Дифференциальный микрокалориметр (его варианты)

(19) (10. 1 К 17/08 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТОРСКОМ,Ф ТЕЛ к, А. П. Гортитута хн(71) Отделение Ордена Ленина инмической физики АН СССР(57) 1. Дифференциальный микрокалориметр,содержаший две калориметрические. яяейки сизмерительными термобатареями, усилительиндикатор и два регулятора, о т л и ч аю ш и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений при одновременномповышении разрешаюшей способности микроклориметра, измерительные термобатареи соеди.иены дифференциально и включены на входусилителя-индикатора, при этом измерительнаятермобатарея первой ячейки соединена с входом одного из регуляторов, выполненногоастатическим, а его выход соединен с нагре.вателем первой ячейки и входом второгорегулятора, на выход которого подключеннагреватель второй ячейки.1068741 2. Дифференциальный микрокалориметр,содержащий две калориметрические ячейкис измерительными термобатареями, усилитель.индикатор и регулятор, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения .точности измерений при одновременном ловышенин разрешающей способности микрокало.риметра, он снабжен мультивибратором и уп.равляемыми ключами, а измерительные термоИзобретение относится к области тепловыхизмерений, в частности, к устройствам для,сканирующей калориметрии,Известны микрокалориметры, которые содержат помещенный в термостат калориметри-: 5ческий блок и установленные в нем две калориметрические ячейки, измерительные термо.,батареи которых включены дифференциаль.но 11,Наиболее близким к предлагаемому по 10технической сущности и достигаемому результату является дифференциальный микро.калориметр, содержащий две калориметричсские ячейки с подключенными через усилители измерительными и компенеационны.мп термобатареями, в котором включеныдпфференциально не измерительные, а компенсационные термобатареи и соединены синдикатором через резисторы так, что наиндикатор поступает разность сигналов, снимаемых с этих резисторови пропорциональных токам компенсационных термобатарей, т.е, тепловым потокам через каждуюиз ячеек. Выбором коэффициентов передачи Кч, К 2 измерительных систем, образованных термобатареями ячейки и усилителем,и номиналов резисторов можно настроитьприбор так, чтобы обеспечить равенство эквивалещных постоянных времени ячеек и вы.равнять чувствительность измерительных сис 30тем, а вследствие этого уменьцппь нестабильность нуля прибора, связанную с исходной неидентичностью калориметрических ячеек 12),Однако известный микрокалориметр, позволяя в определенной степени уменьшить не-Зэстабильность нуля прибора и улучшить егоразрешающую способность, связанную с неидентичностью ячеек, настроенньй для работы на какой-либо одной температуре, не1может обеспеч ь высокую точнос измерений при изменении этой температуры из.за батареи соединены дифференциально и вклю. чены на вход усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатарея;ф первой ячейки соединена с входом Регулятора, вы. полненного астатическим, а его выход черезщРуправляемые ключ цсоединенные с раздельными выходами мультивибратора, подключен к нагревателям ячеек. зависимости параметров компенсационныхи измерительных термобатарей от температуры. В микрокалориметре требуется применение высокостабильных прецизионных усилите.лей, что усложняет прибор. Настройка такогомикрокалориметра трудоемка и требует использования дополнительной контрольно-изме.рительной аппаратуры,,Цель изобретения - повышение точноститепловых измерений в изотермическом инеизотермичееком режимах при одновременном повышении разрешающей способностимикрокалориметра.Поставленная цель достигается тем:,: чтов диффереьщиальном микрокалориметре, содержащем две калориметрические ячейки сизмерительными термобатареями, усилитель-индикатор и два регулятора, измерительныетермобатареи соединены дифференциально ивключены на вход усилителя-индикатора,при этом измерительная термобатарея пер.вой ячейки соединена с входом одного изрегуляторов, выполненного астатическим, аего выход соединен с нагревателем первойячейки и входом второго регулятора, навыход которого цодключен нагреватель вто.рой ячейки,. устройство по второму варианту содержащее две калориметрические ячейки с изме-,рительными термобатареями, усилитель.индикатор и регулятор, снабжен мультивибратором и управляемыми ключами, а измерительные термобатареи соединены дифференциально и включены на вхОд усилителя-индикатора, при этом измерительная термобатареяпервой ячейки соединена с ходом регулятора, выполненного астатическим, а его входчерез управляемые ключи, соединенные сраздельными выходами мультивибратора, подключен к нагревателям яче.