Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения проводящих и непроводящих жидкостей

Диссертация: Компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения проводящих и непроводящих жидкостей
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Создана оригинальная установка, впервые реализующая новый, компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения жидкостей с применением двойной модуляции. Метод позволяет проводить измерения с малой температурной ступенькой — 0.2 К. Это дает возможность измерять локальный (не усреднённый) коэффициент теплового расширения в области состояний, в которой названный коэффициент испытывает… Читать ещё >

Содержание

  • Список терминов и сокращений

ГЛАВА I. Обзор аномалий на температурных зависимостях некоторых тегаюфизических свойств материалов. Анализ методов изучения термодинамических свойств материалов с точки зрения возможности выявления тонких аномальных эффектов

1.1. Экспериментальные факты. Особенности в поведении жидких щелочных металлов.

1.2 Анализ методов изучения термодинамических свойств материалов с точки зрения возможности выявления тонких аномальных эффектов

1.2.1 Методы модуляционной дилатометрии

1.2.2 Методы, основанные на регистрации тепловых потоков

1.2.3 Метод дифференциального гидростатического взвешивания

ГЛАВА II. Новый метод измерения коэффициента теплового расширения ар жидкостей с применением двойного модуляционного воздействия на образец

2.1. Метод измерения коэффициента теплового расширения ар проводящих жидкостей с применением двойного модуляционного воздействия на образец

2.2 Возможность распространения метода измерения к.т.р. с использованием двойной модуляции на изучение диэлектрических жидкостей

2.3 Необходимое условие корректного измерения коэффициента теплового расширения

2.4 Проблемные вопросы, связанные с реализацией нового, компенсационного метода измерения коэффициента теплового расширения аР проводящих жидкостей

2.5 План работ

ГЛАВА III. Применение модуляционного метода в измерении коэффициента теплового расширения диэлектрических жидкостей

3.1. Выбор образца

3.2 Установка для измерения коэффициента теплового расширения ар диэлектрических жидкостей компенсационным методом

3.2.1 Измерительная ячейка и ячейка для измерения давления

3.2.2 Генератор периодической составляющей давления

3.2.3 Система управления электрическим током а. Устройство формирования тактовых импульсов б. Устройство, формирующее модуляционный сигнал с помощью в. Устройство формирования высокочастотного управляющего сигнала с применением широтно-импульсной модуляции

3.2.4 Вспомогательный образец

3.2.5 Измерительная цепь

3.2.6 Интегратор

3.3 Расчет мощности электрического тока, подаваемого на ячейку при частотной модуляции

3.4. Апробация установки для измерения коэффициента теплового расширения а, компенсационным методом и температурные измерения аР дистиллированной воды

3.4.1 Зависимость адиабатического термического коэффициента давления дистиллированной воды от температуры

3.4.2 Способ изменения давления

3.4.3 Получение температурного сигнала от графитового стержня при нагреве его электрическим током. Оценка удельной теплоемкости графитового стержня Ср

3.4.4 Проверка постоянства отношения амплитуд колебаний давления и мощности

3.4.5 Оценочный расчёт коэффициента теплового расширения

3.4.6 Температурные измерения коэффициента теплового расширения дистиллированной воды в интервале температур 20−45 °С

3.5 Анализ погрешности

3.6 Выводы к главе

ГЛАВА IV. Применение модуляционного метода в измерении коэффициента теплового расширения проводящих (металлических) жидкостей

4.1. Выбор образца

4.2. Описание ячейки, используемой для измерения коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей

4.3 Установка для измерения коэффициента теплового расширения ар проводящих жидкостей компенсационным методом

4.4 Использование амплитудной модуляции высокочастотного сигнала в схеме формирования периодического изменения мощности электрического тока

4.5 Настройка и калибровка электрической схемы

4.6 Калибровка датчика давления

4.7 Проверка работоспособности узлов измерительной установки

4.8 Результаты апробации модуляционного метода измерения к.т.р. на жидкометаллическом образце, калий-натриевая смесь

4.9 Результаты апробации модуляционного метода измерения к.т.р. на жидкометаллическом образце, цезий

4.10

Выводы к главе

Выводы

Компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения проводящих и непроводящих жидкостей (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Настоящая работа посвящена разработке нового метода измерений коэффициента теплового расширения (к.т.р.) проводящих жидкостей метод является результатом развития варианта методики измерения использованием периодического изменения давления [1,2,3].

