Разработка лазерной установки для измерения коэффициента температуропроводности методом лазерной вспышки

• Введение
• 1. Метод лазерной вспышки
• 2. Описание установки
• 3. Описание лазерной установки ГОР-100М
• 4. Выбор термопары
• 5. Расчет плотности мощности падающего излучения и размеров пучка
• 6. Измерение мощности и времени импульса падающего лазерного излучения
• 7. Техника безопасности
• 8. Охрана труда
• 9. Экономическая часть
• Список литературы

Введение

Коэффициенты температуропроводности и теплопроводности являются двумя из наиболее важных теплофизических параметров веществ и материалов, поскольку они характеризуют процесс переноса теплоты и изменение температуры в них. Для прогнозирования процессов охлаждения или моделирования температурных полей знание коэффициента температуропроводности крайне важно, так как без неё невозможно определить коэффициент теплопроводности.

Температуропроводность (коэффициент температуропроводности) — физическая величина, характеризующая скорость изменения температуры вещества в неравновесных тепловых процессах, численно равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости при постоянном давлении.

Величина коэффициента температуропроводности зависит от природы вещества. Жидкости и газы обладают сравнительно малой температуропроводностью. Металлы, напротив, имеют бомльший коэффициент температуропроводности.

Существующие методы определения коэффициента температуропроводности материала подразделяют на стационарные и нестационарные.

Метод лазерной вспышки (метод лазерного импульса) относится к группе нестационарных методов, которые, в отличие от стационарных, не требуют длительного времени для установления теплового равновесия.

Основными достоинствами этого метода являются:

· Экспрессность (измерение длится секунды),.

· малые размеры исследуемых образцов,.

· при помощи одного прибора можно определять коэффициент термической диффузии, теплопроводности и теплоемкости,.

· высокая точность,.

· более широкий интервал температур, в котором этом метод применяется.

К недостаткам метода относятся прежде всего:

· высокая стоимость аппаратуры,.

· повышенные требования к условиям эксперимента при испытании пористых и негомогенных материалов Цель работы:

Разработка лазерной установки для измерения коэффициента температуропроводности методом лазерной вспышки.

Задачи:

1. Определить мощность лазерного излучения подаваемого на образец.

2. Определить размеры лазерного пучка на образце.

3. Разработать систему измерения мощности излучения и длительности лазерного импульса.

4. Разработать систему измерения температуры образца в зависимости от времени.

1. Метод лазерной вспышки Сущность метода лазерной вспышки состоит в том, что короткий импульс лучистой энергии поглощается в тонком слое фронтальной поверхности плоского образца. Вызванное этим возмущение температуры регистрируется на тыльной поверхности образца (рис. 1).

Рис. 1 Метод Паркера (равномерное тепловое излучение падает на переднюю поверхность образца, сигнал снимается с обратной поверхности) Метод лазерной вспышки применяется при следующих допущениях (идеальная модель):

1. адиабатный, гомогенный, изотропный образец,.

2. однородный импульсный нагрев,.

3. стремящаяся к нулю длительность импульса.

Для применения данного метода к реальным условиям, были разработаны различные техники и модели, учитывающие неидеальность условий эксперимента:

1. потери тепла поверхностью образца,.

2. конечность длительности лазерного импульса,.

3. неоднородность импульсного нагрева,.

4. негомогенность и неизотропность материала (например, в случае композитов).

Одним из наиболее распространенных импульсных методов измерения температуропроводности является метод лазерной вспышки. На переднюю поверхность плоского образца (рис. 1) подается тепловой импульс, созданный лазерным излучением. При этом предполагается, что отсутствуют тепловые потери, импульс мгновенный, а тепловой поток равномерный. Пренебрегаем потерями тепла вдоль осей .

В этом случае уравнение теплопроводности имеет вид:

(1).

где (z, t) — температура являющаяся функцией времени t и координаты z.

— коэффициент температуропроводности Решение задачи теплопроводности с начальными условиями:

и при 0, (2).

будет иметь вид:

(3).

где — толщина пластины, — удельный тепловой поток,.

— удельная теплоемкость, — плотность образца.

На обратной стороне пластины (=) в безразмерных величинах выражение 3 можно записать так:

() (4).

