Дифференциальный микрокалориметр (его варианты)

 

1. Дифференциальный микрокалориметр, содержаишй две калориметрические. язейки с измерительными термобатареями, усилительиндикатор и два регулятора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений при одновреме{шом . повышении разрешающей способности микрокалориметра , измерительные термобатареи соеда-. нены дифференциально и включены на вход усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатарея первой ячейки соединена с входом одного из ре1уляторов, вьшолненного астатическим, а его выход соединен с нагревателем первой ячейки и входом второго регулятора, на выход которого подключен нагреватель второй ячейки. (Л 35 X 1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (10. (51) 6 01 К 17/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Г1, ", (21) 3498398/18 — 10 (22) 05.10.82 (46) 23.01.84. Бюл. Р 3 (72) А. П. Платонов, О. С. Галюк, А. П. Горбачев и В. И. Кукушкин (71) Отделение Ордена Ленина института химической физики АН СССР (53) 536.628.3 (088.8) (56) 1. Кальве Э., Прат А. Микрокалориметрия. М., "Иностранная литература", 1963, с. 16.

2..Авторское свидетельство СССР N 290184, кл. G 01 К 17/08, 1969. (54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МИКРОКАЛОРИМЕТР (ЕГО ВАРИАНТЫ) . (57) 1. Дифференциальный микрокалориметр, содержаший две калориметрические. яяейки с измерительными термобатареями, усилительиндикатор н два регулятора, о т л и ч аю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений при одновременном . повышении разрешаюшей способности микрока. лориметра, измерительные термобатареи соединены дифференциально и включены на вход усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатарея первой ячейки соединена с входом одного из регуляторов, выполненного астатическим, а его выход соединен с нагревателем первой ячейки и входом второго регулятора, на выход которого подключен

-нагреватель второй ячейки. Я

1068741

2. Дифференциальный микрокалориметр, содержащий две калориметрические ячейки с измерительными термобатареями, усилительиндикатор и регулятор, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений при одновременном ловы. шенин разрешающей способности микрокалориметра, он снабжен мультивибратором и управляемыми ключами, а измерительные термоИзобретение относится к области тепловых измерений, в частности, к устройствам для ,сканирующей калориметрии, Известны микрокалориметры, которые содержат помещенный в термостат калориметри-: 5 ческий блок и установленные в нем две калориметрические ячейки, измерительные термо-, батареи которых включены дифференциально (1).

Наиболее близким к предлагаемому по 10 технической сущности и достигаемому результату является дифференциальный микрокалориметр, содержащий две калориметричсские ячейки с подключенными через усилители измерительными и компенсационными термобатареями, в котором включены дифференциально не измерительные, а компенсационные термобатареи и соединены с индикатором через резисторы так, что на индикатор поступает разность сигналов, сни маемых с этих резисторов и пропорциональных токам компенсационных термобатарей, т.е. тепловым потокам через каждую из ячеек. Выбором коэффициентов передачи Кч, К2 измерительных систем, образованных термобатареями ячейки и усилителем, и номиналов резисторов можно настроить прибор так, чтобы обеспечить равенство экви. валептных постоянных времени ячеек и вы.равнять чувствительность измерительных сис30 тем, а вследствие этого уменышпь нестабильность нуля прибора, связанную с исход. ной неидентичностью калориметрических ячеек (2).

Однако известный микрокалориметр, позволяя в определенной степени уменьшить не-3> стабильность нуля прибора и улупшпь его разрешающую способность, связанную с неидентичностью ячеек, настроенньй для работы на какой-либо одной температуре, не

1 может обеспеь высок то о B3vepe- 40 ний при изменении этой температуры из-за батареи соединены дифференциально и включены на вход усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатарея первой ячейки соединена с входом Регулятора, выполненного астатическим, à его выход через

I управляемые ключц > соединенные раздельными выходами мультивибратора, подключен к нагревателям ячеек. зависимости параметров компенсационных и измерительных термобатарей от температуры. В микрокалориметре требуется применение высокостабильных прецизионных усилителей, что усложняет прибор. Настройка такого микрокалориметра трудоемка и требует использования дополнительной контрольно-измерительной аппаратуры., Цель изобретения — повышение точности тепловых измерений в изотермическом и неизотермичееком режимах при одновременном повышении разрешающей способности микрокалориметра.

