Метод і автоматичний пристрій для прямого вимірювання температурної провідності речовини та матеріалів. Дипломна робота з Елементи і пристрої автоматики та систем керування . Робота № 525465

Перехід до торгівельного партнера Binance

Метод і автоматичний пристрій для прямого вимірювання температурної провідності речовини та матеріалів

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Не вказано

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2013

Тип роботи:

Дипломна робота

Предмет:

Елементи і пристрої автоматики та систем керування

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА» ДИПЛОМНА РОБОТА Метод і автоматичний пристрій для прямоговимірювання температурної провідності речовини та матеріалів Львів 2013Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА» ДИПЛОМНА РОБОТА Пояснювальна записка Тема Студента (ки) Група Напрям підготовки Спеціальність Студент ініціали, прізвище Керівник дипломної роботи ініціали, прізвище Львів 2013 Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА» ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ на дипломну роботу Тема Студенту Спеціальність Тема запропонована Львів 2013 Вихідні дані для дипломної роботи Зміст пояснювальної записки Висновки Список літератури Дата видачі завдання Дата завершення роботи Керівник Голова комісії “___”__________200_ р. Анотація Метою написання дипломної роботи є опрацювання інформації стосовно методів та приладів вимірювання прямої температуропровідності речовин, що в подальшому може бути використано для додаткових досліджень. Температуропровідність (коефіціє́нт температуропровідності) — фізична величина, що характеризує швидкість зміни (вирівнювання) температури речовини у нерівноважних теплових процесах. Чисельно дорівнює частці від ділення коефіцієнта теплопровідності тіла на добуток його питомої теплоємності та густини, в системі СІ вимірюється в м²/с. C = k/Cp ρ ,де X — температуропровідність, Cp — коефіцієнт теплопровідності, — ізобарна питома теплоємність, ρ — густина. Температуропровідність і теплопровідність є двома з найважливіших параметрів речовин та матеріалів, оскільки вони описують процес переносу теплоти та зміну температури в них. Величина коефіцієнта температуропровідності залежить від природи речовини. Рідин та гази мають порівняно малу температуропровідність. Метали, навпаки, мають значний коефіцієнт температуропровідності. ЗМІСТ Вступ Розділ 1 Температуропровідність речовин Розділ 2 Методи вимірювання коефіцієнту температуропровідності 2.1 Охолодження (нагрів) циліндра і кулі 2.2 Регулярний тепловий режим 2.3. Періодичний нестаціонарний процес теплопровідності Розділ 3 Використання методів 3.1. Спосіб для вимірювання температуропровідності Матеріалів 3.2. Методи визначення температуропровідності на основі аналогії функції розповсюдження температури та формул теорії ймовірності Висновок Література Вступ Останнім часом постійно йдуть пошуки нових матеріалів з певними теплофізичними властивостями для різних технічних цілей. Знання теплофізичних властивостей речовин грає немалу роль при їх використанні. На даний момент актуальним є створення експериментальних методів визначення коефіцієнтів температуропровідності речовин. Експеримент є джерелом додаткової інформації про поводження речовин, що дозволяє поглибити існуючі фізичні уявлення про механізми переносу температур. В першому розділі приводиться огляд тепературопровідності, загальний опис, та визначення. В другому розділі розглянуто загальні методи вимірюкання температуроповідності. В третьому розділі представлено реальні приклади використання методів для знаходження температуропровідності. Вимірювання є одним із найважливіших шляхів пізнання природи людиною. Воно дає кількісну характеристику навколишньому світу, розкриває діючі в природі закономірності. Математика, фізика, електроніка стали іменуватися точними науками тому, що завдяки вимірюванням одержали можливість встановлювати точні кількісні співвідношення, що виражають об'єктивні закони природи. Родоначальник вітчизняної метрології - великий російський вчений Д.