Способ комплексного определения теплоемкости температуропроводности и электропроводности материалов Советский патент 1983 года по МПК G01N25/18 

4

СХ)

оа эо л Изобретение относится к теплофизическим измерениям и може быть использовано в материаловедении при изучении физико-.технических свойств электропроводных материалов. Известен способ определения теплопроводности металлов, заключающий ся в том, что образец нагревают пропускаемым через него электричесл КИМ током и измеряют, распределение температуры вдоль образца при постоянной мощности нагрева l . . Недостатками этого способа являются длительность определения температурной зависимости теплопроводности в широком диапазоне температу и невозможность измерить еще один теплофизический параметр (теплоемкость или температуропроводность). Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ комплексного определения теплопрово ности, заключающийся в том, что рОэ разец в виде стержня, концы которо го помещают в среду с постоянной температурой, разогревают электрическим током и измеря1бт распределение температуры по длине стержня, падение напряжение на нем и сил тока, идущего через образец Щ . Основным недостатком известного способа является длительность сняти -температурной .зависимости искомых параметров, обусловленная ступенчатым характером перехода от одного температурного уровня к другому и длительностью создания требуемого температурного режима опыта. .Кроме того, этим способом определяется только один теплофизический парамет теплопроводность. Цель изобретения -. повышение точ норти при экспрессном измерении в широком диапазоне температур при увеличения числа измеряемых теплофи зических характеристик. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу комплексНО1 о определения теплоемкости, температуропроводности и электропровод ности материалов, заключающемуся в том, что образец в виде стержня, концы которого помедают в среду с постоянной температурой, разогреваю электрическим током и измеряю расп ределение температуры по длине стержня, падение напряжения на нем и силу тока, идущего через образе из меняют температуру среды с постоя ной скоростью, разогревают стержень электрическим током до достижения нулевого перепада температуры между ,ним и окружающей средой,затем образец дополнительно разогревают мгновенньм импульсом электрического тока, измеряют изменение TeMnapeiTyjp образца во вpieмeни в двух его сечениях, несимметричных друг другу относительно среднего сечения стержня, и по полученным данньам определяют искомые величины. На чертеже дана схема устройства, ясняющая сущность предлагаемого способа. Схема содержит следующие .обозначения: калориметр 1, температура которого меняется-с постоянной скоростью; испытуемый образец 2; термопары 3, измеряющие температуру торцов стержня; .-теpvionapa 4, измерякхцая температуру калориметра; термопары 5, измеряющие температуру в двух сечениях стержня, несимматрич- ных друг другу относительно среднего сечения; вольтметр 6;.амперметр 7. Анализ температурного поля тонкого стержня, разогреваемого электрическим током, концы которого помещаются, в среду, температура которой изменяется с постоянной скоростью, показывает,.что,яначиная с некоторого момента времени, в стержне устанавливается квазистационарное состо|яниё, которое при наличии теплообмена стержня с окружающей средой через зазор между ними описывается следующим выражением: я /v 5b UX45hfu(U-xll ест(х) -|, . oin fj-i q fda . бет (X) перепад температур между торцами стержня и его сечениям, параллельным его торцам и проходящим через точку с координатой х. К; координата, м; коэффициент электропроводности, м; скорость изменения температуры среды, Кс ;сила тока. А; удельная теплоемкость материала образца, Дж кг К ; плотность материала образца, кг площадь поперечного сечения стержня, MJ эффективный коэффициент теплообмена между стержнем и средой в зазоре между ними, Вт, К ; ;П- териметр стержня, м; Ь - длина рабочего участка стержня, м. . Из выражения (1) следует, что если бет (х) ti О, т.е. перепад температур между средой и стержнем отсутствует, то имеет место равенство А -Ь 0.(2) Из (2) находим расчетную формулу для удельной теплоемкости . . . (3) . Если после установления равенстэа температур среды и стержня при непрерывком изменении температуры среды с постоянной скоростью подать на образец мгнованный импульс электрического тока, то температурное поле стержня определяется выражением 2n-0ux JJr-C-in-flV , Q .-, Р - температуропроводность, м.с .; Q - мсяцность, дополнительного импуль са электрического тока; SH (t перепад температуры между средой и стержнем в момент времени в сечении стержняхс координатой х, К. Из (3) получим выражение;, для тем пературопроводности («АЬ)/(еА). Здесь время IA находится иэ эксперимента - это время,ппри котором наступает следующее равенство в,„и)-в2ци)1/б,ц(, где б«(), ЭгнСИ - зиачения .h) в сечениях стержня с координатами X/ и Xj в момент времени С, ко торое отсчитыв ется с момент подачи мгнов венного импул са алектричёс . . кого тока. Параметр А находят из следующего выражения А - (1,-В)/2, O-gj., , где В - (1-з(п. Параметр сод в формуле (5) определяется из следующего равенства: Г,,.чП+ - (n-0xa tl 00 (-0 -5«П- 1 --..«. expt-C-Zn- w « L ап- f (..iCZnHrexpt-Cin-i) Практически, для того чтобы реаль ный импульЬ электрического тока, используеййй в предлагаемом способе, считать мгновенным, должно выполняться условие ь„/1:д 0.02, где Ьу, - длительность реального импульса электрического тока, с. . При наступлении момента времени, с которого выполняется условие н 0сч I т.е. момента, с которого поддерживаются равньами температуры стержня и-среды при непрерывном разогреве среды с постоянной скоростью, иаиеряют падение напряжения У на рабочем участке стержня и силу тока и рассчитывают электропроводность материал а по формуле 16 Теплопроводность материала находят, по формуле .(8) Итак, по формулам (3), (5) и (7) определяют удельную теплоемкость, температуропроводность, электропроводность исследуемого материала при экспрессном измерении в широком интервале температур. Таким образом, изменение температуры среды с постоянной скоростью при одновременном разогреве образца электрическим током так, чтобы перепад температуры между ним и окруя аю- . щей средой был равен нулю, позволяет увеличить точность при экспрессном, измерении теплоемкости за счет исключений влияния теплообг ена образца с окружающей средой через воздушный зазор между ними,. Дополнительный разогрев образца , мгновенным импульсом электрического .тока и измерение измeJ eния температу ры. образцу во времени в двух сечениях, не- . .симметричных друг другу относительно среднего сечения стержня, позволяет также исключить влияние бокового теплообмена с окружающей средой.и при измерениикоэффнциентаг температурбйроводности. Значит и точность определения коэффициента теплопроводности вычисляется по (8) в предлагаемом способе выше, чем в известном так как влияние теплообмена образца с окружающей средой через воздушный зазор между ними на точность определения теплопроводности удая ется исключить, что особенно важнр при ивмерениях в, высокотемпературной области. Точность измерения теплоемкости и электропроводности увеличивается также за счет того, что температурное поле стержня вовремя измерения изотермично по всему объему образца, т.е. на точность измерений не влияет зависимость теплоемкости и электропроводности исследуемого материала

