ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2008, № 2, с. 155-161
_ ЛАБОРАТОРНАЯ _
- ТЕХНИКА -
УДК 532.137
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
© 2008 г. А. Л. Бельтшков, В. И. Ладьянов
Физико-технический институт УрО РАН Россия, 426000, Ижевск, ул. Кирова, 132 E-mail: las@pti.udm.ru Поступила в редакцию 15.05.2007 г.
Описана автоматизированная установка для измерения кинематической вязкости металлических расплавов методом затухающих крутильных колебаний. Предложен способ контроля возникновения маховых колебаний подвесной системы вискозиметра в ходе эксперимента при автоматической регистрации крутильных колебаний. Приведена оценка экспериментальных ошибок при определении вязкости численным решением уравнения движения. Проведен анализ влияния значений декремента затухания, периода колебаний, радиуса и высоты образца на величину расчетной погрешности вязкости.
PACS: 66.20.+d
ВВЕДЕНИЕ
Кинематическая вязкость является одним из наиболее структурно-чувствительных свойств расплавов [1] и часто используется при их физико-химическом анализе. Одним из наиболее распространенных и надежных методов определения вязкости металлических расплавов при высоких температурах (1000-1800°С) является метод затухающих крутильных колебаний цилиндрического стакана с расплавом [2]. Теоретические основы метода и конструкции экспериментальных установок разработаны достаточно давно (например, [2-5]) и за это время принципиально изменились мало. В последние годы усовершенствование метода, в основном, связано с разработкой новых способов регистрации крутильных колебаний подвесной системы вискозиметра [6-8], обработки экспериментальных данных [9-12] и компьютерной автоматизацией эксперимента [7, 13]. По данным разных авторов [6-8, 13-15], при использовании аналогичных методов и средств измерения расчетная погрешность определения абсолютных значений вязкости колеблется от 0.7 до 6%. Наименьшая погрешность измерения вязкости по данным авторов работы [13] составляет 0.7% при относительной ошибке определения декремента затухания 5 ■ 10-7%, однако методика расчета ошибок в данной работе не приводится.
Несмотря на столь высокую заявляемую точность измерений данные разных авторов по вязкости жидких металлов, особенно бинарных и многокомпонентных расплавов, часто противоречивы (см., например, [16]). Причина может быть как в сильном влиянии на вязкость неконтролируемых примесей, так и в условиях проведе-
ния эксперимента и способа обработки данных. В большинстве работ подробный анализ методик измерений не проводится, поэтому причины такого разброса данных выяснить практически невозможно. Особенно тщательный анализ экспериментальной методики необходим при изучении таких тонких эффектов в жидкой фазе как структурные переходы [17] и релаксационные процессы [18], чтобы выявить особенности температурных и временных зависимостей вязкости и исключить возможные методические причины появления аномалий разного типа.
В настоящей работе описана автоматизированная установка для измерения кинематической вязкости высокотемпературных металлических расплавов классическим методом с фотооптической регистрацией крутильных колебаний [3] и дополненная современной методикой обработки результатов эксперимента [10, 12].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Блок-схема установки приведена на рис. 1. Установка состоит из следующих функциональных систем: вакуумирования рабочей камеры и напуска инертного газа; контроля и управления температурным режимом в печи; раскачки и измерения декремента затухания и периода колебаний подвесной системы; обработки экспериментальных данных (расчет вязкости и оценка экспериментальных погрешностей).
Для управления работой установки в автоматическом режиме разработаны плата управления и сбора данных со счетчиком временных интервалов, совместимая с компьютером, и программное
Система напуска
Система раскачки
Рис. 1. Блок-схема вискозиметра: 1 - вольфрамовая нить подвеса; 2 - электромагнитные катушки системы раскачки; 3 - якорь; 4 - зеркало; 5 - молибденовый шток; 6 - водоохлаждаемый герметичный корпус печи; 7 - молибденовый нагреватель; 8 - тигель с расплавом; 9 - вольфрам-рениевая термопара; 10 -лазер; 11 - фотодатчик.
обеспечение, позволяющее проводить измерения в автоматическом и полуавтоматическом режимах. В полуавтоматическом режиме "вручную" проводится регулировка температуры в печи вискозиметра (при помощи высокоточного регулятора температуры ВРТ-3) и раскачка подвесной системы. Сбор информации и расчеты проводятся автоматически. В автоматическом режиме всей работой установки управляет компьютер по ранее заданному плану эксперимента.
Система вакуумирования рабочей камеры и напуска инертного газа
Для откачки воздуха из рабочей камеры вискозиметра используют форвакуумный и высоковакуумный паромасляный насосы. После понижения давления до 10-2 Па в камеру напускают чистый гелий марки А (объемная доля гелия >99.995%), прошедший предварительно две стадии очистки: медной стружкой при ~450°С и титановой губкой при ~800°С. Для более полного удаления воздуха проводят 2-3-кратное промывание
камеры гелием. В установке предусмотрена возможность отбора газа для анализа на содержание кислорода и водяного пара.
