Способ измерения количества тепла и устройство для его реализации Советский патент 1985 года по МПК G01K17/08 

1 1 Изобретение относится к теплофизи ческим исследованиям и может быть ис пользовано для измерений количества тепла в процессе исследования различ ных кинетических явлений, таких как фазовые превращения, химические и биохимические реакции, диффузионные процессы в Гетерогенных системах и т.д. Цель изобретения - повышение точности измерения количества тепла. На фиг.1 представлена схема устройства для измерения количества теп ла; на фиг,2 - ампула с жидкостью-. Устройство содержит ампулы.1 и 2 с исследуемой 3 и эталонной 4 жидкос тями, сквозь которые пропущены метал лические нити 5 и 6 с площадью поперечного сечения So и длиной €о,.ваку умную камеру 7, объем которой ограни чен стаканом 8 и капкой 9 с отверсти ями 10 и 11 для откачки камеры и напуска в нее газо-образного гелия, и дьюаро.м 12 с криогенной жидкостью для охлаждения этой камеры. В камере 7 размещены опорная колонна 13 и две металлические нити 5 и 6. Нижние концы этих нитей закреплены на опорной колонне 13, а верхние через вакуумно-плотные плунжерные штоки 14 и 15 связаны с идентичными механизма ми нагружения. Эти механизмы выполнены в виде укрепленных на кронштейнах блоков 16 с перекинутыми через них стальными тросиками 17, к одним концам которых присоединены штоки 14 и 15,. а к другим подвещены грузы 18. Дополнительно устройство снабжено догрузочными винтами 19 и 20, перемещающимися вертикально с помощью редукторов 21 и электроприводов 22. Винты 19 и 20 вместе с укрепленными на них держателями 23 грузов и грузами 24 служат для уменьшения или увеличения нагрузки на нитях в определенные моменты времени с определен ными скоростями. На нитях 5 и 6 в их средней части укреплены ампулы 1 и 2 с исследуемым и эталонным образцами соответственно. Ампулы имеют форму трубок верхние и нижние концы которых закрыты фторопластовыми уплотнительными пробками.25 и укреплены так, что металлические нити проходят внутри них вдоль осей ампул (фиг.2). На внешней поверхности ампул смонтированы нагреватели 26 для регулировки 72 скоростей нагрева или охлаждения находящихся в них объектов, а внутри ампул смонтированы компенсирующие , нагреватели 27 и 28, управляемые регулятором 29. Внутри ампул установлены также датчики 30 температуры. Ампулы окружены подвешенным на нитях термостатирующим экраном 31 с нагревателем 32, позволяющим в процессе работы прибора поддерживать температуру экрана равной температуре ампул. Дополнительные нагреватели 33 и 34 предназначены для стабилизации и поддерживания определенных значений температуры металлических блоков 35 и 36, с которыми контактируют нижние и верхние концы металлических нитей. Для измерения удлинения нитей 5 и 6 устройство снабжено датчиками 37 и 38 перемещения, измеряющими удлинение каждой из нитей в отдельности, а также датчиком 39, включенным дифференциально и измеряющим разность удлинений нитей. Все устройство смонтировано на плите 40 с антивибрационным фундаментом. Перед началом измерений нить 5 (фиг.1) деформируется под действием внешних растягивающих усилий F(t) со скоростью 1 . В момент времени t , соответствукяций деформации 01 , увеличение внешней нагрузки прекращается и нить оказьтается под действием постоянной во времени нагрузки F . Этому моменту соответствует некоторый характерный уровень эффективных напряжений Ti в деформируемой нити, равный где Til о внешние напряжения и характерный уровень внутренних дальнодействующих напряжений в деформируемом образце. В дальнейшем пластическая деформация нити происходит за счет активируемого движения дислокаций под действием эффективных напряжений с() , а ее скорость описывается вьфажение:м с с Г )t /,ч b ехр - . (2) . где Q((l- y) - энергия акти вации;. . и - средняя- высота потенциальны барьеров, препятствующих . движению дислокаций;; i-f. - величина эффективных напряжений, необходимых для без- активационного продавливани дислокаций; п - параметр, зависящий от типа препятствий и лежащий в пре делах 1-8; . 0 коэффициент, зависящий от структуры и физических свойств используемой нити. Для металлов с плотно упакованными решетками параметры п и о обычно близки к значениям (2) и равны с соответственно. Согласно теории пластичности величину QC ) в вы ражении 2 можно представить в виде Q(o )Q,-f-4QCe),. где Q Q(t) - значение энергии акти вации в момент времени t (соответствукици деформации образца - а5еличение энергии ак тивации в процессе рассматриваемой ползу чести за счет эффек-г тов деформационного упрочнения. При величину uQg можно записать как e(t), где 96 - коэффициент деформаци онного упрочнения V - активационный объем; (t) - деформация нити, произошедшая с момента времени t,( . Из вьфажения (4) следует, что скорость наблюдаемой деформации (t) непрерывно уменьшается со временем по мере роста величины (t). При этом в любой момент времени tj можно дополнительно уменьшить скорость наблюдаемой ползучести от соответствующего, значения Ё E(t) до значения &э уменьшив приложенную к нити нагрузку до величины ,-4F. Это обусловлено тем, что резкое уменьшение внешней нагрузки на iP идентично уменьшению уровня зффективных напряжений на л.