RU2392591C1

RU2392591C1 - Calorimetre

Info

Publication number: RU2392591C1
Application number: RU2009114385/28A
Authority: RU
Inventors: Лев Борисович Машкинов (RU); Лев Борисович Машкинов
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2010-06-20

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention relates to heating engineering and may be used for measurement of the amount of heat such as during combustion of the substance being studied. Its essence consists in the calorimetre containing a measurement cell wherein a calorimetric bomb is inserted. The calorimetre contains an additional thermoregulator on the inner shell whereof a heater and a resistance thermometre are arranged connected with an additional amplifier including a bridging device providing for maintenance of the shell temperature at a level 5-7°C lower than the thermoregulator temperature. Between the shells an air gap is provided for passage of heated air to the fan which is sucked from the ambient environment through the holes arranged in a circle in the upper part of the outer shell with a heat insulation gasket on the outer shell inner surface. The heat flow amplifier is positioned inside the cavity of the calorimetre cover heat insulator and is connected with the measurement and reference resistance thermometres with short conductors.

EFFECT: improved accuracy of measurement within a wide range of ambient temperatures and rapid development of the calorimetre operational temperature.

1 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения количества теплоты, например, при сжигании исследуемого вещества.The invention relates to heat engineering and can be used to measure the amount of heat, for example, when burning the test substance.

Известен калориметр, предназначенный для измерения тепловых потоков, содержащий теплоизолированный корпус с расположенными в нем измерительной и опорной ячейками, размещенными в массивном металлическом блоке и соединенными между собой через преобразователи теплового потока (Э.Кальве и Ф.Прат. Микрокалориметрия, М., Иностранная литература, 1963, с.37).A known calorimeter designed to measure heat fluxes, containing a thermally insulated body with measuring and supporting cells located in it, placed in a massive metal block and interconnected via heat flux converters (E. Calve and F. Prat. Microcalorimetry, M., Foreign literature , 1963, p. 37).

Известен также калориметр, содержащий измерительную ячейку с калориметрической бомбой, размещенную в массивном блоке и окруженную батареей дифференциальных термопар, через электроизоляционные прокладки установленных в контакте с ячейкой и массивным блоком, соосно которому снаружи его размещены прижимные элементы в виде двух кольцевых обойм, через резьбовые элементы образующих соединение с массивным блоком и изотермическую оболочку (авт. свид. SU №1774195, 07.11.1992).Also known is a calorimeter containing a measuring cell with a calorimetric bomb, placed in a massive block and surrounded by a battery of differential thermocouples, through electrical insulating gaskets installed in contact with the cell and a massive block, coaxial to which outside of it are placed clamping elements in the form of two ring cages, through threaded elements forming connection to the massive block and isothermal shell (ed. certificate. SU No. 1774195, 11/07/1992).

Недостатком данного калориметра является низкая точность измерений из-за отсутствия принудительного воздушного терморегулирования постоянной температуры.The disadvantage of this calorimeter is the low accuracy of the measurements due to the lack of forced air temperature control of constant temperature.

