SU972360A1

SU972360A1 - Material heat capacity determination device

Info

Publication number: SU972360A1
Application number: SU813274144A
Authority: SU
Inventors: Михаил Борисович Бреслав-Масленников; Владимир Владимирович Пикулик; Николай Борисович Павленко
Original assignee: Центральное конструкторское бюро с опытным производством АН БССР
Priority date: 1981-04-08
Filing date: 1981-04-08
Publication date: 1982-11-07

Description

Изобретение относитс к устройствам дл определени термических свойств материалов , в частности теплоемкости. Известно устройство дл исследовани теплофизических и термодинамических свойств различных веществ, содержащее кри остат, в котором размещен калориметр с исследуемым веществом, св занный со схемой измерени контролируемых параметров и с регул тором тепловых режимов 1 Несмотр на то, что функциональное построение указанного устройства уменьщает вли ние паразитных термо-ЭДС, оно тем не менее не устран ет возникновение возмущени на калориметр с теплоизолирующ .ей оболочкой в момент начала нагревани образца, что увеличивает отклонение от адиабатического режима, особенно дл образцов с низкой теплоемкостью. Отклонение от адиабатического режима ведет к уменьщейию точности измерени теплоемкости вследствие увеличени неконтролируемых потерь тепла. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс устройство дл определени теплоемкости материалов, содержащее калориметр с образцом, источНИКИ нагревани образца, датчики разности температур образца первой и второй теплоизолирующих оболочек, усилители сигналов разности температур образца и каждой из оболочек, соответствующие им регул торы мощности нагревани этих оболочек , прецизионный задатчик программы, усилитель разности сигналов от задатчика и датчика температуры образца, регул тор программного нагревани образца, блок автоматического поиска и выхода на режим, стабилизированный источник нагревани образца , блок коммутации нагревани в режимах с посто нной скоростью нагревани и при посто нной калиброванной мощности на гревател , самописец блока регистрации, блок регистрации, блок формировани сигнала поправки на теплоемкость деталей калориметра , соединенный с суммирующим блоком, блок формировани сигнала обратной скорости нагревани , термопары температуры образца и датчик контрол мощности , подаваемой на образец 2 . Сущность системы поддержани квазиадиабатических условий устройства заключаетс в сведении к нулю сигнала рассогласовани температур образца и теплоизолирую1ЦИХ оболочек. В установке наибольшее отшюнейие от адиабатического режима наблюдаетс в моменты начала и окончани нагревани образца. Это обусловлено тем, что с момента возникновени сигнала рассогласовани до его устранени необходим промежуток времени, соответствующий прохождению сигнала от датчика разности температур калориметра с образцом до нагревателей теплоизолирующих оболочек и нагревани их. Этот промежуток времени в установках Ду1 измерени теплоемкости соответствует 3-5 с. Следовательно, из-за неодновременного нагревани калориметра с образцом к теплоизолирующих оболочек в течение 3- 5 с возможен оттток тепла от калориметра с образцом. Потери практически невозможно учесть при расчете теплоемкости, что приводит к понижению точности ее измерени . В известном устройстве регул торы мощноети начинают Нагревание оболочек с некоторым запаздыванием, обусловленным тем, что дл построени регул торов использован принцип регулировани по отклонению вследствие чего по вл етс промежуток времени между началом нагревани калориметра с образцом и началом нагревани теплоизолирующих оболочек. Длительность этого промежутка времени обуславливают инерционностью дифференциальных термопар и врем прохождени сигнала, снимаемого с термопары , по тракту регул тора мощнорти. Сюда необходимо включить и инерционность нагревателей теплоизолирующих оболочек. Цель изобретени - повышение точнос ,и измерени теплоем.чости материалов путем одновременного нагревани калориметра с образцом и теплоизолирующих оболочек в динамическом режиме. Поставленна цель достигаетс тем, что В устройство дл определени теплоемкости материалов, содержащее калориметр с образцом и Нагревателем образца, теплоизолирующие оболочки, систему поддержани квазиадиабатических условий, включающую датчики разности температур калориметра с образцом и теплоизолирующих оболочек, усилители сигнала этих датчиков, регул торы мощности Нагревани теплоизолирующих оболочек, при этом выходы датчиком разности температур калориметра с образцом и теплоизолирующих оболочек через усилители сигнала этих датчиков и регул торы мощности нагревани теплоизолирующих оболочек соединены с Нагревател ми оболочек , блок измерени и регистрации с одной термопарой температуры калориметра с образцом , задатчик программного нагревани калориметра с образцом с другой термопарой , выходом соединенный через блок программного управлени с источником программного