Дифференциальный микрокалориметр (его варианты) Советский патент 1984 года по МПК G01K17/08 

2. Дифференциальный микрокалориметр, содержащий две калориметрические ячейки с измерительными термобатареями, усилительиндикатор и регулятор, отличающийся тем, что, с целью повышения . точности измерений при одновременном повыmeifflH разрещаюшей способности микрокалориметра, он снабжен мультивибратором и jmравляемыми ключами, а измерительные термобатареи соединены дифференциально и включены на вход усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатарея; первой ячейки соединена с входом регулятора, выполненного астатическим, а его выход через управляемые ключм j соединенные с раздельнь1ми выходами мультивибра- v. тора, подключен к нагревателям ячеек.

1. Дифференциальный микрокалориметр, содержаишй две калориметрические. язейки с измерительными термобатареями, усилительиндикатор и два регулятора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при одновреме{шом . повышении разрешающей способности микрокалориметра, измерительные термобатареи соеда-. нены дифференциально и включены на вход усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатарея первой ячейки соединена с входом одного из ре1уляторов, вьшолненного астатическим, а его выход соединен с нагревателем первой ячейки и входом второго регулятора, на выход которого подключен нагреватель второй ячейки. (Л 35 X 1

Изобретение относится к области тепловых йзмерений, в частности, к устройствам для ,ска)1ц-рующей калориметрии. Извсстнгл микрокалориметры, которые содержат помещенный в термостат калориметрй ческнй блок и установленные в нем две ка лориметрические ячейки, измерительные терм батареи которых включены дифференциально 1. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является дифференциальный микрокалориметр,, содержащий две калориметрические ячейки с подключенными через усилители измерительными и компенсационными термобатареями, в котором включены дифференциально не измерительные, а компенсационные термобатареи и соединены с индикатором через резисторы так,- что на индикатор поступает разность сигналов, сни маемых с этих резисторов и пропорциональных токам компенсационных термобатаpeff, т.е. тепловым потокам через кажщгю из ячеек. Выбором козффициентов передачи К/), К2 измерительных систем, образованных термобатареями ячейки и усилителем II номиналов резисторов можно настроить прибор такт, чтобы обеспечить равенство экв валентных постоянных времени ячеек и выравкять чувствительность измерительных систем, а вследствие этого уменьшить нестабильность нуля прибора, связанную с исходной невдентшшостью калориметрических ячеек 12. Одаако известный микрокалориметр, позволяя в определенной степени уменьшить не стабильность нуля .прибора и улучшить его разрешающую способность, связа1шу1о с неидашетностыо ячеек, настроенный для работы на какой-либо одной температуре, не может обеспечить высокую точность измереют при изменении этой температуры из-за зависимости параметров компенсационных и измерительнь х термобатарей от температуры. В микрокалориметре требуется применение высокостабильных прецизионных усилителей, что усложняет прибор. Настройка такого микрокалориметра трудоемка и требует использования дополнительной контрольно-измерительной аппаратуры. , Цель изобретения - повышение точности тепловых измерений в изотермическом и неизотермическом режимах при одновременном повышении разрешающей способности микрокалрриметра. Поставленная цель достигается тем, что в дифферегащальном микрокалориметре, содержащем две калориметрические ячейки с измерительными термобатареями, усилитель-ицдакатор и два регулятора, измерительные термобатареи соединены дифференциально и включены на вход усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатарея пер,вой ячейки соединена с входом одного из регуляторов, вьшолненного астатическим, а его выход соединен с нагревателем первой ячейки и входом второго регулятора, на выход которого подключен нагреватель второй ячейки. . Устройство по второму варианту содержащее две калориметрические ячейки с изме-, . рительными термобатареями, усилитель-индикатор и регулятор, снабжен мультивибратором