Создание такого метода было вызвано необходимостью более полного и точного изучения теплофизических свойств жидкого цезия в диапазоне температур 300−600 К. Интерес вызвали наблюдаемые в окрестности 600 К аномалии в поведении вязкости, плотности и структурных свойств, которые раньше наблюдались и в других металлах и расплавах. В работе Орлова Л. А. 4] проводились измерения а.т.к.д., с целью уточнения данных в области аномального поведения жидкого цезия. Им были получены результаты с хорошей воспроизводимостью. Был также обнаружен скачок а.т.к.д. в области температур 580−595К. Эти данные находились в согласии с данными прецизионных измерений плотности [5] и вязкости [6], на температурных зависимостях которых, в этой же области температур наблюдались изломы. Необходимо отметить, что а.т.к.д. включает в себя две термодинамические характеристики: изобарную теплоемкость и коэффициент теплового расширения. Так как аномальное поведение может проявляться одновременным скачком и коэффициента теплового расширения и изобарной теплоемкости Ср [7], то отношение этих величин может и не сопровождаться сильными аномалиями. Поэтому следующим этапом изучения данного явления стало более тщательное измерение изобарной теплоемкости или коэффициента теплового расширения. и созданию на его основе действующей установки. Указанный адиабатического термического коэффициента давления с.

Необходимо отметить, что при сравнении данных по плотности жидкого цезия, полученных Сковородько [5], с данными Орлова [4] по а.т.к.д. выяснилось, что в большей мере на скачок а.т.к.д. влияет изменение ар, а предполагаемое изменение теплоемкости граничит с погрешностью измерений. Таким образом, внимание было сконцентрировано на измерении коэффициента теплового расширения.

В 1994 году Благонравовым Л. А. [8,9] был предложен новый, компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения жидких проводников при помощи периодических джоулевого и барического воздействий. Предложенный метод отличается от известных тем, что он должен был позволить определять локальный коэффициент теплового расширения, в то время как известные дилатометрические методы дают возможность находить значения ар, усредненные по некоторому температурному интервалу. Эта особенность нового метода имеет важное значение в исследованиях, проводимых в состояниях, в которых коэффициент теплового расширения испытывает довольно значительные изменения. Необходимо отметить, что помимо измерения к.т.р. проводящих жидкостей метод может быть применен и для исследования температурной зависимости к.т.р. диэлектрических жидкостей с использованием комбинированного образца.

Целью работы является:

Создание установки для реализации нового метода измерения коэффициента теплового расширения жидкостей в условиях двойного модуляционного воздействия.

Проверка работоспособности установки, путем тестирования на выполнение необходимого условия достоверности получаемых результатов.

Апробация установки и метода измерения в варианте комбинированного образца для проведения температурных исследований коэффициента теплового расширения воды, используемой в качестве диэлектрической жидкости.

Апробация установки и метода измерения в варианте проводящего образца путем изучения температурной зависимости коэффициента теплового расширения щелочных металлов.

Выработка рекомендаций по эффективному применению метода измерения коэффициента теплового расширения в условия двойного модуляционного воздействия.

Научная новизна работы.

Впервые реализован компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения с применением двойного модуляционного воздействия различной физической природы на образец. Специфика метода заключается в том, что при воздействии на образец периодического изменения давления с частотой V одновременно через него пропускается переменный электрический ток с той же частотой V, при этом температурные отклики от обоих воздействий скомпенсированы. Метод допускает возможность осуществления малой температурной ступеньки (0,1−0,2 К), что дает право считать получаемые значения к.т.р. близкими к истинному. Величина температурной ступеньки в традиционных дилатометрических методах, выполняемых в форме получения зависимости плотности или удельного объема от температуры, составляет десятки градусов.

Практическая ценность работы.

