Калориметр Советский патент 1980 года по МПК G01K17/08 

1

Настоящее изобретение относится к калориметрам, т. е. устройствам для измерения количества тепла, и может быть использовано в научно-исследовательских организациях для прецизионного измерения теплоемкости жидких и твердых тел в области низких температур.

В настоящее время широко используется классический калориметр с периодическим вводом тепла в измерительные калориметрические ячейк|и 1. Количество вводимого при этом тепла измеряют пю величине энергии, выделяемой электрически-м нагревателем, включенным на определенный промеж|уток времени. Повышение температуры ячеек регистрируют термометром сопротивления или термопарой. Основным недостатком классических калориметров является большая затрата времени на проведение эксперимента, связанная с необходимостью длительного выравнивания температуры калориметрической ячейки до и после введения тепла.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому калориметру является калориметр, содержащий массивную металлическую оболочку с параллельно установленными внутри нее измерительными ячейками, на которых размещены термометры сопротивления и регулировочные

нагреватели, включенные в схему электротеплового моста 2.

Однако калориметр, работающий по принципу электротеплового моста, обеспечивает высокую точность измерений теплоемкости только в узком интервале температур, (несколько десятков градусов). В более широком интервале температур, например от -200° до +290° С, точность измере10ний значительно уменьшается вследствие изменения калибровочных характеристик мостовой схемы, объединяющей нагреватели и термометры сопротивления.

Целью настоящего изобретения являет15ся расщирение температурного диаттазона при измерении теплоемкости.

Поставленая цель достигается тем, что в известном калориметре, содержащем массивную металлическую оболочку с па20раллельно установленными внутри нее измерительными ячейками, на которых размещены термометры сопротивления и регулировочные нагреватели, включенные в схему электротеплового моста, тер;мометры 25 сопротивления и регулировочные нагреватели выполнены идентичными и из одного и того же материала, обладающего термометрическими свойствами.

На фиг 1. схематично показано устрой30ство калориметра; на фиг. 2 - измерительмая схема калориметра; на фиг. 3 -- схема автоматической релулировкп температуры оболочки калориметра; на фиг. 4 - экспериментально полученная зависимость от температуры отношения теплоемкостей изл1ерительнь х ячеек Ci/Cg.

Принцип действия предлагаемого калориметра заключается в следующем: при 1гагревании .с одинаковой скоростью калориметрических ячеек соблюдается условие

С, С.,

где U, и iFi - мощности нагревателя и

термометра сопротивления

первой ячейки; 1 W-2 - МОЩНОСТИ нагревателя и

термометра сопротивления

второй ячейки.

1 алориметр представляет собой латунную массивную оболочку / с прищлифован: ЫМ:Л конусообразными пробками 2, 3 для ввода ампул с исследуемым веществом. Тепловое значение оболочк1И - около 20 кДук/град. Внутри нее параллельно расположены калориметрические ячейки 4, в .которые .помещаются ампулы. На :саждую ячейку поверх лавсановой плен: и намотаны термометр сопротивления II регулировочный нагреватель 5. Ячейки ;:репятся на тефлоновых нолсках 6 к латунпым конусам 3, в которых имеются выходы для проводов 7. Конусное соединение обеспечивает хороп.:1;й тепло1ЮЙ контакт между частями адиабатической оболочки, уменьщая при этом градиент температуры последней,, и исключает необходимость автономной регулировки температуры торцов. Разность температур между адиабатической оболочкой и калориметрической ячейкой (Измеряется дифференциальной батареей термопар медь-константан 5.

На внещней .поверхности адиабатической оболочки намотан константановый нагреватель 9. Калориметр с иомощью стержней из нержавеющей етали 10 крепится к текстолитовой крыщке 11 и ломещается в теплоизоляциопную камеру. Камера состоит ;i3 стеклянного сосуда Дьюара 12 и ванны 3 нержавеющей стали 13 с охранными кольцами 14. Окончание удаления жидкого азота фиксируется термопарой 15. С внещаей еторопы ванны налютан нагреватель 16 . удаления избытка жидкого азота. Температура калориметра определяется медным термометром сопротпвления 17, поменянным в один из верхних конусов. Калориметр охлаждается жидким азотом через вводную трубку 18, пары азота вызодятся через трубку 19.