здесь имеет смысл безразмерной температуры, где — максимальная температура, — критерий Фурье, который имеет смысл безразмерного времени. Зависимость безразмерной температуры от критерия Фурье представлена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость безразмерной температуры от критерия Фурье.

Температуропроводность вычисляется обычно по времени достижения значения температуры обратной поверхности половины от максимальной.

При этом.

(5).

где — критерий Фурье (безразмерное время), при котором безразмерная температура образца обратной поверхности достигает половины максимального значения, — соответствующее время достижения половины максимальной температуры перегрева. Таким образом, измерив на обратной поверхности образца, можно вычислить значение коэффициента температуропроводности.

Рис. 3. Нормированная экспериментальная кривая.

2. Описание установки На рисунке 4 представлена схема лазерной лабораторной установки для измерения температуропроводности. В качестве излучателя 1 используется генератор оптический рубиновый ГОР-100М. Генератор оптический рубиновый ГОР-100М предназначается для получения мощных монохроматических узконаправленных импульсов когерентного света. На никелевый образец 3 толщиной 1 мм подается лазерный импульс. Тепловой сигнал регистрируется при помощи хромель — копелевой термопары 9 с толщиной электродов 0.05 мм, привариваемой на обратной поверхности образца. Сигнал с термопары усиливается в блоке усиления 10. С выхода блока усиления сигнал поступает на вход запоминающего осциллографа 11.

Оптический клин 2 служит для отведения небольшого процента падающей энергии для измерения энергии падающего излучения и длительности импульса. Светоделительный куб 6 пропускает половину падающего на него излучения на измеритель мощности, а другую направляет на измеритель длительности импульса, которым в нашей установке является фотодиод 7 с осциллографом 8. Измерителем энергии служит измеритель калориметрический твердотельный ИКТ-1Н, состоящий из измерительной головки 4 и блока регистрации 5.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки. 1 — Генератор оптический рубиновый ГОР-100М, 2 — оптический клин, 3 — никелевый образец, 4 — головка измерителя энергии ИКТ-1Н, 5 — измеритель энергии ИКТ-1Н. 6 — светоделительный куб, 7 — фотодиод, 8 — осциллограф, 9 — термопара хромель-копель, 10 — блок усилителей, 11 — осциллограф.

3. Описание лазерной установки ГОР-100М Генератор оптический рубиновый ГОР-100М предназначается для получения мощных монохроматических узконаправленных импульсов когерентного света.

Рубиновый стержень 1 располагается между зеркалами 2 и 3, которые образуют резонатор. Зеркало 2 имеет многослойное диэлектрическое покрытие с коэффициентом отражения 99,5% для света с длиной волны 694.3 нм (для увеличения стойкости покрытия зеркала в процессе эксплуатации прибора оно обращено к торцу рубинового стержня стороной без покрытия). Зеркалом 3 служит плоскопараллельная стеклянная пластина. Оптическая накачка рубинового стержня осуществляется импульсными лампами 4. Для более полного использования светового потока, лампы и рубиновый стержень помещены в камеру отражатель с зеркальной внутренней поверхностью (на рисунке не показана). Сменные фокусирующие объективы 5 предназначены для концентрации излучения оптического генератора на различные объекты. Защитное стекло 6 служит для предохранения короткофокусных объективов от загрязнения.

Рис. 5 Схема расположения элементов лазера ГОР — 100 М. 1 — рубиновый стержень, 2 — глухое зеркало, 3 — полупрозрачное зеркало, 4 — лампы накачки, 5 — линза, 6 — защитное стекло.

Тип лазера: твердотельный Длина волны излучения, нм: 694,3.

Номинальное значение энергии излучения, Дж: 100.

Длительность импульса излучения, с: 0.003.

Режим работы: одиночные импульсы с минимальным интервалом 3 минуты.

Средняя потребляемая мощность, Вт: 1000.

Питание генератора осуществляется от сети переменного тока 22 022 В, 50Гц Охлаждение ламп и рубинового стержня — воздушное от вихревого холодильника Генератор рассчитан для работы в интервале температур окружающего воздуха от +5 до +35 при относительной влажности не выше 85%.

В качества объекта исследования используем никелевый образец толщиной.

