SU1111695A3 - Устройство дл дифференциально-термического анализа - Google Patents

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ , содержащее сосуды дл  образца и эталона, нагреватель и датчики температуры, отличающеес   тем, что, с целью повышени  точности измерений, нагреватель выполнен в виде двух источников излучени  дл  раздельного нагрева образца и эталона с оптическими системами , а устройство содержит два эле. мента, частично поглощающих излучение , расположенных между источниками излучени  и сосудами дл  образца и эталона, два блока регулировани : один - дл  управлени  программой нагрева образца и эталона , другой - дл  управлени  программой нагрева образца в соответствии с разностью температур между элеСО ментами, частично поглощающими излучение .

Description

2.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что кажда  оптическа  система содержит оптический фильтр,

3.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что элементы, частично поглощающие излучение, выполнены в виде металлической сетки или перфорированной металлической пластинки.

4.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что каждый элемент, частично поглощающий излучение , расположен вблизи сосуда дл  образца или эталона и изолирован от него,

5.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что блоки регулировани  содержат программирующее устройство, первьм регул тор, одним входом соединенный -с датчиком Температуры образцаj а другим с программирующим устройством, два источника питани , один из которых соединен с источником излучени  дл  нагрева образца, а другой - с источником излучени  дл  нагрева эталона, второй регул тор, подключенньш к датчику температуры первог элемента, частично поглощающего излучение , и к датчику температуры второго элемента, частично поглощающего излучение, сумматор, входы которого подключены к выходам первого и второго регул торов, при этом управл ющий вход первого источника питани  подключен к выходу сумматора , а управл ющий вход второго

1695

источника питани  подключен к выходу первого регул тора.

6.Устройство по п, 1, отличающеес  тем, что к входу второго регул тора подключен выход генератора, дающего сигнал, компенсирующий отклонение базовой линии устройства , а вход генератора подключен к входу программирующего устройства и/или к источнику сигнала.

7.Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что сосуды дл  образца и эталона расположены в закрытых вакуумированных объемах, которые отделены друг от друга и снабжены окнами.

8.Устройство по пп. 1 и 7, отличающеес  тем, что сосуды дл  образца и эталона помещены в термостатически регулируемый металлический блок.

9.Устройство по п. 8, отличающеес  тем, что сосуд дл  образца укреплен на коромысле весов.

10.Устройство по п. 9, отличающеес  тем, что весы дл  непрерывного измерени  массы содержат электромеханические средства дл  компенсации вращающего момента , диффееренциальный конденсатор и регулирующий.блок, расположенный между дифференциальным конденсатором и электромеханическими средствами.

11.Устройство по пп. 7 и 10, отличающеес  тем, что окна выполнены с возможностью частично пропускать излучение.

