Дифференциальный сканирующий калориметр

Полезная модель направлена на снижение уровня шумов и повышение стабильности измерений дифференциальным сканирующим калориметром. Термометры и нагреватели калориметрических камер, обычно устанавливаемые непосредственно на камеры, образуют многослойную конструкцию из материалов с различными теплофизическими характеристиками. При сканировании по температуре это служит причиной появления в такой конструкции микроперемещений и микронапряжений, которые становятся источником шумов и нестабильности. Предлагается изготавливать обе калориметрические камеры из одного листа металла методом штамповки. Для измерения разности температур между калориметрическими камерами к их донышкам привариваются проводники, образующие термопары с материалом камер. Такой же проводник, приваренный в месте теплового контакта листа с термостатом, образует с проводником от одной из камер другую термопару, обеспечивающую измерение температуры камер. Функцию дистанционных нагревателей выполняют излучающие инфракрасные светодиоды.

Полезная модель относится к термическому анализу. Дифференциальный сканирующий калориметр является прибором для термического анализа и предназначен для измерения температурных зависимостей теплоемкости и энергии различных фазовых и структурных превращений в исследуемых образцах. Уровень техники.

Существуют современные устройства, например, дифференциальные сканирующие; калориметры типа DSC, выпускаемые фирмой Perkin Elmer. (Уэндландт У. Термические методы анализа. Москва: Мир, 1978 г.).

Такую же конструкцию имеет и выпускаемая в настоящее время модель Diamond DSC фирмы Perkin Elmer (сайг фирмы: www.perkinclmer.com).

Прибор имеет две калориметрические камеры, в донышко каждой камеры вмонтированы термометр сопротивления и нагреватель. Камеры установлены на вертикальных стойках-держателях на расположенном под ними основании. Нагреватели и термометры сопротивления камер соединены с системой прогрева и компенсации, которая с помощью электронных систем регулирования обеспечивает изменение температуры камер по заданному закону и при этом поддерживает одинаковую температуру самих камер. Мощность компенсации, обеспечивающая равенство температур калориметрических камер, является результатом измерения. По ней определяют теплофизические свойства исследуемых образцов.

Аналогом также может служить и отечественный прибор ДСМ-10ма. (Бойко Б.Н. Прикладная микрокалориметрия: отечественные приборы и методы, Москва, Наука, 2006 г.).

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является дифференциальный сканирующий микрокалориметр по патенту 2331063 (МПК: G01N 25/20), выполняющий ту же функцию и включающий совокупность признаков, наиболее близкую совокупности признаков предлагаемой полезной модели. Он также имеет две калориметрические камеры с вмонтированными в донышки камер термометрами сопротивления и нагревателями, но эти камеры вмонтированы в плоскую шайбу, имеющую тепловой контакт с термостатом. В отличие от указанных выше аналогов, в этом приборе в нагреватели калориметрических камер поступает не вся энергия, необходимая для сканирования по температуре, а только ее часть, требуемая для поддержания постоянной разности температур между калориметрическими камерами и термостатом. Остальная энергия поступает за счет кондуктивного теплообмена по шайбе от термостата, который и осуществляет сканирование по температуре. В остальном принцип действия этого калориметра аналогичен описанному выше. Указанный ближайший аналог может быть принят в качестве прототипа.

Расположенные под донышком камер датчики температуры и нагреватели вместе с необходимыми средствами электрической изоляции, представляют собой многослойную конструкцию из разнородных материалов, имеющих различные теплофизические свойства. При изменении температуры в процессе измерения (сканировании по температуре) за счет различия в коэффициентах термического расширения в элементах такой конструкции появляются различные механические напряжения и происходят их взаимные микроперемещения. Микроперемещения вызывают изменение термического сопротивления между донышком, нагревателями и термометрами, за счет чего изменяются тепловые потоки через эти элементы. В результатах измерения это проявляется в виде дрейфа и шума. Работа по микроперемещению, выполняемая против сил трения, увеличивает регистрируемую прибором энергию, а ее невоспроизводимая составляющая также проявляется в виде дрейфа и шума.

