Устройство для автоматического определения параметров фазовых переходов кристаллических веществ Советский патент 1982 года по МПК G01N27/14 

(54) УСТГОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТЮВ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

I

Изобретение отиосится к области исследо вания физико-химических свойств веществтермическими методами, и в частности, предназначается для определения температур начала и конца плавления и формы фазового перехода исследуемого вещества.

Известно устройство для определения одной точки фазового перехода, которая принимается за температуру плавления вещества. Устройство содержит нагревательный блок, внутри которого установлены измерительная ячейка с исследуемым образцом, через который проходит световой поток, поступающий на фотодатчик, датчик температуры, подключенный к схеме измерения температуры, регулятор температуры, содержащий задатчик скорости прогрева, узел регулировки гемпературы установки. Данные о температуре плавления фиксируются на цифровом индикаторе. Форму фазового перехода можно регистрировать на внешнем самописце. Для определения температуры плавления первоначально устанавливают температуру установки

нагрев до которой происходит со

lyCT

сЖростью VwaKC- после выхода на режим стабилизации Туст. выбирают скорость прогрева VMHH и включают режим прогрева или охлаждения измерительной ячейки. Даль нейший процесс фиксации температуры плавления производится автоматически 1.

Недостатком известного устройства является то. что точность и достоверность полученных результатов от выбора величины минимальной скорости прогрева VMHH , кото10рую для сокращения времени анализа оператор может выбрать больще, чем это необходимо, и тем самым внести в результат измерения большую величину динамической погрешности, вызванную инерционностью из1$мерительной ячейки, датчики температуры и капилляра с исследуемым образцом. Причем величина динамической погрещности измерения зависит kaK от выбранной скорости прогрева, так и от разной величины тепло20отдачи Измерительной ячейки на разных участках температурного диапазона. Кроме этого, устройство не дает полной информации в начале и конце фазового перехода, а получен3ные данные может быть неоднозначно интерпретированы. Наиболее близким по технической сущнос jH к изобретению является устройство длл автоматического определения фазовых терехо дов кристаллических веществ, содержащее нагревательный блок, внутри которого установлень измерительная ячейка с нагревателем и исследуемым образцом, источник света, фотодатчик и датчик температуры, кОторый подключен к схеме измерения температуры, а также соглас)аощий усилитель, подключенный к фотодатчику, буферный каскад первый дифференциатор, схему формирования запускающих импульсов, которая вырабатывает запускающие импульсы для выдачи информации с цифрового индикатора на цифр9 печать и формирует метки, начала и конца , плавления на диаграмме -фазового перехода, регистрируемого нз самопиёце, узел управления, который управляет включением (выключением) вентилятора, самописца и регулятора температзфы, в состав которого .входят второй дифференциатор, задатчик (жорости нагрева, узел регулировки температури установки, усилитель рассогласования и яшовой ключ. Это устройство автоматически фиксирует на цкфропечать температуры начала и конца фажюого перехода и его форму на самописец {21. Одаако точность Полученных данных зависят от правильностн выбора, значения температуры, при которой осуществляется переключение скорости нагрева от максимальной VMJIKC. ДО минимальной ,а также от величины скорости прогрева выбранной оператором на окончательном этапе анализа. Причем простое переключение от макс. к VMHH вызывает разную величину перегрева измерительной ячейки ртносительно идеальной кривой регулирования. Зона перегрева зависит от величины . от разной теплоотдачи измерительной ячейки в разных точках температурного диацазЬна, ОТ инерционности измерительной ячейки с датчиком температуры. Поэтому оператор до жен пере ключать скорости нагрева на 5 10°С ниже интервала температур, в котором может произойти фазовый переход, что увеличивает время анализа и снижает оперативность. Из-за помех на Этапе быстрого разогрева Morjrr возникнуть ложные срабаты вания, что снижает достоверность результатов. Цель изобретения - повыщение точности и достоверности полученных результатов путем устранения влияния ошибок оператора на процесс измерения и за счет многократных измереиий одного и того же исследуе- мого образца. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для автоматического определения параметров фазовых переходов кристаллических веществ, содержащее измерительный блок, внутри которого установлены ячейка с исследуемым образцом и датчиком температуры, который подключен к схеме измерения , источник света, фотодатчик, который подключи к согласующая уснлнтелю, вход которого одаовременно свя-. зан с изме нггельным входом первого днфференциатора и измерительным входом буферного каскада, выход первого дифферешщатора соединен со схемой формирования запускающих импульсов, первый выход которой одновременно соединен с управляющими входами цифропечатающего устройства и буферного каскада. Второй выход схемы формирования запускающих импульсов соединен с первым входом узла управления, первый и второй выходы которого соответственно соединены с самописцами и вентилятором, а также регулятор, в состав которого входит задатчик скорости нагрева, вь1ход которого соединеи с первым входом усилителяjpaccoгласования, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциатора, выход узла рассогласования соединен с силовым ключом, который соединен с нагревателем ячейки, а также узел регулировки температуры установкн, введено N + 2 узлов сравнения, источник опорных напряжений, узел выбора режима работы причем, выход схемы измерение температуры одновременно соединен со входом второго диффереициатора и с первым входом Н + 2 узлов сравнения, второй вход которых соединен с выходом узла .регулировки температуры установки, третий вход N +1 узлов сравнения соединен с соответствующими выходами источннка опорных напряжений, выход первого узла сравнения соединен с вторым входом узла управления, третий выход которого соединен с Н 3 входом задатчика скорости нагрева, остальные входы которого соединены с соответствующими выходами Н + 2 узлов сравнения, выход N-ro узла сравнения одновременного, подключен к управляющему входу первого Дифференциатора, дополнительный вход задатчика скорости нагрева соедннен с выходом узла выбора режима работы. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2-4 Приведены диаграммь работы устройства; на фиг. 5 - пример выполнения узла сравнения; на фиг. б -диаграммы работы узла сравнения. Устройство содержит нагревательный блок 1, в который входит измерительная ячейка 2 с нагревателем и установленным в ней капилляром с образцом 3 и датчиком 4 температуры, источник 5 света, фотодатчик 6, а также согласующий усилитель 7, первый дифференциатор 8, схему 9 формирования запускающих импульсов, узел 10 управления, буферный каскад 11,, схему 12 измерения температуры, второй дифференциа тор 13, усилитель 14 рассогласования, силоъоп ключ 15, узел 16 регулирования температуры установки, источник 17 опорных напряжений, узел 18N + 2 установки режима работы узлов 19 сравнения, задатчик 20 скорости нагрева, цифровой .индикатор 21, цифропечатающее устройство 22, самописец 23, вентилятор 24. . Устройство работает следующим образом. Исследуемый образец, помещенный в капилляр 3, устанавливается в измерительную ячейку 2 таким o6pia30M, что перекрывает световой поток, проходящий от источника 5 света к фотодатчику 6. С помощью узла 18установки режима работы выбирают один из трех режимов: а) режим однократного запуска; б) режим запуска от стартовой температуры; в) режим циклического сканирования. Выставляют .температуру Tycj, в /пределах которой Туст ± Д может произой ти плавление, с помощью узла 16 регулиров ки температуры установки. Включают нагрев измерительной ячейки 2, нажав кнопку 25 нагрев. Рассмотрим работу устройства в режиме однократного запуска. В исходном состоянии (до включения нагрева) t to нагрев измерительной ячейки отключен за счет подачи отрицательного напряжения 26 с выхода задатчика 20 скорости нагрева на первый вход усилителя 14 рассогласования, который закрывает силовой ключ 15. Задатчик 20 скорости нагрева представля ет собой управляемый делитель напряжения, на входы которого подаются логические сиг налы О или 1, снимаемые с выходов узлов 19сравнения И третьего выхода узла 10 управления. Комбинации логических состояний выходных напряжений с 1 по N узлов 19 сравнения определяют амплитуду выходного напряжения 26. Логические состояния N + 1, N + 2 узлов 19 сравнения и состояние треть его выхода узла 10 управления определяют полярность выходного напряжения 26. В исходном состоянии напряжение, поступающее на вторые входы узлов 19 сравнения с выхода узла регулировки температуры установS ки и пропорциональное Тусх. больше, чем напряжение 31,поступающее на первые вхо16ды узлоъ 19 сравнения с выхода схемы 12 измерения температуры и пропорцисжальное температуре Тизм. измерительной -ячейки. . За счет полож 1тельной разности напряжений все узлы 19 сравнения включены и подают сигнал логической 1 на входы задатчика 20 скорости. Поскольку с третьего выхода узла 10 управления на N + 3 вход задагш- ка 20 скорости подается сигнал логического о, его выходное напряжение 25 имеет отрицательную полярность максимальной амплитуды. При нажатии кнопки 25 Нагрев, (время to на фиг. 2) со схемы 9 формирования запускающих импульсов снимается сигнал 27, который переключает состояние третьего выхода «узла 10 управления и на. N-+3 вход задатчнка скорости нагрева 20 поступает сигнал логтеской 1. Полярность выходного напряжения 26 задатчика изменяется, положи| тельное напряжение переключает усилитель 14 рассогласования, который включает силовой ключ 15, подающий питающее напряжение на нагреватель. Поскольку всё узлы 19 сравнения, управляющие амплитудой напряжения 26, включены и Подают сигнал логической 1, то напряженне 26 пропорционально максимальной скорости нагрева рость нагрева поддерживается постоянной с помощью замкнутой системы регулирования, включающей датчик 4 температуры, соединенной со схемой 