Изобретение относитс  к термическому анализу. Физико-химические преобразовани  вызываемые температурными изменени ми и сопровождающиес  изменени ми массы, могут измер тьс  путем термогравиметрии (ТГ) или дифференциальной термогравиметрии (ДТГ),определ ю щей скорость изменени  массы, с помощью известных устройств, так называемых термовесов. При проведении дифференциальных термических исследований требуетс , чтобы оба сосуда дл  образцов, один из которых соединен с плечом коромысла весов (при осуществлении ДТГ), должны нагреватьс  одинаково. Известно устройство дл  дифференциально-термического анализа, содержащее два тигл  дл  исследуемого вещества и эталона, помещенных внутри печи, термопары и регистрирующий прибор L11. В этом устройстве оба сосуда дл  образцов в равной мере подвержены воздействию температурных изменений печи. Такое решение имеет целый р д недостатков, а именно камера печи имеет относительно большой объем, поэтому ее теплова  инерци  также велика, вследствие чего ограничиваетс  скорость регулировани  системы, вследствие конвекции газа и теплоизлучени  обеспечение одинакового термического положени  обоих сосудов дл  образцов (в особенности при повышенных температурах) затруд нено, кроме того, оба сосуда дл  об разцов неизбежно должны находитьс  в одинаковом фазовом окружении. Наиболее близким техническим реш нием к предлагаемому  вл етс  устрой ство дл  дифференциально-термическо анализа материалов, содержащее сосу ды дл  образца и эталона, нагреватель в виде лампы накаливани  и датчики температуры 2. При отклонении температур сосудов дл  образцов от заданных значений дифференциальное изменение количества тепла, получаемого обоим сосудами дл  образцов от дополнител ной лампы, осуществл етс  путем пов рота этой лампы, укрепленной на вал на небольшой угол, в результате чег количество тепла, получаемое одним сосудом, увеличиваетс , а другим уменьшаетс . В устройстве такой кон струкции тепловые процессы, протекающие в исследуемом образце, непосредственно вли ют на систему, с помощью которой регулируетс  нагрев сосудов дл  образцов. Поэтому быстрый термический анализ образцов небольшого веса с помощью такого устройства невозможен. Используемые в нем массивные сосуды дл  образцов обладают сравнительно большой тепло вой инертностью. Другой недостаток этого устройства состоит в том, что и образец, и эталон размещаютс  в одном объеме, и поэтому .нельз  создать различную атмосферу дл  каждого из них. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройстве дл  диЛференциально-термического анализа материалов , содержащем сосуды дл  образца и эталона, нагреватель и датчики температуры, нагреватель выпол нен в виде двух источников излучени  дл  раздельного нагрева образца и эталона с оптическими системами. а устройство содержит два элемента, частично поглощающих излучение, расположенных между источниками излучени  и сосудами дл  образца и эта лона, два блока регулировани : один дл  управлени  программой нагрева образца и эталона, другой - дл  управлени  программой нагрева образца в соответствии с разностью температур между элементами, частично поглощающими излучение. Кажда  оптическа  система содержит оптический фильтр. Элементы, частично поглощающие излучение, выполнены в виде металлической сетки или перфорированной металлической пластинки. Каждый элемент, частично погло- щаюший излучение, расположен вблизи сосуда дл  образца или эталона и изолирован от него. Блоки регулировани  содержат программирующее устройство, первый регул тор, одним входом соединенный с датчиком температуры образца, а другим - с программирующим устройством , два источника питани , один из которых,соединен с источником t излучени  дл  нагрева образца, а другой - с источником излучени  дл  нагрева эталона, второй регул тор, подключенный к датчику температуры первого элемента, частично поглощающего излучение, и к датчику температуры второго элемента, частично поглощающего излучени , сумматор, выходы которого подключены к выходам первого и второго регул торов, при этом управл ющий вход первого источника питани  подключен к выходу сумматора, а управл ющий вход второго источника питани  подключен к выходу первого регул тора. К входу второго регул тора подключен выход генератора, дающего сиг нал, компенсирующий отклонение базовой линии устройства, а вход генератора подключен к выходу программирующего устройства и/или к источнику сигнала. Сосуды дл  образца и эталона расположены в закрытых.вакуумированных объемах, которые отделены друг от друга и снабжены окнами. Сосуды дл  образца и эталона помещены в термостатически регулируемый металлический блок. Сосуд дл  образца укреплен на ко ромысле весов. Весы дл  непрерывного измерени  массы содержат электромеханические средства дл  компенсации вращающего момента, дифференциальный конденсатор и регулирующий блок, расположенный между дифференциальным конде сатором и электромеханическими сред ствами. Окна выполнены с возможностью частично пропускать излучение. На фиг. 1 схематически показано предлагаемое устройство с нагревателем , на фиг. 2 - сосуд дл  образца исследуемого материала, разрез; на фиг. 3 - то же, вид сверху, на фиг. 4 - блок-схема устройства с сосудом дл  образца исследуемого материала, на фиг. 5 - блок-схема устройства; на фиг. 6 схематически представлена испытательна  камера, разрез; на фиг. 7 - весы и укреплен ный на плече коромысла сосуд дл  образца устройства с двум  отдельными испытательными камерами, продольный разрез. Сосуд 1 дл  образца (фиг. 1) из готовл етс  из материала предельно низкой теплоемкости, хорошей теплопроводности и малой удельной теплоты , например из пластины. Нагревательное приспособление состоит из лампы накаливани  2 и оптической си темы 3, котора  направл ет исход щие от лампы накаливани  лучи на со суд 1 дл  образца. Оптическа  систе ма 3 состоит из одного или двух (пр почтительно эллиптических) вогнутых поверхностных зеркал. Датчик температуры 4, которым снабжен сосуд дл  образца, представл ет собой термоэлемент из тонкой проволоки, обеспечивающий малый теплоотвод и приваривающийс  к сосуду дл  образца с противоположной от образца стороны. В цел х минимизации теплоотвода сосуд 1 дл  образца крепитс  одной или двум  тонкими прово локами с низкой теплопроводностью и большой прочностью, которые прива риваютс  с одной стороны к сосуду дл  образца и с другой стороны - к окружающей сосуд дл  образца конструкции , например к кронштейну сос да. Лучи от лампы накаливани  2 направл ютс  на сосуд 1 дл  образца таким образом, что они, с одной сто роны, подают на сосуд дл  образца однородным пучком, с другой стороны нагревают проволоку датчика темпера туры 4 и креплени  5 и 6 так же как и сосуд 1 дл  образца. В другом варианте сосуд 1 дл  образца крепитс  приваренньтми проволоками термоэлемента. На протекание определенных процессов оказывает отрицательное воздействие видима  область излучени . лампы накаливани  2 или ее часть. содержаща  высокую энергию. С целью устранени  этого дополнительного эффекта может быть использован оптический фильтр 7, поглощающий видимую область излучени  или ее нежелательную часть, помещаемый между сосудом 1 и лампой накаливани  2. Другим преимуществом изображенной на фиг. 2 и 3 конструкции  вл етс  расположение датчика температуры 8 и элемента 9, который частично пропус кает и частично абсорбирует излучение между сосудом 1 дл  образца и лампой накаливани  2, причем этот элемент нагреваетс  вследствие поглощени  тепла. Предпочтительно использовать в качестве этого элемента полупропускающую лучи пластину с малой отражательной способностью, или металлическую перфорированную пластину, или сетку тонкой структуры, причем датчик температуры 8, приваренньй к элементу 9, может быть термоэлементом . Предпочтительным  вл етс  такое расположение термоэлемента, чтобы он нагревалс  так же, как и сосуд 1, т.е. он должен помещатьс  вблизи сосуда 1 и привариватьс  к нему непосредственно или через соединенный элемент, предпочтительно с помощью проволоки 10. Блок-схема, представленна  на фиг. 4, содержит источник тока 11, питающий лампу накаливани  2, который управл етс  программирующим устройством 12 через регул тор 13, с другим входом которого соединен датчик температуры 8 элемента 9, вследствие чего элемент 9 регулирует интенсивность излучени , поступающего от лампы накаливани  2, нагревающей сосуд 1 дл  образца. В сосуде 1 температура образца может измер тьс  с помощью регистрирующего прибора 14, соединенного с датчиком температуры 4 сосуда дл  образца. Расположенньй между сосудом 1 и лампой накаливани  2 элемент 9 термически изолируетс  от сосуда 1, в результате чего термические проессы , ггротекающие в материале, нахо-,  щемс  в сосуде 1 дл  образца, е оказывают вли ни  на регулироваие температуры, и наоборот, регу тор не вли ет на регистрацию просход щих в образце термических роцессов, таким образом, создаетс  быстродействующий контур регулироани  с хорошими динамическими свойствами .

