Датчик для дифференциального термического анализа Советский патент 1984 года по МПК G01N25/02 

Изобретение относится к термиче icoiviy анализу г Известный датчик приЬора для ди ференциального термического анализ (ДТА) представляет собой дифференц альную термопару, на горячих спаях которой размещены тигли-держатели образца и эталона термопара с дер жателями находится в полости нагаре Батального блока, осуществляющего нагрев образца и эталона по заданн nporpai -ie С1 J . К недостаткам известного датчика относятся значительный и не поддающийся учету теплообмен тигля со средой по опоре, несовершенный термический контакт между горячим спае термопары и тиглем (образцом), а также неопределенная геометрия температурного градиента в тигле (образце) ,. затрудняющая теоретическое описание работы датчика. Каиболее близкиь1 к изобретению яв,г:яется датчик для дифференциального термического анализа, содержащий дифференциальную термопару, тигель для-образца и опору тигля 2 Провода термопары проходят внутри керамической трубки, служащей однозременно опорой тигля. Определение величины теплового эффекта в образце осуществляется по лтзвестной 3 калориметрии формулаii:; - 7:еплозс-1 зФФект реакциНр К - калибровочный М()сжитяль |;(онстанта прибора) уКал/С йт - регистрируемый прибором Сигнал, см; 1: время; Д, пло;ладЬ пкка на тармогракке, см, Недостаткам :::рототила является t,eo б ходимость :;кспериме стального опредаления ко гстакты прибора К но всеМ изучаемом интервале температур поскольку К зависни от температуры по не1-:зБес7:ному закону,, Это существенно ппижает точность метода и усложняет 1;-:иьибрОБку, Указанный недостаток является следствием несоверmeHiiOH конструкции датчика, Е частнести спорь: держателей Опора держателя в виде керамиЧ€С ;ой ::рубки обладает тем недостат ком. что в аилу ее относительно большого д шметра и значительной пло111адк контакта р держателем возг мо)се:н ззг-гетный теплообмен по опоре келд:;у держателем -. обозгрззающей сре дай; D результате общий тепловой поток, поступагащгзй в Д2рх(атель, складывается из двух составляющих ,по опора и череэ рабочий зазор датчика, причем оба эти потока по разным законам зависят от температуры и условий опыта. Учесть количественно вклад каждого из потоков в общий практически невозможно, что исключает теоретический вывод выражения для константы прибора. Кроме того, теплоемкость держателя увеличивается за счет теплоемкости опоры на неизвестную величину, что также затрудняет теоретическое описание работы датчика, Цель изобретения - повышение точности анализа. Поставленная цель достигается тем, что в датчике для дифференциального термического анализа, содержащем дифференциальную термопару, Тйгелв для образца и опору тигля, опора тигля выполнена в виде по крайней мере трех опорных игл, закрепленных в несущем кольце, пружины и опорной чашки, при этом несущее кольцо с иглами и пружина насажены на фарфоровую трубку, из торца которой выведены провода термопары, а горячий спай термопары закреплен в опорной чашке. На чертеже представлен предлагаемый датчик. Датчик содержит тигель 1, опорную чашку 2, иглы 3, закрепленные в несущем кольце 4, пружину 5, стопорное кольцо 6, фарфоровую двухканальную трубку 7, термопару 8. Горячий спай 9 термопары 8 закреплен с помощью клея или цемента в тонкостенном стержне 10, составляющей одно целое с опорной чашкой 2 „ Кольцо 4 с иглами и пружина надеваются на фарфоровую трубку 7, при этом острия игл упираются в дно опорной чашки, а необходимое прижимное усилие создается с помощью пружины 5, опираюш.ейся на стопорное кольцо 6. Устройство работает следующим об- р а 3 ом, После того, как собрана опора и отрегулировано положение опорной чашки :- пружины, в опорную чашку вставляют тигель с образцом и вводят датчик в полость нагревательного блока, Включают нагрев и регистрирующие приборы и производят запись термограм.мы. По окончании опыта датчик извлекают из нагревателя, вынимают тигель из опорной чашки и очищают его от образца, В дальнейшем повторяют описанные операции. Необходимость и достаточность внесенных в конструкцию датчика измене.чий вытекает из теоретического рассмотрения условия теплоподвода к образцу и подтверждается результатами практических испытаний. При выводе основной формулы ДТА -где С - теплоемкость, предполагается, что теплоподвод к образцу по опоре и проводам термопары отсутствует или пренебрежимо мал по сравнению с теплоподводом че рез рабочий зазор датчика, а поверх ность тигля является изотермической Использование в датчике проводов малого диаметра в качестве элемента опоры вместо массивного опорного стержня сводит, к минимуму теплопроводноеть опоры и теплообмен по ней образца со средой. Теплообмен через иглы также мал из-за -ничтожной площади контакта игл с держателем. Одновременно сведена к минимуму и при соединенная к держателю теплоемкост опоры, так что теплоемкость С, указанную в формуле (2), можно положит равной суммарной теплоемкости держа теля и образца. Требования теории можно считать выполненными с хорошим приближением если теплопроводность зазора будет в 15-20 раз выше теплопроводности опоры. Из этого условия можно найти приемлемые параметры держателя, опоры и зазора. Например, для возду ха в качестве среды при получаем для отношения теплопроводностей зазора и опоры значение порядка 20 при следующих, параметрах датчика высота тигля .5 -Ю м, радиус тигля 2-102м, ширина зазора 2 -10 м, дли на термопарных проводов от торца трубки до дна держателя 15 ЧО м, диаметр проводов 2 , коэффициент теплопроводности воздуха 31х град, коэффициент теплопроводности хромелевых и алюмелевы проводов 23,2 Вт/м.град (средний). Калибровочная константа К при (выполнении требований теории являет ся просто теплопроводностью зазора отделяющего держатель от стенок нагревателя. Учитывая вклад йзлучеия в теплопроводность зазора, ля К выражение К .Д+ 0,,(yfop, где 5зф эффективная площадь поверхности, через которую в образец поступает.тепловой поток величиной i Л- - коэффициент теплопроводности;с, - степень черноты поверхнос. ти держателя; ширина зазора датчика; площадь поверхности держателя;Т - температура опыта. . В уравнении (3) все величины, кроме Ззф/с, являются ИЗВВСТНЕЛМИ. Для нахождения З ф/с/- требуется провести калибровку по одному веществу с известным тепловым эффектом. Если величина c,Sf, поддается расчету с малой точностью, ее также можно найти путем калибровки. Для нахождения .одновременно 3 и c(,S требуется решить систему двух уравнений с двумя неизвестными, т.е. использовать два калибровочных вещества. Для проверки применимости формулы (3) была проведена калибровка датчика по эталонным вещес гвам в интервале 80-420 С. Полученные по .уравнению (1) константы прибора сравнивали с константами, рассчитанными по уравнению (3) при следующих значениях постоянных, входящих в уравнение; . 91,6 Ю м; c,Sf, 17,3 . Для каждого эталонного вещества снимали 3-4 термограммы, варьируя величину навески в интервале 10-200 мг. Погрешность метода, оцененная по наибольшему стандартному отклонению, составляет 3% от измеряемой величины, Данные калибровки датчика ДТА суммированы в таблице.

