DE1473303C3 - Vorrichtung zur Untersuchung von Umwandlungswärmen einer Materialprobe - Google Patents

Description

ment auf Null regelbar ist, wobei die Differenz Es ist eine Vorrichtung zur Messung der in ver-

der der Probe und dem Bezugskörper zugeführ- formten Metallen gespeicherten Energie bekannt ten Energien ein Maß für die Umwandlungswär- (L. M. Clarebrough u. a., »The determination of men liefert, dadurch gekennzeichnet, 20 the energy stored in a metal during plastic defordaß in dem für beide Heizelemente (H_s, H_r) ge- mation« in Proc. of the Royal Society, 1952, Band A meinsamen Zweig der Heizstromkreise eine kon- 215, S. 507 bis 524), die nach diesem Prinzip arbeitet, stante Spannungsquelle (50) angeordnet ist und Es werden dort die Heizenergiedifferenzen gemessen,· daß die der Temperaturdifferenz (A T) proportio- die notwendig sind, um eine Probe und einen geringnale Spannung einmal in die getrennten Teile 25 fügig anderen Bezugskörper auf gleicher Temperatur (54, H_s; 56, H_r) der Heizstromkreise mit gegen- zu halten, wenn beide in ihrer Temperatur geändert sinnigen Polaritäten eingespeist und zum anderen werden.

als Maß für die Differenz (AW) der den beiden Um den Wärmefluß von oder zu der Probe und

Heizelementen zugeführten Leistungen einem An- dem Bezugskörper in bezug auf ihre Umgebung gezeige- oder Registrierinstrument (61) zugeführt 30 ring zu halten, sind beide von einem gemeinsamen wird. Schutzringofen oder einem Heizkörpergehäuse um-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- geben. Außerdem sind die Probe und der Bezugskennzeichnet, daß die konstante Spannungsquelle körper gegeneinander ziemlich gut isoliert. Das bevon der Sekundärwicklung eines Netztransforma- heizte Gehäuse ist gegenüber dem Außenraum isotors (50) gebildet wird, die einerseits mit beiden 35 Hert. Zwei Differential-Thermoelemente messen einHeizelementen (H_s, H_r) und andererseits mit einer _mal die Temperaturdifferenz zwischen dem Bezugs-Mittenanzapfung der Sekundärwicklung eines körper und dem beheizten Schutzringgehäuse und Transformators (52) verbunden ist, auf dessen _ZUm anderen Temperaturdifferenz zwischen Probe Primärwicklung die der Temperaturdifferenz (A T) _Und Bezugskörper. Außerdem erfolgt mit geringer proportionale Spannung (IcAT) als netzfrequente 40 Genauigkeit eine Messung der tatsächlichen Tempe-Wechselspannung geschaltet ist, und daß die En- _ratur des beheizten Gehäuses.

den dieser Sekundärwicklung mit je einem Heiz- Die relative Temperatur von Gehäuse und Be-

element (H_s, H₁.) verbunden sind. zugskörper wird benutzt, um, mittels einer vormagne-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- tisierbaren Drossel, die gemeinsame Leistungszufuhr kennzeichnet, daß die Heizelemente (H_s, H_r) zu- 45 zu den einzelnen Heizelementen zu regeln, die sowohl sätzlich parallel an der Sekundärwicklung eines die Probe als auch den Bezugskörper beheizen. Die zweiten Netztransformators (48) eines Tempera- Temperaturdifferenz zwischen Probe und Bezugsturprogrammreglers zur Regelung des Tempera- körper wird benutzt, um die vormagnetisierbare Dros- _β turmittelwertes der Probe und des Bezugskörpers sei zu regeln und dadurch den dem Probenheizeleliegen und daß die Heizkreise für die Tempera- 5° ment zugeführten Energiebetrag zu ändern (zu verturdifferenzregelung und für die Temperaturpro- ringern), falls die Probentemperatur von der Begrammregelung über Dioden (54, 56, 58, 60) ent- zugstemperatur abweicht (höher als diese wird). Die koppelt sind. ~'^Λ " " den beiden Heizelementen zugeführte" Leistung kann