Устройство, блок-схема которого представлена на фиг. 5. содержит не енее двух сосудов 1 и 15 одинаковой конструкции дл  образца, один из которых  вл етс  эталоном, а другой исследуемым материалом, причем эталонный материал помещаетс  в сосуд 15, а исследуемый материал - в сосуд 1. С сосудами 1 и 15 св заны соответственно датчики температуры 4 и 16, лампы накаливани  2 и 17, оптические системы 3 и 18, датчики температуры 8 и 19 и элементы 9 и 20. расположенные между сосудами дл  образцов и относ щимис  к ним лампами накаливани . При такой конструкции рационально температуру эталонного вещества измен ть по определенной программе. Дл  этого прикрепленньй к сосуду 15 дл  эталона датчик температуры 16 и программирующее устрой ство 12 присоедин ют к первому регу тору 13, который соединен с входом питающего лампу накаливани  17 источника тока 11,затем вход первого регул тора 13 через сумматор 21 подключают к источнику тока 22, который питает лампу накаливани  2, нагревающую сосуд 1 дл  исследуемого образца. Датчики температуры 4 и 16 сосудов дл  образца и эталона присоединены к регистрирующему прибору 14, измер ющему разность температур между сосудами дл -образца и эталона . При абсолютной симетрии температура обоих порожних сосудов дл  образцов должна быть одинаковой, но в действительности это равенство трудно достижимо.

