Способ определения коэффициента температуропроводности электропроводящих твердых тел Советский патент 1984 года по МПК G01N25/18 

о

00

СХ) ел

со Изобретение относится к тепловым испы таниям, а именно к определению тепло- и электрофизических свойств твердых тел. Известен способ определения коэффициента температуропроводности твердых тел, согласно которому длинный стержень нагревают с одного конца по закону гармо нического колебания, измеряют температуры на разных расстояниях от обогреваемого конца и измеряют равность фаз колебаний этих температур 1. Однако для этого способа характерна .недостаточная точность, обусловленная тем, что расчетная формула получена для полубесконечного тела и ее применение к расчету температуропроводности реальных образцов, имеющих конечные размеры, является приближенным из-за неучитываемых теплопотерь с боковой поверхности образца. Кроме того, в суммарную погрешность измерений входит погрешность определения координат точек измерения температуры, зависящая также и от геометрических размеров и конструкции датчиков температуры. Сложность реализации обусловлена трудностью выполнения режима обогрева образца по закону гармонического колебания. Наиболее близким к изобретению является способ определения коэффициента температуропроводности электропроводящих тел, включающий монотонный нагрев образца внешним источником тепла и измерение перепада температур по сечению образца 2. Однако для известного способа характерны недостаточная точность определения коэффициента температуропроводности, обусловленная искажением температурного поля в образце, вызванным введением хотя бы одного из датчиков температуры внутрь образца, и ограниченная точность определения координат изотермических поверхностей из-за конечности размеров датчиков температуры. Целью изобретения является повышение точности. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения коэффициента температуропроводности электропроводящих тел, включаюшему монотонный нагрев образца внешним источником тепла и измерение перепада температур по сечению образца, через образец пропускают постоянный электрический ток, модулируют его колебаниями высокой частоты, измеряют непрерывно электросопротивления постоянному току и току высокой частоты, а коэффициент температуропроводности определяют по формуле dR/dt . (Л - о 8 R(|yJMlL где ТС - коэффициент температуропроводности, о. - радиус цилиндрического образца, м; - длина образца, м; R - электросопротивление постоян ному току, .Ом; R -сопротивление току высокой частоты. Ом; t - время, с; Т1 - частота переменного тока, c /ig-магнитная постоянная, Изменение электросопротивления проводника при небольших (порядка нескольких градусов) изменениях температуры пропорционально изменению температуры. Вследствие этого электросопротивление R постоянному току определяется среднеобъемной температурой проводника, а электросопротивление R переменному току высокой частоты - температурой тонкого поверхностного слоя из-за скин-эффекта. Измерение обоих сопротивлений одновременно дает возможность для цилиндрических образцов при монотонном нагреве их с поверхности внешним радиальным источником тепла - определить перепад между температурой тонкого поверхностного слоя и среднеобъемной температурой образца. Это эквивалентно определению перепада температур двух изотермических поверхностей - внешней поверхности образца и поверхности со среднеобъемной температурой. Указанный перепад температур пропорционален коэффициенту температуропроводности образца. я- )х 0-gy )(Z) где b - скорость нагрева образца, к/с. В то же время ё J (3) где К - проводимость образца, равная Т- температура; TV температура поверхности. Величина К выражается через удельную проводимость (T)dS , где S - сечение образца. При этом б(Т) б(Т„-в) Г(Т„), (5) где е Т„ - Т. Величина К выражается через R, т. е. определяется проводимостью скин-слоя. Расчетная формула (1) включает магнитную постоянную/й, равную 4K-IO- - Способ осуществляется следующим образом. Протяженный образец в виде прутка или проволоки монотонно разогревают за

счет внешнего источннка нагрева и пропускают через образец электрический ток, имеющий постоянную и высокочастотную составляющие. В зависимости от температуры образца (температуры отнесения) регистрируют R, R как функции времени. Расчет искомого коэффициента осуществляют по формуле (1).

Пример. Проводят исследование температурной зависимости температуропроводности никеля в интервале температур 300- 1000 К. В качестве образца берут цилиндр из Ni чистотой ЭЭ., диаметром d 3 мм и длиной 1 100 мм. Постоянный ток модулируется колебаниями с частотой 2 МГц (толщина скин-слоя при этом 0,1 мм). Для получения температурной зависимости ЗС дополнительно измеряют температуру поверхности термопарой хромель - алюмель (ХА) (0 0,05.мм), приваренной к поверхности образца. Этим способом получают непрерывную кривую, характеризующую зависимость температуропроводности от температуры.

Расчетная формула (1) способа содержит лишь измеряемые величины электросопротивлений и не содержит значений координат точек измерения температур и значений температур. Это позволяет уменьшить число необходимых для определения коэффициента температуропроводности операций и повышает точность определения коэффициента.

По сравнению с известным способом при предлагаемом отсутствуют погрешности, вызванные необходимостью измерять температуры с помощью датчиков, вводимых внутрь тела, что одновременно упрощает способ, а также позволяет использовать проволочные образцы. Кроме того, отсутствуют погрешности, обусловленные термической инерцией датчиков температуры.

Изобретение может найти применение

при исследованиях теплофизических свойств

материалов, а также физических и физикохимических процессов, сопровождающихся

изменением теплофизических свойств.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТВЕРДБ1Х ТЕЛ, включающий монотонный нагрев образца внешним источником тепла и измерение перепада температур по сечению образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, через образец пропускают постоянный электрический ток, модулируют его колебаниями высокой частоты, измеряют непрерывно электросопротивления постоянному току и току высокой частоты, а коэффициент температуропроводности определяют по формуле dR/dt 3e.ai.. 8 R() If - коэффициент температуропроводгде ности, а - радиус цилиндрического образца, м; 2 - длина образца, м; R - электросопротивление постоянно му току. Ом; R - электросопротивление току высоi кой частоты. Ом; t - время, с; (Л п-частота переменного тока, с; / о-магнитная постоянная, -; М