Автоматизированная установка для измерения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных материалов

Дударев, Роман Владимирович

Автоматизированная установка для измерения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Дударев, Роман Владимирович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Барнаул МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Автоматизированная установка для измерения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных материалов»

Автореферат диссертации на тему "Автоматизированная установка для измерения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных материалов"

На правах рукописи

ДУДАРЕВ Роман Владимирович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ АНИЗОТРОПНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2004

Работа выполнена в Алтайском государственном университете

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Старцев Олег Владимирович, кандидат технических наук, профессор Шатохин Александр Семенович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Якунин Алексей Григорьевич,

кандидат физико-математических наук, доцент Демин Виктор Валентинович

Ведущая организация:

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Защита состоится 18 февраля 2004 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в Алтайском государственном университете по адресу: 656049, г. Барнаул-49, пр. Ленина, 61

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета

Автореферат разослан января 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

РудерД.Д.

2004-4' 25365

^ЯЗё'Рг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИ КА РАБОТЫ.

Актуальность работы

Процессы переноса тепла имеют большое практическое значение в авиации, космонавтике и энергетике, в технологических процессах химической, строительной, легкой, тяжелой и других отраслях промышленности. Расчеты температурных полей и тепловых режимов аппаратов, машин и элементов конструкций связаны с решением задач теплопроводности, нахождением теплофизических свойств материалов и синтезом материалов с заданными свойствами.

Полимерные материалы и покрытия из-за низких коэффициентов теплопроводности значительно снижают эффективность теплообмена, что совершенно необходимо, когда требуется обеспечить теплоизолирующие свойства, например, реактивного двигателя летательного аппарата от окружающих его узлов и механизмов, или, наоборот, внутренней части замкнутого пространства спускаемого аппарата от воздействия высокой внешней температуры. По сравнению с другими материалами полимеры обладают очень низкими коэффициентами теплопроводности, что наряду с довольно высокой прочностью, химической стойкостью и низкой плотностью, не токсичностью при горении, делает их просто незаменимыми в авиационной и космической промышленности.

Однако часто требуются материалы не только с предельно низкими коэффициентами теплопроводности, но и с как можно более высокими. Одним из практических путей повышения коэффициента теплопроводности является введение в полимерную матрицу дисперсных наполнителей, обладающих высокими значениями коэффициента теплопроводности X. В качестве таких материалов могут использоваться металлические порошки, оксиды металлов, графит и др. При этом меняется структура полимера и наблюдается изменение коэффициентов теплопроводности и температуропроводности. Среди большого разнообразия полимерных материалов особое положение занимают композиционные материалы на основе эпоксидных матриц и разнообразных армирующих волокон. Такие системы, например, углепластики, с резко выраженной анизотропией теплофизических свойств, перспективны и как конструкционные материалы и как материалы для регулирования теплообмена.

Нильсона, учитывающее отношение коэффициентов теплопроводности наполнителя и полимера, форму частиц наполнителя, коэффициент Пуассона полимерной матрицы; формулу Оделевского, учитывающую форму частиц наполнителя и характер их решетки. Эти и другие методы позволяют лишь приближенно оценить тепло физические коэффициенты материалов. Для систем с малыми объемными концентрациями наполнителя или анизотропными материалами ошибка расчетов может достигать 30 и более процентов. Более точные значения теплофизических коэффициентов материалов получают экспериментально.

Теплофизические коэффициенты материалов обычно получают, измеряя распределение температуры тела. Измерения температуры можно осуществить различными способами. В настоящее время для измерения температуры применяются: жидкостные, манометрические, дилатометрические, биметаллические, термоэлектрические,

полупроводниковые, металлические, акустические, кварцевые, квадрупольные ядерные, магнитные, шумовые термометры, пирометры излучения и др. При выборе методов и средств измерения температуры для проведения экспериментов по определению теплофизических коэффициентов материала решающим фактором является диапазон измеряемых температур и требуемая точность.

Оперативный контроль теплофизических параметров на этапах разработки и изготовления новых композиционных материалов возможен только с применением автоматизированных установок, требования к которым определяются, исходя из конкретных задач. К настоящему времени создано достаточно большое количество разнообразных отечественных экспериментальных установок для измерения теплофизических коэффициентов материалов. Однако при их использовании экспериментаторы всегда сталкиваются с огромной трудоемкостью и большой длительностью экспериментов. Обычно за один рабочий день удается провести измерения не более чем для одного образца. При такой монотонной работе нередко возникают ошибки, связанные с невнимательностью оператора. Кроме того, эти установки не позволяют измерять теплофизические коэффициенты анизотропных материалов. Таким образом, разработка автоматизированной установки и экспресс-методики измерения коэффициентов температуропроводности анизотропных материалов является актуальной задачей.

Цель и задачи исследований

Целью работы является разработка и создание автоматизированной установки и методики, позволяющих получать на примере углепластиков пространственное распределение коэффициентов теплопроводности и температуропроводности анизотропных полимерных материалов.

В соответствии с целью работы сформулированы следующие задачи;

1. Проанализировать существующие методы измерения теплофизических коэффициентов материалов, выявить метод, наиболее подходящий для оперативных измерений и определить структуру автоматизированной установки для теплофизических измерений анизотропных материалов.

2. Разработать аппаратную платформу для измерения теплофизических коэффициентов анизотропных материалов, программное обеспечение для проведения автоматизированных измерений, расчета теплофизических коэффициентов анизотропных материалов, алгоритмы автоматизированного проведения эксперимента, градуировки и обработки информации.

3. Исследовать погрешности, нелинейность и возможности экспериментальной установки и разработать методику измерения теплофизических коэффициентов анизотропных материалов.

4. Провести экспериментальные исследования теплофизических свойств серии анизотропных материалов (углепластиков) авиационного назначения и осуществить внедрение результатов работы.

Научная новизна

1. Предложена структура автоматизированной установки для проведения неразрушающего контроля и измерения пространственного распределения теплофизических коэффициентов анизотропных материалов, базирующаяся на многоточечном измерении температуры образца. Разработаны алгоритмы проведения градуировки измерительных каналов установки и проведения измерений в автоматическом режиме.

2. Экспериментально обоснована возможность определения коэффициентов температуропроводности гетерогенных полимерных композиционных материалов с помощью модели распространения теплового импульса нагревателя в квазигомогенной среде, позволяющей связать измеряемые изменения температуры с теплофизическими коэффициентами исследуемого материала.

3. Разработана методика определения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных композиционных материалов, основанная на измерении параметров теплового импульса.

Практическая значимость работы

1. Разработана, изготовлена и внедрена автоматизированная установка для измерения коэффициента температуропроводности полимеров и полимерных композиционных материалов нестационарным импульсным методом в диапазоне температур от 15 °С до 35 °С.

2. Создана измерительная ячейка и измерительно-управляющий блок, позволяющие отслеживать в реальном режиме времени пространственное распределение температуры в образце при импульсном нагреве.

3. Разработанная установка позволяет проводить контактные измерения температуры и может быть использована для измерения тешюфизических характеристик других материалов, любых тепловых полей в диапазоне температур от 15 °С до 35 °С. Она также может быть использована в учебном процессе по физике твердого тела, по теплофизике, электронике и микропроцессорным системам.

Основные защищаемые положения

1. Структура автоматизированной установки для измерений тешюфизических коэффициентов полимерных материалов в реальном режиме времени.

2. Методика определения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных композиционных материалов, основанная на измерении параметров теплового импульса.

3. Результаты исследований углепластиков авиационного назначения, в том числе, углепластиков, модифицированных шунгитовыми структурами.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов измерений, полученных с помощью предложенной методики, теплофизических характеристик органического стекла марки СО-120 и углепластика марки ЭЛУР-0.1П/ВС2515, с литературными данными. Достоверность также подтверждается воспроизводимостью результатов измерений при исследованиях нескольких серий параллельных образцов. Внедрение результатов диссертационной работы

Методика автоматизированного экспресс-определения

теплопроводности углепластиков внедрена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский институт авиационных материалов" для оперативного контроля при разработке новых полимерных композиционных материалов с заданными теплофизическими свойствами. Разработанная установка используется при выполнении научно-исследовательских работ в лаборатории физики полимеров Алтайского государственного университета и НИИ Экологического мониторинга.

