DE2222071A1

DE2222071A1 - Geraet zur pruefung der phasenumwandlungen von materialien unter quasi-isothermischen bedingungen

Info

Publication number: DE2222071A1
Application number: DE19722222071
Authority: DE
Inventors: Ferenc Paulik; Jenoe Paulik
Original assignee: Magyar Optikai Muevek
Current assignee: Magyar Optikai Muevek
Priority date: 1971-08-17
Filing date: 1972-05-05
Publication date: 1973-02-22
Also published as: CH538688A; IT960635B; GB1391121A; FR2139494A5

Description

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645 Hanau /Main, Römoretraß· 19 ZZZZU I f

Ppstfach793TeJ.208O3

MAGYAR OPTIKAI MÜVEK 3. _{Maf 1972}

Budapest XII., Ungarn . _/j_g - ₁₀ 761

GERÄT ZUR PRUPTJNG DER PHASENUMWAHDLUNGEN VON MATERIALIEN UNTER QUASI-ISOTHERMISOHEN BEDINGUNGEN

Die chemischen und physikalischen Umwandlungen elementarer Materialien, sowie die Phasenumwandlungen in Punktion der temperaturgemassen Veränderung der Zusammensetzung werden bei komplexen Systemen allgemein mit der Methode der Thermoanalyse erfasst. Das Prinzip dieser Methode der Thermoanalyse ist in Abb. 1. dargestellt. Die Temperatur des im Tiegel 1 untergebrachten Prüfmaterials 2 wird in einem mit Programmregler 4 gekoppelten elektrischen Ofen 3 mit gleichmässiger Geschwindigkeit gestei gert oder verringert und inzwischen mit Thermoelement 5>

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OBiQINAL

sowie auf Temperatur T kalibriertem Strommessinstruraent 6 die charakteristische Temperaturänderung der Probe gemessen, bzw. registriert (TA-Kurve). Das Registrieren kann z.B. auf photographischem Weg auf lichtempfindliches Papier 9 erfolgen, das an einen, mit zeitlich (t) gleich massiger Geschwindigkeit rotierenden Zylinder 8 befestigt ist. Der Temperaturanstieg, bzw. Temperatürabfall der Probe hört im Prinzip sofort auf (Punkt "a^M auf der Kurve TA), sobald in der Probe irgendeine Phasenumwandlung vor sich geht und auf die Zeitdauer dieser Umwandlung (bis Punkt "b") bleibt die Temperatur der Probe im Prinzip unverändert. Praktisch treten jedoch beim Beginn des Vorganges grtfssere oder kleinere üerhitzungen, bzw. Unterkühlungen auf und danach ist die Temperatur, auch in der späteren Phase der Umwandlung, nicht vollständig konstant. Aus diesem Grunde wird allgemein die Heiz-, bzw. Kühlgeschwindigkeit auf das Minimum reduziert oder die Prüfung mit statischem Verfahren, unter isothermischen Verhältnissen durchgeführt, und zwar derart, dass man die Temperatur periodisch verändert und immer nur dann, wenn sich das Gleichgewicht auf einen gegebenen Temperaturwert schon eingestellt hat. Nach den Erfahrungen ist bei der ersterwähnten L6*sung die Durchführung der Prüfungen zeitaufwendig, ohne dass der Genauigkeitsgrad der Messungen dementsprechend zunehmen würde. Die letztere Methode ist relativ genau, jedoch noch zeitaufwendiger, erfordert sehr grossen Arbeitsaufwand un4 ist nicht automatisierbar. Die Vorteile der beiden - das dynamische, bzw. das statische Heizprogramm anwendenden Arbeitsmethoden werden bei der erfindungsgeraässen Heizprogramm-Regleranlage miteinander vereint. Mit dieser Anlage wird nämlich die Temperatur der Px'obe solange mit grosser Geschwindigkeit erhöht, bis im Material keine Umwandlung erfolgt, während in jedem Pail von irgendeiner Phasenumwandlung, Kristailstrukturänderung oder Reaktion der Probe quasi-isothermische Verhaltnisse gesichert werden.

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Der Realisierung eines ähnlichen Ziels dient die unter Nr. 152 197 patentierte frühere Erfindung der Erfinder, zur Heizungsregelung von Thermowaagon, Mit den Thermowaagen lassen sich die mit Temperatüränderung verbundenen thermischen Zersetzungsreaktionen der Materialien- prüfen, hingegen sind solche Waagen zum Studieren^von nur mit Entalpieänderungen verbundenen und nicht mit Gewiontsänderung einhergehenden physikalischen und chemischen Umwandlungen nicht geeignet. Zur Prüfung solcher Vorgänge 1st der obengenannte thermische Analysator gebräuchlich, der jedoch die thermischen Gewichtsänderungen der Probe nicht erfassen kann. Der thermische Analysator ist also in Bezug auf Prüfungsprinzip, konstruktive Losung und Arbeitweise von der Thermowaage grundlegend verschieden und beansprucht demgemäsß natürlich auch eine ganz anders aufgebaute und nach anderem Prinzip funktionierende Heizprogrs.Him~legleranlage.

