非铁磁金属电导率标准装置的改进

　　0　引言

　　电导率参数是非铁磁金属材料的一个重要参数,航空航天工业中广泛用于铝、钛及其合金材料的牌号分选、热处理工艺监控等,对确保航空航天飞行器的飞行安全具有重大意义。

　　原有旧基准标块数量少,而且由于长期使用表面划痕较严重并有氧化层,影响了交流传递准确度;另外13%IACS的下限也不能满足国内实际需要。为此,我们对原标准装置做了改进,在新研制基准标块组中增加了电导率高端块数,下限进行了大的延伸,使电导率覆盖了(1~98.8)%IACS。

　　本标准采用交叉电导率原理,它具有明显优点,其电导率只与一维尺寸有关,不对称性仅引入二阶误差,准确度高等。

　　1　交叉电导率原理简介[1]

　　设有一无限长(厚)的导体,在截面上有4只无限小的导电柱A、B、C及D,如图1所示。若在B、C之间输入电流I1,在A、D之间测量得电压U1,其电导为:G1=I1/ U1;然后在C、D之间输入电流I2,在B、A之间测量其电压U2,其电导为:G2=I2/ U2。若令长度为d的一段导体的电导为:

　　则有:

　　式中,d为导电体轴向长度;σ为导电体的电导率。

　　若用其平均值代替G0时,可得导体的电导率

　　G1、G2是互为交叉的两个电导,与G0关系由式(2)确定,可证明式中δ为标块的几何不对称性(一般小于1%),其引入的误差<0.01%。

　　2　星形(交叉)标块研制

　　为了利用上述原理,新研制的标块设计成星形(交叉)形状,选用的金属(合金)材料包括了纯铜、纯铝、纯钛及其合金三大类,共计13种牌号。

　　2.1　标块的几何形状、几何尺寸及表面要求

　　2.1.1　标块的几何形状

　　标块设计成如图2所示形状,它是一个典型的交叉电容器截面。4只接线柱(导电柱)采用导电性能良好的紫铜分别处在标块凹角处,使得不对称性只引起二阶误差小量。另一方面,电流经过爪子这部分距离的流动,到达中心二维场平面时,在轴向上能很好的均匀化。这种特殊形状及电极布置,使得标块的对称性较好,并降低温升影响。

　　2.1.2　标块的几何尺寸

　　作为标块其大小、厚度及表面平整度是有严格要求的,这是由于在交流传递及实际校准涡流仪器时,都是以涡流效应为基础而规定的。

　　标块的大小按照国际标准(ASTM1004-84)规定,在交流(涡流)测量时,为了不产生边缘效应,探头线圈到标块边缘不得小于2倍探头线圈直径(5~6mm)距离,星形标块中心平面设计为34mm×34mm。

　　标块厚度由测量时探头激励源频率f(Hz)及基准标块(或被测标块)的电导率σ(S/m)来决定,f×σ越大,则所需厚度越小。可用下式计算