Устройство для измерения тепловых потоков

 

Изобретение относится к измерительной технике, а точнее к устройствам для количественного измерения тепла, и применяется для измерения и исследования тепловых потоков путем использования дифференциального режима. Устройство содержит две реакционные ячейки, термостат и измерительную схему. Термостат представляет собой термоизолированную печь с возможностью изменения температуры до 1200^oС с контролируемой скоростью и поддержанием температуры при термостатировании не менее ±1^oС. Измерительная система состоит из цифровых вольтметров. Реакционные ячейки представляют собой керамические сосуды, выполненные из вакуум-плотного электролита и снабженные в верхней внешней части бортиками, образующими емкости для исследуемого образца (пробы) (S) и индифферентного вещества сравнения (эталона) (R), платинированные изнутри с примыкающим положительным токоотводом. В верхней части сосуда содержится гетерогенная смесь типа окись-закись с примыкающим к ней отрицательным токоотводом. Техническим результатом изобретения является то, что предложенное устройство позволяет путем использования дифференциального режима увеличить разрешающую способность для исследования и измерения тепловых потоков при повышенных температурах. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения тепловых потоков, а точнее к устройствам для количественного измерения тепла, поглощающегося или выделяющегося при нагреве, превращениях и других физико-химических процессах и при экспресс-анализе на чистоту и полноту прохождения промышленных синтезов, моделировании технических процессов, определении КПД термоэлементов, промышленном контроле после закалки и деформации и т.д.

Известно устройство (Авторское свидетельство СССР 1571431, 5 марта 1987 г. ), относящееся к технике измерения тепловых потоков, а точнее к устройствам для количественного измерения тепла, поглощающегося или выделяющегося при нагреве, превращениях и других физико-химических процессах и при экспресс-анализе на чистоту и полноту прохождения промышленных синтезов, моделировании технических процессов, определении КПД термоэлементов, промышленном контроле после закалки и деформации и т.д.

Известное устройство содержит термостат, в котором размещена реакционная ячейка с датчиком температуры и датчиком теплового потока с двумя металлическими электродами, соединенными с измерительной схемой. Реакционная ячейка представляет собой сосуд типа "стакан в стакане". Внутренний стакан выполнен из вакуум-плотного керамического электролита, емкость между стенками стакана изолирована, содержит металлический электрод и равновесную смесь окиси и закиси меди, которые контактируют между собой и с керамическим электролитом, а во внутреннем стакане расположен второй металлический электрод.

Недостатком известного устройства для исследования тепловых потоков является невозможность исследования тепловых потоков в дифференциальном режиме путем сравнения электрохимических потенциалов двух реакционных ячеек, содержащих исследуемый объект и эталон.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение разрешающей способности для исследования и измерения тепловых потоков путем использования дифференциального режима.

Указанная задача решается предложенным устройством.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - дифференциальная схема.

Устройство содержит две реакционные ячейки (1), термостат (2) и измерительную схему (3). Термостат (2) представляет собой термозолированную печь с возможностью изменения температуры до 1200^oС с контролирумой скоростью и поддержанием температуры при термостатированиии не менее ±1^oС. Измерительная система (3) состоит из цифровых вольтметров.

Реакционные ячейки (1) представляют собой керамические сосуды (4), выполненные из вакуум-плотного электролита и снабженные в верхней внешней части бортиками (5), образующими емкости для исследуемого образца (пробы) (S) и индифферентного вещества сравнения (эталона) (R), платинированные изнутри (6) с примыкающими к нему индикационными платиновым токоотводами (7,8), насыщенными кислородом воздуха. Тепловыделяющими и теплопоглощающими образцами (S) могут быть любые вещества и системы веществ. В качестве эталона (R) используются вещества, не имеющие тепловых эффектов в температурном интервале исследований.

