Дифференциальный сканирующий микрокалориметр Советский патент 1988 года по МПК G01K17/08 

(Л

С

рого сигнал с источника напряжения 10 через резистор 9 является задающим а сигнал с измерительной термобатареи 5 опорной ячейки 3 является сигналом рбратной связи,при этом ЭДС измерительной термобатареи 5 постоянна во время нагрева (охлаждения), как постоянна.и разностная ЭДС измерительных термобатарей 4 и 5, которая подается через измерительный усилитель 6 на регистратор 23. Компенсация сигнала, возникающего при разности теплоемкостей ячеек 2 и 3, производится источником напряжения 1 О через усилитель 11, делитель напряжения 13 и резистор 4 на суммирующий вход измерительного усилителя 6, Компенсация сигналов, возникающих из-за теплообмена калориметрического блока с окружающей средой, производится усилителем 16, выход которого через делитель напряжения

19и резистор 21 соединен с суммирующим входом измерительного усилителя 6, а через делитель напряжения

20и резистор 22 соединен с суммирую щим входом регулятора 8. На вход

усилителя 16 поступает сигнал с датчика температуры 15. Повышена стабильность базовой линии микрокалориметра, что повышает и его разрешающую способность. 1 ил.

Изобретение относится к области тепловьк измерений, в частности к количественному экспресс-анализу.Цель изобретения - повьпиение разрешающей способности за счет стабилизации базовой линии микрокалориметра. Программный нагрев (охлаяадение) калориметрического блока 1 осуществляется с помощью нагревателя 7, подключенного к регулятору 8, для кото

1

Изобретение относится к области тепловых измерений, в частности к количественному/ Д ермическому экспресс анализу, , ; .Цель изобретения - повышение разрешающей способности микрокалориметра.

На чертеже представлена блок-схема микрокалориметра,

Дифференциальный микрокалориметр содержит калориметрический блок J с установленными в нем двумя калориметрическими ячейками 2 и 3, измерительные термобатареи 4 и 5 которых вклю- чены встречно на вход измерительного усилителя -6. Нагреватель 7 калориметрического блока 1 подключен к выходу регулятора 8, к одному входу которого подключена средняя точка сое- динения измерительных термобатарей 4 и 5, а к другому его входу, вьтол- ненному суммирующим5 через резистор 9 подключен выход регулируемого источника 10 напряжения постоянного тока, выход которого одновременно связан с входом второго усилителя 11, имеющего прямой и инверсный выходы, к которым через переключатель 12 подсоединен делитель 13 напряжения, выход которого через резистор 14 связан с суммирующим входом измерительного усилителя 6. В калориметрическом блоке 1 в непосредственной близости от калориметрических ячеек установлен датчик 15 температуры, подключенный к своему усилителю 16, имеющему прямой и инверсный выходы, с которыми через переключатели I7 -и ГЗ связаны делители 19 и 20 напряжения соответственно. Выход делителя 19 напряжения через резистор 21 соединен с суммирующим входом измерительного усилителя 6, а выход делителя 20 напряжения через резистор 22 соединен с суммирующим входом регулятора 8. Выход измерительного усилителя 6 и выход усилителя 16 датчика 15 температуры подключены vf входам регистратора 23,

Микрокалориметр работает следующим образом.

С выхода источника IО напряжения на суммирующий вход регулятора 8 поступает сигнал, пропорциональный заданному темпу нагрева (охлаждения) калориметрического блока 1, При этом регулятор 8 подает на нагреватель 7 такую мощность, при которой сигнал с измерительной термобатареи 5 опорной калориметрической ячейки 3 равен сигналу, поступающему с выхода источника 10 напряжения, .е. регулятор 8 и нагреватель 7 работают как стаби- .лизатор ЭДС измерительной термоба- тареи 5. В установившемся режиме нагрева (охлаждения) ЭДС на каждой измерительной термобатарее равна

Е С -S -V +iiT-Ka-S R и j (ОРазностный сигнал встречно включенных измерительных термобатарей 4 и 5

Ej ..V +лТ-К -5 ,

(2)поступает на вход измерительного усилителя 6:

где Е, Е, - ЭДС измерительных терме-дЕ Е -Е (С-S -С S )V +

батарей 4 и 5 ячеек 2из jjaa

3 соответственно; +(К5, -KR)uT. (З)

С„, Cj - внутренние теплоемкости г г

ячеек 2 и 3} 10гг /

„ „При программированном нагреве (охS,, S-, - чувствительности термо-„ Глг j. п тг j. лп

