2 Renkli Pirometre Kurulumu Ve Işınımsal Kalibrasyon Hücresi Tasarımı

Abstract

2 renkli pirometre, temassız sıcaklık tespitinde kullanılan, radyasyon, optik yasalarına ve cisimlerin yayınırlık katsayılarına dayanan optik bir ölçüm cihazı olup hedef objenin yüzeyinden iki farklı dalga boyunda ölçülen monokromatik ışınım sinyallerinin oranı yardımı ile sıcaklık ölçümü gerçekleştirilmesi temeline dayanır. Gazlaştırma ve yanma işlemlerinde pirometre kullanımı, hareket halinde küçük objeleri ölçebilme kabiliyetinden ötürü oldukça yaygındır. Hareket halinde veya durgun katı yakıt parçacıklarının tek tek yüzey sıcaklıklarının ölçülüp, pirometrik yarıçaplarının (sabit yayınırlık ve küresel şekil kabulü) hesaplanması amacıyla pirometre cihazının kurulumu gerçekleştirilmiştir. Reaksiyon halindeki katı yakıt parçacığının yüzeyinden neşredilen ışınım, bir optik düzenek (lensler, optik fiber, ve filtreler) yardımı ile algılanıp filtrelenir. Dürbün prensibi ile çalışan bir optik prob aracılığı ile sinyal optik probun öbür ucuna sabitlenen optik fiber girişine odaklanır. Daha sonra optik fiber, ana ve referans olmak üzere iki kanala ayrılır. Referans kanalında sinyal, lensler yardımı ile kızılötesi dalgaboyunda çalışan foto algılayıcıya iletilir. Ana kanala ulaşan sinyalin ise bir kısmı görünen (kırmızı) dalgaboyunu hissetme yetisi olan foto algılayıcıya yansıtılırken sinyalin geri kalanı yine kızılötesi bir foto algılayıcıya yansıtılmadan iletilir. Foto algılayıcılara varmadan sinyaller filtre elemanları ile belli ve dar dalgaboylarında filtrelenir. Filtreleme sonrasında ışınım değerleri silikon foto algılayıcılarda algılanır ve elektrik sinyalleri üretilir. Bu elektrik sinyalleri çok küçük büyüklüklerde olduklarından, üretilen bu elektrik sinyalleri ölçüm kolaylığı için kuvvetlendirilir. Kuvvetlendirilen bu sinyaller analog formdan, dijital formda çevrilerek bilgisayara aktarılır. Bilgisayarda ise ölçümler Lab-view 9.0 programında geliştirilen yazılım yardımı ile sonuçlar kayıt edilir ve elde edilen veriler amaca yönelik olarak işlenir. Kurulumu tamamlandıktan sonra, uygulamaya konmadan önce pirometre cihazının kalibre edilmesi gerekmektedir. Bu sebepten pirometre cihazı siyah cisim ısı kaynağına karşı 800-1200°C arasında kalibre edilmiştir. Bu işlem 50°C artmak koşuluyla her sıcaklıkta beşer kere tekrarlanıp, kabul edilir küçüklükte sapmalarla elde edilen ortalama veriler sıcaklık tespitinde kullanılmıştır. Siyah cisim ısı kaynağı limitli sıcaklıklarda referans değerler sağladığından 1200°C üstü sıcaklıklar için kalibrasyon eğrisi Wien yasası kullanılarak ekstrapole edilmiştir. Yüksek sıcaklıklarda daha kesin veriler elde etmek adına ticari metodlar incelenmiştir. Bu tip uygulamalarda en sık kullanılan, önceden kalibre edilmiş tungsten filament lambasının üretimi durduruluğu için yeni bir yöntem geliştirme yoluna gidilmiştir. Siyah cisim kapasitesinin yetmediği yüksek sıcaklarda daha doğru sonuçlar almak adına ince bir tungsten levhanın elektriksel ısıtılmasına dayalı yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde enstitü dahilinde mevcut ve kullanıma hazır olan kapalı bir elektrot sisteminden yararlanılmıştır. Elektrotlar arasına yerleştirilen ince tungsten levha elektrik ile ısıtılıp yüzeyinin yüksek sıcaklıklara çıkması sağlanmıştır. İstenmeyen reaksiyonların önüne geçmek için sistem, deneyler esnasında bir inert gaz olan Argon gazı ile doldurulmuştur. Bir diğer yandan da C tipi termokapıl ile levhanın alt tarafından yüzey sıcaklığına bağlı olarak voltaj değerleri okunup, okunan bu değerlerin sıcaklık olarak karşılıkları C tipi termokapıla ait referans tablosundan elde edilmiştir. Sinyal iletim kayıplarını önlemek için de kompensazyon