Изменение внутренних напряжений в конструкции изменяет ее внутреннюю энергию, вызывая гистерезис - накопление энергии при повышении температуры и отдачу накопленной энергии при снижении температуры. В сочетании с микроперемещениями, это изменение энергии не воспроизводится при повторении условий измерения.

Нагреватели, прижатые к термометрам, имеют с ними достаточно сильную емкостную связь, по которой сигналом от нагревателя в цепи термометра наводится помеха.

Совместное действие описанных процессов приводит к искажению результатов измерения. Высокочастотная составляющая этих искажений увеличивает шумы, низкочастотная - дрейф. Исключение этих составляющих приведет к снижению шумов и повышению стабильности.

Раскрытие полезной модели.

Задачей предлагаемой полезной модели является снижение уровня шумов и повышение стабильности. Для этого термометр и нагреватель, закрепляемые на калориметрических камерах и являющиеся одним из источников шума, дрейфа и помех, заменяются термопарами, для которых одним из проводников служит сам материал калориметрических камер, и дистанционными нагревателями на излучающих инфракрасных светодиодах, не имеющих контакта с калориметрическими камерами.

В качестве датчика разности температур между калориметрическими камерами используются проводники, приваренные к донышкам калориметрических камер, образующие с материалом камер дифференциальную термопару.

Дополнительный проводник, приваренный к краю листа, образует с одним из проводников дифференциальной термопары другую термопару, которая измеряет температуру камер относительно термостата.

В качестве нагревателей калориметрических камер используются инфракрасные излучающие светодиоды, расположенные так, что излучение каждого попадает только на свою камеру.

Три указанных проводника передают в систему прогрева и компенсации информацию о температуре камер (для обеспечения сканирования) и о разности температур между камерами (для обеспечения компенсации).

Краткое описание чертежей.

На фигуре представлена структурная схема дифференциального сканирующего калориметра по предлагаемому техническому решению.

Осуществление полезной модели.

Согласно чертежу, две калориметрические камеры, имеющие вид цилиндрических углублений, выполненных методом штамповки в круглом металлическом листе 1, помещены внутри термостата 2. К каждой из камер и к краю металлического листа в месте его теплового контакта с термостатом, приварены проводники 3, образующие с материалом листа термопары. Эти проводники соединены со входами системы прогрева и компенсации 4, выходы которой соединены с двумя излучающими инфракрасными светодиодами 5, каждый из которых расположен под донышком своей калориметрической камеры соосно с ней. Современные облучающие светодиоды, например У-176 фирмы ОПТЕЛ (http://www.optelcenter.ru), имеют угол излучения порядка 7°. Поэтому их можно разместить так, что излучение попадает только на свою камеру. При радиусе камеры 5 мм расстояние от донышка до светодиода составит величину, равную 5/tg7°=40,7 мм, что позволяет расположить светодиоды снизу и вне термостата. Попадание излучения на калориметрические камеры в данной реализации обеспечивается отверстиями в дне термостата, одновременно выполняющими роль диафрагм, исключающих попадание излучения на другую камеру. При необходимости исключения теплообмена по воздуху между внутренней полостью термостата и окружением, эти отверстия могут быть закрыты светофильтрами, прозрачными для инфракрасного излучения.

При изготовлении калориметрических камер из нержавеющей стали, а проводников из константана, получаем термопару с ЭДС, равной 5 мВ при 100°С (пара железо-константан). Для сравнения широко применяемая пара медь-константан в этих условиях дает ЭДС, равную 4 мВ. (Руководство к лабораторным занятиям по физике, под редакцией Л.Л.Гольдина, Наука, Москва, 1973 г.

Система компенсации и прогрева представляет собой двухканальную систему регулирования с временным разделением каналов. В фазе компенсации работает канал компенсации, в фазе прогрева - канал прогрева.

В фазе компенсации канал компенсации подает сигнал, пропорциональный разности температур, но только на один из светодиодов - тот, температура которого ниже. Датчиком этой разности служит термо-ЭДС термопар, образованных проводниками, приваренными к калориметрическим камерам. По полярности этой термо-ЭДС определяется, какая из камер имеет более низкую температуру, и сигнал подается на светодиод этой камеры. В процессе работы этой системы регулирования поддерживается равенство температур калориметрических камер.

В фазе прогрева канал прогрева подает одинаковый сигнал на оба светодиода. Этот сигнал пропорционален разности между заданной постоянной величиной (Uo) и величиной термо-ЭДС термопары, образованной проводником от края металлического листа и проводником от одной из камер. В результате, учитывая, что система компенсации поддерживает равенство температур камер, за счет работы системы прогрева поддерживается постоянная разность температур между термостатом и камерами. Величина этой разности определяется заданным значением Uo.

В процессе измерения по определенному закону, обычно линейно меняется температура термостата. Канал прогрева обеспечивает, с постоянным положительным смещением по температуре, такое же изменение температуры камер. Допустим, для определенности, что температура линейно растет. Тепловая энергия, необходимая для повышения температуры камер, поступает за счет теплопроводности в виде теплового потока от термостата и за счет поглощения потока излучения от излучающих светодиодов по каналу прогрева. Если в одной из камер при определенной температуре происходит некоторый процесс, например, плавление, то этот процесс потребует дополнительной энергии. Эту дополнительную энергию в фазе компенсации поставляет светодиод, облучающий эту камеру. Сигнал компенсации, пропорциональный потоку излучения, и является результатом измерения в дифференциальном сканирующем калориметре. Этот сигнал пропорционален тепловому потоку компенсации и имеет размерность мощности.

Тепловой поток компенсации подается на разные камеры, в зависимости от того, выделяется или поглощается тепло в исследуемом образце. Чтобы обеспечить одинаковые пределы для тепловых эффектов как с поглощением тепла, таких как, например, плавление, так и с выделением тепла, как, например, окисление, тепловой поток на калориметрические камеры в фазе прогрева должен быть больше максимального значения мощности для данного диапазона измерения. Это условие является критерием для выбора величины Uo.

Таким образом, тепловой поток в фазе прогрева обеспечивает решение двух задач:

- поддерживает постоянную разницу температур калориметрических камер относительно термостата, компенсируя изменение этой разницы за счет изменения условий теплопередачи и теплообмена между термостатом и калориметрическими камерами;

- обеспечивает измерение эндотермических и экзотермических тепловых эффектов.

Известные методы калибровки сканирующего калориметра по температуре и энергии, (Бойко Б.Н. Прикладная микрокалориметрия: отечественные приборы и методы, Москва, Наука.2006 г.), позволяют измерить энергию исследуемых процессов, а калибровка по температуре и теплоемкости - теплоемкость.

Приведенный пример осуществления обосновывает возможность практической реализации предлагаемого технического решения с набором признаков, приведенных в формуле, обеспечение заявленного функционального назначения и достижение заявленного технического результата.

Дифференциальный сканирующий калориметр, содержащий термостат с системой сканирования по температуре, внутри которого помещены две калориметрические камеры, каждая из которых снабжена датчиком температуры и нагревателем, соединенными с системой прогрева и компенсации, отличающийся тем, что калориметрические камеры выполнены в виде цилиндрических углублений в круглом металлическом листе, к камерам приварены проводники, образующие термопары с материалом камер, такой же проводник приварен на краю листа в месте его контакта с термостатом, каждая из камер снабжена инфракрасным излучающим светодиодом, расположенным так, что его излучение направлено на эту камеру, а проводники и светодиоды соединены с системой прогрева и компенсации.