Метод лазерной вспышки определения коэффициента температуропроводности реферат
Обновлено: 02.07.2024
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
1. Метод лазерной вспышки
. Описание лазерной установки ГОР-100М
. Расчет плотности мощности падающего излучения и размеров пучка
. Измерение мощности и времени импульса падающего лазерного излучения
Введение Коэффициенты температуропроводности и теплопроводности являются двумя из наиболее важных теплофизических параметров веществ и материалов, поскольку они характеризуют процесс переноса теплоты и изменение температуры в них. Для прогнозирования процессов охлаждения или моделирования температурных полей знание коэффициента температуропроводности крайне важно, так как без неё невозможно определить коэффициент теплопроводности.
Температуропроводность (коэффициент температуропроводности) - физическая величина , характеризующая скорость изменения температуры вещества в неравновесных тепловых процессах, численно равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости при постоянном давлении .
Величина коэффициента температуропроводности зависит от природы вещества. Жидкости и газы обладают сравнительно малой температуропроводностью. Металлы, напротив, имеют бо́льший коэффициент температуропроводности.
Существующие методы определения коэффициента температуропроводности материала подразделяют на стационарные и нестационарные.
Метод лазерной вспышки (метод лазерного импульса) относится к группе нестационарных методов, которые, в отличие от стационарных, не требуют длительного времени для установления теплового равновесия.
Основными достоинствами этого метода являются:
· Экспрессность (измерение длится секунды),
· малые размеры исследуемых образцов,
· при помощи одного прибора можно определять коэффициент термической диффузии, теплопроводности и теплоемкости,
· более широкий интервал температур, в котором этом метод применяется.
К недостаткам метода относятся прежде всего:
· высокая стоимость аппаратуры,
· повышенные требования к условиям эксперимента при испытании пористых и негомогенных материалов
Разработка лазерной установки для измерения коэффициента температуропроводности методом лазерной вспышки.
. Определить мощность лазерного излучения подаваемого на образец.
. Определить размеры лазерного пучка на образце.
. Разработать систему измерения мощности излучения и длительности лазерного импульса.
. Разработать систему измерения температуры образца в зависимости от времени.
1. Метод лазерной вспышки Сущность метода лазерной вспышки состоит в том, что короткий импульс лучистой энергии поглощается в тонком слое фронтальной поверхности плоского образца. Вызванное этим возмущение температуры регистрируется на тыльной поверхности образца (рис. 1).
Рис. 1 Метод Паркера (равномерное тепловое излучение падает на переднюю поверхность образца, сигнал снимается с обратной поверхности) Метод лазерной вспышки применяется при следующих допущениях (идеальная модель):
Проектирование лазерной установки для измерения коэффициента температуропроводности методом лазерной вспышки. Определение мощности лазерного излучения подаваемого на образец. Процесс измерения мощности излучения и длительности лазерного импульса.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 26.09.2017 |
| Размер файла | 900,9 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВПО ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.Т.КАЛАШНИКОВА
ФАКУЛЬТЕТ МАТЕМАТИКИ И ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
КУРСОВАЯ РАБОТА
-
Введение
- 1. Метод лазерной вспышки
- 2. Описание лабораторной лазерной установки
- 3. Описание лазерной установки ГОР - 100М
- 4. Выбор термопары
1. Определить мощность лазерного излучения подаваемого на образец.
2. Определить размеры лазерного пучка на образце.
3. Разработать систему измерения мощности излучения и длительности лазерного импульса.
4. Разработать систему измерения температуры образца в зависимости от времени.
1. Метод лазерной вспышки
лабораторный температуропроводность лазерный импульс
Сущность метода лазерной вспышки состоит в том, что короткий импульс лучистой энергии поглощается в тонком слое фронтальной поверхности плоского образца. Вызванное этим возмущение температуры регистрируется на тыльной поверхности образца (рис.1).
Рис. 1 Метод Паркера (равномерное тепловое излучение падает на переднюю поверхность образца, сигнал снимается с обратной поверхности)
Метод лазерной вспышки применяется при следующих допущениях (идеальная модель):
1. адиабатный, гомогенный, изотропный образец,
2. однородный импульсный нагрев,
3. стремящаяся к нулю длительность импульса.