Поставленная цель достигается тем:,: что в диффереьщиальном микрокалориметре, содержащем две калориметрические ячейки с измерительными термобатареями, усилитель-индикатор и два регулятора, измерительные термобатареи соединены дифференциально и включены на вход усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатарея первой ячейки соединена с входом одного из регуляторов, выполненного астатическим, а его выход соединен с нагревателем первой ячейки и входом второго регулятора, на выход которого подключен нагреватель второй ячейки.. устройство по второму Варианту, содержа. щее две калориметрические ячейки с изме-, рительными термобатареями, усилитель-индикатор и регулятор, снабжен мультивибратором и управляемыми ключами, а измеритель. ные термобатареи соединены дифференциально и включены на вход усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатарея первой ячейки соединена с ходом регулятора, выполненного астатическим, а его вход через управляемые ключи, соединенные с раздельными выходами мультивибратора, подключен к нагревателям ячеек.

1068741

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого дифференциального микрокалориметра; на фиг. 2 — то же, другой вариант.

Дифференциальный микрокалориметр содержит опорную 1 и рабочую 2 калориметрические ячейки с измерительными термобатареями 3 и 4 и нагревателями 5 и 6, расположенными в непосредственной близости о. тепловоспринимающих поверхностей датчиков теплового потока — спаев термо- 1р батарей, усилитель-индикатор 7, регулятор

8 и 9. Регулятор 8 выполнен астатическим.

Измерительные термобатареи 3 и 4 соединены дифференциально на вход усилителя-индикатора 7. Вход регулятора 8 соединен с измерительной термобатареей 3, а выход— с нагревателем 5 и. кроме того, с входом регулятора 9, на выход которого подключен нагреватель 6. Выход усилителя-индика. тора 7 является выходом устройства. В ка-. 20 честве нагревателей 5 и 6 могут быть использованы обычно встраиваемые в ячейки калибровочные нагреватели. Устройство по второму варианту (фиг. 2)..содержит те же. элементы, а также ключи 10 и 11 и муль- 25 тивибратор 12, причем нагреватели 5 и 6 подключены к выходу регулятора 8 через ключи 10 и 11, соединенные с противоположными выходами мультивибратора 12.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

При нагреве микрокалориметра астатичес I кий регулятор 8 поддерживает на нагревателе «5 мощность, .при которой вся опорная ячейка 1 нагревается со скоростью нагрева микрокалориметра, так что сигнал с измерительной термобатареи 3 равен нулю. Мощность, выделяемая нагревателем 5, равна

Рд = С» "1/г, где С.л — приведенная

"внутренняя" теилоемкость ячейки 1, V скорость нагрева микрокалориметра.

Для этого, чтобы при .нагреве обеспечить стабильность нуля микрокалориметра, необходимо и рабочую ячейку 2 нагревать с такой же скоростью т . Тогда сигнал с измерительной термобатареи 4 тоже будет равен нулю., Необходимая для этого мощ, ность определяется выражением Р =02 г, где 02 — приведенная "внутренняя" теплоемкость ячейки 2. Следовательно, мощности, выделяемые в нагревателях опорной 1 и 50 рабочей 2 ячеек, должны удовлетворять соотношению л . Это соотношение поддерживается с помощью управляющего нагревателем 6 регулятора 9, коэффициент передачи которого по напряжению выбирается равным к=g, где В,1, R

Ял л сопротивление нагревателей опорной и рабочей ячеек соответственно.

I (Так как -Й

Цф 9 где 0 — выходное напряжение регулятора 9;

U — входное напряжение регулятора 9 и выходное напряжение регулятора 8;

09-Π— напряжения на нагревателях 5 и 6 соответственно, ц ц2. ц 4

Таким образом, тепловые потоки через термобатареи 3 и 4 отсутствуют, сигнал с каждой измерительной термобатареи равен нулю, и усилитель-индикатор 7 находится в нуле при любой скорости нагрева и при любой рабочей температуре.

Настройка микрокалориметра,для работы в режиме нагрева производится следую. щим образом.

Устав вливают в рабочую ячейку 2 исследуемый образец, а в опорную 1 — его ими. татор, При включеном нагреве микрокалориметра регулируют коэффициент передачи регулятора 9, так, чтобы сигнал на усилителе индикаторе 7 был равен нулю. Настройка проводится при отсутствии тепловых эффеков в ячейках, т.е. находящиеся в них объекты в процессе настройки не должны претерпевать превращений, связанных с выделением или поглощением тепла или изменением их теплосодержания, и,установившейся например максимальной, скорости нагрева.

Настройку микрокалориметра для работы в изотермическом режиме ведут аналогично, но при температуре микрокалориметра выше температуры окружающей среды.

Настройка, выполненная при одной скорости нагрева, сохраняется и при других скоростях нагрева, а настройка, выполненная при одной температуре, сохраняется и при дургих температурах выше температуры с..:ружающей среды. При смене же. объектов ис. следования (и имитаторов) настройки необходимо выполнить заново.

