Дифференциальный сканирующий микрокалориметр

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) (51) 4 0 01 К 17/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 41 24481/31-10 (22) 04.07.86 (46) 07.10.88. Бюл. У 37 (71) Отделение Института химической физики АН СССР (72) А.П. Платонов и А.П ° Горбачев (53) 536,6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ì 417517, кл. С О1 К 17/08, 1972.

Дифференциальный программируемый микрокалориметр ДСК-111 (Перевод с французского языка фирменного материала). Перевод В Г-36426, ВЦП, 1982. (54 ) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ СКАНИРУ1()Щ ф

МИКРОКАЛОРИМЕТР (57) Изобретение относится к области тепловых измерений, в частности к количественному экспресс-анализу. Цель изобретения — повышение разрешающей способности за счет стабилизации базовой линии микрокалориметра. Программный нагрев (охлаждение) калориметрического блока 1 осуществляется с помощью нагревателя 7, подключенного к регулятору 8, для кото1428950 рого сигнал с источника напряжения

10 через резистор 9 является задающим, а сигнал с измерительной термобатареи 5 опорной ячейки 3 является сигналом обратной 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 10 через усилитель 11, делитель напряжения 13 и резистор 14 на суммируюИзобретение относится к области тепловых измерений, в частности к количественному, термическому экспрессанализу., :

1 д1, Цель Изобретения — повышение разрешающей способности микрокалориметра, На чертеже представлена блок-схеI ма микрокалориметра.

Дифференциальный микрокалориметр содержит калориметрический блок l c установленными в нем двумя калориметрическими ячейками 2 и 3, измерительные термобатареи 4 и 5 которых включены встречно на вход измерительного усилителя 6. Нагреватель 7 калориметрического блока 1 подключен к выходу регулятора 8, к одному входу которого подключена средняя точка соединения измерительных термобатарей

4 и 5, а к другому его входу, выполненному суммирующим, через резистор 9 подключен выход регулируемого источника 10 напряжения постоянного тока, 25 выход которого одновременно связан с входом второго усилителя 11, имеющего прямой и инверсный выходы, к которым через переключатель 12 подсоединен делитель 13 напряжения, выход которо- ЗО

ro через резистор 14 связан с суммирующим входом измерительного усилителя 6. В калориметрическом блоке 1 в непосредственной близости от калощий вход измерительного усилителя

6, Компенсация сигналов, возникающих из-за теплообмена калориметрического блока с окружающей средой, производится усилителем 16, выход которого через делитель напряжения

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

20 и 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. риметрических ячеек установлен датчик 15 температуры, подключенный к своему усилителю 16, имеющему прямой и инверсный выходы, с которыми через переключатели 17 .и 18 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 н входам регистратора 23.

Микрокалориметр работает следующим образом.

С выхода источника 10 напряжения на суммирующий вход регулятора 8 поступает сигнал, пропорциональный заданному темпу нагрева (охлаждения) калориметрического блока l. 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, 1 .е. регулятор

8 и нагреватель 7 работают как стабилизатор ЭДС измерительной термобатареи 5. В установившемся режиме нагрева (охлаждения) ЭДС на каждой измерительной термобатарее равна

1428950 (2) где Е,„Еэ

CCt э 1э

ДТ

2 2 ) К U (1 1 2.) (7)

С S, " С S, ч Еэч (1

/Э T) С ао S2o

PT C„„, S„„

С22îо(1 +ЫТ) $ (1 4 эо

E,= Сэ э 7+ т К,Яэ=в,. По3 () E,=С,Я,,Ч+ДтК,Я,, 5

ЭДС измерительных термобатарей 4 и 5 ячеек 2 и

3 соответственно, внутренние теплоемкости ячеек 2 и 3, 10 чувствительности термобатарей 4 и 5; скорость изменения температуры калориметрического блока 1; 15 разность температур между калориметрическим блоком и окружающей средой,* теплопроводность тепло- 20 вых цепей, которые проходят через ячейки 2 и 3 и через которые проходит мешающий тепловой поток теплообмена калориметри- 25 .ческого блока 1 с окружа. ющей средой, коэффициент пропорциональности, напряжение на выходе ис- 30 точника 10 напряжения. где С,С о — внутренние теплоемкости

20 эо о при температуре О С калориметрических ячеек

2 и 3, конструкции которых идентичны, а одно- 45 именные детали изготовлены из одинаковых материалов, о — температурный коэффициент изменения теплоемко 50 сти ячеек 2 и 3;

S,,S — чувствительности при

20 Эо о температуре О С измерительных термобатарей

4 и 5, термобатареи которых конструктивно идентичны, а термостолбики изготовлены из одинаковых материалов, Разностный сигнал встречно включенных измерительных термобатарей 4 и 5 поступает на вход измерительного усилителя 6:

AE = E -Е2 = (С S -C S2)V + э э (3) При программированном нагреве (охлаждении) (7 ф О, И, Ф О) и при отсут- ствии теплообмена между калориметрическим блоком 1 и окружающей средой через ячейки 2 и 3 К = О, Кэ — — О) разност и й сигнал с измерительных термобатарей 2 и 3 g Е равен

ЛЕ = E „-E „=(C„ S -C S2)V, (4) При этом, как было указано в выражении (1) э 1 Кю 31о = сопз > (5)

3v э э т.е. скорость нагрева (охлаждения) равна ъч а U о (6) .Сэ S3 Сэ Sç

Следовательно, разностный сигнал с измерительных термобатарей 4 и 5 (учитывая (6) и (4)) равен

\ температурный коэффициент изменения чувствительностей измерительных термобатарей 4 и 5.

