Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zařízení, pomocí kterého je možno změřit délky, respektive jejich změny, určitého materiálového vzorku i při vysokých teplotách s přesností až 0,001 mm. Tak se potom registrují změny délky vzorku ve tvaru tyče při změně teploty, což umožní např. vypočítat součinitel délkové teplotní roztažnosti i při teplotách nad 1000 °C. Jeho změny s teplotou jsou potom možné vyčíslit z grafu, který je výsledkem měření prováděného na navrhovaném zařízení.

Dosavadní stav techniky

Měření délek, které je určující pro výpočet součinitele délkové teplotní roztažnosti, je v oblasti io normálních teplot, což je interval -60 až +100 °C, v současné době dokonale technicky propracováno. Problém nastane, když teplota měřeného objektu je mimo tento interval, protože měřicí zařízení obvykle nemůže být namáháno extremními teplotami. Jeho kontakt s měřeným objektem v této oblasti teplot by způsobil jeho poškození.

Pokud je známo, doposud se kontaktní měření délek při vysokých teplotách nahrazovalo pouze obtížným měřením optickým, kde se ale musela zajistit např. průhlednost prostředí mezi koncovými terči a vlastním měřidlem a řada s tím spojených těžkostí.

Na trhu sice jsou speciální komerčně vyráběné dilatometry, které je možno použít pro měření i při vysokých teplotách, na nich je ale možno proměřovat pouze rozměrově i hmotnostně malé vzorky, maximálně zhruba o rozměru 1 cm a váze 5 g. To je možno využít pro homogenní Čisté materiálové vzorky např. ve fyzikálních či chemických laboratořích. Pro stavební materiály, jejichž složení je často velmi různorodé, například betony či dnes hojně využívané kompozitní materiály, se vyžadují minimální rozměry zkušebních vzorků ve tvaru trámečku 20 x 20 x 120 mm, aby byla zaručena alespoň základní reprezentace struktury zkoumaného materiálu. Takové vzorky tedy není možno proměřovat.

Protože ale teplotní závislost součinitele délkové teplotní roztažnosti není až tak výrazná, vystačilo se pro teplotní interval do 100 °C většinou s jeho jednou hodnotou, která se získala měřením v rozmezí normálních teplot. Tato „materiálová konstanta⁴* se potom používala pro výpočty v celém širokém teplotním intervalu.

V dnešní době se ale musí vzhledem k vysoké požadované přesnosti výpočtu používat takový součinitel délkové teplotní roztažnosti, který je teplotně závislý.

Pro výpočty, kdy se teplota mění v určitém intervalu, se použije průměrný součinitel délkové teplotní roztažnosti cto,. Ten se vypočte tak, že relativní prodloužení způsobené teplotou se dělí rozdílem teplot ohraničujících uvažovaný teplotní interval (např. 0 -1 °C).

Podstata technického řešení

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro určení součinitele délkové teplotní roztažnosti podle předkládaného řešení. Jeho podstatou je, že sestává z elektrické pece, která je tvořena pláštěm s vnitřní izolací a topnou spirálou a která je opatřena regulátorem teploty. Pec má na své spodní stěně kolečka pro pojezd po pevné základnové desce, na které je umístěná nosná konstrukce. Nosná konstrukce je tvořená první a druhou vertikální opěrou, které jsou spojeny na40 vzájem hřídelí rovnoběžnou se základnovou deskou. Na hřídeli je umístěna svými spodními rameny posuvná konstrukce opatřená nastavovacím šroubem procházejícím druhou opěrou.

Posuvná konstrukce je ve směru od pece na své homí straně opatřena podpěrou a prvním a druhým horním ramenem. V podélné ose pece je umístněn nosič z teplotně odolného stabilního materiálu pro uložení měřeného vzorku. Nosič je jedním svým koncem vyveden vně pece prostupem v boční stěně pece a je upevněn k první vertikální opěře nosné konstrukce. Touto první vertikální

-1 CZ 21752 Ul opěrou zároveň prochází v podélné ose pece teplotně odolná keramická přenosová kontaktní tyčinka, jejíž jeden konec je v kontaktu s povrchem měřeného vzorku, je vedena přes podpěru, prochází prvním horním ramenem a její druhý konec je kontaktu s čidlem měřicího zařízení.

