ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАЛОРИМЕТР Российский патент 1994 года по МПК G01K17/00 

Описание патента на изобретение RU2017092C1

Изобретение относится к теплофизическим приборам, предназначенным для регистрации термокинетики и полных тепловых эффектов различных процессов, например нитрования целлюлозы, растворения, анионной полимеризации и т.д., характеризующихся сравнительно быстрым и интенсивным тепловыделением в начальной стадии и чрезвычайно слабым и относительно медленным в конечной стадии.

Известны дифференциальные калориметры, успешно регистрирующие чрезвычайно слабые (единицы мкВт) и медленно изменяющиеся (практически любой длительности) тепловыделения, но не пригодные для регистрации быстрых (время нарастания несколько секунд) тепловыделений [1].

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности являются дифференциальные калориметры [2], содержащие рабочую и эталонную ячейки с измерительными и компенсационными термобатареями, нагреватели, усилитель, интегратор, регистратор теплового потока и систему управления. В этих калориметрах имеется режим работы, при котором компенсационные термобатареи подключаются к выходу усилителя теплового потока, обеспечивая охват калориметрической ячейки тепловой обратной связью и тем самым повышение быстродействия калориметрической системы. Нагреватели калориметрических ячеек служат для калибровки измерительного тракта. Однако быстродействие такого калориметра остается недостаточно высоким, так как эквивалентная постоянная времени ячеек с реакционным сосудом даже в компенсационном режиме составляет 15-20 с. Кроме того, компенсационный режим, основанный на эффекте Пельтье, не позволяет регистри- ровать тепловые потоки интенсивностью выше 0,1 Вт. Таким образом, в калориметре [2] имеются существенные ограничения по возможности регистрации сравнительно быстрых и интенсивных тепловыделений.

Целью изобретения является повышение быстродействия и расширение диапазона измеряемых тепловыделений дифференциального калориметра.

Цель достигается тем, что нагреватели рабочей и эталонной ячеек выполнены в виде тонкого слоя, размещенного внутри боковых стенок реакционных сосудов, соединены последовательно и включены в общую токовую цепь мостовой схемы, к измерительной диагонали которой подключен вход усилителя разбаланса, а к диагонали питания подключен вход усилителя разбаланса, а к диагонали питания подключен его выход, причем нагреватель рабочей ячейки выполнен из материала с большим температурным коэффициентом сопротивления (ТКР), а нагреватель эталонной ячейки из материала с малым ТКР (мангании, константан) регистратор снабжен умножителем, который подключен к нагревателям рабочей и эталонной ячеек, система управления снабжена пороговым устройством, схемой управления ключами и масштабным согласователем, по цепям входа который соединен с выходом умножителя и усилителя сигнала измерительных термобатарей, по цепям выхода соединен с самописцем и интегратором, по цепи управления - с исполнительными ключами схемы управления ключами, которая по входу соединена с выходом порогового устройства, подключенного к входу интегратора, причем пороговое устройство срабатывает на спаде теплового потока до установленного уровня, а исполнительные ключи отключают цепь измерительных термобатарей от усилителя и на заданное время включают ток в измерительные термобатареи в режиме охлаждения ячеек эффектом Пельтье, к входу усилителя подключают на это время постоянное напряжение, а к выходу усилителя - компенсационные термобатареи, после окончания заданного интервала времени вновь включают измерительные термобатареи на вход усилителя сигнала теплового потока и интегратор.

На фиг.1 показана функциональная схема калориметра; на фиг.2 - диаграмма выходных сигналов усилителя теплового потока и умножителя.