При идеальной реализации этого метода он может быть использован как абсолютный метод. Полученные в данной работе результаты являются косвенным подтверждением этого. Сделан шаг в создании чувствительного метода измерения коэффициента теплового расширения, который при дальнейшем увеличении точности измерений позволит изучать природу аномального поведения теплофизических свойств жидкостей.

Автор защищает:

1. Результаты разработки методических вопросов измерения к.т.р. жидкостей компенсационным методом с применением двойной модуляции:

— установление необходимого условия корректности измерения к.т.р.;

— обеспечение синхронности модуляционных воздействий на образец;

— обеспечение защищенности измерительного канала от электромагнитных помех;

— способы модуляции, обеспечивающие синусоидальную форму колебаний мощности электрического тока, пропускаемого через образец.

2. Результаты изучения температурной зависимости к.т.р. дистиллированной воды, подтверждающие достоверность результатов, получаемых с помощью варианта компенсационного метода с использованием комбинированного образца (вариант метода, пригодный для измерения к.т.р. диэлектрических жидкостей).

3. Результаты изучения температурной зависимости к.т.р. калий-натриевой смеси эвтектического состава и жидкого цезия, подтверждающие достоверность результатов, получаемых с помощью варианта компенсационного метода, разработанного для проводящих жидкостей.

выводы.

1. Создана оригинальная установка, впервые реализующая новый, компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения жидкостей с применением двойной модуляции. Метод позволяет проводить измерения с малой температурной ступенькой — 0.2 К. Это дает возможность измерять локальный (не усреднённый) коэффициент теплового расширения в области состояний, в которой названный коэффициент испытывает значительные изменения.

2. Специфика определения коэффициента теплового расширения компенсационным методом с применением двойной модуляции заключается в требовании соблюдения необходимого условия корректного измерения. Условие заключается в постоянстве отношения амплитуд колебаний давления, оказываемого на образец, и мощности переменного электрического тока, протекающего через образец, при условии равенства температурных откликов от обоих воздействий.

3. Показана возможность проведения относительных измерений коэффициента теплового расширения диэлектрических жидкостей на установке в варианте комбинированного образца. Измерения коэффициента теплового расширения дистиллированной воды, выполненные в температурном интервале 20−45°С, согласуются с температурным ходом коэффициента теплового расширения, полученным из данных по плотности воды.

4. Показана возможность измерения коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей с применением двойной модуляции. Температурный ход коэффициента теплового расширения калий — натриевой эвтектики, полученный в температурном интервале 22−37°С, и температурный ход коэффициента теплового расширения цезия, полученный в температурном интервале 37−177°С, согласуются с соответствующими температурными зависимостями коэффициентов теплового расширения, найденными из данных по плотности, что подтверждает достоверность представленных результатов. Значения коэффициента теплового расширения K-Na эвтектики определены без привлечения дополнительных справочных данных по исследуемому образцу. Это указывает на возможность использования разрабатываемого метода в перспективе для выполнения абсолютных измерений коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему руководителю Благонравову Льву Александровичу за оказание комплексной помощи в выполнении работы на всех ее этапах.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность со руководителю Алексееву Владимировичу Алексееву за полезные консультации в годы аспирантуры и последовавшие за ней.

Автор выражает искреннюю благодарность Иванникову П. В. за помощь в разработке и создании модулятора электрического токаСоболевой A.B. — за создание программного обеспечения по обработке получаемых данных в среде Lab View.

Автор благодарит также Клепикова A.C., Козинцева A.B. и Бубнову М. за действенную помощь, оказанную на разных этапах работы. Эта помощь в разработке программного обеспечения, механические работы по изготовлению узлов установки и помощь в проведении измерений.

