DE60121497T2 - Dynamisches Differenzkalorimeter - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeanalysegerät zum Messen von Veränderungen in physikalischen oder chemischen Eigenschaften einer Probe entsprechend der Temperatur.
  • Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein dynamisches Differenzkalorimeter, das eine Analyse durch Messen der endothermen/exothermen Wärme, die Übergänge usw., begleitet, einer Probe als Funktion der Temperatur vornimmt.
  • Im Bezug auf die obengenannten dynamischen Differenzkalorimeter sind allgemein zwei Arten bekannt, die sich durch die Messmethode unterscheiden, wie die Kalorimeter vom Wärmeflusstyp und Eingangskompensationstyp.
  • Eine Grundstruktur für ein dynamisches Differenzkalorimeter vom Eingangskompensationstyp ist in 3 dargestellt.
  • Die Bezugszeichen 28 und 29 sind Halterungen zur Befestigung einer Probe und eines Referenzmaterials, und für jede Halterung sind Temperatursensoren 30, 31, die aus einem Widerstand zur Temperaturerfassung usw. bestehen, und Heizelemente 32, 33 zur Wärmeflussrückkopplung bereitgestellt.
  • Das Wärmesignal für jeden Temperatursensor wird mit einem Temperaturmessinstrument 34 gemessen, die durchschnittliche probenseitige und referenzmaterialseitige Temperatur wird an eine Durchschnittstemperatursteuerung 35 ausgegeben, und die Temperaturdifferenz wird an eine Wärmedifferenzsteuerung 36 ausgegeben.
  • In dem DSC dieser Art werden Steuerung und Messung durch zwei Rückkopplungsschleifensysteme ausgeführt.
  • Die erste Rückkopplungsschleife ist für die Durchschnittstemperatur bestimmt, die die Durchschnittstemperatur zwischen der Probenseite und der Referenzmaterialseite mit der Programmtemperatur vergleicht, die vom Programmtemperaturgenerator ausgegeben wird, die Energie zu dem Heizelement zur Wärmeflussrückkopplung so ausgibt, dass beide einander entsprechen, und dann Änderungen an beiden Halterungen entsprechend dem Temperaturprogramm ausführt.
  • Die zweite Rückkopplungsschleife ist für die Temperaturdifferenz bestimmt und gibt die passende Energie an das probenseitige Heizelement 32 und das referenzmaterialseitige Heizelement 33 aus, um die Temperaturdifferenz, die vom Temperatursensor ausgegeben wird, auf Null zurückzustellen.
  • Insbesondere stellt sie die Verteilung der Energie zur Erwärmung jedes Heizelements gemäß der Temperaturdifferenz ein, während die Gesamtenergiemenge, die dem probenseitigen Heizelement 32 und dem referenzmaterialseitigen Heizelement 33 zugeführt wird, aufrechterhalten bleibt, und übt eine Steuerung aus, um die Temperaturdifferenz wieder auf Null zurückzustellen.
  • Wenn das endotherme Phänomen an der Probenseite auftritt, wird infolgedessen die Energie, die dem probenseitigen Heizelement 32 zugeführt wird, erhöht, und die Energie, die dem referenzmaterialseitigen Heizelement 33 zugeführt wird, wird um dieselbe Menge verringert.
  • Diese Energiedifferenz wird als endothermes/exothermes Probensignal (DSC-Signal) ausgegeben.
  • Für dieser Art der Erfindung nach dem Stand der Technik, wie in der Japanischen Patentschrift Hei. 1-160261 offenbart ist, ist bereits eine Struktur bekannt, die einen Detektor umfasst, der durch einen Temperatursensor und ein Heizelement zur Wärmeflussrückkopplung gebildet ist, wobei der Detektor in einer Wärmesenke bereitgestellt ist und eine DSC-Ausgabe unter Verwendung einer Steuerschleife ähnlich der obengenannten ausführt, während die Wärmesenkentemperatur gesteuert wird.
