Способ измерения количества тепла и устройство для его реализации

 

1. Способ измерения количества тепла, состоящий в отводе вэделякщегося в исследуемом образце тепла к чувствительному калориметрическому элементу, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности .измерений, чувствительный калориметрический элемент деформируют в режиме релаксации эффективных напряжений и r по изменению скорости этой релаксации судят о величине тепловых эффектов. 2. Устройство для измерения количества тепла, содержащее цилиндрические ампулы с исследуеьмм и эталонным образцами и чувствительные элементы, отличающееся тем, что чувствительные элементы выполнены в виде металлических нитей, проходящих сквозь ампулы вдоль их оси и термостатированных в точках вне ампул, при этом в устройство введены узел деформации нитей, связанный с помощью силовых тяг с верхними и нижними их концами, датчик разности удлинения нитей, состоящий из корпуса с установленным внутри него, сердечником , и компенсирукщие удлинение нитей нагреватели, установленные в ампулах , при этом корпус датчика раз- . ности удлинения нитей соединен с i одной из нитей, а сердечник - с другой . Ч Ilib 00 ч

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕО (ИХ

РЕСПУБЛИН () 9) (1() (s()i С 01 К 17/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н *RYOPCtlOMY СЗИДВТВ ЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Ф (21) 3715273/24-10 (22) 11.01.84 (46) 23.08.85. Бюл. Â 31 (72) А.И.Осецкий и В.И.Трефилов (71) Институт проблем криобиологии и криомедицины AH Украинской ССР (53) 536.628. 1(088.8) (56) Вольфенден А., Эпнлтон A.Ñ.

Приборы для научных исследований.

1967, N 6, с. 38, 103-107. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА

ТЕПЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ. (57) 1. Способ измерения количества тепла, состоящий в отводе выделяющегося в исследуемом образце тепла к чувствительному калориметрическому элементу, отличающийся тем, что, с целью повышения точности .измерений, чувствительный калориметрический элемент деформируют в режиме релаксации эффективных напряжений и по изменению скорости этой релаксации судят о величине тепловых эффектов.

2. Устройство для измерения количества тепла, содержащее цилиндрические ампулы с исследуемым и эталонным образцами и чувствительные элементы, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что чувствительные элементы выполнены в виде металлических нитей, проходящих сквозь ампулы вдоль их оси и термостатированных в точках вне ампул, при этом в устройство введены узел деформации нитей, связанный с помощью силовых тяг с верхними и нижними их концами, датчик разности удли- g.

Ф нения нитей, состоящий из корпуса с установленным внутри него. сердечником, и компенсирующие удлинение нитей нагреватели, установленные в ампулах, при этом корпус датчика раз- . Я ности удлинения нитей соединен с одной из нитей, а сердечник - c другой.

117478

Л» л л

О, ="! Cp1 у

Изобретение огносится к теплофизическим исследованиям и может быть использовано для измерений количества тепла в процессе исследования различных кинетических явлений, таких как 5 фазовые превращения, химические и биохимические реакции, диффузионные процессы в гетерогенных системах и т.д.

Цель изобретения — повышение точ- 10 ности измерения количества тепла.

На фиг.1 представлена схема устройства для измерения количества тепла," на фиг.2 — ампула с жидкостью-.

Устройство содержит ампулы.1 и 2 15 с исследуемой 3 и эталонной 4 жидкостями, сквозь которые пропущены металлические нити 5 и 6 с площадью поперечного сечения Se и длиной 8о,,вакуумную камеру 7, объем которой ограни- 20 чен стаканом 8 и капкой 9 с отверстиями 10 и 11 для откачки камеры и напуска в нее газообразного гелия., и дьюаром 12 с криогенной жидкостью для охлаждения этой камеры. В каме- 25 ре 7 размещены опорная колонна 13 и две металлические нити 5 и 6. Ниж- ние конЦы этих нитей закреплены на опорной колонне 13, а верхние через вакуумно-плотные плунжерные штоки 14 и 15 связаны с идентичными механизмами нагружения. Эти механизмы выполнены в виде укрепленных на кронштейнах блоков 16 с перекинутыми через них стальными тросиками 17, к одним

35 концам которых присоединены штоки 14 и 15,. а к другим подвешены грузы 18.

Дополнительно устройство снабжено догрузочными винтами 19 и 20, перемещающимися вертикально с помощью редукторов 21 и электроприводов 22.

Винты 19 и 20 вместе с укрепленными на них держателями 23 грузов и грузами 24 служат для уменьшения или увеличения нагрузки на нитях в определенные моменты времени с определенными скоростями.