L = 1 мм Температуропроводность б =.

Теплопроводность К = 90.4.

4. Выбор термопары Термопара — два различных проводника, один конец которых спаен и помещен в место измерения температуры (горячий контакт), а свободные концы помещены в термостат (холодный контакт). Термопары служат датчиками для измерения температуры.

Рассмотрим три вида термопар и выберем наиболее подходящую для нашей установки.

Таблица 1. Технические характеристики термопар

В нашей установке будем использовать термопару хромель-копель.

Хромель-копелевые термопары (ТХК) обладают наибольшей дифференциальной чувствительностью из рассмотренных промышленно выпускаемых термопар. Хромель-копелевые термопары применяются для более точных измерений температур, а также для измерений малых величин разности температур. Хромель-копелевая термопара может стабильно работать несколько десятков тысяч часов.

К недостаткам ТХК относят достаточно высокую по сравнению с другими термопарами чувствительность к деформации.

Таблица 2. Справочные данные термопары хромель-копель.

Рис. 6. График зависимости температуры от термоэдс.

5. Расчет плотности мощности падающего излучения и размеров пучка Чтобы избежать нелинейных эффектов вызванных температурной зависиосмостью коэффициент температуропроводности (согласно принятой модели мы считаем что свойства материала однородны), температура на тыльной стороне образца должна увеличиться за время импульса на ?.

Если лазерный пучок имеет гауссовский пространственный профиль радиусом d, а плотность поглощенного на поверхности потока постоянна и равна при временах, меньших длительности импульса, то температура как функция расстояния r от центра нагреваемого пятна, глубины z, отсчитываемой от поверхности, и времени t определяется формулой:

(6).

Отсюда запишем два уравнения:

На глубине z и в центре пятна (r = 0) должно быть.

= (7).

Распределение температуры на фронтальной поверхности образца.

= (8).

Из (6) находим плотность мощности. Плотность мощности зависит от радиуса пучка d и от времени импульса. Время импульса нам известно .

Таким образом, надо подобрать d такое, чтобы при определенной плотности мощности энергия падающего на образец импульса была меньше 100 Дж. Из формулы (7) определим температуру на фронтальной поверхности образца так как следует учитывать что температура на фронтальной поверхности образца должна быть меньше температуры плавления никеля.

Энергия импульса и поглощенная энергия будут равны:

(9).

(10).

Так как поверхность нагревается, то переизлучение тепловой энергии увеличиться согласно закону Стефана-Больцмана.

Для того что бы переизлученной энергией можно было пренебречь, плотность потока должна быть намного меньше поглощенной плотности мощности .

лазерный излучение температура импульс.

(11).

Где — постоянная Стефана-Больцмана Радиус пучка будем подбирать из интервала от 1 до 8 мм. Для каждого радиуса найдем, , J. Полученные данные занесем в таблицу 3.

Таблица 3. Результаты расчетов.

Из полученных данных выберем d = 0.005 м, так как энергия в импульсе в таком случае составит примерно половину от максимально возможной и мы сможем регулировать мощность для различных образцов.

При этом.

.

6. Измерение мощности и времени импульса падающего лазерного излучения Измерять мощность будем с помощью измерителя калориметрического твердотельного ИКТ — 1Н (рис. 7), предназначенного для измерения энергии импульсов лазерного излучения в спектральном диапазоне 0,4−4 мкм.

Рис. 7. ИКТ — 1Н. 1 — блок регистрации, 2 — головка измерительная, 3 — механизм юстировки, 4 — аттенюатор Принцип работы прибора ИКТ — 1Н заключается в поглощении приемным элементом головки измерительной энергии лазерного излучения и преобразовании её в термо э.д.с., значение которой фиксируется показывающим прибором блока регистрации. Показывающий прибор отградуирован в еденицах измерения энергии Дж. При измерении уровней энергии, превышающих 150 Дж, предусмотрено использование аттенюатора, который навинчивается на измерительную головку вместо крышки со входным окном.

С помощью оптического клина отведем небольшой процент () падающей энергии на светоделительный кубик.

