Дифференциальный калориметр Советский патент 1983 года по МПК G01K17/08 

Изобретение относится к тепловым И;Змерениям, а именно к микрокалорим рии, и может быть использовано для исследования тепловых эффектов ( как экзотермических, так и эндотермических ) в изотермическом режиме ив режиме непрерывного программированного измерения температуры образца, а также для определения теплоемкост в режимах непрерывного или ступенчатого измерения температуры образца. Известен дифференциальный калориметр, содержащий держатели образцов, выполненные из высокотеплопроЭодного материала и установленные н включенных дифференциально тепломерах, смонтированных на температуро-выравнивающем блоке. ТемпературоЗыравнивающий блок контактирует чер Пластину из низкотеплопроводного ма Сериала с теплопередающим блоком, который разъемно соединен с блоком Программированного измерения температуры и образует с ним замкнутый рабочий объем, в котором размещены держатели образцов. В этом калориметре величина, пропорциональная разности темп-ератур между дертажелем образца и держателем эталона, измеряется термобатарея ми тепломеров, что позволяет, уменьшив величину термических сопротивлений теплопереносу, повысить чувствительность устройства. Б устройстве высокие требования предъявляпотся к измеритермичности поверхности, на которой смонтированы тепломеры, что обеспечивается введением пластины из низкотеплопроводнаго материала между температуровыравнивающим и теплопередающим блоками. Такое решение приводит к то му, что при программированном измерении температуры возникает разность температур между поверхностями, ограничивающими рабочий объем, причем это различие зависит от темпа изменения температуры. В данной конструкции дифференциал ного микрокалориметра теплообмен меж ду держателями образцов и поверхностью температуровыравнивающего бло ка осуществляется через тепломеры теплопроводностью, а с поверхностью блока програь® ируемого изменения температуры, ограничивающей рабочий объем, - конвекцией и радиацией. Необходимо стремиться к обеспечению минимальных разностей температур меж ду держателями образцов и поверхнос тями, огр ничивающими рабочий объем . Однако в данном устройстве это требование не обеспечивается, что и приводит к возникновению случайных погрешностей за счет наличия естественной конвекции в рабочем объеме Наиболее близким к изобретению по технической сущности является дифференциальный микрокалориметр, содержащий блок программированного . изменения температуры, коаксиально и Б тепловом контакте с которым смонтирован теплопередающий блок, контактирующий через пластину из низкотеплопроводного мггтериала с температуровыравнива1эщим блоком, на . котором установлены датчики температуры и тепломеры с размещенными на них держателями образцов (испытуемого и эталона), а рабочий объем ограничен защитным экраном, контактирующим с температуровыравнивающим блоком . Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная несовершенством защиты держателей образцов. Пассивная экранная защита работает эффективно только тогда , когда удается подобрать такое соотношение между теплоемкостью экрана и термическим сопротивлением, существующим между экраном и блоком программируемого изменения температуры, чтобы разность температур между держателями образцов и поверхностью защитного экрана была бы минимальной. Это трудно обеспечить из-за нестабильности контактных термических сопротивлений и термических сопротивлений конвективному и радиационному теплообмену между экраном и температуровыравнивающим блоком, а также экраном и блоком программируемого изменения температуры . Целью изобретения является повшиение точности измерений за счет снижения разности температур между держателями образцов и поверхностями, ограничивающими рабочий объем. Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее блок программированного изменения температуры, теплопередающий блок, контактирующий через пластину из низкотеплопроводного материала с температуровыравниваюшим блоком, в котором установлены датчик температуры, тепломеры с размещенными на них держателями образцов и теплозащитный экран, ограничивающий рабочий объем, дополнительно введены теплопередающий и температуровыравнива1сяций блок и пластина из низкотеплопроводного материала, выполненные идентичного имеющимся, а также теплопередающие пластины, идентичные по толщине и теилофизическим характеристикам тепломерам, причем на одной из теплопередающих пластин размещены тепломеры и теплозащитный экран, а на другой - теплозащитный экран с вмонтированным в него датчиком температуры. Гфи этом предпочтитильно, чтобы отношение теплоёмкости экрана к поверхности его контакта с теплопередающей пластиной было равно отношению теплоемкости держателя образца к поверхности его контакта с тепломером. На фиг. 1 дана схема дифференциального микрокалориметра; на фиг. то же, размещения держателей обраэцов в рабочем объеме. Дифференциальный микрокалориметр Л фиг. 1 и 2) содержит блок 1 программируемого изменения температуры в котором установлены два идентичных теплопередающих блока 2 и 3, на плоских взаимнообраиенных поверхностях которых через пластины из низкотеплопроводного материала 4 смонтированы температуровыравнива щие блоки 5 и 6. Натемпературовыра нивающем блоке 5 закреплены тепломеры 7 и 8 с держателями образцов 9 и 10, установленные в гнездах пла тины 11, идентичной по толщине и те лофизическим свойствам тепломерам 7 и 8. К пластине 11 прикреплен дополнительный металлический экран -12 с вмонтированным в него датчиком 13 температуры. На температуровыравнивающем блоке 6 смонтирован теплозащитный экран 14, контактирующий с ним через дополнительную пластину 15, также идентичную по толщине и теплофизическим свойствам тепломерам 7 и 8. В теплопередающем блоке 3 и блоке 1 предусмотрены каналы 16 для замещения газа в рабоче объеме калориметра, Для обеспечения программированного изменения температуры по линейному закону блок 1 снабжен нагревателем 17 и содержит каналы 18 для црокачки охлаждающего агента. Для обеспечения ступенчатого изменения температуры, а также изотермического режима работы, блок установлен в охлаждаемой рубашке 19 и контактирует с ней через прослойку 20, заполненную кварцевой пудрой В предлагаемом устройстве блоки 2 и 3, а также 5 и б выполнены из высокотеплопроводного материала, попарно идентичными по массе, тепло физическим характеристикам и геометрическим размерам. в связи с этим, при равной тепловой нагрузке на поверхности контакта блоков 5 и б с теплопередающими пластинами, их температуры при программированном изменении температуры блока 1 будут равны. Если пренебречь теплоемкостью теплопередающих пластин и тепломеров, а теплопроводность материала, из которого изготовлены экраны и держатели образцов, считать бескои но большой, то для системы пластин кран и тепломер-держатель справедивы уравнения аТэ Ъ-ТсГ Г экЛэк-У -эк атг Rn т.- .этг. 9 d-C- аък dFV, де т„ и Т,,. - температуры держателя образца и экрана, и Хп теплопроводноститепломеров и теплопередающих пластин, толщина тепломеров и теплопередающих пластин, С и С теплоемкости держателя образца и экрана, т« поверхности контакта тепломера с держателем и экрана с пластиной. Из систеки уравнений следует, то Тд Тg только в .том случае, 1Э. иРкл При соблюдении этого условия разность температур между держателем эталона и окружающими его поверхностями будет равна нулю, а разность температур между экраном и держателем испытуемого образца будет равна разности температур между держателями образцов, что позволит свести к минимуму неучтенные теплопотери держателя испытуемого образца и стабилизировать значение величины. Дифференциальный микрокалориметр работает следующим образом. Для определения величины тепловых эффектов или теплоемкости в держатель образца 9 помещают испытуемый образец, а в держатель эталона 10 помещают инертный образец или оставляют его пустнм. После замещения газовой среды в рабочем объеме, для чего используют каналы 16, с целью удаления конденсирующихся паров или замены воздуха на инертную среду, в зависимости от задач, осуществляют требуемое изменение температу|ма с помощью блока 1 программнруемого изменения температуры и регистрируют сигналы датчика температуры и тепломеров. Для реализации режима охлаждения используют обычно жидкий азот или его пары, прокачивая ®1 через каналы 18.

