Способ измерения теплоемкости Советский патент 1985 года по МПК G01N25/20 

m

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕШ10ЕЖОСТИ, заключающийся в том, что в пустой калориметр с известной теплоемкостью и в такой же калориметр, заполненный исследуемым образцом, вводят модулированные мощности до обеспечения равенства средних температур калориметров и регистрируют температурные колебания калориметров, по которым определяют теплоемкость, отличающийся тем, что, с целью расширения возможностей метода и повышения точности измерений, для каждого калориметра частоту модуляции мощности изменяют до получения заданного фазового сдвига между колебаниями подводимой мощности и температуры и измеряют частоты модулящси, а о величине теплоемкости исследуемого образца дополнительно судят по отношению полученных частот модуляции и теплоемкое- 3 ти пустого калориметра. (Л

Pue.i Изобретение относится к технике измерений теплофизических свойств, а именно к измерениям теплоемкости материалов, и может использоваться ,для измерений теплоемкости твердых тел и жидкостей. Известен модуляционный метод изме рения теплоемкости, заключающийся в периодической модуляции подводимой к образцу мощности и регистрации воз никающих при этом колебаний температуры 1 . Различные варианту метода отличаются способами модуляции мощности и регистрации температурных колебаний. Используют нагрев переменным током, постоянным током с небольшой перемен ной составляющей или модулированным высокочастотным током, нагрев электронной бомбардировкой или излучением Температурные колебания регистрируют по колебаниям электросопротивления или светимости образца, с помощью термопар или термометров сопротивления . Недостатком модуляционньк измерений является значительная погрешност определения абсолютных значений амплитуд колебаний подводимой мощности И температуры образца. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является спо соб измерения теплоемкости, заключающийся в том, что в пустой калориметр с известной теплоемкостью ив такой же калориметр, заполненный исследуемым образцом, вводят модулированные мощности до обеспечения равенства средних температур калориме ров и регистрируют температурные ко лебания калориметров, по которьм определяют теплоемкость . ,1 ;огласно известному способу используют два одинаковых металлических капилляра, один из которых пустой, а второй заполнен исследуемым веществом. Капилляры нагревают пропусканием по ним переменного тока. Средние температуры обоих кагкшляров одинаковы, а амплитуды температуерных колебаний и колебаний светимости обратно пропорциональны тепло емкости. Сравнением переменных составляющих мощности и выходного напряжения фотоприемника находят отно шение полных теплоемкостей заполнен ного и пустого капилляров. 272 Недостатком известного способа является необходимость измерения амплитуд колебаний мощности и переменных составляющих выходного напряженияфотоприемника или другого датчика температуры, что обусловливает невысокую точность измерений. Цель изобретения - расширение возможност.ей модуляционного метода измерения теплоемкости и повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения теплоемкости, заключающемуся в том, что в пустой калориметр с известной теплоемкостью и такой же калориметр, заполненный исследуемым образцом, вводят модулированные мощности до обеспечения равенства средних температур калориметров и регистрируют температурные колебания калориметров, по которым определяют теплоемкость, для каждого калориметра частоту модуляции изменяют до получения заданного фазового сдвига между колебаниями подводимой мощности и температуры и измеряют частоты модуляции, а. о величине теплоемкости исследуемого образца судят по отношению полученных частот модуляции и теплоемкости пустого калориметра. При синусоидальной модуляции подводимой к калориметру мощности колебания температуры отстают по фазе от колебаний мощности на угол tf ij причем i cf Cco/P, где С полная теплоемкость калориметра, Дж/К; циклическая частота модуляции, с- ; коэффициент теплопотерь, Вт/К. Формула (1) является обоснованием способа измерений теплоемкости. Сначала при пустом калориметре частоту модуляции изменяют до получения определенного фазового сдвига ( . Затем такого же фазового сдвига добиваются на заполненном калориметре при той же средней температуре. Равенство темпе-, ратур необходимо, чтобы коэффициенты теплопотерь Р в обоих случаях были одинаковы. Применение формулы (1) к заполненному и пустому калориметру дает (С ал СоО/С, где С.,,, и С, теплоемкость пустого калориметра и образца соответственно; частоты модуляции, необходимые для получения определенного фазового сдвига между колебаниями мощности и температуры при пустом и заполненном калориметре. Таким образом, отношение тепло-емкостей заполненного и пустого калориметров находится как отношение дву частот. На фиг. 1 схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 2 - график температурной зависимости частот модуляции . Устройство содержит калориметр 1 (например, трубка, нагреваемая проте кающим по ней током), генератор 2 (источник нагревающего тока), датчик 3 температуры (например, термопара), фазометрическое устройство 4, частотомер 5. В калориметре 1 вьщеляется модули рованная мощность. Частоту модуляции задают регулировкой генератора 2. Ко лебания температуры регистрируют с помощью датчика 3. Генератор 2 и дат чик 3 подключены к входам фазометрического устройства 4. Частоту модуля ции измеряют частотомером 5. Измерения проводят следующей пос л едо ват ел ьно с ти. Сначала измеряют температурную за висимость частоты модуляции, необходимой для получения определенного фа зового сдвига, для пустого калориметра. Затем в калориметр помещают исследуемый образец и повторяют изме рения. На фиг. 2 приняты следующие обозначения: температурная зависимость 1 частоты модуляции, соответствующей определенному фазовому сдвигу между 1 274 колебаниями подводимой мощности и температуры, для пустого калориметра; температурная зависимость 2 частоты модуляции для заполненного калориметра. По результатам измерений частот модуляции рассчитывают температурную зависимость теплоемкости образца по отношению к теплоемкости пустого калориметра . Для уменьщения погрешности измерений фазовый сдвиг (f следует выбирать в интервале 30-60 (няименьшая погрешность соответствует углу 45 ); теплоемкость пустого калориметра должна быть того же порядка,что и теплоемкость образца. Таким образом, в предлагаемом способе измерений определяемой величиной является частота модуляции, а не амплитуды колебаний мощности и температуры. Фактически теплоемкость образца сравнивают с теплоемкостью эталона, которым в данном случае служит материал калориметра. Предлагаемый способ расширяет возможности модуляционных измерений, повышает их точность. По сравнению с прототипом (сдвиг фаз между колебаниями мощности и температуры близок к 90, что требует относительно высоких частот модуляции) предлагаемый способ требует в несколько раз меньших частот модуляции, что снижает требования к тепло- и температуропроводности образца. Замена измерений амплитуд колебаний подводимой мощности и температуры измерением их частоты примерно в 2-3 раза уменьшает общую погрешность определения теплоемкости (в зависимости от способов модуляции и регистрации тем- . пературных колебаний) и создает более благоприятные условия для автоматизации измерений теплоемкости. Способ может использоваться для измерений теплоемкости твердых тел и жидкостей и найти применение в научных и прикладных исследованиях. Экономический эффект от использования предлагаемого способа зависит от его конкретных применений.

Фи8,2

T eMnepofTTi/pcf