Для применения данного метода к реальным условиям, были разработаны различные техники и модели, учитывающие неидеальность условий эксперимента:
1. потери тепла поверхностью образца,
2. конечность длительности лазерного импульса,
3. неоднородность импульсного нагрева,
4. негомогенность и неизотропность материала (например, в случае композитов).
Одним из наиболее распространенных импульсных методов измерения температуропроводности является метод лазерной вспышки. На переднюю поверхность плоского образца (рис. 1) подается тепловой импульс, созданный лазерным излучением. При этом предполагается, что отсутствуют тепловые потери, импульс мгновенный, а тепловой поток равномерный. Пренебрегаем потерями тепла вдоль осей .
В этом случае уравнение теплопроводности имеет вид:
где (z,t) - температура являющаяся функцией времени t и координаты z
Решение задачи теплопроводности с начальными условиями:
будет иметь вид:
где - толщина пластины, - удельный тепловой поток,
- удельная теплоемкость, - плотность образца.
На обратной стороне пластины ( = ) в безразмерных величинах выражение 3 можно записать так:
здесь имеет смысл безразмерной температуры, где - максимальная температура, - критерий Фурье, который имеет смысл безразмерного времени. Зависимость безразмерной температуры от критерия Фурье представлена на рис.2.
Рис. 2 Зависимость безразмерной температуры от критерия Фурье.
Температуропроводность вычисляется обычно по времени достижения значения температуры обратной поверхности половины от максимальной.
где - критерий Фурье (безразмерное время), при котором безразмерная температура образца обратной поверхности достигает половины максимального значения, - соответствующее время достижения половины максимальной температуры перегрева. Таким образом, измерив на обратной поверхности образца, можно вычислить значение коэффициента температуропроводности.
Рис 3. Нормированная эксперементальная кривая.
2. Описание установки
На рисунке 4 представлена схема лазерной лабораторной установки для измерения температуропроводности. В качестве излучателя 1 используется генератор оптический рубиновый ГОР-100М. Генератор оптический рубиновый ГОР-100М предназначается для получения мощных монохроматических узконаправленных импульсов когерентного света. На никелевый образец 3 толщиной 1мм подается лазерный импульс. Тепловой сигнал регистрируется при помощи хромель - копелевой термопары 9 с толщиной электродов 0.05 мм, привариваемой на обратной поверхности образца. Сигнал с термопары усиливается в блоке усиления 10. С выхода блока усиления сигнал поступает на вход запоминающего осциллографа 11.
Оптический клин 2 служит для отведения небольшого процента падающей энергии для измерения энергии падающего излучения и длительности импульса. Светоделительный куб 6 пропускает половину падающего на него излучения на измеритель мощности, а другую направляет на измеритель длительности импульса, которым в нашей установке является фотодиод 7 с осциллографом 8. Измерителем энергии служит измеритель калориметрический твердотельный ИКТ - 1Н, состоящий из измерительной головки 4 и блока регистрации 5.
Рис 4. Схема экспериментальной установки. 1 - Генератор оптический рубиновый ГОР-100М, 2 - оптический клин, 3 - никелевый образец, 4 - головка измерителя энергии ИКТ - 1Н, 5 - измеритель энергии ИКТ - 1Н. 6 - светоделительный куб, 7 - фотодиод, 8 - осциллограф, 9 - термопара хромель - копель, 10 - блок усилителей, 11 - осциллограф.
3. Описание лазерной установки ГОР - 100М
Генератор оптический рубиновый ГОР-100М предназначается для получения мощных монохроматических узконаправленных импульсов когерентного света.
Рубиновый стержень 1 распологается между зеркалами 2 и 3, которые образуют резонатор. Зеркало 2 имеет многослойное диэлектрическое покрытие с коэффициентом отражения 99.5% для света с длиной волны 694.3 нм (для увеличения стойкости покрытия зеркала в процессе эксплуатации прибора оно обращенно к торцу рубинового стержня стороной без покрытия). Зеркалом 3 служит плоскопараллельная стеклянная пластина. Оптическая накачка рубинового стержня осуществляется импульсными лампами 4. Для более полного использования светового потока, лампы и рубиновый стержень помещенны в камеру отражатель с зеркальной внутренней поверхностью (на рисунке не показана). Сменные фокусирующие обьективы 5 предназначены для концентрации излучения оптического генератора на различные обьекты. Защитное стекло 6 служит для предохранения короткофокусных обьективов от загрязнения.