С и следовательно, увеличению средней энергии активации, контролирукщей (и) активируемое движение дислокаций Если при этом подобрать величину Р так, что возникающее уменьшение нагрузки F приводит к уменьшению скорости ползучести в момент времени tj на. несколько порядков, т.е. выполняется условие Е- « 2, то выдержка разгруженной таким оёразом нити в течение нескольких часов при достаточно низких температурах (Т 0,31Тпд) не приводит к сколь-нибудь заметному изменению структуры нити. Поэтому, если внешние параметры (давление, температура), при которых находится нить в ампуле, за время вьщержки не изменяются,восстановление внешней нагрузки до значения PJ должно вновь приводить к , восстановлению скорости ползучести до значения Е-2 Этот факт хорошо подтверждается экспериментально на самых различных материалах. Однако, если за время вццержки нити под нагрузкой Pj (время Д t tj-t2) температура нити изменяется, например увеличивается от Т до , восЕтановление нагрузки приводит к увёичению скорости ползучести до знаенияГ 2l..1 с- Р 2 о L К(Т.+&) где , ; f f (Ьг) - деформация ползучести в момент времени 2 непосредственно перед разгрузкой нити. в дальнейшем скорость ползучести опять уменьшается и после увеличения деформации ползучести на некоторую величину лб опять становится равной 2 Эта ситуация соответствует равенству- ШЕО ехр Г . L K(T,+iT)J (6) легко определить Из выражения величину U ЕТ ,е . т T,-ae-v Зависимости от температуры величин Q и V в описанных опытах имеют вид ; ,-1а КТ,.с; (8): t т ь V V (--) - , (9) Ьг if где ,/K«n ; V значение активационного объема при температуре Т и деформации f. л i I tfifl-fi 9 4 Ua /, Поэтому выражение (9) V ° c можно с достаточной для нас точностью записать в виде Отношение (с/ для большинства металлов лежит в пределах 0,01-1, т.е, в среднем составляет величину 0,1. Учитьшая также, что лН , --О. где u1.j. - удлинение нити, соответствующее деформации , можно, записать выражение для оценки точности определения величины и Т л т- - от; Устройство, реализующее предлагае мый способ, работает следующим образом (фиг.2). Ампулы 1 и 2 укрепляются на нитях 5и 6, заполняются исследуемым и . эталонньм веществами соответственно и герметично закрываются пробками 25 Затем.камеру 7 заполняют газообразным гелием или другим инертным газом и она погружается в охл-аждакндую крио генную жидкость. После того, как находящиеся в ампулах образцы охлаждаются до заданной температуры Т, к нитям 5 и 6 прикладываются нагрузки FI и , и начинается их деформация в режиме неустановившейся ползучести. Скорость наблюдаемой ползучести непрерывно уменьшается при это от некоторого начального значения BI соответствующего скорости деформации нити в момент приложения нагрузок. Нагрузки F , и F подбираются таким образом чтобы, несмотря на возможную разность в площадях поперечного сечения нитей или некоторое различие в их структуре, как начальная скорос деформации EV, так и кинетика умень шения скорости ползучести со време.нем были одинаковыми в обеих нитях. Для достижения этого и вводится корректировочный коэффициент К . Равенство скоростей деформации нитей 5 и 6в любой момент времени проверяется по сигналу от датчика 39. Этот датчи включен дифференциально так, что его сердечник связан с нитью 5, а корпус - с нитью 6. Поэтому при равенстве скоростей их деформации сигнал на выходе датчика 39,равен нулю. В процессе подбора нагрузок F и F и подготовительного, деформирования нитей температура образцов в ампулах 1 и 2 поддерживается постоянной и равной . Это достигается за счет отвода тепла от ампул к .ванне с криогенной жидкостью при помощи инертного газа и их нагрева с помощью нагревателей 26 с другой. В это же время включаются нагреватели 32-34 и производится тепловая стабилизация прибора в течение 40-60 мин. После описанной подготовки прибора камера 7 откачивается до вакуума 10-1СГ мм рт.ст. Одновременно происходит уменьшение нагрузки на нитях на величину , где U (Тм возникающая разность давлений на концы плунжерных штоков 14 и 15 (Р давление в камере 7, T a-ffj атмосферное давление; S - площадь поперечного сечения щтоков). В результате скорость ползучести. ни тей уменьшается от некоторого значения 2 соответствующего времени -2 начала откачивания камеры 7, до t. EJ .f. j .