DE1241149B - Kalorimeter - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 42 i -16/01

Nummer: 1241149

Aktenzeichen: C 33106 LX b/42 i

J 241 149 Anmeldetag: 11.Juni 1964

Auslegetag: 24. Mai 1967

Die Erfindung betrifft Kalorimeter zur Bestimmung der in einer Meßprobe durch deren Behandlung mit einer Kernstrahlung erzeugten Wärme mit mindestens zwei identischen Zahlen, von denen eine die Meßprobe und die andere eine Vergleichssubstanz enthält und die mit Thermoelementen zur Messung der Temperatur an einander entsprechenden Stellen der Zellen und mit Heizwiderständen, deren Heizleistungen einstellbar sind, ausgestattet sind.

Es sind elektrisch kompensierte Differentialkalorimeter bekannt, in denen die durch Kernstrahlung in der Probe frei gewordene Wärmemenge ausschließlich durch Messung elektrischer Größen bestimmt wird. Diese Kalorimeter enthalten zwei identische Zellen, die beide eine flüssige oder feste Probe, deren Erwärmung unter dem Einfluß der Strahlung gemessen werden soll, aufnehmen können. Jede der beiden Zellen ist von einem elektrischen Widerstand umgeben und über einen wärmeleitenden Verbindungszylinder an einen metallischen, fest mit der Gefäßwand verbundenen Sockel angeschlossen. Zwei gegeneinandergeschaltete Thermoelemente erlauben es, die Temperaturunterschiede in zwei homologen bzw. einander entsprechenden Punkten der Verbindungszylinder zu ermitteln. Die Messung wird durch vorherige Erwärmung der beiden Zellen mit Hilfe der elektrischen Widerstände so vorgenommen, daß sich die elektromotorischen Kräfte der beiden Thermoelemente gerade aufheben; dann werden die beiden Zellen der Bestrahlung unterworfen, schließlich wird die der Zelle zugeführte elektrische Leistung so lange reduziert, bis sich wieder (entgegengesetzte) Gleichheit der elektromotorischen Kräfte einstellt.

Es läßt sich zeigen, daß die in der Probe von der Strahlung ausgelöste Wärmeleistung gleich ist dem Unterschied der elektrischen Leistungen, die an die Zelle mit der Probe für die beiden Gleichgewichtsbedingungen abgegeben werden. Dazu wird angenommen, daß die Leistung w, die an eine Zelle abgegeben werden mußte, damit in der Temperaturverteilung entlang dem Verbindungszylinder die gleichen Effekte auftreten, wie sie auf Grund der Erwärmung der Zelle durch die Strahlung bewirkt werden, für beide Zellen gleich ist; diese Annahme gilt nur, wenn die beiden Zellen gleicher Strahlung unterworfen werden.

Nun ist es jedoch häufig nicht möglich, das Kalorimeter so anzubringen, daß auf die beiden Zellen der gleiche Strahlungsfluß trifft. Die Messung der in der Probe frei gewordenen Wärmemenge / ist also mit einem absoluten Fehler Aw behaftet, der von der Größe des Unterschiedes der »Strahlungserwärmung« Kalorimeter

Anmelder:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris
Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz und DipL-Ing. K. Lamprecht,
Patentanwälte, München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Fernand Ayela,

Verrieres-le-Buisson, Seine-et-Oise;
Henri Derrien, Clamart, Seine (Frankreich)

—

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 13. Juni 1963 (938 055)

in den beiden Zellen ist. Der relative Fehler -^- kann im Falle leichter Materialien, wo / relativ schwach ist, recht beträchtlich werden.

