RU2607265C1 - Измерительная ячейка дифференциального сканирующего калориметра - Google Patents

Измерительная ячейка дифференциального сканирующего калориметра Download PDF

Info

Publication number
RU2607265C1
RU2607265C1 RU2015149116A RU2015149116A RU2607265C1 RU 2607265 C1 RU2607265 C1 RU 2607265C1 RU 2015149116 A RU2015149116 A RU 2015149116A RU 2015149116 A RU2015149116 A RU 2015149116A RU 2607265 C1 RU2607265 C1 RU 2607265C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
housing
cell
measuring cell
disk
metal
Prior art date
Application number
RU2015149116A
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Николаевич Дышлюк
Виталий Алексеевич Балдыгин
Original Assignee
Шлюмберже Текнолоджи Б.В.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Шлюмберже Текнолоджи Б.В. filed Critical Шлюмберже Текнолоджи Б.В.
Priority to RU2015149116A priority Critical patent/RU2607265C1/ru
Priority to US15/353,958 priority patent/US20170138873A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2607265C1 publication Critical patent/RU2607265C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/48Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation
    • G01N25/4846Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation for a motionless, e.g. solid sample
    • G01N25/4866Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation for a motionless, e.g. solid sample by using a differential method

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области термопорометрии, в частности к устройствам для проведения измерений распределения размера пор пористых сред, и может найти применение в различных отраслях промышленности, например нефтегазовой, химической и пищевой. Измерительная ячейка дифференциального сканирующего калориметра содержит цилиндрический корпус, выполненный из металла с высокой температуропроводностью. В корпусе размещена по меньшей мере одна металлическая вставка в виде диска, выполненного из металла с высокой температуропроводностью, в верхней части которого выполнено углубление для размещения образца исследуемого материала. В верхней части корпуса выполнен гермоввод для вакуумирования и подачи жидкости, а нижняя часть корпуса снабжена герметичной крышкой, выполненной с возможностью герметичного размещения внутри корпуса. Техническим результатом является обеспечение повышенной температуропроводности образца в ячейке, уменьшение эффекта запаздывания температуры, обеспечение возможности работы как с твердыми пористыми телами цилиндрической формы, так и с порошками, а также ячейка позволяет производить вакуумирование образцов и заполнение жидкими средами. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области термопорометрии, в частности к устройствам для проведения измерений распределения размера пор пористых сред, и может найти применение в различных отраслях промышленности, например нефтегазовой, химической и пищевой.
Метод термопорометрии (криопорометрии) основан на калориметрических измерениях фазового перехода твердое тело - жидкость (например, вода-лед) в пористом материале, причем температура замерзания жидкости в порах зависит от размера пор. При уменьшении размера пор снижается температура замерзания жидкости, соответственно поры определенного размера характеризуются собственной температурой замерзания.
В экспериментах по методу термопорометрии пористую среду, заполненную жидкостью (например, водой) помещают в измерительную ячейку дифференциального сканирующего калориметра (ДСК). ДСК способны работать при различных температурах (диапазон зависит от модели калориметра). Для изменения температуры камеры калориметра осуществляют нагрев камеры или ее охлаждение. Контролируемое изменение температуры камеры калориметра называется сканированием по температуре, отсюда название - сканирующий калориметр. Сканирующий режим позволяет, в частности, изучать фазовые переходы, сопровождающиеся выделением или поглощением тепла, такие, например, как изменение фазового состояния жидкости.
Камера калориметра охлаждается так, чтобы вся жидкость замерзла (в экспериментах с водой, например до -30°C), и далее происходит плавный медленный нагрев камеры калориметра. В ходе эксперимента измеряют тепловой поток в зависимости от температуры камеры калориметра. Изменение теплового потока свидетельствует о фазовом переходе определенного количества вещества (чем сильнее изменение, тем большее количество вещества) при данной температуре.
Типичный ДСК оборудован двумя ячейками, в одну из которых (S) помещают исследуемый образец. Другая ячейка (R) является ячейкой сравнения и может, в зависимости от эксперимента, либо оставаться пустой, либо также заполняться. Ячейки теплоизолированы друг от друга, находятся при контролируемой температуре, которая может изменяться с помощью нагревателя камеры калориметра. Измерение разницы температур между каждой из ячеек и камерой калориметра осуществляют, как правило, с помощью термопар. Правильная калибровка калориметра позволяет рассчитать разницу тепловых потоков между ячейками калориметра и камерой калориметра. Суммирование разницы тепловых потоков по времени позволяет определить разницу количества тепла, выделившегося или поглотившегося в каждой из ячеек. В ДСК экспериментальные ячейки сменные, и в зависимости от типа эксперимента могут применяться различные пары экспериментальных ячеек.
В связи с конечной температуропроводностью материала камеры калориметра, и измерительной ячейки, всегда существует некоторое запаздывание между измеряемой температурой камеры калориметра и реальной температурой измерительной ячейки в данный момент. Кроме того, сигнал «размывается», то есть, например, вместо узкого пика (повышение теплового потока) при нуле градусов при измерении фазового перехода воды получается некоторая кривая конечной толщины - характеризуемой так называемой тепловой постоянной калориметра. Для уменьшения эффекта размазывания кривой теплового потока, камера калориметра и измерительные ячейки изготавливают из материала с высокой температуропроводностью (например, серебро). Конечная температуропроводность образца в ячейке также влияет на уширение измеряемой кривой.
