RU115490U1

RU115490U1 - DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETER

Info

Publication number: RU115490U1
Application number: RU2011113448/28U
Authority: RU
Inventors: Борис Никифорович Бойко
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-04-27

Abstract

Дифференциальный сканирующий калориметр, содержащий термостат с системой сканирования по температуре, внутри которого помещены две калориметрические камеры, каждая из которых снабжена датчиком температуры и нагревателем, соединенными с системой прогрева и компенсации, отличающийся тем, что калориметрические камеры выполнены в виде цилиндрических углублений в круглом металлическом листе, к камерам приварены проводники, образующие термопары с материалом камер, такой же проводник приварен на краю листа в месте его контакта с термостатом, каждая из камер снабжена инфракрасным излучающим светодиодом, расположенным так, что его излучение направлено на эту камеру, а проводники и светодиоды соединены с системой прогрева и компенсации. Differential scanning calorimeter containing a thermostat with a temperature scanning system, inside which there are two calorimetric chambers, each of which is equipped with a temperature sensor and a heater connected to a heating and compensation system, characterized in that the calorimetric chambers are made in the form of cylindrical recesses in a round metal sheet , conductors are welded to the chambers, forming thermocouples with the material of the chambers, the same conductor is welded on the edge of the sheet in the place of its contact with the thermostat, each of the chambers is equipped with an infrared emitting LED located so that its radiation is directed to this chamber, and the conductors and LEDs are connected with heating and compensation system.

Description

Полезная модель относится к термическому анализу. Дифференциальный сканирующий калориметр является прибором для термического анализа и предназначен для измерения температурных зависимостей теплоемкости и энергии различных фазовых и структурных превращений в исследуемых образцах. Уровень техники.The utility model relates to thermal analysis. The differential scanning calorimeter is a device for thermal analysis and is designed to measure the temperature dependences of the specific heat and energy of various phase and structural transformations in the samples under study. The level of technology.

Существуют современные устройства, например, дифференциальные сканирующие; калориметры типа DSC, выпускаемые фирмой Perkin Elmer. (Уэндландт У. Термические методы анализа. Москва: Мир, 1978 г.).There are modern devices, for example, differential scanning; DSC type calorimeters manufactured by Perkin Elmer. (Wendlandt W. Thermal methods of analysis. Moscow: World, 1978).

Такую же конструкцию имеет и выпускаемая в настоящее время модель Diamond DSC фирмы Perkin Elmer (сайг фирмы: www.perkinclmer.com).Perkin Elmer's Diamond DSC model (company saig: www.perkinclmer.com) also has the same design.

Прибор имеет две калориметрические камеры, в донышко каждой камеры вмонтированы термометр сопротивления и нагреватель. Камеры установлены на вертикальных стойках-держателях на расположенном под ними основании. Нагреватели и термометры сопротивления камер соединены с системой прогрева и компенсации, которая с помощью электронных систем регулирования обеспечивает изменение температуры камер по заданному закону и при этом поддерживает одинаковую температуру самих камер. Мощность компенсации, обеспечивающая равенство температур калориметрических камер, является результатом измерения. По ней определяют теплофизические свойства исследуемых образцов.The device has two calorimetric chambers; a resistance thermometer and a heater are mounted in the bottom of each chamber. The cameras are mounted on vertical struts-holders on the base located below them. Heaters and resistance thermometers of the chambers are connected to a heating and compensation system, which with the help of electronic control systems provides a change in the temperature of the chambers according to a given law and at the same time maintains the same temperature of the chambers themselves. The compensation power, ensuring equal temperature of the calorimetric chambers, is the result of the measurement. The thermophysical properties of the studied samples are determined from it.

Аналогом также может служить и отечественный прибор ДСМ-10ма. (Бойко Б.Н. Прикладная микрокалориметрия: отечественные приборы и методы, Москва, Наука, 2006 г.).The domestic device DSM-10ma can also serve as an analogue. (Boyko B.N. Applied microcalorimetry: domestic instruments and methods, Moscow, Nauka, 2006).

Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является дифференциальный сканирующий микрокалориметр по патенту №2331063 (МПК: G01N 25/20), выполняющий ту же функцию и включающий совокупность признаков, наиболее близкую совокупности признаков предлагаемой полезной модели. Он также имеет две калориметрические камеры с вмонтированными в донышки камер термометрами сопротивления и нагревателями, но эти камеры вмонтированы в плоскую шайбу, имеющую тепловой контакт с термостатом. В отличие от указанных выше аналогов, в этом приборе в нагреватели калориметрических камер поступает не вся энергия, необходимая для сканирования по температуре, а только ее часть, требуемая для поддержания постоянной разности температур между калориметрическими камерами и термостатом. Остальная энергия поступает за счет кондуктивного теплообмена по шайбе от термостата, который и осуществляет сканирование по температуре. В остальном принцип действия этого калориметра аналогичен описанному выше. Указанный ближайший аналог может быть принят в качестве прототипа.The closest analogue to the proposed utility model is the differential scanning microcalorimeter according to patent No. 2331063 (IPC: G01N 25/20), which performs the same function and includes the set of features closest to the set of features of the proposed utility model. It also has two calorimetric chambers with resistance thermometers and heaters mounted in the bottom of the chambers, but these chambers are mounted in a flat washer that has thermal contact with the thermostat. Unlike the analogues mentioned above, in this device, the calorimetric chamber heaters do not receive all the energy necessary for scanning by temperature, but only part of it that is required to maintain a constant temperature difference between the calorimetric chambers and the thermostat. The rest of the energy comes from the conductive heat transfer through the washer from the thermostat, which performs scanning by temperature. Otherwise, the principle of operation of this calorimeter is similar to that described above. The specified closest analogue can be adopted as a prototype.

Расположенные под донышком камер датчики температуры и нагреватели вместе с необходимыми средствами электрической изоляции, представляют собой многослойную конструкцию из разнородных материалов, имеющих различные теплофизические свойства. При изменении температуры в процессе измерения (сканировании по температуре) за счет различия в коэффициентах термического расширения в элементах такой конструкции появляются различные механические напряжения и происходят их взаимные микроперемещения. Микроперемещения вызывают изменение термического сопротивления между донышком, нагревателями и термометрами, за счет чего изменяются тепловые потоки через эти элементы. В результатах измерения это проявляется в виде дрейфа и шума. Работа по микроперемещению, выполняемая против сил трения, увеличивает регистрируемую прибором энергию, а ее невоспроизводимая составляющая также проявляется в виде дрейфа и шума.The temperature sensors and heaters located under the bottom of the chambers, together with the necessary means of electrical insulation, are a multilayer structure of dissimilar materials having various thermophysical properties. When the temperature changes during the measurement (scanning by temperature) due to the difference in the coefficients of thermal expansion, various mechanical stresses appear in the elements of this design and their mutual micro-movements occur. Micro displacements cause a change in thermal resistance between the bottom, heaters and thermometers, due to which the heat fluxes through these elements change. In the measurement results, this manifests itself in the form of drift and noise. The work on micromotion performed against friction increases the energy recorded by the device, and its irreproducible component also manifests itself in the form of drift and noise.

Изменение внутренних напряжений в конструкции изменяет ее внутреннюю энергию, вызывая гистерезис - накопление энергии при повышении температуры и отдачу накопленной энергии при снижении температуры. В сочетании с микроперемещениями, это изменение энергии не воспроизводится при повторении условий измерения.The change in internal stresses in the structure changes its internal energy, causing hysteresis - the accumulation of energy with increasing temperature and the return of stored energy with decreasing temperature. In combination with micromovements, this change in energy is not reproduced when the measurement conditions are repeated.

Нагреватели, прижатые к термометрам, имеют с ними достаточно сильную емкостную связь, по которой сигналом от нагревателя в цепи термометра наводится помеха.Heaters pressed to thermometers have a rather strong capacitive coupling with them, which interferes with the signal from the heater in the thermometer circuit.

Совместное действие описанных процессов приводит к искажению результатов измерения. Высокочастотная составляющая этих искажений увеличивает шумы, низкочастотная - дрейф. Исключение этих составляющих приведет к снижению шумов и повышению стабильности.The combined action of the described processes leads to a distortion of the measurement results. The high-frequency component of these distortions increases noise, the low-frequency component - drift. The exclusion of these components will reduce noise and increase stability.

Раскрытие полезной модели.Disclosure of a utility model.

Задачей предлагаемой полезной модели является снижение уровня шумов и повышение стабильности. Для этого термометр и нагреватель, закрепляемые на калориметрических камерах и являющиеся одним из источников шума, дрейфа и помех, заменяются термопарами, для которых одним из проводников служит сам материал калориметрических камер, и дистанционными нагревателями на излучающих инфракрасных светодиодах, не имеющих контакта с калориметрическими камерами.The objective of the proposed utility model is to reduce noise and increase stability. For this, the thermometer and heater, mounted on calorimetric chambers and being one of the sources of noise, drift and interference, are replaced by thermocouples, for which the material of the calorimetric chambers is one of the conductors, and by remote heaters using emitting infrared LEDs that do not have contact with calorimetric chambers.

В качестве датчика разности температур между калориметрическими камерами используются проводники, приваренные к донышкам калориметрических камер, образующие с материалом камер дифференциальную термопару.Conductors welded to the bottoms of the calorimetric chambers, forming a differential thermocouple with the material of the chambers, are used as a sensor of the temperature difference between the calorimetric chambers.

Дополнительный проводник, приваренный к краю листа, образует с одним из проводников дифференциальной термопары другую термопару, которая измеряет температуру камер относительно термостата.An additional conductor welded to the edge of the sheet forms another thermocouple with one of the conductors of the differential thermocouple, which measures the temperature of the chambers relative to the thermostat.

В качестве нагревателей калориметрических камер используются инфракрасные излучающие светодиоды, расположенные так, что излучение каждого попадает только на свою камеру.As heaters of calorimetric chambers, infrared emitting LEDs are used, which are located so that the radiation of each falls only on its own camera.

Три указанных проводника передают в систему прогрева и компенсации информацию о температуре камер (для обеспечения сканирования) и о разности температур между камерами (для обеспечения компенсации).Three of these conductors transmit information about the temperature of the cameras (to ensure scanning) and the temperature difference between the cameras (to provide compensation) to the heating and compensation system.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На фигуре представлена структурная схема дифференциального сканирующего калориметра по предлагаемому техническому решению.The figure shows a structural diagram of a differential scanning calorimeter according to the proposed technical solution.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

Согласно чертежу, две калориметрические камеры, имеющие вид цилиндрических углублений, выполненных методом штамповки в круглом металлическом листе 1, помещены внутри термостата 2. К каждой из камер и к краю металлического листа в месте его теплового контакта с термостатом, приварены проводники 3, образующие с материалом листа термопары. Эти проводники соединены со входами системы прогрева и компенсации 4, выходы которой соединены с двумя излучающими инфракрасными светодиодами 5, каждый из которых расположен под донышком своей калориметрической камеры соосно с ней. Современные облучающие светодиоды, например У-176 фирмы ОПТЕЛ (http://www.optelcenter.ru), имеют угол излучения порядка 7°. Поэтому их можно разместить так, что излучение попадает только на свою камеру. При радиусе камеры 5 мм расстояние от донышка до светодиода составит величину, равную 5/tg7°=40,7 мм, что позволяет расположить светодиоды снизу и вне термостата. Попадание излучения на калориметрические камеры в данной реализации обеспечивается отверстиями в дне термостата, одновременно выполняющими роль диафрагм, исключающих попадание излучения на другую камеру. При необходимости исключения теплообмена по воздуху между внутренней полостью термостата и окружением, эти отверстия могут быть закрыты светофильтрами, прозрачными для инфракрасного излучения.According to the drawing, two calorimetric chambers, having the form of cylindrical recesses made by stamping in a round metal sheet 1, are placed inside the thermostat 2. To each of the chambers and to the edge of the metal sheet in the place of its thermal contact with the thermostat, conductors 3 are welded, forming with the material thermocouple sheet. These conductors are connected to the inputs of the heating and compensation system 4, the outputs of which are connected to two emitting infrared LEDs 5, each of which is located under the bottom of its calorimetric chamber coaxially with it. Modern irradiating LEDs, for example, U-176 from OPTEL (http://www.optelcenter.ru), have an emission angle of about 7 °. Therefore, they can be placed so that the radiation falls only on your camera. With a camera radius of 5 mm, the distance from the bottom to the LED will be 5 / tg7 ° = 40.7 mm, which allows the LEDs to be located below and outside the thermostat. The radiation hit the calorimetric chambers in this implementation is provided by holes in the bottom of the thermostat, which at the same time play the role of diaphragms, eliminating the radiation from reaching another camera. If it is necessary to exclude heat transfer through the air between the internal cavity of the thermostat and the environment, these openings can be closed by filters that are transparent to infrared radiation.

