JP2536494B2 - 試料単独方式の熱流束型示差走査熱量計 - Google Patents

試料単独方式の熱流束型示差走査熱量計

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JP2536494B2 JP61227499A JP22749986A JP2536494B2 JP 2536494 B2 JP2536494 B2 JP 2536494B2 JP 61227499 A JP61227499 A JP 61227499A JP 22749986 A JP22749986 A JP 22749986A JP 2536494 B2 JP2536494 B2 JP 2536494B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、熱分析の一技法である示差走査熱量測定
(DSC)を行なう示差走査熱量計のうち、熱流束型に属
するものに関する。
〔従来の技術〕
従来の熱流束型示差走査熱量計は、加熱炉内に、その
炉内底壁面に樹設された各熱抵抗をそれぞれ介して一対
の載置台を設け、それらの載置台の一方に試料が収容さ
れた容器を、他方に熱的に不活性な標準物質(例えばα
−アルミナ粉末)が収容された容器をそれぞれ載置し、
測定しようとする試料とともに標準物質をも同一環境下
で加熱し、試料部の温度とともに、試料部と標準物質部
との温度差を検出して記録していた。そして、加熱の過
程において試料が吸熱したり発熱したりした時に、標準
物質に対して試料に生じた温度のアンバランス分を測定
することにより定量分析や定性分析を行なっている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この種の示差走査熱量計において、精度良く定量分析
を行なおうとすれば、サーモグラム上に描出される基線
(ベースライン)が一定していることが必要である。と
ころが、上記した従来の熱流束型示差走査熱量計におい
ては、加熱炉と試料部との間及び加熱炉と標準物質部と
の間の熱抵抗をそれぞれRs及びRrとし、試料部及び標準
物質部の熱容量をそれぞれCs及びCrとしたとき、RsCs−
RrCrに比例した量のベースライン・シフトが発生する。
このベースライン・シフトをなくすには、RsCs=RrCr
に、すなわち熱抵抗RsとRrとを一致させ、かつ熱容量Cs
とCrとを等しくすればよい。しかしながら、熱抵抗Rs、
Rrは各装置に固有の値であり、これら両者を一致させる
ためには、装置の製作に際して厳密な工作・組立精度が
要求される。しかも、製作時に両者の数値を一致させる
ことができたとしても、使用時において、高温域では輻
射による熱伝達が増大するため、試料側と標準物質側と
でそれらの表面状態が異なったりすると、両者間で輻射
による熱伝達が相違して、それが熱抵抗RsとRrとの違い
となり、その結果ベースラインの安定性に対して悪影響
を及ぼすこととなる。また、試料部の熱容量Csと標準物
質部の熱容量Crとを、測定の度ごとに試料量及び標準物
質量を調整して、厳密に一致させることは非常に繁雑で
あり、非実用的である。
この発明は、従来の熱流束型示差走査熱量計における
上記問題点を解決するためになされたものであって、サ
ーモグラムのベースラインを一定させるためこれまで行
なっていた、試料側と標準物質側との間における条件合
せのための装置製作上及び測定の際の努力を払うことな
く、所期の示差走査熱量測定を行なうことができ、また
ベースラインも安定させることができる装置を提供する
ことを技術的課題とする。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明は、従来の熱流束型示差走査熱量計における
上記問題点が、試料側と標準物質側との間における諸条
件を同一にしなければならないといった要求があること
に起因したものであることに鑑み、熱流束型示差走査熱
量計から標準物質部を排して試料部のみを単独で昇温・
降温ないし定温保持するようにし、加熱炉の温度を温度
プログラム等に従って制御して、試料部の温度ととも
に、試料部と加熱炉との間の温度差を記録するようにし