Дл  уменьшени  этих термических различий датчики температуры 8 и 19 элементов 9 и 20, расположенных между сосудом 1 дл  образца или сосудом 15 дл  эталона и относ щимис  к ним лампами накаливани  2 или 17 присоединены к двум входам второго регул тора 23, выход которого подан на сумматор 21. Благодар  этому падающее на сосуды дл  образца и эталона излучение выравниваетс , так как температура элементов 9 и 20 под воздействием питани  током лампы накаливани  17 устанавливаетс  на одинаковом уровне, причем регулирова ние лампы накаливани  17 осуществл етс  через регул тор 23, сумматор 21 и источник тока 22. Так как необходимо достичь одинакового значени  температур сосудов дл  образца и эталона , с целью выравнивани  еще имеющейс  асим1 етрии рекомендуетс  в соотг ветствии с изобретением подключать к третьему входу регул тора 23 генератор 24, дающий сигнал, компенсирующий отклонение базовой линии устройства, причем генератор 24 соединен с программирующим устройством 12 и/или с источником 25 сигналов настройки. Программирующее устройство 12, регулирующее на заданном уровне температуру сосудов дл  образцов, уменьшает через генератор 24 разность температур сосудов дл  образца и эталона с помощью корректировочного сигнала, завис щего от установленной температуры; независимое от установленной температуры посто нное отклонение может быть компенсировано с помощью источника 25 сигналов настройки или установлено на требуемое значение.

В конструкции в соответствии с фиг. 5 может быть предусмотрено более двух сосудов дл  образцов. Тогда сосуд дл  образца, соответствующий сосуду 15, служит дл  помещени  эталонного материала, а другие сосуды, соответствующие сосуду 1 дл  образца, предназначаютс  дл  образцов иссле- дуемого материала. В этом случае необходимы лампы накаливани  2, элементы 9, источники тока 11, сумматоры 21, вторые регул торы 23, генераторы 24 или источники сигналов 25 в количестве, соответствующем числу дополнительных сосудов дл  образцов, и многоканальный регистрирующий прибор 14 или несколько одноканаль ных приспособлений.

В другом варианте устройства, содержащего по крайней мере два сосуда дл  образцов, может быть произведено разделение сосудов дл  образцов и, следовательно, разделение герметичных объемов дл  исследуемых образцов (фиг. 6). С целью обеспечени  одинаковых условий дл  сосудов целесообразно эти разделенные и герме

9 .1

тически закрытые камеры 26 и 27 формировать в блоке, герметизируемом уплотн ющими прокладками 28 и 29. Этот блок изготавливаетс  из материала с хорошей теплопроводностью, и его температура с помощью вод ного о,хлаждени  (например, в пазах 30) может посто нно поддерживатьс  на низком уровне. Низка  температура окружени  сосудов дл  образцов обеспечивает хорошую теплоотдачу и, следовательно , быстрое охлаждение и стабилизацию. Камера каждого сосуда дл  образца снабжена не менее чем одним окном 31 или 32, которое пропускает излучение лампы накаливани , прокладкой 33 или 34, котора  может также выполн ть роль оптического фильтра, поглощаюп1 го часть излучени  лампы накаливани , а также выходными отверсти ми 35 или 36 требуемого количества, которые обеспечивают вывод продуктов из исполнительной камеры 26 и 27 и ее продувку газом. В разделенных таким образом испытательных камерах могут сравниватьс  процессы, происход щие в одинаковбм материале, но в различной газовой среде.

