SU1087859A1

SU1087859A1 - Method of determination of thermal diffusivity coefficient of electroconductive solid bodies

Info

Publication number: SU1087859A1
Application number: SU823490650A
Authority: SU
Inventors: Майор Ефимович Гуревич; Алеонор Иванович Носарь
Original assignee: Институт металлофизики АН УССР
Priority date: 1982-09-17
Filing date: 1982-09-17
Publication date: 1984-04-23

Abstract

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТВЕРДБ1Х ТЕЛ, включающий монотонный нагрев образца внешним источником тепла и измерение перепада температур по сечению образца, отличающийс тем, что, с целью повышени точности определени , через образец пропускают посто нный электрический ток, модулируют его колебани ми высокой частоты, измер ют непрерывно электросопротивлени посто нному току и току высокой частоты, а коэффициент температуропроводности определ ют по формуле dR/dt 3e.ai.. 8 R() If - коэффициент температуропроводгде ности, а - радиус цилиндрического образца , м; 2 - длина образца, м; R - электросопротивление посто нно му току. Ом; R - электросопротивление току высоi кой частоты. Ом; t - врем , с; (Л п-частота переменного тока, с; / о-магнитна посто нна , -; МMETHOD FOR DETERMINING thermal diffusivity ELECTRICAL CONDUCTING TVERDB1H TEL comprising monotonic heating of the sample by an external heat source and the temperature measurement of the sample cross section of the ramp, characterized in that, in order to increase the accuracy of determining, through the sample was passed a constant electric current to modulate its oscillation of the high frequency, is measured DC resistive current and high frequency current are continuously applied, and the thermal diffusivity is determined by the formula dR / dt 3e.ai .. 8 R () If - t temperaturoprovodgde NOSTA, and - the radius of the cylindrical sample, m; 2 - sample length, m; R is the direct current resistivity. Ohm; R is the resistivity of high frequency current. Ohm; t - time, s; (Ln is the frequency of the alternating current, s; / o-magnetic constant, -; M