- л ч лаждении; О Oj и при отсутатареи и ,ствии теплообмена между калориметричеV - скорость изменения тем- j окружающей средой чепературы калориметриче- „ 2 и 3 К О, К, О) разского блока I, 15достнйй сигнал с измерительных термо- разность температур меж-к„„„ „ а i . тf jfбатареи 2 и J ДЕ,, равен

ду калориметрическим, -

AT

блоком и окружающей средой;

К.,, Кз - теплопроводность тепло- 20 „ . g указано в выраже- вых цепей, которые про- м

0-3 ИИ J ходят через ячейки 2 и 3

и через которые проходит Е C Sj-V К, U,Q const, (5)

мешающий тепловой поток скорость нагрева (охлаждения)

теплообмена калориметри

рзвнз. 1ческого блока 1 с окружа--р тг тт

ющей средой,, V Д --bt .(6)

.CvS.

С,-5з

К

и

о

- коэффициент пропорциональности;

.CvS.

С,-5з

Следовательно, разностный сигнал с

- напряжение на выходе ис- 30 измерительных термобатарей 4 и 5 точника 10 напряжения. учитьшая (6) и (4) равен

Ci S

С 0-2

« vn )K.oU,o (1

(1 +ег,Т) Stop + РТ) 20-320 С5о(1 ) S,o(l +fbT)

С,- S

о S 30

де С,„ ,С

20

ЭО

10

,S

oi ъо

внутренние теплоемкости при температуре О С калориметрических ячеек 2 и 3, конструкции которых идентичны, а одно- именньш детали изготовлены из одинаковых материалов ,

температурный коэффициент изменения теплоемкости ячеек 2 и 3; чувствительности при feMnepaType 0°С измерительных термобатарей 4 и 5, термобатареи которых конструктивно идентичны, а термостолбики изготовлены из одинаковых ма териалов.

АЕ, Е,,-Е, (CvS,)V.

(4)

Д --bt

.CvS.

С,-5з

С 0-2

t

20-320

о S 30

(8)

5

jb - температурный коэффициент изменения чувст- вительностей измерительных термобатарей 4 и 5. Отношение (8) постоянно в широком диапазоне температур, следовательно значение разностной ЭДС измерительных термобатарей 4 и 5 U.E (7) при этих условиях (отсутствие теплообмена с окружающей средой) также постоянно в широком диапазоне температур, т.е. сдвиг базовой линии прибора стабилизирован на уровне Е и постоянен. С выхода второго усилителя 11 че- g рез делитель 13 напряжения и резис-. тор 14 на суммирующий вход измерительного усилителя 6 поступает сигнал такой величины (устанавливается .. настройкой коэффициента передачи де0

лителя 13 напряжения) и полярности (выбирается переключателем 12), при котором выходное напряжение измерительного усилителя 6 равно нулю. При этом близкое к нулю напряжение на выходе измерительного усилителя 6 сохраняется при всех других значениях на1пряжения на выходе источника 10 напряжения, т.е. при других темпах нагрева (охлаждения) микрокалорим тра. При постоянной температуре калориметрического блока 1 (,) и при наличии теплообмена с окружающей средой (К О, Kj 0) ЭДС измерительных термобатарей ,2 и 3

равны

и Е, соответственно

ir

и Е

.S,,. ЛТ,

K.-SV ЛТ,

(9) (10)

Разностная ЭДС Л Е измерительных термобатарей 5 и 4 при этом равна

-Е,,-Е,,(К,S,-K,

S) ЛТ

(11)

С выхода усилителя I6 датчика

15температуры через делитель 19 напряжения и резистор 21 на суммирующий вход измерительного усршителя

6 поступает сигнал такой величины (устанавливается настройкой коэффициента передачи делителя 19 напряже- ния) и полярности (выбирается переключателем 17), при котором выходное напряжение измерительного усилителя 6 равно нулю. При этом близкое к нулю напряжение на выходе этого усилителя сохраняется и при других значениях температуры калориметрического блока, так как при .изменении температуры пропорционально изменяется & Е и сигнал с выхода усилителя

16датчика 15 температуры. Одновременно с выхода усилителя 16 на суммирующий вход регулятора 8 через делитель 20 напряжения и резистор 22 поступает сигнал, равный по величине сигналу Е с измерительной термобатареи 5 опорной калориметрической ячейки 3, при этом регулятор 8 с нагревателем 7 компенсируют теплопоте- ри.из калориметрического блока 1 и температура его практически постоянна, т.е. обеспечивается изотермический режим работы микрокалориметра без дополнительного регулятора. Выход микрокалориметра на заданную постоянную температуру производят из режима программированного изменения

0

0

5

0

5

0

температуры (U 0). По Достижении заданной температуры устанавливают нулевой сигнал источника 10 напряжения.