Дифференциальный калориметр состоит из массивного блока 1, в котором размещена рабочая и эталонная калориметри- ческие ячейки с измерительными 2 и компенсационными 3 термобатареями, соединенными дифференциально. Нагреватели рабочей ячейки R1 и эталонной R2 выполены в виде тонкого слоя, размещенного в боковых стенках реакционных сосудов 4, вместе с резисторами R3, R4 образуют мостовую схему, подключенную к выходу усилителя 5 разбаланса. Электрическая мощность Рн(t), выделяемая на сопротивлении R1, непрерывно измеряется множительным устройством 9, выполняющим функции умножения величин падения напряжения U(t) на ток I(t). Сигналы с выхода усилителей 7 умножителя 9 поступают на маcштабный cоглаcователь 12, входящий в cиcтему управления и обеспечивающий поочередную регистрацию начальной стадии (термокинетики) регистрируе- мого теплового процесса (умножитель 9) и конечной - с усилителем 7 и одним общим каналом самописца 11.

Пороговое устройство 6, подключенное к выходу масштабного согласователя 12 со схемой управления исполнительными ключами R1, R2, R3входит в состав системы 8 управления, обеспечивающей рабочий режим калориметра и цикл измерения.

Дифференциальный калориметр работает следующим образом.

При подключенной к усилителю 5 разбаланса мостовой схеме R1R2R3R4 в рабочей и эталонной ячейках устанавливаются практически одинаковые тепловые потоки R1=R2, максимальная величина которых должна быть больше (10-20%) ожидаемого пикового тепловыделения в реакционном сосуде (Wmax). Сигнал измерительных термобатарей (выход усилителя 7) в отсутствие измеряемого теплового процесса (W=0) практически остается равным нулю, так как он пропорционален разности тепловых потоков рабочей и эталонной ячеек. Тепловой поток от инициированного в реакционном сосуде (например, экзотермического) процесса воздействует на стенку сосуда и стремится повысить ее температуру, следовательно, величину сопротивления R1, которое выполнено из тонкого медного провода и выполняет одновременно функцию нагревателя и датчика тепловой стенки. Увеличение R1 приводит к разбалансу моста, соответствующему уменьшению выходного сигнала усилителя, и следовательно, к уменьшению величины тока через R1, что, в свою очередь, уменьшает величину R1, возвращая ее к начальному состоянию (коэффициент передачи К петли обратной связи достаточно велик - К>>1). Таким образом, воздействие теплового потока сводится к соответствующему изменению тока через R1, обеспечивающему R1=const и ΔP(t)= W(t). Итак, за счет тепловой обратной связи поддерживается постоянство R1, следовательно, температуры тепловой стенки и постоянство теплового потока в рабочей ячейке, а изменение электрической мощности в нагревателе R1 равно тепловому потоку, инициированному в реакционном сосуде.

Кроме того, охват тепловой стенки отрицательной обратной связью позволяет в К раз уменьшить исходную постоянную времени τст, определяемую теплоемкостью нагревателя и тепловым сопротивлением нагреватель-стенка реакционного сосуда, т.е. эквивалентная постоянная времени τэ= , что обычно более чем на порядок меньше постоянной времени калориметрической ячейки даже в компенсационном режиме. На фиг.2 показано тепловыделение W(t) исходного теплового процесса и на фиг.2б (до момента времени t1) регистрация быстрой и интенсивной части исходного процесса - выходной сигнал умножителя 9.

Регистрация термокинетики исходного процесса в конечной стадии (медленное и слабое тепловыделение) осуществляется переводом калориметра в компенсационный режим работы с использованием эффекта Пельтье, что позволяет примерно на два порядка повысить разрешающую способность величины тепловыделений по сравнению с регистрацией в начальной стадии исходного процесса. Переход на регистрацию в начальной стадии исходного процесса. Переход на регистрацию конечной стадии осуществляется следующим образом. При спаде теплового потока до уровня, установленного заранее, где для компенсации достаточно мощности эффекта Пельтье (момент t1, фиг.2), срабатывает пороговое устройство (6), контактом Р23обеспечивается цепь R1R2, контактом Р1 измерительные термобатареи отключаются от усилителя 7 и в них на заранее заданное время (t1-t2) подается ток в полярности, соответствующей охлаждению ячеек. По окончании этого времени t2 возвращается контакт Р1.1. и система начинает переходить в компенсационный режим измерения, а после завершения переходного процесса (t3, фиг.2) сигнал с выхода усилителя 7 поступает для регистрации на высокочувствительной шкале. Для обеспечения быстрого возвращения ячеек в состояние, близкое к тепловому равновесию, при срабатывании Р1.1. на вход усилителя подается постоянное напряжение Uвкл, соответствующее величине Wвкл, включается компенсационная термобатарея Р2.1. и из цепи обратной связи отключается добавочное сопротивление R5, повышая тем самым коэффициент передачи усилителя 7 и обеспечивая регистрацию в компенсационном режиме с чувствительностью в n раз большей, чем в начальной стадии.

