SU1100550A1 - Устройство дл адиабатического нагрева-охлаждени - Google Patents

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АДИАБАТИЧЕСКОГО НАГРЕВА-ОХЛАДЦЕНИЯ, содержащее герметичную камеру с исследуемым образцом внутри, электрообогре- ваемый тепловой экран, дифференциальные датчики температуры образца . и камеры, выходами соединенные с блоком формировани  компенсирующего напр жени  и с усилителем разбаланса, блок управлени  блоком;формировани  компенсирующего напр жени , соединенный выходом с входом блока формировани  компенсирующего напр жени , а входомс соединенными последовательно датчиком абсолютной температуры образца и измерителем температуры, исполнительный усилитель мощности выходом соединенньй с электрообогреваемым тепловым экраном, а входом - с выходом усилител  разбаланса, источник калиброванной мощности, соединенный с микронагревателем образца, и .вакуумный насос, о т л и ч а ю щ- е ёс   тем, что, с целью повьшгени  точности и быстродействи  адиабатическо го нагрева, в него введены оснорной и дополнительный герметичные сосуды «с криогенной жидкостью, электромаг/ tfei нитный клапан дополнительного сосуда , внутренний микронагреватель дополнительного сосуда, первый и второй дополнительные исполнительные усилители мощности, пол рно-чувствительный ключ, пол рно-чувствительный блок, блок компараторов ПЛЮС, блок компараторов МИНУС и блок вьщелени  модул , причем основной и дополнительный герметичные сосуды с криогенной жидкостью расположены внутри камеры, внутренний микронагревад-ель дополнительного герметичного сосуда соединен с выходом первого дополнительного исполнительного усилител  мощности, электромагнитный клапан дополнительного сосуда подключен к (Л выходу второго дополнительного ис.полнительного усилител  мощности, пол рно-чувствительный ,ключ первым выходом соединен параллельно с входами первого и второго дополнйтельньк исполнительных усилителей Мощности, вторым выходом - с входом исполнительного усилител  мощности, первым вдодомс выходом регул тора температуры, вторым - с выходом блока ком параторов ПЛЮС, третьим - с выходом блока комел ел параторов МИНУС, при этом вход регул тора температуры соединен с выходом блока выделени  модул , вход KOTOP. подключен параллельно к выходу усилител  разбаланса и входу пол рно-чувстт вительного лока, первый выход которого соединен с. входом компаратора ПЛЮС,- а второй - с входом компаратора МИНУС. 2, Устройство по п. 1, о т л и ч а-. ю щ е е с   тем, что электрообогреваемый тепловой экран выполнен двойным пустотелым и соединен с дополнитель

Description

ным герметичным сосудом с криогенной ни  компенсирующим блоком имеет дополжидкостью турбопроводо через элек- нительные входы .управлени  режимами тромагнитный клапан, а блок управле- нагрев - охлаждение.

1100550

Изобретение относитс  к теплофизическому приборостроению, а именно к устройствам дл  определени  теплофизических характеристик (ТФХ) материалов , и может быть использовано, например, в калориметрах дл  определени  теплоемкости,.

Известно устройство дл  адиабатической калориметрии, содержащее управл емый адиабатический экран с образцом -внутри.регул тор мощности дл  поддержани  температуры экрана равной температуре .образца, измерители температуры образца и экрана, регул тор температуры, измеритель мощности и регистратор lj .

Однако данное устройство характе . ризуетс  низкой точностью поддержани  изотермических условий в калориметрической камере дл  динамических режимов проведени  эксперимента, св занной со значительной термической инерцией калориметрической системы, котора  обусловлена массивностью калориметрической печи и невозможностью ее быстрого нагрева-охлаждени  естественным или искусственным путем, а также значительной погрешностью измерени  ТФХ в интервале немонотонного изменени  температуры в Области структурных и фазовых прет вращений либо химических реакций, протекающих в образце, обусловленна  отсутствием след щей системы управлени  за ади.абатическими услови ми

образца.