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- ungefähr 5 Watt betragen, während der Unterschied kennzeichnet, daß für die Temperaturprogramm- 55 zwischen der der Probe zugeführten Leistung und der regelung ein von einem Motor (44) verstellbares dem Bezugskörper zugeführten Leistung im allge-Sollwertpotentiometer (42) vorhanden ist, daß mit meinen weniger als 250 Milliwatt beträgt. Dieser Undem Sollwertpotentiometer (42) ein Tachometer- terschied sollte mit einer Genauigkeit von 0,5 Milligenerator (64) gekuppelt ist, der eine Rückführ- watt gemessen werden. Das erfordert ein hochpräzispannung auf den einen Eingang eines Verstär- 60 ses Differentialwattmeter, wie es beispielsweise in kers (66) gibt, und daß der Motor über den Ver- Journal of Scientific Instruments, 1953, Bd. 30, S. 282 stärker (66) von einer festen Spannung gesteuert und 283, erwähnt ist.

wird, der die der Temperaturdifferenz proportio- Beim Betrieb der vorbekannten Anordnung wird nale Spannung in einem die Motordrehzahl ver- _eia _VOn einem Motor verstellbarer Autotransformator mindernden Sinne überlagert ist. 65 benutzt, um die Temperatur des Schutzring-Ofengehäuses zu programmieren (nach einer Aufheizzeit von etwa 10 Minuten, während welcher Leistung sowohl dem Ofen als auch den einzelnen Heizelementen

3 4

zugeführt wird, bis die Gleichgewichtstemperatur er- proportional der Heizleistungsdifferenz ist, so daß

reicht ist). Der Motor läuft mit einer solchen Ge- also die Leistungsdifferenzmessung auf eine reine

schwindigkeit, daß die Temperatur des Gehäuses um Spannungsmessung zurückgeführt ist, die eine An-

etwa 6⁰C pro Minute (bis zu einer End temperatur zeige und Registrierung mit üblichen Instrumenten

von ungefähr 500° C) ansteigt. 5 gestattet.

Die Vorrichtung regelt die mittlere Energie, die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den gemeinsam sowohl der Probe als auch dem Bezugs- Figuren dargestellt und im folgenden beschrieben, körper durch die einzelnen Heizelemente zugeführt Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgewird, und zwar derart, daß die Temperatur des Be- mäßen Gerätes für die Differential-Thermoanalyse; zugskörpers (mit einer Genauigkeit von ¹Ao⁰ C) die io F i g. 2 ist ein schematisches Schaltbild der Ausgleiche bleibt wie die des Gehäuses. Gleichzeitig führungsform nach Fig. 1;

hält der Differenz-Regelkreis (mit der gesteuerten F i g. 3 ist ein schematisches Schaltbild einer AbDrossel) die Temperatur der Probe mit einer Ge- Wandlung des Gerätes von Fig. 2; nauigkeit von ¹Ao⁰ C auf der Temperatur des Bezugs- Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung einer körpers. Somit wird die Gehäusetemperatur program- 15 Probeneinheit, die bei der erfindungsgemäßen Anmiert, während die Temperatur des Bezugskörpers Ordnung verwendet werden kann; dicht bei der des Gehäuses und die Temperatur der F i g. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie 6-6 von Probe sehr dicht bei der des Bezugskörpers gehalten Fig. 4;

wird- F i g. 6 ist eine Oberansicht einer Probenschale, die

* Bei der bekannten Anordnung erfolgt ein Eingriff 20 bei der erfindungsgemäßen Anordnung benutzbar ist;

in die Heizenergie zur Kompensation der an der F i g. 7 zeigt einen Schnitt längs der Linie 8-8 von

Probe auftretenden Umwandlungswärme nur einseitig Fig. 6.