Апробация научных результатов и публикации

Основные результаты настоящей диссертационной работы отражены в 10 работах. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных и Всероссийских научных конференциях: «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред ЭМФ 2001» (Барнаул, 2001), «Методы и средства измерений» (Н.Новгород, МВВО АТН РФ, 2002), «Датчики и системы» (Санкт-Петербург, 2002), «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Москва, 2002), «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2002, 2003), «6th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument engineering Proceedings APEIE-2002» (Новосибирск, 2002), на научно-технических семинарах кафедры ВТиЭ ФТФ АлтГУ. Личный вклад

Автору принадлежат основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, в том числе, разработка и изготовление автоматизированной установки, разработка методики определения коэффициентов теплопроводности углепластиков в трансверсальном направлении и плоскости армирования при генерации импульсного теплового потока, результаты измерений и моделирования теплопереноса с учетом анизотропии свойств материалов. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Она изложена на 129 страницах, включая 35 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 114 названий.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, приводятся доводы в пользу нестационарного импульсного метода измерения теплофизических коэффициентов материалов, формулируются цели и задачи работы, а также основные защищаемые положения.

Первая глава содержит обзор литературы, в котором рассмотрены сведения о методах измерения теплофизических коэффициентов материалов. В ней рассмотрены и проанализированы способы построения приборов для измерения теплофизических коэффициентов и основные проблемы, возникающие при их использовании. По результатам выполненного анализа произведен выбор направления исследований, который обеспечивает решение сформулированных задач и улучшение надежности и функциональных возможностей нестационарных импульсных методов измерения теплофизических коэффициентов.

Во второй главе приведены результаты температурных измерений с расположением исследуемого образца между двумя буферными элементами из материала с подобными физическими свойствами. Изучена возможность использования методики измерения теплофизических коэффициентов при генерации импульсного теплового потока. Предложен алгоритм построения математической модели теплопроводности, в которой гетерогенный полимерный композиционный материал представляется в виде квазигомогенной анизотропной среды, позволяющей связать измеряемые изменения температуры с теплофизическими коэффициентами исследуемого материала. Проведена оценка влияния продолжительности нагрева образца и выделенного количества теплоты на характеристики теплопереноса. Обоснован выбор используемых датчиков и микроконтроллеров, входящих в состав измерительной установки. Оценена работоспособность предложенной методики получения теплофизических коэффициентов. Исследованы основные метрологические характеристики установки, построенной по предложенным принципам. Особое внимание уделено проведению градуировки системы измерения температуры. Приведено краткое описание разработанного комплекса и программного обеспечения.

В качестве математической модели способа измерения теплофизических коэффициентов материалов, выбрана модель распространения тепла в квазигомогенной среде. Предполагается, что тепло передается в бесконечной среде от мгновенного точечного источника при одинаковой начальной температуре. На бесконечном удалении от источника температура постоянна (рис. 1). Данную задачу можно представить в виде решения однородного уравнения теплопроводности

с краевыми условиями:

(1)

Функция ¿/0(р) характеризует температурное поле некоторого источника тепла, которое выделяется в начальный момент времени г=0. Полагая, что этот источник является точечным, иа{?} можно представить с

использованием 5- функции:

где: ^ температура; То- начальная температура; 7 - радиус-вектор; Q -полное количество теплоты, выделяемое источником; а - коэффициент

где Т- температура; То- начальная температура; 0 - перегрев Т-Т; г - расстояние от источника тепла; Q - количество теплоты; а - коэффициент температуропроводности; ( - время; с - удельная теплоемкость тела; р -плотность; Fo - параметр Фурье.

Для получения зависимостей теплофизических коэффициентов от направления предложено использовать информацию о месте расположения точки измерения температурного перепада в пространстве.

Как показано в литературе, при проведении теоретических расчетов тепловых полей следует иметь в виду, что истинную форму тела для удобства расчета можно мысленно изменить. Это может быть выполнено двумя способами - путем деформации тела при неизменном объеме, или путем изменения объема тела. Граница может рассматриваться как пассивная, если на ней температура и градиент температуры за расчетный интервал времени остаются неизменными.

Проведенная оценка изменения температуры исследуемого материала при воздействии теплового импульса со следующими параметрами р=2000 кг/м3; с=1 кДж/(кг-град); a=2-10'7 м2/с; Q=10Дж; йэ=0°С и расстояниями от 0,005 м до 0,1 м, показала, что максимальное изменение температуры не превышает 0,4 °С, что составляет 1% от максимальной температуры датчика, расположенного на расстоянии 5 мм и

1,75 % и 10 % от максимальной температуры датчика, расположенного на расстоянии 25 мм и 50 мм соответственно. Следовательно, пассивную границу для данного материала можно выбрать на расстоянии 100 мм и перенести ее в бесконечность. На рис. 2 изображен график изменения температуры на расстоянии 100 мм от нагревателя.

Время, с

Рис. 2. График изменениятемпературы нарасстоянии 100мм от

нагревателя

Практическая реализация этой теоретической модели предполагает наличие образца конечных размеров, расположенного в нем нагревателя, датчиков температуры, системы сбора и обработки информации.

Измерительная ячейка предназначена для получения тепловых потоков в образце при импульсном нагреве, измерительно-управляющий блок (ИУБ) осуществляет управление нагревателем в ячейке и производит передачу информации в цифровом виде с датчиков ячейки в компьютер,' где осуществляется ее обработка и хранение.

Приближение условий эксперимента к теоретической модели происходит за счет увеличения объема среды. Образец в виде квадратной пластины размером 100x100 мм и толщиной от 1 мм до 5 мм, помещается между буферными элементами измерительной ячейки, изготовленными из углепластика УТ/900 УОЛ с наполнителем ЭНФБ, имеющими размеры 100x100x23,5 мм. Это позволяет достичь объема углепластика не менее 470 см3. Благодаря тому, что буферные элементы измерительной ячейки обладают тепловыми свойствами, схожими со свойствами образца, и время действия нагревательного элемента ~ 1 % от времени протекания эксперимента, то можно рассматривать распространение тепла в измерительной ячейке, как распространение тепла от точечного мгновенного источника в бесконечное тело (1).

Тепловой импульс, создаваемый в измерительной ячейке нагревателем, с течением времени распространяется по образцу, и температура на его поверхности фиксируется датчиками. Нагреватель расположен в центре нижнего буферного элемента (рис.3) и представляет собой медный цилиндр диаметром 5 мм и длинной 30 мм, с намотанной на нем нихромовой спиралью сопротивлением 12600м. Теплоизоляция цилиндрической поверхности осуществляется с помощью слоя слюды толщиной 1 мм.

нагреватель ' датчик 1

Рис.3. Поперечныйразрез измерительной ячейки

Для получения теплофизических коэффициентов анизотропных материалов использовано восемь датчиков, схема расположения которых показана на рис.4.

/ 3

( 0/ ОА П 1 V 1

г /

Рис.4. Схема расположения датчиков в буферных элементах

Такое расположение датчиков было выбрано исходя из предположения, что анизотропия теплофизических коэффициентов обладает симметрией, относительно линии, проходящей через центр образца в плоскости большой грани параллельно одной из сторон. Следовательно, измеряя распространение теплового потока в I квадранте образца, можно ожидать, что в III квадранте наблюдается точно такая же картина. Все датчики расположены в шахматном порядке для уменьшения влияния на распространение теплового потока. Кроме того, два датчика расположены с противоположной стороны нагревателя относительно основного квадранта для контроля распространения теплового потока и один датчик в верхнем буферном элементе для измерения потока в направлении, перпендикулярном плоскости большой грани образца. В качестве датчиков использованы бусинковые терморезисторы СТЗ-18 диаметром 0,5 мм, выполненные на основе медно-кобальто-марганцевого сплава с постоянной времени 1 с.