Режим нагрева реализуется с помощью нагревателя 17, а режим стуОенчатого изменения температуры осуиествляется с помощью нагревателя 17 и охлаждающей рубашки 19, В которой в этом случае поддерживается постоянная температура. Обработку результатов измерений проводят по известным методикам.

Повышение точности в предлагаемом изобретении достигается путем уменьшения разности температур между держателями образцов и поверхностями, ограничивающими рабочий объем, за счет использования -теплозащитных экранов и предложенной систеьвл их установки и крепления. Уменьшение разности температур увеличивает соответствуюйие термические сопротивления и их стабилизации, что позволяет снизить относительную пограиность измерений до 1,5%. Погрешность может быть снижена еще больше при градуировке с помощью микронагревателей.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МИКРОКАЛОРИМЕТР, содержащий блок программированного изменения температуры, теплопередающий блок, контактирующий через пластину из ниэкотеплопроводного материс1ла с температуровыравни-г вающим блоком, в котором установлены датчик температуры, теплог«юры с размещенными на них держателями образцов и теплозащитный экран, ограничивающий рабочий объем, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены теплопередаюиий и температуровыравнивающий блок и пластина из низкотеплопроводного материала, выполненные идентично имегацимся, а также теплопередающие пластины, идентичные по толщине и теплофизическим характеристикам тепс ломерам, причем на одной из тепло{Q передающих пластин размешены тепло(Л меры и теплозащитньзй экран, а на другой - теплозащитный экран с вмон-. тированным в него датчиком температуры.

1г