て上記課題を達成した。すなわち、この発明に係る熱流
束型示差走査熱量計は、試料単独方式であって、加熱手
段が付設された加熱炉と、この加熱炉内に配設され、試
料が収容された試料容器を載置する試料台と、前記加熱
炉の温度を検出する加熱炉温度検出手段と、前記試料部
の温度を検出する試料温度検出手段と、前記加熱炉温度
検出手段の検出信号に基づいて前記加熱手段を制御する
加熱炉温度制御手段と、前記試料温度検出手段の検出信
号、並びに前記加熱炉温度検出手段の検出信号と試料温
度検出手段の検出信号との差信号に基づいて、それぞれ
試料温度、並びに加熱炉温度と試料温度との温度差を記
録する記録手段と、加熱炉温度と試料温度との温度差が
大きく相違した状態から過渡状態を経過して定常状態へ
移行する際のベースラインのシフト量に対し、試料に吸
熱又発熱が起こった時の吸熱ピーク又は発熱ピークの割
合が所定の値より小さいときに、前記記録手段に記録さ
れるべき加熱炉温度と試料温度との温度差を補正する補
正手段とを備えてなり、前記補正手段が、 (Ts:試料温度、Tf:加熱炉温度)を計算する微分回路
と、加熱炉温度と試料温度との温度差が大きく相違した
状態から が一定の値になるまでの過渡状態においては (Aは1より大きい設定値)を計算し、それ以後の定常
状態においては のときの試料温度、 のときの加熱炉温度)を計算して、その計算値を前記記
録手段に記録させる演算回路とから構成されている。
〔作用〕
この発明は以上のように構成されているので、この発
明に係る熱流束型示差走査熱量計においては、加熱炉温
度制御手段により加熱炉の温度を一定の温度プログラム
等に従って制御しながら加熱炉を加熱し、試料部の温度
とともに、その試料部の温度と加熱炉の温度との差が検
出され、記録される。ここで記録される試料部と加熱炉
との温度差のサーモグラムのベースラインは、試料部、
すなわち試料、試料容器及び試料台系の熱容量に比例し
てシフトするが、従来装置におけるように試料部と標準
物質部との間の温度差ではなく、試料部と温度制御手段
によって制御されている加熱炉の温度自体との間の温度
差であることから、変動因子が少なく、加熱開始後過渡
状態が経過して定常状態になればベースラインは安定す
る。そして、加熱過程で試料に吸熱や発熱が起こると、
そのベースラインに対して吸熱ピークや発熱ピークが生
じ、従来装置の場合と同様にして、そのピーク面積から
熱量を測定することができる。また、この場合におい
て、加熱を開始してから過渡状態が経過して定常状態な
るまでのベースラインのシフト量に対する吸熱ピーク又
は発熱ピークの割合が余りに小さいと、サーモグラムに
現われるピークも小さくなり、ピーク面積から試料の熱
量を求めるときに測定精度が低下することになるが、こ
の示差走査熱量計では、前記割合が一定の値より小さい
と、加熱炉温度と試料温度との温度差が補正手段により
補正されて記録手段に記録される。すなわち、微分回路
での計算に基づき、ベースラインが大きくシフトする過
渡状態においては、演算回路により が計算されて記録される。従って、ベースラインの見掛
け上のシフト量は、実際のシフト量の1/Aとなる。ま
た、ベースラインが安定した定常状態においては、演算
回路により が計算されて記録される。従って、定常状態において現
われる吸熱ピークや発熱ピークは、実際のピークに近い
値となる。このため、サーモグラムにおいてベースライ
ンのシフト量に対する吸熱ピーク又は発熱ピークの割合
が相対的に大きくなるので、上記した測定精度の低下と
いった不都合を無くすことができる。尚、上記Aの数値
は、実際の装置の熱抵抗の値などに応じて適宜選定され
る。
〔実 施 例〕
以下、この発明の好適な実施例について図面を参照し
ながら説明する。
第1図は、この発明の1実施例を示す図であって、熱
流束型示差走査熱量計の概略構成を、装置本体部を縦断
面図で、回路部分をブロック図で示したものである。図
において、装置本体部10の加熱炉12の内方空間には、加
熱炉12の内底壁面から熱抵抗14が樹設され、その熱抵抗
14の上端部に試料台16が配設されている。この試料台16