Устройство приведенной конструкции , снабженное двум  срсудами: дл  исследуемого материала и эталона, пригодно преимущественно дл  дифференциального термоанализа. Достигаема  скорость исследовани  и примен емые здесь решени  допускают использование более разнообразной и информативной методики, чем при применении известных устройств.

Дл  измерени  мас.сы в зависимости от температуры {термогравиметри ) к плечу коромысла весов 37 прикрепл ют сосуд дл  образца, как это показан ) на фиг. 7. При нагревании взвешиванию подвергаетс  только исследуемый образец, а материал-эталон в котором также мо-гут происходить изменени  массы, мещающие анализу измерений, помещаетс  в другой сосуд независимо от исследуемого образца. В отличие от известных устройств нагревательный элемент сосуда дл  образца также не нагружает весов.

Плечо коромысла весов 37 присоединено , например, к электромеханическому узлу, осуществл ющему компенсацию и соединенному через электромеханические- регулирующее приспособление 38 с датчиком, детектирую169510

щим поворот весов, предпочтительно к дифференциальному; конденсатору 39.

Пример. В предлагаемом устройстве примен етс  два сосуда дл  образцов исследуемых материалов, представл ющие собой чаши из платиновой пластины толщиной 0,1 мм, диаметром 8,5 мм, высотой.3 мм, в качестве датчика температуры применен

0 термоэлемент их хромель-алюмел  диаметром 0,05 мм, прикрепленный к нижней стороне чаши точечной сваркой. Лампы накаливани  представл ют собой проекционные лампы (8 В, 50 Ст), смо

5 тированные вместе с эллиптическим зеркалом; они расположены под снабженным двум  резиновьми прокладками 33, 34 окном 31, 32 алюминиевого блока 40, содержащего сосуды дл 

Q образцов и охлаждаемого водой, причем окно изготовлено из кварцевого стекла толщиной 2 мм или из стекла дл  светофильтров типа (У 6. Окно из стекла дл  светофильтров /; 6 отфиль5 тровывает всю видимую область излучени , что при максимально достижимой температуре обеспечивает уменьшeIiиe мощности приблизительно на 30%. Расположенный между сосудом 1 дл  образца и лампой накаливани  2 эле0 мент 9 представл ет собой диск, изготовленный из платиновой пластины толщиной О,1 мм, диаметром 11 мм, он содержит 127 отверстий диаметром 0,5 мм, расположенных шестиугольни5 ком на среднем рассто нии 0,8 мм друг от друга. Его датчик температуры также  вл етс  термоэлементом из хромель-алюмел , приваренным к близлежащей к сосуду дл  образца

0 стороне пластины. Рассто ние между сосудом дл  образца и элементом 9 , равн етс  0,8 мм.

Платиновые креплени  5 в виде проволоки толщиной 0,5 мм, прива5 ренные к вилкообразному, содержащему 36% никел  плечу коромысла весов или к держателю сосуда дл  образцов под пр мым углом, с одной

I

стороны, удерживают приваренный сосуд 1 дл  образца и, с другой стороны , с йомощью двух промежуточных крепежных проволок 10 толщиной 0,3 мм креп т перфорированную пластину, образующую элемент 9, причем плечо коромысла весов ил:и держатель сосуда дл  образцов изготовл ютс  из стали с малым тепловым расширением и должны ограждатьс  от излучени .

11 1

На другом плече коромысловых весо 37 длиной 100 мм крепитс  электромеханический преобразователь тока 41 электродинамической конструкции, его катушка 42, через которую проходит электрический ток, движетс  в воздушном зазоре 43  рма 44 посто нного магнитй 45 и под вли нием тока в 10 мА производит противодействующий момент дл  выравниванру допустимой нагрузки в 1 г, причем посто нный магнит крепитс  в полости блока 40.