При изготовлении калориметрических камер из нержавеющей стали, а проводников из константана, получаем термопару с ЭДС, равной 5 мВ при 100°С (пара железо-константан). Для сравнения широко применяемая пара медь-константан в этих условиях дает ЭДС, равную 4 мВ. (Руководство к лабораторным занятиям по физике, под редакцией Л.Л.Гольдина, Наука, Москва, 1973 г.In the manufacture of stainless steel calorimetric chambers, and constantan conductors, we obtain a thermocouple with an EMF of 5 mV at 100 ° C (iron-constantan pair). For comparison, the widely used copper-constantan pair under these conditions gives an emf of 4 mV. (Manual for laboratory studies in physics, edited by L.L. Goldin, Science, Moscow, 1973

Система компенсации и прогрева представляет собой двухканальную систему регулирования с временным разделением каналов. В фазе компенсации работает канал компенсации, в фазе прогрева - канал прогрева.The compensation and heating system is a two-channel control system with time division of channels. In the compensation phase, the compensation channel works; in the warm-up phase, the warm-up channel.

В фазе компенсации канал компенсации подает сигнал, пропорциональный разности температур, но только на один из светодиодов - тот, температура которого ниже. Датчиком этой разности служит термо-ЭДС термопар, образованных проводниками, приваренными к калориметрическим камерам. По полярности этой термо-ЭДС определяется, какая из камер имеет более низкую температуру, и сигнал подается на светодиод этой камеры. В процессе работы этой системы регулирования поддерживается равенство температур калориметрических камер.In the compensation phase, the compensation channel gives a signal proportional to the temperature difference, but only to one of the LEDs - the one whose temperature is lower. The sensor of this difference is the thermo-EMF of thermocouples formed by conductors welded to calorimetric chambers. The polarity of this thermo-EMF determines which camera has a lower temperature, and the signal is fed to the LED of this camera. In the process of operation of this control system, the temperature equality of calorimetric chambers is maintained.

В фазе прогрева канал прогрева подает одинаковый сигнал на оба светодиода. Этот сигнал пропорционален разности между заданной постоянной величиной (Uo) и величиной термо-ЭДС термопары, образованной проводником от края металлического листа и проводником от одной из камер. В результате, учитывая, что система компенсации поддерживает равенство температур камер, за счет работы системы прогрева поддерживается постоянная разность температур между термостатом и камерами. Величина этой разности определяется заданным значением Uo.In the warm-up phase, the warm-up channel delivers the same signal to both LEDs. This signal is proportional to the difference between the given constant value (Uo) and the thermo-EMF value of the thermocouple formed by the conductor from the edge of the metal sheet and the conductor from one of the chambers. As a result, given that the compensation system maintains equal temperature of the chambers, due to the operation of the heating system, a constant temperature difference between the thermostat and the chambers is maintained. The magnitude of this difference is determined by the given value of Uo.