ДАТЧИК ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА, содержащий дифференциальную термопару, тигель для образца и опору тигля,о тличак-щийся тем, что, с целью повышения точности анализа, оцора тигля выполнена в виде по крайней мере трех опорных игл, закрепленных в несущем кольце, пружины и опорной чашки, при этом несущее кольцо с иглами и пружина насажены на фарфоровую трубку, из торца которой выведены провода термопары, а горячий спай термопары закреплен в опорной чашке. П СО а ел Oi

3,08

н 3,78 4,21 5,41 6,58

3,103 . 3,76 4,45 5,41 6,41

j1073656

врнограммы снимали в среде азота, гаемогодатчика совпадает с теоретикачекия коэффициентов теплопровод- ,ческой,а для прототипа такого совюсти газа Л гфи различных темпера- паденияне наблюдается.

;/рак брали из литературы. Как видно рассчитанные и опытные .-опстанты прибора совпадают в преде-5 i:a.x ошибки опыта, что указывает на ;ря лепимость формулы () для опреде ззип константы К как функции темпе:;агур-ы опыта. Сравнение данных таблицы с калиб-10 озсянимк данными прототипа показы;:а:5Т; что тепловая чувствительность |оследис:го на порядок ниже, чем у 1ре.цла1аемого, Кроме того, темпера:уркг1Я зависимость константы предла-15 Предлагаемый датчик обеспечивает более высокую стабильность базовой линии прибора, а также дает возмОжность использовать формулу (2) для кинетических расчетов. Применение датчика в приборах для дифференциального термического анализа существенно повысит уровень выполняемых в соответствии с этим методом работ с соответствукицим повышением их технико-экономического эфФекта.