На среднем рассто нии от опоры

46весов 37 расположена прикрепленна  к весам чувствительна  пластина

47размером 15x15 мм, движуща с  между неподвижными тех же размеров пластинами 48 дифференциального конденсатора 39 дл  обеспечени  наблюдени  за положением весов. Выводные провода 49 и 50 термоэлементов, обра зующих датчики температуры 4 и 8, или выводные провода 51 катушки 42

с помощью прокладок 52 из изолирующего материала дл  креплени  рычага подвод тс  к поворотной оси весов и присоедин ютс  известным способом с минимальным моментом к отводам. В крышке 53 содержащего сосуд 1 дл  образца блока 40 с диаметром 200 мм предусматриваютс  две

512

герметизирующих испытательную камеру 26, 27 резиновые прокладки 28 и 29 и вогнута  зеркальна  куполообразна  поверхность 54, причем последн  

образуетс  в материале крышки 53 и представл ет собой часть оптической системы 3. В испытательную камеру , 26, 27 проход т два отверсти  дл  продувки или отсоса.

С окном из кварца в предлагаемом устройстве при давлении в 1 атм дости гаетс  температура 750°С, погрешность воспроизведени  регулировани  при максимальной скорости охлаждени 

или нагревани  в 1 мин меньше О,1°С, а синхронность температур сосудов дл  образцов в порожнем виде или загруженных нейтральным материалом меньше +0,15°С.

Ввиду зависимости от температуры воздушного потока и теплового расширени , которое становитс  значительным при высоких температурах, весы без образца в температурном диапазоне 20-750 С в воздухе при давлении в 1 атм дают исправимую максимальную измерительную ошибку в 0,5 мг при точности воспроизведени  Jr25 мг.

Термическа  посто нна  времени составила при спонтанном охлаждении 8с.

i

S s

сриг.З

/4

сриг.

фиг. 6

«

iZl

«M

Claims (11)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ, содержащее сосуды для образ- ца и эталона, нагреватель и датчики температуры, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности измерений, нагреватель выполнен в виде двух источников излучения для раздельного нагрева образца и эталона с оптическими системами, а устройство содержит два эле-, мента, частично поглощающих излучение, расположенных между источниками излучения и сосудами для образца и эталона, два блока регулирования: один - для управления программой нагрева образца и эталона, другой - для управления программой нагрева образца в соответствии с разностью температур между элементами, частично поглощающими излучение .

SU <„> 1111695

Фиг!

111

2. Устройство по π. 1, отличающееся тем, что каждая оптическая система содержит оптический фильтр,

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что элементы, частично поглощающие излучение, выполнены в виде металлической сетки или перфорированной металлической пластинки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый элемент, частично поглощающий излучение, расположен вблизи сосуда для образца или эталона и изолирован от него.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блоки регулирования содержат программирующее устройство, первый регулятор, одним входом соединенный с датчиком температуры образца, а другим с программирующим устройством, два источника питания, один из которых соединен с источником излучения для нагрева образца, а другой - с источником излучения для нагрева эталона, второй регулятор, подключенный к датчику температуры первого элемента, частично поглощающего излучение, и к датчику температуры второго элемента, частично поглощающего излучение, сумматор, входы которого подключены к выходам первого и второго регуляторов, при этом управляющий вход первого источника питания подключен к выходу сумматора, а управляющий вход второго

695 источника питания подключен к выходу первого регулятора.

6. Устройство по п, 1, отличающееся тем, что к входу второго регулятора подключен выход генератора, дающего сигнал, компенсирующий отклонение базовой линии устройства, а вход генератора подключен к входу программирующего устройства и/или к источнику сигнала.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сосуды для образца и эталона расположены в закрытых вакуумированных объемах, которые отделены друг от друга и снабжены окнами.

8. Устройство по пп. 1 и 7, о тличающееся тем, что сосуды для образца и эталона помещены в термостатически регулируемый металлический блок.

9. Устройство по п. 8, о т л ичающееся тем, что сосуд для образца укреплен на коромысле весов.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что весы для непрерывного измерения массы содержат электромеханические средства для компенсации вращающего момента, диффееренциальный конденсатор и регулирующий.блок, расположенный между дифференциальным конденсатором и электромеханическими средствами.

11. Устройство по пп. 7 и 10, отличающееся тем, что окна выполнены с возможностью частично пропускать излучение.