Выше предполагалось, что датчики имеют бесконечно малую постоянную времени, однако лучшие серийно выпускаемые образцы отечественных и зарубежных терморезисторов имеют постоянные времени порядка одной секунды. В связи с этим возникла необходимость оценить, как сильно будет искажаться реальная картина распространения тепла при использовании датчиков, обладающих тепловой инерционностью. Для этого в качестве модели датчика использован фильтр нижних частот первого порядка с постоянной времени 1 с. На рис. 5 представлены графики входного сигнала и сигнала после фильтрации цифровым нерекурсивным фильтром первого порядка для датчика, расположенного на расстоянии 25 мм от нагревателя.

Рис.5. Сравнение входного сигнала и сигнала, прошедшего через фильтр нижних частот с частотой среза 1 Гц

—•—50 мм

О 5 10 15 го 25 » М »

Время, с

Коэффициент корреляции этих кривых составляет 0,999; Следовательно, можно утверждать, что сигналы практически не отличаются, и для измерений выбранные датчики можно . считать датчиками с бесконечно малой постоянной времени.

Измерительно-управляющий блок выполнен на базе двух микроконтроллеров Р1С16Р877 и предназначен для управления нагревателем и предварительной обработки сигналов шестнадцати датчиков температуры. Так как терморезисторы являются пассивными датчиками, для измерения их сопротивления использована мостовая схема, а для устранения влияния соединительных проводов использована трехточечная схема включения в мост. Сигналы снимаются с диагоналей мостов, усиливаются, фильтруются и подаются на АЦП микроконтроллеров, после чего полученный цифровой код по интерфейсу Я8-232С передается в компьютер, где производится вычисление теплофизических коэффициентов и хранение полученной информации. Такая схема позволяет автоматизировать не только процесс измерений и обработки полученной информации, но и проведение самого эксперимента т.к. устройство является программируемым и позволяет изменять как время нагрева, так и. частоту дискретизации в зависимости от плана эксперимента.

Любое средство измерения физических величин должно иметь нормированные метрологические характеристики и воспроизводить и (или) хранить единицу физической величины в течение известного интервала времени. Для этого проводят градуировку. При градуировке рекомендуется использовать следующие методы: непосредственного сличения, сличения при помощи компаратора, прямых и косвенных измерений. Градуировку можно осуществить путем сравнения с образцовыми термометрами или по реперным точкам. При этом необходимо следить за тем, чтобы погрешности в результате подвода или отвода тепла были минимальны. Очень важно соблюдать время выдержки термометра в среде до достижения установившегося значения температуры, что существенно зависит от конструкции и размеров термометра.

Всю аппаратуру, используемую для градуировки, можно разделить на две группы: аппаратура для установления любого значения температуры с высокой стабильностью; аппаратура для получения фазовых состояний химически чистых веществ. В нашем случае предполагается проводить измерения температуры и вычисление тензора теплофизических коэффициентов в диапазоне измеряемых температур от 15°С до 35°С. В таблицах реперных опорных точек, используемых для градуировки средств измерения температуры, ни одна не попадает в указанный интервал. Поэтому для использования этого метода необходимо или существенно

расширить диапазон измеряемых температур, что снизит точность и чувствительность, или использовать метод непосредственного сличения. При контакте терморезистора с жидкостью у него существенно меняется сопротивление, поэтому для градуировки необходимо использовать термостат с воздушной средой.

Рассмотрим методику получения градуировочной характеристики одного измерительного канала на примере канала № 0 Для остальных каналов методика в точности повторяется

Измерительная ячейка помещается вместе с образцовым термометром в термокамеру. Термометр имеет цену деления 0,1°С и диапазон от 10°С до 40°С. Для обеспечения хорошего теплового контакта и уменьшения погрешности он приведен в соприкосновение с измерительной ячейкой в точке расположения датчика № 0 Кроме того, место контакта смазано термопастой. Вначале с помощью подстроечных резисторов ИУБ выставляется ноль АЦП при температуре 15°С для градуируемого канала. После этого термокамера включается на медленный прогрев. Нагрев на 20°С осуществляется несколько десятков часов, это позволяет считать, что градиент температуры между датчиком и образцовым термометром практически отсутствует или очень мал так, что им можно пренебречь Через каждые 50 единиц АЦП снимаются показания термометра Показания снимаются также при изменении и стабилизации значений АПЦ на единицу. После достижения максимальной измеряемой температуры нагрев выключается, и такая же процедура получения градуировочных точек повторяется, но уже при охлаждении термокамеры.

После этого строится градуировочная кривая и доверительные интервалы для каждого измерительного канала установки согласно действующим стандартам. Так как вид функциональной зависимости градуировочной кривой известен, а именно он определяется нелинейностью используемого терморезистора, градуировочная кривая которого представляет собой экспоненту, для аппроксимации

экспериментальных данных использована формула: , где Т-

температура, АЦП - показания АЦП микроконтроллеров, а, p -параметры аппроксимации. Полученный таким образом график для канала № 0 показан на рис. 6.

Рис. 6. Градуировочнаякривая измерительногоканалаустановки

Для точного измерения температуры при- воздействии теплового импульса на образец очень важно обеспечить хороший тепловой контакт между буферными элементами и образцом. Нередко образцы исследуемого материала имеют не идеально плоскую поверхность, а седловидную. Поэтому для обеспечения теплового контакта необходимо приложить внешнюю нагрузку. Для выяснения ее величины была проведена серия экспериментов над различными образцами. В качестве критерия, по которому можно оценить минимальную нагрузку, выбрана величина максимальной температуры всех датчиков самого деформированного образца. Типичная зависимость показана на рис.7.

29 ■ I ■ I—■ . ■ |—■ I ■ ,—г—, 20 40 60 80. 100 120 140

Прижимающая нагрузка, Н

Рис.7. Зависимостьмаксимальной температуры от приложенной внешней прижимающейнагрузки

Из графика видно, что при нагрузке больше 70 Н максимальная температура стабилизируется, следовательно, эту нагрузку можно считать минимальной и при ее воздействии в дальнейшем проводить измерения. Количество энергии, выделяемой нагревателем, описывается формулой: 0_ , где Q - выделенная энергия; U - напряжение питания нагревателя;

R - сопротивление нагревателя; t - время нагрева. Ряд проведенных экспериментов с различными напряжениями питания нагревателя и временем нагрева показал, что экспериментальные кривые имеют одну форму, однако для наилучшего моделирования мгновенного источника тепла решено количество выделяемой энергии варьировать только временем нагрева при фиксированном максимальном напряжении питания +250 В. На рис. 8 показаны типичные кривые, получаемые в ходе эксперимента.

0 100 200 300 400

Время, с

Рис. 8. Эволюция показаний температурныхдатчиков после теплового

импуяьса(102Дж) Экспериментально установлено, что после воздействия теплового импульса на образец градиент температуры в ячейке можно считать пренебрежимо малым через время порядка 4000 секунд. По прошествии этого времени можно осуществлять следующее тепловое воздействие на образец.

Следующим шагом в развитии метода явился учет объема нагревателя. Для моделирования распространенности нагревателя в пространстве и времени введена сетка, узлы которой представляют собой точечные мгновенные источники, описываемые формулой (2). Количество пространственно распределенных источников выбиралось из условия, что при увеличении количества источников на 10%, результирующее воздействие изменяется менее чем на 1%. Таким образом, было получено, что необходимо учитывать влияние около 40000 точечных источников.

Результирующее воздействие ©^з, от представленного таким образом нагревателя есть среднее арифметическое безразмерных температур 0. Затем, после нормирования экспериментальных данных и 0р„ на единицу, методом золотого сечения ищется минимум следующего функционала:

Ла) = >/(|М-17'э"7Фг (3)

Найденное таким способом значение а и есть искомое значение коэффициента температуропроводности материала в направлении расположения датчика.