Наиболее близким к предложению по технической сущности и достигаемому результату является калориметр, содержащий измерительную ячейку с введенной в нее калориметрической бомбой, выполненную в виде многогранника с четным числом граней, связанную через преобразователь теплового потока, в качестве которого используют измерительный термометр сопротивления, расположенный на наружной поверхности измерительной ячейки, грани которой через прокладки, выполненные из материала с большим тепловым сопротивлением, прижаты к соответствующим граням металлических сегментов массивного блока и опорный термометр сопротивления, расположенный на наружном диаметре металлического кольца, соединенного с массивным блоком, выполненным в виде отдельных сегментов по числу граней измерительной ячейки, скрепленных металлическими кольцами, и помещенным в изотермическую оболочку, которая выполнена в виде двух цилиндрических обечаек, между которыми размещена теплоизолирующая прокладка, дополнительно в калориметр введен воздушный термостат, состоящий из вентилятора, установленного в канале забора воздуха, нагревателя, термометра сопротивления и усилителя, выходной ток которого, увеличенный в результате небаланса входящего в его состав мостового устройства, поступает в нагреватель, вызывая выделение тепла, при этом вентилятор прогоняет воздух сквозь нагреватель и термометр сопротивления, который балансирует мост в усилителе (патент RU №2287788, 03.02.2005).The closest to the proposal on the technical nature and the achieved result is a calorimeter containing a measuring cell with a calorimeter bomb inserted into it, made in the form of a polyhedron with an even number of faces, connected through a heat flux transducer, which is used as a resistance thermometer located on the outer surface measuring cell, whose faces through gaskets made of material with high thermal resistance are pressed to the corresponding yum metal segments of the massive block and a reference resistance thermometer located on the outer diameter of the metal ring connected to the massive block made in the form of separate segments according to the number of faces of the measuring cell fastened by metal rings and placed in an isothermal shell, which is made in the form of two cylindrical shells between which a heat-insulating pad is placed, an air thermostat is also added to the calorimeter, consisting of a fan installed in the can f air intake, heater, resistance thermometer and amplifier, the output current of which, increased as a result of the unbalance of the bridge device included in it, enters the heater, causing heat to be generated, while the fan drives air through the heater and the resistance thermometer that balances the bridge in the amplifier (patent RU No. 2287788, 02/03/2005).

Недостатками известного калориметра являются снижение точности измерений из-за снижения термостабильности при температурах ниже +18°С окружающей среды, из которой производится забор воздуха в систему воздушного термостатирования, а также снижение точности измерений из-за размещения усилителя теплового потока в нетермостатируемом блоке управления (на чертеже его расположение не показано), причем усилитель теплового потока связан с измерительным и опорным термометрами сопротивления, находящимися в калориметрическом блоке, по четырехпроводной системе длинными (до 1,5М) проводниками, что приводит к увеличению паразитных «наводок» и к их влиянию на точность измерения из-за больших градиентов температуры по сопротивлениям указанных проводников. Кроме того, существенным недостатком является большая длительность вывода калориметра на рабочую температуру.The disadvantages of the known calorimeter are a decrease in the accuracy of measurements due to a decrease in thermal stability at temperatures below + 18 ° C of the environment from which air is taken into the air temperature control system, as well as a decrease in the accuracy of measurements due to the placement of the heat flux amplifier in a non-thermostatically controlled control unit (at the location of the drawing is not shown), and the heat flux amplifier is connected to four and resistance resistance thermometers located in the calorimetric unit, four rovodnoy system long (up to 1.5M) conductors, which leads to an increase in parasitic "Crosstalk" and their influence on the measuring accuracy due to the large temperature gradients across the resistances of said conductors. In addition, a significant drawback is the long duration of the output of the calorimeter at operating temperature.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерений в широком диапазоне температур окружающей среды и сокращение вывода калориметра на рабочую температуру.The technical result of the claimed invention is to increase the accuracy of measurements in a wide range of ambient temperatures and reduce the output of the calorimeter to operating temperature.

Технический результат достигается тем, что калориметр содержит измерительную ячейку с введенной в нее калориметрической бомбой, выполненную в виде многогранника с четным числом граней, связанную через преобразователь теплового потока с массивным блоком, выполненным в виде отдельных сегментов по числу ее граней, скрепленных металлическими кольцами, и помещенным в изотермическую оболочку, которая состоит из двух цилиндрических обечаек, между которыми размещена теплоизолирующая прокладка и терморегулятор, состоящий из вентилятора, установленного в канале забора воздуха, нагревателя, термометра сопротивления и усилителя, при этом калориметр содержит дополнительный терморегулятор, в котором на внутренней обечайке размещены нагреватель и термометр сопротивления, связанные с вторым усилителем, в состав которого входит мостовое устройство, обеспечивающее поддержание температуры обечайки на 5-7 градусов Цельсия ниже температуры терморегулятора, между обечайками установлен воздушный зазор для прохождения подогретого воздуха к вентилятору, который всасывается из окружающей среды через отверстия, расположенные по окружности в верхней части наружной обечайки, а теплоизолирующая прокладка находится на внутренней поверхности наружной обечайки; усилитель теплового потока размещен в полости теплоизолятора крышки калориметра и связан с измерительным и опорным термометрами сопротивления короткими проводниками.The technical result is achieved by the fact that the calorimeter contains a measuring cell with a calorimetric bomb inserted into it, made in the form of a polyhedron with an even number of faces, connected through a heat flux converter with a massive block made in the form of separate segments according to the number of its faces fastened by metal rings, and placed in an isothermal shell, which consists of two cylindrical shells, between which there is a heat-insulating gasket and a temperature regulator consisting of a fan, The calorimeter installed in the air intake channel, heater, resistance thermometer and amplifier, the calorimeter contains an additional temperature regulator in which the heater and resistance thermometer are connected to the second amplifier, which includes a bridge device that maintains the temperature of the shell by 5 7 degrees Celsius below the temperature of the thermostat, between the shells there is an air gap for the passage of heated air to the fan, which is drawn in from fluidized bed through the holes arranged circumferentially on the upper portion of the outer shell and the heat seal is located on the inner surface of the outer shell; the heat flux amplifier is located in the cavity of the heat insulator of the calorimeter cover and is connected to the measuring and reference resistance thermometers by short conductors.