Светоделительный кубик пропустит половину падающей на него энергии на головку измерителя мощности, а другую половину отразит на датчик измерителя времени длительности импульса, как это показано на рисунке 6. Датчиком измерителя времени импульса лазерного излучения послужит фотодиод, который будет выводить падающий на него сигнал на экран осциллографа Материал оптического клина — стекло К8. Угол между рабочими поверхностями 7,5°. Фронтальная поверхность отражает 4% падающего излучения под углом 15° на светоделительный кубик. Тыльная поверхность клина просветлена таким образом, что пропускает падающее на неё излучение на 99,9%.

Технические характеристики измерителя энергии ИКТ — 1Н приведены в таблице 4.

Таблица 4. Технические характеристики ИКТ-1Н.

В качестве фотоприемника будем использовать фотодиод марки ФДУК-11. Фотодиод предназначен для использования в системах регистрации излучения от ближнего инфракрасного участка спектра до ультрафиолетового диапазона. Основные характеристики фотодиода приведены в таблице 5.

Таблица 5. Характеристики фотодиода.

7. Техника безопасности При работе с генератором существуют два вида опасности: световое излучение большой интенсивности и электрический ток.

Источником интенсивного светового излучения является головка генератора, источниками электрической опасности — пульт управления, блоки конденсаторов, соединительные кабели, головка генератора.

Запрещается смотреть прямо на луч генератора или на зеркальное отражение луча, а также осуществлять визуальный контроль попадания излучения на объект в момент генерации без применения средств защиты глаз.

Размещать в зоне лазерного пучка предметы, вызывающие его зеркальное отражение, если это не связано с производственной необходимостью.

Оптический тракт лазера должен быть полностью закрыт специальным устройством.

В нерабочем состоянии выходное отверстие головки генератора должно быть закрыто защитной заглушкой.

Лица, временно привлекаемые к работе с лазерами, должны быть ознакомлены с инструкцией по технике безопасности и производственной санитарии при работе с лазерами и прикреплены к ответственному лицу из постоянного персонала подразделения.

Необходимо помнить, что в блоках конденсаторов, оптической головке, пульте управления имеется постоянное высокое напряжение 5 кВ и импульсное высокое напряжение 15 кВ.

После отключения касаться блоков конденсаторов не разрешается в течении 5 минут.

Электрическая безопасность генератора обеспечивается действием блокировок при снятии крышек с блоков конденсаторов и крышки с оптической головки, наличием световой сигнализации о включении генератора, отсутствием возможности повторного включения накачки после отключения питания.

Блоки конденсаторов и оптическая скамья должны иметь защитное заземление. Заземление должно осуществляться подсоединением блоков и скамьи с помощью заземляющего провода сечением не менее 4 к заземляющему контуру помещения.

К работе с генератором допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие техническую подготовку и инструктаж по технике безопасности.

К ремонтным и настроечным работам с генератором допускаются лица прошедшие для этого всю необходимую техническую подготовку.

Запрещается запуск лазерной установки вблизи взрывчатых и легковоспламеняющихся веществ и мест их хранения.

Требования к персоналу, работающему с лазерной установкой.

Персонал, допускаемый к работе с лазерными изделиями, должен пройти инструктаж и специальное обучение безопасным приемам и методам работы.

Персонал, обслуживающий лазерные изделия, обязан изучить техническую документацию, инструкцию по эксплуатации, ознакомиться со средствами защиты и инструкцией по оказанию первой помощи при несчастных случаях.

Лица, временно привлекаемые к работе с лазерами, должны быть ознакомлены с инструкцией по технике безопасности и производственной санитарии при работе с лазерами и прикреплены к ответственному лицу из постоянного персонала подразделения.

Персоналу запрещается:

· осуществлять наблюдение прямого и зеркально отраженного лазерного излучения;

· размещать в зоне лазерного пучка предметы, вызывающие его зеркальное отражение, если это не связано с производственной необходимостью.

В случае подозрения или очевидного облучения глаз лазерным излучением следует немедленно обратиться к врачу для специального обследования.

О всех нарушениях в работе лазера, несоответствии средств индивидуальной защиты предъявленным к ним требованиям и других отступлениях от нормального режима работы персонал обязан немедленно доложить администрации и записать в журнале оперативных записей по эксплуатации и ремонту лазерной установки.

При эксплуатации данной лазерной установки должны быть соблюдены общие требования по эксплуатации лазерных установок, приведенные выше.