На нитях 5 и 6 в их средней части укреплены ампулы 1 и 2 с исследуемым и эталонным образцами соответ- 50 ственно. Ампулы имеют форму трубок, верхние и нижние концы которых закрыты фторопластовыми уплотнительными пробками 25 и укреплены так, что металлические нити проходят внутри 55 них вдоль осей ампул (фиг.2). На внешней поверхности ампул смонтированы нагреватели 26 для регулировки

7 г скоростей нагрева или охлаждения находящихся в них объектов, а внутри ампул смонтированы компенсирующие нагреватели 27 и 28, управляемые регулятором 29. Внутри ампул установлены также датчики 30 теьжературы.

Ампулы окружены подвешенным на нитях термостатирующим экраном 31 с нагревателем 32, позволяющим в процессе работы прибора поддерживать температуру экрана равной температуре ампул. Дополнительные нагреватели 33 и 34 предназначены для стабилизации и поддерживания определенных значений температуры металлических блоков 35 и 36, с которыми контактируют нижние и верхние концы металлических нитей.

Для измерения удлинения нитей 5 и

6 устройство снабжено датчиками 37 и

38 перемещения, измеряющими удлинение каждой из нитей в отдельности, а также датчиком 39, включенным дифференциально и измеряющим разность удлинений нитей. Все устройство смонтировано на плите 40 с антивибрационным фундаментом.

Перед началом измерений нить 5 (фиг.1) деформируется под действием внешних растягивающих усилий F(t) со скоростью 1 . В момент времени t соответствующий деформации Ям, увеличение внешней нагрузки прекращается и нить оказывается под действием постоянной во времени нагрузки Г„, Этому моменту соответствует некоторый характерный уровень эффективных напряжений < в деформируемой нити, равный

Fg

1 где " = — — внешние напряжения, 1 S o — характерный уровень

Си внутренних дальнодеиствующих напряжений в деформируемом образце.

В дальнейшем пластическая деформация нити происходит за счет активируемого движения дислокаций под действием эффективных напряжений с (&), а ее скорость описывается выражением (с ) & =, ехр 1- ), (2) КТ г " > где Q(V5=Uo{1- у;.г) - энергия. акти вации,;

787 (5) b Q =XU e(t), (4) 35

E(t) (6) 50

О -дТ (7)

Т ° ж- V

Зависимости от температуры вели чин Q и Ч* в описанных опытах имеют

55 Я

Q =КТ .1n. — = КТ с. а 1 Е 4 °

+ ° т Ч=Ч (— )" (9) т, (8) з 1174

У вЂ” средняя высота потенциальных барьеров, препятствующих движению дислокаций," — величина эффективных напряжений, необходимых для без- активационного продавливания дислокаций, n — параметр, зависящий от типа препятствий и лежащий в пределах 1-8; 10

E<> - коэффициент, зависящий от структуры и физических свойств используемой нити.

Для металлов с плотно упакованными решетками параметры и и < обычно f5 близки к значениям (2) и равны 10

В -1

10 с соответственно. Согласно теор+ рии пластичности величину 1,)() в выражении 2 можно представить в виде

Q()=Q,+дФЕ)». (3) л где Q =Q(,) — значение энергии акти1 вации в момент времени и (соответствующий деформации- образца . 25

Е

bQ

Я вЂ” увеличение энергии активации в процессе рассматриваемой ползучести за счет эффек-. 30 тов деформационного упрочнения.

При п=2 величину pQg можно записать как где Ж вЂ” коэффициент деформационного упрочнения; — активационный объем — деформация нити, про- 40 изошедшая с момента време.ни t< .

Из выражения (4) следует, что скорость наблюдаемой деформации K(t) непрерывно уменьшается со временем -45 по мере роста величины f (t). При этом в любой момент времени t можно дополнительно .уменьшить скорость наблюдаемой ползучести от соответствующего значения 1: = Я (г. ) до значения Еэ уменьшив приложенную к нити нагрузку до величины Р =Р -bF

Это обусловлено тем, что резкое уменьшение внешней нагрузки на b,F идентично уменьшению уровня эффективных напряжений на д " — д

5 и,следовательно, увеличению средней энергии активации, контролирующей активируемое движение дислокаций.