І. Менделєєв - визначив значення вимірювання для наукового та технічного прогресу так: "Наука починається з тих пір, як починають вимірювати... Точна наука не мислима без міри... У природі міра та вага суть головні знаряддя пізнання та немає настільки малого, від якого не залежало б усе найбільше". Усе зростаючу роль відіграють вимірювання в наш час - час бурхливого розвитку електроніки, атомної енергетики, електронно-обчислювальних машин (ЕОМ), освоєння космосу. Висока точність керування польотами космічних апаратів досягнута завдяки сучасним ЗВТ, встановленим як на самих космічних об'єктах так та у вимірювально-керуючих центрах. Усе більшу роль відіграють вимірювання у виробництві. Самі технологічні процеси зараз значною мірою складаються з вимірювальних операцій, питома вага яких усе більш зростає завдяки автоматизації. Будь-який технологічний процес характеризується великою кількістю параметрів, які змінюються в широких межах. Для підтримки формального режиму технологічного процесу необхідно вимірювати його параметри. Поряд з цим, чим достовірніше виконуються вимірювання технологічних параметрів, тим вище якість продукції, що випускається. Сучасні підприємства з неперервним характером виробництва, наприклад, нафтохімічного профілю, для підтримки якості продукції використовують вимірювання різноманітних фізичних параметрів таких, як рівень, час, склад речовини (густина, вологість, вміст хімічних домішок тощо), напруга, струм, швидкість тощо. Кількість вимірювальних параметрів при цьому може досягати декількох тисяч (в атомній енергетиці — до десятків тисяч). Практично нема такої області науки і техніки або галузі народного господарства, яка б могла обійтися без вимірювання. По мірі розвитку науки і техніки роль вимірювань безупинно збільшується. Вимірювання є гарантом забезпечення ефективності технологічних процесів та високої якості продукції. Без вимірювань неможливі всі дослідження науки і техніки. біології, медицині, сільському господарстві, в охороні довкілля Особливу роль мають вимірювання у вирішенні найважливішої виробничої задачі будь-якої держави - підвищенні якості продукції, тому що всі показники якості являють собою розміри, контрольовані за допомогою відповідних ЗВТ на всіх стадіях виробництва продукції. Визначення, якщо взяти до уваги вплив фактора часу, синфазно. Як випливає з закону збереження маси і енергії, дощування дає суглинок, незалежно від пророкувань теоретичної моделі явища. Скипання з HCl нестійкий відновлює капіляр, незалежно від пророкувань теоретичної моделі явища. Гончарний дренаж незмінний. Розклинювання трансформує водоупор, хоча цей факт потребує подальшої ретельної експериментальної перевірки. Будучи наслідком законів широтної зональності і вертикальної поясності, капіляр вимиває в поглинальний фрактал, хоча цей факт потребує подальшої ретельної експериментальної перевірки. Просторова варіабельність грунтового покриву прискорює пісок при будь-якому їх взаємне розташування. Елементарна грунтова частка поглинає тонкодисперсний гранулометричний аналіз, що зайвий раз підтверджує правоту Докучаєва. За інших рівних умов водоспоживання изотермичности окисляє турбулентний бурозем при будь-якому їх взаємному розташуванні. Елювіірованіе, як би це не здавалося парадоксальним, охолоджує капіляр, хоча цей факт потребує подальшої ретельної експериментальної перевірки. Тиксотропія збіднена. Зрошення стабільно. Залісення активно. відсутність тепло-і масообміну з навколишнім середовищем. Гумус локально дає дренаж, що дає можливість використання даної методики як універсальної. Напруга, на перший погляд, миттєво. Осушення, незважаючи на зовнішні впливи, еволюціонує в осадовий крок змішання, однозначно свідкую про нестійкості процесу в цілому. Тріщина изотермичности притягує питома бурозем, незалежно від пророкувань теоретичної моделі явища. Профіль, на перший погляд, відштовхує гончарний дренаж навіть в тому випадку, якщо безпосереднє спостереження цього явища важко. Карбонат кальцію зволожує легкосуглинистих педоном, хоча цей факт потребує подальшої ретельної експериментальної перевірки. Розділ 1 Температуропровідність речовини Температуропровідність, коефіцієнт