BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Kalorimeter zur Messung von Temperaturänderungen mit einem das Meßobjekt aufnehmenden Behälter, einem Heizmantel und einer Temperaturmeßeinrichtung, sowie ein Verfahren zur Kalorimetrie.

Bei der Untersuchung von chemischen und biologischen Prozessen in liquiden Substanzen beispielsweise in der Pharmakologie, Toxikologie, Mikrobiologie und Biomedizin mittels eines Kalorimeters ist eine simultane Messung mehrerer Meßparameter einschließlich der Temperatur erforderlich. Die auftretenden Anderungen der Temperatur sind sehr klein. Ihre genaue Erfassung wird durch die zwischen dem Kalorimetersystem und der Umgebung stattfindenden Wärmeabflüsse beeinträchtigt. Da die zu untersuchenden Prozesse bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich ablaufen, werden die beteiligten Substanzen vor der Messung extern temperiert, und die Messung im Anschluß daran manuell ausgeführt, was sich ebenfalls nachteilig auf die Meßgenauigkeit auswirkt.

Es ist ein Kalorimetersystem bekannt, in dem die zum Ausgleich der Wärmeabflüsse notwendige Regelung eines Heizmantels durch Messung bzw. Heizung über am Mantel angeordnete Meß- und Heizwicklungen erfolgt. Die dabei auftretenden Vbergangswiderstände beeinträchtigen jedoch die Genauigkeit der Messung und Regelung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kalorimeter und ein Verfahren zur Kalorimetrie zu schaffen, das eine genaue Messung der zu untersuchenden Prozesse ermöglicht. Insbesondere soll ein Kalorimeter und ein Verfahren zur Kalorimetrie geschaffen werden, das kleinste Temperaturänderungen bei gleichzeitigem Ausgleichen der Wärmeabflüsse erfaßt und den gesamten Meßablauf automatisiert.

Diese Aufgabe wird durch ein Kalorimeter der eingangs beschriebenen Art gelöst, das gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Heizmantel eine auf dem Behälter aufgebrachte dünne Schicht aus Widerstandsmaterial ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Probesubstanz in einer ersten Phase intern auf eine durch einen einstellbaren Sollwert vorgebbare konstante Temperatur automatisch eingeregelt wird und in einer zweiten Phase auf die eigentliche Messung im quasi-adiabatischen Zustand umgeschaltet wird.

Weitere Merkmale und Zweckmäcigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen: Fig. 1 den schematischen Aufbau der Kalorimeter-Meßzelle; Fig. 2 einen Schnitt durch eine beschichtete Manteloberfläche; Fig. 3A eine ganzflächige Beschichtung der (aufgerollten) Mantelung; Fig. 3B eine kammförmige Beschichtung der (aufgerollten) Mantelung; Fig. 4 eine schematische Darstellung des aus Vorbereitungs-und Meßphase bestehenden Verfahrensablaufes; Fig. 5 ein Ablaufdiagramm der automatischen Einregelung des quasiadiabatischen Zustandes; Fig. 6A eine Ansicht einer Anordnung zur Mehrproben-Kalorimetrie von oben; Fig. 6B eine Seitenansicht der Anordnung in Fig. 6A; Fig. 7 eine Ausführungsform eines Kalorimeterdeckels mit Spirale zur Gasaufnahme; Fig. 8 eine Widerstandsmeßbrücke zur Temperaturmessung; Fig. 9 den Spannungsverlauf der Meßspannung bei Impulsbelastung der Meßanordnung; Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Ermittlung der Uberschreitung des Scheitelwertes der Meßspannung; und Fig. 11 ein Blockschaltbild zur Driftkompensation der gesteuerten Stromquelle in Fig. 10.

In Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer Kalorimeter-Meßzelle 10 gezeigt, die aus einem Außenmantel 1, einem Innenmantel 2 und einem Becher zur Probenaufnahme 3 besteht. Der Innenmantel 2 wird genau auf die in der Probe gemessene Temperatur nachgeheizt. Der Außenmantel 1 wird zur Herstellung konstanter Umgebungsbedingungen auf eine Temperatur TA eingeregelt, die eine konstante Differenz zur Innenmanteltemperatur T1 aufweist: TA T T1 = konstant.

Um in einem solchen System die Temperatur der Mantelungen hochgenau messen und durch eine Regelung der Beheizung auf bestimmte Werte einstellen bzw. bestimmten Verläufen nachfolgen lassen zu können, müssen die thermischen Übergangswiderstände zwischen Meßfühler, Heizung und Bechermantel minimiert werden. Des weiteren ist die Mantelung über ihre gesamte Oberfläche gleichmäßig zu beheizen und die Temperatur ganzflächig integral zu messen.

In Fig. 2 ist eine der Mantelungen des erfindungsgemäßen Kalorimeters 10 gezeigt, die eine Beschichtung der Manteloberflächen mit elektrisch leitenden bzw. isolierenden Materialien aufweist. Vom Innenraum der Mantelung ausgehend besteht diese aus dem eigentlichen Trägermantel 4 wie Kupfer oder ähnlichem. Dann folgt nach außen hin eine elektrische Isolationsschicht 5, beispielsweise Lack, eine Heizschicht 6, eine Isolationsschicht 7, eine Meßschicht 8 und eine Isolationsschicht 9. Die Heizschicht 6 ist durch Bedampfen oder andersartiges Beschichten mit Metall oder einem anderen, einen entsprechenden Widerstand aufweisenden Material wie beispielsweise Graphit,auf den mit der Isolation 5 versehenen Trägermantel 4 aufgebracht und weist einen endlichen elektrischen Widerstand auf.

Die MeSschicht 8 besteht aus einer Schicht mit temperaturabhängigem Widerstand und ist ähnlich wie die Heizschicht durch Aufdampfen oder andere Dünnfilmtechniken aufgebracht. Auch die Isolationsschichten 5,7 und 9 können durch Aufdampfen oder andere Dünnfilmtechniken aufgebracht sein.

Zur Beheizung der Mantelung wird durch die Heizschicht 6 ein geregelter Stromfluß geschickt, der zu einer Wärmefreisetzung führt, die entsprechend des gewünschten Meßablaufes gesteuert oder geregelt wird. Die Meßschicht 8 dient zur hochgenauen Messung der Temperatur in der Kalorimeterzelle, wobei der gesamte Mantel integral erfaßt wird und keine Beeinträchtigungen durch st-örende Ubergangswiderstände auftreten.

In Fig. 3A ist eine Ausführungsform gezeigt, in der die Beschichtung ganzflächig übereinanderliegend ausgeführt ist. Die Figur 3B zeigt eine zweite Ausführungsform der aufgerollten Mantelung, in der zur Vermeidung großer Kapazitäten und zur Reduzierung zusätzlicher Wärmeübergänge durch Isolationsschichten die Beschichtung kammeinschichtiq bzw. zickzackförmig ausgeführt ist.

Die Temperaturbestimmung der Mantelung erfolgt wie oben beschrieben über eine Widerstandsmessung der Meßschicht 8. Da bei Temperaturänderungen von 10'30K die Widerstandsänderungen außerordentlich gering sind, erhält man in einer Meßbrücke nur Brückenspannungsverschiebungen von Bruchteilen von pV. Der Meßeffekt kann auch nicht durch einen größer gewählten Meßwiderstand verbessert werden, da dieser ein starkes Rauschen zur Folge hat. Um daher diese Spannungsänderungen aufzulösen, wird ein hochempfindlicher Vorverstärker mit bester Temperaturkonstanz eingesetzt. Dennoch hat bereits eine Temperaturverschiebung von 1°K in der Umgebung eines solchen Vorverstärkers eine Offsetdrift zur Folge, die über der aufzulösenden Meßspannungsveränderung liegt. Deshalb ist eine Temperierung des Vorverstärkers auf einen während der Meßdauer konstanten Wert nötig.