Автор испытывает чувство глубокой благодарности к безвременно ушедшему из жизни Сергею Николаевичу Сковородько за неоценимую помощь.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Л.П., Стасенко В. А., Благонравов Л. А., «Измерение отношения коэффициента теплового расширения и изобарной теплоемкости единицы объема жидкости». Измерительная техника, 1984 г. № 1, стр. 48−49
  2. Л.П., Благонравов Л. А., Стасенко В. А., «Авторское свидетельство № 1 065 752″ (СССР способ измерения термического коэффициента давления жидкости) -опубл. в бюл. изоб. 1984 № 1
  3. Л. А., Модхен Ф., „Измерения адиабатического термического коэффициента давления в периодическом режиме“, Приборы и техника эксперимента, Москва, 1991 г, № 4, стр.167−170.
  4. Л.А., Сковородько С. Н., Орлов Л. А., Алексеев В. А., „Новые, уточненные данные об адиабатическом термическом коэффициенте давления жидкого цезия в области аномального поведения теплофизических свойств“. ТВТ. (2000). Том 38. № 4. 566−572.
  5. С.Н., „Экспериментальное исследование плотности и вязкости щелочных металлов и их сплавов при высоких температурах“, Диссертация на соис. уч. степ. канд. тех. наук., Москва, 1980 г., стр. 291.
  6. В.А., „Исследования вязкости щелочных металлов“, Диссертация на соис. уч. степ. канд. тех. наук., Москва, 1966 г., стр. 158
  7. Л.Д., Лифшиц Е. М., „Статистическая Физика“ издание 2-ое, Наука, Москва, 1964г.
  8. Л.А., „О возможности измерения коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей компенсационным методом с использованием упроготермического эффекта“. Письма в ЖТФ, том 21, выпуск 24,26декабря 1995 г., стр. 51−54.
  9. Л.А., „Способ измерения коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей“. Патент на изобретение № 2 076 313. Приоритет изобретения 8 июля 1994 г.
  10. Blagonravov L.A., SkovorocTko S.N., Krylov A.S., Orlov L.A., Alekseev V.A., Shpilrain E.E., „Phase Transition in Liquid Cesium Near 590 К“. Journal of Non-Crystalline Solids. 277. (2000). 182−187.
  11. A. G., Kuts D. A., „Structural Changes of Simple Expanded Liquids at High Temperatures“, Journal of Physics: Conference Series 98, 2008, 12 004
  12. JI.А., Крылов A.C., Мизотин M.M., Сковородько С. Н., Шпильрайн Э. Э., „Влияние структурного фазового перехода на электросопротивление жидкого цезия“. ТВТ, т. 46, № 2, с. 225−229 (2008).
  13. М.Г., Ладьянов В. И., „Полиморфные переходы в однокомпонентных жидкостях: Часть I. Экспериментальные данные“. Вестник Удмуртского университета. Физика. 2005. № 4. С. 99 116.
  14. В., „Thermal Expansivity and Ultrasonic Propagation Near the Structural Transition of Sr ТЮЗ“ Phys. Rev. Lett.1970. V.25. № 20. P. 1439.
  15. V., Hegenbarth E., „Specific Heat Measurements of SrTi03 Near 110 К“ Phys. Stat. Sol. (a), 1974. V. 25. № 1. P. 17.
  16. В.И., Бельтюков А. Л., Тронин К. Г., Камаева Л. В., „О структурном переходе в жидком кобальте“. Письма в ЖЭТФ. 2000. Т. 72, вып. 6., с. 436−439.
  17. В.И., Бельтюков А. Л., „О возможности структурного перехода в жидкой меди вблизи температуры плавления“. Письма в ЖЭТФ. 2000. Т.71, вып. 2., с.128−131
  18. М.Б., Михайлов И. Г., „О связи скорости звука и электропроводности в жидких металлах“. Акустический Журнал, 1966. Т. 12, вып. 1. с 17−21
  19. А.С., Соловьев А. Н., „Исследование плотности жидких свинца, цезия и галлия гамма-методом“. ПМТФ, № 6, 1967, с. 83−87
  20. Ю.Н., Глазков В. И., Сковородько С. И., Соменков В. А., и др., „Нейтронографическое исследование структуры жидкого цезия“, ДАН СССР 1979 г., том 244, № 1, стр.72−82.