  • Bei den dynamischen Differenzkalorimetern vom Eingangskompensationstyp nach dem Stand der Technik wird jedoch die Verteilung der Energie, die der Probenseite und der Referenzmaterialseite zugeführt wird, entsprechend der Temperaturdifferenz eingestellt, um die Temperaturdifferenz zwischen der Probenseite und der Referenzmaterialseite auszugleichen, die durch die Differentialwärmerückkopplungsschleife verursacht wird. Da die Menge der zugeleiteten Energie selbst bei einem nicht endothermen Referenzmaterial schwankt, gibt es somit das Problem, dass die referenzmaterialseitigen Temperatur auch schwankt.
  • Ferner wird bei dieser Art von Differenzkalorimeter vom Eingangskompensationstyp nach dem Stand der Technik Energie durch die doppelten Rückkopplungsschleifen sowohl zu der Probenseite wie auch zu der Referenzmaterialseite geleitet. Dies bewirkt eine wechselseitige Störung, so dass der Ausgang einer der Rückkopplungsschleifen die andere Rückkopplungsschleife beeinflusst, wodurch eine präzise Temperaturkontrolle schwierig wird.
  • US Patent 4,112,734, erteilt am 12. September 1978, beschreibt ein dynamisches Mikrodifferenzkalorimeter, umfassend eine kalometrische Proben- und Referenzkammer. Die Kammern sind als längliche Röhren ausgebildet und jede ist mit einem Heizelement und Temperaturerfassungselementen versehen, die an ein Energiemiesssystem für gestuerte thermische Prozesse angeschlossen sind. Zusätzlich ist jede Kammer mit einem zusätzlichen Temperaturerfassungselement bereitgestellt, um ihr wirksames Volumen zu trennen, das an ein wirksames Volumentrennsystem angeschlossen ist. Der Ausgang dieses wirksamen Volumentrennsystems ist an ein zusätzliches Heizelement angeschlossen, das an Röhren außerhalb der wirksamen Kammervolumina angeordnet ist.
  • In dem Artikel "The Determination of the Energy Stored in a Metal During Plastic Deformation", von L. M. Clarebrough et al., veröffentlicht 1952, wird eine Vorrichtung zur Messung gespeicherter Energie beschrieben. Die Vorrichtung wird zur Erwärmung einer getemperten und einer verformten Probe gleichen Gewichts durch kleine Heizelemente, die im Inneren jeder Probe angeordnet sind, unter Vakuum verwendet. Während der Erwärmung werden die Proben jeweils bei derselben Temperatur gehalten, und sind von einem Metallschild umgeben, das kontinuierlich auf diese Temperatur gestellt wird. Die gespeicherte Energie wird aus Messungen der Differenz in der Energie, die den Proben zugeführt wird, mit Hilfe eines Differential-Wirkverbrauchszählers berechnet, der für diesen Zweck konstruiert wurde.
  • GB 1240897 , veröffentlicht am 28. Juli 1971, offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Differentialwärmeanalyse, das als Mittel zum Erfassen thermischer Effekte verwendet wird, die mit chemischen oder strukturellen Änderungen in Materialien zusammenhängen. In dem Verfahren werden eine Referenzprobe und eine Testprobe unter identischen Bedingungen erwärmt. Während die Erwärmung stattfindet, werden die physikalischen und/oder chemischen Veränderungen beobachtet, die in der Testprobe auftreten. Verschiedene Temperaturdifferenzen zwischen der Testprobe und der Referenzprobe können aufgrund exothermer oder endothermer Reaktionen auftreten, die in der Testprobe stattfinden. Das Verfahren steuert die Temperaturen von mindestens zwei Einheiten, so dass sie jeweils einem vorbestimmten Temperaturprogramm entsprechen, indem die Energie, die jeder Einheit zugeführt wird, unabhängig verändert wird, und die derart den Einheiten zugeführte Energie verglichen wird. Die Temperatur jeder der zwei Einheiten wird an das vorbe stimmte Temperaturprogramm angepasst, die Temperaturdifferenz zwischen jeder Einheit und dem Programm wird erfasst, und diese Temperaturdifferenzen werden verwendet, um die Temperaturen der Einheiten an das Programm anzupassen.