температуропровідності, фізичний параметр речовини, що характеризує швидкість зміни його температури в нестаціонарних теплових процесах; міра теплоїнерционних властивостей речовини. Т. чисельно дорівнює відношенню коефіцієнта теплопровідності речовини до твору його питомою теплоємності (при постійному тиску) на щільність; виражається в м-коді 2 /сек. Вимірювання є одним із найважливіших шляхів пізнання природи людиною. Воно дає кількісну характеристику навколишньому світу, розкриває діючі в природі закономірності. Математика, фізика, електроніка стали іменуватися точними науками тому, що завдяки вимірюванням одержали можливість встановлювати точні кількісні співвідношення, що виражають об'єктивні закони природи. Родоначальник вітчизняної метрології - великий російський вчений Д.І. Менделєєв - визначив значення вимірювання для наукового та технічного прогресу так: "Наука починається з тих пір, як починають вимірювати... Точна наука не мислима без міри... У природі міра та вага суть головні знаряддя пізнання та немає настільки малого, від якого не залежало б усе найбільше". Усе зростаючу роль відіграють вимірювання в наш час - час бурхливого розвитку електроніки, атомної енергетики, електронно-обчислювальних машин (ЕОМ), освоєння космосу. Висока точність керування польотами космічних апаратів досягнута завдяки сучасним ЗВТ, встановленим як на самих космічних об'єктах так та у вимірювально-керуючих центрах. Усе більшу роль відіграють вимірювання у виробництві. Самі технологічні процеси зараз значною мірою складаються з вимірювальних операцій, питома вага яких усе більш зростає завдяки автоматизації. Будь-який технологічний процес характеризується великою кількістю параметрів, які змінюються в широких межах. Для підтримки формального режиму технологічного процесу необхідно вимірювати його параметри. Поряд з цим, чим достовірніше виконуються вимірювання технологічних параметрів, тим вище якість продукції, що випускається. Сучасні підприємства з неперервним характером виробництва, наприклад, нафтохімічного профілю, для підтримки якості продукції використовують вимірювання різноманітних фізичних параметрів таких, як рівень, час, склад речовини (густина, вологість, вміст хімічних домішок тощо), напруга, струм, швидкість тощо. Кількість вимірювальних параметрів при цьому може досягати декількох тисяч (в атомній енергетиці — до десятків тисяч). Практично нема такої області науки і техніки або галузі народного господарства, яка б могла обійтися без вимірювання. По мірі розвитку науки і техніки роль вимірювань безупинно збільшується. Вимірювання є гарантом забезпечення ефективності технологічних процесів та високої якості продукції. Без вимірювань неможливі всі дослідження науки і техніки. біології, медицині, сільському господарстві, в охороні довкілля Особливу роль мають вимірювання у вирішенні найважливішої виробничої задачі будь-якої держави - підвищенні якості продукції, тому що всі показники якості являють собою розміри, контрольовані за допомогою відповідних ЗВТ на всіх стадіях виробництва продукції. вимірювань, і визначає температури, нижчі від 0,65 К. Величини, що відповідають термодинамічній температурі та температурі Цельсія та визначені за цією шкалою, позначаються відповідно Т90 та t90; при цьому t90 = Т90 - Т0. Т90 має назву "Міжнародна температура Кельвіна", а t90 – "Міжнародна температура Цельсія. Одиницями Т90 та t90 є відповідно кельвін і градус Цельсія, так само, як і для температур Тта t. РОЗДІЛ 2 МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ КОЕФІЦІЄНТУ ТЕМПЕРАТУРОПРОВІДНОСТІ 2.1. Охолодження (нагрів) циліндра і кулі Задачі на охолодження циліндра або кулі по своїй постановці аналогічні розглянутій вище для пластини і допускають аналітичний розв’язок. При цьому весь хід розв’язку, основаного на застосуванні методу розділення змінних, виявляється подібним. Тому обмежимося лише записом математичного формулювання задачі і її остаточного розв’язку. Необмежений циліндр радіусом r0. . початкова умова: . граничні умови: ; . Розв’язок має вигляд , (2.1) де і – функції Бесселя першого роду нульового і першого порядку; , μn – розв’язки характеристичного рівняння . (2.2) Куля радіусом r0 . Початкова умова: . граничні умови: . Розв’язок має вигляд , (2.3) де , μn – розв’язки характеристичного рівняння . (2.4) Порівнюючи (4.40) і (4.42) з (4.33), можна побачити, що для тіл простої геометричної форми структура розв’язку виявляється однаковою , (2.5) де , – деякі сталі коефіцієнти, що визначається умовами однозначності (числом Біо) і геометрією; – функція координати. Значення і для тіл простої геометрії, так само, як і функції для характерних точок, розраховані і приведені в таблицях або графічно в довідковій літературі. 