Es ist ein Differentialkalorimeter bekannt, bei dem zwei Probenbehälter, die sich im Inneren eines auf konstanter Temperatur gehaltenen Raumes befinden, mit der zu untersuchenden Substanz gefüllt werden können. Die Probenbehälter sind beide mit Heizwiderständen und Thermoelementen ausgerüstet. Die Messung erfolgt dann in der Weise, daß die durch eine zeitweilige Aufheizung nur eines der Probenbehälter in diesem erzeugte Temperaturdifferenz gegenüber dem zweiten unbeheizten Probenbehälter ermittelt wird. Auch diese bekannte Einrichtung läßt sich jedoch für die Ermittlung der durch den Einfluß einer Kernstrahlung in der Meßprobe erzeugten Wärme nur dann mit hinreichender Meßgenauigkeit einsetzen, wenn gewährleistet werden kann, daß beide Probenbehälter dem gleichen Strahlungsfluß ausgesetzt werden.

Schließlich ist ein Kalorimeter beschrieben, bei dem vier Probenbehälter in einem Gefäß vereinigt sind, die jeweils mit einem Thermoelement ausgestattet sind. Die Thermoelemente sind paarweise zusammen-

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gefaßt, und die Paare sind einander über Galvanometer entgegengeschaltet. Auf diese Weise gelingt es zwar, den Einfluß von Änderungen der Umgebungstemperatur auf das Meßergebnis auszuschalten, die Abhängigkeit von dem Bestrahlungsgrad für die verschiedenen Probenbehälter bleibt jedoch bestehen, ja sie verstärkt sich noch insofern, als es absolut unmöglich ist, alle vier auf einem Kreis um die Mittelachse des gemeinsamen Gefäßes angeordneten Probenbehälter in gleichem Maße zu bestrahlen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kalorimeter anzugeben, dessen Meßergebnisse von Strahlungsflußunterschieden in den einzelnen Zellen unabhängig sind, so daß es nicht erforderlich ist, das Kalorimeter in bestimmter Weise auf die Strahlungsrichtung auszurichten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Vergleichszellen symmetrisch zu einer Meßzelle angeordnet und die Thermoelemente der drei Zellen derart über ein Meßgerät zusammengeschaltet sind, daß an dem Meßgerät eine Differenz zwischen der elektromotorischen Kraft des Thermoelements der Meßzelle und dem Mittelwert der elektromotorischen Kräfte der Thermoelemente und der Vergleichszellen feststellbar ist.

Durch die zur Lage der Meßzelle symmetrische Anordnung der Vergleichszellen ist der Einfluß der Kernstrahlung bei jeder beliebigen Einfallrichtung für die jeweils nähere Vergleichszelle gerade um so viel größer, als er für die jeweils entfernbare Vergleichszelle kleiner wird. Der Mittelwert der elektromotorischen Kräfte der Thermoelemente der beiden Vergleichszellen wird also von der Einfallsrichtung der Kernstrahlung unabhängig und liefert so einen zuverlässigen Vergleichsmaßstab für die elektromotorische Kraft des Thermoelements der Meßzelle.

Die weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Zellen geht aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei im folgenden ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch das Kalorimeter gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

F i g. 3 eine schematische Ansicht der Schaltung der zu den Kalorimeterzellen gehörigen Thermoelemente, im Schnitt entlang der Linie III-III der F i g. 1 dargestellt.

Das in den F i g. 1 und 2 abgebildete Kalorimeter enthält einen äußeren Mantel, der von einem metallischen Hohlzylinder 2 gebildet wird und an dessen Ende ein metallischer Sockel 4 angebracht ist. Der Sockel trägt drei identische Zellen, die zwei Nebenzellen 6 und 8 und die mittlere Zelle 10, welche nebeneinander in einer Ebene angeordnet sind, und zwar so, daß die beiden Nebenzellen symmetrisch zur Hauptzelle liegen. Jede Zelle kann als Aluminiumzylinder 12, der in den Sockel 4 eingeschraubt wird, ausgebildet sein, und die Heizdrähte können in einem an oberen, freien Ende jedes Zylinders angebrachten Gewinde sitzen. Dieses mit Gewinde versehene Ende der Zylinder 12 ist vorher oxydiert worden, so daß es mit einer Schicht von Aluminiumoxyd überzogen ist, weiche die Heizdrähte von den Zylindern isoliert.