Diese Temperierung wird gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß der sowohl für die Manteltemperaturmessung als auch für die Probentemperaturmessung durch einen Fühler in der Probe verwendete Vorverstärker innerhalb der Kalorimeterzelle 10 angeordnet ist. Während einer Messung ist mit einer Temperaturveränderung in der Kalorimeterzelle 10 von nur wenigen hundertstel Grad zu rechnen. Dieser Grad der Temperaturkonstanz ist für den Vorverstärker ausreichend, um die Temperatur-Offsetspannungsdrift als Störfaktor auszuschalten.

Bei der Untersuchung chemischer und biologischer Prozesse tritt das Problem auf, daß die Probesubstanzen auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden müssen, da die Prozesse bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich ablaufen. Die Einstellung auf die jeweilige gewünschte Temperatur wird üblicherweise durch externes Temperieren der Probesubstanzen vorgenommen, wodurch die Temperaturanpassung zwischen Probesubstanz und Kalorimeterzelle erschwert wird.

In den Figuren 4 und 5 sind Darstellungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, das diese Probleme löst, indem die Einstellung der Probesubstanzen auf eine gewünschte Solltemperatur intern in der Kalorimeterzelle durch Umschaltung der adiabatischen Regelung vor dem eigentlichen Meßbeginn auf eine Sollwertregelung durchgeführt wird.

Fig. 4 zeigt den Ablauf des gesamten Meßvorganges. Während einer Vorbereitungsphase dient als Führungsgröße der Heizregelung zum Erreichen einer bestimmten Temperatureinstellung ein fest eingestellter Sollwert in Form einer Konstantspannung. Während der nachfolgenden Meßphase wird das Kalorimeter dagegen quasiadiabatisch dadurch betrieben, daß nicht mehr die Sollwertspannung als Führungsgröße des Prozesses verwendet wird, sondern auf eine Steuerspannung umgeschaltet wird, die aus der Messung der Probentemperatur hervorgeht.

Fig. 5 zeigt im Detail den Block Steuersignalerzeugung zur Einregelung des quasiadiabatischen Zustandes mit einer bestimmten konstanten Probentemperatur in der Vorbereitungsphase aus Figur 4.

Zum Erreichen des quasiadiabatischen Zustandes muß über die Mantelheizungen genau so viel Wärme zugeführt werden, wie über Fühlerzuleitungen und andere nach außen führende Aggregate abgeleitet wird.

Diese Wärmemenge variiert wegen unterschiedlicher Umgebungs- und Probentemperatur, so daß sich eine konstante Temperaturdrift einstellt. Der Ausgleich dieser Temperaturdrift erfolgt nicht manuell, sondern automatisch mit einer Schaltung, die gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Ablauf arbeitet. Somit wird eine automatisierte Einstellung des quasiadiabatischen Zustandes in der Vorbereitungsphase, also bei konstanter Probentemperatur erreicht. Durch die Differenziation des Meßsignales aus der Probe wird die augenblickliche Temperaturdrift bestimmt. Durch positives bzw. negatives Aufintegrieren dieser Temperaturdriften wird ein Steuersignal erzeugt, das die Heizregelung so ansteuert, daß die Temperatur konstant gehalten wird.

Sobald diese Temperaturkonstanz erreicht ist, ist das Kalorimetersystem eingeregelt und es wird von der Vorbereitungsphase mit Sollwertregelung auf die eigentliche Meßphase, in der der chemische oder biologische Prozeß abläuft, umgeschaltet, wobei dann das Meßsignal direkt für die Mantelheizungsregelung verwendet wird.