(

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство дл  адиабатическ го нагрева, используемое дл  измерени  теплоемкости (Со) веществ и со- . держащее герметичную, .обладающую высокой теплопроводностью камеру, в которую помещают исследуемый образец , электрообогреваемый тепловой экран, расположенный вокруг камеры, и дифференциально включенные термопары (дифференциальные датчики),

перва  из которых соединена с образцом , а втора  - со стенкой камеры , причем термопары соединены мехсду собой последовательно с обратной пол рностью включени , К дифференциальным выходам термопар подключен олок формировани  компенсирующего напр жени , вырабатывающий компенсирующее напр жение, соотвеуствующёе выходным напр жени м термопар дл  случа , когда количественна  величина теплообмена между исследуемым образцом и камерой становитс  равной нулю, К другому входу блока формировани  компенсирующего напр жени  подключен выход блока управлени , с помощью которого в соответствии с измеренной (еще одной термопарой , установленной на образце, и измерителем температуры) температуру образца путем управлени  блоком формировани  компенсирующего напр жени  осуществл ют передачу компенсирующего напр жени , соответствующе- .; го указанной температуре, К выходу блока формировани  компенсирующего напр жени  через усилитель разбаланса подключен блок регулировани  температуры, с помощью кото .рого на электрообогреваемый тепловой экран через исполнительный усилитель мощности осуществл ют подачу электрической энергии, соответствующей разности напр жений дифференциальных термопар и блока формировани  компенсирующего напр жени . Кроме того, устройство содержит источник калиброванной мощности, соединенный с микронагревателем образца и вакуумный насос камеры 2,