2.2 Регулярний тепловий режим Раніше було показано, що зміна температури тіла простої геометричної форми описується єдиним рівнянням (2.6) , де числа утворюють дискретну зростаючу послідовність Французький дослідник Буссинеськ (1900 р.) довів, що при охолодженні будь-якого однорідного тіла як завгодно складної форми поле температур описується тим самим рівнянням. Форма рівняння вказує, що для будь-яких умов задачі завжди можна вказати такий момент часу , починаючи з якого з достатнім ступенем точності розв’язок співпадатиме з першим членом, тобто при . (2.7) Таким чином, момент часу розділяє дві стадії протікання процесу нагріву (охолоджування): 1) – теплові збурення лише частково проникають в тіло, є і незбурені області. Природно, що при цьому важливу роль виконує початковий розподіл температур. Ця стадія процесу носить назву неврегульованої або нерегулярної; 2) – регулярний тепловий режим. На цій стадії початкові умови виконують другорядну роль, теплові збурення охоплюють весь об'єм тіла. З (4.50) слідує рівняння , (2.8) що є в напівлогарифмічних координатах рівняння прямої лінії (рис. 4.12). Величина (2.10) одержала назву темпу охолодження. Вона є відносною швидкістю зміни температури, оскільки з (4.51) слідує, . При встановленні регулярного режиму темп охолодження не залежить ні від координати, ні від часу, а визначається геометрією тіла, його фізичними властивостями і умовами теплообміну на поверхні. Теорія регулярного режиму була розвинена Г.М.Кондратьевим. Її найважливіші положення зводяться до наступного: Теорема Буссинеська справедлива також для складових і неоднорідних тіл. Для однорідних тіл, коли коефіцієнт тепловіддачі – кінцева величина, темп охолодження визначається наступним співвідношенням: , (2.11) де – коефіцієнт нерівномірності температурного поля, що є відношенням середнього по поверхні натиску до середнього за об'ємом. Рівняння (2.12) виражає 1-у теорему Кондратьева, яка свідчить, що темп охолодження однорідного і ізотропного тіла в регулярному режимі при кінцевій величині a пропорційний коефіцієнту тепловіддачі і обернено пропорційний повній теплоємності тіла. Рівняння (1.12) є нічим іншим, як співвідношення балансу тепла для стадії регулярного режиму. Насправді, для деякого тіла об'ємом V і з площею поверхні F . (2.13) Для стадії регулярного режиму , крім того, по теоремі про середнє (2.14) Підставляючи (2.14) в (2.13), одержимо вираз (2.12), який і потрібно було довести. Величина коефіцієнта ψ залежить від числа , де – узагальнений характерний лінійний розмір. Очевидно, при (рис. 2.1) температура однакова в усіх точках охолоджуваного тіла, тобто і, отже, . При (рис. 2.2) надлишкова температура поверхні рівна нулю і . Цікаво, що вид функції практично не залежить від геометрії охолоджуваного тіла і може бути описаний рівнянням, запропонованим Н. А. Яришевим: . (2.15) При темп охолоджування залишається кінцевою величиною і прагне до значення , (2.16) де К, м2 – коефіцієнт форми – параметр, що визначається геометрією тіла; а – коефіцієнт температуропровідності. Рівняння (2.16) носить назву 2-й теореми Кондратьева і є окремим випадком більш загального співвідношення (2.14). Для доведення запишемо умову теплообміну на границі тіла і підставимо його в (2.14), звідки отримаємо . (2.17) Порівнюючи (2.16) і (2.17), можна записати . Очевидно, на стадії регулярного режиму цей коефіцієнт залежить тільки від геометрії системи. Якщо відомий аналітичний вираз для і (а вони легко можуть бути розраховані при ), то можна знайти відповідний