In Fig. 6A und 6B ist eine Anordnung zur Realisierung eines automatisierten Meßablaufes im Mehrprobenbetrieb gezeigt. Zur sequentiellen Probenmessung weist die Anordnung einen als Kalorimeter-Zellendeckel ausgebildeten Meßkopf 20 auf, der nacheinander in mehrere aufeinanderfolgende Probenbecher 21, 22,23, 24 eintaucht, und mit der Kalorimetermeßstation 11 verbunden ist. Die Kalorimetermeßstation 11 umfaßt die gesamte llalorimetersteuerung und -regelung sowie die Elektronik der Gasanalysatoren. Der absenkbare Deckel 20 umfaßt einen beheizbaren, mit einem elektrischen Anschluß für die Außenmantelheizung versehenden Außenmanteldeckel 34, sowie einen mit einem elektrischen Anschluß für die Innenmantelheizung versehenen Innenmanteldeckel 33. Der Innenmanteldeckel 33 umfaßt Temperaturfühler und Elektroden zur Gasanalyse 25, sowie einen Rührer und Zugabeschleusen für Meßsubstanzen. Diese Schleusen werden vor Beginn jeder Messung von innen durch Spülen mit destilliertem Wasser gereinigt, automatisch verschlossen und durch Zu-pumpen von Testsubstanzen neu beschickt. Der so gefüllte Deckel 20 wird auf die Meßzelle mit dem Innen- und Außenmantel 1, 2 aufgesetzt, die in der Füllstation 26 über Saug- und Spülleitungen 28, 29 ausgesaugt, gespült und mit neuer Puffersubstanz oder Flüssigkeitsprobe beschickt und über die rotierende Scheibe 27 zum Meßplatz 30 transportiert wurde.

Die Temperierung der Probesubstanzen in den Schleusen erfolgt dadurch, daß die Schleusen aus gut leitendem Material gefertigt und in die Flüssigkeit einget-aucht werden. Beim Aufsetzen werden die Kontakte zu den Mantelheizungen geschlossen und in der Vorbereitungsphase die Temperierung der gesamten Meßzelle einschließlich der Meßsubstanzen vorgenommen. Danach wird der quasiadiabatische Zustand eingeregelt,um in der darauffolgenden letzten Phase schließlich die Messung der chemischen und biologischen Prozesse vorzunehmen.

Nach Beendigung der Meßphase hebt sich der Meßkopf wieder, und durch Weiterdrehen der Scheibe werden die Zellen weiter transportiert.

Beim Weitertransport werden die Zugabeschleusen im Deckel 20 nach einem eventuell vorausgehenden Spülen wieder mit Zugabesubstanzen gefüllt.

Der Deckel 20 kann aus einem relativ gut wärmeleitenden und formstabilen Kunststoff (PPS) bestehen. Die Deckelunterseite weist eine Beschichtung mit Widerstandsmaterial auf, die durch Stromdurchfluß eine Heizwirkung entwickelt. Dadurch wird die Temperatur des Deckels an die Seitenwände der Kalorimeterzelle angepaßt und eine sonst während des Meßprozesses mögliche Kondensat-bildung an der Deckelunterseite verhindert. Ebenso wie die vorher beschriebene Heizschicht an der Mantelung ist die Beschichtung an der Deckelunterseite entweder vollständig oder in einer anderen Ausführungsform mäanderförmig oder als bifilare Spirale ausgebildet.

Zur Erzeugung bestimmter Versuchsbedingungen und Gewinnung der daraus resultierenden Meßdaten werden Gase kontrolliert, d.h. entweder kontinuierlich oder nach einem vorbestimmten Programmablauf in die Meßflüssigkeit zugeführt. Diese Zufuhr erfolgt bei luftdichtem Deckelabschluß, wobei zur Durchführung einer exakten Kalorimetrie eine Vortemperierung der Gase auf die Flüssigkeitstemperatur notwendig ist. Dazu dient die in Fig. 7 gezeigte Anordnung. Am Kalorimeterdeckel 20 sind gut wärmeleitende, beispielsweise spiralförmige Leitungen 31 befestigt, die in den Flüssigkeitsbehälter bzw. Probenbecher 21 verlegt sind. An der Spirale 31 befindet sich eine Dosierpumpe 32. Die kontrollierte Zufuhr des Gases erfolgt durch die Leitungen 31 mittels der Dosierpumpe 32, wobei durch die Anordnung der Spirale im Probenbecher 21 das gesamte zur Messung benötigte Gas vortemperiert ist.

