Устройство для автоматического определения параметров фазовых переходов кристаллических веществ

 

Союз Советсннк

Соцналнстнчесннк

Республик

<и> 1 1 1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, саид-ву (22) Заявлено 27.06,80. (21) 2948715/18-25 с присоединением заявки М (23) П рнорнтет (51)М. Кл.

G 01 N 27/02

3ЪеуаеретвенныН кемнтет

СССР по делен нзееретенн((н еткрытнй (53) УДК 543.257 (088.8) Опубликовано 07.03,82. Бюллетень М 9

Дата опубликования описания 07.03.82 (72) Автор изобретения

С. В. Бирюков (7() заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к области исследо.вания физико-химических свойств веществ. термическими методами, и в частности, пред- назначается для определения температур начала и конца плавления и формы фазово5

ro перехода исследуемого вещества.

Известно устройство для определения одной точки фазового перехода, которая принимается за температуру плавления вещества.

Устройство содержит нагревательный блок, (О внутри которого установлены измерительная ячейка с исследуемым образцом, через который проходит световой поток, поступающий на фотодатчик, датчик температуры, подключенный к схеме измерения температуры, регу($ лятор температуры, содержащий задатчик скорости прогрева, узел регулировки температуры установки. Данные о температуре плавления фиксируются на цифровом индикаторе. Форму фазового перехода можно ре20 гистрировать на внешнем самописце. Для определения температуры плавления перво1 начально устанавливают температуру установки

Туст, нагрев до которой происходит со сЖростью Чмакс. после выхода на режим стабилизации Туст выбирают скорость прогрева Чмнн и включают режим прогрева или охлаждения измерительной ячейки. Даль нейший процесс фиксации температуры плавления производится автоматически (1), Недостатком известного устройства является то, что точность и достоверность полученных результатов от выбора величины минимальной скорости прогрева Чмин, которую для сокращения времени анализа оператор может выбрать больше, чем это необ- . ходимо, и тем самым внести в результат измерения большую величину динамической погрешности, вызванную инерционностью измерительной ячейки, датчики температуры и капилляра . с исследуемым образцом. Причем величина динамической погрешности измерения зависит как от выбранной скорости прогрева, так и от разной величины теплоотдачи измерительной ячейки на разных участках температурного диапазона. Кроме этого, устройство не дает полной информации в начале и конце фазового перехода, а получен911291 ные данные может быть неоднозначно интерпретированы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для автоматического определения фазовых переходов кристаллических веществ, содержащее нагревательный блок, внутри которого установлены измерительная ячейка с нагревателем и исследуемым образцом, источник света, фотодатчик и датчик температуры„который подключен к схеме измерения температуры, а также согласующий усилитель, подключенный к фотодатчику, буферный каскад, первый дифференциатор, схему формирования запускающих импульсов, которая вырабатывает.запускающие импульсы для выдачи информации с цифрового индикатора на цифропечать и формирует метки начала и конца плавления на диаграмме:фазового перехода, регистрируемого на самописце, узел управления, который управляет включением (выключением) вентилятора, самописца и регулятора температуры, в состав которого входят второй дифференциатор, задатчик скорости нагрева,. узел регулировки температуры установки, усилитель рассогласования и синовой ключ.

Это устройство автоматически фиксирует на цифропечать температуры начала и конца . фазового перехода и его форму на самопи4иц С21.

Однако точность полученных данных зависит от правильности выбора, значения температуры, при которой осуществляется перекпючение скорости нагрева от максимальнои

Чмакс, до минимальной V,а также от величины скорости прогрева Чмнн,выбранной оператором на окончательном этапе анализа. Причем простое переключение от

Чмакс к Ч„пщ вызывает разную величину перегрева измерительной ячейки относительно идеальной кричой регулирования. Зона перегрева зависит от величины Чмакс . от разной теплоотдачи измерительной ячейки в разных точках температурного диапазона, oT инерционности измерительной ячейки с датчиком температуры. Поэтому оператор должен переключать скорости нагрева на 510 С ниже интервала темйератур, в котором может произойти фазовый переход, что увеличивает время анализа и снижает оперативность. Из-эа помех Hà этапе .быстрого разогрева могут возникнуть ложные срабатывания, что снижает достоверность результатов.