К лазерной установке должны допускаться только лица, непосредственно занятые ее обслуживанием и работающие с ней.

При работе лазерной установки все лица, не занятые непосредственно в процессе облучения объекта и прочих вспомогательных процессах, должны покинуть место проведения работ.

Запрещается запуск лазерной установки, при отсутствии защитных элементов, ограничивающих зону выхлопа рабочего тела из сопла.

Запрещается демонтировать, отключать или же другим образом нейтрализовывать системы и датчики, отслеживающие наличие лазерного излучения.

Запрещается эксплуатация лазерной установки при неисправных датчиках, сигнализирующих о наличии лазерного излучения.

Запрещается запуск лазерной установки вблизи взрывчатых и легковоспламеняющихся веществ и мест их хранения.

8. Охрана труда Общие положения.

1. К работе на лазерных установках допускаются лица не моложе 18-ти лет, с законченным высшим и средним образованием, имеющие удостоверение о прохождении курса специального обучения, изучившие техническую документацию, инструкцию по правилам эксплуатации, охране труда и техники безопасности при работе установки, инструкцию по оказанию первой помощи при несчастных случаях, прошедшие инструктаж непосредственно на рабочем месте.

2. В помещениях, где проводятся работы на лазерных установках должны соблюдаться действующие правила пожарной безопасности. Загромождение проходов, захламление помещений не допускается.

3. Установка, ее конструкция должны исключать возможность прикосновения обслуживающего персонала к источнику питания во включенном состоянии. В установке должны быть предусмотрены сигнализация и блокировка, обеспечивающие безопасность обслуживающему персоналу. К обслуживанию лазерных установок допускаются лица, имеющие третью квалификационную группу.

4. О каждом несчастном случае, связанным с производством или работой, пострадавший или очевидец несчастного случая немедленно должен известить соответствующего руководителя. Руководитель должен организовать первую помощь пострадавшему, его доставку в лечебное учреждение, сообщить руководителю учреждения, инженеру по охране труда или лицу, выполняющему его функции, и в профсоюзный комитет о случившемся, сохранить для расследования обстановку на рабочем месте и состояние оборудования таким, каким оно было в момент происшествия, если это не угрожает жизни и здоровью окружающих работников и не приведёт к аварии.

Меры Безопасности.

1. В установке применен лазер, по степени опасности генерируемое излучение, относящееся к 4 классу.

2. Источником опасности являются:

o Переменное напряжение 220 В в цепях питания блока управления источника питания лазера;

o Напряжение свыше 1 кВ в высоковольтном разъеме;

o Лазерное излучение (прямое, зеркально отраженное).

3. На дверях помещения должна быть надпись «Не входить» и знак лазерной опасности с надписью «Осторожно, излучение лазера» в соответствии с ГОСТ 12.4.026−76 «ССБТ. Цвета сигнальные и знаки безопасности» .

4. В помещении, где расположена установка, запрещается использовать приборы и предметы с зеркальными поверхностями. Рабочий инструментарий должен иметь матовую поверхность.

5. Персонал, работающий с лазерными установками, обязан пользоваться необходимыми средствами индивидуальной защиты и в соответствие с требованиями, определяемыми классом лазерной опасности. Глаза сотрудников должны быть защищены масками или очками.

6. В помещении с лазерными установками, где возможно образование озона, окислов азота или других вредных газов, паров и аэрозолей, должна быть предусмотрена принудительная приточно-вытяжная вентиляция, обеспечивающая снижение содержания их в воздухе до концентрации допустимой санитарными нормами.

7. Освещённость (естественная и искусственная) должна соответствовать оптимальным величинам, определяемым соответствующими инструкциями для определённых помещений учебных учреждений, в соответствии с требованиями действующих санитарных правил.

8. Персонал, занятый ремонтом и сборкой установки, должен иметь квалификационную группу по технике безопасности не ниже IV.

9. О всех нарушениях в работе лазера, несоответствии средств индивидуальной защиты предъявленным к ним требованиям и других отступлениях от нормального режима работы персонал обязан немедленно доложить администрации и записать в журнал оперативных записей по эксплуатации и ремонту лазерной установки.

Запрещается.

