CC BY
27
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК.620.2:536.2
А. М. Артанов, С. М. Перевозчиков, Л. Д. Загребин
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРИРУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: наноструктура, теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость.
Современные темпы развития технологий в металлургии, включая и наноструктурируемые, дают множество новых областей их применения, требующих получения информации о теплофизических свойствах веществ. Таким образом является актуальной задачей усовершенствование существующих методов, а также создание новых экспериментальных установок по измерению температуропроводности, позволяющих повысить точность и оперативность теплофизических измерений.
Keywords: nanostructure, thermal conductivity, thermal diffusivity, specific heat.
The current pace of technological development in the steel industry, including nanostrukturiruemye give many new fields of application requiring information on the thermophysical properties of substances. Thus is an urgent task to improve existing methods and the development of new experimental facilities on the measurement of thermal diffusivity, can improve the accuracy and efficiency of thermal measurements.
В настоящее время для измерения температуропроводности чаще всего используют импульсные методы измерения
температуропроводности и метод температурных волн. Применение импульсного метода измерения температуропроводности даёт возможность создать более простую установку, позволяющую с высокой оперативностью проводить измерения
теплофизических свойств металлов и сплавов различных форм [1].
Ранее [2] была разработана установка для измерения температуропроводности и теплоемкости металлов и сплавов. На основе ранее разработанной установке была выполнена автоматизация измерительной установки, позволяющая определять теплофизические характеристики мелкодисперсных материалов.
На рисунке 1 и 2 приведены структурная схема блока предварительных усилителей экспериментальной установки и измерительной ячейки на которой проводятся измерения температуропроводности наноструктурируемых материалов.
Структурная схема блока предварительных усилителей и преобразователя сигналов показана на рисунке 1 позволяет проводить измерения контактным и бесконтактным методом. При контактном методе сигнал с термопары (1) поступает на предварительный усилитель (3). Сигнал с него поступает на АЦП (7) и далее на персональный компьютер (ПК) для определения абсолютной температуры образца. Сигнал с усилителя (3) поступает на усилитель (4) где он усиливается и поступает на АЦП, преобразуется и выводится на ПК. Вспомогательный фотодатчик (8) определяет момент вспышки. Сигнал с него через усилитель (9) и АЦП поступает на ПК.
При бесконтактном методе проведения эксперимента сигнал с фотодатчика (6) типа ФД-7К поступает на усилитель (4) и далее на АЦП.
Абсолютная температура определяется по сигналу, поступающему в компьютер с термопары (1) через усилитель (3) и АЦП.
В качестве датчиков температуры применяются хромель-алюмелевыепри контактном способе измерения и вольфрам-рениевые термопары при бесконтактном.
E14-140 MD
'<t
з|=ЬГ
с калориметра
3 . , > ■. L
—. 4. L
£ s
g а
Запуск лазера
Связь С ПК
Рис. 1 - Структурная схема блока предварительных усилителей
Рис. 2 - Измерительная ячейка: 1 - углеродная ткань; 2 - исследуемый материал; 3 - ампула; 4 -ХА термопара
На рис. 2 представлена измерительная ячейка. Для проведения эксперимента толщина образца должна быть не более 2 мм для контактного метода и 1,3 для бесконтактного метода. Минимальный радиус образца должен быть 6 мм.
При контактном методе минимальная температура эксперимента равна 300К, для бесконтактного метода она равна 850К.
Преимуществом данной схемы измерения температуропроводности является:
• упрощена схема для проведения эксперимента;
• увеличена частота квантования;
• автоматизирован запуск измерений;
• подключение производиться через USB;
• процесс управления измерительной установкой производиться в операционной системе Windows.
Дополнительно в данную измерительную установку были включены и автоматизированы измерительные установки ИТ-с-400 и ИТ-Л-400 [3], с помощью которых возможно производить измерение теплоемкости, теплопроводности нанокристаллических материалов. Измерение теплофизических свойств (теплоемкости и теплопроводности) осуществляется методом динамического калориметра в режиме монотонного нагрева со средней скоростью 0,1К/с, с автоматическим регулированием температуры.
Обобщенная схема установки для измерения теплофизических свойств веществ представлена на рисунке 3.
Измерительные приборы ИТ-с-400, ИТ-Х-400 создают тепловое воздействие, подаваемый на образец в адиабатизированной оболочке. Изменение температур на образце регистрируется термопарами, усиливается блоком предварительных усилителей и поступает на вход АЦП и поступают на ПК. По измеренным величинам можно расчетным методом определить температуропроводность материала.
Она связана с теплоемкостью (СР), теплопроводностью (Л) и плотностью (р) следующим выражением:
Л
a =-
Срр
Автоматизируя выбранные измерительные установки ИТ-с-400 и ИТ-Л-400, достигаются следующие цели:
— уменьшается трудоемкость получения измерительной информации;
— возможность измерения теплоемкости и теплопроводности, обработки экспериментальных данных в процессе теплофизического эксперимента.
E14-140MD
Рис. 3 - Структурная схема стендов ИТ-с-400 и ИТ-Л-400
Литература
1. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твёрдых тел. Наука, Москва 1964. 488с.
2. М. Г. Камашев, В. С. Казаков, В. А. Сипайлов, Л. Д. Загребин, Измерительная техника, 5, 49 (1990)
3. Е.С. Платунов, И.В. Баранов, С.Е. Буравой и др. Теплофизические измерения. СПбГУНиПТ, СПб, 2010. 738 с.
© А. М. Артанов - аспирант, «ИжГТУ им. М.Т.Калашникова», artanov525@mail.ru; С. М. Перевозчиков- к.ф.-м.н., «ИжГТУ им. М.Т.Калашникова», psm@idz.ru; Л. Д. Загребин- д.ф.-м.н., профессор, «ИжГТУ им. М.Т.Калашникова», zagrebin38@mail.ru.
© A. M. Artanov - PhD candidate, "IzhSTU name M.T. Kalashnikov», artanov525@mail.ru; S. M. Perevozchikov - Cand. Sci. (Phys.-Math.), "IzhSTU name Kalashnikov", psm@idz.ru; L. D. Zagrebin - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, "IzhSTU name Kalashnikov», zagrebin38@mail.ru.
