Способ измерения импульса тепла

 

Использование: калориметрический эксперимент. Сущность изобретения: после размещения в калориметрической ячейке реакционного сосуда с веществом осуществляют установление регулярного теплового режима в калориметре путем подвода к ячейке тепловой мощности от ее нагревателя. В момент выравнивания температур ячейки и массивного блока калориметра инициируют исследуемый тепловой процесс. Измеряют тепловую мощность Q₁, выделяемую в ячейке. При повторном установлении в калориметре регулярного теплового режима измерение Q₁ прекращают. 1 ил.

Изобретение относится к области калориметрии, в частности к способу измерения импульсных тепловыделений.

Известны способы измерения теплоты (авт.свид. СССР N1229605, кл.G01K 17/00, 1986, авт.свид. СССР N657279, кл.G01K 17/00, 1979).

Наиболее близким к изобретению является способ по а.с. N637732, включающий размещение в калориметрической ячейке реакционного сосуда с веществом, перегрев его относительно рабочей температуры калориметра, инициирование исследуемого процесса и одновременное включение интегратора, который отключают на том же уровне спада теплового потока от исследуемого процесса.

Недостатками этого способа являются: 1. Большая длительность процесса измерения за счет необходимости перегрева сосуда с веществом относительно рабочей температуры калориметра и ожидания естественного пассивного спада теплового потока от перегрева до регулярного значения.

2. Погрешность измерения, связанная с неидентичностью переходных процессов, идущих от источников тепла различной локализации: химическое тепловыделение внутри калориметрического сосуда и "джоулевое" тепловыделение в нагревателе калориметрической ячейки (К.Я.).

3. Сложность устройства, обусловленная необходимостью подбирать температуру перегрева реакционного сосуда с веществом в зависимости от шкалы калориметра.

Для повышения быстродействия, точности и упрощения способа одновременно с внесением в КЯ реакционного сосуда с веществом осуществляют ее активное терморегулирование путем подвода к КЯ тепловой мощности от ее нагревателя в течение времени, необходимого для выравнивания температур КЯ и массивного термостатирующего блока, после чего инициируют исследуемый тепловой процесс и одновременно измеряют тепловыделение в КЯ, прекращая его при повторном установлении в калориметре регулярного режима, а искомое тепловыделение вычисляют по формуле: Q Q₁ + Q₂, где Q₁ результат измерения тепловыделения в КЯ; где W_n пороговое значение теплового потока в момент времени t_n, соответствующий повторному установлению в калориметре регулярного режима; K калибровочный коэффициент; τ постоянная времени калориметра.

На чертеже приведен график изменения во времени теплового потока в калориметре в процессе измерения.

Исходному состоянию калориметрической ячейки соответствует участок графика 0 t₁ "экспериментальный нуль" сигнала дифференциальной термобатареи. Температура реакционного сосуда с веществом ниже рабочей температуры калориметра. В момент времени t₁ в калориметрическую ячейку вносят сосуд с веществом и одновременно включают терморегулирование КЯ, используя в качестве чувствительного элемента дифференциальную измерительную термобатарею, в качестве усилителя измерительный усилитель калориметра, в качестве нагревателя нагреватель калориметрической ячейки. Благодаря охвату КЯ с реакционным сосудом глубокой тепловой отрицательной обратной связью их эквивалентная постоянная времени уменьшается в K_у·β раз, где K_y - коэффициент усиления усилительного тракта, β коэффициент обратной связи. В результате время установления теплового равновесия в калориметре (участок t₁ t₂ на графике) сокращается. В момент времени t₂ инициируют исследуемый тепловой процесс и одновременно включают интегратор, который выключают в момент времени t₃, соответствующий регулярному характеру спада теплового потока W(t). Поскольку на участке t₃- ∞ графика кривая спада имеет регулярный (экспоненциальный) характер, остаток измеряемого количества тепла пропорционален площади, ограниченной этой кривой и осью абсцисс, и может быть вычислен по формуле где Q₂ количество тепла, W_n пороговое значение теплового потока в момент времени t_n, K коэффициент, определяемый калибровкой калориметра, τ постоянная времени калориметра. Вычисленное значение теплоты Q₂ суммируют с показаниями интегратора. На этом процесс измерения заканчивается.

Благодаря активному терморегулированию реакционного сосуда с веществом после ввода его в калориметрическую ячейку сокращается время выравнивания температур КЯ и массивного блока. Отпадает необходимость в перегреве реакционного сосуда относительно рабочей температуры калориметра. Тем самым упрощается настройка шкал, устраняется погрешность, связанная с неидентичностью тепловых переходных процессов, связанных различной локализацией источников химического тепловыделения и джоулева тепловыделения в нагревателе КЯ.

Экспериментальная проверка данного способа показала, что время измерения сокращается в 2,5 раза, а погрешность в 2 раза по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Способ измерения импульса тепла, включающий размещение в калориметрической ячейке реакционного сосуда с веществом, инициирование исследуемого теплового процесса после установления в калориметре регулярного теплового режима, измерение одновременно с инициированием тепловой мощности Q₁, выделяемой в ячейке, которое прекращают при повторном установлении в калориметре регулярного режима, отличающийся тем, что установление регулярного теплового режима проводят путем подвода к калориметрической ячейке тепловой мощности от ее нагревателя, инициирование исследуемого теплового процесса осуществляют в момент выравнивания температур калориметрической ячейки и массивного блока калориметра, а искомое тепловыделение Q определяют по формуле

где W_n- пороговое значение теплового потока в момент времени t_n,
K калибровочный коэффициент,
τ постоянная времени калориметра.

РИСУНКИ

Рисунок 1