12 измерения температуры, . выходное напряжение 31 которой поступает на вход второго дифференциатора 13, с выхода которого на второй вход усилителя рассогласования поступает напряжение, пропорциональное скорости изменения температуры. Если скорость нагрева ниже заданной величины, выходное напряжение второго дифференциатора 13 меньще, чем напряжение 26, и нагрев включен, если скорость нагрева превышает заданную величину Умакс. нагрев отключается. Такое построение регулятора позволяет легко управлять величиной скорости нагрева измерительной ячейки 2, регулировкой амплитуды напряжения 26. Одновременно с управлением задатчика скорости нагрева 20 выходные напряжения 28 и 29 с первого и N-ro узлов 12 сравнения подают сигнал логической 1 соответственно на второй вход узла 10 управления и на управляющий вход первого дифференциатора 8. Поэтому на этапе быстрого нагрева измерительной ячейки отключена запись на самописец 23 и отключен первый днфференциатор, за счет чего цепь обработки сигнала 30, поступающего с выхода согласующего усилителя 7, через первый дифференциатор 8 на схему 9 формирования запускающих 79 импульсов, размыкается и исключается возможность ложных срабатываний. На третьи входы N+1 узлов 19 сравнения поступают опорные напряжения AVj-AVfj с выходов источника 17, которые суммируют ся с выходным напряжением 31, поступающим со схемы измерения температуры на вторые входы узлов 19 сравнения. Это приводит к тому, что момент переключения узлов сравнения наступает раньше, чем Тизм. Туст. и сравняются напряжения с выхода узла регулировки температуры установки 16 и напряжение 31 с выхода схемы 12 измерения температуры. Величиной опорного напряжения AVj определяется температура Тизм. i . при которой переключается -j узел 19 сравнения. Нагрев измерительной ячейки 2 с максимальной скоростью Умакс происходит до температуры измерительной ячейки Тизм Туст- - ATf после чего отключается первый из узлов 19 сравнения (время ti на фиг. 2), снимается управляющее напряжение 28 с первого входа задатчика 20 скорости . нагрева и второго входа узла 10 управления, что соо1ветственно приводит к снижению величины скорости нагрева, а также к включению записи на самописец 23. Дальнейшее увеличение температуры измерительной ячейк приводит к поочередному отключению узлов 19 сравнения и соответствующему снижению скорости нагрева. При достижении температуры измерительной ячейки 2 значения Тцзм. Туст. TN отключается N узел 19 сравнения и снимается напряжение 29 с N входа задатчика 20 скорости нагрева и с управляющего входа первого дифференциато ра 8. Это приводит к снижению скорости на грева до величины (время tj на фиг. 2), выбранной с учетом допустимой минимальной погрешности, вызываемой инерционными свойствами измерительной ячейки, датчика температуры и держателя исследуемого образца, а также к включению первого дифференциатора 8 в цепь обработки сигнала 30, снимаемого с выхода согласующего усилителя 7, Напряжение 31, пропорцилнальное темпера туре измерительной ячейки, отражает корпус регулирования температуры Тизм. при изменении скорости нагрева от Ущакс при to , t ti до VMHH при t2 t ts. Для обеепечения оптимального регулирования измерительной ячейки температурный диапазон перехода от . ДО ин, лежащий пределах от Туст - ДТг до Туст - T(g , разбивается на ряд поддиапазонов ДТь в каждом из которых поддерживается скорост Vj, обеспечивающая кусочно-линейную аппро симаиию оптимальной кривой регулирования для данного типа измерительной ячейки и датчика температуры. По числу участков аппроксимации определяют количество N узлов 19 сравнения для фо|рмирования ступенчатого напряжения 26, управ1ляющего скоростью нагрева измерительной ячейки. В начале фазового перехода, при плавлении кристаллов световой поток, проходящий через исследуемое вещество, изменяется. Это изменение фиксируется фотодатчиком 6 и преобразуется в согласующем усилителе 7 в напряжение 30, которое через буферный каскад 11 регистрируется на самописце 23 в виде кривой плавления 32. Одновременно напряжение 30 преобразуется в дифференциаторе 8 в напряжение 33, пропорциональное скорости изменения светового потока. При достижении скорости изменения светового потока через исследуемое вещество величины, принятой за начало плавления, и напряжение 33 достигает значения первого порога (время ts на фиг. 2), срабатывает схема 9 формирования запускающих импульсов, которая вьщает первый импульс 34, соответствующий началу фазового перехода. Этот импульс одновременно поступает на запуск цифропечатающего устройства .22 и управляющий вход буферного каскада 11. На цифропечатающее устройство 22 выводятся данные с цифрового индикатора 21 о температуре измерительной ячейки 2, преобразованные -в датчике температуры 4, который связан со схемой 12 измерения температуры, выходное напряжение 31 которой поступает на вход цифрового индикатора 21. При поступлении импульса 34 на управляющий вход буферного каскада на диаграмме плавления 32, регистрируемой на самописце 23, формируется метка, которая соответствует температуре начала плавления. На конечном этапе фазового перехода, когда скорость плавления исследуемого вещества падает и напряженке 33 снижается до второго порогового уровня (время t4 на фиг .2), схема формирования запускающих импульсов вырабатывает второй импульс 34, по которому на цифропечать 22 выводятся данные о температуре конца плавления, а на кривой плавления 32 формируется следующая метка. Одновременно с зтим, в схеме 9 формирова.