В процессе измерения по определенному закону, обычно линейно меняется температура термостата. Канал прогрева обеспечивает, с постоянным положительным смещением по температуре, такое же изменение температуры камер. Допустим, для определенности, что температура линейно растет. Тепловая энергия, необходимая для повышения температуры камер, поступает за счет теплопроводности в виде теплового потока от термостата и за счет поглощения потока излучения от излучающих светодиодов по каналу прогрева. Если в одной из камер при определенной температуре происходит некоторый процесс, например, плавление, то этот процесс потребует дополнительной энергии. Эту дополнительную энергию в фазе компенсации поставляет светодиод, облучающий эту камеру. Сигнал компенсации, пропорциональный потоку излучения, и является результатом измерения в дифференциальном сканирующем калориметре. Этот сигнал пропорционален тепловому потоку компенсации и имеет размерность мощности.During the measurement according to a certain law, the temperature of the thermostat usually changes linearly. The warm-up channel provides, with a constant positive temperature offset, the same temperature change in the chambers. Suppose, for definiteness, that the temperature rises linearly. The thermal energy required to increase the temperature of the chambers comes from the thermal conductivity in the form of heat flux from the thermostat and due to the absorption of the radiation flux from the emitting LEDs through the heating channel. If in one of the chambers at a certain temperature a certain process occurs, for example, melting, then this process will require additional energy. This additional energy in the compensation phase is supplied by the LED irradiating this camera. A compensation signal proportional to the radiation flux is the result of a measurement in a differential scanning calorimeter. This signal is proportional to the compensation heat flux and has a power dimension.

Тепловой поток компенсации подается на разные камеры, в зависимости от того, выделяется или поглощается тепло в исследуемом образце. Чтобы обеспечить одинаковые пределы для тепловых эффектов как с поглощением тепла, таких как, например, плавление, так и с выделением тепла, как, например, окисление, тепловой поток на калориметрические камеры в фазе прогрева должен быть больше максимального значения мощности для данного диапазона измерения. Это условие является критерием для выбора величины Uo.The heat flux of compensation is supplied to different chambers, depending on whether heat is released or absorbed in the test sample. In order to ensure the same limits for thermal effects, both with the absorption of heat, such as, for example, melting, and with the release of heat, such as oxidation, the heat flux to the calorimetric chambers in the heating phase should be greater than the maximum power value for a given measurement range. This condition is a criterion for choosing the value of Uo.

Таким образом, тепловой поток в фазе прогрева обеспечивает решение двух задач:Thus, the heat flow in the warm-up phase provides a solution to two problems:

- поддерживает постоянную разницу температур калориметрических камер относительно термостата, компенсируя изменение этой разницы за счет изменения условий теплопередачи и теплообмена между термостатом и калориметрическими камерами;- maintains a constant temperature difference of the calorimetric chambers relative to the thermostat, compensating for the change in this difference due to changes in the conditions of heat transfer and heat transfer between the thermostat and calorimetric chambers;

- обеспечивает измерение эндотермических и экзотермических тепловых эффектов.- provides measurement of endothermic and exothermic thermal effects.

Известные методы калибровки сканирующего калориметра по температуре и энергии, (Бойко Б.Н. Прикладная микрокалориметрия: отечественные приборы и методы, Москва, Наука.2006 г.), позволяют измерить энергию исследуемых процессов, а калибровка по температуре и теплоемкости - теплоемкость.Known methods for calibrating a scanning calorimeter by temperature and energy, (Boyko B.N. Applied microcalorimetry: domestic instruments and methods, Moscow, Nauka, 2006), allow you to measure the energy of the processes under study, and calibration by temperature and heat capacity - heat capacity.

Приведенный пример осуществления обосновывает возможность практической реализации предлагаемого технического решения с набором признаков, приведенных в формуле, обеспечение заявленного функционального назначения и достижение заявленного технического результата.The given implementation example justifies the possibility of practical implementation of the proposed technical solution with a set of features given in the formula, ensuring the declared functional purpose and achieving the claimed technical result.

Claims

A differential scanning calorimeter containing a thermostat with a temperature scanning system, inside which two calorimetric chambers are placed, each of which is equipped with a temperature sensor and a heater connected to a heating and compensation system, characterized in that the calorimetric chambers are made in the form of cylindrical recesses in a round metal sheet , conductors are formed on the chambers, forming thermocouples with the material of the chambers, the same conductor is welded on the edge of the sheet in the place of its contact with the thermostat Ohm, each of the cameras is equipped with an infrared emitting LED located so that its radiation is directed to this camera, and the conductors and LEDs are connected to the heating and compensation system.