Отношение (8) постоянно в широком диапазоне температур, следовательно значение разностной ЭДС измерительных термобатарей 4 и 5 йЕ (7) при этих условиях (отсутствие теплообмена с окружающей средой) также постоянно в широком диапазоне температур, т.е. сдвиг базовой линии прибора стабилизирован на уровне ЬЕ„ и постоянен, С выхода второго усилителя 11 через делитель 13 напряжения и резис-. тор 14 на суммирующий вход измерительного усилителя 6 поступает сигнал такой величины (устанавливается . настройкой коэффициента передачи де1428950 (9) E К.Я .Ьт, 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 напряжения на выходе источника 10 напряжения, т.е. при других темпах нагрева (охлаждения) микрокалориметра.

При постоянной температуре калориметрического блока 1 (V = О,U = О) и при наличии теплообмена с окружающей средой (K "" О,,К = О) ЭДС измерительных термобатарей 2 и 3 и Е и Е соответственно равны

Езт Kq з 6> (10) Разностная ЭДС j E измерительных термобатарей 5 и 4 при этом равна

Е, =Е т-Е2т 3 83,, Hã ЬТ (11)

С выхода усилителя 16 датчика

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

6 поступает сигнал такой величины (устанавливается настройкой коэффициента передачи делителя 19 напряже ния) и полярности (выбирается переключателем 17), при котором выходное напряжение измерительного усили35 теля 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 40 температуры пропорционально изменяется Е и сигнал с выхода усилителя г

16 датчика 15 температуры ° Одновременно с выхода усилителя 16 на суммирующий вход регулятора 8 через дели- 45 тель 20 напряжения и резистор 22 поступает сигнал, равный по величине сигналу Е с измерительной термозт батареи 5 опорной калориметрической ячейки 3, при этом регулятор 8 с нагревателем 7 компенсируют теплопоте50 ри,из калориметрического блока 1 и температура его практически постоянна, т.е. обеспечивается иэотермический режим работы микрокалориметра без дополнительного регулятора. Выход микрокалориметра на заданную постоянную температуру производят из режима программированного изменения температуры (U = О). По Достижении ф заданной температуры устанавливают нулевой сигнал источника 10 напряже- ния.

При программированном нагреве (охлаждении) калориметрического блока 1 .(U, 4 О, V A 0) и при одновременном наличии теплообмена со средой (К< 4 О, Кэ Ф О) и соответствующей настройке близкое к нулю напряжение на выходе измерительного усилителя 6 сохраняется во всем диапазоне температур и скоростей нагрева (охлаждения), что повышает разрешающую способность прибора.

Настройку микрокалориметра пройэводят следующим образом.

Устанавливают в калориметрические ячейки 2 и 3 пустые контейнеры, при этом создают такие условия теплообмена, которые имеются при проведении исследований, т.е. подсоединяют к 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 19 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 19 напряжения необходимо произвести заново.

Настройку микрокалориметра в режиме программированного нагрева (охлаждения) производят после настройки делителей 20 и 19 напряжения.

Для. этого загружают в контейнер ра1428950 формула изобретения переключатель и делитель напряжения, при этом выход 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 усилителя через переключатель, а выход делителя напряжения через резистор соединен с суммирующим входом измерительного усилителя.

Усилитель датчика температуры настраивают так, чтобы его выходное напряжение было равно нулю при температуре микрокалориметра, равной температуре окружающей среды (для лабораторных помещений это обычно

20 — 25 С)

Составитель В. Ярыч

Техред 11,Äèöûê

Корректор В. Романенко

Редактор Е. Папп

Заказ 5114/37 Тираж 607

ВНИИПИ Государственного комитета .СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 бочей калориметрической ячейки 2 исследуемое вещество, а в контейнер опорной калориметрической ячейки 3 имитатор. Подают с источника 10 напряже5 ния напряжение такой величины, которая необходима для з аданного темпа нагрева (охлаждения), и в установившемся режиме нагрева (охлаждения) регулируют коэффициент передачи делителя fp

13 напряжения, а положение переключателя 12 выбирают так, чтобы напряжение на выходе измерительного усилителя 6 было равно нулю . Микрокалориметр подготовлен для проведения опыта с любым другим темпом нагрева (охлаждения) и при любой постоянчой температуре. Укаэанную настройку необходимо проводить в каждом опыте, так как в отличие от условий тепло- 20 обмена, которые сохраняются с высокой воспроизводимостью из опыта к опыту, теплоемкость ячеек зависит от массы загружаемых в контейнеры веществ, которые 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 изменением их теплосодержания.

Микрокалориметр позволяет повысить стабильность базовой линии микрокалориметра в режиме сложнопрограммированного нагрева (охлаждения) что повышает разрешающую способность.

Дифференциальный сканирующий микрокалориметр, содержащий установленные в калориметрическом блоке две ка-лориметрические ячейки с измерительными термобатареями, включенными встречно на вход измерительного усилителя, 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, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, в него введены второй усилитель с прямым и инверсным выходами,