SU877414A1 - Калориметрическое устройство - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к калориметрическим устройствам дл  определени  тепловых эффектов и может быть исполь зовано в материаловедении, металлургии , машиностроении, приборостроении и других област х техники дл  экспери ментального и производственного контрол  процессов, св занных с термическим воздействием на материалы, например , при термической обработке металлов . Известно устройство дл  контрол  сопровождающих нагрев или охлаждение материалов тепловых эффектов с помощью термического анализа, содержащее нагревательную печь, измеритель температуры, дифференциальную печь и св занный с ним регистрирующий осциллограф . Оценка характера про влени  тепловых эффектов производитс  по скорости изменени  температуры образца на термограмме в услови х заранее заданной программы нагрева печи. Дл  разогрева образца применен высокочастотный нагрев вихревыми токами в вакуумной камере. Регистраци  кривых нагрева осуществл етс  с помощью двух лучевого осциллографа и оптического пирометра на фотодиодах.Дифференцированные термограммы и анализ произ водной позвол ют более четко детектировать изменение теплосодержани  1. Подобные устройства позвол ют качественно определить наличие теплового эффекта и его знак, однако дл  количественных измерений и контрол  эти устройства широкого применени  не получили, так как неучитываемые тепловые потери не позвол ют достоверно определить величину теплового эффекта . Более совершенным устройством дл  измерени  тепловых эффектов  вл етс  дифференциальный теплопровод щий калориметр Тиа.на-Кальве, позвол ющий контролировать рассеиваемое исследуемым объектом тепло и по мощности рассеивани  судить о сопровождающем процесс тепловом эффекте.. Калориметр представл ет собой две калориметрические  чейки, поверхность которых окружена термоэлектрическими батаре ми, выполн ющими роль теплометрических оболочек. С помощью термобатареи  чейки наход тс  в тепловом контакте с хорошо термостатируемым высокотеплопроводным блоком,играющим роль изотермической оболочки.Дифференциальна  схема соединени  термоСатарей позвол ет добитьс  высокой чувствительности калориметра, благодар  чему удаетс  обнаруживать весьма малые тепловые эффекты 2,

Однако диапазон рабочих температур такого калориметра ограничен,дл  исследований высокотемпературных процессов , он не пригоден из-за низкой термостойкости -и эффективности бата рей при высоких температурах,: возникновени  значительных термических деформаций в процессе нагрева или охлах дени  калориметрических  чеек, вследствие чего градиентный слой разрушаетс , значительных изменений , термических сопротивлений между блоком и  чейками калориметра и, как следствие, существенного изменени  чувствительности от опыта к опыту. Использование дифференциальной схемы измерений повышает чувствительность калориметрических устройств с адиабатической оболочкой. Так, например , в калориметре з измер етс  мощность дополнительного обогрева одного из двух образцов, помещенных в квазиадиабатические услови  при поддержании нулевой разности температур между ними в процессе нагрева с посто нной скоростью. Измерение осуществл ют в режиме программного нагрева образцов, реализуемого с помощьюконтура регулировани  температуры , св занного с нагревательными элементами образцов и схемой поддержани  адиабатических условий между образцом и оболочкой печи. В процесс опыта синхронно регистрируетс  мощность дополнительного обогрева одного из образцов в режиме нулевой раности температур между ними и сигналом от датчика температуры, установленного на одном из образцов.При этом дл  регистрации используют,дифференциальные ваттметры, св занные с регистрирующим устройством.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  дифференциальный микрокалориметр , содержащий датчик разности температур, включенный в контур регулировани , что позвол ет поддерживать нулевой температурный перепад между эталонным и исследуемым образцами и обеспечить их нагрев по заданной программе. Дл  регистрируемого изменени  температуры нагрева образцов применены включенные в токовую цепь подогрева электронагревательные элементы, содержащие общий дл  обеих ветвей участок,.снабженный источником посто нного напр жени  и содержащий -устройство. регистрации. Электрический сигнал датчика используют одновременно дл  поддержани  нулевого температурного перепада между образцами и дл  генерации сигнала , пропорционального разности под водимых к нагревательным элементам мощностей. Это позвол ет количественно оценить величину и распределение

по температуре или по времени тепловых эффектов L4.