нагревани калориметра с образцом , который через блок контрол мощности нагревани калориметра с образцом подключен к нагревателю образца и блоку измерени и регистрации, дополнительно введены схемы совпадени , интеграторы и блоки с переменным коэффициентом усилени , при этом выходы датчиков разности температур калориметра с образцом и теплоизолирующих оболочек соединены с первыми входами схем совпадени , к вторым входам которых подключен выход блока програмного управлени , а выходы схем совпадени соединены через интеграторы с управл ющими входами блоков с переменным коэффициентом усилени , сигнальные входы которых подключены к выходу источника программного нагревани калориметра с образцом , а выходы соединены с нагревател ми теплоизолирующих оболочек. На чертеже изображена блок-схема устройства дл определени теплоемкости материалов . Предлагаемое устройство содержит термостат 1, в котором помещены калориметр с образцом 2 и нагревателем 3 образца, теплоизолирующие оболочки 4 и 5, с нагревател ми 6 и 7 этих оболочек соответственно, систему поддержани квазиадиабатических условий, содержащую датчик 8 разности температур калориметра с образцом и первой теплоизолирующей оболочки 4, соединенный через усилитель 9 сигнала разности этих температур с входом регул тора 10 мощности нагревани первой теплоизолирующей оболочки 4, выходом соединенного с нагревателем 6 теплоизолирующей оболочки 4, датчик 11 разности температур калориметра с образцом и второй теплоизолирующей оболочки 5, соединенный через усилитель 12 сигнала разности этих температур с входом регул тора 13 мощности нагревани второй теплоизолирующей оболочки 5, выходом соединенного с Нагревателем 7 теплоизолирующей оболочки 5, термопару 14 температуры калориметра с образцом, соединенную с входом задатчика 15 программного нагревани , выход которого соединен с входом блока 16 программного управлени , выход которого через последовательно соединенные источник 17 программного нагревани и блок 18 контрол мощности нагревани подключен к нагревателю 3 образца и блоку 19 измерени и регистрации, на второй вход которого поступает сигнал термопары 20 температуры калориметра с образцом, при этом выходы датчиков 8 и 11 разности температур калоримет ра с образцом и теплоизолирующих оболочек соединены с первыми входами схем 21 и 22 совпадени , к вторым входам которых подключен выход блока 16 программного управлени , а выходы соединены через интеграторы 23 и 24 с управл ющими входами блоков 25 и 26 с переменным коэффициентом усилени сигнальные входы которых подключены к выходу источника 17 программного нагрева, а выходы соединены с нагревател ми 6 и 7 теплоизолирующих оболочек 4 и 5.The invention relates to devices for determining the thermal properties of materials, in particular the heat capacity. A device for studying the thermophysical and thermodynamic properties of various substances is known, which contains a cree balance in which a calorimeter is placed with a test substance associated with a measurement circuit of monitored parameters and with a thermal controller 1 Despite the functional design of this device reduces the effect of parasitic thermo-emf, it nevertheless does not eliminate the occurrence of a disturbance to the calorimeter with a heat insulating sheath at the moment the sample starts heating, which increases the deflection s from the adiabatic regime, especially for samples with low heat capacity. Deviation from the adiabatic regime leads to a decrease in the measurement accuracy of the heat capacity due to an increase in uncontrolled heat loss. The closest in technical essence to the present invention is a device for determining the heat capacity of materials, containing a sample calorimeter, sources for heating a sample, sensors for temperature difference between a sample of the first and second heat insulating shells, amplifiers for signals of the temperature difference between a sample and each of the shells, corresponding heating power controllers these shells, precision program adjuster, signal difference amplifier from sample setpoint and sample temperature sensor, programmed heating controller sample sample, automatic search and exit mode, sample stabilized heating source, heating switching unit at constant heating rates and at a constant calibrated power to the heater, recording unit recorder, recording unit, calorimeter parts correction signal shaping unit connected to a summing unit, a signal generating unit of the inverse heating rate, a thermocouple of the sample temperature and a sensor controlling the power supplied to the sample 2. The essence of the system for maintaining the quasiadiabatic conditions of the device is to reduce to zero the signal for the sample temperature mismatch and the heat insulating shells. In the installation, the greatest distance from the adiabatic regime is observed at the moments of the beginning