auf der Seite der Probe. Auf der Seite des Bezugs- In Fig. 1 wird eine Temperaturführungsgröße T_p körpers geschieht gar nichts. Eine Temperaturdiffe- einem geeigneten Subtraktionskreis 14 zugeführt. Dierenz zwischen Probe und Bezugskörper, die vorüber- 25 sem Kreis 14 werden weitere Signale von den Teilergehend auftritt und den Regelungsvorgang auslöst, kreisen 16 und 18 zugeführt. Der Kreis 16 erhält ein ergibt sich auf diese Weise ausschließlich als Tempe- Signal T_s proportional der Temperatur der Probe, raturänderung der Probe gegenüber dem Gehäuse, und der Kreis 18 erhält ein Signal T_r proportional der die durch einen entsprechenden Eingriff auf der Pro- Temperatur des Bezugskörpers. Das Ausgangssignal benseite kompensiert werden muß. Eine solche Un- 30 des Kreises 14 wird somit proportional symmetrie kann zu Meßfehlern führen, insbesondere

wenn das Gehäuse nicht wie bei der vorbekannten \\ T +T

Anordnung mit großem Aufwand thermisch isoliert '^v~— ^S~l—~ ·

und beheizt ist. Bei der vorbekannten Anordnung ist . für die Messung der Heizenergiedifferenzen außerdem 35

ein relativ aufwendiges Differential-Wattmeter erfor- Dieses Signal stellt die gewünschte Solltemperatur

derlich. minus der mittleren Temperatur T_av des Proben- und

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei des Bezugshalters dar. Diese Regelabweichung wird

einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art besser mittels eines Verstärkers 20 verstärkt und gleichzeitig

symmetrische Verhältnisse hinsichtlich der Heraus- 40 Summierschaltungen 22 und 24 zugeführt,

regelung auftretender Temperaturdifferenzen zwi- Signale proportional den Temperaturen von Probe

sehen Probe und Bezugskörper zu erhalten und außer- und Bezugskörper werden, auch einer Schaltung 26

dem die Messung der Heizenergiedifferenz zu verein- zugeführt, welche ein Ausgangssignal proportional

fachen. der Temperaturdifferenz Δ T — T_s — T_r zwischen den

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß 45 beiden Materialien erzeugt/Dieses .Differenzsignal in dem für beide Heizelemente gemeinsamen Zweig wird mittels eines Verstärkers28 verstärkt.und erder Heizstromkreise eine konstante Spannungsquelle zeugt einen Ausgang Δ W, der den Kreisen 22 und angeordnet ist und daß die der Temperaturdifferenz 24 zugeführt wird.

proportionale Spannung einmal in die getrennten W_LS und W_Lr stellen Störungen dar, die durch Zu-Teile der Heizstromkreise mit gegensinnigen Polari- 50 Standsänderungen in den Proben- und Bezugsmatetäten eingespreist und zum anderen als Maß für die rialien hervorgerufen werden. Man sieht, daß die Differenz der den beiden Heizelementen zugeführten Schaltung nach F i g. 1 zwei Regelkreise benutzt. Leistungen einem Anzeige- oder Registrierinstrument Ein Regelkreis, der den Verstärker 28 enthält, verzugeführt wird, gleicht T_s und T₁. und sucht diese ständig gleich zu

Bei einer solchen Einrichtung wird beispielsweise 55 machen, während er gleichzeitig eine abzulesende

bei einer exothermen; Reaktion in der Probe gleich- Spannung proportional Δ W = W_s — W_r erzeugt,

zeitig die Heizleistung des der Probe zugeordneten Dieser Kreis reagiert nicht· auf Änderungen der mitt-

Heizelements vermindert und die Heizleistung des leren Temperatur. Der andere Regelkreis, der den

dem Bezugskörper zugeordneten Heizelements ent- Verstärker 20 enthält, mißt die mittlere Temperatur, sprechend erhöht. In dem Bezugskörper wird also 60 vergleicht sie mit dem Sollwert oder Führungsgröße T_n

gewissermaßen durch die Erhöhung der dem Heiz- und gibt Heizleistung in gleicher Weise auf die

element zugeführten Heizleistung ebenfalls eine exo- Probe und den Bezugskörper, um diese Differenz zu

therme Reaktion simuliert, so daß sich besser sym- Null zu machen. Dieser Regelkreis ist unempfindlich

metrische thermische Verhältnisse zwischen Probe gegen T_s — T„ und r_s— T₁. wird vom Ausgang des und Bezugskörper ergeben. Es läßt sich zeigen, daß 65 r_cv-Verstärkers 20 nicht beeinflußt,

bei einer solchen Anordnung die in die Heizstrom- Eine vollständige schematische Darstellung ist in

kreise mit gegensinnigen Polaritäten eingespeiste, der F i g. 2 gezeigt. Widerstandsthermometer R_s und R_T

