Деформационный калориметр Советский патент 1991 года по МПК G01K17/00 

Изобретение относится к теплофизиче- ским измерениям и может быть использовано для измерения малых тепловых эффектов в различных образцах при низких температурах, в том числе в образцах, деформируемых непосредственно в калориметрической камере.

Целью изобретения является повышение точности низкотемпературных калориметрических измерений.

На черетеже показана принципиальная схема деформационного калориметра.

Калориметр содержит вакуумную рабочую камеру 1, в которой расположены калориметрические ячейки 2 и 3 с рабочим 4 и эталонным 5 образцами соответственно и опорная колонна 6 Калориметрические ячейки связаны с измерительными трубками 7 и 8, нижние концы которых впаяны в эти ячейки, а верхние запрессованы в массивный металлический блок 9. В калориметрические ячейки введены подвижные полые тяги 10 и 11, связанные с основным механизмом нагружения, и неподвижные тяги 12 и 13, связанные с опорной колонной 6. Внутренний объем полых подвижных тяг через специально выфрезерованные в их нижних частях пазы сообщается с внутренними объемами калориметрических ячеек и измерительных трубок. Внутри подвижных тяг вдоль их оси натянуты полимерные нити 14 и 15, нижние концы которых закреплены в калориметрических ячейках, а верхние через плунжерные штоки 16 и 17 связаны с одинаково исполненными вспомогательными механизмами 18 нагружения. УдлинеК

ю

hO

VI

(Л

ие полимерных нитей измеряется датчиком 19 перемещений, закрепленным по диф- ференциальной схеме так, что его сердечник связан с нитью 14, а корпус - с нитью 15. Аналогичный датчик 20 служит 5 ля измерения деформации образца 4 и приложенных к нему внешних напряжений. Схема его включения зависит от вида производимых с его помощью измерений, а поступающий с него сигнал фиксируется 10 электронным потенциометром 21. Калориметр снабжен двумя нагревателями 22 и 23. Первый из них с помощью датчика 19 и регулятора 24 служит для компенсации выделяющегося в исследуемом образце 15 тепла. Второй с помощью термометра 25 и автоматического регулятора 26 температуры служит для поддержания постоянной в процессе работы прибора температуры металлического блока 9. Все устройство 20 смонтировано на опорной плите 27 с антивибрационным фундаментом. К этой же плите крепится капка с металлическим стаканом 28, ограничивающим объем рабочей камеры 1, и системой дыоаров 29. Капка 25 снабжена отверстиями 30 для откачки рабочей камеры до вакуума 10 - 10 мм рт.ст. и запуска в нее газообразного гелия и отверстиями 31 для заливки в калориметрические ячейки криогенной жидкости.30

Деформационный калориметр работает следующим образом.

Исследуемый образец закрепляют в захватах 10,12, а эталонный образец - в захватах 11,13 и надевают на них калори- 35 метрические ячейки 2 и 3. В верхних и нижних частях калориметрические ячейки герметично уплотняют за счет пайки или подсоединения с помощью специальных уп- лотнительных устройств к измерительным 40 трубкам 7 и 8 и неподвижным тягам 12 и 13. Смонтированные таким образом ячейки закрывают металлическим стаканом 28 и помещают в дьюар 29 с криогенной жидкостью. Одновременно с этим рабочую камеру 45 1 откачивают до вакуума мм рт.ст., после чего в нее напускают газообразный гелий для обеспечения предварительното охлаждения калориметрических ячеек. По истечении 20-30 мин, необходимых для 50 предварительного охлаждения калориметрических ячеек 2 и 3, в них заливают криогенную жидкость так, что ее уровень находится в измерительных трубках (и соответственно, в тягах 10 и 11) на высоте 400- 55 450 мм относительно верхних захватов образцов. Для уменьшения теплообмена между калориметрическими ячейками и внешней средой удобно в качестве охлаждающей жидкости в дьюаре 29 использовать

криогенную жидкость, идентичную заливаемой в ячейки.

После заливки криогенной жидкости в калориметрические ячейки камеру 1 откачивают до вакуума 10 - 10 мм рт.ст., а к нитям 14 и 15 с помощью вспомогательных механизмов 18 нагружения прикладывают постоянные во времени растягивающие усилия FI и F2 соответственно. Различия в нагрузках FI и F2 могут быть связаны с различным сечением нитей 14 и 15, а также с возможными отличиями в их структуре. Эти нагрузки подбирают так, чтобы в отсутствие тепловых эффектов в образце удлинения обеих нитей при их.отогреве в процессе работы прибора были одинаковы. Подбором нагрузок FI и F2 можно также скомпенсировать эффекты, возникающие вследствие определенных различий в форме измерительных трубок 7,8 и тяг 10, 11 неизбежных при их изготовлении. Естественно, что при полной идентичности элементов 7,10,14 и 8,11,15 должно выполняться равенство .

