Способ комплексного измерения физико-технических свойств электропроводных материалов Советский патент 1983 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано в материаловедении при изучении свойств электропроводных материалов.

Известен способ измерения теплопроводности металлов, заключающийся в том, что образец нагревают пропускаемьнч через него электрическим током и измеряют распределение температуры вдоль образца при постоянной мощности нагрева l.

Основным недостатком способа является длительность снятия температурной зависимости теплопроводности в широком диапазоне температур. Данным способом нельзя измерить температуропроводность и теплоемкость исследуемого образца.

Наиболее близким к изобретению является способ- измерения теплопроводности и электропроводности, за ключающийся в том, что испытуемый образец в виде тонкого .стержня, концы которого помещают в среду с постоянной температурой, и нагревают , пропускаемым через него электрическим током. После установления стационарного температурного поля в стержне измеряют температуру в среднем и

двух равноудаленных от него крайних сечениях стержня, силу тока, идущего через образец, и падение напряжения на его рабочем участке, и известным формулам рассчитывают теплопроводность и электропроводность f23,

Недостатком известного способа является длительность снятия температурной зависимости искомых пара10ме.тров, обусловленная ступенчатым характером перехода от одного температурного уровня к другому и длительностью создания требуемого температурного режима опыта, которая

15 измеряется часами. Кроме того, согласно этому способу определяется только один теплофизический параметр - теплопроводность.

Цель изобретения - повышение точ20ности при увеличении числа измеряемых теплофизических характеристик и увеличение производительности при независимом измерении коэффициента температуропроводности, теплоемкос25ти и -теплопроводности в широком диапазоне температур.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения физиг ко-технических свойств электропровод30ных материалов, заключающемуся, в том, что образец в виде тонкогс: сте ня, концы которого помещают в среду с постоянной температурой, разогревают электрическим током и измеряют распределение температуры по длине стержня, падение напряжения на нем и силу тока, идущего через образец и по полученньам данным определяют искомые параметры, монотонно измеря температуру среды, образгц дополнительно разогревают мгновенным им. пульсом электрического тока, измеряют изменение температуры образца feo времени в трех сечениях, несимметричных друг другу относительно среднего сечения стержня, и темпера туру его торцов. На чертеже изображена схема, поясняющая предлагаемый способ. Схема содержит калориметр 1, тем перат ра которого меняется с постоянной скоростью, испытуемый образец 2, термопары 3, изменяквдие температуру торцов стержня, Tej :onapy 4, измеряющую температуру каЛориметра (среды), вольтметр 5, амперметр б, термопары 7, измеряющие тем пературу в трех сечениях стержня, несимметричных друг другу относительно среднего сечения. Анализ температурного поля стерж ня, концы которого помещаются в ере ду, температура которой изменяется с постоянной скоростью, и который разогревается электрическим током, показывает, что, начиная с некоторого момента времени, в стержне ус ,танавливается кваэкстационарное состояние. Если теплообмен образца с окружа кяцей средой носит поправочный харак тер, может быть получена следующая расчетная формула для теплопроводшости. . --(), . - диаметр стержня, м; 3 - сила тока. А; U - длина рабочего участка стержня, м; и - падение напряжения на рабочем участке стержня. В/ ut - температурный перепад между средним и крайними сечениями рабочего участка стержня, к; X - коэффициент теплопроводности материала стержня, В КЛ у - плсядаль поперечного сечения стержня, м , Ь - скорость измерения температуры среды, КС Скорость изменения температуры еды определяется по показаниям тер пар, которые измеряют температуру рцов стержня, которая совпадает с мпературой среды. Если теперь, когда температурное ле стержня носит квазистационарный рактер, подать на образец мгновенй импульс электрического тока, то мпера1турное поле стержня описывася выражением «и«с,,р Г-Лг-саии), Ci) Г е ( а - коэффициент температуропроводности, м Q - полная энергия, которая выделяется в образце в pesyjjbтате действия мгновенного импульса электрического тока,Дж} Из выражения (3) получим следуюю расчетную формулу для теплоемсти образца Cs 4G -Глв 9г«оч I н(Т)-Ост ) I; tr TH-T, (Л) - перепад температуры меящу средним сечением стержня и торцами стержня перед подачей импульса. К, мС1Г„)- перепад температуЕШ меяду средним сечением стержня и торцами стержня в момент времени CH, К э Т; - момент начала подачи дО поянительного импульса электрического тока, с; Tj, - время окончания дополнительного импульса электрического тока; t. длительность дополнительного импульса электрического тока, с Коэффициент температуропроводти определяют по формуле а--(д.)). (5) Здесь время Т, находится из эксримента. Это время, при котором ступает следующее равенство: ,(T)-&iHtt)3 |19,н(г)-9-,,)3. е в,и).е,.1,),в,н - значения вн(т) сечениях стержня с координатами , х,, хзв момент времени (Г-Т) . Паргшетр А находят из следующего ажения: )/, 6m-Si«),-) .|, Параметр 11)д в-формуле (5) определяю «э следующего равенства: rtii lllrsiiJ: :: -lexpt-Un-ifu) |iLч.-1 -I -ь г . т « Г H)--si. -у- е,рс-(2и-)-и;3 и L и - J Так как время Тд составляет несколько секунд, а для того, чтобы на точност измерения а не сказывалась конечная длительность и временная форма дополнительного импульса электрического тока, необходимо удовлетворять неравенству Сц/Тп 5 0,02, длительность дополнительного шщульса составляет около 0,1 с. При наступлении квазистационарного режима измеряют падение напряжения и на рабочем участке стержня и силу тока I- и рассчитывают коэффициента электропроводности исследуемого материала по формуле Итак, по формулам (1), (3), (5)и(7) определяют теплопроводность, теплоемкость , коэффициент, температуропроводности и электропроводность исследуемого материала в широком диапазоне температур в ходе одного эксперимента. Таким образом,изменение температу ры среды позволяет увеличиь экспрессность при независимом измерении коэфф циента температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности в широком интервале температур, что повышает производительность измерений иувеличивает надежность полученных данных. Дополнительный периодический разогрев образца импульсом электрического тока, измерение изменения температуры образца во времени в тр точках, несимметричных относительно среднего сечения стержня, и темпера туры торцов стержня позволяет повысить точность комплексных измерений при увеличении числа теплофизических свойств, а точность определения коэффициента температуропроводности теплоемкости и теплопроводности уве личивается, особенно когда теплообм образца с окружающей средой играет существенную роль, и формулой (1) для определения теплопроводности пользоваться нельзя. В этом случае коэффициент теплопроводности рассчи тывается по формуле. Л.-асу (У) Величина а вычисляется по формуле (5) и, как видим, не зависит от о(., т.е. интенсивность теплообмена образца с окружающей средой через зазор между ними на точность измерения температуропроводности не сказывается. Влияние тепловых потерэ на точность измерения теплоемкости по формуле (4) за счет теплообмена образца с окружающей средой через зазор меящу ними пренебрежимо мало,так как оно пропорционально длительности дополнительного импульса электрического тока, которая много меньше 1 . Всё , это и приводит кповышении -точности измерения при определении X предлагаемым способом при дополнительном измерении двух теплофизических параметров : теплоемкости и коэффициента температуропроводности. Предлагаемый способ может использоваться при изучении теплофизических свойств металлов и сплавов, а также при создании промььшенных теплофизических приборов. Формула изобретения Способ комплексного измерения фн- зико-технических свойств элeктpJO- . проводных Материалов, заключающийся в том, что образец в виде тонкого, стержня, концы которого помещ.чют в среду с постоянной температурой, разогревают электрическим током и измеряют распределение температуры по длине стержня, падение напряжения на нем и силу тока, идущего через образец, и по пол/ченным данным определяют искомые параметры, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при увеличении числс. измеряемых теплофизических характе|ристик и увеличения производительности при независимом измерении ко ффициента температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности в широком диапазоне температур,- монотонно измеряют температуру среды, образец дополнительно разогревают : мгновенным импульсом электрического тока, измеряют изменение температуры об .разца во времени в трех сечениях,несимметричных друг другу относительно среднего сечения стержня, и температуру его торца. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Пелецкий В.Э., Тимрот Д.Л., Воскресенский В.Ю. Высокотемпературные исследования тепло- и электропроводности твердых тел. М., Энергия, 1971, с. 61-68. 2.Филиппов Л.П. Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов при высоких температурах, МГУ, 11967, с. 232-240 (прототип).