Цель изобретения — повышение точности и достоверности полученных результатов путем устранения влияния ошибок оператора на процесс измерения и за счет многократ20

3S

$$ ных измерений одного и того же исследуе- " мого образца.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для автоматического определения параметров фазовых переходов кристаллических веществ, содержащее измерительный блок, внутри которого установлены ячейка с исследуемым образцом и датчиком температуры, который подключен к схеме изме6 рения температуры, источник света, фотодатчик, который подключен к согласующему усилителю, вход которого одновременно свя-. зан с измерительным входом первого дифференциатора и измерительным входом буферного каскада, выход первого дифференциатора соединен со схемой формирования запускающих импульсов, первый выход которой одновременно соединен с управляющими входами цифропечатающего устройства и буферного каскада, второй выход схемы формирования эайускающих импульсов соединен с первым входом узла управления, первый и второй выходы которого соответственно соединены с самописцами и вентилятором, а также регулятор, в состав которого входит задатчик скорости нагрева, выход которого соединен с первым входом усилителя рассогласования, второй вход которого соединен . с выходом второго дифференциатора, выход

3я узла рассогласования соединен.с силовым ключом, который соединен с нагревателем ячейки, а также узел регулировки температуры установки, введено и + 2 узлов сравнения, источник опорных напряжений, узел выбора режима работы, причем, выход схемы измерения температуры одновременно соединен со входом второго дифференциатора и с первым входом Н +2 узлов сравнения, второй вход которых соединен с выходом

4 узла .регулировки температуры установки, третий вход N. + 1 узлов сравнения соединен с соответствующимц выходами источника опорных напряжений, выход первого узла сравнения соединен с .вторым входом узла управления, третий выход которого соединен с Н + 3:входом эадатчика скорости нагрева, остальные входы которого соединены с соответствующими -выходами Н + 2 узлов сравнения, выход й-ro узла сравнения одновременного, подключен к управляющему входу

$6 первого дифферейцнатора, дополнительныи вход задатчика скорости нагрева соединен с выходом узла выбора режима работы.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — 4 приведены диаграммы работы устройства; на фиг. 5 — пример выполнения узла сравнения; на фиг. 6. — диаграммы работы узла сравнения.

9l l 291

20

45

5

Устройство содержит нагревательный блок

1, в который входит измерительная ячейка

2 с нагревателем и установленным в ней капилляром с образцом 3 и датчиком 4 температурьг, источник 5 света, .фотодатчик

6, а также согласующий усилитель 7, пер. вый дифференциатор 8, схему 9 формирования запускающих импульсов, узел 10 управления, буферный каскад 11, схему 12 измерения температуры, второй дйфференциатор 13, усилитель 14 рассогласования, силовой ключ 15, узел 16 регулирования температуры установки, источник 17 опорных напряжений, узел 18N + 2 установки режима работы узлов 19 сравнения, задатчик

20 скорости нагрева, цифровой индикатор

21, цифропечатающее устройство 22, самописец 23, вентилятор 24.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец, помещенный в ка-. пилляр 3, устанавливается в измерительную ячейку 2 таким образом, что перекрывает световой поток, проходящий or источника

5 света к фотодатчику 6. С помощью узла

18 установки режима работы выбирают один из трех режимов; а) режим однократного запуска; б) режим запуска от стартовой температуры; в) режим циклического сканирования. Выставляют .температуру Туст, в пределах которой Туст А Е может произойти плавленые, с помощью узла 16 регулировки температуры установки. Включают нагрев измерительной ячейки 2, нажав кнопку 25

"нагрев".

Рассмотрим работу устройства в режиме однократного запуска. В исходном состоянии (до включения нагрева} t (t> нагрев измерительной ячейки отключен за счет подачи отрицательного напряжения 26 с выхода задатчика 20 скорости нагрева на первый

| вход усилителя 14 рассогласования, который закрывает силовой ключ 15.

Задатчик 20 скорости нагрева представляет собой управляемый делитель напряжения, на входы которого подаются логические сигналы 0 или 1, снимаемые с выходов узлов

19 сравнения И третьего выхода узла 10 управления. Комбинации логических состояний выходных напряжений с 1 по N узлов 19 сравнения определяют амплитуду выходного напряжения 26. Логические состояния N+ 1, N + 2 узлов 19 сравнения и состояние третьего выхода узла 10 управления определяют полярность выходного напряжения 26. В исходном состоянии напряжение, поступающее на вторые входы узлов 19 сравнения с выхода узла регулировки температуры установ, ки и пропорциональное Туст, больше, чем напряжение 31, поступающее на первые вхоЬ ды узлов 19 сравнения с выхода схемы 12 измерения температуры и пропорциональное температуре Тизм измерительной ячейки., За счет положительной разности напряжений все узлы 19 сравнения включены и подают сигнал логической 1 на 1-:N входы эадатчика 20 скорости. Поскольку с третьего выхода узла 10 управления на й-+ 3 вход эадатчи- . ка 20 скорости подается сигнал логического

О, его выходное напряжение 25 имеет отрицательную полярность максимальной амплитуды.

При нажатии кнопки 25 "Нагрев", (время на фнг. 2) со схемы 9 формирования запускающих импульсов снимается сигнал 27, который переключает состояние третьего выхода узла 10 управления и на N.+3 вход задатчика скорости нагрева 20 поступает сигнал логической 1. Полярность выходного напряжения 26 эадатчнка изменяется, положи тельное напряжение переключает усилитель

14 рассогласования, который включает силовой ключ 15, подающий питающее нанряжение на. нагреватель. Поскольку все узлы 19 сравнения, управляющие амплитудой напря25 жения 26, включены и подают сигнал логической 1, то напряжение 26 пропорционально максимальной скорости нагрева Чмакс. Скорость нагрева поддерживается постоянной с помощью замкнутой системы регулирования, включающей датчик 4 температуры, соединенной со схемой 12 измерения температуры, выходное напряжение 31 которой поступает на вход второго дифференциатора 13, с выхода которого на второй вход усилителя рассогласования поступает напряжение, пропорциональное скорости изменения температуры.

Если скорость нагрева ниже заданной величины, выходное напряжение второго дифференциатора 13 меньше, чем напряжение 26, и нагрев включен, если скорость нагрева превышает заданную величину Чмакс, нагрев отключается. Такое построение регулятора позволяет легко управлять величиной скорости нагрева измерительной ячейки 2, регулировкой амплитуды напряжения 26.

Одновременно. с управлением задатчика скорости нагрева 20 выходные напряжения

28 и 29 с первого и N-го узлов 12 сравнения подают сигнал логической 1 соответст-. венно на второй вход узла 10 управления и на управляющий вход первого дифференциатора 8. Поэтому на этане быстрого нагрева измерительной ячейки отключена запись на самописец 23 и отключен первый дифференциатор, за счет чего цепь обработки сигнала

30, поступающего с выхода согласующего усилителя 7, через первый дифференциатор

8 на схему 9 формирования запускающих

911291

3S импульсов, размыкается и исключается воэможность ложных срабатываний.

На третьи входы N+1 узлов 19 сравнения поступают опорные напряжении DV> — 4Vgyq с выходов источника 17, которые суммируются с выходным напряжением 31, поступающим со схемы измерения температуры на вторые входы узлов 19 сравнения. Это приводит к тому, что момент переключения узлов сравнения наступает раньше, чем Тизм = 10

= Туст, и сравняются йапряжения с выхода узла регулировки температуры установки 16 и напряжение 31 с выхода схемы 12 измерения температуры. Величиной опорного напряжения ЬЧ; определяется температура !

Тиэм $ = Туст — ЬТ;, при которой переключается 1и узел 19 сравнения.

Нагрев измерительной ячейки 2 с максимальной cKopoctblo Чмакс происходит до температуры измерительной ячейки Тиэм . щ

Туст. ЛЛ; после чего отключается первый из узлов 19 сравнения (время tl на фиг. 2), снимается управляющее. напряжение

28 с первого входа задатчика 20 скорости

I нагрева и второго входа узла 10 управления, что соответственно приводит к снижению величины скорости нагрева, а также к включению записи на самописец 23.Дальнейшее увеличение температуры измерительной ячейки приводит к поочередному отключению узлов

19 сравнения и соответствующему снижению скорости нагрева. При достижении температуры измерительной ячейки 2 значения Тиэм

= Туст — kg отключается й" узел 19 сравнения и снимается напряжение 29 с N входа задатчика 20 скорости нагрева и с управляющего входа первого дифференциатора 8. Это приводит к снижению скорости нагрева до величины Ч, и (время tq на фиг. 2), выбранной с учетом допустимой минимальной погрешности, вызываемой инерционными свойствами измерительной ячейки, датчика температуры и держателя исследуемого образца, а также к включению первого дифференциатора 8 в цепь обработки сигнала

30, снимаемого с выхода согласующего усилителя 7.

Напряжение 31, пропорцилнальное температуре измерительной ячейки, отражает корпус регулирования температуры Тиэм при изменении скорости нагрева от VMaKO при то <

50 ,< tТ1 до Туст — ЙТ, 55 разбивается на ряд подциапаэонов ЬТ;, в каждом иэ которых поддерживается скорость

V обеспечивающая кусочно-линейную аппроксимацию оптимальной кривой регулирования для данного типа измерительной ячейки и датчика температуры. По числу участков аппроксимации определяют количество Й узлов

19 сравнения .для формирования ступенчатого напряжении 26, управляющего скоростью нагрева измерительной ячейки.

В начале фазового перехода, при плавлении кристаллов световой поток, проходящий через исследуемое вещество, изменяется. Это изменение фиксируется фотодатчиком 6 и преобразуется в согласующем усилителе 7 в напряжение 30, которое через буферный кас. кад 11 регистрируется на самописце 23 в виде кривой плавления 32.

Одновременно напряжение 30 преобразуется в дифференциаторе 8 в напряжение 33, пропорциональное скорости изменения светового потока. При достижении скорости изменения светового потока через исследуемое вещество величины, принятой за начало плавления, и напряжение 33 достигает значения первого порога (время tz на фиг: 2), срабатывает схема 9 формирования запускающих импульсов, которая выдает первый импульс

34, соответствующий началу фазового перехода. Этот импульс одновременно поступает на запуск цифропечатающего устройства 22 и управляющий вход буферного каскада 11.

На цифропечатающее устройство 22 выводятся данные с цифрового индикатора 21 о температуре измерительной ячейки 2, преобразованные -в датчике температуры 4, который связан со схемой 12 измерения температуры, выходное напряжение 31 которой поступает на вход цифрового индикатора 21. При поступлении импульса 34 на управляющий вход буферного каскада на диаграмме плавления

32, регистрируемой на самописце 23, формируется метка, которая соответствует температуре начала плавления.

На конечном этапе фазового перехода, когда скорость плавления исследуемого вещества падает и напряжение 33 снижается до второго порогового уровня (время t4 на фиг.2), . схема формирования запускающих импульсов вырабатывает второй импульс 34, по которому на цифропечать 22 выводятся данные о температуре конца плавления, а на кривой плавления 32 формируется следующая метка.

Одновременно с этим, в схеме 9 формирова,ния запускающих импульсов вырабатывается импульс задержки 35 длительностью 57200 с, для завершения процесса плавления вещества. По окончанию импульса задержки

35 (время t на фиг. 2) напряжение 27 снимается с первого входа узла 10 управления, Узел управления. переключает логическое состояние третьего выхода и на N + 3 вход

911291

5

1S

2S

55 задатчика скорости нагрева поступает логический О. Это приводит к смене полярности напряжения 26 и отключению нагрева. Одно. временно с этим узел 10 управления включает вентилятор 24 для принудительного охлаждения измерительной ячейки 2.

При охлаждении измерительной ячейки до

Тизм = Туст >Tg включается узел сравнения и напряжение 29 вновь отключает первый дифференциатор 8 и прекращается обработка. входного сигнала 30, поступающего через согласующий усилитель 7 с фотодатчика 6. Дальнейшее охлаждение измерительной

1 ячейки до Тизм = Туст — ÜT приводит к включению первого узла 19 сравнения (время tq на фиг. 2) и отключению записи фазового перехода 32 на самописец 23 за счет подачи напряжения 28 на второй вход узла

10 управления.

В режиме запуска от стартовой температуры, первоначальный этап (время to — t> на фиг. 3) кривой регулирования 31 измерительной ячейки, представленной. на фиг. 3, совпадает с описанным ранее. После окончания первого процесса плавления (время t3 на фиг. 3) измерительная ячейка охлаждается со скоростью Ч цщ до температуры Тизм =

= Туст — DT@+,1 принимаемой за стартовую, при достижении которой устройство переходит в режим стабилизации температуры (время

t4 —.1 на фиг. 3) до следующего цикла плавления при t tq. В режиме запуска от стартовой температуры управление полярностью выходного напряжения 26 осуществляется одновременно через N+1 и N+3 входы задатчика

21 скорости нагрева. На эти входы поступают логические сигналы с выхода N+1 узла

10 сравнения и третьего выхода узла 10 управления. N+1 узел 19 сравнения включен . при Тизм < Туст = ЬТ,„и отключен при

Тизм ) Туст — Т1 +4 . Время включения (выключения) нагрева 5t в режиме стабилизации температуры Тизм = Туст — ЬТЬ1,1 определяется инерционными свойствами измерительной ячейки и датчика температуры.

При выборе оператором режима циклического сканирования, с помощью узла 18 установка режима работы, полярностью напряжения 27 управляет N + 2 узел 19 сравнения.

После выхода на режим нагрева со скоростью

Vtn n (время t> на фиг. 4) нагрев происходит независимо от окончания процесса плавления вещества до температуры Тизм = Туст +

+ Т11. (время t на фиг. 4), где 4Tgqg.— разность температур, определяемая N + 2 узлов 19 сравнения. После этого происходит переключение состояния N + 2 узла 19 сравнения и осуществляется охлаждения измерительной ячейки со скоростью Чжин до тем пературы Тизм = Туст — ЬТц+< (время

t4 на фиг. 4). Далее осуществляется следующее переключение (й+2у узла сравнения и происходит циклическое сканирование температуры измерительной ячейки относительно

Туст + Т Ч+5.

Каждый узел сравнения выполнен по схеме триггера Шмитга, который состоит иэ операционного усилителя 36 с резисторами

27 и 38, стоящими в цепи положительной обратной связи и с резисторами 39-41, подключенными к инвертирующему входу операционного усилителя и к соответствующим напряжениям 31, 42, ЬЧ;, снимаемым с выхода схемы измерения температуры, узла .гО регулировки Туст и i выхода источника опорных напряжений. Причем для N+ 1 узлов сравнения величины +ЬЧтм, определяемая отношением резисторов 33 и 37, выбирается большей, чем значение шума напряжения 31, для исключения многократных переключений операционного усилителя 36 (фиг. 6 a). Для и + 2 узла сравнения ЬЧи 2 = 0 и величина + ЬЧ1Ч выбирается из требуемого диапазона регулирования +ЬТщ.ь д (фиг. 66), Таким образом, устройство позволяет повысить тбчность и достоверность результатов

I за счет независимого от оператора оптимального нагрева измерительной ячейки на этапе выхода к зоне фазового перехода исследуемого вещества.

Возможность работы в трех режимах позво ляет оператору решать широкий спектр задач по определению параметров фазовых переходов как для одиночных, так и для с многократных измерений. Работа устройства в режиме циклического сканирования позволяет повысить точность и достоверность полученных результатов за счет многократного процесса плавления одного и того же образца, что позволяет использовать для обработки результатов методы статистической обработки.

Комплексный вывод данных о начале и кон45 це фазового перехода на цифропечать и самописец, полная автоматизация процесса управления скоростью прогрева, высокая помехозащищенность, работа в режимах однократного и циклического прогрева позволяет повысить оперативность анализа, точность и достоверность полученных результатов и расширить область применения устройства.

Формула изобретения

Устройство для автоматического определения параметров фазовых переходов кристаллических веществ, содержащее нагревательный

1l 9!129 блок, внутри которого установлены нагревательная ячейка с исследуемым образцом и датчиком температуры, который подключен к схеме измерения температуры, источник света, фотодатчик, который подключен к согласующему усилителю, вход которого одновременно связан а измерительным входом первого дифференциатора и измерительным входом буферного каскада, выход первого днфференикатора подключен к схеме форми- щ рования запускающих импульсов, первый выход которой одновременно соединен с управляющими входами цнфропечатающего устройства и буферного каскада, второй выход схемы формирования запускающих импульсов, подключен к первому входу узла управI ления, первый и второй выходы которого соолетственно. соединены с самописцем и вентилятором, а также регулятор, в состав которого входят задатчик скорости нагрева, выход которого, подключен к первому входу усилителя рассогласования, второй вход ко:, торого подключен к выходу второго дифферен-. циатора, выход узла рассогласования подключен к силовому ключу, который соединен с нагревателем измерительной ячейки, а также узел регулировки температуры установки, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и достоверности результа12 тов, .устроиство содержит N+2 узлов сравнения, источник опорных напряжений, узел выбора режима работы, причем выход схемы намерения температуры одновременно подключен ко входу второго дифференцнатора и к первым входам N + 2 узлов сравнения, второй вход которых подключен к выходу узла регулировки температуры установки, третий вход Й+ 1 узлов сравнения подключен к соответствующим выходам источника опорных напряжений, выход первого узла сравнения подключен ко второму входу узла управления. третий выход которого соединен с N+3 входом задатчика скорости нагрева, остальные входы которого подключены к соответствующим выходам N+2 узлов сравЮ нения, выход И узла сравнения одновременно подключен к управляющему входу первого дифференциатора, дополнительный вход эадатчика скорости нагрева подключен к выходу узла выбора режима работы.

Источники информации., принятые. во внимание нри экспертизе

1. Проспект фирмы "Megtlev." — Mettev

РРЫ fur eutometische SehmelzpunktbestimmullQ

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Н 2814636/18-25, кл. G 05 0 23/19, 1980 (прототип).

9l l 291

42 йЮу

Фца.5

Составитель М. КривенкоТехред М.Тенер Корректор Л. Бокшан

Редактор Н. Пушненкова

Подписное

Заказ 1110/29

Тираж 883

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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