Внутри сосудов находятся гетерогенная смесь типа окись-закись (9), например окись-закись меди, и другие токоотводы (10,11), являющиеся электродами сравнения, насыщенные кислородом, давление которого соответствует давлению кислорода над гетерогенной смесью окись-закись.

При работе устройства в термостате (2) устанавливается постоянная температура в пределах от 500 до 1200^oС, и токоотводы обоих реакционных сосудов (7,8,10,11) присоединяются к измерительной системе (3) по дифференциальной схеме, изображенной на фиг. 2. Такое подключение позволяет одновременно с регистрацией электродвижущей силы (Е) электрохимической ячейки под образцом в изотермическом режиме [Е(Т) на контактах 7,10], проводить также измерение (на контактах 7,8) разности ΔЕ ячеек, находящихся в контакте с исследуемым образцом (S) и эталоном (R) (индифферентным веществом сравнения). В стационарном режиме (без теплоизменений в образце и эталоне) электродвижущая сила на контактах (7,10) пропорциональна температуре нагревательной системы, а на контактах (7,8) близка к нулю. При изменении температуры все процессы, проходящие в образце (S), отражаются в виде пиков на дифференциальной кривой (ΔЕ на контактах 7,8).

Устройство может быть реализовано на основе электрохимических ячеек типа Pt;CuO,Cu₂O|0.83 ZrO₂•17 Y₂O₃O⁼|Pt;O₂(воздух), [1] Pt;FeO,Fe₃O₄|0.83 ZrO₂•17 Y₂O₃|Pt;O₂(воздух), [2] Pt;Ni,NiO|0.83 ZrO₂•17 Y₂O₃O⁼|Pt;O₂(воздух), [3] Pt;Cu,Cu₂O|0.83 ZrO₂•17 Y₂O₃|Pt;O₂(воздух), [4] Pt,Co,CoO|0.83 ZrO₂•17 Y₂O₃O⁼|Pt;O₂(воздух), [5] Pt;Fe,FeO|0.83 ZrO₂•17 Y₂O₃|;O₂(воздух), [6] где Pt, CuO,Cu₂O; Pt, FeO, Ре₃O₄; Pt, Ni, NiO; Pt,Cu,Cu₂O; Pt, Co, CoO; Pt, Fe, FeO - твердофазные электроды сравнения (CuO,Cu₂O; FеО, Fе₃О₄; Ni, NiO; Cu, Cu₂O; Co, CoO; Fe, FeO - равновесные гетерогенные смеси окись-закись); 0.83 ZrO₂ *17Y₂O₃ - керамический электролит с избирательной проводимостью по кислороду; Рt(O₂) - газовый электрод (платиновая фольга, насыщенная кислородом воздуха или равновесным давлением кислорода над смесью окись-закись). Рабочие температуры электрохимических ячеек от 500 до 1200^oС. Чувствительность к изменению температуры составляет для ячеек [1-6] 0.52, 0.49, 0.47, 0.40, 0.40, 0.37 мВ/град соответственно.

Чувствительность к изменению температуры предложенного устройства от 37 до 52 раз выше чувствительности известных устройств подобного назначения и зависит от выбора электрохимической ячейки, на основе которой выполнено устройство.

Таким образом, предложенное устройство позволяет путем использования дифференциального режима увеличить разрешающую способность для исследования и измерения тепловых потоков при повышенных температурах.

Формула изобретения

Устройство для измерения тепловых потоков, содержащее измерительную систему и термостат с размещенными в нем датчиками тепловых потоков, выполненными в виде сосудов из вакуум-плотного керамического электролита с двумя металлическими токоотводами и содержащие внутри гетерогенную окислительно-восстановительную смесь типа окись-закись, отличающееся тем, что устройство содержит два датчика тепловых потоков, снабженных в верхней внешней части бортиками, образующими емкость для исследуемого объекта или эталона, платинированные изнутри с примыкающим положительным токоотводом, а в верхней внутренней части сосуда содержащий отрицательный токоотвод.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2