Koesuunnitelma Alumiinin lämpölaajenemiskertoimen määrittäminen

Transkriptio

1 KON-C3004 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt Koesuunnitelma Alumiinin lämpölaajenemiskertoimen määrittäminen Ryhmä 3 Henri Palosuo Kaarle Patomäki Heidi Strengell Sheng Tian

2 1. Johdanto Materiaalin tilavuus kasvaa lämpötilan noustessa, eli tapahtuu materiaalin lämpölaajeneminen. Ilmiö ei ole yksisuuntainen, vaan lämpötilan laskiessa myös materiaali kutistuu. Esimerkiksi siltojen ja junaratojen suunnittelussa ja rakentamisessa lämpölaajeneminen on otettava huomioon, koska lämpenevät rakenteet ovat pitkiä. Tällöin lämpötilavaihteluista johtuvat pituuden muutokset ovat varsin suuria. Lämpölaajenemiskerroin on yleensä positiivinen luku, joka kuvaa aineen lämpölaajenemista. Lämpölaajeneminen ei aina välttämättä ole lineaarista johtuen esimerkiksi materiaalin epähomogeenisuudesta, erilaisesta kiderakenteesta ja olomuodonmuutoksista. Jokaisella materiaalilla on oma lämpölaajenemiskertoimensa. Tässä tutkimuksessa aiomme tutkia alumiinia. Tutkimuksessamme lämmitämme kuumailmapuhaltimella alumiinikappaletta, johon on kiinnitetty venymäliuska. Venymäliuska kytketään Wheatstonen siltaan kolmen 120 ohmin vastuksen kanssa. Jännitteen muutos kertoo venymän, jonka avulla voidaan tutkia kappaleen pituuden muutosta. Tavoitteenamme on selvittää seuraavat asiat: 1. Vastaako saamamme lämpölaajenemiskerroin riittävän tarkasti kirjallisuudessa olevaa alumiinin lämpölaajenemiskerrointa? 2. Millaisia haasteita koejärjestelyyn liittyy? Onko kokeen toteutus edes mahdollinen? 3. Millaisia virhelähteitä koejärjestelyyn liittyy? Mikä on niiden suuruusluokka? 2. Teoria Materiaalien tilavuus kasvaa lämpötilan noustessa, ja tämä tarkoittaa lämpölaajenemista. Joissain harvoissa tapauksissa myös materiaali voi kutistua lämmitessään jollakin lämpötilavälillä. Lämpölaajeneminen ei ole välttämättä lämpötilan suhteen täysin lineaarista. Lämpölaajeneminen vaikuttaa vastaavasti myös materiaalin tilavuuteen negatiivisesti lämpötilan laskiessa. Tutkimuksemme on määrä mitata alumiinin lämpölaajenemiskerrointa. Lämpölaajanemiskerroin kuvaa kappaleen tilavuuden muutosta suhteessa lämpötilan muutokseen. Kerroin voi vaihdella eri lämpötiloissa, ja se voi riippua kappaleen rakenteesta sekä myös lämpötilan muutossuunnasta. Lämpölaajenemista voidaan tutkia pituuden suhteen tai tilavuuden suhteen. Tässä tutkimuksessa tutkimme lämpötilakerrointa pituuden muutoksen avulla. Tiedetään, että

3 pituuden suhteen mitattavasta lämpölaajenemisesta voidaan laskea lineaarista lämpötilakerrointa hyödyntäen kappaleen pituuden muutos seuraavasti [1]: ΔL = αδtl 0 (1) missä L 0 on kappaleen alkupituus ja ΔT lämpötilan muutos. Näin ollen siis lineaarinen lämpötilakerroin saadaan ratkaistua kaavasta, kun tunnetaan lämpötilan muutos sekä uusi ja vanha pituus: α = ΔL ΔTL 0 (2) Alumiinin lämpölaajenemiskerroin tunnetaan olevan 25*10^-61 ⁰C [2]. 3. Koejärjestely ja mittaussuunnitelma 3.1 Koejärjestely Alumiinikappaleeseen kiinnitetään venymäliuskat, jotka mittaavat kappaleen lämpötilasta aiheutuvaa muodonmuutosta. Lämpötilaa säädellään kuumailmapuhaltimella. Alumiinikappale on muodoltaan suorakulmainen särmiö, jossa on joitakin pieniä reikiä. Tutkimus suoritetaan Otaniemessä AIIC-hallissa, entisessä koneensuunnittelun laboratoriossa. 3.2 Mittaussuunnitelma 1. Alumiinikappaleeseen kiinnitetään venymäliuska, jonka avulla tutkitaan kappaleen venymää. Liuska kiinnitetään keskelle kappaletta epoksiliimalla niin, että se on kappaleen isoimmalla sivulla. 2. Kun liuska on kiinnitettynä, se kytketään neljäsosa Wheatstonen siltaan, joka sisältää kolme 120 ohmin vastusta. Wheatstonen sillasta saatu jännite menee vahvistimelle, joka vahvistaa jännitteen 455-kertaiseksi. Vahvistettu jännite menee USB-tiedonkeruu laitteeseen, joka kiinnitetään tietokoneen USB-porttiin. 3. Kappaleeseen kiinnitetään teippaamalla venymäliuskan viereen lämpötila-anturi, jolla mitataan kappaleen lämpötilan muutos venymäliuskan läheisyydessä. Lämpötila-anturi kytketään USB-tiedonkeruulaitteeseen. 4. Kun kytkentä on valmis, DAQami-sovelluksella mitataan Wheatstonen sillan jännite ja lämpötila. Tallennetaan kerätty data tekn. yo. Strengellin HP Envy kannettavaan tietokoneeseen. 5. Kappaleen lämpötilaa muutetaan kuumailmapuhaltimella, jolloin sen lämpötila

4 kasvaa. Nyt lämpötila-anturilla mitataan lämpötilaa ja samalla mitataan venymä venymäliuskan avulla. 6. Kun mittausdata on kerätty, se analysoidaan taulukkolaskenta ohjelmalla (Excel). Taulukkolaskentaohjelmalla saadaan jännitteen muutos ja sitä vastaava lämpötilan muutos. 3.3 Aikataulu Tutkimuksen vaihe Suunniteltu ajankohta Koesuunnitelman tekeminen vk. 44 Materiaalien hankkiminen vk. 46 Mittauksen suorittaminen vk. 47 Tulosten analysointi ja raportin kirjoittaminen vk Tutkimustulosten esittelyn valmistelu vk Tutkimustulosten esittely vk Tiedonkäsittely Mittauksen aikana lämpötilan ja pituuden muutosta seurataan. Työn tulokset kirjataan Excel-taulukkoon. Kun lämpötilan muutos ja venymä ovat selvillä, voidaan tilanteesta piirtää kuvaaja Excelillä. Lämpölaajenemiskerroin on tällöin kuvaajan kulmakerroin. Data kerätään analogisista porteista. Venymän ja lämpötilan näytteenottotaajuudet tulee olla samat, jotta venymä vastaa oikeaa lämpötilaa oikealla ajanhetkellä. Näytteenottotaajuus voi olla melko pieni, koska lämpötilan muutos on suhteellisen hidas prosessi sekä venymän muutoksen suhde lämpötilaan oletetaan lineaariseksi. 5. Riskianalyysi Mittauksen aikana kappaletta lämmitetään kuumailmapuhaltimella, jolloin palovammariski on mahdollinen. Tämä vältetään varustautumalla riittävin suojavarustein. Kappaleeseen ja kuumailmapuhaltimeen saa koskea vain henkilö, jolla on riittävä suojavarustus ja ymmärrys kuumailmapuhaltimen toiminnasta. Muut sähkölaitteet, kuten tietokoneet ja mittauslaitteistot on syytä pitää sopivan turvavälin etäisyydellä lämmitettävästä kappaleesta. Koska mittaus suoritetaan sisätiloissa opetuslaboratoriossa, ympäristöä voidaan pitää turvallisena. Ulkopuolisia häiriöitä on verrattain vähän ja ongelmatilanteessa apu löytyy läheltä.

5 6. Virhetarkastelu Tutkimuksessa syntyy virheitä mm. kappaleen, kuumailmapuhaltimen, mittauslaitteiston ja mittaajien aiheuttamista virheistä. Virhelähteiden tunnistaminen hyvissä ajoin ennen tutkimuksen suorittamista on tärkeää, jotta virheet pystytään minimoimaan ja ne pystytään tunnistamaan mittausta tehdessä. Virhelähteitä ovat: 1. Lämpötilan epätasainen jakautuminen materiaalissa 2. Lämpötilan mittauksesta aiheutuva virhe 3. Venymäliuskan liuskavakio on riippuvainen lämpötilasta 4. Venymäliuskan resistanssi muuttuu lämpötilan funktiona 5. Venymäliuska lämpölaajenee, joka johtaa liuskan venymiseen 6. Johdot ovat pitkiä, joten niiden lämpötila muuttuu. Johtojen oma resistanssi vaikuttaa mittaukseemme 7. Lämpölaajenemisen johdosta kappaleen tilavuus kasvaa kolmiulotteisesti. Me mittaamme vain pituutta. 7. Lähteet [1] Weast, R. C., & Chemical Rubber Company. (1974). CRC handbook of chemistry and physics: A ready-reference book of chemical and physical data. Cleveland: CRC Press. Sivu F98. [2] Weast, R. C., & Chemical Rubber Company. (1974). CRC handbook of chemistry and physics: A ready-reference book of chemical and physical data. Cleveland: CRC Press. Sivu D141.