上に、試料18を収容した試料容器20が載置される。加熱
炉12、並びに試料18、試料容器20及び試料台16からなる
試料部には、加熱炉温度検出器22及び試料温度検出器24
がそれぞれ配設されている。また、加熱炉12にはヒータ
26が付設されている。加熱炉12の炉壁には、パージガス
供給管28が接続されたパージガス導入路30が形成されて
おり、一方、加熱炉の蓋体32にはパージガス排出孔34が
穿設されている。加熱炉12の全体は遮熱カバー36で囲ま
れており、遮熱カバー36の外側はさらに断熱筐体38で被
覆されていて、ある程度の断熱が行なわれている。そし
て、加熱炉温度検出器22は、増幅器40を介して温度コン
トローラ42に回路接続されており、温度コントローラ42
にはまた温度プログラマ44が接続されている。この温度
コントローラ42によってヒータ電源46の電流値を制御す
る。一方、試料温度検出器24は増幅器48を介して記録計
50に接続されており、また記録計50には、加熱炉温度検
出器22と試料温度検出器24との間の差分信号が増幅器52
を介して入力されるようになっている。
次に、この試料単独方式の熱流束型示差走査熱量計に
おける測定動作について説明する。加熱炉12の温度Tfは
加熱炉温度検出器22によって検出され、その加熱炉温度
信号に基づいて、温度プログラマ44に予めインプットさ
れている昇・降温ないし等温プログラムに従って加熱炉
温度Tfが変化するように、温度コントローラ42によりヒ
ータ電源46を制御する。加熱炉12を加熱することによっ
て、加熱炉12から熱抵抗14を通って試料台16に熱が流れ
込み、試料容器20に収容されている試料18の温度も次第
に上昇する。そして、試料18、試料容器20及び試料台16
からなる試料部の温度Tsは試料温度検出器24によって検
出される。なお、試料の雰囲気を制御するために、パー
ジガスをパージガス供給管28からパージガス導入路30を
通して加熱炉12内に導入し、排出孔34から炉外へ排気す
るようにしている。この測定において、記録計50には、
試料温度検出器24から送出される試料温度信号と、加熱
炉温度検出器22と試料温度検出器24との間の差分信号で
ある試料〜加熱炉温度差信号とが増幅されて入力され、
試料温度Tsと試料温度の加熱炉温度からのずれTs−Tfと
が連続して記録されて、例えば第2図に示したようなサ
ーモグラムが得られる(尚、第2図に示したものにおい
てはTsとTs−Tfとは増幅率がそれぞれ異なる)。この第
2図を見れば分かるように、加熱開始後ある時間経過す
るまでの過渡状態においてはベースラインが大きくシフ
トするが、その過渡状態が経過して定常状態に入るとシ
フトする割合は少なくなり、やがてベースラインは一定
量のシフト量Δのところで安定する。このベースライン
が安定した定常状態において、試料に吸熱や発熱が起こ
ると、サーモグラム上に吸熱ピークや発熱ピーク(第2
図に示した例では吸熱ピークH)が現れる。そして、こ
のピークの面積を測定することによって試料の熱量が求
められる。
ここで、ベースラインのシフト量Δは、試料部、すな
わち試料18〜試料容器20〜試料台16系の熱容量に比例す
る。従って、多量の試料について測定を行なうときはそ
の分だけシフト量Δが大きくなる。また、検出すべきピ
ークHが元来小さな微小変化を測定することも考えられ
る。記録計50に試料〜加熱炉温度差Ts−Tfを記録する場
合において、試料〜加熱炉温度差信号の増幅率は、シフ
ト量Δ+ピークHに基づいて決められることから、シフ
ト量Δに対するピークHの割合H/Δが余りに小さいと、
サーモグラムに現れるピークも小さくなり、ピーク面積
から試料の熱量を求めようとする場合にその測定精度が
低下することになる。そこで、H/Δがある一定の値より
小さいときには以下のような補正を加えることにする。
すなわち、微分回路54において を計算し、加熱を開始してから がある一定の値になるまでの、温度差Ts−Tfが大きく
変化する過渡状態においては、Ts−Tfの代わりに、補正
回路56において を計算してこれを記録するようにする。そして、 が丁度に達した時の試料部及び加熱炉の各温度をそれ