Рис. 5 Схема расположения элементов лазера ГОР - 100М. 1 - рубиновый стержень, 2 - глухое зеркало, 3 - полупрозрачное зеркало, 4 - лампы накачки, 5 - линза, 6 - защитное стекло.
Тип лазера: твердотельный
Длина волны излучения, нм: 694,3
Номинальное значение энергии излучения, Дж: 100
Длительность импульса излучения, с: 0.003
Режим работы: одиночные импульсы с минимальным интервалом 3 минуты.
Средняя потребляемая мощность, Вт: 1000
Питание генератора осуществляется от сети переменного тока 22022 В, 50Гц
Охлаждение ламп и рубинового стержня - воздушное от вихревого холодильника
Генератор рассчитан для работы в интервале темератур окружающего воздуха от +5 до +35 при относительной влажности не выше 85%.
В качества обьекта исследования используем никелевый образец толщиной
Теплопроводность К = 90.4
4. Выбор термопары
Термопара - два различных проводника, один конец которых спаен и помещен в место измерения температуры (горячий контакт), а свободные концы помещены в термостат (холодный контакт). Термопары служат датчиками для измерения температуры.
Рассмотрим три вида термопар и выберем наиболее подходящую для нашей установки.
Существующие методы определения теплопроводности материала подразделяют на стационарные и нестационарные.
Метод лазерной вспышки (метод лазерного импульса) относится к группе нестационарных методов, которые, в отличие от стационарных, не требуют длительного времени для установления теплового равновесия.
- экспрессность, собственно измерение длится секунды
- малые размеры исследуемых образцов
- при помощи одного и того же инструмента исследуется широкий диапазон свойств, например, для приборов Aнтер (термическая диффузия - 0.001 … 10 см 2 /с, теплопроводность- 0.1 . 2000 Вт/м*K)
- при помощи одного прибора можно определять термическую диффузию, теплопроводность и теплоемкость
- высокая точность
- более широкий интервал температур, чем для стационарных методов (возможны испытания расплавов)
- высокая стоимость аппаратуры
- повышенные требования к условиям эксперимента при испытании пористых и негомогенных материалов
Сущность метода
Сущность метода лазерной вспышки состоит в том, что короткий импульс лучистой энергии поглощается в тонком слое фронтальной поверхности плоского образца - "таблетки". Вызванное этим возмущение температуры (рис.1, 2) регистрируется на тыльной поверхности образца.
Рис.1. Схема метода лазерной вспышки
Рис.2. График изменения температуры на тыльной поверхности образца в зависимости от времени.
А – идеальная кривая; B, C – реальные кривыеПолученная в этом случае информация содержит данные, связанные с коэффициентом температуропроводности (термической диффузии), теплоемкостью и теплопроводностью образца:
Для интерпретации результатов применяется метод, разработанный Паркером.
- адиабатный, гомогенный, изотропный образец
- однородный импульсный нагрев
- стремящаяся к 0 длительность импульса (импульс должен описываться распределением Дирака)
При облучении идеального образца при идеальных условиях температура обратной поверхности образца после облучения возрастает до определенного значения и затем остается постоянной (рис.2, кривая А)
На практике перечисленные идеальные условия труднодостижимы, поэтому на реальных кривых (рис.2, кривые B и C) наблюдается максимум , после достижения которого значения начинают уменьшаться.
- потери тепла и излучение поверхности образца,
- конечность лазерного импульса,
- неоднородность импульсного нагрева,
- негомогенность и неизотропность материала (например, в случае композитов).
Для учета потерь тепла и излучения поверхности образцы испытывают относительно образца сравнения или обрабатывают поверхность специальными материалами (графит).
Отличие от 0 длительности импульса компенсируют при помощи специального преобразования (finite correction).
Остальные неидеальности учитываются при помощи специальных моделей, заложенных в программном обеспечении.