и управляемыми ютючами, а измерительные термобатареи соединены дифференциально и включены на вход усшштеля-ищщкатора, при зтом измерительная термобатарея первой ячейки соединена с входом регулятора, вьшолненного астатическим, а его вход через управляемые ключи, соединенные с раздельными выходами мультивибратора, подключен к нагревателям ячеек. На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого дифференциального микрокалоримет ра; на фиг. 2 - то же, другой вариант. Дифференциальный микрокалориметр содержит опорную 1 и рабочую 2 калориметрические ячейки с измерительными термобатареями 3 и 4 и нагревателями 5 и 6, расположенными в непосредственной близости oj тепловоспринимающих поверхностей датчиков теплового потока - спаев термобатарей, усилитель-индикатор 7, регулятор 8 и 9. Регулятор 8 выполнен астатическим. Измерительные термобатареи 3 и 4 соединены дифференциально на вход усилителя-инд катора 7. Вход регулятора 8 соединен с измерительной термобатареей 3, а выход - с нагревателем 5 и, кроме того, с входом регулятора 9, на выход которого подключен нагреватель 6. Выход усилителя-индикатора 7 является выходом устройства. В ка честве нагревателей 5 и 6 могут быть испо зованы обычно встраиваемые в ячейки калибровочные нагреватели. Устройство по второму варианту (фиг. 2) ..содержит те же. элементы, а также ключи 10 и 11 и мультивибратор 12, причем нагреватели 5 и 6 подключены к выходу регулятора 8 через ключи 10 и И, соединенные с противоположными выходами мультивибратора 12. Устройство {фиг. 1) работает следуюищм образом. . . При нагреве микрокалориметра астатический регулятор 8 поддерживает на нагревате ле 5 мощность, -при которой вся опорная ячейка 1 нагревается со скоростью нагрева микрокалориметра, так что сигнал с измери тельной термобатареи 3 равен нулю. Мощность, выделяемая нагревателем 5, равна Bf 0 --VT. , где d;, - приведенная внутре шяя тенлоемкость ячейки 1, VT скорость нагрева микрокалориметра. Для этого, чтобы при .нагреве обеспечить стабильность нуля микрокалориметра, необходимо и рабочую ячейку 2 нагревать с такой же скоростью Ут . Тогда сигнал с измерительной термобатареи 4 тоже будет равен нулю.. Необходимая для мощ.ность определяется выражением ,-VT ; где Са. - приведенная внутренняя теплоемкость ячейки 2. Следовательно, мощнос ти, вьщеляемые в нагревателях опорной 1 рабочей 2 ячеек, должны удовлетворять со отношению . Это соотношение (рл Сг поддерживается с помощью управляющего о нзгревателем 6 регулятора 9, коэффициент передачи которого по напряжению выбирается равным к, . где RX , Пд сопротивление нагревателей опорной и рабочей ячеек соответственно. (Так как - - . где U( - выходное напряжение регулятора 9; Оь - входное напряжение регулятора 9 и выходное напряжение регулятора 8; Uj-Uj - напряжения на нагревателях 5 и 6 соответственно. K kL/J4..2i . (.- -т. Таким образом, тепловые потоки через термобатареи 3 и 4отсутствуют, сигнал с каждой измерительной термобатареи равен нулю, и усилитель-индикатор 7 находится в нуле при любой скорости нагрева и при любой рабочей температуре. Настройка микрокалориметра , для работы в режиме нагрева производится следующим образом. Устанавливают в рабочую ячейку -2 исследуемый образец, а в опо|рную 1 - его имитатор. При включеном нагреве микрокалориметра регулируют коэффициент передачи регулятора 9, так, чтобы сигнал на усилителе индикаторе 7 был равен нулю. Настройка проводится при отсутствии тепловых эффекiOB в ячейках, т.е. находящиеся в них объекты в процессе настройки не должны претерпевать превращений, связанных с выделением или поглощением тепла или изменением их теплосодержания, и установившейся например максимальной, скорости нагрева. . Настройку микрокалориметра для работы в изотермическом режиме ведут аналогично, но при температуре микрокалориметра выше температуры окружающей среды. Настройка, выполненная при одной скорости нагрева, сохраняется и при других скоростях нагрева, а настройка, выполненная при . одной температуре, сохраняется и при дургих температурах выше температуры с.сружающей среды. При смене же объектов исследования (и имитаторов) настройки необХОЩ1МО выполнить заново. Устройство (фиг. 2) работает следующим образом. При нагреве микрокалориметра астатический регул.