kablosu kullanılmıştır. Yeni geliştirilen bu yöntemin sonuçları ile siyah cisim kalibrasyon çizgileri aynı trende sahip olmalarına rağmen birbirleri ile yeterli tutarlık göstermemiştir. Bu duruma sebep olarak görüş açısı, yayınırlık katsayısı gibi faktörlerin yanında Argon gazının yarattığı soğutma etkisi ve en önemli olarak eski ve zayıf thermokapıl bağlantıları düşünülmüştür. Ayrıca uzun deney zamanlarında tungsten buharlaşması meydana gelmiştir. Bu durum levhanın kesitinin daralmasına ve aynı koşullarda farklı sonuçlar alınmasına yol açmıştır. Bu problem tungsten levhanın belirli zaman aralıklarında değiştirilmesi ile ortadan kaldırılabilmiştir. Zaman kısıtlaması olduğundan siyah cisim kalibrasyonundan ve Wien yasası ile yürütülen ektrapolasyondan elde edilen değerler ile deneyler gerçekleştirerek cihazın uygulanabilirliği, verdiği sonuçların güvenilirliği ve tutarlılığının test edilmesi amaçlanmıştır. Yeni geliştirilen metod hala geçerli bir yöntemdir. Gerekli iyileştirmeler yapılarak yöntemin daha da geliştirilmesi ve yüksek sıcaklıklarda kalibrasyon uygulamalarında kullanılması mümkündür. Deneyler enstitüye ait sürüklemeli akış yanma reaktöründe gerçekleştirilmiştir. Set sıcaklığı her zaman 1100°C olarak ayarlanmış olup yakıt olarak Caliro tipi saman taneleri kullanılmıştır. Reaktör üzerinde mevcut özel gözlem pencerelerinden pirometre ile yanmakta olan taneler izlenmiştir. Pirometrenin, taneleri rahatlıkla tanıyabilmesi için reaktör penceresinin karşının soğuk arka plan olmasına dikkat edilmiştir. Gözlenen ve yanan katı yakıt tanelerinden alınan sinyaller bilgisayar programında değerlendirilmiştir. Alınan sinyal değerleri yardımı ile, önceden elde edilen kalibrasyon eğrileri üzerinde iteratif yöntemler uygulayarak katı yakıt tanelerinin yüzey sıcaklıkları ölçülmüş, daha sonra bu ölçülen yüzey sıcaklıkları uygun denklemlerde yerine konarak tam küresel çaplı tanecik ve sabit yayınırlık kabulu ile tanelerin pirometrik boyutları hesaplanmıştır. Her foto algılayıcıya ait sinyal grafiklerinde, yanmakta olan tanenin gözlenmesi anında meydana gelen tepe noktaların zaman düzleminde yerlerini temel alan kriterler yardımı ile hatalı ölçümlerin olabildiğince aza indirgenmesi hedeflenmiştir. Pirometre cihazı ile hava/yakıt oranı, gözlem penceresi yüksekliği, reaktör filtresinin temizliği, katı yakıta sülfür ve Kaolin ilavesi gibi etkenlerin, tanelerin yüzey sıcaklıkları ve pirometrik çapları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Hava yakıt oranı, reaktörün optimum değerine yaklaştıkça tanelerin ortalama sıcaklık dağılımında artış görünürken ortalama pirometrik çap değerleri azalmakta ve bu durum yanma işleminin iyileştiğini göstermektedir. Ayrıca farklı tarihlerde ama aynı koşullarda yapılan deney sonuçları pirometre cihazının tutarlı ve tekrarlanabilir sonuçlar sağladığını kanıtlamıştır. Gözlem penceresinin yüksekliğinin değiştirilmesi yanma işleminin farklı aşamaları hakkında fikir verirken, reaktör filtresinin temizlenmesi ile tespit edilen yanan tane sayısında artış meydana gelmiştir. Katı saman yakıtına sülfür eklenmesi önemli değişiklere yol açmazken, Kaolin ilavesi sonucu tespit edilen tanecik sayısı iki katına çıkmış, ortalama pirometrik çap büyük ölçüde azalmış ve ortalama yüzey sıcaklığı artmıştır. Bu durum pirometrenin Kaolin tanelerini de saman tanesi olarak tespit etmesi ile açıklanabilmektedir. Yapılan deneyler pirometre cihazının uygulanabilir olduğunu göstermiş ve ayrıca reaktör çalışma koşullarının daha uygun biçimde düzenlenmesine de fayda sağlamıştır. Bu proje, bazı ek çalışmalarla desteklenebilir ve geliştirilebilir. Yanma sonu gazları ve yanma öncesi saman taneciklerinin laboratuvar analizleri, sonuçların