Temperaturdifferenz proportionale Spannung auch sind in Wärmeaustausch mit der Probe und dem Be-

5 6

zugskörper angeordnet und liefern Ausgangssignale und die H_r zugeführte ist

proportional zu ihren Temperaturen. Die Heizung

wird durch einzelne Heizelemente — H_s für die Probe ψ __ (P₀ + Δ V)²

und H_r für den Bezugskörper — bewirkt. Das Fehler- ^r r

signal Δ T für den Verstärker 28, also die Regelab- 5

weichung, wird von einer Brückenschaltung mit festen _Die Leistungsdifferenz wird dann

Widerstanden 30 und 32 und temperaturmessenden

GliedernR_s und R_r geliefert. An der Brückenschal- 4V Δν

tung wird über die Klemmen 34 und 36 eine Speise- ΔΨ — W_s — W_r — ^- .

spannung angelegt. In der Brückendiagonale liegt io *■
ein Widerstand r. Dieser hat eine Mittelanzapfung 40,

an welcher ein Signal proportional dem Temperatur- Man sieht, daß diese Gleichung für die Leistungsmittel von Probe und Bezugskörper abgegriffen und differenz keine quadratischen Glieder enthält. Weitereinem zweiten Verstärker 20 zugeführt wird. Ein ge- hin ist, solange wie F₀ eine Konstante bleibt, Δ W eigneres Potentiometer 42, das an der Speisespannung 15 proportional Δ V.

anliegt, wird von einem Motor 44 angetrieben und Die großen Vorteile einer solch einfachen Bezie-

liefert einen programmierten Eingangsmeßwert T_p hung für die Messung der Leistungsdifferenz sind

für den Verstärker 20. Der Ausgang des Verstärkers sofort einleuchtend. Wie dargestellt, ist ein Schreiber

20 steuert so die Leistung, die nötig ist, um T_av = T_p 61 angeschlossen, der Δ V als Maß für die Leistungs-

zu machen. Beide Verstärker enthalten Zerhacker zur 20 differenz aufzeichnet.

Erzeugung pulsierender Ausgangssignale. Um die mittlere Temperatur von H_s und H₁. zu Eine geeignete Wechselstromquelle 46 gibt Leistung ändern oder zu »programmieren«, wird V_c während an einen Temperaturmittel-Regeltransformator 48 einer Halbwelle konstant gehalten und alle Messun- und einen Temperaturdifferenz-Regeltransformator 50 gen während dieser Halbwelle durchgeführt. Wähab. Die Polaritäten der Transformatoren 48 und 50 2s rend der anderen Hälfte jeder Periode kann zusätzsind, bezogen auf H_s und i?„ entgegengesetzt. Ein drit- liehe Heizleistung wie gewünscht zugeführt werden, ter Transformator 52 erhält den Ausgang ΔΨ = Κ.ΔΤ Eine Möglichkeit, diese Leistung zu erzeugen, wäre des Temperaturdifferenzverstärkers 28, und seine Se- die, V_c während dieser Halbwelle zu erhöhen. Bei kundärwicklung ist mit einer Mittenanzapfung ver- dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine gesehen, die mit einer Seite der Sekundärwicklung des 30 trennte Spannungsquelle 48 verwendet, so daß ein Transformators 50 verbunden ist. gesteuerter Siliziumgleichrichter 62 benutzt werden

In den Ausgangskreisen der Transformatoren 48 kann, ohne den vorerwähnten Stromkreis zu beein-

und 50 liegen vier Dioden 54, 56, 58 und 60, um die flüssen. Praktisch haben die Dioden 54, 56, 58, 60

mittlere Temperatur und die Temperaturdifferenz un- den Zweck, die Heiz- und Meßkreise zu entkoppeln,

abhängig voneinander regelbar zu machen. 35 Der Phasenanschnitt des gesteuerten Siliziumgleich-