Da sehr kleine Meßwerte erfaßt werden müssen, tritt bei der Messung mittels eines Kalorimeters das Problem auf, daß durch die Meßbelastung selbst Verfälschungen auftreten können. Anhand der Figuren 8 - 11 wird die Lösung dieses Problems erläutert. In Figur 8 ist eine Meßbrücke zur Temperaturmessung gezeigt, in der zur Messung der Temperatur in der Meßzelle der Temperaturfühler 25 so angeordnet ist, daß mit steigender Temperatur die Brückenspannung sinkt. Bei Impulsbelastung der Meßanordnung ergibt sich der in Figur 9 gezeigte Spannungsverlauf. Die Meßspannung U sinkt nach Erreichen eines Maximums durch die Eig-enerwärmung des Meßfühlers 25 ab. Dieses Maximum bzw. der Scheitelpunkt kann durch eine analoge Track B Hold-Schaltung gespeichert werden. Anstelle der analogen Erfassung kann die Meßspannung auch digital erfaßt und in entsprechenden Registern gespeichert werden. Zur Vermeidung einer überflüssigen Erwärmung des Fühlers 25 wird nach Erreichen des Scheitelpunktes der Meßspannung der Meßstrom unterbrochen. Das Uberschreiten des Scheitelpunktes der Meßspannung ist durch Vergleich der am Ein- bzw. Ausgang der Track & Hold-Schaltung anliegenden Meßspannung mittels eines Komparators analog oder digital leicht festzustellen. Ein Blockschaltbild zur Unterbrechung des Meßstromes zeigt Fig. 10. Die gesteuerte Stromquelle 40 liegt an der Widerstandsmeßbrücke 41, in der sich der Meßfühler 25 befindet. Die Brücken- bzw. Meßspannung U wird in der Brückendiagonale nach dem Fühler 25 abgegriffen und auf einen Verstärker 42 gegeben. Der Ausgang des Verstärkers 42 dient als Eingang einer Track & Hold-Schaltung 43, die die Meßspannung analog speichert.

Der Eingang und der Ausgang der Track & Hold-Schaltung sind an die Eingänge eines Komparators 44 geschaltet, der, wenn am Eingang der Track & Hold-Schaltung eine kleinere Spannung als an deren Ausgang vorliegt, ein Signal abgibt und ein Monoflop 45 zurücksetzt. Der Ausgang des Monoflops 45 steuert die Stromquelle 40 an, und unterbricht somit den Meßstrom. Das Monoflop 45 weist eine Zeitkonstante von 200es auf und wird vom Muttertaktgeber 46 angesteuert, so daß der normal getaktete Betrieb der Meßspannung vorliegt, jedoch der Scheitelwert gespeichert und als Meßwert verarbeitet wird.

Eine möglicherweise auftretende Drift der gesteuerten Stromquelle 40 wird durch die in Fig. 11 gezeigte Schaltung kompensiert. Der Meßstrom aus der gesteuerten Stromquelle 40 wird vor Eintritt in die Meßbrücke 41 über einen hochkonstanten Widerstand Rv geleitet.

Die an ihm abfallende Spannung wird mittels einer Meßschaltung 47, beispielsweise einem Differenzverstärker, gemessen und zu einer stabilen Referenzspannung U5011 in einer Korrekturschaltung 48 in Verhältnis gesetzt. Der so entstehende Korrekturfaktor wird zur Steuerung der Verstärkung des Brückenverstärkers 42 verwendet.

Anstelle der analogen Ausführung können alle zur Kompensation der Temperaturdrift dargestellten Funktionen digital ausgeführt werden.