В современных микропроцессорных измерительных приборах очень часто вычисления искомой измеряемой величины производятся автоматически, без участия человека, на основании некоторой математической модели изучаемого процесса. В этом случае результат измерений определяется способом, характерным для прямых измерений, при этом имеется возможность учесть отдельно методическую погрешность расчета. Методическая погрешность получена как погрешность нахождения параметра формулы (3), она рассчитана на основе оценки погрешностей регрессионного анализа экспериментальных данных и составляет для разных датчиков от 3 до 5 процентов.

Таким образом, установка обеспечивает измерение температуры по шестнадцати каналам с частотой до 2800 отсчетов в секунду, в диапазоне от +15 °С до +35 °С. Чувствительность составляет 50АЦП/°С для начального участка шкалы (0,02 °С/АЦП), для конечного участка 26 АЦП/°С (0,038 °С/АЦП). При этом точность измерения температуры не хуже 0,5 %, методическая погрешность найденного коэффициента температуропроводности а не превышает 5 %.

Угловая зависимость определена, исходя из геометрии

армирования буферов, с помощью следующей модели:

а1_([ип(Й

'Ч А' ) (

-7)

1 = 0...6,

где: аф - коэффициент температуропроводности, нормированный на расстояние от источника; индекс / - номер датчика; ф, - угол относительно оси Ох; Ах - длина полуоси эллипса вдоль оси Ох; А - длина полуоси эллипса вдоль оси Оу; у - угол между осью Ох и малой полуосью эллипса распределения аг.

Эксперименты, проведенные на ячейке с армированием -30°, -60°, 0°, показали, что поверхностные слои -30° и более заглубленный -60° оказали влияние на распределение коэффициента температуропроводности и сместили главную ось эллипса. Наклон оси эллипса составил у~ 6,2+0,3 градусов (рис.9, кривая 1).

Для проверки гипотезы о преобладающем влиянии армирующих волокон на теплофизические коэффициенты была изготовлена ячейка, имеющая в своем составе шестнадцать датчиков температуры для детального выяснения характера распространения тепловой волны в образце из материала с укладкой армирующих волокон только в одном направлении. Результаты исследования показали, что в этом случае не происходит смещения главной оси эллипса относительно направления армирования (рис.9, кривая 2). Кроме того, эксперименты с изотропными материалами, одним из которых был контрольный образец полиметилметакрилата (авиационного органического стекла марки СО-120) при вычислении коэффициентов температуропроводности дают значения, хорошо описываемые уравнением окружности.

270

Рис. 9. Распределение коэффициента температуропроводности поуглам

Кроме того, была проведена серия экспериментов над образцами 430-438 с одинаковым составом и характером армирования, отличающихся между собой толщиной. Полученные результаты с учетом погрешности совпадают между собой. Таким образом, описываемая ячейка позволяет исследовать теплофизические свойства материалов при условии, что их теплофизические характеристики (теплопроводность, температуропроводность) совпадают с характеристиками буферных элементов или значительно их превосходят. В этом случае основной тепловой поток идет через исследуемый материал.

В третьей главе рассмотрены объекты исследований - группа композиционных материалов авиационного и космического назначения, предложена методика экспресс определения теплофизических коэффициентов анизотропных материалов, конструкция ячейки для ее реализации и математическая модель эксперимента. Приводятся результаты исследования углепластиков на основе эпоксиноволочного

связующего марки ЭНФБ с различными модификаторами с использованием разработанной установки по предложенной методике. Все образцы, предоставленные ФГУП ВИЛМ (Москва), представляли собой пластины толщиной от 0,59 мм до 3,06 мм с размерами 100x100 мм2.

В результате выполненных исследований было установлено, что для увеличения теплового потока через образец необходимо использовать буферные элементы из материала с коэффициентом теплопроводности, по меньшей мере, на порядок более низким, чем коэффициент теплопроводности образца. Но углепластики имеют довольно низкий коэффициент теплопроводности, поэтому в качестве буферных элементов идеально было бы выбрать вакуум. В рамках этой работы создание вакуумной ячейки было сопряжено с определенными техническими трудностями. Поэтому в качестве буферных элементов был выбран воздух, который вполне соответствует указанным требованиям к буферным элементам. Кроме того, учитывая идентичность и хорошую воспроизводимость результатов температурных измерений, было решено уменьшить количество датчиков и расположить их в направлении 0 и 90 градусов и с противоположной стороны образца напротив нагревателя. Такого количества и расположения датчиков оказалось вполне достаточно для надежного измерения температуропроводности образца. Изготовленная таким образом измерительная ячейка помешается под предохранительный колпак. Небольшое количество датчиков существенно ускоряет процесс обработки полученных температурных кривых. Изменение физической схемы эксперимента потребовало дополнительного уточнения математической модели теплопереноса. Предполагается, что внутри материала существуют два источника, один положительный q1 действует с начала эксперимента, второй отрицательный q2 спустя некоторое время ^ Такая модель источников моделирует импульс тепла, передаваемый материалу в начале эксперимента.

где Т - измеренная температура на расстоянии г от источника

); - функция Хевисайда; ^ - время включения второго

источника; Т0 - начальная температура; Бо1, Бо2 - критерий Фурье; а,, а2 -

коэффициент температуропроводности; Яг - коэффициент теплопроводности.

Эта ячейка и уточненная математическая модель (4) были использованы для экспресс-анализа теплофизических. коэффициентов серии образцов углепластика УТ-900-3/ВС-2526 с добавлением различных типов шунгита (карельского минерала, состоящего, из углерода с включением мелкодисперсных кварца, слюды, карбонатов»и сульфидов) с целью выяснения влияния примесей на коэффициент температуропроводности, а также контрольный образец органического стекла марки СО-120. На рис.Ю показаны нормированные температурные отклики, для датчика 0. Видно, что присутствие шунгита приводит к незначительному замедлению отклика материала на тепловое воздействие. Коэффициент температуропроводности углепластика с добавление шунгитовых модификаторов в объеме 40% от объема наполнителя приводит к уменьшению коэффициента температуропроводности на 20 %.

» ' I 1 I ' I ■ I '"-г—

О 200 «ОО 600 800 1000

Время, С

Рис 10. Нормированные температурные отклики для некоторых

материалов

Полученные в этом разделе результаты подтвердили надежность и работоспособность методики, а сведения о величине коэффициента температуропроводности исследованных опытных образцов углепластиков были использованы ФГУП ВИАМ при разработке новых полимерных композиционных материалов.

Основные результаты и выводы

1. Разработана и изготовлена автоматизированная установка для измерения коэффициентов температуропроводности анизотропных полимерных материалов, базирующаяся на многоточечном измерении температуры образца по шестнадцати каналам с частотой до 2800 отсчетов в секунду в диапазоне от+15 °С до +35 °С.

2. Разработаны алгоритмы проведения градуировки измерительных каналов установки и проведения измерений в автоматическом режиме. Установлено, что в рабочем диапазоне температур чувствительность измерительных каналов установки составляет 50АЦП/°С (0,02 °С/АЦП), для конечного участка 26АЦП/°С (0,038 °С/АЦП), точность измерения температуры не хуже 0,5 %, а методическая погрешность не превышает 5 %.

3. Экспериментально доказана возможность определения коэффициентов температуропроводности гетерогенных полимерных композиционных материалов с помощью модели распространения теплового импульса нагревателя в квазигомогенной среде, позволяющей связать, измеряемые изменения температуры с теплофизическими коэффициентами исследуемого материала.

4. Получены новые экспериментальные данные о коэффициентах температуропроводности анизотропных углепластиков авиационного назначения, в том числе углепластиков, модифицированных шунгитовыми структурами. Показано, что при введении в эпоксидное связующее до 40 массовых процентов мелкодисперсного шунгита коэффициент температуропроводности углепластика марки УТ-900-З/ВС-2526 уменьшается на 20%. Определена функциональная зависимость коэффициента температуропроводности в плоскости источника от направления армирования поверхностного слоя углеродного волокна.