Vnitřní prostor pece je opatřen nejméně dvěma termočlánky. Jeden termočlánek, který je použit vždy, je umístněn v prostoru pece a je vodiči připojen k regulátoru teploty. Nejméně jeden druhý termočlánek je pak umístěn v těsné blízkosti vzorku a jeho přívodní vodiče jsou vyvedeny vně pece a jsou spojeny s počítačem. Na vstup počítače je připojen výstup měřicího zařízení, které je opatřeno čidlem procházejícím druhým horním ramenem. Toto Čidlo je v kontaktu s teplotně odolnou keramickou přenosovou kontaktní tyčinkou.

Ve výhodném provedení je nosič z teplotně odolného stabilního materiálu ve tvaru korýtka.

V jednom možném provedení je plášť pece válcový. V případě, že pec je horizontální, postačí v blízkosti měřeného vzorku pouze jeden druhý termočlánek, protože teplota měřeného vzorku bude všude stejná. V případě gradientové pece pak je nutno použít alespoň dva druhé termočlánky umístěné v těsné blízkosti podél měřeného vzorku.

Je výhodné, je-li měřený vzorek ve tvaru válce nebo kvádru. Výhodné je rovněž jsou-li kalibrační a měřený vzorek tělesa ve tvaru válce nebo kvádru o stejné délce 8 až 18 cm a příčných rozměrech do 2 cm, které však nemusí mít oba vzorky stejné.

V jednom možném provedení je jako měřicí zařízení použit digitální indikátor pro měření délek s přesností 0,001 mm.

Princip metody realizované daným zařízením tkvi v tom, že proměřovaný materiálový vzorek je umístěn v uzpůsobené laboratorní elektrické peci tak, Že jeden konec je pevně ukotven v peci na nosiči a druhý je přes přenosovou keramickou tyčinku průchodkou v bočním prostupu pece připojen k registračnímu měřidlu.

Při zahřívaní se sledují délkové změny v materiálu a Části zahřívané přenosové tyčinky. Prodlou25 žení proměřovaného vzorku při konkrétním měření se určí jako rozdíl mezi celkovým registrovaným prodloužením a prodloužením zahřívané části přenosové tyčinky, které se vypočítá jako rozdíl celkového prodloužení při kalibračním měření a vypočteného prodloužení kalibračního vzorku, jehož součinitel délkové teplotní roztažnosti a teplota jsou známé. Tím je určeno skutečné prodloužení zkoumaného materiálu při známem teplotním rozdílu (např. 0 až t) a průměrný součinitel délkové teplotní roztažnosti oq, se při známé počáteční délce proměřovaného vzorku potom již snadno vypočítá.

Teplotní závislost součinitele délkové teplotní roztažnosti a, na teplotě se zjistí tak, že se proměří relativní prodloužení pro určité teploty, nejvhodněji po 100 °C až do 1200 °C, a tyto naměřené hodnoty se vynesou do grafu v závislosti na teplotě. Tato funkce se analyticky vyjádří a její deri35 vací potom lze určit pro každou teplotu hodnotu součinitele délkové teplotní roztažnosti α,. V grafickém zpracování je možné hodnotu součinitele délkové teplotní roztažnosti a._t získat jako směrnici tečny tohoto grafu v bodě pro teplotu t.

Hlavní přínos podávaného návrhu je, že umožňuje kontaktním způsobem měřit délku měřeného vzorku při libovolné teplotě a přitom vlastní měřicí zařízení zůstává na laboratorní teplotě.

Horizontální uspořádání pece předpokládá, že celý vzorek je na stejné teplotě. Proto pro určení teploty vzorku postačí jediné termočidlo - termočlánek T2.

Přehled obrázku na výkrese

Příklad provedení zařízení pro určení součinitele délkové teplotní roztažnosti je schematicky uveden na přiloženém výkrese.

