RU2011190C1

RU2011190C1 - Device for measuring physical properties of materials

Info

Publication number: RU2011190C1
Authority: RU
Inventors: В.Я. Маликов; П.Е. Стадник; Б.Л. Тиман
Original assignee: Институт монокристаллов АН Украины
Priority date: 1991-02-15
Filing date: 1991-02-15
Publication date: 1994-04-15

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has a sound transducer; membrane and rod for fixing an object to be tested acoustically coupled with each other and with the sound transducer; amplifier the output of which is connected to the sound transducer; inductance coil inductively coupled with the rod and connected to the amplifier input, a cup disposed in a vessel with liquid nitrogen in which the rod and magnetoelectric transducer are disposed in nitrogen vapor. The device is characterized in that the magnetoelectric transducer is situated on the outer wall of the cup in liquid nitrogen so that to exclude additional errors caused by a temperature drift of electromotive force induced in the transducer coil. EFFECT: enhanced accuracy. 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам измерения температурных зависимостей физических свойств материалов акустическим методом. The invention relates to devices for measuring the temperature dependences of the physical properties of materials by the acoustic method.

Известно устройство, состоящее из усилителя электрических колебаний, возбуждающего и приемного пьезокварцев, измерителей частоты и амплитуды. Возбуждение ультразвуковых колебаний частотой 100 кГц и измерение внутреннего трения исследуемого образца проводится методом составного вибратора. При этом возбуждающий и приемный пьезокварцы приклеиваются непосредственно к исследуемому образцу и вместе с ним составляет единую акустическую систему. Частота электрического сигнала, подаваемая на вибратор, поддерживается равной собственной частоте акустической системы за счет использования автогенераторной схемы [1] . A device is known consisting of an electric oscillation amplifier, exciting and receiving piezoelectric quartz, frequency and amplitude meters. The excitation of ultrasonic vibrations with a frequency of 100 kHz and the measurement of internal friction of the test sample is carried out by the method of a composite vibrator. In this case, the exciting and receiving piezoelectric quartz are glued directly to the test sample and together with it forms a single acoustic system. The frequency of the electrical signal supplied to the vibrator is maintained equal to the natural frequency of the speaker system through the use of a self-generating circuit [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту и выбранным в качестве прототипа является устройство для измерения физических свойств материалов, содержащее акустический преобразователь, акустически связанные с ним и между собой мембрану и предназначенный для закрепления контролируемого объекта шток, усилитель, выход которого соединен с преобразователем звука, катушка индуктивности, индуктивно связанную с штоком и подключенную к входу усилителя, стакан, установленный в емкости с жидким азотом, и магнитоэлектрический преобразователь [2] . The closest in technical essence and the achieved effect and selected as a prototype is a device for measuring the physical properties of materials, containing an acoustic transducer, a membrane acoustically connected with it and between them and designed to secure a controlled object, a rod, an amplifier whose output is connected to the sound transducer, an inductance coil inductively connected to the rod and connected to the input of the amplifier, a glass mounted in a container with liquid nitrogen, and magnetoelectric transducer [2].

Основным недостатком известного устройства является температурная нестабильность сигнала магнитоэлектрического преобразователя, обусловленная изменением температуры внутри стакана, а следовательно, и точность измерений. The main disadvantage of the known device is the temperature instability of the signal of the magnetoelectric converter due to a change in temperature inside the glass, and therefore the accuracy of the measurements.

Цель изобретения - повышение точности измерений. The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurements.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения физических свойств материалов, содержащем преобразователь звука, акустически связанные с ним и между собой мембрану и предназначенный для закрепления контролируемого объекта шток, усилитель, вход которого соединен с преобразователем звука, катушку индуктивности, индуктивно связанную с штоком и подключенную к входу усилителя, стакан, установленный в емкости с жидким азотом, в котором расположен шток в парах азота, и магнитоэлектрический преобразователь, согласно изобратению последний размещен на наружной стенке стакана в жидком азоте. This is achieved by the fact that in a device for measuring the physical properties of materials containing a sound transducer, a membrane acoustically connected with it and between them and designed to secure a controlled object, a rod, an amplifier whose input is connected to the sound transducer, an inductor inductively connected to the rod and connected to the input of the amplifier, a glass installed in a container with liquid nitrogen, in which the rod is located in nitrogen vapor, and a magnetoelectric transducer, according to the invention, the latter placed on the outer wall of the glass in liquid nitrogen.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