На чертеже приведена структурная схема калориметра. Калориметр содержит две цилиндрические обечайки 1, 2, между которыми имеется воздушный зазор для прохода всасываемого из окружающей среды воздуха. На внутренней поверхности обечайки 1 помещена прокладка из теплоизолирующего материала 3. В полости обечайки 2 находится массивный блок 4, внутри которого размещена измерительная ячейка 5, в которой расположена калориметрическая бомба 6. Сверху отверстие измерительной ячейки 5 закрыто пробкой 7, выполненной из теплоизолирующего материала, в нижней части ячейки находится прокладка 8, также выполненная из теплоизолятора. На наружной поверхности измерительной ячейки в спиральной канавке расположен измерительный термометр сопротивления 9 преобразователя теплового потока. Массивный блок 4 состоит из массивных сегментов по числу граней измерительной ячейки, имеющих развитую наружную поверхность теплообмена и выполненных из металла с высокой теплопроводностью, например из алюминиевого сплава. Сегменты массивного блока прижаты к поверхностям граней измерительной ячейки через прокладки 10. Сверху калориметр закрыт крышкой 11, имеющей отверстия для выхода нагретого терморегулятором воздуха. Воздушный терморегулятор калориметра содержит вентилятор 12, нагреватель 13, термометр сопротивления 14 и усилитель 15. Опорный термометр сопротивления 16 преобразователя теплового потока расположен на наружном диаметре металлического кольца 17, скрепляющего сегменты массивного блока 4. На наружной поверхности внутренней обечайки 2 выполнены две двухзаходные спиральные канавки, в одной из которых расположен проволочный термометр сопротивления 18, в другой - нагреватель 19, которые связаны с усилителем терморегулятора 20. В верхней части обечайки 1 калориметра, по окружности, сделаны отверстия 21 для всасывания воздуха из окружающей среды. Усилитель теплового потока 22 размещен в полости теплоизолятора крышки калориметра и связан с измерительным и опорным термометрами сопротивления короткими проводниками.The drawing shows a structural diagram of a calorimeter. The calorimeter contains two cylindrical shells 1, 2, between which there is an air gap for passage of air drawn in from the environment. A gasket of heat-insulating material 3 is placed on the inner surface of the shell 1. In the cavity of the shell 2 there is a massive block 4, inside of which there is a measuring cell 5, in which the calorimetric bomb is located 6. On top of the opening of the measuring cell 5 is closed by a plug 7 made of heat-insulating material, in the bottom of the cell is a gasket 8, also made of heat insulator. On the outer surface of the measuring cell in the spiral groove is a measuring resistance thermometer 9 of the heat flow transducer. The massive block 4 consists of massive segments according to the number of faces of the measuring cell having a developed outer heat exchange surface and made of metal with high thermal conductivity, for example, aluminum alloy. The segments of the massive block are pressed against the surfaces of the faces of the measuring cell through the gaskets 10. At the top, the calorimeter is closed by a cover 11, which has openings for the outlet of the air heated by the temperature controller. The air temperature regulator of the calorimeter contains a fan 12, a heater 13, a resistance thermometer 14, and an amplifier 15. The reference resistance thermometer 16 of the heat flux converter is located on the outer diameter of the metal ring 17 fastening the segments of the massive block 4. Two two-way spiral grooves are made on the outer surface of the inner shell 2, in one of which there is a wire resistance thermometer 18, in the other - a heater 19, which are connected to the amplifier of the thermostat 20. In the upper part of the shell ki 1 calorimeter circumferential made holes 21 for sucking air from the environment. The heat flux amplifier 22 is located in the cavity of the heat insulator of the calorimeter cover and is connected to the measuring and reference resistance thermometers by short conductors.