ния запускающих импульсов вырабатывается импульс задержки 35 длительностью f;7200 с, для з.ав1ерщения пррцесса плавления вещества. По Ь1 ончанию импульса задержки 35 (время ts на фиг. 2) напряжение 27 снимается с первого входа узла 10 управления. Узел управления переключает логическое состояние третьего выхода и на N + 3 вход 99 задатчика скорости нагрева поступает логический О. Это приводит к смене полярности напряжения 26 и отключению нагрева. Одновременно с этим узел 10 управления включает вентилятор 24 для принудительного охлаждения измерительной ячейки 2. При охлаждении измерительной ячейки до Тизм Туст - Tfj включается узел сравнения и напряжение 29 вновь отключает первый дифференциатор 8 и прекращается обработка входного сигнала 30, поступающего через согласующий усилитель 7 с фотодатчика 6. Дальнейшее охлаждение измерительной ячейки до Тизм ycj ДТ приводит к включению первого узла 19 сравнения (время te на фиг. 2) и отключению записи фазового перехода 32 на самописец 23 за счет подачи напряжения 28 на второй вход узла 10 управления. В режиме запуска от стартовой температуры, первоначальный этап (время to-ts на фиг. 3) кривой регулирования 31 измеритель ной ячейки, представленной на фиг. 3, совпадает с описанным ранее. После окончания первого процесса -плавления (время ta на фиг. 3) измерительная ячейка охлаждается со скоростью Уддх, до температуры Тизм - Туст - Т|( принимаемой за стартовую при достижении которой устройство переходит в режим стабилизации температуры (время t4-i-ts на фиг. 3) до следующего цикла плавления при t ts. В режиме запуска от старт вой температуры управление полярностью выходного напряжения 26 осзоцествляется одновременно через N+1 и N+3 входы задатчика 21 скорости нагрева. На эти входы поступают логические сигналы с выхода N+1 узла 10 сравнения и третьего выхода узла 10 управления. N+1 узел 19 сравнения включен при Тизм Туст ДТу-м и отключен при Тизм Туст - ДТц)у( . Время включения (выключения) нагрева At в режиме стабилизации температуры Тизм Туст - ДТц,..( определяется инерционными свойствами измерительной ячейки и Датчика температуры. При выборе оператором режима циклического сканирования, с помощью узла 18 установка режима работы, полярностью напряжения 27 управляет N + 2 узел 19 сравнения. После выхода на режим нагрева со скоростью (время tj на фиг. 4) нагрев происХОДИТ независимо от окончания процесса плав ления вещества до температуры Тдзм Туст + . (время t3 на фиг. 4), где ДТ|д+2. разность температур, определяемая N + 2 узлов 19 сравнения. После этого происходит переключение состояния N + 2 узла 19 сравнения и осуществляется охлаждения измерительной ячейки со скоростью V( до температуры Тизм Туст - . (время t4 на фиг. 4). Далее осуществляется следующее переключение (N+ fysna сравнения и происходит циклическое сканирование температуры измерительной ячейки относительно Туст T.jy,4.2.Каждый узел сравнения выполнен по схеме триггера Шмитта, который состоит из onepaiwoHHoro усилителя 36 с резисторами 27 и 38, стоящими в цепи положительной обратной связи и с резисторами 39-41, подключенными к инвертирующему входу операционного усилителя и к соответствующим напряжениям 31, 42, AV, снимаемым с выхода схемы измерения температуры, узла регулировки Туст и выхода источника опорных напряжений. Причем для N+ 1 узлов сравнения величины ±A /ffji, определяемая отношением резисторов 33 н 37, выбирается большей, чем значение шума напряжения 31, для исключения многократных переключений операционного усилителя 36 (фиг. 6 а). Для N + 2 узла сравнения О и величина i ДУ|) выбирается из требуемого диапазона регулирования ±ATiyj4.2. (фиг. 66). Таким образом, устройство позволяет повысить тбчность и достоверность результатов за счет независимого от оператора оптимального нагрева измерительной ячейки та этапе выхода к зоне фазового перехода исследуемого вещества. Возможность работы в трех режимах позво ляет оператору решать широкий спектр задач по определению параметров фазовых переходов как для одино шых, так и для многократных измерений. Работа устройства в режиме циклического сканирования позволяет повысить точность и достоверность полученных результатов за счет многократного процесса плавления одаого и того же образца, что позволяет использовать для обработки результатов методы статистической обработки. Комплексный вывод данных о начале и конце фазового перехода на цифропечать и самописец, полная автоматизация процесса управления скоростью прогрева, высокая помехозащищенность, работа в режимах однократного и циклического прогрева позволяет повысить оперативность анализа, точность и достоверность полученных результатов и расширить область применения устройства. Формула изобретения Устройство для автоматического определения параметров фазовых переходов кристаллических веществ, содержащее нагревательный