Однако вследствие отличи  в природе дополнительного обогрева нагревателем в сравнении с обогревом за сче тепловых эффектов температурные пол  образцов могут заметно отличатьс , что приводит к по влению погрешностей , завис щих от тепловой инерции образцов. Искажени  результатов измерений возникают также за счет разного теплообмена между образцами и окружающей средой, например, вследствие различи  коэффициентов черноты этз.лонного и исследуемого образцов, особенно при использовании эталона из другого материала. Кроме того, с повышением температуры точноеJb измерений снижаетс  за счет непропорционального роста теплопотерь с образцов и нагревательных элементов, что ограничивает применение калориметра дл  высокотемпературных исследований , например изучение тугоплавки материалов.

Цель изобретени .- повышение точности и производительности устройства .

Поставленна  цель достигаетс  тем что в калориметрическое устройство, содержагцее подключенные к выходам усилителей мощности нагреватели образцов , датчики теплового режима образцов , включенные в измерительный мост, к выходу которого подключен вход первого фазочувствительного усилител , а также программный задатчик и регистрирующий блок, введены второй фазочувствительный усилитель, цепи из последовательно соединенных сумматора, преобразовател  аналогкод и формировател  импульсов, а также -первый и второй измерители частоты импульсов, подключенные ко вх-одам второго фазочувствительного усилитб .л , выходом св занного со входом регистрирующего блока, причем первые входы сумматоров соединены с выходами первого фазочувствительного усилител , вторые входы - с выходом программного задатчика, а выходы формирователей импульсов соединены со входами усилителей мощности и измерителей частоты импульсов.

Нагреватели образцов выполнены в виде электронной пушки с общим катодом и анодами-образцами. I