51048386б

от температуры, которая вообще незом, время находится в таком диапапозволяла проводит измерения извест-iзоне, который легко измеряется. Для

ным способом вблизи фазовых перехо-определения теплоемкости при скоросдов.ти разогрева среды Ъ« 0,05 К/с и

Работоспособность способа может 5слвдунщве токи: для меди 32А; дл5 бытв проиллюстрирована cлeдynlци fШбо п шинства сталей 4А. Создание и изданными. Рассмотрим образец длиноймерение таких токов не представляет 1«100 мм(в работах, использующих большой трудности. Для определения стационарную методику, образцы были;электропроводности необходимо измедлиной от 70 до 200 мм). Пусть Юрять падение напряжения на образце. , , тогда параметрДля рассматриваемых образцов и токов А.- 0,35355; параметр .to А « 0,2563.падение напряжения-на медном образДля меди время Сл 2,5 с,для -2,6 мВ, на стальном образце Ъшнстэа сталей А « 50 с. обра-J20.MB.

диаметре образца 5 мм необЯВЛимы

СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕ- ; ЛЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ ТЕМПЕРАГУРОПРОВОДНОСТИ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МАтаРИАЛОВ, эаключакяцийся в том, .что об-разец. в виде стержня, концы которогопомещают всреду с постоянной тет пературой, разогревают электрическим ,1оИом и измеряют распределение температуры по длине стержня, падение напряжения на нем и сЕшу тока, идущего образец, л и ч а ю |щ и и с я тем, что,с целью повыше)ния точности при экспрессном.измерении в широком диапазоне температур, изменяют температуру среды с постоянной скоростью, разогревают стержень электрическим током до достижения нулевого перепада температуры между ним и окружающей средой, затем образец дополнительно разо -ревают мгновенным импульсом электрического то- , ка, измеряют изменение температуры образца, во времени в двух сечениях (Л С стержня, несимметричных друг другу относительно среднего се-чениястержня, и ло полученным данным опреде. ляют искомые величины. .