Устройство работает следующим образом. При включении терморегуляторов от сети ≈220 В сигналы небаланса мостовых устройств, входящих в состав усилителей 15, 20, вызывают увеличения выходных токов последних, которые поступают соответственно в нагреватели 13, 19, вызывая в них выделение тепла. Терморегулятор обечайки 2 поддерживает ее температуру на 5-7 градусов Цельсия ниже температуры воздушного терморегулятора. Терморегулятор посредством вентилятора 12 всасывает воздух из окружающей среды через отверстия 21 в зазор между обечайками 1, 2, где воздух, нагретый при обтекании обечайки 2, поступает на вход вентилятора 12 воздушного терморегулятора. Усилитель теплового потока преобразует разность сопротивлений измерительного 9 и опорного 16 термометров сопротивления в напряжение, которое пропорционально измеряемому тепловому потоку от сжигаемого вещества в калориметрической бомбе 6.The device operates as follows. When the temperature controllers are turned on from a ≈220 V network, the unbalance signals of the bridge devices included in the amplifiers 15, 20 cause an increase in the output currents of the latter, which enter the heaters 13, 19, respectively, causing heat to be generated in them. The shell thermostat 2 maintains its temperature 5-7 degrees Celsius below the temperature of the air thermostat. The temperature controller through the fan 12 draws in air from the environment through the openings 21 into the gap between the shells 1, 2, where the air heated by flowing around the shell 2 enters the fan 12 of the air temperature controller. The heat flux amplifier converts the difference of the resistances of the measuring 9 and reference 16 resistance thermometers into a voltage that is proportional to the measured heat flux from the substance being burned in the calorimetric bomb 6.

Предложенное устройство теплопроводящего калориметра, в том числе размещение усилителя теплового потока в терморегуляторе, позволило обеспечить работу калориметра в более широком диапазоне температур окружающей среды, который расширен в сторону более низких температур, и обеспечить повышенную точность измерений. Время выхода калориметра на рабочую температуру сократилось в 1,5 раза и составило 2,5 часа. Кроме того, уменьшился дрейф усилителя теплового потока ~2 раза, что повысило точность измерений.The proposed device of the heat-conducting calorimeter, including the placement of the heat flux amplifier in the temperature controller, made it possible to ensure the calorimeter operates in a wider range of ambient temperatures, which is expanded towards lower temperatures, and to provide increased measurement accuracy. The time for the calorimeter to reach operating temperature was reduced by 1.5 times and amounted to 2.5 hours. In addition, the drift of the heat flux amplifier decreased by a factor of ~ 2, which increased the accuracy of measurements.

Claims

A calorimeter containing a measuring cell with a calorimetric bomb introduced into it, made in the form of a polyhedron with an even number of faces, connected through a heat flow transducer with a massive block made in the form of separate segments according to the number of its faces fastened by a metal ring, and placed in an isothermal shell, which consists of two cylindrical shells between which a heat-insulating gasket is placed, an additional temperature regulator consisting of a fan is installed in the calorimeter, installed in the air intake channel, heater, resistance thermometer and amplifier, characterized in that the calorimeter contains an additional temperature controller, in which a heater and a resistance thermometer are located on the inner shell, connected to an additional amplifier, which includes a bridge device that maintains the temperature of the shell 5-7 ° C below the temperature of the thermostat; between the shells there is an air gap for the passage of heated air to the fan, which is sucked from the environment through openings located circumferentially in the upper part of the outer shell, and the insulating gasket is on the inner surface of the outer shell; the heat flux amplifier is located in the cavity of the heat insulator of the calorimeter cover and is connected to the measuring and reference resistance thermometers by short conductors.