Thin filament pyrometry for temperature measurements in fuel hydrate flames and non-premixed water laden methane air flames

Thin filament pyrometry (TFP) is a minimally intrusive optical method used to obtain temperature measurements in unsteady environments requiring fast thermal response. The goal of this study is to use TFP to determine the temperature of a methane hydrate flame and a counterflow nonpremixed water laden methane-air flame. Thin filament pyrometry involves the placement of a Silicon Carbide (SiC) filament in the flame and radiative emissions from the SiC filament are then analyzed for temperature information that is compared to thermocouple (Type B) data. The concept of color ratio pyrometry is not complicated, but the imaging details necessary for accurate TFP with commercial cameras are deceptively complex. Before applying thin filament pyrometry a digital Nikon D90 camera is calibrated using a blackbody furnace operating at temperatures between 1200-1700°C. The recorded images are analyzed for red, green and blue RGB values and ratios between these channels are correlated against temperature. Once the camera is calibrated, a tungsten filament halogen lamp is then calibrated using blackbody radiation principles to establish a relationship between power input and filament temperature. These results are used to verify temperatures obtained from TFP. Excitation of the sodium species is captured by a spectrometer at the D-lines, 589.0 and 589.6 nm. When the light from the tungsten filament at these same wavelengths is no longer brighter than the light from the sodium, Kirchhoff’s law establishes that the corresponding lamp temperature is equivalent to the flame temperature. The results show that TFP provides reliable temperatures even in the challenging unsteady environment of methane hydrate combustion.

Il metodo Thin Filament Pyrometry (TFP) è una tecnica pirometrica che presenta una minima intrusività e si presta particolarmente ad applicazioni che richiedano una elevata risposta in frequenza. L’obbiettivo di questo studio e quello di utilizzare la TFP per determinare la temperatura di fiamma di idrati di metano e quella di una fiamma di metano e aria non premiscelata con concentrazione di acqua variabile in configurazione counterflow. La TFP prevede il posizionamento di una fibra micrometrica di carburo di silicio (SiC) all’interno della fiamma, la radiazione luminosa emessa da tale fibra è acquisita da una fotocamera di tipo reflex con sensore CMOS. Tramite una opportuna manipolazione dei dati raccolti dall’immagine è possibile risalire dal rapporto tra il valore dei pixel (pixel value) di diversi colori alla temperatura della fibra e successivamente alla temperatura di fiamma attraverso una correzione in temperatura che consideri irraggiamento e convezione. Per raggiungere questo risultato è necessario creare un modello accurato della risposta della fotocamera utilizzata (Nikon D90) tramite un complesso processo di calibrazione. Viene caratterizzata la risposta del sensore all’intensità della radiazione luminosa acquisita raccogliendo i dati relativi a esposizioni di una sorgente emettente come un corpo nero per un intervallo di temperature compreso tra 1200 e 1700 °C. Viene inoltre misurata la risposta spettrale della fotocamera esponendola a una sorgente luminosa con caratteristiche quasi monocromatiche in un intervallo di lunghezze d’onda compreso tra 380 e 720 nm. I dati della calibrazione consentono la realizzazione di un modello numerico in ambiente Matlab in grado di correlare il rapporto tra i pixel rosso verde e blu misurati dalla fotocamera con la temperatura del filamento di SiC. Le temperature raccolte utilizzando la TFP vengono verificate con il metodo Sodium Line Reversal che sfrutta la legge di Kirchoff per correlare la temperatura del filamento di tungsteno di una lampada alla temperatura di fiamma. I risultati mostrano che la TFP produce risultati affidabili anche nel caso di fiamme instazionarie tipiche della combustione degli idrati di metano a pressione ambiente, i valori di temperatura misurati dalla TFP concordano sempre con quelli della Sodium Line Reversal e rientrano negli intervalli previsti dai modelli numerici disponibili.