High temperature fixed points: investigation of influence parameters on the temperature uncertainty by thermal modelling
- Autores: Pablo Castro Alonso
- Directores de la Tesis: Miguel Ángel Villamañán Olfos (dir. tes.), Graham Machin (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Valladolid ( España ) en 2011
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: María Dolores del Campo Maldonado (presid.), César Chamorro Camazón (secret.), Pieter Bloembergen (voc.), María José Martín Hernández (voc.), David Lowe (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
Resumen En el campo del calibrado térmico, la determinación de puntos fijos de fusión de materiales eutécticos a alta temperatura es muy importante. Sin embargo, debido a la dificultad para realizar medidas experimentales a altas temperaturas, el modelado térmico es una herramienta esencial para comprender las fuentes de incertidumbre en la obtención de estos puntos fijos. Una vez determinados dichos puntos, son fácilmente reproducibles en cualquier laboratorio que tenga las instalaciones adecuadas, pudiendo servir de patrón para el calibrado de instrumentos térmicos de medida.
La diferencia entre la temperatura medida con el termómetro y la temperatura de la interfase líquido-sólido es causada por varios factores: Las pérdidas de calor al entorno, la resistencia térmica del metal y de las paredes del crisol, la distribución de temperatura en el horno, el diseño del crisol y del horno y la temperatura nominal del punto fijo.
En este trabajo se estiman las incertidumbres asociadas a los factores anteriores en la calibración de termómetros de radiación mediante puntos fijos eutécticos de alta temperatura. En particular, se realiza el modelado sobre las aleaciones eutécticas Co-C, Pt-C y Re-C que son objeto de una intensa investigación por parte de la comunidad de metrología como base para nuevas referencias en la escala de temperaturas. Estas incertidumbres (en términos de diferencia de temperatura) se evalúa mediante simulación numérica empleando el software FLUENT, basado en el método de volúmenes finitos, a configuraciones especificas de hornos y crisoles diseñados por el Instituto Nacional de Metrología de Japón (NMIJ), el Laboratorio Nacional de Física de Inglaterra (NPL) y el Laboratorio Nacional de Metrología Francés (LNE). También se han realizado estudios para el Laboratorio Nacional de Metrología de China (NIM), el Centro Español de Metrología (CEM) y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos (NIST), todos ellos con el objetivo de entender las contribuciones de las distintas incertidumbres y así facilitar la implementación de los puntos fijos de alta temperatura con la suficiente precisión.
Los primeros capítulos se refieren a aspectos generales sobre la termometría y el análisis y la validación de la simulación numérica. Los siguientes capítulos se centran en la evaluación de los factores de incertidumbre asociados a estos puntos fijos.
Como resultado de este trabajo, se ha evaluado la influencia de grietas y poros en aleaciones eutécticas con defectos de formación, se han calculado las incertidumbres asociadas a los valores de la emisividad y la conductividad térmica del grafito y se ha estimado tanto la influencia de la longitud del crisol y el espesor de sus paredes como el uso de hornos y perfiles de temperatura diferentes.
- English
Abstract In the field of temperature standards and calibration, accurate determination of the high temperature eutectic melting point is very important.
However due to the difficulty in performing experimental measurements at such high temperatures thermal modelling is an essential tool to understand the sources of uncertainty in the realisation of these fixed points. Once the temperatures of these fixed points is established, they can easily be used in any laboratory that has suitable facilities as reliable high temperature fixed points (HTFP).
The difference between the ideal fixed point temperature at the liquid-solid interface and the temperature measured by the radiation thermometer is caused by several factors: heat loss to the surroundings, thermal resistance of the crucible walls, temperature profile in the furnace, design of crucible and furnace and the nominal temperature of the fixed point. It is these factors that are most easily investigated through thermal modelling.
In this work the uncertainties of these factors for radiation thermometry of high temperature eutectic fixed points is estimated. In particular, this modelling is applied to the melting temperature of the Co-C, Pt-C and Re-C alloys which are the subject of intense research by the world metrology community to form the basis of new temperature references. These uncertainties (in terms of a temperature difference) has been evaluated by numerical simulation using the FLUENT (finite volume method) computational package to specific cruciblefurnace configurations designed by the National Metrology Institute of Japan (NMIJ), the National Physical Laboratory (NPL, UK) and Laboratoire National D'Essais (LNE, France). There have also been studies undertaken with the National Institute of Metrology of China (NIM), the Spanish Metrology Institute (CEM) and the National Institute of Standards and Technology (NIST, United States of America) all with the aim of understanding uncertainty contributions to facilitate the accurate realisation of high temperature fixed points.
The first chapters deal with general aspects about thermometry and the analysis and validation of the approach of numerical modelling. The next chapters are focused in modelling and evaluating the uncertainty factors in the temperature drop associated with the HTFP.
As a result of this work, the influence of cracks and holes inside imperfectly formed metal-ingots is evaluated, uncertainties associated with the values of emissivity and thermal conductivity of graphite are calculated and also the influence of the blackbody tube length and the back-wall thickness or the use of different furnaces and temperature profiles is estimated.
- español