ятор 8 поддерживает на нагревателе 5 опорной ячейки 1 мощность, необходамую для исключения теплового потока через термобатарею 3, так что сигнал с измеритель, ной термобатареи 3 равен нулю. При этом вся ячейка 1 нагревается со скоростью нагре ва микрокалориметра, а мощность, подаваемая в нагреватель 5 через заправляемый одним из выходом мультивибратора 12 ключ 11, равна . где и - выходное напряжение регулятора 8 %,2 - длительности импульсов на управляющих ключами Пи 10,соответ- ственно выходах мультивибратора. Для того, чтобы при нагреве обеспечить стабильность нуля микрокалориметра, в нагр ватель 6 через управляемый вторым выходом мультивибратора ключ 10 подается мощность При этом для соблюдения условия Рл-0, соответствующей н&стройки обеспечивается от ношение длительностей импульсов на выходах мультивибратора. . t Тогда я рабочая ячейка 2 тоже нагревается со скоростью нагрева микрокалориметр тепловой поток через термобатарею 4 отсутствует , и сигнал с нее равен нулю. Поскольку тепловые нотоки через термобатауея 3 и 4 отсутствуют и сигналы с них равны нулю усш1итель-индика:тор 7 находится в нуле при любой скорости нагрева и при любой рабочей температуре, Настройка микрокалориметра для работы в р жиме нагрева вьшолняется следующим образом. Устанавливают исследуемый образец в рабо43 10 ячейку 2, а имитатор в опорную ячейку 1. При включенном нагреве микрокалориметра регулируют длительность импульсов на выходах мультивибратора 12 так, чтобы сигнал на усилителе-индикаторе 7 был равен нулю. Настр ка проводится при отсутствии тепловых эффек тов в ячейках, т.е. помещенные в них объекты в процессе настройки не должны претерпевать превращений, связанных с выделением или поглощением тепла или изменением их теилосодержа, и при установившейся, например максимальной, скорости нагрева. Настройку микрокалориметра для работы изотермическом режиме ведут аналогично, но при температуре микрокалориметра выше тем пературы окружающей среды. Настройка, выполненная при одной. скорости нагрева, сохра няется для тех же объектов и при других скоростях нагрева, а настройка, выполненная fipH одной температуре, сохраняется и прн других температурах выще температуры окружающей среды. Такое вьшолнение предлагаемого калоримет ра позволяет в широком диапазоне температур и скоростей нагрева исключить влияние., i на стабильность нуля прибора различия чувствительностей измерительных термобатарей, инерционности калориметрических ячеек., вместе с исследуемыми обьектами, электрического и термического сопротивлений измерительных термобатарей, а также их температурных изменений стабильность нуля, как было показало, определяется лищь постоянством величины, пропорциональной произведению отношений приведенных теплоемкостей рабочей и опорной ячеек и электрических сопротивлений нагревателей этих ячеек, обеспечить которое не представляет труда (нагреватели калориметрических ячеек изготовляют из одного материала, регуляторы микрокалориметра и мультивибратор, выполненные на современной элементной базе, обладают достаточной стабильностью). Причем, в то время как в известном устройстве предъявляются жесткие требования к стабильности и нуля и коэффициентов передачи всех усилителей, в предлагаемых устройствах один из регуляторов (астатический) должен иметь малый дрейф нуля (для полной компенсации паразитного теплового потока через измерительную термобатарею опорной ячейки), но к коэффициенту передачи его жестких требований не предъявляется, другой должен иметь стабильный коэффи- циент передачи (для полной компенсации паразитного т еплового потока через измерительHjTo термобатарею рабочей ячейки), к стабильности же нуля этого регулятора могут предъяв-; ляться менее жесткие требования, так как подаваемый на вход регулятора сигнал имеет вепячяну более 1 В, а коэффициент передачи близок к 1. Настройка прибора предельно проста. Она не требует каких-либо измерений и применения дополнительной аш1аратуры. Кроме того, прибор при одном и том же заполнении калориметрических ячеек не требует подстроек на разных температурах или скоростях нагрева.

п

6

W

12

-фиг. 2

11