WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Среднее значение наклона площадки затвердевания в серии экспериментов составило 15 мК, что соответствует оценке неопределенности в 8 мК. Какихлибо закономерностей смещения измеренного значения температуры, связанного с методикой реализации точки затвердевания обнаружено не было.

В то же время заметное влияние на абсолютное значение измеренной температуры затвердевания оказала конструкция тигля, что может быть обусловлено наличием систематической составляющей погрешности, обусловленной теплообменом полости тигля с окружающей средой.

Для определения характеристик теплообмена системы «печь-тигель» с окружающей средой в качестве основного метода исследования был выбран метод численного моделирования с использованием конечных элементов.

Основными программными пакетами были выбраны ELCUT 5.3, и COMSOL 4.В качестве объекта моделирования рассматривался только сам тигель;

параметры печи использовались для определения граничных условий.

Для опробования модели было решено около 80 задач с различными геометрическими и теплофизическими параметрами, в результате была оценена степень влияния каждого параметра на температурное поле полости. На рисунке 2 представлен образец полученного решения для условий близких к реальному эксперименту – передний кольцевой вкладыш с температурой (ТCu0,9) K, задний вкладыш глухой при температуре (ТCu+0,1) K, излучательная способность =0,88, глубина расположения в печи – 140 мм. В данном случае перепад температуры по толщине дна составил 7 мК, а её неравномерность по поверхности полости – 10 мК.

Рис.2. Температурное поле тигля при параметрах близких к реальным условиям (=0,88).

Для экспериментального исследования температурного поля были выбраны два тигля с диаметром полости равным 8 мм и 4,8 мм. Тигель помещался в высокотемпературную трехзонную печь, конструкция которой позволяет создавать различную конфигурацию температурного поля по длине рабочего участка, на котором расположен тигель.

Печь была развернута относительно оптической оси на угол равный 230’, так чтобы центр зоны визирования попадал на стенку полости тигля. В ходе эксперимента печь перемещалась вдоль оптической оси системы, зона визирования при этом перемещалась по стенке полсти тигля. Размеры измеряемого пятна в плоскости перпендикулярной ходу луча были уменьшены до 0,3х0,7 мм, при этом на стенке полости выделялась зона 7х0,7 мм.

Показатель визирования оптической системы составлял 1:15. Тигель был установлен в печь на глубину 120 мм. Среднее значение градиента температуры для меньшего тигля составило 8 мК/мм. Для большого тигля с градиент был равен 12 мК/мм.

В ряде экспериментов при сканировании полости обнаруживалась зона резкого изменения температуры, перепад температуры на расстоянии 10 мм достигал 1,2 К при плавлении и 1,5 К при затвердевании. Для анализа таких случаев было проведено дополнительное моделирование нестационарного процесса фазового перехода с неравномерным начальным полем температуры.

Моделирование проводилось в программной среде Comsol 4.1.

Результат расчета показал наличие движущегося фронта фазового перехода конической формы, который в зависимости от заданных граничных условий двигался либо вглубь тигля, либо к его переднему краю. Данная математическая модель использовалась только для качественной оценки, так как из-за ряда упрощений для повышения скорости расчета погрешность решения нестационарной задачи составила 40-60% для полученных значений для тепловых потоков и перепадов температуры.

Результатом исследования стал большой объем данных, который позволил оценить адекватность построенной теплофизической модели. На рисунке представлено сравнение экспериментальных и теоретических температурных полей для одного из тиглей, использующихся во ВНИИМ. Можно видеть, что кривые близки друг к другу, но по экспериментальной кривой снижение температуры начинается ближе к дну тигля.

Перепад температуры по дну тигля при температуре затвердевания меди, т.е.

значение систематической погрешности, связанной с утечкой тепла через апертуру тигля является функцией нескольких геометрических и теплофизических параметров. На основе результатов моделирования была получена полуэмпирическая формула:

2, dT T 3,4 hдн L0,5 1 (1) hT где dT и hT – диаметр и глубина полости тигля, hдн – средняя толщина дна тигля, L – глубина расположения тигля в печи, – излучательная способность графита, – теплопроводность графита.

Рис. 3. Сравнение теоретических и экспериментальных данных тигля реперной точки меди с большой полостью.

Как показывает численное моделирование эта формула работает при значениях отношения диаметра полости к глубине от 0,05 до 1,2 и при глубине расположения тигля в печи больше 20 мм. В указанном диапазоне значений погрешность введения поправки не превышает 15%. В результате расчета по формуле 1 значение поправки регистрируемой температуры фазового перехода для стандартных рабочих условий составляет (6±2) мК для большего и (5±2) мК для меньшего тигля.

Третья глава посвящена исследованию группы погрешностей, обусловленных использованием ленточных вольфрамовых ламп для воспроизведения единицы температуры.