  • Das Lehrbuch von W. Hemminger, G. Höhne: "Calorimetry – Fundamentals and Practice", Verlag Chemie, Weinheim 1984, offenbart in dem Absatz der über die Seiten 163, 164 geht, eine dynamisches Differenzkalorimeter vom Eingangskompensationstyp im Zwillingsdesign mit einer Abtastung der Umgebung (siehe auch den Absatz, der über die Seiten 85, 86 geht, und 5-2 des Buches), das von Rigaku (Japan) erzeugt wird. Die Temperaturdifferenz, die zwischen Probe und Referenz gemessen wird, wird durch eingebaute elektrische Heizelemente auf Null ausgeglichen, aber nicht mit der Ofentemperatur verglichen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmeanalysegerät bereitzustellen, das die obengenannten Probleme löst.
  • Die Erfindung stellt ein dynamisches Differenzkalorimeter vom Eingangskompensationstyp bereit, wie in dem Anspruch dargelegt ist.
  • Es werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von welchen:
  • 1 ein erklärendes Diagramm eines dynamischen Differenzkalorimeters vom Eingangskompensationstyp ist, das als Beispiel angeführt ist.
  • 2 ein erklärendes Diagramm eines dynamischen Differenzkalorimeters vom Eingangskompensationstyp gemäß der Erfindung ist.
  • 3 ein erklärendes Diagramm der Grundstruktur des dynamischen Differenzkalorimeters vom Eingangskompensationstyp nach dem Stand der Technik ist.
  • Ein Beispiel eines dynamischen Differenzkalorimeters, das nicht im Umfang des Anspruchs liegt, wird in der Folge auf der Basis von 1 beschrieben. Ein Probenbehälter 1 enthält eine Probe, die mit dem Wärmeanalysegerät gemessen wird.
  • Ein Referenzmaterialbehälter 2 enthält ein Referenzmaterial.
  • Halterungen 3 und 4 dienen zur Befestigung des Probenbehälters 1 und des Referenzmaterialbehälters 2.
  • Ein Probentemperatursensor 5 und ein Referenzmaterialtemperatursensor 6, die aus dem Widerstand zur Temperaturerfassung usw. bestehen, und ein Probenheizelement 7 und ein Referenzmaterialheizelement 8 sind nahe jeder Halterung angeordnet.
  • Ein Temperaturmessinstrument 9 ist an den Probentemperatursensor 5 und den Referenzmaterialtemperatursensor 6 angeschlossen und misst das Wärmesignal von beiden Sensoren.
  • Eine Referenzmaterialtemperatursteuerung 10 ist an das Temperaturmessinstrument 9 und einen Programmtemperaturgenerator 12 angeschlossen und steuert die Energie Pr, die an das Probenheizelement 8 und das Referenzmaterialheizelement 8 ausgegeben wird.
  • Ein Wärmedifferenzkompensator 1 ist an ein Temperaturmessinstrument 9 angeschlossen und steuert die Energie Pdt, die an das Probenheizelement 7 ausgegeben wird.
  • Anschließend wird der Betrieb des Geräts, das in 1 dargestellt ist, beschrieben.
  • Zunächst bringt ein Tester den Probenbehälter 1, der die zu messende Probe enthält, und den Referenzmaterialbehälter 2, der das Referenzmaterial enthält, von dem die Wärmestabilität in dem Temperaturbereich zur Ausführung der Messung verifiziert wird, an jeder Halterung an.
  • Dann gibt der Tester das Temperaturprogramm in den Programmtemperaturgenerator 12 ein und gibt Anweisungen mit den Messungen zu beginnen.
  • Wenn die Messung gestartet wird, gibt der Programmtemperaturgenerator 12 die Programmtemperatur Tp an die Referenzmaterialtemperatursteuerung 10 gemäß dem Temperaturprogramm aus.