  21. Ф.Ю., Иолин Е. М., Козлов E.H., Николаев В. О., и др., ч
  22. Нейтронографические исследования измерений структуры в жидком рубидии», ДАН СССР, т.263, № 1, стр73−75.
  23. Ф., «Измерение адиабатического термического коэффициента давления жидкого цезия методом периодического воздействия», Диссертация на соис. уч. степ. канд. физ. мат. наук., Москва 1990.
  24. JI.A., Кузнецов С. М., Алексеев В. А., Сковородько С. Н. «О характере изменения теплоемкости жидкого цезия в области аномального поведения структурных и термодинамических параметров». ТВТ. (1997). Том 35. № 1. 149−152.
  25. А.И., Шарков A.B., «Экспериментальные методы исследований. Измерения теплофизических величин». Учебное пособие Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики оптики 2006
  26. С.Н., Липаев A.A., «Методы периодического нагрева в экспериментальной теплофизике». Казань, издательство Казанского университета, 2006 г.
  27. Л.П., «Измерение теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева», Москва, Энергоатомиздат 1984 г.
  28. Е. С., «Новое пикнометрическое измерение плотности жидких металлов методом сплющенной капли». Черная металлургия. 1973. № 11. С.141−146. 14. Изв. вузов. Черная металлургия. 1975. № 5. С.152−157.
  29. Я.А., Черемисина И.М., Журнал прикладной механики и технической физики, 1965, № 2, 114−115
  30. Крафтмахер Я.А., Журнал прикладной механики и технической физики, 1967, № 4 143−144
  31. Крафтмахер Я. А, Неженцев В. П., Физика твердого тела и термодинамика. 1971 Новосибирск
  32. Glazkov S.Y., Kraftmakher К A., High Temp.-High Pressure, 1986, 18, 465−470
  33. Jean Claude Petit, Leon Ter Minassian, «Measurements of (OV /дТ)р> (8V/dp)T, and (дН/дТ), у by flux calorimetry». J. Chem. Termodynamics 1974, 6, 1139−1152.
  34. A.B., Зарипов З. И., Мухамедзянов Г. Х., «Экспериментальная установка для исследования комплекса теплофизических свойств жидкостей в интервале температур 293−473 К и давлений до А1МПау>. Казань, 2000.
  35. A.B., «Термические коэффициенты бромзамещенных и непредельных углеводородов этиленового ряда при температурах от 298 до 363К и давлениях до А1МПа». Дисс. на соис. уч. степ. канд. тех. наук, Казань, 2003.
  36. В.А., «Экспериментальное исследование теплоемкости и плотности щелочных металлов натрия, калия и теплосодержание итеплоемкости гидрида лития до 1100 °С». Диссертация к.т.н. М.:МИФИ, 1962, 144с.
  37. В.А., «Метод дифференциального гидростатического взвешивания для измерения плотности расплавленных металлов». В сб.: Жидкие металлы. М.: Госатомиздат, 1963, с. 256−262.
  38. И.И., Груздев В. А., Краев O.A. и др., «Экспериментальное исследование теплофизических свойств жидких щелочных металлов при высоких температурах». Теплофизика высоких температур, 1969 г., Т.7, № 1., С. 71−74
  39. И.И., Рощупкин В. В., Чернов А. И., Груздев В. А., «Устройство для измерения температурного коэффициента объемного расширения жидкости». Авторское свидетельство № 1 516 923. Бюллетень изобретений. 1989. № 39. С. 204.
  40. И.И., Шпильрайн Э. Э., Рощупкин В. В. и др., «Методика дифференциального гидростатического взвешивания для исследования теплового расширения металлических расплавов». Перспективные материалы. 2002. № 5. С. 75−82
  41. Л.П., «Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов при высоких температурах» изд. МГУ. 1967 г. 240стр.
  42. . Ю.И., «Загадки воды», Химия, 1996 г.
  43. Р.П., «Теплофизические свойства минералов». Известия Академии СССР «Физика Земли», Москва 1980 г., стр. 16−34.