Eine mögliche Au'sfiihrungsvariante der erfindungsgemäesen Anlage und ihre Arbeitsweise ißt in Abb_s 2. dargestellt: Neben dem, das Prüfungsmaterial 1 enthaltenden Tiegel 2 ist im elektrischen Ofen 15 ein Tiegel 4 gleicher Grosse und Form angeordnet. Dieser letztere Tiegel wird mit einem sogen, inerten Material 3 beschickt^ das bei Erhiteung keine chemische oder physikalische Umwandlung erfährt. Die Temperatur der Probe und des inerten Materials wird mit je einem Thermoelement 5,6, die gegeneinander geschaltet sind, gemessen. In den Stromkreis der Thermoelemente sind eingebaut: ein Spiegelgalvanometer 8 sum Messen der Temperatur der Probe T, ein Widerstand 7 zum Kompensieren des Innenwiderstandes des Galvanometers, sowie ein anderer Spiegelgalvanometer 9 zum Mecsen der Tempera turdiff er en ζ zwischen der Probe und dem inerten Haterial. Dieses letztere Galvanometer steuert den Programmregler des elektrischen Ofens 15, und zwar in der folgenden Weise:

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Die Temperatur dea inerten Materials 3 verändert eich immer ebenso, wie die der Probe, solange in der letzteren keine Umwandlung vor eich geht (z.B. längs der Kurve TA, zwischen den Punkten "a" - "b" und ^Md^H - "e")» vorausgesetzt, dass ihre Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität gleich sind. In diesem Fall ist die thermische Spannung der beiden Thermoelemente (5, 6) gleich gross, durch das Galvanometer 9 fliesst kein Strom, da3 Galvanometer 9 zeigt keinen Ausschlag, bzw. das von seinem Spiegel reflektierte Lichtsignal verweilt zwischen den Lichtelementen und 12. Palls jedoch in der Probe irgendeine Phasenumwandlung beginnt (Punkt ^l!b" auf Kurve TA), so erfolgt in der Temperatur der Probe T in der Zeit t bis zur Beendigung des betreffenden Vorganges (Punkt ^Hoⁿ auf Kurve TA) keine Veränderung. Die sum Gleichgewicht führenden Phasenum Wandlungen gehen nämlich, wie allgemein bekannt, einerseits bei einer gegebenen Temperatur (Erschmelzen von reinen Materialien) oder in einem genau bestimmten Temperaturintervall (Erschmelzen' von eutektischen Gemischen, Mischkristallen) vor sich, anderer seits sind diese Umwandlungen mit Wärmeabsorption verbunden, falls man das System erwärmt und führen zur Wärmeabgabe, wenn man das System abkühlt. Polglich kann die Phasenumwandlung nur in dem Ausmass fortschreiten, wie die erforderliche Wärme ersetzt, bzw. die freiwerdende Wärme abgeführt wird. Beim Beginn diner Phasenumwandlung (Punkt "d") entsteht also zwischen der Temperatur der Probe und des inerten Materials eine Differenz» die Spannungen der Thermoelemente 5 und ξ können einender nicht mehr kompensieren, das Lichtsignal des Galvanometers 9 fällt - je nachdem, ob die Temperatur der Probe oder dea inerten Materials höher ist - auf das Lichtelement 11 oder 12, welches durch Vermittlung der Schaltvorrichtung 13 und das Programmreglers 14 die Spannung des Heizstromes des elektrischen Ofens verringert - evtl. in mehreren Stufen oder vollständig abschaltet. Unter Einfluss des Tempera -

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turabfalls wird der Vorgang verlangsamt und schliesslich abgestellt, das Lichtsignal des Galvanometers 9 entfernt sich vom Mchtelement 11 bzvr. 12, der Schalter 15 betä tigt sich, der Heizungsregler 14 bewirkt ein weiteres Ansteigen der Ofentemperatur, usw·

In dieser Weise lässt sich also einerseits die Geschwindigkeit der Phasenumwandlung regeln, andererseits kann diese Geschwindigkeit derart verringert werden, dass die Phasenumwandlungen schon unter quasi-isothermischen Verhältnissen, d.h. praktisch unter Gleiohgewichtsver haitnissen vor sich gehen·

Das beispielshalber erläuterte Gerät ist auch in zahlreichen anderen Ausföhrungsvarianten herstellbar, ohne dass dies das Wesen der Erfindung berühren wörde. So kann z.B. das Heizprogramm des elektrischen Ofens 15 anstatt des Galvanometers 9, der Lichtelemente 11, 12 und der Schaltvorrichtung 13 auch mit elektromechanischer o~ der elektronischer Regleranlage, der zwischen den Polen der beiden gegeneinander geschalteten Thermoelemente 11, 12 auftretenden Thermospannungsdifferenz entsprechend gesteuert werden.

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Claims

PATENTANSPRUCH

Gerät ztir Prüfung der Phasenumwandlungen und Reaktionen von Materialien mit thermoanalytischem Verfah ren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Probe oder mehrere Proben im Inneren des Gerätes angeordnet sind, welches ein Fiihlerorgan zur Bestimmung der Temperatur von Proben, einen an das Föhlerorgan angeschlossenen Registratur, ein im Ofen in der Nähe der Probe angeordnetes inertes Material (Bezugsmaterial), ein Ftihlerorgan zur Festlegung der Temperaturdifferenz zwischen Probe und Bezugsmaterial, eine vom letzteren gesteuerte Schaltvorrichtung, einen daran angeschlossenen Heipzrogrammregler und einen damit geregelten elektrischen Ofen aufweist.

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