Die zu untersuchende Probe 16 ist auf die Hauptzelle aufgepreßt, deren Heizwiderstand vorher mit Aluminiumoxyd überzogen wurde, einmal um die Probe zu isolieren, dann auch um einen besserer Wärmekontakt zwischen Zylinder und Probe zi gewährleisten. Die Thermoelemente (nicht abgebildet) die zur Messung der Temperaturänderungen dei Zylinder dienen, bestehen aus Aluminium und Konstanten, wobei der Aluminiumzweig von den Zylindern 12 und dem Sockel 4 gebildet wird und der andere Zweig aus Konstantandrähten besteht, die mit der jeweiligen Zylindern an entsprechenden Punkten

ίο verbunden sind. Der Kontakt zwischen den Zylinderri und den Konstantandrähten ist durch mechanischen Druck gewährleistet.

Die Heizdrähte und die Drähte der Thermoelemente sind an Kupferdrähte gelötet (nicht abgebildet), welche in einer durchlöcherten zentralen Aluminiumplatte 18 festgelegt sind, die ebenfalls oxydiert ist und in deren Löchern Durchführungen aus Aluminiumoxydperlen sitzen. Diese Platte weist an ihrer Unterseite, in Höhe der zentralen Zelle 10, einen auf F i g. 2 sichtbaren Ausschnitt auf.

Das Schaltschema der Thermoelemente zeigt die F i g. 3; die Konstantandrähte 19 und 21, die von den Nebenzellen 6 und 8 ausgehen, sind über einen Widerstand 20 miteinander verbunden, und ein Galvanometer 22 ist zwischen der Mitte dieses Widerstandes und den Konstantandraht 23 eingeschaltet, der von der zentralen Zelle 10 ausgeht.

Die Arbeitsweise dieses Kalorimeters soll nun in ihrem Prinzip beschrieben werden.

Im weiteren Verlauf werden die folgenden Bezeichnungen benutzt:

e₀ elektromotorische Kraft des zur Hauptzelle 10 gehörigen Thermoelements;

ej und e_s elektromotorische Kräfte der zu den Nebenzellen 6 und 8 gehörigen Thermoelemente;

P₀ Leistung, die von dem zugehörigen Heizwiderstand an die Hauptzelle abgegeben wird;

P₁ und P₂ Leistungen, die von den elektrischen Heizwiderständen an die entsprechenden Nebenzellen 6 und 8 abgegeben werden;

W₀, W₀± AWLeistung, die notwendig ist, um in den betreffenden Zellen entlang den Zylindern die gleiche Temperaturverteilung aufrechtzuerhalten, wie sie durch die Erwärmung auf Grund der

Strahlung in den Zellen erzeugt wird;

/ in der Probe erzeugte und zu messende Wärmemenge.

Man kann dann schreiben:

e₀ = /c₀P₀₎
e_x = Ic₁P₁,

e₂ = ^2 Pi >

wobei k₀, Ic₁ und Zc₂ Proportionalitätsfaktoren sind, die von dem Anteil der Wärme, die vom Zylinder zum Sockel geleitet wird und infolgedessen von den Wärmeverlusten der Zelle, von der geometrischen Anordnung, vom Wärmeleitungskoeffizienten der Zylinder und von den thermoelektrischen Größen des zu jeder Zelle gehörenden Thermoelementes abhängen.