. Недостатками известного устройства  вл ютс  низка  точность поддержани  условий адиабатического нагрева образца при изменении его температуры и температуры, камеры, конструкци  которой позвол ет производить только контролируемый нагрев и не производит контролируемое охлаждение, а также невозможность организации режима программного нагрева-охлаждени , обусловленна  конструктивными возможност ми устройства. Цель изобретени  - повышение точности и быстродействи  адиабатического нагрева. Указанна  цель достигаетс  тем, чт в устройство дл  адиабатического нагр ва-охлаждени , содержащее герметичную камеру с исследуемым образцом внутри, ,электрообогреваемый тепловой экран, дифференциальные датчики (термопары) образца и камеры, выходами соединенные с блоком формировани  компенсирующего напр жени  и с усилителем разбаланса, блок управлени  блоком формировани  компенсирующего напр жени , соединенный выходом с входом блока формировани  компенсирующего напр жени , а входом - с соединенными последовательно датчиком абсолютнойтемператзФЫ образца и измерителем температуры, исполнительный усилигель мощности выходом соединенный с электрообогреваемым тепловым экраном , а входом - с выходом усилител  разбаланса, источник калиброванной мощности, соединенный с микронагревателем образца, и вакуумный насос, введены основной и дополнительный герметичные сосуды с криогенной жидкостью , электромагнитный клапан допол нительного сосуда, внутренний- микронагреватель дополнительного сосуда, первый и второй дополнительные исполнительные усилители мощности, пол рно чувствительный ключ, пол рно-чувствительны} блок, блок компараторов. ПЛЮС блок компараторов МИНУС и блок выделе ни  модул , причем основной и дополнительный герметичные cotyды с криогенной жидкостью расположены внутри камеры, внутренний микро нагреватель дополнительного герметич ного сосуда соединен с выходом первого дополнительного исполнительного усилител  мощности, электромагнитный клапан дополнительного сосуда подклю чен к выходу второго дополнительного исполнительного усилител  мощности, пол рно-чувствительный ключ первым вьйсодом соединен параллельно с -вхрдами первого и второго дополнительных исполнительных усилителей мощности. вторым выходом - с входом исполнител ного усилител  мощности, первым входом - с выходом регул тора температу ры, вторым - с выходом блока компараторов ПЛЮС, третьим - с выходом блока компараторов МИНУС, при этом вход , регул тора температуры соединен с выходом блока вьделени  модул , вход которого подключен параллельно к выходу усилител  разбаланса и входу пол рно-чувствительного блока, первый- выход которого соединен с входом компаратора ПЛЮС, а второй - с входом компаратора МИНУС.. Электрообогреваемый тепловой экран выполнен двойным пустотелым и соединен с дополнительным герметичным сосудом с криогенной жидкостью трубопроводом через электрбмагнитный клапан , а блок управлени  компенсирующим блоком имеет дополнительные входы дл  приема сигналов управлени  режимами нагрев-охлаждение. На чертеже схематически .изображено предлагаемое устройство адиабатического нагревагохлаждени  (например, выполнение устройства дл  криогенных температур). Устройство адиабатического нагрева-охлаждени  содержит герметичную камеру 1, основной герметичный сосуд 2 с криогенной жидкостью, исследуемьш образец 3, датчик 4 абсолютной температуры образца, микронагреватель 5 образца, Электрообогреваемый тепловой- экран 6, электромагнитный клапан 7 дополнительного сосуда с криогенной жидкостью, дополнительный герметичньш .сосуд 8 с криогеннной жидкостью, дифференциальные датчики 9 и 10 (термопары) соответственно образца 3 и экрана 6, микронагреватель 1 1 дополнительного герметичного сосуда 8, исполнительный усилитель 12 мощности, первый 13 и второй 14 дополнительные исполнительные усилители мощности, пол рно-чувствительный ключ 15, регул тор 16 температуры , измеритель 17 температуры, блок 18 управлени  блоком 19 формировани  компенсирующего напр жени , . усилитель 20 разбаланса, блок 21 вьщелени  модул , блок 22 компараторов МИНУС, пол рно-чувствительный блок 23, блок 24 компараторов ПЛЮС, вакуумный насос 25 камеры 1, источник 26 калиброванной мощности и трубопровод 27. В герметичной камере 1 размещен исследуемый образец 3, вокруг которого расположен Электрообогреваемый тепловой пустотелый, экран 6, ocHOBifou герметичный сосуд 2 с криогенной жидкостью, дифференциальные датчики 91 и 10 (термопары) соответственно образца 3 и экрана 6, выходом соединенные с блоком 19 формировани  компенсиругощего напр жени  и с усилителем 20 разбаланса, дополнительный герметичный сосуд 8 с микронагревателем 11 внутри, который соединен с выходо первого дополнительного исполнительного усилител  13 мощности, и электрмагнитный , клапан 7, соединенный с выходом второго дополнительного усилител  14 мощности. Блок 18 выходом соединен с входом блока 19, а входомс соединенными последовательно датчиком 4 абсолютной температуры образца и измерителем 17 температуры. Исполнительный усилитель 12 мощности выходом соединен с электрообогреваемым тепловым пустотелым экраном 6, входом - с выходом усилител  разбаланса 20 через включенные последовательно блок 21 вьвделени  модул  регул тор 16 температуры и пол рно-чувствительньй ключ 15. Источник 26 калиброванной мощности соединен с внутренним микронагревателем 5 образца. Пол рночувствительный ключ 15 одним выходом св зан с соединенным параллельно входами первого 13 и второго 14 дополнительных исполнительных усилителей

--

МОЩНОСТИ, вторым входом - с. входом испонительного усилител  мощности 12, вторым входом - с выходом блока 24 компара торов ПЛЮС, третьим - с выходом блока 22 компараторов МИНУС. Усилитель 20 разбаланса параллельно соединен выходом с входом пол рно-чувствитель7 ного блока 23, который первым выходов св зан с входом блока 22 компараторов ПЛЮС,при этом электрообогреваемый тепловой экран 6 соединен с дополнитель ным герметичным сосудом 8 трубопроводом 27 через электромагнитный клапан 7, а(блок управлени  18 компенсирующим блоком 19 имеет допблнительные входы дл  приема сигналов управлени  режимами нагрев-охлаждение, noступающими от внешнего управл ющего устройства (на чертеже не показано). Основной герметичный сосуд 2 с криогенной жидкостью может быть выполнен по принципу известных сосудов Дюара. , Дополнительный герметичный сосуд 8 с криогенной жидкостью может быть выполнен в виде ампулы произвольной формы, например, из тонких листов нержавеющей стали и может соедин тьс  с основным сосудом 2 с помощью дополнительного трубопровода (на чертеже не показано).