После нагружения нитей 14 и 15 включают систему температурной стабилизации блока 9, состоящую из нагревателя 23, термометра 25 и регулятора 26, с помощью которой устанавливают определенное значение его температуры Т0. Это значение, как правило, лежит в пределах 200-250 К и поддерживается постоянным в течение опыта с точностью ±0,005°, что гарантирует разность в температурах верхних концов трубок 7 и 8 не выше 0,001°. Поскольку штоки 16 и 17, с которыми связаны нити 14 и 15. скользят в блоке 9, их температура также устанавливается равной Т0. За счет этого достигается стабилизация температуры полимерных нитей 14 и 15 в точке В, расположенной выше уровня рабочей криогенной жидкости. После включения регулятора 9 прибор выдерживается еще 25-30 мин для окончательной тепловой стабилизации. Уровень криогенной жидкости, находящейся внутри тяг 10 и 11, при этом несколько понижается и может находиться на высоте hi 250-300 мм относительно верхних захватов образцов. Что касается находящихся вне жидкого азота отрезков натянутых полимерных нитей 14 и 15 (отрезков длиной I 250-300 мм), то за время выдержки на них устанавливается некоторый градиент температур, соответствующий изменению температуры нитей от 77,3 К (точка А) до температуры, сравнимой с температурой Т0 блока 9 (точка В). В данном случае следует особо отметить, что если полимерная нить выполнена из материала, температура стек- л вания Тд которого выше температуры кипения азота, но существенно ниже 300 К, то малый (точечный) участок нити нэ.отрезке I, имеющий среднюю температуру , будет находиться на расстоянии h от поверхности азота. Значения h изменяются в зави- симости от значений температуры кипения используемых криогенных жидкостей Ткип, значений температуры стеклования Тд, значений температуры блока 9, а также значений теплопроводности применяемых полимерных нитей, и в реальных случаях лежат в пределах 30-150 мм.

После установления стабильного градиента температур на измерительных нитях включается основной механизм нагруже- ния, прикладывающий к образцу и эталону возрастающие со временем нагрузки Р (t) и Рэт (t) соответственно, и начинается деформация образца и эталона. Требование к основному механизму нагружения в данном случае состоит в том, чтобы он перемещал вверх тяги 10 и 11 синхронно, т.е. с одинаковой скоростью. Требование к эталону сводится к условию Оэт« Q, т.е. при растяжении эталона тепловыделение в нем долж- но быть пренебрежимо малым. Эталоном, удовлетворяющим этому условию, в частности, может служить пружина с малым коэффициентом жесткости.

Соблюдение перечисленных требова- ний необходимо для сведения к минимуму инструментальных погрешностей в процесс измерений, который основан на том, что при деформации образца и эталона уровень жидкого азота в измерительных трубках 7 и 8 непрерывно понижается. Это происходит как за счет постоянного теплообмена между трубками и внешней средой, так и за счет периодически возникающего тепловыделения в исследуемом образце. Если, напри- мер, за время Дт в калориметрической ячейке испаряется некоторое количество жидкого азота AV, то его уровень в связанной с этой ячейкой измерительной трубке понижается на величину

Ah hi-h2

LAV л:02

где D - внутренний диаметр измерительной трубки. Вслед за понижением уровня жид- кого азота в измерительных трубках происходит непрерывный отогрев тех участков натянутых в них полимерных нитей, которые выходят из азота в процессе работы прибора. Это приводит к постоянному изме- нению градиента температур на находящихся вне азота отрезках I измерительных нитей 14 и 15. В результате такого изменения точки на отрезках I, соответствующие

510

15 20253035 40- 45

температурам Тд. также непрерывно понижаются. Так, например, понижение уровня азота в измерительной трубке на величину Ah соответствует понижению точки на измерительной нити, соответствующей температуре Тд, на величину

dh a Ah ,(2)

где а - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров ТКип, Тд и Т0 и лежащий в реальных случаях в пределах 0,2-0,8.

Такое перераспределение температур на измерительной нити означает, что средняя температура определенного участка нити, имеющего длину 6 h и находящегося вне азота, на отрезке ..., повышается от значения Ti Tg до значения Та Тд. Происходящий нагрев участка нити (5h приводит к резкому уменьшению модуля упругости материала нити на этом участке на величину АЕ Ei - Е2 , где Ei и Еа - средние значения модулей упругости нити при температурах Ti Tg и Та Тд соответственно.