and end of heating of the sample. This is due to the fact that from the moment of the occurrence of the error signal to its elimination, a period of time is necessary that corresponds to the passage of the signal from the sensor of the temperature difference between the calorimeter and the sample to the heaters of the heat-insulating shells and their heating. This period of time in the installations of measuring the heat capacity DN1 corresponds to 3-5 seconds. Consequently, due to the non-simultaneous heating of the calorimeter with the sample to the heat insulating shells for 3-5 seconds, heat can be drained from the calorimeter with the sample. Losses are almost impossible to take into account when calculating the heat capacity, which leads to a decrease in the accuracy of its measurement. In the known device, the power regulators begin to heat the shells with some delay, due to the fact that the deflection control principle is used to build the regulators, resulting in a time interval between the start of heating of the calorimeter and the sample and the start of heating of the heat insulating shells. The duration of this period of time is determined by the inertia of the differential thermocouples and the time it takes for the signal taken from the thermocouple to travel along the path of the power regulator. This should include the inertia of the heaters of heat insulating shells. The purpose of the invention is to improve the accuracy and measurement of the heat capacity of materials by simultaneously heating the calorimeter with the sample and the heat insulating shells in a dynamic mode. The goal is achieved by the fact that the device for determining the heat capacity of materials, containing a calorimeter with a sample and a sample heater, heat insulating shells, a system for maintaining quasiadiabatic conditions, including sensors for temperature difference between a calorimeter with a sample and heat insulating shells, signal amplifiers for these sensors, power controllers for heat insulating heat insulators shells, while the outputs of the sensor temperature difference of the calorimeter with the sample and insulating shells through signal amplifiers x sensors and heat power controllers of heat insulating shells are connected to the Heater Heaters, a measurement and recording unit with one thermocouple of the calorimeter with a sample, a generator of program heating the calorimeter with a sample with another thermocouple, output connected via a program control unit with a source of software heating of the calorimeter with a sample which, through the heating power monitoring unit of the calorimeter with the sample, is connected to the sample heater and the measurement and recording unit; but matched circuits, integrators and variable gain units were introduced, while the outputs of the sensors of the temperature difference between the calorimeter with the sample and the heat-insulating shells are connected to the first inputs of the coincidence circuits, to the second inputs of which the output of the software control unit is connected, control inputs of variable gain blocks, the signal inputs of which are connected to the output of the program heating source of the sample calorimeter and the outputs inens with heaters heat insulating shells. The drawing shows a block diagram of an apparatus for determining the heat capacity of materials. The proposed device contains a thermostat 1 in which a calorimeter with sample 2 and sample heater 3 is placed, heat insulating shells 4 and 5, with heaters 6 and 7 of these shells, respectively, a system for maintaining quasiadiabatic conditions, containing a sensor 8 temperature difference between the calorimeter with the sample and the first heat insulating shell 4 connected through the amplifier 9 of the signal of the difference of these temperatures with the input of the regulator 10 of the heating power of the first heat insulating shell 4, the output of the heat insulator connected to the heater 6 shell 4, a sensor 11 of the temperature difference between the calorimeter and the sample and the second heat insulating shell 5 connected via an amplifier 12 of the difference signal of these temperatures to the input of the regulator 13 of the heating power of the second heat insulating shell 5, the output connected to the Heater 7 of the heat insulating shell 5, thermocouple 14 of the calorimeter temperature with the sample connected to the input of the setpoint adjuster 15, the output of which is connected to the input of the program control unit 16, the output of which through the series-connected The program heating source 17 and the heating power control unit 18 are connected to the sample heater 3 and the measurement and recording unit 19, the second input of which receives the signal from the thermocouple 20 of the temperature of the calorimeter with the sample, while the outputs of sensors 8 and 11 of the temperature difference of the calorimeter with the sample and heat insulating the shells are connected to the first inputs of the matching circuit 21 and 22, to the second inputs of which the output of the program control unit 16 is connected, and the outputs are connected via integrators 23 and 24 to the control inputs of blocks 25 and 26 with ne TERM gain of signal inputs which are connected to the output of source 17, the heating program and the outputs are connected to the heaters 6 and 7 are insulating shells 4 and 5.