Масштабный согласователь системы управления представляет собой резисторный делитель R6R7R8, который с помощью ключей Р3 и Р2обеспечивает поочередную регистрацию начальной и конечной стадий соответственно теплового потока W и теплового эффекта Q каналами самописца и интегратора 11, 10. Причем, поскольку регистрация конечной стадии теплового потока осуществляется с чувствительностью в n раз более высокой, чем начальная, а выходные сигналы Uвых на полную шкалу самописца 11 умножителя 9 и усилителя 7 одинаковые, то для обеспечения единого масштаба интегрирования 0, делитель R6-(R7+R8) должен иметь коэффициент передачи 1/n, т.е. n = .

Hа фиг.2б ( начиная c момента t3) показана региcтрация конечной cтадии иcходного теплового процеccа.

Регистрация теплового эффекта Q проводится как обычно в дифференциальных калориметрах - интегрированием сигнала измерительных термобатарей калориметрической системы. На фиг.2b приведены сигналы, поступающие на интегратор. В этом случае тепловой эффект
Q = Q1+ + Qдоб, где Q - изменение джоулевого тепла в калориметрических ячейках. При Р12 все это тепло выделяется в эталонной ячейке, так как количество тепла от исходного теплового процесса на начальной стадии в рабочей ячейке компенсируется изменением мощности в нагревателе Р1.

Q2/n - количество тепла на конечной стадии с учетом изменения масштаба шкалы в n раз.

Qдоб= t - добавка, связанная с прерыванием интегрирования на время Δt=t3-t1 на соответственных уровнях включения и отключения интегратора (Wвкл, Wоткл), вводимая системой управления в результате интегрирования.

Размещение R2 в эталонной ячейке сводит влияние дрейфа нуля тепловой стенки (дрейф тока в нагревателях) к минимуму (определяется возможным неравенством R1 и R2, поскольку изменение тока, протекающего по этим нагревателям и не связанного с тепловым потоком от инициированного исходного теплового процесса, не приводят к дрейфу нуля цепей дифференциально включенных термобатарей калориметрических ячеек.

Похожие патенты RU2017092C1

название год авторы номер документа
Дифференциальный калориметр 1984
  • Гальперин Лев Натанович
  • Либерман Александр Ефимович
  • Васильев Павел Кириллович
SU1247688A1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МИКРОКАЛОРИМЕТР 2003
  • Гальперин Л.Н.
RU2248542C1
КАЛОРИМЕТР 2002
  • Маргулис М.А.
RU2261418C2
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МИКРОКАЛОРИМЕТР 1972
  • Л. Н. Гальперин, Ю. Р. Колесов, Л. Б. Машкинов Н. А. Зеленое
SU342087A1
Дифференциальный микрокалориметр (его варианты) 1982
  • Платонов Анатолий Петрович
  • Галюк Олег Степанович
  • Горбачев Александр Петрович
  • Кукушкин Владимир Иванович
SU1068741A1
ВАТЕНТКО- Г. Б. Манелис, Ю. И. Рубцсв, Е. В. Довбий, П. К. BacpjfBiBygjfjjg^pj.,f.gВИБЛИОТЕКА 1970
  • А. Солохненко, Ф. Дуоовицкий, Н. Гальг Рин, Ю. Р. Колесов, Н. А. Зеленов, В. И. Кукушкин, О. С. Гьлйк,
SU271076A1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МИКРОКАЛОРИЛ1ЕТР 1971
SU309258A1
Калориметр 1984
  • Машкинов Лев Борисович
  • Гальперин Лев Натанович
  • Колесов Юрий Рафаилович
SU1247687A1
Микрокалориметр 1983
  • Платонов Анатолий Петрович
  • Галюк Олег Степанович
  • Горбачев Александр Петрович
  • Кукушкин Владимир Иванович
SU1249352A1
Устройство для измерения энергии механохимических превращений веществ 1988
  • Платонов Анатолий Петрович
  • Горбачев Александр Петрович
  • Рухман Игорь Николаевич
  • Кукушкин Владимир Иванович
SU1599737A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 017 092 C1