Поскольку вся нить находится под нагрузкой F, уменьшрние ее модуля упругости на отрезке 5h приводит к удлинению нити на величину

, .. , a-Ah-F AE ,

WF S- EiXE2 (3)

где F - нагрузка на нити;

S - площадь ее поперечного сечения, т.е. F/S о- растягивающие напряжения, приложенные к нити, которая регистрируется датчиком 19 малых перемещений. Поскольку ( датчик 19 перемещений включен дифференциально, то втом случае, когда в исследуемом образце не происходит выделения тепла, сигнал AU на выходе датчика будет равен нулю. Это обусловлено тем, что в отсутствие тепловыделения в исследуемом образце скорости понижения уровня азота в измерительных трубках 7 и 8 будут одинаковыми вследствие их идентичного расположения. Соответственно удлинение нити 14 за счет отогрева отдельных ее участков выше температуры Тд в результате понижения уровня азота в трубке 7 будет в точности равно удлинению нити 15 в результате тех же процессов в трубке 8. Поэтому сердечник и корпус датчика 19 перемещения, связанные с этими нитями, будут смещаться вверх синхронно, обеспечивая условие A U 0. Если же деформация образца сопровождается тепловыделением, испарение азота в калориметрической ячейке 2 будет более интенсивным, чем в ячейке 3, где аналогичного

тепловыделения нет. Поэтому уровень азота в измерительной трубке 7 (и в тяге 10) будет понижаться быстрее, чем в трубке 8 (и в тяге 11), что приведет к большему удлинению нити 14 по сравнению с нитью 15, то есть

(5h)Fi-(5h)F2(,

(4)

где (3h)pi и (5h)2 удлинения полимерных нитей 14 и 15 соответственно, рассчитываемые по формуле (3);

(5 h Q К д VQ , где 5 VQ - объем криогенной жидкости в калориметрической ячейке 2, испарившейся из-за тепловыделения в образце;

К - коэффициент пропорциональности. В результате возникающей разности в удлинениях нитей 14 и 15 сердечник датчика 19 перемещения сместится относительно его корпуса на величину 5 h Q и на выходе датчика появится сигнал, пропорциональный этой величине. По этому сигналу включается терморегулятор 24, который начинает пропускать ток через компенсирующий нагреватель 22. За счет выделяемого нагревателя 22 тепла возрастает скорость испарения криогенной жидкости в ячейке 3, что приводит к увеличению скорости понижения уровня этой жидкости в измерительной трубке 8 (и эталонной тяге 11) и (согласно рассмотренным выше эффектам) к увеличению скорости растяжения нити 15. В результате связанный с нитью 15 корпус датчика перемещения начнет догонять связанный с нитью 14 сердечник и через некоторое время суммарное смещение корпуса датчика 19 станет равным смещению его сердечника, Этот момент соответствует установлению

равенства д V Q д f$, где д Vft - объем криогенной жидкости в эталЪнной калориметрической ячейке 3, испарившейся за счет выделения тепла нагревателем 22. В

этот момент сигнал на выходе датчика 19 становится равным нулю и нагреватель 22 отключается. При продолжении деформации исследуемого образца, сопровождающейся выделением тепла Q, рассмотренная ситуация периодически повторяется.

Согласно представленной схеме работы прибора количество тепла, выделяемого компенсирующим нагревателем 22 в ячейке 3, равно количеству тепла, выделяющемуся в исследуемом образце в ячейке , т.е. Оэт Q. Поэтому, измеряя мощность нагревателя 22 прецизионным ваттметром, можно регистрировать на электронном

потенциометре 21 зависимости 6 Q(t); (е) или 6 + Q(o), где Q dQ/dt. Полный тепловой эффект в данном случае легко рассчитать как

12

(5)

Q / Qdt,

ч

где A t tg - ti - время деформирования образца.

Формула изобретения

Деформационный калориметр, содержащий заполненную криогенной жидкостью калориметрическую ячейку с исследуемым образцом, захватами и тягами

для его деформации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен дополнительной калориметрической ячейкой с эталоном, захватами и тягами для его деформации,

закрепленными на ячейках двумя измерительными трубками с криогенной жидкостью, концентрично установленные в них тяги выполнены и снабжены размещенными в центре чувствительными элементами,

выполненными в виде упруго натянутых нитей, соединенных с датчиком измерения их удлинения и связанных с нижними концами трубок.

Изобретение относится к теплофизиче- ским измерениям и может быть использовано для измерения малых тепловых эффектов в различных образцах при низких температурах. Целью изобретения является повышение точности низкотемпературных калориметрических измерений. В вакуумной рабочей камере расположены заполненные криогенной жидкостью калориметрические ячейки с рабочим и эталонным образцами, укрепленными в подвижных и неподвижных тягах с захватами. Ячейки связаны с измерительными трубками, внутрь которых введены полые подвижные тяги в натянутыми в них полимерными нитями. С помощью вспомогательных механизмов нагружения к нитям прикладываются постоянные по времени растягивающие усилия, и системой температурной стабилизации блока устанавливается стабильный градиент температур. Возрастающие со временем нагрузки приводят к удлинению нитей, которое регистрируется датчиком малых перемещений. 1 ил. Ј