В качестве электромагнитных клапанов 7 дополнительного сосуда 8 может быть применен серийно выпускаемые криогенные электромагнитные калапаны, например типа УФ 96432-010.

Первый 17 и второй 14 дополнительные усилители мощности могут быть выполнены на базе серийно выпускаемых промышленностью, например типа У-252 (из комплекса регул тора температуры типа ВРТ-3).

Пол рно-чувствительный ключ 15 может быть выполнен на базе серийно, выпускаемых промышленностью микросхем , например серии 564 (564 КТЗ).

Пол рно-чувствительный блок 23 может быть выполнен в виде двухуровневого нуль-органа напр жени  с выходом сигнала Плюс, Нуль и Минус, что легко реализуетс  на серийно выпускаемых промышленностью микросхем серии 284 и 521 (например 521СА1 и 284УД1).

Микронагреватель 11 дополнительного сосуда 8 может быть выполнен в виде проволочного герметизированного резистора, например типа ПЭВ.

Применение устройства особенно эффективно дл  решени  задач rto изучению свойств исследуемых материалов в режимах программного нагрева .с последующим охлаждением. Процедура нагрев-охлаждение должна быть повторена Ц раз. Собственна  теплова  инерци  .калориметрического блока не должна накладывать ограничени  на требуемые скорости нагрева либо охлаждени . . Устройство адиабатического нагреваохлаждеш  работает следующим образон . 1 . U.. В режиме Нагрев от внешнего управ- . л ющего устройства (на чертеже не по-, казано) в блок 18 управлени  вводитс  команда Нагрев, котора  содержит информацию о требуемой скорости изме- . -нени  температуры. По измерительному входу в блок 18 управлени  поступает сигнал, пропорциональный температуре образца 3, который измер етс  с помощью датчика 4 температуры и измерител  17 температуры. Блок 18 управлени  вырабатывает соответствующий управл ющий сигнал, который поступает на вход управлени  компенсирующего блока 19, который, в свою очередь, вырабатывает соответствующее заданной скорости нагрева и температуре образца напр жение, величина которого частично компенсируетс  напр жением, сни маемым с дифференциальных датчиков (термопар) 9 и 10. Нескомпенсрированна  -часть напр жени  поступает в усилитель 20 разбаланса, где усиливаетс  при этом выходной сигнал его параллельно поступает на входы блока 21 выделени  модул  и пол рно-чувстви- . тельного блока 23.Пол рно-чувствительный блок 23 определ ет пол рность сигнала разбаланса и подает его на со- ; ответствующий компаратор ПЛЮС или МИНУС, что соответственно означает необходимость нагрева или охлаждени  теплового экрана 6 до температуры , соответствующей заданной- в блоке 18 управлени . Компаратор ПЛЮС включа етс , когда знак разбаланса показывает , что температура теплового экрана 6 и образца 3 ниже заданной, выходной сигнал компаратора 24 поступает на пол рно-чувствительный ключ 15 и коммутирует его в положение, при котором сигнал разбаланса через блок 21 вьщелени  и регул тор 16 температуры поступает на исполнительный усилитель 12 мощности, нагруженный на ре зистивный элемент теплового экрана 6 Происходит нагрев теплового экрана 6 и образца 3 до температуры, заданной блоком 18 управлени . В режи.ме Охлаждение в бл.ок 18 вводитс  команда Охлаждение, котора  содержит информацию о требуемой скорости изменений температуры, и далее устройство функционирует также как в режиме Нагрев, до момента срабатывани  соответствующего компаратора . Компаратор МИНУС, включаетс  когда знак разбаланса показывает, что температура теплового экрана 6 и образца 3 выше заданной. Выходной сигнал компаратора МИНУС поступает на пол рно-чувствительный блок 15и коммутирует его в положение, при кото- ром сигнал разбаланса через блок 21 11 08 выделени  модул  и регул тор 16 температуры поступает параллельно через первый 13, и второй 14 дополнительные исполнительные усилители мощности на электромагнитный клапан 7 и микронагреватель 11. При этом открываетс  электромагнитный клапан 7 и подключает дополнительный сосуд 8 к внутреннему объему теплрвого экрана 6, выполненного двойным и пустотелым. Одновременно происходит разогрев микронагревател  11, что приводит к испарению криогенной жидкости в сосуде 8. Пары жидкости, имеющие криогенную температуру, под действием разр жени , создаваемого вакуумным насосом 25, прокачиваютс  через внутреннюю полость теплового экрана 6, что обеспечивает его и образца 3 охлаждение до температуры , заданной блоком 18 управлени . Устройство имеет более высокую точность адиабатического нагрева в результате того, что происход щие в процессе регулировани  по заданной программе колебани  температуры вокруг заданного значени  с большим быстродейстрием погашаютс  за счет поочередного включени  в зависимости от знака разбаланса теплового экрана на нагрев либо на охлаждение, что обусловливает высокую чувствительность , быстродействие и устойчивость системы регулировани  при заданных температурных режимах, при этом значительно повьшгаетс  класс прибора в целом, так как величина погрешности поддержани  адиа,батических условий образца входит составл ющей в общую величину погрешности определени  ТФХ Таким образом, предлагаемое устройство адиабатического нагрева-охлаждени  значительно повышает точность поддержани  адиабатических режимов нагрев-охлаждени , позвол ет работать в режимах программного нагрева с последующим охлаждением . Процедура нагрева-охлажд.ени  может быть повторена v раз, при собственна  теплова  энерги  калориметрического блока не накладывает ограничени  на требуемые скорости нагрева либо охлаждени .