Определение коэффициента термической диффузии, теплоемкости и теплопроводности по результатам эксперимента
Определение коэффициента термической диффузии
По зависимости температуры обратной поверхности образца (при помощи формулы 2) определяют температуропроводность (коэффициент термической диффузии). Затем, зная поглощенную образцом энергию, толщину, диаметр и массу образца можно определить теплоемкость материала, рассчитать плотность и теплопроводность материала.Определение теплоемкости
Несмотря на то, что определение температуропроводности является абсолютным методом, теплоемкость определяют дифференциальным методом: пробу испытывают относительно образца сравнения.При этом очень важно выполнение модельных допущений Паркера или введение описанных выше поправок, учитывающих неидеальность условий.
Для получения надежных результатов необходимо использовать автосэмплер. В этом случае тестирование пробы проводится непосредственно после испытания образца сравнения при тех же самых термических условиях.
Расчет теплопроводности
Теплопроводность рассчитывается из данных по определению температуропроводности и теплоемкости. Теплоемкость может быть определена либо методом лазерной вспышки как описано выше, либо независимо, при помощи дифференциального сканирующего калориметра.Расчет проводится по формуле (4), из которой следует необходимость информации о плотности вещества. Если известна масса и размеры пробы, то эта величина может быть легко рассчитана и введена в программу.
Аналитические приборы
Лабораторное оборудование
ГОСТ Р 57943-2017
(ИСО 22007-4:2008)НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Определение теплопроводности и температуропроводности
Метод лазерной вспышки
Plastics. Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity. Part 4. Laser flash method
Предисловие
1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" совместно с Автономной некоммерческой организацией "Центр нормирования, стандартизации и классификации композитов" при участии Объединения юридических лиц "Союз производителей композитов" на основе официального перевода на русский язык англоязычной версии указанного в пункте 4 стандарта, который выполнен ТК 497
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 497 "Композиты, конструкции и изделия из них"
4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 22007-4:2008* "Пластмассы. Определение теплопроводности и температуропроводности. Часть 4. Метод с применением лазерной вспышки" (ISO 22007-4:2008 "Plastics - Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity - Part 4: Laser flash method") путем изменения его структуры для приведения в соответствие с правилами, установленными в ГОСТ 1.5-2001 (подразделы 4.2 и 4.3), изменения отдельных фраз, которые выделены в тексте курсивом**, в целях соблюдения норм русского языка и технического стиля изложения, а также для учета особенности объекта и/или аспекта стандартизации, характерных для Российской Федерации.
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей.
** В оригинале обозначения и номера стандартов и нормативных документов приводятся обычным шрифтом, кроме отмеченного в разделе "Предисловие" знаком "**". - Примечание изготовителя базы данных.
Оригинальный текст невключенных структурных элементов международного стандарта приведен в дополнительном приложении ДА.
Дополнительные положения, включенные в текст стандарта, заключены в рамки. Пояснение причины включения дополнительных положений приведено в примечании.
Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой указанного международного стандарта приведено в дополнительном приложении ДБ.
Ссылка на ИСО 291 заменена ссылкой на соответствующий межгосударственный стандарт. Сведения о соответствии ссылочного межгосударственного стандарта международному стандарту, использованному в качестве ссылочного в примененном международном стандарте, приведены в дополнительном приложении ДВ.
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
1 Область применения
1.1 Настоящий стандарт устанавливает метод определения коэффициента температуропроводности и теплопроводности тонкого сплошного диска из пластмассы в направлении его толщины методом лазерной вспышки. Метод основан на измерении подъема температуры на задней поверхности образца, происходящего под действием поглощения короткого импульса энергии на его передней поверхности.
Примечание - В качестве образцов для испытаний также могут быть использованы сплошные пластины из пластмассы. При этом использование отличной от диска геометрии образца может приводить к большей погрешности измерения, вследствие неравномерной теплопередачи импульса лазера по всему объему образца и неравномерного отвода тепла.
1.2 Настоящий стандарт можно использовать для гомогенных сплошных пластмасс, а также композитов с изотропной или ортотропной структурой. В общем случае, данный стандарт охватывает материалы с коэффициентом температуропроводности в диапазоне 1·10 м/с
Читайте также: