Kon c3004 Kone ja rakennustekniikan laboratoriotyöt Koesuunnitelma Tuntemattoman kappaleen materiaalin määritys Janne Mattila Teemu Koitto Lari Pelanne
Sisällysluettelo 1. Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoite 2. Teoria 3. Tutkimuksen toteutus 4. Mittausmenetelmät 5. Mittauslaitteisto 6. Aikataulu 7. Turvallisuustarkastelu 8. Virhetarkastelu 9. Lähteet
1. Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoite Tutkimusryhmämme tavoitteena on selvittää tuntemattoman kiinteän metalli kappaleen (72x52x60 cm) materiaali. Haluamme luoda koeolosuhteen, jolla pystytään tutkimaan helposti kappaleen lämpölaajenemiskerroin ja sen avulla selvittämään aineen materiaali. Luomme koeolosuhteet, jossa tulemme mittaamaan kappaleen termoelastista muodonmuutosta venymäliuskojen avulla. Datasta saamme pituuden muutoksen lämpötilan funktiona, josta voimme päätellä kappaleen lämpölaajenemiskertoimen. Saatua lämpötila kerrointa voimme verrata taulukkoarvoihin, ja näin ollen tehdä johtopäätöksen, mitä materiaalia kappale todennäköisesti on.
2. Teoria Kaikilla materiaaleilla esiintyy lämpölaajenemista ja sen suuruus vaihtelee materiaalin mukaan. Kappaleen pituuden muutos riippuu lämpötilan muutoksesta, pituuden lämpötilakertoimesta ja alkuperäisestä pituudesta. Kappaleen lämpölaajenemisen suuruus saadaan yhtälöstä: jossa on lämpölaajenemiskerroin, on lämpötilan muutos ja on alkuperäinen pituus. Kappaleen venymä saadaan: Sijoittamalla :n yhtälöön yllä oleva venymän yhtälö saadaan : ɛ= α T, josta saadaan helposti pituuden lämpötilakerroin, kun tiedetään venymä ja lämpötilan muutos.
3. Tutkimuksen toteutus Tutkimus alkaa kiinnittämällä kappaleeseen venymäliuskat, joiden avulla tutkitaan kappaleen venymää. Liuskat kiinnitetään keskelle kappaletta epoksiliimalla. Kun liuskat ovat kiinnitettyinä, tulee ne kytkeä mittausvahvistimiin, joista ne tulee kytkeä USB tiedonkeruu laitteeseen, joka kiinnitetään tietokoneen USB porttiin. Seuraavaksi valmistellaan termopari, jolla mitataan kappaleen lämpötilan muutos. Kun kytkentä on valmis tulee valmistella LabView sovellus ja varmistaa, että se toimii kuten on tarkoitettu. Nyt kaikki on valmiina kappaleen lämpötilan muuttamiselle. Se suoritetaan puhaltamalla kuumailmapuhaltimella kappaletta, jolloin sen lämpötila kasvaa. Nyt termoparilla mitataan lämpötilaa ja samalla tutkitaan venymäliuskojen antama venymä. Kun mittausdata on olemassa täytyy se viel yhdistää ja analysoida. Taulukkolaskentaohjelmalla tutkitaan lämpötilan muutoksen ja venymän kulmakerrointa, joka on haluamamme pituuden lämpötilakerroin. Tätä arvoa vertaamme taulukosta luettaviin arvoihin, joiden perusteella päätellään, mikä materiaali on kyseessä.
4. Mittausmenetelmät Pituuden muutosta tullaan mittaamaan venymäliuskojen avulla. Venymäliuskan toiminta perustuu johtimen resistanssin muuttumiseen. Johdin on kiinnitetty kalvoon ja kun kalvoa venyttää sen pituus kasvaa, jolloin myös johdin venyy ja sen resistanssi kasvaa. Resistanssin kasvusta saadaan pääteltyä venymän suuruus. Kalvo kiinnitetään liimaamalla mitattavaan kohteeseen. Termoparissa kahden metallin liitokseen muodostuu Seebeck ilmiön johdosta jännite. Jännitteen suuruus on verrannollinen liitoksen lämpötilaan. Liitos muodostetaan usein erikoisista metalli seoksista, joiden liittäminen jännitemittarin kuparijohtimiin aiheuttaa lisää liitoksia joissa esiintyy Seebeck ilmiö. Nämä ylimääräiset liitokset täytyy kompensoida lämpötila mittauksen onnistumuseksi. Kompensointi on usein sisäänrakennettu yleismittariin käyttäen erillistä piirisirua tai mittaamalla termoparin ja kupariliitoksen lämpötila. 5. Mittauslaitteisto Mittaus suoritetaan Konetekniikan laboratoriossa. Tarvittavia mittalaitteita ovat: 1. Venymäliuska x2 2. Mittausvahvistin 3. USB tiedonkeruulaite 4. Windows pohjainen tietokone 5. LabView Sovellus 6. Termopari
6. Aikataulu Viikko Tavoite Deadline Viikko 42 Koesuunnitelman työstö Pe 16.10 Koesuunnitelma ensiversio Viikko 43 Vertaisarvion suorittaminen Ma 19.10. Vertaisarvio Viikko 44 Koesuunnitelman viimeistely Ma 26.10. Päivitetty koesuunnitelma Viikko 45 Viikko 46 Viikko 47 Viikko 48 Viikko 49 Mittausten suorittaminen Mittausten suorittaminen Raportti työstäminen Raportti työstäminen Raportti viimeistely Viikko 50 Ma 7.12 Loppuraportti 7. Turvallisuustarkastelu Koe tullaan suorittamaan suljetussa sisätilassa, mikä eliminoi ulkoiset häiriötekijät. Ennen kokeen suorittamista täytyy mittaajien tutustua mittauslaitteiden käyttöohjeisiin huolellisesti, väärinkäytöstä aiheutuvan riskin minimoimiseksi. Mittauksessa käytettävän kuumailmapuhaltimen käyttäjän tulee suojata itsensä, paloturvallisuus riskin pienentämiseksi. Ennen kokeen suorittamista täytyy varmistaa, että kokeen suorituspaikka on puhdas kaikesta palavasta materiaalista. Kokeen tekijöiden täytyy myös olla selvillä kuinka tulipalotilanteessa tulee toimia.
8. Virhetarkastelu Soveltavissa koejärjestelelyissä esintyy aina virhettä, eikä tulokset ole absoluuttisen tarkkoja. On kuitenkin tärkeää selvittää virheiden aiheuttajat ja virheiden suuruusluokat. Koejärjestelyssämme virheitä aiheuttaa: 1. Lämpötilan epätasainen jakautuminen materiaalissa 2. Lämpötilan mittauksesta aiheutuva virhe 3. Venymäliuskan lämpenemisestä aiheutuva venymä Koska kappaletta lämmitetään kuumailmapuhaltimella, tulee kappaleen ulkoreuna olemaan aina lämpimämpi kuin sisäreuna. Tämä saa aikaan kappaleen epätasaisen laajenemisen ja jännityksiä kappaleen sisään. Tähän voidaan vaikuttaa lämmittämällä kappaletta tasaisemmalla lämmöllä pidemmän aikaa, jolloin kappale lämpö jakautuu tasaisemmin ja virhe pienenee. Virheen suurusluokan arvioiminen on ryhmältämme mahdotonta, joten jätämme sen huomiotta, kuitenkin tiedostaen sen olemassa olon. Venymäliuskan lämmetessä sen johtimen resistanssi muuttuu, jolloin osa sen näyttämästä venymästä johtuu johtimen resistanssin muuttumisesta. Tämä on kuitenkin melko pientä, kun lämpötilan nousu ei ole suuri. Sen lisäksi virhettä pystytään arvioimaan melko hyvin, kun tiedetään venymäliuskan materiaali ja kuinka paljon sen resistanssi muuttuu lämmön vaikutuksesta.
9. Lähteet Teoria: Kari Santaoja: Lujuusoppi 1 Venymäliuska: Kari Santaoja: Lujuusoppi 1 https://en.wikipedia.org/wiki/strain_gauge Termopari: http://www.mstarlabs.com/sensors/thermocouple cold junctions.html http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/1025fb.pdf