Claims (2)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ АДИАБАТИЧЕСКОГО НАГРЕВА-ОХЛАЖДЕНИЯ, содержащее герметичную камеру с исследуемым образцом внутри, эл.ектрообогреваемый тепловой экран, дифференциальные датчики температуры образца . и камеры, выходами соединенные с блоком формирования компенсирующего напряжения и с усилителем разбаланса, блок управления блоком^формирования компенсирующего напряжения, соединенный выходом с входом блока формирования компенсирующего напряжения, а входом-¹ с соединенными последовательно датчиком абсолютной температуры образца и измерителем температуры, исполнительный усилитель мощности выходом соединенный с электрообогреваемым тепловым экраном, а входом - с выходом усилителя разбаланса, источник калиброванной мощности, соединенный с микронагревателем образца, и вакуумный насос, о т л и ч а го щ- е ёс я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия адиабатического нагрева, в него введены основной и дополнительный герметичные сосуды «с криогенной жидкостью, электромаг нитный клапан дополнительного со суда, внутренний микронагреватель дополнительного сосуда, первый и второй дополнительные исполнительные усилители мощности, полярно-чувствительный ключ, полярно-чувствительный блок, блок компараторов ПЛЮС, блок компараторов МИНУС и блок выделения модуля, причем основной и дополнительный герметичные сосуды с криогенной жидкостью расположены внутри камеры, внутренний микронагреватель дополнительного герметичного сосуда соединен с выходом первого дополни тельного исполнительного усилителя мощности, электромагнитный клапан дополнительного сосуда подключен к выходу второго дополнительного исполнительного усилителя мощности, полярно-чувствительный |Ключ первым выходом соединен параллельно с входами первого и второго дополнительных ис- полнительных усилителей Мощности, вто рым выходом - с входом исполнительного усилителя, мощности, первым вдодомс выходом регулятора температуры, вто-** рым - с выходом блока компараторов СЭ ПЛЮС, третьим - с выходом блока компараторов МИНУС, при этом вход регуля- КЛ тора температуры соединен с выходом блока выделения модуля, вход которого подключен параллельно к выходу усили сл Q теля разбаланса и входу полярно-чувстт вительного блока, первый выход которого соединен с. входом компаратора

ПЛЮС,· а второй - с входом компаратора МИНУС.

2. Устройство по π. 1, о т л и ч а-, ю щ е е с я тем, Что электрообогреваемый тепловой экран выполнен двойным пустотелым и соединен с дополнитель1100^50 ным герметичным сосудом с криогенной жидкостью турбопроводо>1 через электромагнитный клапан, а блок управле ния компенсирующим блоком имеет допел нительные входы управления режимами нагрёв - охлаждение.