Стандартная цилиндрическая ячейка калориметра, используемая для экспериментов по термопорометрии, представляет из себя сосуд цилиндрической формы, герметично закрываемый крышкой (см., например, - “Principles of Thermal Analysis and Calorimetry” под редакцией P.J. Haines, 2002, стр 72). При низкой температуропроводности образца в ходе эксперимента образец прогревается неравномерно, что ухудшает точность проводимых экспериментов по термопорометрии. Температуропроводность в данной ячейке определяется температуропроводностью образца в ячейке и поэтому может быть низкой. Ячейка не предусматривает возможность ее вакуумирования перед заполнением образцом и, таким образом, не позволяет исследователям быть уверенными в том, что все пустотное пространство ячейки было заполнено.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении повышенной температуропроводности образца в ячейке, уменьшении эффекта запаздывания температуры, а также в обеспечении возможности работы как с твердыми пористыми телами цилиндрической формы, так и с порошками. Кроме того, предлагаемая измерительная ячейка позволяет производить вакуумирование образцов и заполнение жидкими средами, за счет чего обеспечивается заполнение всего пустотного объема ячейки жидкостью и отсутствие воздушных пузырей, которые снижают температуропроводность. Предлагаемая конструкция измерительной ячейки универсальна и может быть использована в различных ДСК.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция измерительной ячейки в соответствии с предлагаемым изобретением, а на фиг. 2 показан вариант выполнения диска, используемого в ячейке.
Как показано на фиг. 1, основными элементами конструкции ячейки ДСК являются корпус 1, гермоввод 2, металлические вставки в виде дисков 3 с исследуемыми образцами 4 и герметичная крышка 5. Диски 3 закреплены в корпусе 1 посредством крышки 5, у которой есть уплотнительное кольцо и она скользит с сопротивлением внутри корпуса 1. Количество дисков 3 может быть разным. Гермоввод 2 размещен в верхней части корпуса 1 и предназначен для подключения вакуумного насоса (на фиг. 1 не показан) и последующего заполнения жидкостью. Гермоввод представляет из себя вакуумное соединение резьбового типа с вакуумным уплотнением металл-металл или любое другое вакуумное уплотнение, например, металл-тефлон. Внешний вид диска 3 представлен на фиг. 2. В верхней части каждого диска 3 выполнено углубление 6 для размещения исследуемого образца. Для вакуумирования и заполнения жидкостью исследуемого образца 4 в днище диска выполнено по меньшей мере одно отверстие 8; на внешней боковой поверхности диска 3 также могут быть выполнены продольные и кольцевые канавки 7.
Предлагаемая ячейка для дифференциального сканирующего калориметра (фиг. 1) представляет из себя цилиндрический корпус из металла с высокой температуропроводностью (например, серебро, медь или сталь), в который помещают металлические вставки - диски 3 определенной формы, выполненные из металла с высокой температуропроводностью (например, серебро, медь или сталь). Наличие таких дисков позволяет значительно повысить температуропроводность образца в ячейке и таким образом повысить точность термопорометрических измерений. Форма дисков позволяет использовать в качестве образца как порошки, так и твердые тела цилиндрической формы (форма диска).
Ячейка работает следующим образом. В диски 3 (фиг. 1) устанавливают исследуемые образцы. Диски с исследуемыми образцами устанавливают в корпус 1 и закрепляют, например, закрывают корпус 1 снизу герметичной крышкой 5, имеющей вакуумное кольцевое уплотнение. Через гермоввод 2 производят вакуумирование и заполнение ячейки жидкостью. Ячейка готова к работе.
Особенностью предлагаемой ячейки является возможность насыщать пористый материал жидкостью непосредственно в ячейке уже после заполнения ее сухим материалом. Для этого после сборки ячейки с образцами к гермовводу 2 присоединяют вакуумную линию, ячейку с образцами вакуумируют и затем через тот же гермоввод подают жидкость, заполняющую поры образца и пустоты измерительной ячейки. Благодаря этому можно точно оценить объем жидкости заполняющей поры образца.
Гермоввод 2 закрывают и устанавливают ячейку с образцами в ДСК. Далее проводят эксперимент по термопорометрии. Камеру ДСК охлаждают, так, чтобы вся жидкость в ячейке замерзла, а затем медленно нагревают, производя измерения теплового потока. Измерения можно также проводить при охлаждении образца. Проводят интерпретацию данных измерений с целью получения информации о распределении пор образца по размерам.
В качестве образцов могут использоваться порошки - так, например порошки стекол с контролируемым размером пор (CPG - controlled pore glass) могут быть использованы для точной предварительной калибровки калориметра. Так как размер пор в этих порошках хорошо известен, измеренная кривая распределения теплового потока может быть соотнесена с размером пор и использована в дальнейшем для интерпретации измерений пористых сред с более сложным распределением пор по размерам.
В качестве образцов могут использоваться также твердые тела цилиндрической формы (диск), так, например, могут использоваться образцы горной породы. Например, в случае использования ДСК (ВТ2.15 Setaram) внешний размер ячейки составляет около 15 мм в диаметре. Размер одного цилиндра/диска образца может составлять около 10 мм в диаметре и, например, 2 мм в высоту, при этом можно использовать около 20 дисков, чтобы заполнить ячейку целиком.