5. Предложенная методика экспресс-определения теплопроводности внедрена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский институт авиационных материалов" для определения теплофизических показателей новых полимерных композиционных материалов авиационного назначения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Дударев Р.В., Старцев О.В., Шатохин Л.С. Автоматизированная установка для измерения коэффициента теплопроводности анизотропных углепластиков. //Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред ЭМФ 2001.Т. 1: Полимеры, полимерные композиционные материалы: Тр. Второй Междунар. Науч.-техн. Конф.//Под ред О.В.Старцева. Барнаул: Изд-во Алт.ун-та 2001 г. 266с.(с. 256-260)

2. Р.В. Дударев Использование возможностей, пакета Mathcad для визуализации нестационарных тепловых процессов в твердом теле. // Современные проблемы математики и естествознания. Материалы первой Всероссийской научно-технической конференции (Computer-Based Conference). В 2-х частях. Часть 2.- Н.Новгород: Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук Российской федерации (МВВО АТН РФ), 2002 г., 29 с.

3. R. V. Dudarev, A. S. Shatochin The Automated Device For Measurement Of Thermal Factors Anisotropic Carbon Fibre Reinforced Plastic On Base PIC16F877 //Датчики и системы: Сборник докладов международной конференции. Том И.СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002. 238с. (с.203-208)

4. Р.В. Дударев Использование встроенного аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера PIC16F877 для получения цифрового представления аналогового сигнала датчиков температуры. // Методы и средства измерений. Материалы четвертой Всероссийской научно-технической конференции (Computer-Based Conference). B2 частях. Часть 2.- Н.Новгород: Межрегиональное Верхне-Волжское отделение Академии технологических наук Российской федерации (МВВО АТН РФ), 2002 г., 25 с.

5. Р. В. Дударев, А.С. Шатохин Система контроля тепловых параметров анизотропных материалов //Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Сборник материалов XIY Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. Под редакцией профессора В.Н. Азарова. М.: МГИЭМ, 2002. - 328 с. (с.238-240)

6. R.V. Dudarev The Automated Device for Measurement Thermal Factors of Anisotropic Polymers //2002 6th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument engineering Proceedings APEIE-2002. Volume i Selected Papers on English, Novosibirsk, 2002.-283p. (p. 124-125)

7. Дударев Р.В. Применение математического моделирования при исследовании температуропроводности анизотропных материалов. Измерение, контроль, информатизация: Материалы четвертой

международной научно-технической конференции / Под ред. А.Г.Якунина - Барнаул, АГТУ, 2003,224с.

8. Дударев Р.В. Автоматизация измерений температуры материалов при импульсном нагреве //Измерение, контроль, информатизация: Материалы третьей международной научно-технической конференции / Под ред. А.Н.Тушева - Барнаул, АГТУ, 2002,144с. (с.36)

9. Р.В. Дударев, А.С. Шатохин Шестнадцатиканальный диапазонный прецизионный цифровой термометр с управлением от компьютера //Приборы и техника эксперимента - М.: 2003, №2 с. 158.

10. Р.В.Дударев, А.С.Кротов Методика измерения коэффициентов температуропроводности анизотропных полимерных композиционных материалов // Барнаул - 2003 г. - 20 с. (Препринт)

Подписано к печати 8.01.04 Объем 1 п.л.

Заказ Т.

_Типография издательства

Печать офсетная Бумага писчая №1 Тираж 100 экз.

АлтГУ: Барнаул, ул. Димитрова, 66

».1498

РНБ Русский фонд

2004-4 25365

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Дударев, Роман Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РЕШЕНИЯ.

1.1. Принципы построения приборов для измерения теплофизических коэффициентов.

1.1.1. Адиабатическая калориметрия.

1.1.2. Дифференциальный термический анализ.

1.1.3. Динамическая калориметрия.

1.2. Методы исследования теплопроводности и температуропроводности полимеров.

1.2.1. Стационарные методы.

1.2.2. Нестационарные методы.

1.2.3. Методы определения анизотропии теплопроводности и температуропроводности.

1.3. Основные проблемы, возникающие при измерении коэффициентов теплопроводности и температуропроводности

1.4. Выбор и обоснование направления исследований.

ВЫВОДЫ.

2. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ АНИЗОТРОПНЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ И МЕТОДИКИ ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ.

2.1. Первоначальное приближение.

2.1.1. Определение пассивной границы.

2.2. Дифференциальное уравнение теплопроводности для анизотропных твердых тел.

2.3. Методы решения задач теплопроводности.

2.4. Структура установки.

2.5. Измерительная ячейка.

2.5.1. Конструкция измерительной ячейки.

2.5.2. Расположение датчиков.

2.5.3. Измерительная ячейка с шестнадцатью датчиками.

2.5.4. Выбор датчиков.

2.5.5. Оценка искажений сигнала, обусловленных тепловой инерционностью датчика.

2.5.6. Учет конечных размеров и времени нагрева образца в измерительной ячейке.

2.6. Измерительно-управляющий блок.

2.6.1. Цифровая фильтрация сигналов.

2.6.2. Измерение сопротивлений в термометрии.

2.6.3. Предварительный усилитель сигнала и аналого-цифровое преобразование.

2.6.4. Микроконтроллер.

2.6.5. Алгоритм работы.

2.7. Градуировка установки.

ВЫВОДЫ.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Выбор объектов исследования и их свойства.

3.2. Влияние внешней нагрузки на измеряемые параметры.

3.3. Методика проведения эксперимента по исследованию теплофизических свойств материалов.

3.3.1. Отбор образцов.

3.3.2. Аппаратура, среда.

3.3.3. Подготовка к испытаниям.

3.3.4. Проведение испытаний.

3.4. Определение параметров модели теплопроводности с помощью пакета FITTER.

3.5. Методика автоматизированного экспресс-определения теплопроводности углепластиков в трансверсальном направлении армирования.

3.5.1. Конструкция измерительной ячейки для экспресс-анализа

3.5.2. Математическая модель ячейки для экспресс-анализа анизотропных материалов.

3.6. Иллюстрация работоспособности предлагаемой методики измерения теплофизических коэффициентов анизотропных материалов.

3.7. Работоспособность моделей теплопереноса: анализ сходимости и адекватности.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертация по физике, на тему "Автоматизированная установка для измерения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных материалов"

Актуальность работы

Процессы переноса тепла имеют большое практическое значение в авиации, космонавтике, стационарной и промышленной энергетике, в технологических процессах химической, строительной, легкой, тяжелой и других отраслях промышленности. Расчеты температурных полей и тепловых режимов аппаратов, машин и элементов конструкций, связаны с решением задач теплопроводности, синтезом материалов с заданными тепловыми параметрами, нахождением теплофизических свойств материалов: теплопроводность - X, температуропроводность - а, теплоемкость - с.

Полимерные материалы и покрытия из-за низких коэффициентов теплопроводности значительно снижают эффективность теплообмена, что совершенно необходимо, когда требуется обеспечить теплоизолирующие свойства, например, реактивного двигателя летательного аппарата от узлов и механизмов его окружающих, или, наоборот, внутренней части замкнутого пространства спускаемого аппарата от воздействия высокой внешней температуры. Коэффициент теплопроводности полимеров колеблется в пределах 0,1-0,4 Вт/(м К) [1], увеличиваясь с повышением степени кристалличности и ограничением сегментальной подвижности макромолекул полимера. Значения коэффициентов теплопроводности X для нержавеющей и углеродистой стали составляют 15 и 45 Вт/(м К), соответственно. В таблице приведены значения теплофизических коэффициентов некоторых полимерных композиционных материалов, металлов и веществ.

Теплофизические свойства материалов

Материал X Вт/(м К) а х 107 м2/с Ср кДж/(кг К)

Polyester VPS-24 0,29 1,7 1,1

Phenol-formaldehyde FFA 0,22 1,05 1,05

Ероху ST-69N 0,37 2,3 0,85

Organosilicon SK-9X 0,34 2,2 0,8

Polyimide STP-97S 0,35 2,26 0,85

Вода 0,59 143 4,18

Углерод 174 1530 0,67

Сталь марки 15 50,2 140 0,46

Медь 393 1129 0,39

Как видно из таблицы, по сравнению с другими материалами полимеры обладают очень низкими коэффициентами теплопроводности, что наряду с довольно высокой прочностью, химической стойкостью и низкой плотностью, не токсичностью при горении, делает их просто незаменимыми в авиационной и космической промышленности. Например, количество композитных материалов в пассажирских самолетах ТУ-204 и Ил-86 составляет 12-15 % от общего веса, причем этот процент постоянно увеличивается [2].