  • Das Temperaturmessinstrument 9 misst das Wärmesignal, das von dem Probentemperatursensor 5 und dem Referenzmaterialtemperatursensor 6 eingegeben wird, als Probentemperatur Ts und Referenzmaterialtemperatur Tr, gibt die Referenzmaterialtemperatur Tr an die Referenzmaterialtemperatursteuerung 10 aus und gibt die Temperaturdifferenz dT zwischen der Probentemperatur Ts und der Referenzmaterialtemperatur Tr an den Wärmedifferenzkompensator 11 aus.
  • Die Referenzmaterialtemperatursteuerung 10 vergleicht die Programmtemperatur Tp mit der Referenzmaterialtemperatur Tr und gibt die richtige Energie Pr an das Referenzmaterialheizelement 8 aus, so dass beide einander entsprechen, und gibt auch dieselbe Energiemenge an das Probenheizelement 7 aus.
  • Eine Serienkonfiguration, die den Referenzmaterialtemperatursensor 6, das Probenheizelement 7, das Referenzmaterialheizelement 8, das Temperaturmessinstrument 9, die Refe renzmaterialtemperatursteuerung 10 und den Programmtemperaturgenerator 12 umfasst, bildet die erste Rückkopplungsschleife.
  • Diese erste Rückkopplungsschleife funktioniert so, dass Änderungen bei beiden Halterungen gemäß dem Temperaturprogramm durch die Ausgabe der Energie Pr an das Referenzmaterialheizelement 8, um die Referenzmaterialtemperatur Tr und die Programmtemperatur Tp einander entsprechend zu machen, und durch Ausgabe derselben Energiemenge an das probenseitige Heizelement, vorgenommen werden.
  • Der Wärmedifferenzkompensator 11 gibt die richtige Energie Pr an das Probenheizelement 7 aus, um die Temperaturdifferenz dT auf Null zurückzustellen, und führt eine Steuerung zur Erhöhung der Energie aus, wenn das endotherme Phänomen an der Probenseite auftritt, und zur Senkung der Energie, wenn das exotherme Phänomen auftritt.
  • Eine Serienkonfiguration, die den Probentemperatursensor 5, den Referenzmaterialtemperatursensor 6, das Probenheizelement 7, das Temperaturmessinstrument 9 und den Wärmedifferenzkompensator 11 umfasst, bildet die zweite Rückkopplungsschleife.
  • Diese Rückkopplungsschleife funktioniert so, dass die Temperaturdifferenz durch Einstellen der Energie Pdt, die an das Probenheizelement 7 ausgegeben wird, entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen der Probenseite und der Referenzmaterialseite wieder auf Null gestellt wird, und gibt die Energie Pdt, die von dem Wärmedifferenzkompensator ausgegeben wird, als endothermes/exothermes Probensignal (DSC-Signal) aus.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ein Probenbehälter 13 enthält eine Probe, die mit dem Wärmeanalysegerät zu messen ist.
  • Ein Referenzmaterialbehälter 14 enthält ein Referenzmaterial.
  • Halterungen 15 und 16 dienen zur Befestigung des Probenbehälters 13 und des Referenzmaterialbehälters 14.
  • Ein Probentemperatursensor 17 und ein Referenzmaterialtemperatursensor 18, die aus einem Widerstand zur Temperaturerfassung usw. bestehen, und ein Probenheizelement 19 und ein Referenzmaterialheizelement 20 sind in der Nähe jeder Halterung angeordnet.
  • Ein Temperaturmessinstrument 21 ist an den Probentemperatursensor 17 und den Referenzmaterialtemperatursensor 18 angeschlossen und misst das Wärmesignal von beiden Sensoren.
  • Ein Bias-Power-Ausgabeinstrument 23 gibt eine unveränderliche Bias-Power an das probenseitige Heizelement 19 und das referenzmaterialseitige Heizelement 20 aus. Der Wert der unveränderlichen Bias-Power Pb kann unter Verwendung von Einstellungen modifiziert werden.
