electrostática". Journal of Materials Research . 14 (7): 3111–3114. Bibcode :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 un revestimiento de barrera térmica producido por deposición física de vapor con haz de electrones 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. Price; JP Feist; AL Heyes; S. Seefeldt (2005). "TBC de 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 Heyes; S. Seefeldt; J. P Feist (2005). "Termometría de dos colores para la medición de la temperatura superficial". Óptica y tecnología láser . 38 (4–6): 257–265. Código Bibliográfico :2006OptLT..38..257H. doi :10.1016/j.optlastec.2005.06.012.
14. JP Feist, JR Nicholls, MJ Fraser, AL Heyes (2006) "Composiciones de materiales luminiscentes y estructuras que los incorporan" Patente PCT/GB2006/003177
15. RJL Steenbakker; JP Feist; RG Wellmann; JR Nicholls (2008). TBC de Sensro: monitoreo remoto in situ de condiciones de recubrimientos EB-PVD a temperaturas elevadas, GT2008-51192 . Actas de la 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 anteriores y la vida útil restante de los revestimientos de barrera térmica y los componentes que tienen dichos revestimientos", patente estadounidense 6730918B2
17. JP Feist y AL Heyes (2003) "Recubrimientos y un método óptico para detectar el proceso de corrosión en recubrimientos" GB. Patente 0318929.7

Lectura adicional

• KTV Grattan; ZY Zhang (1995). Termometría de fluorescencia de fibra óptica. Springer. ISBN 0-412-62470-2.
• SW Allison y GT Gillies (1997). "Termometría remota con fósforos termográficos: instrumentación y aplicaciones". Revista de instrumentos científicos . 68 (7): 2615–2650. Bibcode :1997RScI...68.2615A. doi : 10.1063/1.1148174 .
• AH Khalid y K. Kontis (2008). "Fósforos termográficos para mediciones de alta temperatura: principios, estado actual de la técnica y aplicaciones recientes". Sensores . 68 (8): 5673–5744. Bibcode :2008Senso...8.5673K. doi : 10.3390/s8095673 . PMC  3705526 . PMID  27873836.
• MD Chambers y DR Clarke (2009). "Óxidos dopados para luminiscencia a alta temperatura y termometría de por vida". Revisión anual de investigación de materiales . 39 (7): 325–359. Código Bibliográfico :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 aplicaciones en combustión". Progreso en la ciencia de la energía y la combustión . 37 (4): 422–461. doi :10.1016/j.pecs.2010.07.001.
• J. Brübach; C. Pflitsch; A. Dreizler y B. Atakan (2011). "Sobre las mediciones de temperatura superficial con fósforos termográficos: una revisión". Progreso en la ciencia de la energía y la combustión . 39 : 37–60. doi :10.1016/j.pecs.2012.06.001.
• Brites, CDS; Millan, A.; Carlos, LD (2016). "Capítulo 281: Lantánidos en termometría luminiscente". En Bünzli, Jean-Claude; Pecharsky, Vitalij K. (eds.). Manual sobre la física y la química de tierras raras . Elsevier. págs. 339–427. doi :10.1016/bs.hpcre.2016.03.005. ISBN . 978-0-444-63699-7.
• Dramićanin, Miroslav (2018). Termometría de luminiscencia: métodos, materiales y aplicaciones (1.ª ed.). Elsevier Science. ISBN 978-0-08-102029-6. Recuperado el 20 de noviembre de 2019 .
• SW Allison (2019). "Una breve historia de la termometría de fósforo". Measurement Science and Technology . 30 (7): 072001. Bibcode :2019MeScT..30g2001A. doi :10.1088/1361-6501/ab1d02. S2CID  150322424.