인광 열측정법

인광 열측정법은 표면 온도 측정을 위한 광학 방법이다. 그 방법은 인광 물질에 의해 방출되는 발광을 이용한다. 인광은 백색 또는 파스텔 색의 미세한 무기 가루로, 루미네이션(lumines)을 위한 다양한 수단, 즉 빛을 발산하는 방법에 의해 자극될 수 있다. 방출되는 빛의 특정 특성은 밝기, 색상, 잔광 지속시간을 포함하여 온도에 따라 변화한다. 후자는 온도 측정에 가장 일반적으로 사용된다.

발광의 시간 의존성

일반적으로 짧은 지속시간 자외선 램프 또는 레이저 선원은 인광 코팅에 빛을 발하며, 인광 코팅은 발광한다. 광원이 중단되면 발광은 일정 시간 동안 지속되며 지속적으로 감소한다. 밝기가 원래 값의 1/e로 감소하는 데 필요한 시간은 붕괴 시간 또는 수명으로 알려져 있으며 $\tau {\displaystyle }$ ${\디스플레이$ 스타일 $\tau }$로 표시된다$.$ 온도의 함수인 T이다.

발광 강도 I는 일반적으로 다음과 같이 기하급수적으로 분해된다.

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

여기서 I는₀ 초기 강도(또는 진폭)이다. 't'는 시간이고 $\tau {\displaystyle }$ ${\displaystyle \tau$}은$$(는) 온도에 따라 달라질 수 있는 매개 변수다.

직접 붕괴 시간 측정에 기초한 온도 센서가 1000~1600 °C의 온도에 도달하는 것으로 나타났다.^[1] 그 작업에서는 도핑된 YAG 인광체를 도핑되지 않은 YAG 섬유로 배양하여 탐사선의 단일 구조를 형성하고, 레이저를 흥분원으로 사용하였다. 그 후, LED를 흥분 소스로 사용하는 다른 버전이 실현되었다. 이 장치는 최대 1,000 °C까지 온도를 측정할 수 있으며 전자레인지와 플라즈마 처리 어플리케이션에 사용된다.^[2]

흥분원이 펄스가 아닌 주기적인 것이라면 발광의 시간 반응은 그에 상응하여 다르다. 예를 들어 주파수 f의 정현상 변화 발광 다이오드(LED) 신호와 그 결과 발생하는 형광 사이에는 위상 차이가 있다(그림 참조). 위상 차이는 붕괴 시간과 온도에 따라 달라진다.

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

배출 라인의 온도 의존도: 강도비

두 번째 온도 감지 방법은 두 개의 개별 배출 라인의 강도 비율을 기반으로 한다. 즉, 코팅 온도 변화는 인광 스펙트럼의 변화에 의해 반영된다.^[3][4] 이 방법을 사용하면 표면 온도 분포를 측정할 수 있다.^[5] 강도비법은 광학 오염도가 높은 광학들이 배출선 사이의 비율을 비교하기 때문에 측정에 거의 영향을 미치지 않는다는 장점이 있다. 배출 라인은 '더러운' 표면이나 광학 장치에 의해 똑같이 영향을 받는다.

온도 의존성

몇 가지 관측치는 오른쪽 그림과 관련이 있다.

• 옥시황화물 물질은 여러 가지 다른 배출 라인을 보이며, 각각 온도 의존도가 다르다. 한 희토류를 다른 희토류로 대체하면, 이 경우 La를 Gd로 바꾸는 것은 기온 의존도를 변화시킨다.
• YAG:Cr 재료(YALO₃₅₁₂:Cr³⁺)는 감도는 낮지만 감도가 높은 재료보다 온도 범위가 넓다.
• 때때로 붕괴 시간은 어떤 임계값에서 온도에 의존하기 전에 넓은 범위에 걸쳐 일정하다. 이것은 YVO₄:Dyn 곡선에 대해 설명되어 있다. 또한 여러 다른 재료(그림에는 표시되지 않음)에도 적용된다. 제조업자들은 때때로 감작제로 두 번째 희토류를 첨가한다. 이것은 배출을 강화하고 온도 의존의 성격을 바꿀 수 있다. 또한 갈륨은 때때로 YAG의 알루미늄 일부를 대체하여 온도 의존도를 변화시키기도 한다.
• 디프로시움(Dyn) 인광의 방출 붕괴는 때때로 시간에 따라 비우량적이다. 따라서 붕괴 시간에 할당된 값은 선택한 분석 방법에 따라 달라진다. 이러한 비우량성은 도판트 농도가 증가함에 따라 더욱 뚜렷해지는 경우가 많다.
• 고온 부분에서는 두 루테튬 인산염 샘플이 분말보다는 단일 결정체다. 그러나 이것은 붕괴 시간과 그것의 온도 의존성에 약간의 영향을 미친다. 그러나 주어진 인광체의 붕괴 시간은 입자 크기, 특히 1마이크로미터 이하에 따라 달라진다.

열인산 인광의 발광에 영향을 미치는 추가 파라미터가 있다. 예를 들어, 흥분 에너지, 도판트 농도 또는 주변 가스 단계의 구성 또는 절대 압력. 따라서 모든 측정에서 이러한 파라미터를 일정하게 유지하기 위해 주의를 기울여야 한다.

방열벽 코팅에서의 열인광 도포

열 차단막 코팅(TBC)은 가스터빈 구성부품이 허용 수명을 가지면서도 엔진의 고온 부분에서 높은 온도에서 생존할 수 있도록 한다. 이러한 코팅은 보통 산화 물질에 기초한 얇은 세라믹 코팅(백 마이크로미터)이다.