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство состоит из двух датчиков 1 к 2 теплового режима образцов, включенных в измерительный мост с двум  компенсирующими резисторами 3 и 4 .Диагональ моста подключена на два входа первого фазочувствительного усилител  5 , выходы которого подключены на первые входы сумг-таторов б и 7.Вторые входы сумматоров 6 и 7 подключены к программному задатчику 8.Выходы суммато ров 6 и 7 подключены ко входам двух пре образователей аналог-код 9 и 1U соо ветствено, выходы которых через фор мирователи II к 12 импульсов подклю чены ко входам двух усилителей 13 и 14 мощности. К выходным клеммам уси телей 13 и 14 мощности подключены н реватели 15 и 16 образцов соответст венно. Параллельно выходам формироват лей 11 и 12 включены входы измерите ( лей 17 и 18 частоты импульсов, а их выходы подключены к двум входам вто рого фазочувствительного усилител  19, выход которого подключен ко вхо ду регистрирующего блока 20. Устройство работает следующим об . разом. Исследуемые образцы обогревают раздельными нагревател ми 15 и 16, включенными в токовую сеть нагрузки усилителей 13 и 14 мощности. Цепи питани  нагревателей имеют общий токовый участок. Тепловой режим образцов контролируетс  двум  датчиками 1 и 2. Дл  определени  малых тепловых эффектов в образцах подают питание на нагрев, а датчиками 1 и 2 измер ют разность теплопотерь от образца и эталона, в соответствии с которой измен ют прилагаемую энергию к нагревател м таким образом, чтобы поддержать между образцом и эталоном нулевую разность теплопотерь. За тем измер ют мощность необходимую дл  поддержани  нулевой разности теп лопотерь . При отсутствии процессов, сопровождающихс  тепловыми эффектами., дл  образцов из одного и того же материала теплопотери равны и на выходе фазочувствительного усилител  5 нет сигнала разбаланса. В этом случае образцы нагревают по программе, задан ной задатчиком 8, выход которого св  зан со входами сумматоров 6 и 7. Таким образом, на выходах суммато ров 6 и 7 будут присутствовать измен ющиес  напр жени , пропорциональные заданной программе нагрева. Эти напр жени  прикладывают к выходам преобразователей аналог-код 9 и 10 соответственно. Преобразователи аналог-код 9 и10 преобразуют аналоговую составл ющую сигнала в единичный код, частоту измен ют пропорционально аналоговому напр жению, поступающему со входов сумматоров б и 7. Импульсы преобразователей аналог-код 9 и 10 поступают на входы формирователей 11 и 12 соответственно , где формируютс  в импУльсы посто нной амплитуды и посто нной длительности , затем импульсы посто нной амплитуды и дли гельности с выходов формирователей 11 и 12 поступают на входы усилителей мощности 13 и 14, нагрузками которых. вл ютс  два нагревател  15 и 16 осразцов-соответственно . Так происходит нагрев образцов по заданной программе путем изменени  частоты следовани  импульсов, ем самым измен   средний ток, протекающий через нагреватели. Вследствие протекани  процессов, сопровождающихс  выделением (поглощением тепловой энергии в одном из образцов, на одном из выходов фазочувствительного усилител  5 по вл етс  сигнал рассогласовани , который и сложитс  в соответствующем сумматоре 6 или 7 (в зависимости от знака сигнала разбаланса с сигналом задатчика 8. При этом.изменитс  частота одного из преобразователей аналог-код 9 или 10, т.е. произойдет дополнительный обогрев одного из образцов . Таким образом поддерживают нулевую разность теплопотерь между образцом и эталоном. В процессе работы устройства нулевую разность теплопотерь поддерживают непрерывно с высокой точностью. Так как дл  компенсации нарушени  тепловой симметрии, св занной с выде, лением или поглощением тепловой энергии в одном из образцов, требуетс  уравновешивать ее с помощью сква5кности импульсов, тем самым измен   общий ток через один из нагревате.-: лей, по вл етс  рассогласование в цеп х питани  нагревателей. Это рассогласование моделируетс  количест .вом импульсов, необходимых дл  установлени  теплового равновеси  между образцом и эталоном. Так как иг.шульсы имеют посто нную амплитуду и длительность , то указанный параметр однозначно отражает мощность, необходимую дл  компенсации теплового эффекта , привод щего к нарушению равенства теплопотерь с образцом. Информаци  о количестве импульсов снимаетс  с выходом формирователей 11 и 12 и подаетс  на входы измеритеей 17 и 18 частоты импульсов, выхоы которых включены iia два входа второго фазочувствительного усилител  19, с которого сигнал, пропорциональный скорости изменени  теплосодерани  образцов, подаетс  на регистирующий блок. 20. Предлагаемое устройство позвол ет получать истинное распределение тепловых эффектов и определ ть их количественно в ходе одного экспеимента и, таким образом, произвоительность устройства повышае с  два раза и точность измерени  одовременно повышаетс . Расширение диапазона рабочих темератур (в сторону более высоких), остигаемое использованием электронной пушки с общим катодом и анодаи-образцами в качестве нагревателей бразцов, позвол ет изучать процессы тугоплавких металлах, что также

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Калориметрическое устройство, содержащее подключенные к выходам усилителей мощности нагреватели образцов, датчики теплового режима образ- | цов, включенные в измерительный мост, к выходу которого подключен вход первого фазочувствительного усилителя, а также программный задатчик и регистрирующий блок, отличающе ес я тем,что,с целью повышения точнос-15 ти и производительности устройства, оно содержит второй фазочувствительный усилитель, цепи из последовательно соединенных сумматора, преобразователя аналог-код и формирователя импульсов, а также первый и второй измерители частоты Импульсов, подключенные ко входам второго фазочувствительного усилителя, выходом связанного с входом регистрирующего блока, причем первые входы сумматоров соеди- 'йены с выходами первого фазочувстви^!тельного усилителя, вторые входы - с выходом программного задатчика, а выходы формирователей импульсов соединены со входами усилителей мощности и измерителей частоты импульсов.
2. 2. Устройство поп.1, отличающееся тем, что нагреватели образцов выполнены в виде электронной пушки с общим катодом и анодами-образцами .