Die in F i g. 2 dargestellte Schaltung löst ein schwie- richters 62 wird direkt von dem Verstärker 20 geriges Problem bei der Messung von Leistungsdifferen- steuert.

zen. Das Problem ist, wie man die Differenz in der Bei der Anwendung der Erfindung wird ein Pro-Leistungsaufnahme zweier elektrischer Glieder mes- benmaterial auf eine Schale aus Metallfolie getan, sen kann. Eine Lösung würde sein, ein thermisches 40 welche auf einer kleinen Heizplatte nach Art von Wattmeter zusammen mit jedem der HeizelementeH_s Fig. 4 bis 7 steht. Die Proben- und Bezugsplatten und H₁. vorzusehen. Das ist zwar praktisch durch- können innerhalb eines geeigneten Gehäuses 83 anfuhrbar, hat jedoch gewisse Nachteile, weil solche geordnet sein. Die Probenplatte enthält ein WiderWattmeter sehr empfindlich und sowohl elektrisch als Standsheizelement H_s und ein Widerstandsthermoauch thermisch sehr genau aufeinander abgestimmt 45 meter R_s dicht beieinander. Die Bezugsplatte enthält sein müßten. Eine zweite Lösung wäre, die Quadrate ähnliche Elemente H₁. und R_n Die spezielle Konder beiden Spannungen an den beiden Elementen struktion der benutzten Platten kann vielen Varia- (E/ — E_r ²) zu subtrahieren, wobei gleiche Wider- tionen und Abwandlungen unterworfen werden, je- =» stände vorausgesetzt sind. Jedoch erfordert diese doch wird ein besonderes Ausführungsbeispiel weiter Lösung komplizierte Quadrierschaltungen. 50 unten im einzelnen beschrieben.

In der Schaltung von F i g. 2 erkennt man, daß von Der Motor 44 (F i g. 2) wird in Gang gesetzt und dem Transformator 50 eine »Vorspannung« F₀ glei- steuert die Bewegung des Schleifers über das Potenchermaßen an H_s und H_r angelegt wird. Die jedem tiometer 42. Gleichzeitig kann dieser Motor die AbHeizelement zugeführte Leistung ist bei Abwesenheit szisse eines geeigneten Registrierstreifens 61 steuern, einer Spannung vom Transformator 52 55 Wenn sich der Potentiometerschleifer über das Po-

- tentiometer 42 bewegt, verändert sich das Ausgangs-

....... signal des Verstärkers 20. Beispielsweise kann dieses

⁰ -. -; Signal ansteigen. Wenn das Signal ansteigt, zündet der

.'.;■;■ R -' gesteuerte Gleichrichter62 in der Halbwelle früher,

60 so daß die vom Transformator 48 beiden Heizelemen-

wenn R der Widerstand der Heizelemente ist. ten H_s und H_r zugeführte Leistung anwächst. Das

Wenn an der Sekundärwicklung des Transforma- bewirkt eine beiden Platten gemeinsamen Tempe-

tors 52 eine gleichphasige Spannung 2 Δ V. besteht, raturanstieg, um T_av = T„ zu halten. In irgendeinem

dann ist die H_s zugeführte Leistung Punkt während dieses Temperaturanstieges können