Claims (3)

Wenn die von den Heizwiderständen an die Zellen abgegebenen Leistungen gerade so bemessen sind, daß kein Strom im Galvanometer fließt, gilt ohne einfallende Strahlung: Ic0P0 ei + e„ IO (1) Wenn man das Kalorimeter der Strahlung aussetzt und dann die der zentralen Zelle mittels des Heiz-Widerstandes zugeführte Heizleistung auf einen neuen Wert P0' reduziert, so daß kein Strom im Galvanometer 22 fließt, hat man: e0' = k0(P0'+I.+ W0), ei = Ie^P1+ w0 +AW), e* =Zc2(P2 + W0 -AW). Unter der Annahme, daß der Abschirmeffekt der Probe auf die Hautpzelle vernachlässigt werden kann, was wegen der geringen Ausdehnung der Probe gerechtfertigt ist, besonders wenn man leichte, schwach absorbierende Materialien untersucht, und daß außerdem die Veränderung des Strarilungsfiusses zwischen den Zellen linear ist, so gilt: , *x + ej Dann kann man schreiben: Ie0 (P0'+ 1+ W0) = Tc1 (P1 + W0 + AW) + Ie2 (P2 + w0 — AW) Bei Berücksichtigung von Gleichung 1 ergibt sich: P0' + Ie1 + k2 2 Ien -1 W0 + hi 1c% 2 Ien AW. (2) Da nun die beiden Nebenzellen gleich sind und im Kalorimeter symmetrische Lagen einnehmen, so gilt: Ic1 — Iei — Ie, und der Ausdruck Ie1 Ie^i 2 Ie0 AW, der die Differenz der »Strahlungserwärmungen« beinhaltet, verschwindet. Auch wenn die Zellen (Haupt- und Nebenzellen) keine symmetrische Lage im Kalorimeter einnehmen, sind die Koeffizienten Je und Ie0 nur wenig verschieden; infolgedessen ist der Ausdruck Ie klein gegenüber / und kann im allgemeinen vernachlässigt werden. Der genannte Korrekturterm kann jedoch experimentell bestimmt werden, und sein Auftreten ist weniger unangenehm als das des Terms A W, der unbekannt bleibt. Man kann also schreiben: / = P0-P0'. Mit anderen Worten, die Wärmeleistung, die in der Probe frei wird, läßt sich aus dem Unterschied zweier elektrischer Leistungen bestimmen, die mit großer Genauigkeit gemessen werden können. Das Kalorimeter entsprechend der Erfindung erlaubt also eine sehr genaue Messung der durch Strahlung in festen und flüssigen Stoffen erzeugten Wärme; im Falle flüssiger Stoffe kann die Probe in das hohle Ende des Zylinders eingebracht werden, was den Meßprozeß erleichtert. Patentansprüche:

1. Kalorimeter zur Bestimmung der in einer Meßprobe durch deren Behandlung mit Kernstrahlung erzeugten Wärme mit mindestens zwei identischen Zellen, von denen eine die Meßprobe und die andere eine Vergleichssubstanz enthält und die mit Thermoelementen zur Messung der Temperatur an einander entsprechenden Stellen der Zellen und mit Heizwiderständen, deren Heizleistungen einstellbar sind, ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Vergleichszellen (6 und 8) symmetrisch zu einer Meßzelle (10) angeordnet und die Thermoelemente (19, 21 und 23) der drei Zellen (6, 8 und 10) derart über ein Meßgerät (22) zusammengeschaltet sind, daß an dem Meßgerät (22) eine Differenz zwischen der elektromotorischen Kraft desThermoelements (23) der Meßzelle (10) und dem Mittelwert der elektromotorischen Kräfte der Thermoelemente (19 und 21) der Vergleichszellen (6 und 8) feststellbar ist.

2. Kalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (10) und die Vergleichszellen (6 und 8) als fest mit einem gemeinsamen Sockel (4) verbindbare Hohlzylinder ausgebildet sind und der Sockel (4) seinerseits fest mit einem Gehäuse (2) verbunden ist, das die Zellen (6, 8 und 10) umgibt.

3. Kalorimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Heizdrähte elektrisch isoliert in die Gänge einer von außen in die Zellenwandung eingeschnittenen Gewindes eingelegt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

USA .-Patentschriften Nr. 3 022 664, 3 059 471, 800 793;

Tonindustrie-Zeitung und Keramische Rundschau, 1954, erstes Beiheft, S. 5.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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