Однако часто требуются материалы не только с предельно низкими коэффициентами теплопроводности, но и с как можно более высокими. Одним из практических путей повышения коэффициента теплопроводности является наполнение полимера материалами, обладающими высокой теплопроводностью. Увеличение теплопроводности композиций при введении наполнителей с большей теплопроводностью, чем теплопроводность полимерной матрицы, происходит как в результате заполнения части объема наполнителем, так и вследствие образования особой структуры в виде проводящих мостиков или тонких высокоориентированных пленок полимера между частицами при высоком содержании наполнителя. В качестве таких материалов могут использоваться металлические порошки, оксиды металлов, графит и др. [3, 4]. При этом меняется структура полимера и наблюдается изменение коэффициента теплопроводности и температуропроводности.

Существуют методы вычисления теплофизических коэффициентов наполненных полимерных систем, какими являются и углепластики. Среди наиболее часто используемых методов при расчетах коэффициента теплопроводности можно выделить: правило Курникова, аддитивно связывающего свойства смеси через их весовые концентрации; уравнение Нильсона, учитывающее отношение коэффициентов теплопроводности наполнителя и полимера, форму частиц наполнителя, коэффициент Пуассона полимерной матрицы; формулу Оделевского, учитывающую форму частиц наполнителя и характер их решетки, но они позволяют лишь приближенно оценить теплофизические коэффициенты материалов для систем с малыми объемными концентрациями наполнителя, к тому же анизотропия материала не учитывается, при том, что процент ошибки может достигать 30 и более процентов [5]. Более точные значения теплофизических коэффициентов материалов получают экспериментально.

Теплофизические коэффициенты материала можно получить косвенно, путем прямого измерения температуры. Измерения температуры можно осуществить различными способами, в числе которых есть как подразумевающие обеспечение теплового контакта датчика и исследуемого образца, так и бесконтактные.

Для измерения температуры применяются: жидкостные, манометрические, дилатометрические, биметаллические, термоэлектрические, полупроводниковые, металлические, акустические, кварцевые, квадрупольные ядерные, магнитные, шумовые термометры, пирометры излучения и др. При выборе методов и средств измерения температуры для проведения экспериментов по определению теплофизических коэффициентов материала решающим фактором является диапазон измеряемых температур и требуемая точность [6, 7].

Оперативный контроль теплофизических параметров на этапах разработки и изготовления новых композиционных материалов возможен только с применением автоматизированных установок, требования к которым определяются исходя из конкретных задач. К настоящему времени создано большое количество разнообразных отечественных экспериментальных установок для измерения теплофизических коэффициентов материалов [8, 9]. Однако при их использовании экспериментаторы всегда сталкиваются с огромной трудоемкостью и большой длительностью экспериментов. Обычно за один рабочий день удается провести измерения не более чем для одного образца. При такой монотонной работе нередко возникают ошибки, связанные с невнимательностью оператора. Кроме того, эти установки не позволяют измерять теплофизические коэффициенты анизотропных материалов. Автору данной работы неизвестно о существовании отечественных экспериментальных установок, лишенных этих недостатков.

Таким образом, разработка установки и методики для исследования теплофизических свойств анизотропных материалов в реальном режиме времени, является актуальной темой.

Цель и задачи исследований

В соответствии с целью работы сформулированы следующие задачи;

Научная новизна:

Практическая значимость работы

3. Разработанная установка позволяет проводить контактные измерения температуры и может быть использована для измерения теплофизических характеристик других материалов, любых тепловых полей в диапазоне температур от +15 °С до +35 °С. Она также может быть использована в учебном процессе по физике твердого тела, по теплофизике, электронике и микропроцессорным системам.

Положения, выносимые на защиту:

1. Структура автоматизированной установки для измерений теплофизических коэффициентов полимерных материалов в реальном режиме времени.

Достоверность полученных результатов подтверждается строгими математическими выводами и сопоставлением с литературными данными измеренных теплофизических характеристик образца органического стекла СО 120 и образца углепластика ЭЛУР0.1П/ВС2515. Результаты измерения теплофизических коэффициентов этих материалов совпадают в пределах погрешностей с данными независимых литературных источников [2, 10]. Достоверность также подтверждается воспроизводимостью результатов при исследованиях нескольких серий параллельных образцов.

Внедрение результатов диссертационной работы

Методика автоматизированного экспресс-определения теплопроводности углепластиков внедрена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский институт авиационных материалов" для оперативного контроля при разработке новых полимерных композиционных материалов с заданными теплофизическими свойствами. Разработанная установка используется при выполнении научно-исследовательских работ в лаборатории физики полимеров Алтайского государственного университета и НИИ Экологического мониторинга.

Апробация научных результатов и публикации:

Основные результаты настоящей диссертационной работы отражены в 10 работах. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных, Всероссийских и международных научных конференциях: «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред ЭМФ 2001» (Барнаул, 2001), «Методы и средства измерений» (Н.Новгород, МВВО АТН РФ, 2002), «Датчики и системы» (Санкт-Петербург, 2002), «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Москва, 2002), «Измерение, контроль, информатизация» (Барнаул, 2002, 2003), «6th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument engineering Proceedings APEIE-2002» (Новосибирск, 2002), на научно-технических семинарах кафедры ВТиЭ ФТФ АлтГУ.

Личный вклад:

Структура и объем диссертации:

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 114 наименований, двух приложений. Она изложена на 129 страницах и содержит 35 иллюстраций, 18 таблиц.

Первая глава содержит обзор литературы, в котором рассмотрены сведения о методах измерения теплофизических коэффициентов материалов. В ней рассмотрены и проанализированы способы построения приборов для измерения теплофизических коэффициентов. Детально обоснованы основные проблемы, возникающие при их использовании. По результатам выполненного анализа произведен выбор направления исследований, который обеспечивает решение сформулированных задач и улучшение надежности и функциональных возможностей нестационарных импульсных методов измерения теплофизических коэффициентов.

Во второй главе приведены результаты температурных измерений с расположением исследуемого образца между двумя буферными элементами из материала с подобными физическими свойствами. Изучена возможность использования методики измерения теплофизических коэффициентов при генерации импульсного теплового потока. Предложен алгоритм построения математической модели теплопроводности, в которой гетерогенный полимерный композиционный материал представляется в виде квазигомогенной анизотропной среды, позволяющей связать измеряемые изменения температуры с теплофизическими коэффициентами исследуемого материала. Проведена оценка влияния продолжительности нагрева образца и выделенного количества теплоты на характеристики теплопереноса. Обоснован выбор используемых датчиков и микроконтроллеров, составляющих измерительный прибор. Оценена работоспособность предложенной методики получения теплофизических коэффициентов. Исследованы основные метрологические характеристики установки, построенной по предложенным принципам. Особое внимание уделено проведению градуировки системы измерения температуры. Приведено краткое описание разработанного комплекса и программного обеспечения.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.

В приложениях приводится акт о внедрении результатов работы, принципиальная электрическая схема измерительно-управляющего блока и внешний вид установки.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

ВЫВОДЫ

1. Экспериментально установлено, что характер армирования ПКМ значительно влияет на анизотропию теплофизических коэффициентов.

2. Экспериментально установлено, что введение в ПКМ дополнительных модификаторов изменяет теплофизические свойства материала.

3. Доказано, что предложенная конструкция измерительной ячейки позволяет проводить неразрушающий контроль теплофизических коэффициентов материалов с учетом анизотропии свойств.

4. Предложена методика экспресс-анализа теплофизических коэффициентов материалов математическая модель и конструкция измерительной ячейки для её реализации.

5. Для моделирования процессов теплопроводности при экспресс-анализе теплофизических материалов предложено использовать два источника температуры разного знака, смещенных по времени.