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Сигнал термопары 14 температуры калориметра с образцом 2 через задатчик 15 программного нагревани калориметра с образцом 2 подаетс на блок 16 программного управлени . С помощью этого блока и источника 17 программного нагревани калориметра с образцом через блок 18 контрол мощности нагревани калориметра с образцом 2 производитс нагрев образца. Одновременно источник Г/ программного нагрева калориметра с образцом 2 подает сигнал на сигнальные входы блоков 25 и 26 с переменным коэффициентом усилени , а сигнал с дифференциальных термопар 8 и 11 поступает через схе.мы 21 и 22 совпадени на интеграторы 23 и 24. Интеграторы 23 и 24 вырабатывают сигнал, пропорциональный амплитуде и времени существовани сигнала дифференциальных термопар. Сигнал с выхода интеграторов 23 и 24 проходит на управл ющие входы блоков 25 и 26 с переменным коэффициентом усилени и автоматически устанавливает коэффициент усилени сигнала, поступающего На сигнальные входы блоков 25 и 26 с переменным коэффициентом усилени , на уровне требуемом дл того, чтобы сигналы с выходов блоков с переменным коэффициентом усилени , которые через Нагреватели 6 и 7 теплоизолирующих оболочек Начинают нагревание теплоизолирующих оболочек 4 и 5 повыщали температуру этих оболочек, чтобы одновременно с ростом температуры калориметра с образцом росла и температура теплоизолирующих оболочек. Тем самым устран етс переток тепла от калориметра с образцом в окружающую среду и уменьщаетс отклонение от адиабатических условий. В начале процесса нагревани интеграторы 23 и 24 автоматически устанавливают на блоках 25 и 26 с переменным коэффициентом усилени коэффициенты усилени , требуемые дл того, чтобы устранить по вление сигналов с дифференциальных термопар 8 и II. Во втором и последующих циклах нагревани сигналы , сопоступающие с иточника 17 программного нагревани через блоки 25 и 26 с переменным коэффициентом усилени на нагреватели 6 и 7 теплоизолирующих оболочек 4 и 5 повыщает температуру теплоизолирующих оболочек 4 и 5 одновременно с повыщением температуры калориметра с образцом.The signal of the thermocouple 14 of the temperature of the calorimeter with sample 2 through the setting unit 15 of the program heating the calorimeter with sample 2 is fed to the software control unit 16. Using this unit and the source 17 for programmatically heating the calorimeter with the sample, the sample heating unit 18 controls the heating power of the calorimeter with sample 2. At the same time, the source G / programmed heating of the calorimeter with sample 2 sends a signal to the signal inputs of blocks 25 and 26 with variable gain, and the signal from differential thermocouples 8 and 11 is fed through a circuit. 21 and 22 matches to integrators 23 and 24. Integrators 23 and 24 produce a signal proportional to the amplitude and time of existence of the signal of differential thermocouples. The signal from the output of the integrators 23 and 24 passes to the control inputs of blocks 25 and 26 with variable gain and automatically sets the gain of the signal coming to the signal inputs of blocks 25 and 26 with variable gain, at the level required for the signals from the outputs variable gain blocks that, through the Heaters 6 and 7 of the heat insulating shells, begin to heat the heat insulating shells 4 and 5 to increase the temperature of these shells so that simultaneously with the increase in temperature the calorimeter tours with the sample grew and the temperature of the heat insulating shells. Thereby, the heat transfer from the calorimeter with the sample to the environment is eliminated and the deviation from adiabatic conditions is reduced. At the beginning of the heating process, the integrators 23 and 24 automatically install on the variable gain blocks 25 and 26 the gain factors required to eliminate the appearance of signals from differential thermocouples 8 and II. In the second and subsequent heating cycles, the signals that come from the program heating source 17, through blocks 25 and 26 with variable gain on heaters 6 and 7 of heat insulating shells 4 and 5, increase the temperature of heat insulating shells 4 and 5 simultaneously with an increase in the temperature of the calorimeter with the sample.