65 die verschiedensten Änderungen in dem Probenmate-

(v ατΛ" ¹^ erfolgen. Beispielsweise sei angenommen, daß

W_s =s ' o~ ' _t das Material zu schmelzen beginnt. Da das Schmel-

R zen eine endotherme Reaktion ist, beginnt die Tem-

7 8

peratur der Probenplatte hinter der Temperatur der Einstellung des Potentiometers 63 kann diese Stei-Bezugsplatte nachzuhinken. Das hat zur Folge, daß gung zum Verschwinden gebracht und die Grunddie temperaturempfindlichen Widerstände R_s und R_r linie waagerecht ausgerichtet werden,
nicht mehr abgeglichen sind, was eine Regelabwei- Als Abwandlung dieser Anordnung ist in F i g. 3 chung Δ T proportional der Verstimmung und ein 5 eine Geschwindigkeitsunterdrückerschaltung zur Signal kAT am Ausgang des Verstärkers 28 zur Steuerung des Abszissenmotors 44 dargestellt. Der Folge hat. Dieses wiederum bewirkt einen Anstieg Motor 44, der auch die Solltemperatur oder Fühdes Stromes durch H_s und eine Verringerung des rungsgröße T_p steuert, ist außerdem mit einem Tacho-Stromes durch H_n Die Temperatur der Probe wird metergenerator 64 verbunden. Die Ausgangsspannung dadurch angehoben und mit der Bezugstemperatur io des Generators 64 wird in einem geschlossenen Regelgleich gemacht. Gleichzeitig wird die Leistungsdiffe- kreis dem Motorsteuerverstärker 66 zugeführt,
renz Δ W = KA T, die zu diesem Temperaturabgleich Der andere Eingangsmeßwert des Verstärkers 66 erforderlich ist, durch einen geeigneten Schreiber 61 ist das Leistungsdifferenzsignal Δ W des Transformaaufgezeichnet. tors 52. Dieses Signal wird über eine Subtraktions-Ein Grundlinienjustierpotentiometer 63 ist in 15 schaltung 68 geleitet, wo der gewünschte Grad von F i g. 2 gezeigt. Wenn die mittlere Temperatur der Unterdrückung zu der vorher mittels ernes Wählbeiden Heizelemente mittels des Motors 44 program- schalters 70 eingestellten Geschwindigkeit in einer miert wird, dann sollten bei Abwesenheit einer Probe geeigneten Geschwindigkeitswählschaltung 72 hinzudie einzelnen Temperaturen im gleichen Maße an- gefügt wird. Man sieht, daß bei dem in F i g. 3 darsteigen. In der Praxis wird jedoch dieser Idealzu- 20 gestellten Ausführungsbeispiel die Geschwindigkeit stand nicht erreicht. Kleine Unterschiede im Material, des Registrierstreifens und die Temperaturänderung in der Geometrie usw. zwischen Bezugs- und Proben- durch das zwischen Probe und Bezugskörper erhalheizelementen bewirken Verschiedenheiten in der tene Differenzsignal modifiziert wird. Durch die Ge-Wäjmeableitung. Wenn die mittlere Temperatur an- schwindigkeitsunterdrückung wird die Programmgesteigt, tritt eine Temperaturdifferenz zwischen den 25 schwindigkeit während der Zeiten starker Änderun-Heizelementen auf, die stetig größer wird und somit gen verlangsamt. Auf diese Weise werden dynamische eine »Grundliniensteigung« bewirkt. Durch richtige Fehler auf ein Mindestmaß reduziert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur UnterPatentansprüche: suchung von Umwandlungswärmen einer Materialprobe mit einer Einrichtung zur stetigen, meßbaren

1. Vorrichtung zur Untersuchung von Um- Veränderung der Temperatur der Probe und eines wandlungswärmen einer Materialprobe mit einer 5 Bezugskörpers und mit je einem Heizelement zum Einrichtung zur stetigen, meßbaren Veränderung Beheizen von Probe und Bezugskörper, welche in der Temperatur der Probe und eines Bezugskör- Heizstromkreisen mit einem für beide Heizelemente pers und mit je einem Heizelement zum Beheizen gemeinsamen Teil angeordnet sind, bei welcher ein von Probe und Bezugskörper, welche in Heiz- Regelkreis mit Meßfühlern zur Messung der Temstromkreisen mit einem für beide Heizelemente io peraturdifferenz zwischen Probe und Bezugskörper gemeinsamen Teil angeordnet sind, bei welcher vorhanden ist, durch den diese Temperaturdifferenz ein Regelkreis mit Meßfühlern zur Messung der durch Veränderung der Energiezufuhr zu dem der Temperaturdifferenz zwischen Probe und Be- Probe zugeordneten Heizelement auf Null regelbar zugskörper vorhanden ist, durch den diese Tem- ist, wobei die Differenz der der Probe und dem Beperaturdifferenz durch Veränderung der Energie- 15 zugskörper zugeführten Energien ein Maß für die zufuhr zu dem der Probe zugeordneten Heizele- Umwandlungswärmen liefert.