ぞれTs=Ts゜、Tf=Tf゜とすると、それ以後の定状態に
おいては、Ts−Tfの代わりに、補正回路56において を計算してこれを記録計50に記録するようにする。以上
のような補正を行なうことにより、ベースラインの見掛
け上のシフト量Δ´は実際のシフト量Δの100分の1と
なり、第3図に示したようなサーモグラムが記録される
こととなる。これによって、試料の熱量測定の精度を高
く維持することができる。また、プログラム昇降温速度
が変化した直後においても、Ts−Tfが大きく変化して がより大きくなるので、同様の補正が行なわれること
となる。尚、以上の補正を行なうかどうかの目安となる
H/Δの値は、既知の試料については文献値などを参照し
て求めればよいし、未知の試料については補正を行なわ
ないで予備測定を行ない、その結果によって補正を加え
るかどうかを決定すればよい。また、上記説明において
は、過渡状態(非定常状態)時における試料〜加熱炉温
度差信号を100分の1に落としているが、この数値は、
実際の装置、とりわけその熱抵抗の値に応じて適宜選定
すればよい。一般的に言えば、Ts−Tfの代わりに、 を記録するということになる。
〔発明の効果〕
この発明は以上説明したように構成され、かつ作用す
るので、この発明に係る試料単独方式の熱流束型示差走
査熱量計によれば、装置製作上からも、また実際の測定
に当たっても煩わしかった、試料部と標準物質部との間
の条件合せを行なわなくてもよい。また、標準物質部を
排して試料部と温度制御されている加熱炉の温度自体と
の温度差を記録するようにしており、変動因子が従来装
置に比して少ないことから、ベースライン・ドリフトの
傾向が一定になり易いため、データ処理に当たってのベ
ースラインの補正が比較的容易となる。
【図面の簡単な説明】 第1図は、この発明の1実施例を示す図であって、熱流
束型示差走査熱量計の概略構成を、装置本体部を縦断面
図で、回路部分をブロック図で示したものであり、第2
図及び第3図は、その熱量計を使用して示差走査熱量測
定を行なった場合のサーモグラムをそれぞれ示す図であ
る。 10……装置本体部、12……加熱炉、 14……熱抵抗、16……試料台、 18……試料、20……試料容器、 22……加熱炉温度検出器、 24……試料温度検出器、26……ヒーター、 42……温度コントローラ、 50……記録計。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】加熱手段が付設された加熱炉と、この加熱
    炉内に配設され、試料が収容された試料容器を載置する
    試料台と、前記加熱炉の温度を検出する加熱炉温度検出
    手段と、前記試料部の温度を検出する試料温度検出手段
    と、前記加熱炉温度検出手段の検出信号に基づいて前記
    加熱手段を制御する加熱炉温度制御手段と、前記試料温
    度検出手段の検出信号、並びに前記加熱炉温度検出手段
    の検出信号と試料温度検出手段の検出信号との差信号に
    基づいて、それぞれ試料温度、並びに加熱炉温度と試料
    温度との温度差を記録する記録手段と、加熱炉温度と試
    料温度との温度差が大きく相違した状態から過渡状態を
    経過して定常状態へ移行する際のベースラインのシフト
    量に対し、試料に吸熱又発熱が起こった時の吸熱ピーク
    又は発熱ピークの割合が所定の値より小さいときに、前
    記記録手段に記録されるべき加熱炉温度と試料温度との
    温度差を補正する補正手段とを備えてなり、前記補正手
    段が、 (Ts:試料温度、Tf:加熱炉温度)を計算する微分回路
    と、加熱炉温度と試料温度との温度差が大きく相違した
    状態から が一定の値になるまでの過渡状態においては (Aは1より大きい設定値)を計算し、それ以後の定常
    状態においては のときの試料温度、 のときの加熱炉温度)を計算して、その計算値を前記記
    録手段に記録させる演算回路とから構成された試料単独
    方式の熱流束型示差走査熱量計。
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