Реферат патента 1994 года ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАЛОРИМЕТР

Изобретение относится к теплофизическим приборам, предназначенным для регистрации термокинетики и полных тепловых эффектов процессов, характеризующихся быстрым и интенсивным тепловыделением в начальной стадии и медленным и слабым - в конечной стадии, таких, например, как растворение, анионная полимеризация, нитрование целлюлозы и т.д. С целью повышения быстродействия, расширения диапазона регистрируемых тепловыделений и тепловых эффектов в дифференциальном калориметре, в рабочей калориметрической ячейке, непосредственно в реакционном сосуде организована тепловая стенка на основе датчика-нагревателя, позволяющего существенно повысить быстродействие калориметра и регистрировать интенсивные тепловыделения за счет компенсации их сбросом электрической мощности в нагревателе стенки. Для точной регистрации полного теплового эффекта в эталонной ячейке установлен нагреватель, изменение электрической мощности в котором пропорционально измеряемому тепловыделению. Система управления снабжена устройством, позволяющим отключать тепловую стенку при спаде тепловыделения и быстро переходить на компенсационный режим измерений за счет эффекта Пельтье в компенсационных термобатареях. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 017 092 C1

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАЛОРИМЕТР, содержащий интегратор, дифференциальный усилитель, регистратор и массивный центральный блок, в котором размещена рабочая и эталонная калориметрические ячейки с измерительными и компенсационными термобатареями, калибровочным нагревателем, сменными реакционными сосудами, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и расширения диапазона измерений, введены управляемый усилитель, блок масштабирования, пороговое устройство, блок умножения, коммутатор, управляемый ключ и схема управления, вход которой объединен с входом интегратора и соединен с первым выходом блока масштабирования, второй выход которого соединен с входом регистратора, а первый и второй входы соединены соответственно с выходом управляемого усилителя и выходом блока умножения, при этом нагреватели рабочей и эталонной ячеек выполнены в виде тонкого слоя, размещенного внутри боковых стенок сменных реакционных сосудов, соединены последовательно и включены в виде мостовой схемы, к измерительной диагонали которой подключены входы дифференциального усилителя, выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с одним из выводов измерительной диагонали мостовой схемы, второй вывод которой соединен через управляемый ключ с выходом дифференциального усилителя, выводы измерительных термобатарей соединены через коммутатор с первым входом управляемого усилителя, второй вход которого соединен с выводом компенсационных термобатарей, а его управляющий вход с первым выходом схемы управления, второй, третий, четвертый и пятый выходы которой соединены соответственно с управляющими входами коммутатора и управляемого ключа, первым и вторым управляющими входами блоками масштабирования.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1994 года RU2017092C1

Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
ВАТЕНТКО- Г. Б. Манелис, Ю. И. Рубцсв, Е. В. Довбий, П. К. BacpjfBiBygjfjjg^pj.,f.gВИБЛИОТЕКА 0
  • А. Солохненко, Ф. Дуоовицкий, Н. Гальг Рин, Ю. Р. Колесов, Н. А. Зеленов, В. И. Кукушкин, О. С. Гьлйк,
SU271076A1
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1

RU 2 017 092 C1

Авторы

Гальперин Л.Н.

Неганов А.С.

Даты

1994-07-30Публикация

1990-12-25Подача