  • Ein Wärmedifferenzkompensator 22 ist an ein Temperaturmessinstrument 21 angeschlossen und steuert die Energie Pdt, die an das Probenheizelement 19 ausgegeben wird.
  • Ein Wärmereservoir 24 umgibt die Probenhalterung und die Referenzmaterialhalterung.
  • Ein Wärmereservoirtemperaturmessinstrument misst die Temperatur Th des Wärmereservoirs 24 und gibt diese an eine Wärmereservoirtemperatursteuerung 26 aus. Die Wärmereservoirtemperatursteuerung 25 ist an das Wärmereservoir temperaturmessinstrument 25 und den Programmtemperaturgenerator 27 angeschlossen und steuert die Temperatur des Wärmereservoirs 24.
  • Anschließend wird der Betrieb der in 2 dargestellten Vorrichtung beschrieben.
  • Zunächst bringt ein Tester den Probenbehälter 13, der die zu messende Probe enthält, und den Referenzmaterialbehälter 14, der das Referenzmaterial enthält, von dem die Wärmestabilität in dem Temperaturbereichen zur Ausführung der Messung verifiziert wird, an jeder Halterung an.
  • Dann gibt der Tester das Temperaturprogramm in den Programmtemperaturgenerator 27 ein, und gibt Anweisungen, mit der Messung zu beginnen.
  • Wenn die Messung gestartet wird, gibt der Programmtemperaturgenerator 27 die Programmtemperatur Tp an die Wärmereservoirtemperatursteuerung 26 gemäß dem eingegebenen Temperaturprogramm aus.
  • Die Wärmereservoirtemperatursteuerung 26 vergleicht die Programmtemperatur Tp mit der Wärmereservoirtemperatur Th, die von dem Wärmereservoirtemperaturmessinstrument 25 eingegeben wurde, und führt eine Steuerung aus, so dass beide einander entsprechen.
  • Eine Serienkonfiguration, die das Wärmereservoir 24, ein Wärmereservoirtemperaturmessinstrument 25, eine Wärmereservoirsteuerung 26 und einen Programmtemperaturgenerator 27 umfasst, bildet die erste Rückkopplungsschleife.
  • Dadurch wird die Temperatur des Wärmereservoirs 24 mit der Programmtemperatur Tp in Übereinstimmung gebracht.
  • Wenn das Wärmereservoir 24 erwärmt wird, wird die Wärme zu dem Probenbehälter 13 und den Referenzmaterialbehälter 14 geleitet. Dadurch werden der Probenbehälter 13 und der Referenzmaterialbehälter 14 entsprechend der Programmtemperatur Tp gesteuert.
  • Ein Temperaturmessinstrument 21 misst die Wärmesignale von dem Probentemperatursensor 17 und dem Referenzmaterialtemperatursensor 18 als Probentemperatur Ts und Referenzmaterialtemperatur Tr, und gibt die Temperaturdifferenz dT zwischen der Probentemperatur Ts und der Referenzmaterialtemperatur Tr an einen Wärmedifferenzkompensator 22 aus.
  • Ein Wärmedifferenzkompensator 22 gibt die richtige Energie Pdt, die von Temperaturmessinstrument 21 eingegeben wird, an das probenseitige Heizelement aus, um die Temperaturdifferenz dT wieder auf Null zu stellen.
  • Diese Steuerung erhöht die Energie, wenn das endotherme Phänomen an der Probenseite auftritt, und senkt die Energie, wenn ein exothermes Phänomen auftritt. Eine Serienkonfiguration, die den Probentemperatursensor 17, den Referenzmaterialtemperatursensor 18, das Probenheizelement 19, das Referenzmaterialheizelement 20, das Temperaturmessinstrument 21 und den Wärmedifferenzkompensator 22 umfasst, bildet die zweite Rückkopplungsschleife.
  • Die Funktion ist hier die Rückstellung der Temperaturdifferenz auf Null durch Einstellung der Energie, die an das Probenheizelement 16 ausgegeben wird, entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen der Probenseite und der Referenzmaterialseite.