Измерительная схема приведена на фиг. 2, где 2 и RZ - термометры сопротивления, и Rs- переменные сопротивления, Ri п 4 - нагреватели, R; и R, - переменiibie сопротивления, ИП1 - измерительный

прибор для решстрадии малых напряжений. Е1 - источник тока. В этой схеме два термометра сопротивления R2 и з являются электрическими плечами дифферопциалыюго моста сопротивлений R, ,:RzRz- Параллельно электрическОМу мосту присоединены .еще две цепи RiRi и RaR., являюп песя теиловь М:И илеча,Ти оби1его электротеилового моста R RlR2RoRoR R Изменяя мощности теп.1с.)вых плечей моста, можно добиться равенства скоростей нагревания измерительных ячеек калор1иметра, которое фиксируется по отсутствию сигпала в диагонали электрического моста сопротивлений (R- RzRzRz}Блок-схема автоматпчее кой регулировки температуры адиабатической оболочки показана на ф«г. 3 (20 - дифференциальная батарея медь-константан, 21 - нагреватель оболочки, У - усилитель, ВРТ-2 - высокоточный регулятор температур, Ф116 - уси-итель постоянного тока).

Процесс измерений теплоемкости в калорим.етре проводится следую цим образом. Азотная ванна 13 полностью заливается жидким азотом. Вея система выдерживаетея нри темнературе жидкого азота в течеГ1ие 7--9 чаеов, т. е. времени достаточном для охлаждения всех частей калориметра до этой температуры. Затем жидкий азот даляетея 1из ванны с помощью нагревате;i;i 16. Окончание удаления жидкого азота фиксируется термопарой 15. После этого вк.лючается с постояиной скоростью элект)ичсский нагрев калориметра вместе с автоматическим управлением температулой массивпой адиабатической оболочки /. После выравнивания скорости нагревания измерительных ячеек и оболочки начинаются непосредственные измерения теилоемкостя. С этой целью обеспечивается длитольиое равенетво скоростей нагревания обеих ячеек с помощью тепловых плечей моста и регистрируются прл каждой темHCijaType зиачеиия сопротивлепий электротеплового моста. Отиощение теилоемкостей алориметрических ячеек определяется по

уоавнению 1 подстановкой выражения J)

W -- ,, -,,,., Е. где Е - напряжения питаю1-.СГО источника тока.

На фиг. пппведеиа полученная с помощью описаппого калориметра зависи;мость отнощения Ci/Cj от температуры для с::у1:ая, ког.да в ампулы помещен адсорбент - графитироваиная сажа. Воспроизводимость результатов различных онытов составляет 0,01-0,1% в интервале от -200° С до -1-20° С, что на порядок величины выще, чем у известных калориметров.

Преимущество предлагаемого калориметра перед известными состоит в повышеНИИ точности /измерения теплоемкости до

0,01-0,1%, которое позволило обнаружить неизвестные ранее фазовые переходы в адсорб1И1рованных слоях органических веществ.

Формула изобретения Калориметр для прецизионного измерения теплоемкости, содержащий массивную О металлическую оболочку с параллельно установленными внутри нее измерительными ячейками, на которых размещены термометры сопротивления и регулировочные нагреватели, включенные в схему электро- 5

теплового моста, отличающийся тем, что, с целью расширения температурного диапазона при измерении теплоемкости, термометры сопротивления и регулировочные нагреватели выполнены идент1ичными и из одного и того же материала, обладающего термометрическими свойствами. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Скуратов С. Л., Колесов В. П., Воробьев А. Ф. Термохимия, ч. 2. М., с. 292-311, 1966. 2. Березин Г. И. Изд-во АН СССР, ОХН, с. 1143, 1959.

1.00

0.950.90

160

1ZO

80

2SO

ZOO Фиг.