Description

оabout

0000

СХ) елCX) ate

со Изобретение относитс к тепловым испы тани м, а именно к определению тепло- и электрофизических свойств твердых тел. Известен способ определени коэффициента температуропроводности твердых тел, согласно которому длинный стержень нагревают с одного конца по закону гармо нического колебани , измер ют температуры на разных рассто ни х от обогреваемого конца и измер ют равность фаз колебаний этих температур 1. Однако дл этого способа характерна .недостаточна точность, обусловленна тем, что расчетна формула получена дл полубесконечного тела и ее применение к расчету температуропроводности реальных образцов , имеющих конечные размеры, вл етс приближенным из-за неучитываемых теплопотерь с боковой поверхности образца . Кроме того, в суммарную погрешность измерений входит погрешность определени координат точек измерени температуры, завис ща также и от геометрических размеров и конструкции датчиков температуры. Сложность реализации обусловлена трудностью выполнени режима обогрева образца по закону гармонического колебани . Наиболее близким к изобретению вл етс способ определени коэффициента температуропроводности электропровод щих тел, включающий монотонный нагрев образца внешним источником тепла и измерение перепада температур по сечению образца 2. Однако дл известного способа характерны недостаточна точность определени коэффициента температуропроводности, обусловленна искажением температурного пол в образце, вызванным введением хот бы одного из датчиков температуры внутрь образца, и ограниченна точность определени координат изотермических поверхностей из-за конечности размеров датчиков температуры. Целью изобретени вл етс повышение точности. Указанна цель достигаетс тем, что согласно способу определени коэффициента температуропроводности электропровод щих тел, включаюшему монотонный нагрев образца внешним источником тепла и измерение перепада температур по сечению образца , через образец пропускают посто нный электрический ток, модулируют его колебани ми высокой частоты, измер ют непрерывно электросопротивлени посто нному току и току высокой частоты, а коэффициент температуропроводности определ ют по формуле dR/dt . (Л - о 8 R(|yJMlL где ТС - коэффициент температуропроводности , о. - радиус цилиндрического образца , м; - длина образца, м; R - электросопротивление посто н ному току, .Ом; R -сопротивление току высокой частоты . Ом; t - врем , с; Т1 - частота переменного тока, c /ig-магнитна посто нна , Изменение электросопротивлени проводника при небольших (пор дка нескольких градусов) изменени х температуры пропорционально изменению температуры. Вследствие этого электросопротивление R посто нному току определ етс среднеобъемной температурой проводника, а электросопротивление R переменному току высокой частоты - температурой тонкого поверхностного сло из-за скин-эффекта. Измерение обоих сопротивлений одновременно дает возможность дл цилиндрических образцов при монотонном нагреве их с поверхности внешним радиальным источником тепла - определить перепад между температурой тонкого поверхностного сло 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. - )х 0-gy )(Z) где b - скорость нагрева образца, к/с. В то же врем ё J (3) где К - проводимость образца, равна Т- температура; TV температура поверхности. Величина К выражаетс 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 выражаетс через R, т. е. определ етс проводимостью скин-сло . Расчетна формула (1) включает магнитную посто нную/й, равную 4K-IO- - Способ осуществл етс следующим образом . Прот женный образец в виде прутка или проволоки монотонно разогревают заThe invention relates to thermal tests, namely the determination of the heat and electrophysical properties of solids. The known method for determining the thermal diffusivity of solids, according to which a long rod is heated from one end according to the law of harmonic oscillations, temperatures at different distances from the heated end are measured and the phase equalities of these temperatures are measured 1. However, this method is inadequate the accuracy due to the fact that the calculation formula obtained for a semi-infinite body and its application to the calculation of the thermal diffusivity of real samples having finite dimensions is n iblizhennym due unrecorded heat loss from the side surface of the sample. In addition, the total measurement error includes the error in determining the coordinates of temperature measurement points, which also depend on the geometrical dimensions and design of temperature sensors. The complexity of implementation is due to the difficulty of performing the sample heating mode according to the law of harmonic oscillation. The closest to the invention is a method for determining the thermal diffusivity of electrically conductive bodies, including monotonous heating of the sample by an external heat source and measuring the temperature difference over the cross section of sample 2. However, the known method is characterized by insufficient accuracy of determining the thermal diffusivity caused by the distortion of the temperature field in the sample. at least one of the temperature sensors inside the sample, and the accuracy of determining the coordinates of the isot is limited nomic surfaces due to temperature sensors limb sizes. The aim of the invention is to improve the accuracy. This goal is achieved by the method of determining the thermal diffusivity of electrically conductive bodies, including the monotonous heating of the sample by an external heat source and measuring the temperature difference across the section of the sample, a constant electric current is passed through the sample, modulated by high frequency oscillations, measured continuously current and high frequency, and the thermal diffusivity is determined by the formula dR / dt. (L is about 8 R (| yJMlL where TC is the thermal diffusivity, о. is the radius of the cylindrical sample, m; is the sample length, m; R is the electrical resistance to direct current ,. Ohm; R is the resistance of high frequency current. Ohm; Ohm; t is the time, s; T1 is the frequency of the alternating current, the c / ig magnetic constant, the change in the electrical resistance of the conductor at small (on the order of several degrees) temperature changes is proportional to the change in temperature.As a consequence, the electrical resistance R to direct current is determined by the average volume temperature of the conductor and ale resistance to high-frequency alternating current R - temperature of the thin surface layer due to skin effect Measuring both resistances simultaneously makes it possible for cylindrical samples to monotonously heat them from the surface by an external radial heat source - to determine the difference between the temperature of the thin surface layer and the average volume temperature of the sample. This is equivalent to determining the temperature difference between two isothermal surfaces — the outer surface of the sample and the surface with a volume average. Temperature. The indicated temperature difference is proportional to the thermal diffusivity of the sample. -) x 0-gy) (Z) where b is the sample heating rate, c / s. At the same time, j (3) where K is the conductivity of the sample, T is equal to the temperature; TV surface temperature. The value K is expressed in terms of the conductivity (T) dS, where S is the sample cross section. At the same time, b (T) b (T n -c) T (T n), (5) where e T n is T. The magnitude K is expressed in terms of R, i.e. determined by the conductivity of the skin layer. Calculation formula (1) includes a magnetic constant / d equal to 4K-IO-. The method is carried out as follows. An extended sample in the form of a rod or wire is monotonously heated for