Если при этом подобрать величину b,F так, что возникающее уменьшение нагрузки F приводит к уменьшению скорости ползучести в момент времени

tz на. несколько порядков, т.е. выполняется условие E (Е то вы2) держка разгруженной таким образом нити в течение нескольких часов при достаточно низких температурах (Т <

«0»31Т,), ) не приводит к сколь-нибудь заметному изменению структуры нити. Поэтому, если внешние параметры (давление, температура) ° при которых находится нить в ампуле, за время выдержки не изменяются,восстановление внешней нагрузки до значения Ff должно вновь приводить к восстановлению скорости ползучести до значения Е2 . Этот факт хорошо подтверждается экспериментально на самых различных материалах. Однако, если за время выдержки нити под нагрузкой Ft (время Ь t=t>-t ) темпе-. ратура нити изменяется, например увеличивается от Т до т =т„ +Ьт» востановление нагрузки приводит к увеичению скорости ползучести до знае ния f Г

Я ехр — — 1 г к(т,+дт)

% где Qz=Q,+ сЧ Е>, E2 = с (t>) — деформация ползучести в момент времени.

t» т.е. непосредственно перед разгрузкой нити.

В дальнейшем скорость ползучести опять уменьшается и после увеличения деформации ползучести на некоторую величину дЕ опять становится равной

Я . Эта ситуация соответствует равенству

Я ехр — — )= 1 ехр кт, ) (g<+xU ьЯ, к(т, +дт)

Из выражения (6) легко определить величину д Я

11?4787 (»0) (12) 6 F=hP S

4 где c=ln —; Т =U /Kkn Ü/ .

О О 1:, Ос . значение активационного объема при температуре Т и деформации Я о 2 ) л" — Поэтому выражение (9) оЯ2 можно с достаточной для нас точностью записать в виде

I л»

Отношение > / для большинства металлов лежит в пределах 0,01-1, т.е, в среднем составляет величину 0,1. 15

Учитывая также, что дЯ = т/, 1 60 где Ь1т — удлинение нити, соответствующее деформации hfт, можно запи.сать выражение для оценки точности определения величины h Т

Устройство, реализующее предлагае-, мый способ, работает следующим образом (фиг.2).

Ампулы 1 и 2 укрепляются на нитях

5 и 6, заполняются исследуемым и . эталонным веществами соответственно и герметично закрываются пробками 25. ЗО

Затем, камеру 7 заполняют газообразным гелием или другим инертным газом, и она погружается в охлаждающую криогенную жидкость. После того, как находящиеся в ампулах образцы охлажда- 35 ются до заданной температуры Т< к нитям 5 и 6 прикладываются нагрузки

F» и F =К Р » и начинается их дефорZ мация в режиме неустановившейся ползучести. Скорость наблюдаемой ползу- о чести непрерывно уменьшается при этом от некоторого начального значения с» соответствующего скбрости деформации нити в момент приложения нагрузок.

Нагрузки F, и F подбираются таким 45

2 образом, чтобы, несмотря на возможную разность в площадях поперечного сечения нитей или некоторое различие в их структуре, как начальная скорость деформации 1=», так и кинетика умень-5О шения скорости ползучести со време, нем были одинаковыми в обеих нитях.

Для достижения этого и вводится корректировочный коэффициент К . Равенство скоростей деформации нитей 5 и 55

6 в любой момент времени проверяется по сигналу от датчика 39. Этот датчик включен дифференциально так, что его сердечник связан с нитью 5, а корпус — с нитью б. Поэтому при равенст-: ве скоростей их деформации сигнал на выходе датчика 39.равен нулю, В процессе подбора нагрузок Г» и F и подготовительного.деформирования нитей температура образцов в ампулах 1 и

»2 поддерживается постоянной и равной

Т>, Это достигается за счет отвода тепла от ампул к .ванне с криогенной жидкостью при помощи инертного газа и их нагрева с помощью нагревателей

26 с другой. В это же время включают,— ся нагреватели 32-34 и производится тепловая стабилизация прибора в течение 40-60 мин.

После описанной подготовки прибора камера 7 откачивается до вакуума

-6 7

10 -10 мм рт.ст. Одновременно происходит уменьшение нагрузки на нитях на величину где 6 Р=Р м -Р» " возникающая разность давлений на концы плунжерных штоков

14 и 15 (P» — давление в камере 7, Р— атмосферное давление, S — площадь поперечного сечения штоков).

В результате скорость ползучести. нитей уменьшается от некоторого значения Ez, соответствующего времени

t> качала откачивания камеры ?, до значения с сс f2 . С этого момента прибор способен эффективно работать в трех режимах.

Режим 1. Выключаются нагреватели. 26, и практически теплоизолированные один от другого и от внешней среды образцы выдерживаются в вакуумной камере в течение времени ht.