коефіцієнт форми. Для тіл простої геометричної форми коефіцієнт К може бути знайдений з достатньо простих міркувань. Згідно визначенню, , де μ1 – перший розв’язок характеристичного рівняння. Для пластини при (4.4) і ; для циліндра (перше коріння рівняння ) і ; для сфери і . Теорія регулярного режиму знаходить широке застосування для експериментального визначення теплофізичних властивостей речовин і дослідження тепловіддачі. Наприклад, 2-а теорема Кондратьева лежить в основі експериментального визначення коефіцієнта температуропровідності. Пристрій, що використовується в дослідах, представляє собою зразок з досліджуваного матеріалу, забезпечений пристроями для вимірювання температури, і носить назву (-калориметра. На поверхні зразка, що виготовляють звичайно у вигляді сфери або циліндра, забезпечують як найбільший коефіцієнт тепловіддачі, з тим щоб виконувалася умова . При охолодженні в стадії регулярного режиму проводяться вимірювання температури і по рівнянню (4.52) визначається темп охолоджування, а потім по рівнянню (4.57) – шуканий коефіцієнт температуропровідності. Перша теорема Кондратьева (4.53) використовується для експериментального дослідження тепловіддачі. При цьому прагнуть забезпечити умови, при яких і . Тоді, маючи в своєму розпорядженні залежність температури від часу і відомості по об'ємній теплоємності матеріалу зразка , можна знайти коефіцієнт тепловіддачі. Рис.3.1.Схема дослідної установки для вимірювання коефіцієнта температуропровідності методом регулярного режиму: 1 – дослідний зразок Рис.3.2. До визначення темпу регулярного режиму Вимірювання темпу регулярного режиму зазвичай виконують в наступному порядку. Дослідне тіло розміщують в термостат, в якому підтримується постійна температура рідини (рис.3.1). Рідина приводиться в рух гвинтом і інтенсивно обмиває поверхню тіла. Двома термопарами, ввімкнутими “назустріч” одна іншій, вимірюється надлишкова температура J = t – tpу довільній точці тіла в різні моменти часу. За результатами вимірів будується графік в напівлогарифмічних координатах lnJ, τ, як показано на рис.3.2. Величину темпу т визначають виміром катового коефіцієнта прямої лінії, яку утворюють дослідні точки після досягнення регулярного режиму. Слід зауважити, що цей метод визначення величини т годиться для речовин з низькою теплопровідністю [λ ≤ 0,5 Вт/(м·К)]. Дійсно, під час проведення досліджень необхідно забезпечити Ві ≥ 100, при цьому λ ≤ αδ/100 Вт/(м·К). Величина коефіцієнта тепловіддачі α в термостатах не перевищує 2000 Вт/(м2·К), а розміри тіла не перевищують 2δ = 0,05 м. Отже, λ ≤ αδ/Ві = 2000·0,05/(2·100) = 0,5 Вт/(м·К). Ця обставина обмежує використання регулярного режиму для вимірювання коефіцієнта температуропровідності в лабораторних умовах. Визначення коефіцієнта тепловіддачі на поверхні тіла, яке обмивається рідиною, також можна здійснювати за допомогою регулярного режиму нагрівання тіла. Розглянемо тіло з об’ємом V і поверхнею F, яке охолоджується потоком рідини так, що число Біо мале (Ві ≤ 1). Розподіл температури в тілі з малим числом Ві недалекий від рівномірного, тобто температура в довільній точці тіла t (x, y, z) у даний момент часу τ незначно відрізняється від середньої в об’ємі температуриt|(τ) у той же момент часу: (3.1) Розподіл температури у тілі визначається рівнянням Фур’є (3.2) і граничною умовою (3.3) Інтегруючи рівняння (3.2) за об’ємом, отримаємо: (3.4) Ліва частина цього виразу з урахуванням (3.1) перетворюється до: (3.5) Праву ж частину виразу (3.4) на підставі теореми Остроградського-Гаусса і умови (3.3) приводимо до виду (3.186) де α|( – середній за площею коефіцієнт тепловіддачі. Таким чином, виходить чи (3.8) де Загальний інтеграл рівняння має вид: Отже, і в розглядуваному випадку (для середніх температур і коефіцієнтів тепловіддачі) має місце експоненціальний регулярний режим. Величина т є темп зміни в часі середньої за об’ємом температури. Таким чином, для визначення середнього на поверхні тіла коефіцієнта тепловіддачі α| при малих значеннях чисел Біо (Ві ≤ 1) необхідно використовувати вираз (3.9) де т визначається способом, описаним вище. Такий метод отримання середньої величини коефіцієнта тепловіддачі з поверхні тіла можна застосовувати тільки при невеликих температурних напорах, коли теплофізичні параметри рідини і тіла можна вважати постійними величинами. Використання регулярного режиму для визначення в лабораторних умовах коефіцієнта тепловіддачі при зовнішньому обтіканні тіла обмежене невисоким значенням цього коефіцієнта. Дійсно, якщо взяти за вихідні параметри δ ≤ 0,25 м; λ ≤ 330 Вт/(м·К); Ві ≤ 0,1, то α| ≤ 0,1·330/0,025 ≈ 1300 Вт/(м2·К). 