счет внешнего источннка нагрева и пропускают через образец электрический ток, имеющий посто нную и высокочастотную составл ющие . В зависимости от температуры образца (температуры отнесени ) регистрируют R, R как функции времени. Расчет искомого коэффициента осуществл ют по формуле (1).an external source of heat through and the sample is passed through an electric current having a constant and high frequency components. Depending on the sample temperature (reference temperature), R, R are recorded as a function of time. The calculation of the required coefficient is carried out according to the formula (1).

Пример. Провод т исследование температурной зависимости температуропроводности никел в интервале температур 300- 1000 К. В качестве образца берут цилиндр из Ni чистотой ЭЭ., диаметром d 3 мм и длиной 1 100 мм. Посто нный ток модулируетс колебани ми с частотой 2 МГц (толщина скин-сло при этом 0,1 мм). Дл получени температурной зависимости ЗС дополнительно измер ют температуру поверхности термопарой хромель - алюмель (ХА) (0 0,05.мм), приваренной к поверхности образца . Этим способом получают непрерывную кривую, характеризующую зависимость температуропроводности от температуры.Example. A study was made of the temperature dependence of the thermal diffusivity of nickel in the temperature range 300-1000 K. A cylinder made of Ni with an EE purity, diameter d 3 mm and length 1 100 mm was taken as the sample. The constant current is modulated by oscillations with a frequency of 2 MHz (the thickness of the skin layer with 0.1 mm). To obtain the temperature dependence of the CS, the surface temperature was additionally measured with a chromel-alumel (XA) thermocouple (0 0.05 mm) welded to the sample surface. This method produces a continuous curve characterizing the dependence of thermal diffusivity on temperature.

Расчетна формула (1) способа содержит лишь измер емые величины электросопротивлений и не содержит значений координат точек измерени температур и значений температур. Это позвол ет уменьшить число необходимых дл определени коэффициента температуропроводности операций и повышает точность определени коэффициента .The design formula (1) of the method contains only measured values of electrical resistances and does not contain the values of the coordinates of the points of measurement of temperatures and the values of temperatures. This makes it possible to reduce the number of operations necessary for determining the coefficient of thermal diffusivity and improves the accuracy of determining the coefficient.

По сравнению с известным способом при предлагаемом отсутствуют погрешности, вызванные необходимостью измер ть температуры с помощью датчиков, вводимых внутрь тела, что одновременно упрощает способ, а также позвол ет использовать проволочные образцы. Кроме того, отсутствуют погрешности , обусловленные термической инерцией датчиков температуры.Compared with the known method, the proposed method has no errors caused by the need to measure temperatures using sensors inserted into the body, which at the same time simplifies the method and also allows the use of wire samples. In addition, there are no errors due to thermal inertia of temperature sensors.

Изобретение может найти применениеThe invention may find application.

при исследовани х теплофизических свойствin the study of thermophysical properties

материалов, а также физических и физикохимических процессов, сопровождающихс materials, as well as physical and physicochemical processes, accompanied by

изменением теплофизических свойств.change in thermophysical properties.

Claims

METHOD FOR DETERMINING THE TEMPERATURE CONDUCTIVITY COEFFICIENT OF SOLID BODIES, which includes monotonous heating of the sample by an external heat source and measuring the temperature difference over the sample cross section, characterized in that a constant electric current is passed through the sample to measure accuracy, and it is modulated by high-frequency oscillations; electrical resistance to direct current and high frequency current, and the thermal diffusivity is determined by the formula where lo _ a ^g dR / dt

Jf is the thermal diffusivity, m ² / s;

a. - the radius of the cylindrical sample, m;

2 - sample length, m;

R is the electrical resistance to direct current, Ohm;

R is the electrical resistance to high frequency current, Ohm;

t is the time, s;

η is the frequency of the alternating current, s'¹; / 'is the o-magnetic constant, ^{0 |} * ' ^s -;