değerlendirilmesi büyük fayda sağlayacaktır. Ayrıca analog-dijital dönüştürücünün 1500-1600°C üstünde doyuma ulaşması daha yüksek sıcaklıklarda ölçüm yapılmasını mümkün kılamamaktadır. Bu sorun, foto algılayıcıların öncül sinyal büyütme oranları küçültülerek giderilebilir. Bu durumda kalibrasyon işlemi en baştan tekrarlanmalıdır. Yeni geliştirilen kalibrasyon metodu daha iyi sistem elemanları kullanılarak yüksek sıcaklıklarda güvenilir ve net veriler sağlayabilir. Pirometre, uzun deney saatleri sonucunda ısınmakta ve bu da foto algılayıcıların hassasiyetini etkileyip yanlış sonuçlar elde edilmesine yol açmaktadır. Bu etki de bir fan soğutma sistemi ilavesi ile kolaylıkla giderilebilir. Sonuç olarak pirometre kurulumu yapılmış ve siyah cisim ısı kaynağında kalibrasyonu gerçekleştirilmiştir. Daha sonra yüksek sıcaklıklarda, elde edilmiş olan kalibrasyon değerleri ekstrapole edilmiştir. Kalibre edilmiş pirometre başarılı bir şekilde uygulamaya konarak ölçümler alınmış ve bu ölçümler sonucu yanma işlemi hakkında değerli sonuçlar elde edilmiştir. Biyokütle yakıtlarının yanma kinetikleri hakkında aydınlatıcı veriler sağlamıştır. Ayrıca reaktör çalışması hakkında yardımcı bilgi sağlanarak (örn. düzensiz yakıt besleme) cihazın uygulanabilirliği kontrol edilmiştir. Bu projenin genel amacı pirometre kalibrasyonuna ek olarak cihazın güvenilirliğinin ve ölçüm sonuçlarının tekrar gerçekleştirilebilirliğinin test edilmesi olmuştur.

The 2-color pyrometer is an optical measurement instrument which enables non-contact temperature detection using the ratio of monochromatic radiation signals from the object at two different wavelengths determined as visible and infrared. A built in-house instrument has been set up to obtain the surface temperature of the individual fuel particles and then calculate the pyrometric diameter (fixed emissivity, perfect spheres). The emitted radiation from the surface of reacting fuel particle is collected and filtered by an optic system (lenses, optic fibers and bandpass filters). The radiation is then detected and quantified using silicon photodiodes in main and reference channels. The electric signals are eventually amplified and sent to a computer for evaluation and post-processing after getting converted into digital form. By running iterative routines, one can determine the surface temperature of a particle with respect to calibration results obtained in advance. Then the size of a particle can be computed based on the measured surface temperature with spherical particle assumption. Thus, calibration of the instrument is required. The pyrometer was calibrated against a black body radiator and calibration curve were extrapolated for higher temperature levels (>1200°C). To increase the level of precision at elevated temperature levels, a self-design method enforcing electrical heating of a thin tungsten sheet in Argon purge was developed. As the results were not satisfying enough to acceps as valid calibration, extrapolation curves have been hence chosen to perform the measurement campaign in an entrained flow combustion reactor with various combustion conditions such as air-fuel ratio, optical port level, filter cleaning, sulfur and Kaolin addition into Caliro type straw. The instrument has been successfully tested during this campaign delivering precious information about the reacting particles and combustion kinetics being able to provide additional information about the status of the reactor (e.g. non-constant mass feeding) served the purpose of checking the applicability of the pyrometer. Aim of this work was, further to the calibration, to test and prove the reliability of the instrument and the reproducibility of the results.