  44. П., Хилл У., «Искусство схемотехники», том № 1, изд.4-ое., Москва, 1993 г., с. 237−238
  45. JI.A., Карчевский О. О., Иванников П. В., Клепиков A.C., «Применение двойной модуляции при измерении коэффициента тепловогорасширения жидкостей». Вестник Московского университета. Серия 3.Физика. Астрономия. (2003). № 3. 17−21.
  46. В.А., «Исследования АТКД жидкостей», Диссертация на соис. уч. степ. канд. физ. мат. наук, Москва 1980 г., стр. 60−64,108,109.
  47. Г. А., Бучнев Л. М., Петрова И. И. и др., «Графит квазимонокристаллический УПВ-1Т», (таблицы стандартных справочных данных), М., 1991.
  48. Н. И., Фёдоров К. Н., Орлов В. М., «Морская вода». Справочное руководство. —Москва. Наука, 1979
  49. С.Л., Александров A.A., «Теплофизические свойства воды и водяного пара» (Ре. ГССД, Р7−80). Москва, 1980.
  50. Т.Н., «Физические свойства и структура воды». Москва. 1998.
  51. Wagner W., Pru? A., J. Phys. Chem. Ref. Data, 2002, Vol. 31, No 2
  52. B.B., «Межчастичное взаимодействие в конденсированных средах: элементы «более равные, чем другие»», Успехи физических наук, том 179, № 4, стр. 393−401.
  53. В.А., Овчаренко В. Г., Рыжиков Ю. Ф., Семчинков А. П., «Уравнение состояния цезия в области давлений 20−600 атмосфер и температур 500−2500 °С», письма в ЖЭТФ, 1970, том 12 стр. 306−309.
  54. В.Ф., Ермилов П. Н. «Установка для измерений уравнений состояния щелочных металлов при высоких температурах», ПТЭ, 1982, № 1 стр. 209−212
  55. И.С., Мейлихова Е. З., «Физические величины». Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991., стр. 305.
  56. Г. Г., «Справочник по радиотехнике». M.-JI.: 1948. Госэнергоиздат. 4-е издание.
  57. П.Р., Денискина Н. Б., «Теплофизические свойства жидкометаллических теплоносителей: Справочные таблицы и соотношения». Обзор ФЭИ-0291. Москва, 2000.
  58. L.A., Karchevskiy О.О., Ivannikov P.V., Soboleva A.V., «Application of double modulation for measurement of the thermal expansion coefficient of liquid metals». Journal of Physics: Conference Series, 98, 32 010 (2008).
  59. В. П., «MATLAB 6.5 SP1/7.0/7.0 SP1 + Simulink 5/6/ Обработка сигналов и проектирование фильтров». M: СОЛОН-Пресс, 2005. С. 676.
  60. Н., Ким Н., «Цифровая обработка сигналов на системном уровне с использованием LabVIEW». Издательство: Додэка XXI М., 2007 г., С. 304
  61. Питер Блюм, «LabVIEW: стиль программирования». Москва. Изд-во ДМК-Пресс, 2008 г, С. 400.
  62. Jeffrey Travis «LabVIEW for Everyone». Prentice Hall, 2004, 544 p.
  63. В.П., Нестеренко А. К., «Цифровая обработка сигналов в Lab VIEW». Москва, Изд-во: ДМК Пресс, 2007, С. 256.
  64. А. Я., «LabVIEW 7: справочник по функциям». Москва: ДМК Пресс, 2005 г, с. 512.
  65. S., «Adaptive Filter Theory». 4rd Edition. Paramus, NJ: Prentice-Hall, 2001.
  66. А. А., Дьяконов В. П., «Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики». Под ред. проф. В. П. Дьяконова. — М: СОЛОН-Пресс, 2009 г., с. 248
  67. Э.Э., Якимович К. А., Тоцкий Е. Е., Тиморт Д. Л., Фомин В. А., «Теплофизические свойства щелочных металлов», Госстандарт, Москва, 1970г.
  68. И.Н., Семендяев К. А., «Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов», М. Наука 1965 г., 608 с.
  69. Р.Е., Штерн З. Ю., «Теплофизические свойства неметаллических материалов», изд-во «Энергия», Ленинградский отдел 1977г.
  70. Е., Эмде Ф., Леш Ф., «Специальные функции», Наука, Москва 1983 г., с. 18.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?