Устройство (фиг. 2) работает следующим образом.

При нагреве микрокалориметра астатический регулятор 8 поддерживает на нагревателе 5 опорной ячейки 1 мощность, необходимую для исключения теплового потока через термобатарею3, так что сигнал с измеритель ной термобатареи 3 равен нулю. При этом вся ячейка 1 нагревается со скоростью нагре ва микрокалориметра, а мощность, подаваемая в нагреватель 5 через управляемый одним из выходом мультивибратора 12 ключ 11, равна

1068741

«0 -Ы

Р-Е,Y,= ——

Rg tg+tg где U — выходное напряжение регулятора 8; - — длительности импульсов на управ1 5 ляющих ключами 11 и 10,соответсТВВННо выходах мультивибратора.

Лля того, чтобы при нагреве обеспечить стабильность нуля микрокалориметра, в нагреватель б через управляемый вторым выходом 10 мультивибратора ключ 10 подается мощность z 4%т = -

О. +а 2 +4

При этом для соблюдения условия

Р„»а, 15 Ж соответствующей настройки обеспечивается отношение длительностей импульсов на выходах мультивибратора. Я Ьв Ф. Qg L

Тогда вся рабочая ячейка 2 тоже нагревается со скоростью нагрева микрокалориметра, тепловой поток через термобатарею 4 отсутствует, и сигнал с нее равен нулю.

Поскольку тепловые потоки через термобатареи 3 и 4 отсутствуют и сигналы с них равны нулю усилитель-индикатор 7 находится в нуле при любой скорости нагрева и при любой рабочей температуре.

Настройка микрокалориметра для работы в ре жиме нагрева выполняется следующим образо;1.

Устанавливают исследуемый образец в рабочую ячейку 2, а имитатор в опорную ячейку

1. При включенном нагреве микрокалориметра

35 регулируют длительность импульсов на выходах мультивибратора 12 так, чтобы сигнал на усилителе-индикаторе 7 был равен нулю. Настройка проводится при отсутствии тепловых эффектов в ячейках, т.е. помещенные в них объекты в процессе настройки не должны претерпевать превращений, связанных с выделением или ноглощением тепла или изменением их теппосодержащя, и при установившейся, например

45 максимальной, скорости нагрева.

Настройку микрокалориметра для работы в изотермическом режиме ведут аналогично, но при температуре микрокалориметра выше температуры окружающей среды. Настройка, выполненная при одной, скорости нагрева, сохраняется для тех же объектов и при других скоростях нагрева, а настройка, выполненная . при одной темпсратуре, сохраняется и при других температурах выше температуры окружающей среды.

Такое выполнение предлагаемого калоримет ра позволяет в широком. диапазоне температур и скоростей нагрева исключить влияние. ; на стабильность нуля прибора различия чувствительностей измерительных термобатарей, инерционности калориметрических ячеек, ю вместе с исследуемыми обьектами, электрического и термического сопротивлений измерительных термобатарей,: а также их температурных изменений стабильность нуля, как было показайо, определяется лишь постоянством величины, пропорциональной произведению отношений приведенных теплоемкостей рабочей и опорной ячеек и электрических сопротивлений нагревателей этих ячеек, обеспечить которое не представляет труда (нагреватели калориметрических ячеек изготовляют из одного материала, регуляторы микрокалориметра и мультивибратор, выполненные на современной элементной базе, обладают достаточной стабильностью). Причем, в то время как в известном устройсгае предъявляются жесткие требования к стабильности и нуля и коэффициентов передачи всех усилителей, в предлагаемых устройствах один из регуляторов (астатический) должен иметь малый дрейф нуля (для полной компенсации "паразитного" теплового потока через измерительную термобатарею опорной ячейки), но к коэффициенту передачи его жестких требований не предъявляется, другой должен иметь стабильный коэффи-( циент передачи (для полной компенсации "параэитного" теплового потока через измерительную термобатарею рабочей ячейки), к стабильности же нуля этого регулятора могут предъяв-, ляться менее жесткие требования, так как подаваемый на вход регулятора сигнал имеет величину более 1 В, а коэффициент передачи близок к 1.

Настройка прибора предельно проста. Она не требует каких-либо измерений и применения дополнительной аппаратуры. Кроме того, прибор при одном и том же заполнении кало. риметрических ячеек не требует подстроек на разных температурах или скоростях нагрева.

1068741

Составитель А. Воробьев

Техрад С.Легеза

Корректор А. Тяско

Редактор О Бугир

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 11450/35 тир вг7

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

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