6. С использованием программного пакета FITTER, разработанного в ИХФ РАН, доказана адекватность предложенной модели процессов распространения тепловых потоков в измерительной ячейке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы были получены следующие результаты:

1. Разработана и изготовлена автоматизированная установка для измерения компонент коэффициента температуропроводности анизотропных полимерных материалов, базирующаяся на многоточечном измерении температуры образца по шестнадцати каналам с частотой до 2800 отсчетов в секунду в диапазоне от + 15 °С до +35 °С.

2. Разработаны алгоритмы проведения градуировки измерительных каналов установки и проведения измерений в автоматическом режиме. Установлено, что чувствительность измерительных каналов составляет 50 АЦП/°С (0,02 °С/АЦП), для конечного участка 26 АЦП/°С (0,038 °С/АЦП), точность измерения температуры не хуже 0,5%, а методическая погрешность не превышает 5%.

3. Экспериментально доказана возможность определения коэффициентов температуропроводности гетерогенных полимерных композиционных материалов с помощью модели распространения теплового импульса нагревателя в квазигомогенной среде, позволяющей связать измеряемые изменения температуры с теплофизическими коэффициентами исследуемого материала.

4. Получены новые экспериментальные данные о коэффициентах температуропроводности анизотропных углепластиков авиационного назначения, в том числе углепластиков, модифицированных шунгитовыми структурами. Показано, что при введении в эпоксидное связующее до 40 массовых процентов мелкодисперсного шунгита коэффициент температуропроводности углепластика марки УТ-900-3/ВС-2526 уменьшается на 20%. Определена функциональная зависимость коэффициента температуропроводности в плоскости источника от направления армирования поверхностного слоя углеродного волокна.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор благодарит научных руководителей профессора Шатохина A.C. и профессора Старцева О.В. за многолетнее внимание к работе, Кротова A.C. за консультации по обработке экспериментальных данных, сотрудников кафедры вычислительной техники и электроники, сотрудников лаборатории физики полимеров, оказавших неоценимую помощь в выполнении данной работы.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Дударев, Роман Владимирович, Барнаул

1. Крохмалева J1.H. Теплопроводность и расчет коэффициентов теплопроводности полимерных композиционных материалов. - Харьков, 1990.

2. Polymer matrix composites. Edited by R.E. Shalin, Soviet Advanced Composites Technology Series, Serie 4, Series editors J.N. Fridlyander and I.H. Marsball, Published by Chapman & Hall (London, UK), 1995, 440 p.

3. Металлополимерные материалы и изделия. Под ред В.А.Белого.- М.:Химия, 1979.

4. Наполнители для полимерных композиционных материалов. Под ред. П.Г.Бабаевского. М.:Химия, 1981.

5. Барановский В.М. Некоторые вопросы теплопереноса в статистических и матричных гетерогенных системах, дис.канд.физ.-мат. наук. Киев, 1970.

6. Аш Ж. и соавторы. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн.1. Пер. с франц. М.: Мир, 1992. 480 с.

7. Годовский Ю.К. Теплофизические методы исследования полимеров. М., «Химия», 1976.

8. Харламов А.Г. Измерение теплопроводности твердых тел. -М.: Атомиздат, 1973. -152 с.

9. Гудимов М.М., Перов Б.В. Органическое стекло. М.: Химия, 1981. - 216 с.

10. Вундерлих Б., Баур Г. Теплоемкость линейных полимеров. М.: Мир, 1972. - 238 с.

11. Лейбфрид Г. Микроскопическая теория механических и тепловых свойств кристаллов. Пер. с нем. Под ред. Б.Я.Мойжеса. М.-Л., Физматгиз, 1963. 312 с.

12. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М., изд-во МГУ, 1962 г.

13. Годовский Ю.К. Теплофизика полимеров. -М.: «Химия», 1982. 280 с.

14. Kobayashi Y., Keller A., "Polymer", 1970, v. 11.

15. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы. М., «Наука», 1971. 424 с.

16. Павлова С.А., Журавлева И.В., Толчинский Ю.И. Термический анализ органических и высокомолекулярных соединений. М., Химия, 1983. - 118с.

17. Temperature Sensing Solution. Watlow Electric Manufacturing Company 2000.

18. Барановский B.M., Хомик A.A. Методы комплексного исследования структурных особенностей и теплофизических свойств полимеров и композиций на их основе.- Киев, 1989.

19. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. -Л.: Энергия, 1974.

20. Бирштейн Т.М., Птицын О.Б. Конформации макромолекул. М., «Наука», 1964. 391 с.

21. Теплофизические измерения и приборы./ Под общ.ред. Е.С. Платунова/ -Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1986.- 256 с.

22. Flory P.J., Trans.Faraday Soc., 1961, v 57.

23. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. JL: Энергия, 1973.

24. Peterlin A., J. Polymer Sei., 1966. v 15.

25. Papkov V.S., Godovsky Yu.K, Slonimsky G.L. 8 IUPAC Microsympos. On Macromolecules, Prague, 1971.

26. Барановский B.M. Теплофизические свойства модифицированных полимеров. Учебное пособие. -К.: КГПИ, 1983.- 127 с.

27. Паулик Ф.б пулик И. Эрдей JI. Инструкция к дериватографу фирмы «МОМ». -Будапешт, 1972.-260с.

28. Кириченко Ю.А. Методы определения коэффициентов температуропроводности. В кн.: Исследования в области тепловых и температурных измерений.-M.JL: 1962. - с.73-112.

29. Кириллов В.Н., Ефимов В.А., Абелнов Я.А., Установка для исследования теплофизических характеристик неметаллических материалов в температурном диапазоне от -180°С до 150°С. Депонировано в ВИАМе, д2240, РИ, 76.05.1487. «Рапорт», 1976, №6, с 22.

30. Геращенко O.A. Основы теплометрии. К.: Наукова думка, 1971. - 192 с.

31. Геращенко O.A. и др. Температурные измерения. Справочник. К.: Наукова думка, 1984.

32. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. Учебник для вузов, Изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1975., 488 с. с ил.

33. А.В.Лыков Теория теплопроводности -М.: Изд-во «Высшая школа», 1967 г., 599 е., илл.

34. Обратные задачи теплообмена. /О.М.Алифанов. -М.: Машиностроение, 1988. -280 с.

35. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсионных материалов. М., физматгиз, 1962. 456 с.

36. Eiermann К., Werner k., Z. angew. Phys., 1962.

37. Lohe P., Koll.-Z. u. Z. Polymere, 1965, Bd. 203.

38. А.Н.Тихонов, А.А.Самарский Уравнения математической физики. М., 1972 г., 736 стр. с илл.

39. Новиченок Л.Н., Шульман З.П. теплофизические свойства полимеров. Минск, «Наука и техника», 1971. 116с.

40. Замолуев В.К. Пласт, массы, 1960 №8, с. 46-48.

41. Абрамович Б.Г., Картавцев В.Ф. Цветовые индикаторы температуры. М.: Энергия, 1978.

42. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. - 304 е.: ил.

43. Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин/ Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 193 с.

44. Завадский В.А. Компьютерная электроника/ Завадский В. А. К.:ВЕК, 1996. -368 е., ил.

45. Линевег Ф. Измерение температур в технике. М.: Металлургия, 1980.

46. ГОСТ 8.061-80 ГСИ. Поверочные схемы. Содержание и построение.

47. Земельман М.А. Метрологические основы технических измерений. М.: Издательство стандартов, 1991. - 228 е., ил.

48. А.И. Петхович и В.М. Жидких Расчеты теплового режима твердых тел. Л., «Энергия», 1976., 352 с. с рис.

49. Дударев Р.В., Старцев О.В., Шатохин A.C. Автоматизированная установка для измерения коэффициента теплопроводности анизотропных углепластиков.

50. Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред ЭМФ 2001.Т. 1: Полимеры, полимерные композиционные материалы: Тр. Второй Междунар. Науч.-техн. Конф.//Под ред О.В.Старцева. Барнаул: Изд-во Алт.ун-та 2001.266с.(с. 256-260)

51. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел: Учеб. пособие. 2-е изд., доп. -М.: Высш. шк., 1985. - 480 с.