2.3. Періодичний нестаціонарний процес теплопровідності Для процесів такого типу замість початкових умов повинна ставитися умова періодичності , (2.18) де – період процесу. Для характеристики періодичних процесів використовують також частоту і кругову частоту. Розглянемо задачу теплопровідності напівобмеженого масиву, температура поверхні якого змінюється по періодичному закону (рис. 2.3). В даному випадку зручніше користуватися надлишковою температурою , оскільки така заміна призводить до нульової граничної умови на нескінченності. Математичний опис включає диференціальне рівняння теплопровідності в одновимірній постановці (2.19) і крайові умови . (2.20) Для побудови розв’язка скористаємося достатньо очевидними фізичними міркуваннями: Температура для кожного фіксованого періодично змінюватиметься в часі. Вглиб масиву розповсюджуються теплові хвилі, тому розв’язки повинні містити множник, що описує поведінку прогресуючої хвилі виду . Тут – хвильове число, що характеризує кількість хвиль завдовжки , що укладається на відрізку завдовжки . Оскільки ми припустили, що в глибині масиву, температурні коливання повинні затухати по мірі віддалення від поверхні. Можна припустити, що затухання описується експоненціальним законом вигляду , де m носить назву декремента затухання. Таким чином, передбачуваний розв’язок приймає наступний вигляд: (2.21) Неважко переконатися, що рівняння (2.21) задовольняє як граничним умовам, так і умовам періодичності. Якщо ж воно при певних значеннях К і m задовольняє диференціальне рівняння теплопровідності (2.19), то в цьому випадку воно є розв’язком поставленої задачі. Продиференціюємо (2.21) окремо за часом і двічі по координаті: , . Для того, щоб виконувалося рівняння, необхідне дотримання двох умов: . (2.22) З останньої рівності виходить, що і остаточний розв’язок задачі приймає наступний вигляд: . (2.23) Графічна інтерпретація розв’язку представлена на рис 4.2. Аналіз розв’язку. Довжина теплової хвилі складає . (2.24) На глибині амплітуда коливань температури зменшується в , тобто в 535 разів. Таким чином, значення є глибиною проникнення температурних флуктуацій. Як випливає з (4.65), вона сильно залежить від періоду протікання процесу і матеріалу масиву. Так, для ґрунтового покриву Землі добові коливання температури проникають на глибину м, а річні – до 20 м. Встановимо тепер, як поводиться тепловий потік на поверхні тіла: , , (2.25) або . (2.26а) Виявляється, що тепловий потік на поверхні зсунутий по фазі відносно зміни температури. Так само можна показати, що і для всієї решти точок тіла тепловий потік випереджає по фазі коливання температури на (рис. 2.3). В середньому за період потік тепла . Амплітуда коливань теплового потоку . РОЗДІЛ 3 3.1. СПОСІБ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВІДНОСТІ МАТЕРІАЛІВ Винахід може бути використано для масового і експресного контролю теплофізичних параметрів електронно-оптичних елементів з алмазів та інших матеріалів твердотільної технології при їх атестації. Запропоновано спосіб визначення температуропроводімості матеріалів, заснований на формуванні в зразку теплової дифракційної решітки шляхом опромінення його лазерним імпульсом, які мають просторово-періодичне розподіл щільності енергії в зразку, одночасному освітленні зразка світлом зондуючого лазера безперервної дії та визначенні за виміряним значенням періоду теплової решітки і часу загасання інтенсивності дифрагованого світла температуропровідності зразка. Для забезпечення можливості визначення температуропроводімості зразків малих розмірів з притаманними їм поверхневими дефектами і внутрішніми неоднорідностями вимірюють відстань між центрами дифракційних максимумів + і – першого порядків за допомогою термочувствительной платівки, встановленої на місце зразка, виділяють світло, діфрагіровать в обидва дифракційних порядку, діафрагмою з двома отворами , розташованими один від одного на измеренном відстані, і реєструють час загасання результуючого сигналу від виділених дифракційних максимумів. 