С этого момента значения ь t. С2 прибор способен эффективно работать в трех режимах. Режим 1. Выключаются нагреватели- 26, и практически теплоизолированные один от другого и от внешней среды образцы выдерживаются в вакуумной камере в течение времени it. Промежуток времени ut выбирается в зависимости от особенностей измерения и интенсивности тепловьщеления в исследуемом образце. После вьщержки к нити 6, проходящей внутри эталонной ампулы, прикладывается догрузка д. F , необходимая для восстановления относительной скорости ее деформации до значения f . Выполнение этой операции контролируется с помощью датчика 38. Затем с идентичной скоростью нагружения к нити 5, проходящей внутри ампулы с исследуемым веществом, прикладывается догрузка дР,. Если за время выдержки At в исследуемом образце не происходит никаких дополнительных процессов (по сравнению с эталонным сопровождающихся тепловыделением, скорость деформации проволоки 5 так же восстанавливается до значения 2 Если же в образце по каким-либо при чинам происходит выделение тепла, средняя температура определенного участка нити длиной t повышается завремя At до значения Т,+АТ, и после приложения догрузки tF скорость деформации нити 5 возраста ет до знамения 6 г Согласно рассмотренной теории это приводит к д полнительному удлинению нити 5 по сравнению с нитью 6, на величину (M)(выражение 13). В результате на выходе датчика 39 возникает сигнал, пропорциональный этой величине. По сигналу от датчика 39 регулят 29 включает компенсирующий нагревател 28 в ампуле 2. За счет ввделяемого нагревателем 28 тепла эталонный образец, и нить 6 также нагреваются до температуры Т, что приводит к выравниванию удлинений нитей 5 и 6 отключению компенсирующего нагревателя. Считая тепло, выделяемое за время it нагревателем -28, равным теплу Q, вьщелившемуся за время fit+it в исследуемом, образце, величину Q можно определить как 4t i4t)dt; (13) о где i - сила тока в нагревателе , R - его сопротивление. -Режим 2. Сразу после откачки камеры 7 до вакуума 10-10 мм рт.ст. скорости деформации нитей 5 .и 6 вос станавливаются до значения S , а нагреватели 26 отключаются. В этом случае возможный нагрев нити 5 за счет тепловьаделения в исследуемом образце непрерывно компенсируется нагревателем 28, так что протекающие тепловые эффекты регистрируются в координатах Q-t. Суммарный тепловой эффект в этсу4 случае вычисляется по формуле Q 1 Qdt.(14) Обычно скорости В, малы (Е, 10 О 10 с ). Поэтому тепловыделение за счет деформирования нитей 5 и 6 крайне незначительно и практически не сказывается на результатах измерений. Режим 3. После откачки камеры 7 и восстановления скоростей деформации нитей 5 и 6 начинается нагрев ампул 1 и 2 с помощью нагревателей 26. Если в процессе нагрева в исследуемом образце происходит дополнительное тепловыделение, оно компенсируется периодическим включением нагревателя 28. Регистрация тепловых эффектов в данном случае производится в координа- . fax Q-T. Если в исследуемом образце происходит не вьщеление, а поглощ ение тепла, во всех случаях устройство работает по тому же принципу, с той лишь разницей, что датчик 39 включает вместо нагревателя 28 компенсирующий -, нагреватель 27. Что касается долго-jвечности нитей 5 и 6 в процессе работы прибора, то следует отметить, что деформация л т нитей, выполненных из меди, серебра, нержавеющих хромоникелиевых сталей, при их нагреве на несколько градусов в области температур Т 200К не превышает 1 %. В то же время суммарная деформация этих нитей до .момента их разрушения может составлять 100%, т.е. такие нити можно использовать десятки раз. Использование предпагаемого способа позволяет создать достаточно надежные и простые в работе устройства, обладающие существенным преимуществом по сравнению с известными калориметрическими системами. Это преимущество заключается в том, что чувствительность устройства увеличивается по мере понижения температуры измерений, достигая при температурах /vIO К значенийv-10. Вт. , Высокая точность предлагаемого метода связана с тем, что впервые в качестве элемента, чувствительного к тепловым воздействиям, используется ансамбль дислокахщй, находящихся в состоянии активируемого дв11жения через спектр локальных препятствий. Использование этого принципа измерений открьшает новые возможности в построении различных теплофизических приборов.

1. Способ измерения количества тепла, состоящий в отводе вэделякщегося в исследуемом образце тепла к чувствительному калориметрическому элементу, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности .измерений, чувствительный калориметрический элемент деформируют в режиме релаксации эффективных напряжений и r по изменению скорости этой релаксации судят о величине тепловых эффектов. 2. Устройство для измерения количества тепла, содержащее цилиндрические ампулы с исследуеьмм и эталонным образцами и чувствительные элементы, отличающееся тем, что чувствительные элементы выполнены в виде металлических нитей, проходящих сквозь ампулы вдоль их оси и термостатированных в точках вне ампул, при этом в устройство введены узел деформации нитей, связанный с помощью силовых тяг с верхними и нижними их концами, датчик разности удлинения нитей, состоящий из корпуса с установленным внутри него, сердечником, и компенсирукщие удлинение нитей нагреватели, установленные в ампулах, при этом корпус датчика раз- . ности удлинения нитей соединен с i одной из нитей, а сердечник - с другой. Ч Ilib 00 ч