52. Коздоба JI.A. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975. - 228 с.

53. H.H. Калиткин Численные методы. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1978.

54. R.V. Dudarev The Automated Device for Measurement Thermal Factors of Anisotropic Polymers //2002 6th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument engineering

55. Proceedings APEIE-2002. Volume 1 Selected Papers on English, Novosibirsk, 2002.-283p. (p.124-125)

56. Геращенко О.А., Гордов A.H. и др. Температурные измерения. Справочник. Киев: Наукова думка, 1984.

57. Приборы для измерения температур контактным способом / Под общей ред. Р.В.Бычковского. Львов: Выща школа, 1979.

58. Epcos. Electronic Parts and Components. 2002.

59. VECO. Precision Thermistors and Probes. 2002.

60. Контактные методы и приборы для измерения температур / Зимин Г.Ф., Михайлова М.Г., Пугачев Н.С., Серова Т.Б. М.: Изд-во стандартов, 1980.

61. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев: Наукова думка, 1979.

62. A.S.T.M. (American Society for Testing and Materials), Manual of the use of thermocouples in temperature measurement, Philadelfia, A.S.T.M., 1974.

63. Henry E. Sostmann and Philip D. Metz Fundamentals of Thermometry. 2001.

64. Innovations In Heating The World Watlow Electric Manufacturing Company 2000.

65. Siemens&Matsusita Themperature measurement in engineering. 2001.

66. Sensors. The Journal of Applied Sensing Technology. May 1997.Vol.14 No.5.

67. Резисторы: Справочник/ В.В.Дубровский, Д.М.Иванов, Н.Я.Пратусевич и др.; Под ред. И.И.Четвертакова и В.М.Терехова.-2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1991.-528 е.: ил.

68. Библиотека электронных компонентов. Выпуск 5: Термисторы фирмы SIEMENS&MATSUSHITA М.:ДОДЭКА, 1999, 48с.

69. Kerlin T.W., Hashemain Н.М., Time response of temperature sensors. 2002.

70. Введение в цифровую фильтрацию. Под ред.Р.Богнера и А.Констандинидиса. М., Мир, 1976 - 216с.

71. Хьюлсман Л.П. Ален Ф.Е. Введение в теорию и расчет активных фильтров. М.: Радио и связь. 1984. - 486 с.

72. Хоровиц П.Хилл У. Искусство схемотехники. 1,2,3 т. М.:1993.

73. Rusby R.L. Resistance thermometry. 1998.

74. Kusters N.L., MacMartin M.P. Direct-current comparator brige for resistance thermometry. IEEE Trans., 1970.77. 44 источника электропитания для любительских электронных устройств: Пер. с англ. -М.:Энергоатомиздат, 1990. -288 е.: ил.

75. Буртаев Ю.В., Овсянников П.Н. Теоретические основы электротехники: Учебник для техникумов/ Под ред. М.Ю.Зайчика.-М.:Энергоатомиздат, 1984. -552 е., ил.

76. Булычев А.Л. и др. Аналоговые интегральные схемы: Справочник. -2-е изд., перераб. и доп. -Мн.:Беларусь, 1993. -382с.:черт.

77. Шахов Э.К. Повышение помехоустойчивости цифровых средств измерения.- Учебное пособие.- Пенза: РИО ППИ, 1983.

78. И.И.Петровский, А.В.Прибыльский, А.А.Троян, В.С.Чувелев Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. В двух частях. М.: ТОО«БИНОМ», 1993. -496 с.

79. В.В.Корнеев, А.В.Киселев Современные микро-процессоры.-М.: НОЛИДЖ, 1998. 240 е.; ил.

80. Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. Под ред. Коршуна И.В.; Составление, пер. с англ. и литературная обработка Горбунова Б.Б. -М.: Издательство «Аким», 1998. -272 е.; ил.

81. Микроконтроллеры. Выпуск 1 М.ДО ДЕКА, 1998.

82. Embedded Control Handbook Volume 1 Microchip Technology Incorporated, USA.

83. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия -СПб: Питер Комп., 1999. -816с.,ил.

84. Вегнер В.А., Крутяков А.Ю., Серегин В.В. Аппаратура персональных компьютеров и ее программирование. IBM PC/XT/AT и PS/2. М.: Радио и связь, 1995. -224 с.

85. Хаммел Р.Л. Последовательная пердача данных. Руководство для программиста. -М.:Мир, 1996. -752с.

86. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник.-М.:Издательство стандартов, 1989.-325с.

87. Разевиг В.Д. Система проектирования печатных плат ACCEL EDA 12.1 (P-CAD для Windows). -М.: «СК Пресс», 1997. -368с., ил.

88. Дударев Р.В. Автоматизация измерений температуры материалов при импульсном нагреве //Измерение, контроль, информатизация: Материалы третьей международной научно-технической конференции/ Под ред. А.Н.Тушева Барнаул, АГТУ, 2002, 144с. (с.36)

89. Фаронов В.В. Турбо Паскаль 7.0. Практика программирования. Учебное пособие. -М.: «Нолидж», 1997. 432 е., ил.

90. Хершель Р. Турбо Паскаль / 2-е изд., перераб. Вологда: МП «МИК», 1991.- 342 с.

91. Рудаков П.И., Финогенов К.Г. Программируем на языке ассемблера IBM PC Изд. 2-е.- Обнинск: Издательство «Принтер», 1997.- 584 е., илл.

92. В.Н.Пилыпиков Программирование на языке ассемблера IBM PC. -М.: «Диалог-МИФИ», 1998 г. -288с.

93. PIC16/17 Microcontroller Data Book 1996 October/ Microchip Technology Incorporated, USA.

94. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. Карманная энциклопедия студента: Учеб. пособие для студентов высших и средних специальных учебных заведений. -М.: Логос, 2001.-376с.:ил.

95. МИ 2175-91 ГСИ. Градуировочные характеристики средств измерений. Методика построения, оценивание погрешностей.

96. ГОСТ 8.558-93 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерения температуры.

97. МИ 2091-90 ГСИ. Измерения физических величин. Общие требования.

98. Куинн Т. Температура: Пер. с англ. -М.: Мир, 1985. -448с., ил.

99. Бегунов А.А и др. Методики выполнения измерений. Разработка, оформление и метрологическая аттестация. СПб.: ГНУ ВНИИЖ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИЯ, 2001 - 314 е., ил.

100. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.- 600 с.

101. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП «РАСКО», 1991. -272 е.: ил.

102. Воднев В.Т. и др. Основные математические формулы: Справочник /В.Т.Воднев, А.Ф.Наумович, Н.Ф.Наумович; Под ред. Ю.С.Богданова.-З-е изд., перераб. и доп.-Мн.: Выш.шк., 1995. -380 е.: ил.

103. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений: Учебное пособие для средних специальных учебных заведений. М.: Издательство стандартов, 1991, - 176 е., ил.

104. Датчики теплофизических и механических параметров: Справочник в трех томах Т1(кн.1)/Под общ. ред. Ю.Н.Коптева; Под ред. Е.Е.Багдатьева, А.В.Горина, Я.В.Малкова. -М.: ИПРЖР, 1998. -458 е.: ил.

105. Bystritskaya E.V., Pomerantsev A.L., Rodionova О.Ye. Nonlinear regression analysis: new approach to traditional implementation. // Journal of Chemometrics, 2000. V.14. - P.667-692.

106. Померанцев А. Д., Кротов А.С., Родионова O.E. Компьютерная система FITTER для регрессионного анализа экспериментальных данных (учебное пособие) Барнаул: Изд-во АГУ, 2001. - 84 с.

107. Polymer matrix composites. Edited by R.E. Shalin, Soviet Advanced Composites Technology Series, Serie 4, Series editors J.N. Fridlyander and I.H. Marsball, Published by Chapman & Hall (London, UK), 1995, 440 p.

108. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) 2-е издание. М.: Наука, 1970. - 720 с.

109. Носач В.В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров. М.: МИКАП, 1994, 382 с.