Промежуток времени Ьй выбирается в зависимости от особенностей измерения и интенсивности тепловыделения в исследуемом образце.. После выдержки к нити б, проходящей внутри эталонной ампулы, прикладывается догрузка g F, необходимая для восстановления относительной скорости ее деформации до значения E2 . Выполнение этой операции контролируется с помощью датчика 38. Затем с идентичной скоростью нагружения к нити

5, проходящей внутри ампулы с исследуемым веществом, прикладывается догрузка hF, =4Р /K . Если за время вы! держки at в исследуемом образце не происходит никаких дополнительных

1174787 процессов (по сравнению с этал сопровождающихся тепловыделени скорость деформации проволоки же восстанавливается до значе

Если же в образце по каким-либ чинам происходит выделение те средняя температура определенн участка нити длиной 1 повышае о за время gt до значения Т =Т +

2 1 и после приложения догрузки d.F .1 скорость деформации нити 5 воз

t ет до знанения Я z с . Соглас рассмотренной теории это приводи полнительному удлинению нити 5 .сравнению с нитью 6, на величи

68 =f (аТ)(выражение 13). В резул те на выходе датчика 39 возник сигнал, пропорциональный этой в чине. По сигналу от датчика 39 рег

29 включает компенсирующий нагре

28 в ампуле 2.3а счет выделяемого гревателем 28 тепла эталонный о зец и нить 6 также нагреваются до температуры Т, .что приводит Э выравниванию удлинений нитей 5 отключению компенсирующего нагр теля.

Считая тепло, выделяемое за

1 мя > t нагревателем .28, равным лу Q, выделившемуся за время at в исследуемом. образце, величину можно определить как

М

Q=R f Р (t)dt;

О где i — сила тока в нагревателе

R - его сопротивление.

Режим 2. Сразу поспе откачки меры 7 до вакуума 10 -10 мм рт скорости деформации нитей 5 .и 6 станавливаются до значения Е, -нагреватели 26 отключаются. В э случае возможный нагрев нити 5 счет тепловыделения в исследуем образце непрерывно компенсирует нагревателем 28, так что протек щие.тепловые эффекты регистрир в координатах Q-t. Суммарный те вой эффект в этс м.случае вычисл по формуле =l ж. < . о

Обычно скорости малы (E с

-8

10 с ). Поэтому тепловыделение онным), счет деформирования нитей 5 и 6 крайем, не незначительно и практически не

5 так- сказывается на результатах измерений. нияз-2 . Режим 3. После откачки камеры 7 и

5 .. о при- восстановления скоростей деформации пла, нитей 5 и 6 начинается нагрев ампул 1 ого и 2 с помощью нагревателей 26. Если тся в процессе нагрева в исследуемом об Т, 1р разце происходит дополнительное тепловыделение, оно компенсируется перираста- одическим включением нагревателя 28. но Регистрация тепловых эффектов в дант к до- ном случае производится в координапо 15 тах Q-Т. ну Если в исследуемом образце происьта- ходит не выделение, а поглощение тепает ла, во всех случаях устройство рабоели- тает по тому же принципу, с той лишь улятор 2О разницей, что датчик 39 включает ватель вместо нагревателя 28 компенсирующий" . на- нагреватель 27. Что касается долго- - бра - вечности нитей 5 и 6 в процессе работы прибора, то следует отметить, что

25 деформация Ь Е нитей, выполненных из меди, серебра, нержавеющих хромоникелиевых сталей, при их нагреве на несколько градусов в области темпера- . вре- тур Т с 200К не превышает 1Ж. В то

ЗО же время суммарная деформация этих

+ нитей до,момента их разрушения может

0 составлять 100Х, т.е. такие нити можно использовать десятки раз.

Использование предлагаемого спосо(13) З ба позволяет создать достаточно на1 дежные и простые в работе устройства, обладающие существенным преимуществом по сравнению с известными калориметрическими системами. Это преимущество заключается в том, что вос- чувствительность устройства увеличиа вается по мере понижения температуры измерений, достигая при температурах за

10 К значений -10 8. Вт.

45, Высокая точность предлагаемого меся тода связана с тем, что впервые в кааю- . честве элемента, чувствительного к уются тепловым воздействиям, используется пло- ансамбль дислокаций, находящихся в яется 50 состоянии активируемого движения через спектр локальных препятствий.

Использование этого принципа измеz. рений открывает новые возможности

10 - в построении различных теплофизичесза ких приборов.

1174787

Z$

22

1174787

Составитель В.Сарбаш

Редактор О.Вугир Техред Л.Иикеш Корректор Г.Решетник

Заказ 5175/43 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий l13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

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