1. При работе с лазерным излучением:

o Смотреть навстречу первичному и зеркально отраженному лучу;

o Оставлять бесконтрольным пространство, в котором производятся манипуляции;

o Работать без защитных очков в зоне излучения;

o Проводить ремонтные и наладочные работы при подключенной установки к сети;

2. При эксплуатации установки:

· Производить замену сетевых предохранителей, соединения и разъединения кабелей при включенной в сеть установке;

· Наблюдать прямое или зеркальное отражение лазерного излучения;

· Работать на заведомо неисправной установке;

· Оставлять установку без присмотра во включенном состоянии;

· Применять самодельные и нестандартные предохранители;

· Производить расстыковку высоковольтного разъема ранее, чем через 2 минуты после отключения источника питания лазера от сети;

· Производить включение лазера при расстыкованном разъеме излучателя источника питания.

Внимание!

При демонтаже лазера из установки:

1. Расстыковку высоковольтного разъема разрешается производить не ранее, чем через 2 минуты после отключения источника питания от сети, так как на выходе высоковольтного разъема после отключения источника питания от сети сохраняется остаточный заряд.

2. Перед началом работы присоединить заземляющий провод к излучателю, а при демонтаже лазера из установки отсоединит его.

Не допускается:

1. Применять шнур с поврежденной изоляцией.

2. Бросать шнур во избежание поломки вилки.

3. Включать установку в сеть, если сетевая розетка не отвечает требованиям класса защиты установки.

4. Эксплуатировать установку в помещениях с относительной влажностью более 80%.

5. Устанавливать предохранители, не соответствующие номинальному значению.

6. Применять самодельные предохранители.

По степени опасности лазерное излучение установки относится к 4 классу по СанПиН 5804−91.

Работа с установкой разрешается только после ознакомления с настоящей инструкцией и паспортом.

Персонал, эксплуатирующий установку, обязан ежедневно вести учет времени работы установки, время включения и время выключения.

Персонал, связанный с обслуживанием и эксплуатацией лазеров, должен проходить предварительные и периодические медосмотры в соответствии с приказом Министерства здравоохранения и социального развития РФ от 12.04.2011 г. № 302н.

9. Экономическая часть Цель экономической части дипломного проектирования — обосновать целесообразность разработки технологии лазерной маркировки кости.

Основными критериями экономической целесообразности разработки и внедрения технологии является улучшение по сравнению с заменяемой техникой:

· технических характеристик проектируемого изделия;

· экономических показателей их использования (роста производительности труда, улучшение качества продукции, увеличение срока службы, интенсивности отказов, повышение фондоотдачи, снижение материалоемкости);

· социально-экономических характеристик (экологических, условий труда, снижение производственного травматизма и т. п.).

Расчеты определения экономической целесообразности проектных решений включают разделы:

1. Составление сметы затрат на приборы и оборудование лабораторной установки.

2. Определение трудоемкости выполнения проектных работ Определение затрат на разработку лабораторной установки Исходной информацией для составления калькуляции затрат на изготовление лабораторной лазерной установки для измерения коэффициента температуропроводности являются спецификация покупных комплектующих изделий и оборудования (таблица 6).

Таблица 6. Спецификация ПКИ и оборудования.

1. Parker W.J., Jenkins R.J., Butler C.P., Abbot G.l. // J. Appl. Phys. 1961., Vol. 32, № 9, p. 1679−1684.

2. Генератор оптический на рубине ГОР — 100 М. Паспорт.

3. Зиновьев В. Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах., Справ. изд., М.: Металлургия, 1989. 384 с.

4. http://sensorse.com/page53.html.

5. Дж. Рэди. Действие мощного лазерного излучения. — М.: Мир, 1974. 468 с.

6. http://www.technoexan.ru/products/diodes/cat1.php.

7. Измеритель калориметрический твердотельный ИКТ — 1Н. Паспорт К 985.00.ПС.

8. Загребин Л. Д., Бузилов С. В. Измерение температуропроводности и теплопроводности металлов вблизи точки плавления. // Приборы и техника эксперимента, 2003, № 1, с. 153−157.

9. Бузилов С. В., Загребин Л. Д. // ИФЖ 1999. Т. 72 № 2. с. 236−239.