119П

блок, внутри которого установлены нагревательная ячейка с исследуемым образцом и датчиком температуры, который подключен к схеме измерения температуры, источник света, фотодатчик, который подключен к

согласующему усилителю, вход которого одновременно связан «измерительным входом первого дифференциатора и измерительным входом буферного каскада, выход первого дифферешщатора подключен к схеме формирования запускающих импульсов, первый выход которой одновременно соединен с управляющими входами цифропечатающего устройства и буферного каскада, второй выход схемы формирования запускающих импульсов/подключен к первому входу узла jmpaaления, первый и второй вьпсоды которого соогветственно соединены с самописцем и вентилятором, а также регулятор, в состав которого входят задатчик скорости нагрева, выход которого, подключен к первому входу усилителя рассогласования, второй вход которогр подключен к выходу второго дифферециатора, выход узла рассогласования подключен к силовому ключу, который соединен с I нагревателем измерительной ячейки, а также узел регулировки температуры установки, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности н достоверности результа12

тов, устройство содержит N-i-2 узлов сравнения, источник опорных напряжений, узел выбора режима работы, пртем выход схемы измерения температуры одновременно подключен ко входу второго дифференциатора и к первым входам N ( 2 узлов сравнения, второй вход которых подключен к выходу узла регулировки температуры установки, третий вход N 1 узлов сравнения подключен к соответствующим выходам источника опорных напряжеш1й, выход первого узла сравнения подключен ко второму входу узла управления, третий выход которого соединен с N+3 входом задатздка скорости нагрева, остальные BXQI&I которого подключены к соответствующим вьисодам N+2 узлов сравнения, выход сравнения одаовременно подключен к управляющему входу первого дифференциатора, дополнительный вход задатчика скорости нагрева подключен к выходу узла выбора режима работы. Источники информации, пр1шятые во внимание при экспертизе

1

30

Х

х:

31

Фиг.З

ЗГ

t/rti rt2

26

rt4 Гп

ft.

Фиг Л