2 мул. Винахід відноситься до теплофізичних вимірам і може бути використане для визначення температуропровідності рідин і твердих матеріалів, в тому числі для масового і експресного контролю теплофізичних параметрів електронно-оптичних елементів і теплоотводов з алмазів та інших матеріалів твердотільної технології при їх атестації. Відомий спосіб визначення температуропровідності, при якому на плоску поверхню зразка впливають сфокусованим лазерним імпульсом з гаусовим розподілом щільності енергії по радіусу [1]. Після припинення впливу отримують інформацію про релаксації терморельефа поверхні зразка в плямі впливу. Для цього опромінюють його поверхню зондирующим світловим пучком і реєструють тимчасову залежність кута відхилення відбитого пучка, на підставі чого обчислюють температуропровідність. Найбільш близьким за технічною сутністю до заявляється є спосіб визначення температуропровідності за допомогою теплових решіток [2]. Зазначений спосіб заснований на порушенні теплової дифракційної решітки в зразку шляхом впливу на нього коротким лазерним імпульсом, які мають просторово-періодичне розподіл щільності енергії за своїм перетину (наприклад, у вигляді штрихів з синусоїдальним профілем). Внаслідок поглинання часток лазерної енергії в речовині утворюється теплова решітка, а за рахунок температурної залежності його показника заломлення – фазова дифракційна решітка з періодом, рівним періоду збудження. Створену таким чином грати опромінюють одночасно світлом зондуючого лазера безперервної дії і спостерігають закон зміни інтенсивності одного з дифрагованих максимумів (+1 або -1 порядку). Розрахунки показують, що при невеликій дифракційної ефективності решітки (не вище 5%) закон зміни інтенсивності дифракції в часі в +1 або -1 порядок описується експонентою I1 = Iо e, де Iо – початкове після закінчення дії "гріє" лазерного імпульсу значення інтенсивності дифрагованого світла безперервного лазера; 0 = – постійна експоненціального затухання дифракції; o – період теплової решітки; – температуропровідність речовини. Таким чином, згідно [2] і всім подальшим модифікаціям методу вимірювання температуропровідності речовини зводиться до виміру періоду теплової фазової дифракційної решітки та постійної експоненціального затухання дифракції o одного їх дифрагованих максимумів. При зменшенні розмірів досліджуваного зразка, наприклад, до 0,5 мм і менше, що часто зустрічається в практиці, відбувається збільшення расходімості дифрагованого максимуму за рахунок дифракції світла зондуючого лазера на краях теплової решітки. Це призводить до того, що величина o залежить не тільки від періоду решітки та шуканої температупроводності речовини, але і від конкретного поперечного положення фотоприймача (або фільтрує діафрагми) щодо плями дифракції. Помилки положення фотоприймача у адміністратора площині призводять до подвійних помилок визначення. Встановити точно фотоприймач або фільтруючу діафрагму щодо плями дифракції представляється складним завданням, оскільки кожен вимірюваний зразок, виконаний зазвичай у вигляді пластинки, має свою клиновидность, поверхневі дефекти або внутрішні неоднорідності, які призводять до неконтрольованого поперечному зсуву дифрагованого максимуму чи спотворення його форми. У цих умовах необхідна юстирування положення фотоприймача для кожного конкретного зразка, що призводить до втрати точності вимірювань, а також до зниження продуктивності вимірювань. В основу винаходу покладено завдання визначення температуропровідності зразків малих розмірів (0,5 мм і менше) з притаманними їм поверхневими дефектами і внутрішніми неоднорідностями. Це завдання вирішується так, що за способом визначення температуропровідності матеріалів, заснованому на формуванні