Блок 19 измерени и регистрации, обрабатыва сигналы термопары 20 температуры калориметра с образцом и блока 18 контрол мощности нагревани калориметра с образцом подает их на цифропечатающее устройство и перфоратор этого блока (не показаны).The measuring and recording unit 19, processing the signals from the thermocouple 20 of the temperature of the calorimeter with the sample and the heating control unit 18 of the heating of the calorimeter with the sample, supplies them to the digital printing device and the perforator of this unit (not shown).

Таким образом, разница температур .между калориметром с образцом 2 и теплоизолирующими оболочками 4 и 5 вызванна подведением тепла на калори.метр с образцом 2 от источника 17 программного нагревани Thus, the temperature difference between the calorimeter with sample 2 and the heat insulating shells 4 and 5 is caused by applying heat to the calorimeter with sample 2 from the source 17 of program heating

калориметра с образцом, компенсируетс одновременным подведением тепла от того же источника нагревани к теплоизолирующим оболочками 4 и 5 через блоки 25 и 26 с пере.менным коэффициентом усилени .the calorimeter with the sample is compensated by simultaneously applying heat from the same heat source to the heat insulating shells 4 and 5 through blocks 25 and 26 with variable gain factor.

Другие факторы, вызывающие отклоне0 ние температуры калориметра с образцом 2 от температуры теплоизолирующих оболочек 4 и 5 устран ютс как и в известном устройстве, после про влени себ через определенный промежуток времени благодар сигналам датчиков 8 и 11 разности температур калориметра с образцом 2 и теплоизолирующих оболочек 4 и 5 соответственно через усилители 9 и 12 сигнала разности температур калориметра с образцом 2 и теплоизолирующих оболочек 4 и 5 и регул торы Other factors causing the deviation of the temperature of the calorimeter with sample 2 from the temperature of the heat insulating shells 4 and 5 are eliminated as in the known device after displaying after a certain period of time due to signals from sensors 8 and 11, the temperature difference between the calorimeter with sample 2 and heat insulating shells 4 and 5, respectively, through amplifiers 9 and 12 of the signal of the temperature difference between the calorimeter with sample 2 and the heat-insulating shells 4 and 5 and regulators

0 10 и 13 мощности нагревани теплоизолирующих оболочек 4 и 5. Дл исключени изменени сигнала интеграторов под вли нием сигналов датчиков 8 и 11 разности температур в промежутке между последовательными нагревани ми калориметра с образцом 2 сигналы датчиков 8 и 11 поступают на входы интеграторов 23 и 24 через схемы 21 и 22 совпадени только в случае поступлени на схемы 21 и 22 совпадени сигнала с выхода блока 16 програм.много управлени .0 10 and 13 of the heating power of the heat insulating shells 4 and 5. To prevent the integrator signal from changing under the influence of the signals of sensors 8 and 11, the temperature difference between the successive heating of the calorimeter with sample 2, the signals of sensors 8 and 11 arrive at the inputs of the integrators 23 and 24 through circuits 21 and 22 of coincidence only in the event that the circuits 21 and 22 match the signal from the output of the program control block 16.