-2CZ 21752 Ul

Příklady provedeni technického řešeni

Zařízení pro určení součinitele délkové teplotní roztažnosti sestává z elektrické pece s nastavitelnou teplotou. Tato pec je tvořena pláštěm i s vnitřní izolací a topnou spirálou 2. Ve výhodném provedení má pec válcový plášť.

Uprostřed pece je v její podélné ose umístněn nosič 3, zde korýtkového tvaru, z teplotně stabilního materiálu, která slouží k uložení měřeného vzorku 2 a může sloužit i jako kalibrační vzorek. V případě, kdy se nosič 3 využije i pro kalibraci, musí být znám i jeho součinitel délkové teplotní roztažnosti v závislosti na teplotě.

Vnitřní prostor pece opatřen dvěma termočlánky, kde jeden termočlánek TI je umístněn uproio střed pece a slouží jako indikátor teploty v peci pro regulaci teploty a druhý termočlánek T2 ie v těsné blízkosti vzorku 7 a je jím měřena teplota vzorku 7. Přívodní vodiče termočlánku jsou vyvedeny vně pece, a to od prvního termočlánku TI k regulátoru 10 teploty, který je součástí vybavení pece a od druhého termočlánku T2 k počítači 4. Na vstup počítače 4 je připojen výstup měřicího zařízení 8, které je opatřeno čidlem. Při horizontálním uspořádání válcové pece postačí pouze jeden druhý termočlánek T2, protože se nepředpokládá žádný gradient teploty. V případě gradientově pece se použije více druhých termočlánků T2 a jako teplota vzorku 7 se uvažuje vážený průměr ze všech zjištěných údajů.

Pec má na své spodní stěně kolečka 12 pro pojezd po pevné základnové desce li, na které je umístěná nosná konstrukce 9. Nosná konstrukce 9 je tvořená první vertikální opěrou 91 a druhou opěrou 92, které jsou spojeny navzájem hřídelí 93 rovnoběžnou se základnovou deskou ii. Na hřídeli 93 je umístěna svými spodními rameny posuvná konstrukce opatřená nastavovacím šroubem 94 procházejícím druhou opěrou 92. Posuvná konstrukce je ve směru od pece na své horní straně opatřena podpěrou 95, prvním horním ramenem 96 a druhým horním ramenem 97.

Na boční straně pece je umístněný prostup 5, kterým je jedním svým koncem vyvedena vně pece konstrukce nosiče 3 a je upevněna k první vertikální opěře 91 nosné konstrukce 9. Zároveň touto první vertikální opěrou 91 prochází v podélné ose pece teplotně odolná keramická přenosová kontaktní tyčinka 6, jejíž jeden konec je v kontaktu s povrchem měřeného vzorku 7 a druhý konec je veden přes podpěru 95 nosné konstrukce 9 a prochází prvním horním ramenem 96 a ie v kontaktu s Čidlem měřicího zařízení 8, které prochází druhým horním ramenem 97.

Pro konkrétní zařízení byla navřena válcová elektrická pec tvořená pláštěm i s izolací a topnými spirálami 2 s těmito parametry: maximální teplota 1220 °C, provozní teplota 25 až 1220 °C, rychlost ohřevu 1 až 15 °C/min., kontrola nastavení teploty: Pec má zabudovaný první termočlánek TI Pt-PtRhlO s digitálním výstupem. Elektrický příkon pece je 1500 W. Protože se jedná o válcovou pec a měřený vzorek 7 je umístněný ve vodorovné ose pece, postačuje pro přesné urče35 ní teploty vzorku 7 jen jeden termočlánek, a to druhý termočlánek T2 umístněný v těsné blízkosti vzorku.

Jak bylo uvedeno, přívodní vodiče tohoto termočlánku T2 procházejí prostupem 5 v boční straně pece.

Vzhledem k parametrům pece je vhodným tvarem vzorku 7 proměřovaného materiálu válec nebo kvádr. Proměřovaný vzorek 7 musí být tvarově stabilní. Jeho základní délka je zde 8 až 18 cm a příčné rozměry jsou navrženy do 2 cm.

Jako vhodný standardní materiál kalibračního vzorku, který v daném uspořádání je zároveň nosičem 3 pro uložení proměřovaného vzorku 7, jsou považovány nekorodující a teplotně stabilní kovy či minerály, pro které je znám průběh délkové teplotní roztažnosti v závislosti na teplotě.