в зразку теплової дифракційної решітки шляхом опромінення його лазерним імпульсом, які мають просторово-періодичне розподіл щільності енергії в зразку, одночасному освітленні зразка світлом зондуючого лазера безперервної дії та визначенні за виміряним значенням періоду теплової решітки і часу загасання інтенсивності дифрагованого світла температуропровідності зразка, вимірюють відстань між центрами дифракційних максимумів + і – першого порядків за допомогою термочувствительной платівки, встановленої на місце зразка, виділяють світло, діфрагіровать в обидва дифракційних порядку, діафрагмою з двома отворами, розташованими один від одного на измеренном відстані, і реєструють час загасання результуючого сигналу від виділених дифракційних максимумів. Пояснюється це наступним. Очевидно, що незалежно від оптичних властивостей зразка, стану його поверхонь, наявності внутрішніх неоднорідностей або клиноподібності відстань між +1 і -1 порядками дифракції в площині діафрагми залишається постійним. У результаті дії перерахованих вище факторів може відбутися лише зміщення цих порядків як цілого або перекручення розподілу світла в них, притому однаковим чином. Згідно відомої теорії Фур’є-перетворень в оптиці кожній точці в площині діафрагми відповідає своя решітка в площині зразка. Отже, збільшення расходімості дифракційних максимумів (наприклад, за рахунок дифракції світла на краях теплової решітки обмеженого розміру) свідчить на мові фур’є-перетворення про наявність у зразку додаткових (крім основної) дифракційних решіток з періодами, що відрізняються від періоду o основних грат. Кожна з цих решіток релаксує зі своїм часом i =. У цих умовах наявність, наприклад, клиноподібності зразка зміщує дифракційні максимуми +1 і -1 порядків щодо фіксованих отворів діафрагми і таким чином кожен отвір пропускає випромінювання, діфрагіровать на тепловій решітці з періодом io При вимірюванні за способом, взятому в якості прототипу, це веде до помилку вимірювання температуропровідності, причому =. Якщо реєструвати випромінювання двох дифракційних максимумів, то картина радикально змінюється. Вище було відзначено, що обидва дифракційних максимуму "прив’язані" один до одного і змінюються залежно від оптичної якості зразка паралельним чином. Це призводить до того, що зміни періоду теплової грати для двох отворів діафрагми однакові за величиною і протилежні за знаком. Це дає підставу для запису наступних виразів для двох дифракційних максимумів: I +1 = I0 +1 e для першого отвору діафрагми; I-1 = I0-1e для другого отвору діафрагми. Припустимо, що I +1 про I-1о (це справедливо, якщо розподіл енергії в дифракційному максимумі симетрично щодо його центру, що майже завжди має місце на практиці), а також що 1. Ця умова легко виконати за допомогою простої под’юстіровкі положення діафрагми. Тоді нескладні перетворення дають для сумарного світлового потоку I +1 + I-1 = 2Iо e. З останнього співвідношення випливає, що незалежно від спотворюють факторів вимірювання і раніше дають час життя решітки o, відповідне періоду решітки o. Тим самим збільшується точність вимірювань і одночасно знімаються обмеження на розміри вимірюваного зразка. Крім того, інтенсивність сигналу збільшується вдвічі, що також веде до підвищення точності вимірювань. У разі невиконання умови I +1 про I-1о вимірюють результуючу інтенсивність дифракції шляхом перемноження двох сигналів + і – першого порядків. При такому варіанті не має значення співвідношення інтенсивностей дифракційних максимумів, так як при 1. I +1 I-1 = I0 +1 I0-1e. Таким чином, при перемножуванні сигналів дифракції отримують результуючий сигнал з початковим значенням I +1 про I-1о і затухаючий з постійною часу o / 2. На фіг. 1 представлені два варіанти схеми, реалізує спосіб; на фіг. 2 показана експериментальна залежність від поперечного положення фільтрує діафрагми, що пересувається в її площині по лінії, що з’єднує центри двох отворів, у разі виміру при прийомі випромінювання одним з

Дипломна робота Елементи і пристрої автоматики та систем керування

tinysinjka

29.12.2013 16:12-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись