CN203455299U - 热流型差示扫描量热仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于测量材料温度升降过程中热量变化量的热流型差示扫描量热仪，包括温度监控系统、数据计算记录系统和样品仓，所述样品仓底部设置有铜台，铜台上设置有至少一层形状为桶形的铜盖，铜盖倒扣在铜台上，在两者之间的内部形成封闭的样品空间；所述样品空间内设置与数据计算记录系统相连的半导体热电偶；在所述一级铜盖外围包裹有与温度监控系统相连的电热膜；在所述电偶和电热膜附近设置有与温度监控系统相连的铂电阻温度计。本实用新型测试仪，采用了高灵敏度的半导体热电偶作为温度测量部件和加热用的副热源，再加上铜台和铜盖保障测量环境温度稳定，可以进行精度更高的DSC测量，并且可以实现材料降温过程的DSC测量。

Description

热流型差示扫描量热仪

技术领域

本实用新型涉及一种用于材料热分析的差示扫描量热仪，具体的是热流型差示扫描量热仪。

背景技术

差示扫描量热法（differential scanning calorimeter简称DSC）在材料热分析领域是一种常用的分析方法，其基本过程在于对参照物和测试样进行程序控温，并且记录测试样与参照物在此过程中吸收(或放出)热量的差值，再绘制出这个热量差值与温度或时间的关系曲线，即DSC曲线。通过分析DSC曲线，不仅可以了解到测试样在升降温过程中是否出现吸热或者放热现象（例如晶体熔化时是吸热过程）,而且可以定量地测定出该过程中测试样发生吸放热时的温度和吸放热量的多少。

采用DSC的方法对材料进行热分析的仪器称为差示扫描量热仪（简称DSC测试仪），按照其工作原理不同，可以分为功率补偿型和热流型两种。

其中热流型DSC测试仪的基本原理是，对测试样和参照物同时加热，当测试样发生吸热或放热过程时，就会与参照物间形成温度差；仪器记录下这个温度差，并且将这个温度差通过一个装置系数(装置系数通过测量如单晶三氧化二铝等高纯度基准物质的热容量计算得到)换算为热量差，进而绘制出DSC曲线。

DSC测试仪的灵敏度和温度稳定性会影响DSC曲线的精度，进而影响到后期材料分析的准确性，所以具有更高分析精度的DSC测试仪仪器是业界追求的方向之一。

传统的热流型DSC测试仪，是采用普通热电偶作为温度传感器，并且采用电热炉进行加热，因此样品测试时，其测量精度比较低；另一方面，由于传统的热流型DSC仪器不具备使测量环境的温度降低的功能，所以无法进行样品降温过程的DSC测量；或者仅仅依靠诸如液氮或冰柜对测量环境温度进行影响，却无法实现降温过程的精准控制，导致无法得到测量样品准确的降温过程的DSC曲线。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种热流型差示扫描量热仪，相对于传统的热流型DSC测试仪，可以进行精度更高的DSC测量。

本实用新型采用的技术方案是：

热流型差示扫描量热仪，包括温度监控系统、数据计算记录系统和样品仓，所述样品仓底部设置有一级铜台，所述一级铜台上设置有至少一层形状为桶形的一级铜盖，所述一级铜盖倒扣在一级铜台上，在两者之间的内部空间形成封闭的样品空间；所述样品空间内设置有第一热电偶和第二热电偶，所述第一热电偶和第二热电偶分别与数据计算记录系统相连，且均为半导体热电偶；在所述一级铜盖侧面外围包裹有与温度监控系统相连的主热源；在所述第一热电偶和第二热电偶附近设置有第一温度计，在所述主热源上设置有第二温度计，所述第一温度计和第二温度计分别与温度监控系统相连，且均为铂电阻温度计。

进一步的，所述一级铜台上面设置有与温度监控系统相连的副热源，所述副热源上面设置有二级铜台，所述第一热电偶和第二热电偶设置在二级铜台的上表面，所述副热源是半导体热电偶，在所述副热源附近设置有第三温度计，所述第三温度计是铂电阻温度计，且与温度监控系统相连。

进一步的，所述样品空间内还设置有至少一层二级铜盖，所述二级铜盖形状为桶形，倒扣在二级铜台上，且罩住所述第一热电偶和第二热电偶。

进一步的，所述一级铜台和二级铜台上设置有阶梯型缺口；所述一级铜盖的尺寸与一级铜台上的阶梯型缺口尺寸相适应，且倒扣设置在阶梯型缺口上；所述二级铜盖上的尺寸与二级铜台上的阶梯型缺口相适应，且倒扣设置在阶梯型缺口上。

进一步的，所述一级铜台和二级铜台的截面均为圆形，其上的阶梯型缺口均为环形；所述一级铜盖和二级铜盖形状为圆桶形。

进一步的，所述主热源是电热膜。

本实用新型的有益效果是：采用本实用新型的DSC测试仪，相对于传统的热流型DSC测试仪，可以进行更高精度的DSC测量，绘制出分辨率更高的DSC曲线，并且可以实现降温过程的DSC测量。

附图说明

图1是本实用新型的热流型差示扫描量热仪的样品仓的主视示意图，图中温度监控系统和数据计算记录系统具体结构属于现有技术没有示出；

图中部件附图标记为：1-一级铜台、11-二级铜台、21-第一热电偶、22-第二热电偶、31-第一温度计、32-第二温度计、33-第三温度计、4-主热源、41-副热源、51-一级铜盖、52二级铜盖、6-样品空间、7-数据计算记录系统、8-温度监控系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

如图1所示：热流型差示扫描量热仪，包括温度监控系统8、数据计算记录系统7和样品仓，所述样品仓底部设置有一级铜台1，所述一级铜台1上设置有至少一层形状为桶形的一级铜盖51，所述一级铜盖51倒扣在一级铜台1上，在两者之间的内部空间形成封闭的样品空间6；所述样品空间6内设置有第一热电偶21和第二热电偶22，所述第一热电偶21和第二热电偶22分别与数据计算记录系统7相连，且均为半导体热电偶；在所述一级铜盖51侧面外围包裹有与温度监控系统8相连的主热源4；在所述第一热电偶21和第二热电偶22附近设置有第一温度计31，在所述主热源4上设置有第二温度计32，所述第一温度计31和第二温度计32分别与温度监控系统8相连，且均为铂电阻温度计。

作为一种基本的设计，所述样品仓底部是一级铜台1，一级铜台1上面倒扣设置有至少一层一级铜盖51，从而形成一个由铜材质封闭的样品空间6，由于铜材质本身导热性强，如果出现局部温度差异，可以迅速发生热传递，进而保障样品空间6内部温度稳定；一级铜盖51可以是一层也可以是多层，如果采用多层的一级铜盖51，其保温效果更好。如果采用多层一级铜盖51，铜盖大小要从大到小的依次倒扣在一级铜台1上，大的铜盖罩住小的铜盖，在最小的铜盖与一级铜台之间同样会形成封闭的样品空间6。

利用一级铜盖51外围包裹的主热源4通电加热后，即可在样品空间6内形成相对稳定的温度环境。设置在主热源4上的第二温度计31可以测试出主热源4的温度，并且发送给温度监控系统8，温度监控系统8按照预先设置好的程序，控制主热源4缓慢加热，即实现内部空间6的缓慢加热。

在所述样品空间6内设置有第一热电偶21和第二热电偶22，将测试样放置在第一热电偶21上，参照物放置在第二热电偶22上（根据情况可以是将材料放置在坩埚内，再将坩埚分别放置在热电偶上）。所述的第一热电偶21和第二热电偶22是采用半导体热电偶，半导体热电偶是由许多对P型和N型的半导体结构并列的连接组成。它具有塞贝克效应（Seebeck效应）,即上下两个结合面之间存在温度差的时候，两个面之间就会有电压，而且这个电压值与所用半导体材质和当前温度差值存在唯一的对应关系。

第一热电偶21和第二热电偶22是两个采用相同半导体材质的的半导体热电偶,它们与铜台接触的那一面用导线相互连通，使得这两个面的电压一致；放置测试样和参照物的那一面分别引出导线并连接到数据记录处理系统7上。当测试样和参照物之间出现温度差的时候，数据记录处理系统7就能获取此时第一热电偶21和第二热电偶22之间的电压值。

用这个电压值通过装置系数的换算,就可以计算出测试样和参照物之间的热量差。这里所述的装置系数是通过测量高纯度基准物质（例如单晶三氧化二铝）的热容量，再通过文献数据的校正计算得到的，装置系数是温度的函数。

关于装置系数的具体计算方法，可以采用如下的方式：

采用的升温速度为dT/dt，则测试样s和参照物r之间的热流束dQ/dt（即是单位时间内吸收或放出的热量）与它们之间的温度差ΔT(即是Ts-Tr)成正比，与测试样和参照物之间的热阻R成反比。即为公式：

dQ/dt=C．dT/dt=-ΔT/R（式1）

其中C为测试样与参照物之间的热容量差，参照物采用空坩埚，则C为测试样的热容量。

温度差ΔT可以通过第一热电偶21和第二热点偶22的电压差ΔE计算得到，它们之间的电压差ΔE和温度差ΔT成正比,即：

ΔT=ΔE/S（式2）

其中S为半导体热电偶的热电能。

进而得到以下的计算公式：

dQ/dt=C．dT/dt=-ΔT/R=-ΔE/(R．S)（式3）

把R．S用装置系数K表示，上式就可以写成C．dT/dt=-ΔE/K，即：

K=-ΔE/（C．dT/dt）（式4）

因此，要计算出装置系数K，只需要用高纯度基准物质（例如单晶三氧化二铝）作为测试样，用和装测试样的坩埚同样材质和重量的空坩埚作为参照物，检测出测试样在一定的升温速度dT/dt下的各个温度对应的电压差ΔE，然后从基准物质的数据库里面查到单晶三氧化二铝在各个温度的热容量值C，利用上面的式4，就可以计算出在此升温速度dT/dt下装置系数K与温度的函数关系，进而计算出温度提升过程的测试样与参照物之间的热量差。

再将这个热量差值和温度监控系统8记录的相应温度值，绘制在一张温度为横坐标，热量为纵坐标的图纸上，即可得到DSC曲线。

本实用新型的仪器采用的半导体热电偶的热电性能远远高于传统仪器采用的普通热电偶，使得最终绘制出的DSC曲线在纵坐标方向更加精细，从而大幅提高了仪器的测试灵敏度。

为进一步加强样品空间6内的温度控制精准度：可以在所述一级铜台1上面设置有与温度监控系统8相连的副热源41，所述副热源41上面设置有二级铜台11，所述第一热电偶21和第二热电偶22设置在二级铜台11的上表面，所述副热源41是半导体热电偶，在所述副热源41附近设置有第三温度计33，所述第三温度计33是铂电阻温度计，且与温度监控系统8相连。

利用半导体热电偶作为副热源41，是利用了它的帕尔帖效应（Peltier效应），即半导体热电偶的两个面有电压差时，高压的那个面就会向低压的面释放热量，导致两个面间有温度差。

温度监控系统8利用第一温度计31监测测试样品的温度，利用第二温度计32监测主热源4的温度，利用第三温度计33监测副热源41的温度。再通过控制副热源41上下两个面之间的电压，从而实现精确的控制仪器的升温或降温过程。

在升温测试过程中：当温度监控系统8发现主热源4温度比预设程序要求的温度高，温度监控系统8就可以通过调节副热源41上下两个面的电压实现从放置样品的面向下面释放热量，以减少样品最终吸收的热量；如果主热源4温度比程序要求的温度低，温度监控系统8可以控制副热源41从下面向放置样品的面释放热量，以增加样品吸收的热量。从而实现副热源41对主热源4的加热过程中温度与理想温度的偏差和跳动进行补偿，使得实际的加热过程变得更加稳定而且缓慢，最终绘制出的DSC曲线在横坐标方向会更加精细。此外，以上的实施方式，还可以将样品仓放置于保温瓶中，以加强测量过程的温度稳定性。

同样的原理，利用半导体热电偶的帕尔帖效应（Peltier效应），可以实现材料降温过程的DSC测量。实施方式可以是：将主热源4关闭，温度监控系统8通过控制副热源41上下两个面的电压，实现放置样品面向下释放热量，使得样品温度精确缓慢的降低。

以上实施方式适用于在室温环境下使用，本实用新型的DSC测试仪还可以在冷冻环境中使用，例如在柜冻内中，或者是液氮环境中。利用冷冻环境已经达到的低温，再配合副热源41进行精确降温，从而扩展测试样的在低温区的检测范围。

其实施方式可以是：将本测试仪放置于冷冻的环境（根据情况也可以是仅仅将测试仪的样品仓放置于冷冻环境），例如放置于冷冻柜中。温度监控系统8通过控制副热源41上下两个面的电压，实现放置样品面向下释放热量，使得样品温度降低，如果温度监控系统8监测到样品温度低于预设程序的温度（表示此时环境温度下降过快），则温度监控系统8控制副热源41从下面对放置样品的面放热，使得样品温度按照预设程序缓慢的下降。进一步的，温度监控系统8还可以控制主热源4与副热源41一起加热，实现样品温度缓慢下降。

而传统的DSC测试仪，仅仅利用液氮或冰柜实现测量环境降温的方法，无法实现精确控制降温过程。所以使得本实用方式的DSC测试仪可以绘制出更精准的降温过程的DSC曲线。

针对以上的实施方式，还可以在所述样品空间6内还设置有至少一层二级铜盖52，所述二级铜盖52形状为桶形，倒扣在二级铜台1上，且罩住所述第一热电偶21和第二热电偶22。

这种实施方式中，在一级铜台1上设置有至少一层一级铜盖51，在二级铜台11上还设置有至少一层二级铜盖52，大铜盖罩住小铜盖，形成更紧密的保温空间。进一步保障测量环境温度稳定。

为加强铜盖与铜台之间的密封效果，可以在所述一级铜台1和二级铜台11上设置有阶梯型缺口；所述一级铜盖51的尺寸与一级铜台1上的阶梯型缺口尺寸相适应，且倒扣设置在阶梯型缺口上；所述二级铜盖52上的尺寸与二级铜台11上的阶梯型缺口相适应，且倒扣设置在阶梯型缺口上。

铜台上阶梯型缺口的设置，可以让铜盖紧密而稳定地放置在相应的位置，不会出现晃动和倾斜。每级铜台的直径和铜盖的内径尺寸一致，铜台与铜盖接触面的加工精度越高，它们之间的密闭性就越好，铜盖与铜台之间的热传导性也越好，最终形成的空间热稳定性效果也越好。另一方面，铜盖与铜台的接触更紧密有利于对环境空气的隔绝，减少空气对流提高空间温度稳定性。

以上所述所有的实施方式中，所述铜台和铜盖可以任何形状，只要能让铜盖倒扣在铜台上形成封闭的样品空间6即可，优选的可以是所述一级铜台1和二级铜台11的截面均为圆形，其上的阶梯型缺口均为环形；所述一级铜盖51和二级铜盖52形状为圆桶形。这种实施方式形成的圆柱形样品空间6内温度分布更加均匀，有利于测量准确性。

以上所有实施方式中的主热源4可以采用现有技术中的各种能够实现加热功能的装置，优选的可以是电热膜。利用电热膜可以方便的均匀包裹在第一铜盖51外侧，有利于保障样品仓内加热均匀。

Claims (6)

1.热流型差示扫描量热仪，包括温度监控系统（8）、数据计算记录系统（7）和样品仓，其特征在于，所述样品仓底部设置有一级铜台（1），所述一级铜台（1）上设置有至少一层形状为桶形的一级铜盖（51），所述一级铜盖（51）倒扣在一级铜台（1）上，在两者之间的内部空间形成封闭的样品空间（6）；所述样品空间（6）内设置有第一热电偶（21）和第二热电偶（22），所述第一热电偶（21）和第二热电偶（22）分别与数据计算记录系统（7）相连，且均为半导体热电偶；在所述一级铜盖（51）侧面外围包裹有与温度监控系统（8）相连的主热源（4）；在所述第一热电偶（21）和第二热电偶（22）附近设置有第一温度计（31），在所述主热源（4）上设置有第二温度计（32），所述第一温度计（31）和第二温度计（32）分别与温度监控系统（8）相连，且均为铂电阻温度计。 

2.如权利要求1所述的热流型差示扫描量热仪，其特征在于，所述一级铜台（1）上面设置有与温度监控系统（8）相连的副热源（41），所述副热源（41）上面设置有二级铜台（11），所述第一热电偶（21）和第二热电偶（22）设置在二级铜台（11）的上表面，所述副热源（41）是半导体热电偶，在所述副热源（41）附近设置有第三温度计（33），所述第三温度计（33）是铂电阻温度计，且与温度监控系统（8）相连。 

3.如权利要求2所述的热流型差示扫描量热仪，其特征在于，所述样品空间（6）内还设置有至少一层二级铜盖（52），所述二级铜盖（52）形状为桶形，倒扣在二级铜台（1）上，且罩住所述第一热电偶（21）和第二热电偶（22）。 

4.如权利要求2或3所述的热流型差示扫描量热仪，其特征在于，所述一级铜台（1）和二级铜台（11）上设置有阶梯型缺口；所述一级铜盖（51）的尺寸与一级铜台（1）上的阶梯型缺口尺寸相适应，且倒扣设置在阶梯型缺口上；所述二级铜盖（52）上的尺寸与二级铜台（11）上的阶梯型缺口相适应，且倒扣设置在阶梯型缺口上。 

5.如权利要求4所述的热流型差示扫描量热仪，其特征在于，所述一级铜台（1）和二级铜台（11）的截面均为圆形，其上的阶梯型缺口均为环形；所述一级铜盖（51）和二级铜盖（52）形状为圆桶形。 

6.如权利要求1所述的热流型差示扫描量热仪，其特征在于，所述主热源（4）是电热膜。 

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