Jako materiál v navrhovaném zařízení je vybrán pro kalibrační vzorek, tedy pro nosič 3, korund.

Přenosová kontaktní keramická tyčinka 6 je v našem případě navržena též z teplotně odolného korundu.

-3CZ 21752 Ul

Pro měření změny délky kalibračního a měřeného vzorku 7 včetně prodloužení přenosové kontaktní tyčinky 6 slouží měřicí zařízení 8. V daném příkladě byl navržen digitální indikátor SYLVAC S229 s přesností 1 pm. Toto měřicí zařízení 8 je upevněno na vnější masivní pevné, v uvedeném případě ocelové, konstrukci 9. Ta slouží rovněž pro vedení kontaktní přenosové kera5 mické tyčinky 6.

Uvedené zařízení pracuje následujícím způsobem. Na korundový nosič 3 se položí měřený vzorek 7 tak, aby měl dobrý kontakt s přenosovou kontaktní tyčinkou 6 a aby přenosová kontaktní tyčinka 6 byla ve správném kontaktu s měřicím zařízením & Pec se uzavře. Na měřicím zařízení 8 se nastaví jako výchozí hodnota nula. Pec se nastaví na požadovaný cyklus měření. Regulátoío rem 10 teploty se nastavuje teplota, na kterou se má pec vytemperovat, a doba, po kterou má tuto teplotu udržet konstantní. Zapne se vytápění pece. Během měření zaznamenává počítač 4 průběh teploty na druhém termočlánku T2 v blízkostí vzorku 7 a je registrován průběh hodnot odečtených na měřicím zařízení 8.

Před započetím měření se vysune pec na kolečkách 12 po základové desce 11 tak, že nosič 3 bude vně pece a vloží se na něj proměřovaný vzorek 2- Poté se pec posune zpět do počáteční polohy.

Měření probíhá v rozsahu teplot od ř₀ do ř_x. Pec je spuštěna při běžné teplotě ř₀- V té chvílí má měřený vzorek 7 svou počáteční délku l₀. Teplota v peci se potom ustálí na A a na měřicím zařízení 8 se odečítá hodnota Δ/, udávající celkový přírůstek délky měřeného vzorku 7 a přenosové kontaktní tyčinky & Její odečítání trvá do ustálení hodnoty. Pro výpočet součinitele délkové roztažnosti se uvažuje hodnota teploty na druhém termočlánku T2, který je umístněn v těsné blízkosti vzorku 7, a ustálená hodnota ΔΖ zmenšená o kalibrační měření. Tím se určí prodloužení kontaktní přenosové tyčinky v závislosti na teplotě. Měření se ukončí po ustálení hodnoty na měřicím zařízení 8, když je dosaženo poslední nastavení teploty f_x. Je-li v peci teplotní spád, jedná-li se tedy o gradientovou pec, musí se uvažovat jako teplota vzorku 7 vážený průměr ze všech druhých termočlánků T2. kterých musí být více, a to nejméně dva, aby se dostatečně zmapovalo teplotní pole ve vzorku 7.

Průmyslová využitelnost

Navrhované zařízení umožňuje měřit rozměry materiálových vzorků i při extremních teplotách.

Toho se využije hlavně při výpočtu součinitele délkové teplotní roztažnosti materiálů v závislosti na teplotě. V dnešní době, kdy technický vývoj v oblasti materiálového inženýrství postupuje velice rychle vpřed, se vyvíjí velké množství specifických materiálů, jejichž fyzikální parametry je nutné přesně specifikovat i v oblasti vysokých teplot. Předkládané zařízení umožní změření jednoho z velmi důležitých materiálových parametrů, jako je součinitel délkové teplotní roztaž35 nosti, v širokém teplotním intervalu.

Znalost teplotní závislosti součinitele délkové teplotní roztažnosti potom umožní zpřesnění technického výpočtu, které řeší mnoho problémů v oblasti techniky vysokých teplot a v oblastech, ve kterých jsou vysoké teploty aplikovány.