Claims (9)

1. Измерительная ячейка дифференциального сканирующего калориметра, содержащая цилиндрический корпус, выполненный из металла с высокой температуропроводностью, в корпусе размещена по меньшей мере одна металлическая вставка в виде диска, выполненного из металла с высокой температуропроводностью, в верхней части диска выполнено углубление для размещения образца исследуемого материала, при этом в верхней части корпуса выполнен гермоввод для вакуумирования и подачи жидкости, а нижняя часть корпуса снабжена герметичной крышкой, выполненной с возможностью герметичного размещения внутри корпуса.
2. Измерительная ячейка по п. 1, в которой в боковой поверхности диска выполнены продольные и кольцевые канавки.
3. Измерительная ячейка по п. 1, в которой в днище диска выполнено по меньшей мере одно отверстие.
4. Измерительная ячейка по п. 1, в которой корпус выполнен из меди.
5. Измерительная ячейка по п. 1, в которой корпус выполнен из стали.
6. Измерительная ячейка по п. 1, в которой корпус выполнен из серебра.
7. Измерительная ячейка по п. 1, в которой диск выполнен из меди.
8. Измерительная ячейка по п. 1, в которой диск выполнен из стали.
9. Измерительная ячейка по п. 1, в которой диск выполнен из серебра.
RU2015149116A 2015-11-17 2015-11-17 Измерительная ячейка дифференциального сканирующего калориметра RU2607265C1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015149116A RU2607265C1 (ru) 2015-11-17 2015-11-17 Измерительная ячейка дифференциального сканирующего калориметра
US15/353,958 US20170138873A1 (en) 2015-11-17 2016-11-17 Measuring cell of differential scanning calorimeter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015149116A RU2607265C1 (ru) 2015-11-17 2015-11-17 Измерительная ячейка дифференциального сканирующего калориметра