Преобразователь звука, подключенный своей обмоткой к выходу усилителя, преобразует электрический сигнал в звуковые колебания и через мембрану и шток воздействует на образец контролируемого материала. С штоком индуктивно связана индукционная катушка, которая своим выходом подключена к входу усилителя. Таким образом замыкается петля положительной обратной связи, обеспечивающей поддержание колебаний, акустической системы (мембрана, шток, образец) на собственной резонансной частоте. Шток с образцом вводится во внутрь стакана, который установлен в сосуде Дьюара с жидким азотом. Жидкий азот на внешней стенке стакана и пары азота внутри его создают линейно-изменяющееся по высоте температурное поле. Магнитоэлектричский преобразователь, который состоит из индукционной катушки и постоянного магнита, размещен на наружной стенке стакана в жидком азоте, в непосредственной близости от образца. Находясь в постоянном магнитном поле в колебательном режиме, образец при переходе в сверхпроводящее состояние наводит в индукционной катушке преобразователя ЭДС. A sound transducer connected by its winding to the output of the amplifier converts the electrical signal into sound vibrations and, through a membrane and a rod, acts on a sample of the controlled material. An induction coil is connected inductively to the rod, which is connected to the input of the amplifier by its output. Thus, a loop of positive feedback is closed, which ensures the maintenance of vibrations of the speaker system (membrane, rod, sample) at its own resonant frequency. The rod with the sample is introduced into the inside of the glass, which is installed in the Dewar vessel with liquid nitrogen. Liquid nitrogen on the outer wall of the glass and nitrogen vapor inside it create a temperature-field linearly changing in height. The magnetoelectric converter, which consists of an induction coil and a permanent magnet, is placed on the outer wall of the glass in liquid nitrogen, in the immediate vicinity of the sample. Being in a constant magnetic field in an oscillatory mode, the sample upon transition to the superconducting state induces an EMF in the induction coil of the converter.

Измеряя собственную резонансную частоту колебаний акустической системы в процессе вытягивания штока с образцом из стакана, можно определить изменение модуля упругости и скорости звука в заданном диапазоне температур. Диапазон температур задается величиной и скоростью вытягивания образца из стакана. По изменению ЭДС, наведенной в индукционной катушке преобразователя, можно определить температуру фазового перехода образца в сверхпроводящее состояние и температурную зависимость магнитной восприимчивости материала. By measuring the natural resonant frequency of the oscillations of the acoustic system during the pulling of the rod with the sample from the glass, it is possible to determine the change in the elastic modulus and sound velocity in a given temperature range. The temperature range is set by the magnitude and speed of drawing the sample from the glass. By changing the EMF induced in the induction coil of the converter, it is possible to determine the temperature of the phase transition of the sample to the superconducting state and the temperature dependence of the magnetic susceptibility of the material.

Размещение магнитоэлектрического преобразователя в жидком азоте на наружной стенке стакана при перемещении штока с образцом в парах азота внутри стакана обеспечивает работу преобразователя при постоянной температуре, исключает температурный дрейф наведенной в индукционной катушке ЭДС, и, следовательно, повышает точность измерения физических свойств материалов в заданном диапазоне температур. Placing a magnetoelectric transducer in liquid nitrogen on the outer wall of the glass while moving the rod with the sample in nitrogen vapor inside the glass ensures the converter operates at a constant temperature, eliminates the temperature drift induced in the induction coil of the EMF, and, therefore, improves the accuracy of measuring the physical properties of materials in a given temperature range .

На чертеже представлено предлагаемое устройство. The drawing shows the proposed device.

Устройство состоит из усилителя 1 электрических колебаний, измерителей амплитуды 2 и частоты 3, преобразователя 4 звука, мембраны 5, штока 6, индукционной катушки 7, магнита 8, исследуемого образца 9, стакана 10, сосуда Дьюара 11 с азотом и магнитоэлектрического преобразователя 12. The device consists of an amplifier 1 of electric oscillations, amplitude 2 and frequency 3 meters, a sound transducer 4, a membrane 5, a rod 6, an induction coil 7, a magnet 8, a test sample 9, a glass 10, a Dewar vessel 11 with nitrogen, and a magnetoelectric transducer 12.

Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.

Преобразователь 4 звука, подключенный своей обмоткой к выходу усилителя 1, преобразует электрический сигнал в звуковые колебания и через мембрану 5 и шток 6 воздействует на исследуемый образец 9. С штоком 6 индуктивно связана индукционная катушка 7, которая своим выходом подключена к входу усилителя 1. Таким образом замыкается петля положительной обратной связи, обеспечивающая поддержание колебаний акустической системы на собственной резонансной частоте. Измеряя собственную резонансную частоту F с помощью измерителя частоты 3 и зная длину штока с исследуемым образцом L, можно определить модуль упругости Е и скорость звука

из соотношения
F =

L

где ρ - плотность материала.The sound transducer 4, connected by its winding to the output of the amplifier 1, converts the electrical signal into sound vibrations and, through the membrane 5 and the rod 6, acts on the test sample 9. An induction coil 7 is inductively connected to the rod 6, which is connected to the input of the amplifier 1 by its output. In this way, a loop of positive feedback is closed, which ensures the maintenance of oscillations of the acoustic system at its own resonant frequency. By measuring the natural resonant frequency F with a frequency meter 3 and knowing the length of the rod with the test sample L, we can determine the elastic modulus E and the speed of sound

from the relation
F =

L

where ρ is the density of the material.