Для оценки типового влияния процессов отвода тепла от ленты лампы в окружающую среду и к цоколю на распределение температуры по ленте лампы был выбран метод численного моделирования, который был реализован в программной среде Comsol 4.1. Решалась электротепловая задача с нелинейными параметрами теплопроводности и сопротивления. Лента была разбита на элементы в форме параллелепипедов, а держатели на пирамидальные и тетраэдрические элементы. Общий вид модели и граничные условия показаны на рисунке 4. Расчет был проведен для нескольких различных значений температуры на торцах держателей и падении напряжения между ними.

Рис. 4. Общий вид модели ленты лампы, разбитой на элементы.

Аналогичная модель была построена и для ламп Polaron. В ходе этого теоретического исследования было обнаружено, что общие тенденции влияния температуры цоколя для различных ламп одинаковы, но степень её влияния у ламп с более узкой и длинной лентой в 2-2,5 раза меньше.

Для определения функций зависимости характеристик конкретных ламп от температуры цоколя был проведен ряд экспериментальных исследований.

Контур охлаждения патрона исследуемой лампы был подключен к термостату с ПИД-регулированием. На цоколе лампы был установлен предварительно отградуированный полупроводниковый термометр в специальном медном держателе для улучшения теплового контакта с цоколем.

Как и ожидалось, измерения показали, что связь между изменениями температуры цоколя и яркостной температуры имеет нелинейный характер. В результате аппроксимации для каждой лампы были получены зависимости, выраженные полиномом второй степени, определяющие влияние температуры цоколя на яркостную температуру ленты в диапазоне значений температуры цоколя от 20 до 32 С. Эти полиномы позволили внести поправки в данные измерений яркостной температуры при построении температурной шкалы с помощью лампы. В таблице 2 приведены значения поправки на изменение температуры цоколя лампы и связанной с этим неисключенной систематической погрешности для типов ламп. При расчете погрешности точность термостатирования цоколя принималась за 0,2 К.

Таблица 2. Поправки и погрешности, вызванные изменением температуры цоколя лампы.

Т, К Газонаполн. СИ10-300 Вакуумные СИ10-300 Лампы Polaron Tя/Tц СКО,мК, мК Tя/Tц СКО,мК, мК Tя/Tц СКО, мК, мК 1070 0,21 65 77 0,23 50 68 0,1 15 1270 0,09 20 27 0,13 20 33 0,03 8 1470 0,03 10 12 0,05 10 14 0,005 3 1670 0,02 5 6 0,02 5 6 0 0 Tя/Tц – коэффициент чувствительности к изменению температуры цоколя, – суммарная погрешность при точности термостатирования 0,2 К.

Для нижней части температурного диапазона работы вольфрамовых ламп были проведены исследования по влиянию изменения температуры окружающей среды. Расчеты показали, что при изменении окружающей температуры на 1 К температура центральной части ленты изменится на 20 мК при яркостной температуре 1100 К, и всего на 5 мК при яркостной температуре 1770 К. Для проведения экспериментальных исследований вокруг лампы был установлен цилиндрический экран диаметром 0,6 м, частично закрытый сверху.

Внутри экрана были расположены три плоских нагревательных элемента и пять полупроводниковых термометров сопротивления, равномерно распределенных по объему. В результате проведенной серии экспериментов были определены точечные значения поправок на влияние температуры окружающего воздуха, исходя из которых, была получена поправочная функция на весь рабочий диапазон вакуумных ламп:

T 1, 6718 1011 TЯ 4 1, 2874 107 TЯ 3 3, 7709 104 TЯ 2 0,50391TЯ 265,26 (2) где Т – поправка на каждый градус изменения температуры окружающего воздуха от нормальных условий, Тя – яркостная температура лампы.

Для определения температурного эквивалента погрешности позиционирования лампы на оптическую ось измерительной системы было проведено исследование нескольких температурных ламп как вакуумных, так и газонаполненных. В качестве средства измерения использовалась аппаратура спектрокомпаратора, входящего в состав ГЭТ 34-2007.

У исследуемых экземпляров ламп все температурные поля лент оказались несимметричными относительно центра рабочей зоны. Кроме того, форма температурных полей лент даже одного типа ламп значительно отличались друг от друга. Анализ данных результатов показал, что погрешность, обусловленная влиянием размера области визирования, при яркостной температуре затвердевания меди в среднем составляет около 0,7 мК на 1 мкм размера зоны визирования по каждой координате, т.е. реально не превышает 10 мК. Более существенна погрешность позиционирования зоны визирования. Она различна для разных ламп и в среднем составляет 1,6 мК/мкм. Общая погрешность позиционирования для ламп СИ10-300 и вакуумной лампы Polaron при температуре 1357 К оказалась равной 70 мК и 9 мК соответственно.