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2607265C1 true RU2607265C1 (ru) 2017-01-10

Family

ID=58452601

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015149116A RU2607265C1 (ru) 2015-11-17 2015-11-17 Измерительная ячейка дифференциального сканирующего калориметра

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20170138873A1 (ru)
RU (1) RU2607265C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4925314A (en) * 1987-12-17 1990-05-15 Institut Francais Du Petrole Device for detecting a thermal phenomenon occurring in a product
EP0532480A1 (en) * 1991-09-13 1993-03-17 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Calorimeter for time/temperature measurements of thermosetting resins (thermosets)
US7727768B2 (en) * 2002-04-01 2010-06-01 Palo Alto Research Center Incorporated Method for a nanocalorimeter for detecting chemical reactions
RU2524414C1 (ru) * 2012-12-24 2014-07-27 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Способ определения теплоты адсорбции и теплоты смачивания поверхности и измерительная ячейка калориметра

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3813937A (en) * 1972-06-16 1974-06-04 J Fletcher Heat flow calorimeter
US4178800A (en) * 1976-09-22 1979-12-18 Christoph Thomann Method of and apparatus for the measuring of quantities of heat

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4925314A (en) * 1987-12-17 1990-05-15 Institut Francais Du Petrole Device for detecting a thermal phenomenon occurring in a product
EP0532480A1 (en) * 1991-09-13 1993-03-17 Consiglio Nazionale Delle Ricerche Calorimeter for time/temperature measurements of thermosetting resins (thermosets)
US7727768B2 (en) * 2002-04-01 2010-06-01 Palo Alto Research Center Incorporated Method for a nanocalorimeter for detecting chemical reactions
RU2524414C1 (ru) * 2012-12-24 2014-07-27 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Способ определения теплоты адсорбции и теплоты смачивания поверхности и измерительная ячейка калориметра

Also Published As

Publication number Publication date
US20170138873A1 (en) 2017-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Singh et al. Operational characteristics of the miniature loop heat pipe with non-condensable gases
CN103278531B (zh) 同步跟踪测定气固吸附过程微热量变化的装置及测定方法
CN109187615A (zh) 一种地层压力条件下岩石纳米孔径分布测量装置与方法
CN110806422B (zh) 一种冻融循环条件下岩石中未冻水含量的获取方法
CN102768224B (zh) 正反双向热流法测固-固接触热阻的测试方法
US10222312B2 (en) Cryogenic temperature controller for volumetric sorption analyzers
US9612167B2 (en) Method for determining adsorption heat and wetting heat of a surface and a measuring cell of a calorimeter
CN103323488A (zh) 一种强化沸腾传热测试装置及测试方法
CN104535612A (zh) 用于固体比热容计量标准装置的样品容器
Wu et al. Pool boiling heat transfer and simplified one-dimensional model for prediction on coated porous surfaces with vapor channels
CN104535611A (zh) 固体比热容计量标准装置和测量方法
CN111795993A (zh) 一种高温高压下岩石热物性瞬态测试系统及方法
RU2607265C1 (ru) Измерительная ячейка дифференциального сканирующего калориметра
CN102768085A (zh) 一种温度传感器高精度标定装置
US2475138A (en) Device for measuring thermal conductivity
CN203350209U (zh) 一种同步跟踪测定气固吸附过程微热量变化的装置
CN104964765B (zh) 一种低临界温度液体混合过量焓的变温补偿量热装置
RU2529455C1 (ru) Способ определения коэффициента теплового объемного расширения жидкости
US10605753B2 (en) Device and method for calorimetrically measuring sorption processes
RU2096773C1 (ru) Устройство для измерения теплопроводности
CN206671235U (zh) 一种测量高温流动液体比热容的测量装置
CN104569047A (zh) 用于固体比热容计量标准装置的绝热跟踪装置
RU2495409C1 (ru) Устройство для определения коэффициента теплопроводности материала
EP2746755A1 (en) Method for determining adsorption heat and wetting heat of a surface and a measuring cell of a calorimeter
RU2535527C1 (ru) Способ определения количественного состава многокомпонентной среды (варианты)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191118