00

Положительный эффект от использовани предлагаемого технического рещени заключаетс в устранении трудноконтролируемых потерь тепла, возникающих в моменты начала нагревани калориметра с образ5 цом.The positive effect from the use of the proposed technical solution is to eliminate the difficult to control heat losses that occur at the beginning of the heating of the calorimeter with the sample.

Энерги подводи.ма к калори.метру с образцом затрачиваетс на нагревание калориметра с образцом и на трудноконтролируемые потери При расчете теплоемкости необходимо использовать энергию, затраченную только на нагревание калориметра с образцом . Выделить эту энергию из общего колиества из общего количества энергии, подведенной к калориметру с образцом невозможно из-за наличи труднокоитролируемы.х потерь. Следовато.чьно их необходимо устранить . Чем полнее соответствие между подводимой энергией и энер1ией, идхшей на iiarpcвание калориметра с образцом, тем бо.илпе точность измерени теплоемкости.The energy supplied to the calorimeter with the sample is spent on heating the calorimeter with the sample and on difficult to control losses. When calculating the heat capacity, it is necessary to use the energy expended only on heating the calorimeter with the sample. It is impossible to isolate this energy from the total amount from the total amount of energy supplied to the calorimeter with the sample due to the presence of difficult-to-control losses. Therefore it is necessary to eliminate them. The more fully the correspondence between the supplied energy and the energy that the calorimeter has on the sample with the sample, the better the accuracy of the heat capacity measurement.

0В предлагаемом устройстве устранение0V proposed device elimination

рассогласовани температур между ка.чориметром с образцом и теплоизолирующими оболочками осуществл ютс за 3 -5 с. Следовательно, если нагревание вести в течение 300 с, то новьцпение точности определени теплоемкости путем одновременного нагревани калориметра с образцом и тепло изолирующих оболочек может достичьthe temperature mismatch between the chorometer and the sample and the heat insulating shells is carried out in 3-5 sec. Therefore, if the heating is carried out for 300 s, then the novelty of the accuracy of determining the heat capacity by simultaneously heating the calorimeter with the sample and the heat of the insulating shells can reach

Claims

% Claims An apparatus for determining the heat capacity of materials, containing a calorimeter with a sample and a sample heater, heat insulating shells, a system to maintain critical conditions, including sensors for temperature difference between a calorimeter with a sample and heat insulating shells, signal amplifiers for these sensors, heat power controllers | shells, while the outputs of the sensors of the temperature difference between the calorimeter with the sample and the heat insulating shells through the signal amplifiers of these sensors and controllers for the heating power of the heat insulating shells are connected to the heaters of the shells, the measuring and recording unit: with a sample thermocouple calorimeter) heating calorimeter with a sample with another thermocouple, the output connected through the unit: n () gram control with a source of prog (Zammno heating the calorimeter with a sample that The Calormatr with the sample controls the power through the power control unit and is connected to the sample heater and the measurement and recording unit, in order to improve the measurement accuracy by simultaneously heating the calorimeter with the sample and the heat insulating shells in a dynamic mode, integrators are introduced into it and blocks with variable gain, while the outputs of the sensors of the temperature difference between the calorimeter with the sample and the heat insulating shells are connected to the first inputs of the coincidence circuits, to the second The inputs of which are connected to the output of the software control unit, and the outputs of the coincidence circuits are connected via integrators to the control inputs of the blocks with variable gain, the signal inputs of which are connected to the output of the software source. The calorimeter is heated with the sample and the heat insulating shells. Sources of information taken into account during the examination 1. USSR author's certificate No. 485370, cl. G 01 N 25/18, 1974.

2. USSR author's certificate number 513304, cl. G 01 N 25/20, 1974 (prototype).