  • Dadurch wird die Energie Pdt, die von dem Wärmedifferenzkompensator 22 ausgegeben wird, als endothermes/exothermes Probensignal (DSC-Signal) ausgegeben.
  • Hier ist die Form der Probenhalterung unbedeutend, vorausgesetzt, die Form ist geeignet, um den Probenbehälter zu montieren, und den Temperatursensor und da Probenheizelement in der Nähe anzuordnen.
  • Ebenso muss nicht darauf hingewiesen werden, dass die Temperaturmessinstrumente 9, 21, der Wärmedifferenzkompensator 11, 22 die Referenzmaterialtemperatursteuerung 10, der Programmtemperaturgenerator 12, 27, der Bias-Power-Generator 23, das Wärmereservoirtemperaturmessinstrument 25 und die Wärmereservoirtemperatursteuerung 27, die in dieser Ausführungsform dargestellt sind, mit einer analogen Schaltung, einer digitalen Schaltung oder einer Kombination von beiden konfiguriert werden können.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Schwankung der Temperatur an der Referenzmaterialseite nur durch Ändern der Menge an Energie, die der Probenseite zugeführt wird, verhindert werden, wobei die Wärmedifferenzrückkopplungsschleife die Temperaturdifferenz ausgleicht, die zwischen der Probenseite und der Referenzmaterialseite auftritt.
  • Zusätzlich können die Stellen, welchen Energie zugeführt wird, mit zwei Rückkopplungsschleifen getrennt werden, so dass eine wechselseitige Störung zwischen den zwei Rückkopplungsschleifen verhindert und eine präzise Temperatursteuerung ermöglicht wird.

Claims (1)

  1. Dynamisches Differenzkalorimeter vom Eingangskomprimierungstyp, umfassend: eine Probenhalterung (15) zum Montieren eines Probenbehälters (13), der eine Probe enthält; einen Probentemperatursensor (17), der in der Nähe der Probenhalterung angeordnet ist, zum Messen der Probentemperatur; ein probenseitiges Heizelement (19), das in der Nähe der Probenhalterung angeordnet ist, zum Erwärmen der Probe; eine Referenzmaterialhalterung (16) zum Befestigen des Referenzmaterialbehälters (14), der das Referenzmaterial enthält; einen Referenzmaterialtemperatursensor (18), der in der Nähe der Referenzmaterialhalterung angeordnet ist, zum Messen der Referenzmaterialtemperatur; ein referenzmaterialseitiges Heizelement (20), das in der Nähe der Referenzmaterialhalterung angeordnet ist, zum Erwärmen des Referenzmaterials; ein Temperaturmessinstrument (21), das an den Probentemperatursensor und den Referenzmaterialtemperatursensor angeschlossen ist, zum Messen der Temperaturdifferenz zwischen der Probenseite und der Referenzmaterialseite; einen Programmtemperaturgenerator (27); einen Wärmedifferenzkompensator (22) zum Eingeben der Temperaturdifferenz, die von dem Temperaturmessinstrument ausgegeben wird, und zum Ausgeben der Energie zu dem probenseitigen Heizelement, um einen Wert auf Null zurückzustellen; ein Bias-Power-Ausgabeinstrument (23) zum Ausgeben einer feststehenden Bias-Power (Pb) an das probenseitige Heizelement und das referenzmaterialseitige Heizelement; ein Wärmereservoir (24), das die Probenhalterung und die Referenzmaterialhalterung umgibt; ein Wärmereservoirtemperaturmessinstrument (25) zum Messen der Wärmereservoirtemperatur; und eine Wärmereservoirtemperatursteuerung (26), die an den Programmtemperaturgenerator und das Wärmereservoirtemperaturmessinstrument angeschlossen ist, um das Wärmereservoir zu steuern, so dass die Wärmereservoirtemperatur dem gewünschten Wert der Temperatur entspricht, die vom Programmtemperaturgenerator ausgegeben wird; wobei die Energie, die vom Wärmedifferenzkompensator ausgegeben wird, als endothermes/exothermes Probensignal erfasst wird.
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