초기 작업에서는 TBC의 침식 센서로서 발광 물질의 통합을 고려하였다.^[6] 온도 감지를 위한 "온도 차단 센서 코팅"(센서 TBC) 개념이 1998년에 도입되었다. 온도를 측정할 필요가 있는 표면에 인광층을 적용하는 대신, TBC가 보호 열 장벽뿐만 아니라 열인광 역할을 하도록 TBC의 구성을 국소적으로 수정하는 것이 제안되었다. 이 이중 기능성 재료는 표면 온도 측정을 가능하게 하지만 TBC 내부와 금속/토코트 인터페이스에서 온도를 측정할 수 있는 수단을 제공할 수 있어 통합 열량 게이지의 제조가 가능하다.^[7] 유로피아(YSZ:Eu) 파우더와 함께 도포된 yttria 안정화 지르코니아에 대한 첫 결과는 2000년에 발표되었다.^[8] 이들은 또 ESAVD 기법을 이용해 50μm의 비경사 YSZ 층을 통해 표면하위 측정에 대해 시연하고, 밑부분의 얇은(10μm) YSZ:Eu 층(바이레이어 시스템)의 인광성을 검출해 코팅 작업을 진행했다.^[9] TBC의 전자빔 물리적 증기 증착에 대한 첫 번째 결과는 2001년에 발표되었다.^[10] 테스트한 코팅은 다이프로시아(YSZ:Dy)와 함께 도포된 표준 YSZ의 모노레이어 코팅이었다. 산업용 대기 플라즈마 분무(APS) 센서 코팅 시스템에 대한 첫 연구는 2002년경에 시작되었고 2005년에 발표되었다.^[11] 그들은 고속 카메라 시스템을 사용하는 버너 리그에서 현장 2차원 온도 측정을 위한 APS 센서 코팅의 기능을 시연했다.^[12] 또한 1400 °C 이상에서 APS 센서 코팅의 온도 측정 능력이 입증되었다.^[13] 코팅 표면 아래 및 아래에서 동시 온도 측정이 가능한 다층 감지 TBC 결과가 보고되었다. 이러한 다층 코팅은 열 경사를 감시하고 현실적인 서비스 조건에서 TBC의 두께를 통한 열량을 결정하기 위해 열량 측정기로도 사용될 수 있다.^[14]

TBC의 열인광 도포

앞서 언급한 방법들이 온도 검출에 초점을 맞추고 있지만, 인광물질을 열 차단 코팅에 포함시키는 것은 광학 활성 이온의 국소 원자 주위에 영향을 미치는 노화 메커니즘이나 다른 물리적 파라미터의 변화를 감지하는 마이크로 프로브로서도 작용할 수 있다.^[7][15] 바나듐 공격에 의한 YSZ의 고온 부식 과정이 검출되었다.^[16]

온도 기억 물질로서의 열인광

이 구간은 비어 있다. 덧셈으로 도움받을 수 있다(2020년 10월)

비디오: 열인산 도포

온라인 온도 감지를 위한 인광 센서 코팅

참고 항목

참조

추가 읽기

• K. T. V. Grattan; Z. Y. Zhang (1995). Fiber optic fluorescence thermometry. Springer. ISBN 0-412-62470-2.
• S. W. Allison & G. T. Gillies (1997). "Remote thermometry with thermographic phosphors: instrumentation and applications". Review of Scientific Instruments. 68 (7): 2615–2650. Bibcode:1997RScI...68.2615A. doi:10.1063/1.1148174.
• A. H. Khalid & K. Kontis (2008). "Thermographic phosphors for high temperature measurements: Principles, current state of the art and recent applications". Sensors. 68 (8): 5673–5744. Bibcode:2008Senso...8.5673K. doi:10.3390/s8095673. PMC 3705526. PMID 27873836.
• M. D. Chambers & D. R. Clarke (2009). "Doped Oxides for High-Temperature Luminescence and Lifetime Thermometry". Annual Review of Materials Research. 39 (7): 325–359. Bibcode:2009AnRMS..39..325C. doi:10.1146/annurev-matsci-112408-125237.
• M. Aldén; A. Omrane; M. Richter & G. Sarner (2011). "Thermographic phosphors for thermometry: A survey of combustion applications". Progress in Energy and Combustion Science. 37 (4): 422–461. doi:10.1016/j.pecs.2010.07.001.
• J. Brübach; C. Pflitsch; A. Dreizler & B. Atakan (2011). "On Surface Temperature Measurements with Thermographic Phosphors: A Review". Progress in Energy and Combustion Science. 39: 37–60. doi:10.1016/j.pecs.2012.06.001.
• Brites, C. D. S.; Millan, A.; Carlos, L. D. (2016). "Chapter 281: Lanthanides in Luminescent Thermometry". In Bünzli, Jean-Claude; Pecharsky, Vitalij K. (eds.). Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths. Elsevier. pp. 339–427. doi:10.1016/bs.hpcre.2016.03.005. ISBN 978-0-444-63699-7.
• Dramićanin, Miroslav (2018). Luminescence Thermometry: Methods, Materials, and Applications (1st ed.). ISBN 978-0-08-102029-6. Retrieved November 20, 2019.
• S. W. Allison (2019). "A brief history of phosphor thermometry". Measurement Science and Technology. 30 (7): 072001. Bibcode:2019MeScT..30g2001A. doi:10.1088/1361-6501/ab1d02.