При программированном нагреве (охлаждении) калориметрического блока (и, 1 О, V о) и при одновременном наличии теплообмена со средой (К; О, К, 1 о) и соответствующей

настройке близкое к нулю напряжений на выходе измерительного усилителя 6 сохраняется во всем диапазоне температур и скоростей нагрева (ох- 5 лаждения) , что повьш ает разрешающую способность прибора.

Настройку микрокалориметра производят следующим образом.

0 Устанавливают в калориметрические ячейки 2 и 3 пустые контейнеры, при этом создают Такие условия теплообмена, которые имеются при проведении исследований, т.е. подсоединяют к

5 контейнерам подводящие трубки (если они необходимы) или устанавливают соответствующие заглушки на торцах корпуса микрокалориметра. Подавая, сигнал с источника 10 напряжения, нагревают калориметрический блок до температуры окружающей среды (например, до максимальной рабочей температуры микрокалориметра), после чего снижают до нуля напряжение на источнике 10 напряжения, Регулируют коэффициент передачи делителя 20 напряжения таким образом,, чтобы температура калориметрического блока практически не изменялась во времени. После этого изменением коэффициента передачи делителя I9 напряжения и переключателем 17 устанавливают нулевое напряжение на выходе измерительного усилителя 6, Микрокалориметр подготовлен для серии опытов с установленными начально условиями теплообмена в изотермическом режиме во всем диапазоне температур. При изменении условий теплообмена (например, при замене трубок одного диаметра на трубки другого диаметра) настройку делителей 20 и )9 напряжения необходимо произвести заново.

Настройку микрокалориметра в режиме программированного нагрева (охлаждения) производят после настройки делителей 20 и 19 напряжения. Для. этого, загружают в контейнер ра

бочей калориметрической ячейки 2 исследуемое вещество, а в контейнер опорной калориметрической ячейки 3 имитатор.Подают с источника 10 напряжения напряжение такой величины, которая необходима для заданного темпа нагрева (охлаждения), и в установившемся режиме нагрева (охлаждения) регулируют коэффициент передачи делителя 13 напряжения, а положение переключателя 12 выбирают так, чтобы напряжение на выходе измерительного усилителя 6 было равно нулю. .МиЛрокало- риметр подготовлен для проведения опыта с любым Другим темпом нагрева (охлаждения) и при любой постоянной температуре. Указанную настройку необходимо проводить в каждом опыте, так как в отличие от условий теплообмена, которые сохраняются с высоко воспроизводимостью из опыта к опыту теплоемкость ячеек зависит от массы загружаемых в контейнеры веществ, корые не могут быть воспроизведены с высокой точностью. При настройке находящиеся в ячейках микрокалориметра вещества не должны претерпевать превращений, связанных с выделением или поглощением тепла или с измене- кием их теплосодержания.

Усилитель датчика температуры настраивают так, чтобы его выходное напряжение было равно нулю при тем- пературе микрокалориметра, равной температуре окружающей среды (для лабораторных помещений это обычно 20-25°с) .

0

5

50

с

0

Микрокалориметр позволяет повысить стабильность базовой линии микрокалориметра в режиме сложнопрограм- мированного нагрева (охлаждения), что повышает разрешающую способность.

Формула изобретения

Дифференциальньй сканирующий микрокалориметр, содержащий установленные в калориметрическом блоке две калориметрические ячейки с измерительными термобатареями, включенными встречно на вход измерительного уси- литeJ я, регулятор, к выходу которого подключен нагреватель калориметрического блока, регулируемый источник постоянного тока, датчик температуры с его усилителем, выход которого подключен к входу регистратора, к другому входу которого подключен выход измерительного усилителя, отличающийся тем, что, с целью повьпления разрешающей способности, в него введены второй усилитель с прямым и инверсным выходами, переключатель и делитель напряжения, при этом выхбд регулируемого источника напряжения постоянного тока соединен с входом второго усилителя и одним входом регулятора, другой вход которого подключен к средней точке соединения измерительных термобатарей, делитель напряжения соединен с выходами второго усилите- ля через переключатель, а выход делителя напряжения через резистор соединен с суммирующим входом измерительного усилителя.