Способ термического анализа вещества
Союз Советскин
Социалистимескин
Республик
Q П Я C A Н И Е ИЗОБРЕТЕН ИЯ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву(22) Заявлено 24.05,76 (21) 2362980/25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 25.08.77. Бюллетень № 31 (45) Дата опубликования описания 29.09.77 (51) М. Кл. 601 N25/02 Гасударственный номнтет Соаато Инннстроо СССР an делам нзооретеннй н открытий (ЬЗ) УДК 5Э642 (988.8) (72) Авторы изобретения В. И. Пербан, И. П. Жук и B. И, Крыпович с (71) Заявитель Ордена Трудового Красного Знамени .институт тепло- и массообмена ,им. А. В. Лыкова.(54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА, ВЕШЕСТ BA Ю Изобретение относится к способам термического анапиэа веществ и может быть применено дпя исследования процессов, происходящих в веществе (твердом, жидком), при непрерывном нагревании ипи охпаждении, в самых различных областях науки и техники (фиэика, химия, метаппургия и т. д.). Известны способы термического анапиэа веществ, при помощи которых регистрируетcs скорость изменения температуры точки (9 образца, причем исспедование ведется как при напичии этанона, так и беэ него. Эти способы осуществпяют спедующим образом: . путем визуального опредепения тем- 1я пературы тена и времени, необходимого дпя нагревания (охпаждения) на опредепенное чиспо градусов (1); путем графического дифференцирования, температурной кривой (2). Наибопее бпиэким техническим решением явпяется способ термического анализа исспе,— дуемого образца любой формы и размера, основанный на измерении температуры 1ис- ° спедуемого вещества с помощью термопары 25 в процессе его нагревания, в широком диапазоне скоростей нагревания, при котором сигнап термопары дифференчируют, например, с помощью ЙС-цепочки j3). Однако способ эпектрического диффере цирования, основанный на измерении температуры при помощи термопары, во многих спу» .чаях не удовпетворяет как теорию, так и практику. Во-первых, еспи температура среды изменяется достаточно быстро, то в тепе между поверхностью и внутреийими частямк постоянно будет существовать перепад тем ператур. В таких условиях каждая точка будет характеризоваться своей температурой, В этом спучае термопарой, теоретически, можно зарегистрировать топько температуру отдельной точки тепа и то при условии, что термическое равновесие между терм>парой и точкой устанавпивается быстрее, чем изменяется температура точки. Во-вто рых при достаточно быстрых скоростях на) Ф грева пибо охлаждения (скажем, выше 50 С мин) проведение анализа при помощи термоР пар затруднитепьно из а их инерционности. Кроме того, измерение температуры Герм - 569923 х, L = J с(х)дг с(х,) (8) f ист с(г,) ддст 4 E с(х,) д с (г„) ист парами всегда связано с определенными ошибками из-за притока ипи оттока тепла по проводам к спаю, что особенно сильно влияет на результаты при измерении малых разностей температур. В третьих, применение 3С-- цепочки в качестве дифференцирующей является дополнительным )источником погрешности измерений, причем трудно учитываемой. с Цепью изобретения является повышение .точности анализа. Йпя атого в исследуемом веществе Ю— вызывают непрерывйые акустические колебания во время нагрева, регистрируя одновременно разность частот 4|и разность фазАУЯакустических копебаний на входе и выходе из исследуемого веществц, и находят скорость и величину изменения средней по объему температуры по формулам, дс-д и д д(д = вд(д(г)-t (aJ), где А, В - постоянные прибора; т, .-...средня аппо объем температура. Энергия акустических коцебаний такова, что она практически не влияет на явления, цроисходящие в исследуемом веществе. Существенно то, что предлагаемый способ неразрушающий и практически безынерционНыйа Одним из достоинств предлагаемого способа является то, что практически нет ограничений на те пературный интервал и скорость нагрева (охлаждения), при которых исследуется вещестьс как B попожитепь ной,,так и в отрицатепьнвй областях, поскольку имеется возможность излучатель и приемник вынести .