С исследуемым образцом 9 индуктивно связана обмотка магнитоэлектрического преобразователя 12. При переходе образца в сверхпроводящее состояние в индукционной катушке наводится ток, фиксирующий этот переход и магнитную восприимчивость образца. A winding of the magnetoelectric transducer 12 is inductively coupled to the sample 9 under study. Upon transition of the sample to the superconducting state, a current is induced in the induction coil, fixing this transition and the magnetic susceptibility of the sample.

Измерение физических свойств ВТСП-материалов проводится в парах азота, при вытягивании исследуемого образца из стакана 10 путем механического перемещения сосуда Дьюара 11 со скоростью 30 мм/ч в диапазоне температур 80-120 К. The physical properties of HTSC materials are measured in nitrogen vapors when the test sample is pulled out of a glass 10 by mechanical movement of a Dewar vessel 11 at a speed of 30 mm / h in a temperature range of 80-120 K.

П р и м е р. На нижний конец штока 6, выполненного из деревянного стержня, приклеивают с помощью специального состава (мелкодисперсный тальк с кремнеорганическим маслом в соотношении 2: 1) исследуемый образец 9 ВТСП-керамики. На внешней стенке стакана 10, выполненного из кварца, устанавливают магнитоэлектрический преобразователь 12. Стакан с преобразователем устанавливают в сосуд Дьюара 11 с жидким азотом. В процессе вытягивания исследуемого образца из стакана измеряются изменения температуры с помощью медь-константоновой термопары и собственная резонансная частота составного вибратора (шток с образцом) с помощью цифрового частотомера типа 43-35А в режиме измерения длительности импульсов, с погрешностью измерения не хуже 0,1% . Измерения температуры и резонансной частоты проводятся каждые 3 с, опрос на проведение измерений, прием информации, ее обработка и построение зависимости резонансной частоты от температуры осуществляется с помощью микро-ЭВМ. Измерение температурной зависимости магнитной восприимчивости проводилось с помощью двухкоординатного самописца типа Н-307, на вход У которого подается сигнал с магнитоэлектрического преобразова- теля, а на вход Х - с термопары. (56) 1. Лебедева А. Б. , Кустов С. Б. и Кардашев Б. К. Акустический эффект при активном деформировании и ползучести алюминия ФТТ. т. 29, в. 12, 1987, с. 3563-2569. PRI me R. On the lower end of the rod 6, made of a wooden rod, glued using a special composition (finely divided talc with organosilicon oil in a ratio of 2: 1) the test sample 9 HTSC ceramics. A magnetoelectric transducer 12 is installed on the outer wall of a glass 10 made of quartz. A glass with a converter is installed in a Dewar vessel 11 with liquid nitrogen. In the process of pulling the test sample from the glass, temperature changes are measured using a copper-constanton thermocouple and the natural resonance frequency of the composite vibrator (rod with sample) using a digital frequency meter of type 43-35A in the mode of measuring pulse duration, with a measurement error of at least 0.1% . Measurements of temperature and resonance frequency are carried out every 3 s, a survey for measurements, reception of information, its processing and construction of the dependence of the resonant frequency on temperature is carried out using a microcomputer. The temperature dependence of the magnetic susceptibility was measured using a two-coordinate recorder of the N-307 type, to the input of which a signal from a magnetoelectric converter is supplied, and to the input X from a thermocouple. (56) 1. Lebedeva A. B., Kustov S. B. and Kardashev B. K. Acoustic effect during active deformation and creep of aluminum FTT. t. 29, c. 12, 1987, p. 3563-2569.

2. Авторское свидетельство СССР N 1714487, кл. G 01 N 29/00, 1989. 2. USSR author's certificate N 1714487, cl. G 01 N 29/00, 1989.

Claims

DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL PROPERTIES OF MATERIALS, containing a sound transducer, a membrane acoustically connected to it and interconnected with one another, a rod, an amplifier whose output is connected to the sound transducer, an inductor connected inductively to the rod and connected to the amplifier input, a glass installed in a tank with liquid nitrogen, in which the rod is located in nitrogen vapor, and a magnetoelectric transducer, characterized in that, in order to improve the accuracy of measurement Nij magnetoelectric transducer is placed on the outer wall of the beaker in liquid nitrogen.