Система контроля и управления
температурным режимом в печи
Питание печи вискозиметра осуществляется от понижающего трансформатора 0СУ-20/0.5 через блок тиристоров, управляемый регулятором температуры ВРТ-3, который поддерживает температуру печи на заданном уровне с погрешностью ±0.5°С. Температура в печи определяется с погрешностью ±10°С при помощи термопары ВР-5/20, расположенной под образцом на расстоянии 3-4 мм, и цифрового вольтметра. Термопару калибруют по температурам плавления чистых металлов (А1, Си, N1, Со, Бе), результаты калибровки вводят в программу управления вискозиметром. При работе установки в автоматическом режиме регулировка температуры в печи осуществляется также при помощи ВРТ-3, но при этом регулятором температуры управляет компьютер в соответствии с планом эксперимента.
Система раскачки и регистрации крутильных колебаний
Логарифмический декремент затухания колебаний определяют оптическим способом по изменению скорости прохождения отраженным световым лучом базового расстояния между фотодатчиками, расположенными вблизи положения равновесия. Как правило, в таких системах регистрации используют осветитель и два или три фотодатчика [например, 2, 6, 13]. При этом предполагается, что скорость движения луча, отраженного от зеркала, которое жестко связано с колеблющейся подвесной системой, пропорциональна амплитуде колебаний А и постоянна на отрезке между двумя фотодатчиками, распложенными около положения равновесия на расстоянии I друг от друга [6, 13]. Логарифмический декремент затухания одного колебательного цикла подвесной системы вычисляют по формуле [6]
8 = 4'" (-).
где N - число колебаний в цикле, которое определяется условием 10/1Ь! ~ 3.6 [19] (для расплавов на основе металлов группы железа оптимальным является 5-6 колебаний в цикле), ¿0 и N - времена прохождения отрезка I при начальном колебании и спустя N колебаний после начала измерений, соответственно.
Использование данного метода регистрации накладывает дополнительное условие: А >> I, так как скорость движения отраженного луча на от-
резке между фотодатчиками неравномерна. Например, при размещении фотодатчиков на расстоянии 1 м от зеркала, при амплитуде колебаний А = 0.3 м [6] и I = 0.015 м относительная ошибка определения времени прохождения отраженным лучом расстояния между фотодатчиками составляет Дг/г = 0.01%. Уменьшение амплитуды колебаний до 0.1 м приводит к возрастанию Дг/г до 0.1%.
Для получения стабильного светового луча с крутым фронтом "свет-тень" в данной работе мы использовали газовый лазер, а для регистрации временных интервалов - прецизионный фотодатчик на одном фотодиоде с временем задержки <100 нс. Плата сбора данных со счетчиком временных интервалов совмещена с компьютером. Использование фотодатчика на одном фотодиоде позволило уменьшить базовую длину I (складывается из диаметров фотодатчика и светового луча) до 0.5 см и, соответственно, значительно увеличить точность определения интервалов времени при сохранении амплитуды колебаний подвесной системы.
В положении равновесия подвесной системы вискозиметра (рис. 1) луч лазера, отраженный от зеркала, попадает на фотодатчик. На катушки системы раскачки подают электрический импульс, в результате чего подвесная система начинает совершать крутильные колебания. При прохождении отраженного от зеркала луча лазера через фотодатчик на его выходе формируется последовательность импульсов (рис. 2), длительность которых соответствует времени прохождения луча через фотодатчик. Сигнал с фотодатчика подается на плату сбора данных, которая измеряет длительность импульсов и период колебаний. Для раскачки подвесной системы до заданной амплитуды на катушки системы раскачки подают электрические импульсы в момент прохождения луча через фотодатчик до тех пор, пока регистрируемые временные интервалы не станут меньше заданного. При этом длительность импульсов и время срабатывания определяются периодом колебаний подвесной системы. Далее пропускают четыре первых колебания и начинают измерения декремента затухания и периода колебаний подвесной системы.
Декремент затухания одного колебательного цикла определяли методом наименьших квадратов [3] по соотношению:
5 =
(N +1)[(N +1) -1 ]
2 £ 11п г, - N £ 1п г, к
1 = о
1 =0
5 4
1
2 2 ^ 0
«
12 -
Время, с
Рис. 2. Схема определения декремента затухания подвесной системы вискозиметра:
а - затухающие колебания отраженного луча -диаметр луча, ¿2 - диаметр фотодиода); б - сигнал на выходе фотодатчика.
Основная причина появления случайной погрешности при определении декремента затухания подвесной системы заключается в нерегулярных колебаниях, возникающих при наложении крутильных и маховых колебаний. Маховые колебания подвесной системы могут возникать в результате ее неправильной раскачки, децентров
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.