из зоны исспедуемого вещества, а ввод и приам акустических колебаний осуществлять через промежуточные среды. Поясним изобретение теоретическим выводом расчетных формул. Пусть исследуемое веещство длиные нагревается. Если некоторый сигнал (например, гребень" упругой волны) вошел в, атот участок в момент времени Г г,, а в момент в емени г Г вышеп из него, то можно записать. предполагая, что функция д (х) интефируема, получаем д Пусть теперь некоторый второй сигнал вошел в участок в момент Т С;, ° г ч"ь, и вышел из него в момент 2 с- = и +4 Гд > а а лд тогда аналогично Ур дд -- Х С (2 ) et%" = S (д ) "5 (< ) 1, Л C Будем считать, что размеры образца нзменипись незначительно за промежуток времени между двумя сигналами, тогда можно записать . 5 (2л ) S (2, ) - S (Сл i Ь 2 ) - S (2,+ ь f „). (Ф ) Преобразуем выраженнеф ): -(1 4Х ) (Х1) . <хг+ьг,т)-8(Х ) kC фг. 8(х ьг )-Sé„) Ь(х,+ Х,)-8(х,) и„ ьг, 4 2. Отношение4г /4 ;характеризует во сколько раз изменился интервал времени между входом и вещество двух сигналов и выхо f5 дом их из исследуемого образца; Если напри- ° д мер, ь2„= T„, где Г - период акустических колебаний, излучаемых в вещество, то тод даьг = 1" - период колебаний, получаемых на выходе из вещества. Учитывая, что 1/Т= 30 где f частота колебаний получим д 42,/4г„=т,/т,= „„!;„,, где др и 1„ст - частота, соответственно, на выходе из нсспедуемого вещества (частота, принимаемая приемным пьезоэлементом) и на входе в вещество (частота источника упругих колебаний). Перейдем к пределу в выражении (5), при этом учитывая, что приИ,стремящемся 1 к ну ;.с)ьг также стремнтсяк нулю получимся «, 42,)-8(Х„) 5(Х,+О,)-УХ ) 42 4хо 4г ьг dS (t „> / ад<д;) с<т, > дд Ыс / df c(T ) (6) С другой стороны ист Е и —, 4ХО Ь 4 C Сравнивая (6) и (7) получим где С - скорость распр.странення упругих копебаний. 569923 ) ак видно из выражений (8) (9) вепич на сдвига частоты апредепяется отношением скоростей, взятых в моменты прохождения сигнала через границы вещества. Описываемьй эффект существенно нестационарный. 5 Если размеры вещества таковь., что за время прохождеиия ее акустическим сигналом скорость последнего иэменинась незначитепьно, ro ! ас С(Г ) - С(C ) + д Г, (10) дЧ (Г) В(1И)-%(o)j, {17) l5 где В - постоянная прибора. Выражение (17) показывает, что изменение фазы акустических копебаний прямо пропорционапьно средней по объему избыточной температуре. 20 Таким образом, измеряя одновременно изменение частоты и изменение фазы непрерывных акустических копебаний, прошедших через нагреваемое вещество, мы сможем копичественно изучать», термические превращения в образца. С (Г ) С(Г,) () Г с (t„) или окончательно (12 j dС,, etc ДЕ dt с(Е dt Тргда, выражение (12) запишется в виде *f = — =A "Е dc dE C Е Г- ДГ ас 35 где А - - ау- - д — — постоянная прибора; средняя по объему температура; д -, температурный коэффициент скорос ти. Таким образом, из выражения (13) видно, что изменение частоты прямо пропорционапьно скорости изменения средней по обьему температуры. Так как (п=2п, то вместо форму ы (13) можне записать 45 л )С и (14) С а дГ здесь Й- цнкпическая частота. Связь я между разностью частот и разностью фаз акустических копебаний, как известно, спедующая: Источники информации, принятые во внимание при экспертизе. 1. Агеев Н. В., Шойхет Д. С. Термический анапиз металпов и сппавов. Ленинг . инпустр. нн-т, 1936, 2. Freder (carson А F. Derived п f feren— Ьй6 . ЕЙГгtrro»E сигves. A)»»et Мiг»eraPog Е» 1954, 39, )4 .11-12. 3, Авторское свидотепьство СССР 60 N 315108, кп. Я Оl l4 25/02, 19» »9. откуда д Ч (Г ) = f д uu (t ) d Г о 1Дг=Х -Г ! 2 1 СИ) (и) Подставпяя (10) и (11) в (9) попучим dc ь = — " С (с) dt Пр» HBI реве можно записать Используя формулу (14), выражение (15! йерепишем в виде . уст dC ДУ(Г) =20 . 4 — - (Е (Г)-% (()) . (1б) С di (При получении формулы (16) мы попагали, что 3, 2 С (e) ° С (о) = С Со П 5Е AC jd Е = Ь СЮМ . Эти допущения можно пргнять с бопьаой точностью, если, например, диапазон изменения температур не спишком большой. Формупу (16) можно записать в виде Формуна изобретения Способ термического анализа вещества, основанный на измерении скорости измене-. ния температуры исспедуемого вещества в процессе его нагрева, о т и и ч а юDl cB тем, что, сцепьюповь»»пения точностн щий с анализа во время нагрева,в исспепуемом вещес ве вызывают непрерывные акустические коцо бания,регистрируя одновременно разность частот д| и разность фаз д j»fg) акустических колебаний на входе и выходе из исспедуемого вещества, и находят скорость и величину изменения средней по объему температуры по формупам: ЫЕ д j = А и a»Р(Г)"-3(Е (t)-Е (о)), где А,  — постоянные прибора; Š— средняя по обьему температура.