Исследование влияния разворота лампы в горизонтальной плоскости проводилось для двух газонаполненных и двух вакуумных ламп СИ10-300 с шагом 5 в интервале ±15, а затем более тщательно с шагом 30’ в интервале ±на лампах СИ10-300 № 3 и № 85 и лампе Polaron № 936. Влияние наклона ленты исследовалось на тех же лампах в интервале ±4 с шагом 1.

В таблице 3 приведены итоговые значения погрешностей по всем четырем составляющим позиционирования для вакуумных и газонаполненных ламп СИ10-300 и вакуумной лампы Polaron. Для вакуумных ламп указано значение погрешности при 1270 К, для газонаполненных – при 1570 К.

Таблица 3. Погрешности позиционирования лампы.

Погрешность в температурном эквиваленте, мК Источник погрешности СИ10-300 (вак) СИ10-300 (газ) Polaron (вак) Позиционирование по 11 47 горизонтали Позиционирование по 42 25 3,вертикали Разворот в горизонтальной 31 35 плоскости Наклон в плоскости 4 16 перпендикулярной ленте Суммарная погрешность 53 66 Для оценки этой составляющей погрешности при значениях температуры, отличных от значения реперной точки, была использована линейная интерполяция: для диапазона от 1234 до 2000 К погрешность составила 3042 мК, а в диапазоне от 2000 до 2500 К – от 83 до 103 мК.

Анализ аппаратуры для измерения тока питания в цепи температурной лампы показал, что мера сопротивления номиналом 0,001 Ом, входящая в состав измерительной схемы, в совокупности с использованием мультиметра Keithley 2700 для регистрации падения напряжения на ней не обеспечивает необходимой точности. Поэтому в ходе плановых метрологических работ были приобретены и внедрены в измерительную систему высокоточные токоизмерительные шунты номиналом 0,01 Ом. Каждый шунт был снабжен специально разработанной собственной системой термостатирования с погрешностью поддержания температуры менее 0,5 К.

В таблице 4 показаны значения составляющие погрешности определения тока питания лампы для трех типов ламп. Как видно из приведенных в таблице данных, погрешность вольтметра остается доминирующей, но из-за изменения номинала меры суммарная погрешность становится в несколько раз меньше исходной. Следует отметить, что простая замена вольтметра более точным позволила бы сократить погрешность еще на 35-45%.

Таблица 4. Погрешности температуры ленты, обусловленной неточностью определения тока питания лампы после модернизации аппаратуры.

Температура, С ТV, мК ТR, мК ТRt, мК Т, мК 800 106 6 1,2 СИ10-1100 55 5 1 (вак) 1500 64 5 1 1300 78 5 1 СИ10-1700 70 4 0,9 (газ) 2000 69 4 0,9 900 64 7 1,5 Polaron 1300 50 6 1,2 (вак) 1700 75 5 1 ТV - температурный эквивалент погрешности вольтметра, ТR – температурный эквивалент погрешности меры сопротивления, ТRt – погрешность из-за температурного дрейфа меры сопротивления, Т, - суммарная погрешность определения тока питания лампы.

В четвертой главе описываются исследования погрешностей, связанных с процессом передачи единицы температуры от одного источника излучения другому. В их число входят погрешности, обусловленные неточностью определения длины волны, нелинейностью фотоэлектрического измерительного тракта, влиянием эффекта размера источника и изменением температуры окружающего воздуха. Также была исследована воспроизводимость измерений при передаче единицы температуры.

Были получены оценки составляющих воспроизводимости измерений при работе с реперными точками. Для компаратора ГЭТ34-2007, несмотря на значительное снижение уровня шумов выходного сигнала фотодиода за счет использования фильтра низких частот, средние значения уровня шумов в точке затвердевания меди лежат в диапазоне 5-6 мкВ, что соответствует 0,02% от измеряемого сигнала. Измерение сигнала фотоэлектрического тракта производилось мультиметром Agilent 34401 с разрешающей способностью 100 нВ, что составляет 0,0003% от среднего значения выходного сигнала в точке затвердевания меди и 0,002% в точке затвердевания серебра.

Для определения кратковременного дрейфа был проведен анализ измерений реализаций реперных точек серебра, золота и меди за период с 2007 по 2010 год.

Принимая во внимание больший вес более поздних измерений, кратковременный дрейф спектрокомпаратора был оценен в 70 мК.

Относительное значение кратковременной стабильности можно считать независимым от абсолютного значения сигнала выше точки затвердевания меди и равным 0,08%. Таким образом, доминирующей компонентой погрешности воспроизведения значения температуры компаратором является кратковременная стабильность. Все значения компонент и суммарной погрешности по этой составляющей приведены в таблице 5.

Таблица 5. Составляющие погрешности воспроизведения при работе с МЧТ.

Pages:     | 1 || 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.