ек,На фиг. 1 приведена блок-схема предла. гаемого дифференциального микрокалоримет. ра; на фиг. 2 - то же, другой вариант.Дифференциальный микрокалориметр со. держит опорную 1 и рабочую 2 калоримет. рические ячейки с измерительными термо. батареями 3 и 4 и нагревателями 5 и 6, расположенными в непосредственной близости о тепловоспринимающих поверхностей датчиков теплового потока - спаев термо 1 О батарей, усилитель-индикатор 7, регулятор 8.и 9, Регулятор 8 выполнен астатическим. Измерительные термобатареи 3 и 4 соедине. ны дифференциально на вход усилителя.индикатора 7. Вход регулятора 8 соединен с 15 измерительной термобатареей 3, а выход - с нагревателем 5 и. кроме того, с входом регулятора 9, на выход которого подключен нагреватель 6, Выход усилителя-индика тора 7 является выходом устройства. В ка-. 20 честве нагревателей 5 и 6 могут быть использованы обычно встраиваемыев ячейки ка. либровочные нагреватели. Устройство по второму варианту (фиг. 2)содержит те же. элементы, а также ключи 10 и 11 и муль тивибратор 12, причем нагреватели 5 и 6 подключены к выходу регулятора 8 через ключи 10 и 11, соединенные с противоположными выходами мультивибратора 12,Устройство (фит. 1) работает следующимобразом.При нагреве микрокалориметра астатический регулятор 8 поддерживает на нагревате. ле 5 мощность, при которой вся опорная ячейка 1 нагревается со скоростью нагрева микрокалориметра, так что сигнал с измери. тельной термобатареи 3 равен нулю. Мощность, выделяемая нагревателем 5, равна Ри =Мт, где С,- приведенная"внутренняя" теилоемкость ячейки 1, (тскорость нагрева микрокалориметра.Для этого, чтобы при .нагреве обеспечитьстабильность нуля микрокалориметра, необходимо и рабочую ячейку 2 нагревать стакой же скоростью т . Тогда сигнал сизмерительной термобатареи 4 тоже будетравен нулю Необходимая для этого мощ. , ность определяется выражением Р 02 ггде С - приведенная "внутренняя" теплоемкость ячейки 2, Следовательно, мощнос.ти, выделяемые в нагревателях опорной 1 и 50рабочей 2 ячеек, должны удовлетворять соотношению " -. Это соотношениеподдерживается с помощью управляющегонагревателем 6 регулятора 9, коэффициент передачи которого по напряжению выбирается равным к:-.-ьф-, где В,1, ВЯ-ю Клсопротивление нагревателей опорной и рабочей ячеек соответственно.(Так как Йгде О - выходное напряжение регулятора 9;Оь - входное напряжение регулятора 9 фи выходное напряжение регулятора 8;ОЧОь - напряжения на нагревателях 5 и 6соответственно,Р 0 О Я,. "а % й ЪТаким образом, тепловые потоки через термобатареи 3 и 4 отсутствуют, сигнал с каж.дой измерительной термобатареи равен нулю,и усилитель индикатор 7 находится в нулепри любой скорости нагрева и при любой рабочей температуре.Настройка микрокалориметра,для работы в режиме нагрева производится следующим образом.Уставвливают в рабочую ячейку 2 исследуемый образец, а в опорную 1 - его имитатор, При включеном нагреве микрокалориметра регулируют коэффициент передачи регулятора 9, так, чтобы сигнал на усилителеиндикаторе 7 был равен нулю. Настройкапроводится при отсутствии тепловых эффектов в ячейках, т,е. находящиеся в нихобъекты в процессе настройки не должныпретерпевать превращений, связанных с выделением или поглощением тепла или изме.пением их теплосодержания, и,установившейся например максимальной, скорости нагрева.Настройку микрокалориметра для работы визотермическом режиме ведут аналогично, нопри температуре микрокалориметра вышетемпературы окружающей среды,Настройка, выполненная при одной скорости нагрева, сохраняется и при других скоростях нагрева, а настройка, выполненнаяпри одной температуре, сохраняется и придургих температурах выше температуры с:ружающей среды. При смене же объектов исследования(и имитаторов) настройки необходимо выполнить заново.Устройство (фиг. 2) работает следующимобразом,При нагреве микрокалориметра астатичес.кий регулятор 8 поддерживает на нагревателе 5 опорной ячейки 1 мощность, необходи.мую для исключения теплового потока черезтермобатарею 3, так что сигнал с измерительной термобатареи 3 равен нулю. При этомвся ячейка 1 нагревается со скоростью нагрева микрокалориметра, а мощность, подаваемая в нагреватель 5 через управляемый одним извыходом мультивибратора 12 ключ 11, равна20 О ЫР-Е,У,= - . - ,а 1+С,где О - выходное напряжение регулятора 8;фЦ 1: - длительности импульсов на управ 5ляющих ключами 11 и 10,соответ.1ственно выходах мультивибратора,Для того, чтобы при нагреве обеспечитьстабильность нуля микрокалориметра, в нагре.ватель б через управляемый вторым выходом 10мультивибратора ключ 10 подается мощностьО, +а1 4+ ЗПри этом для соблюдения условияРа15чгтсоответствующей настройки обеспечивается от.ношение длительностей импульсов на выходах мультивибратора.: Я ЬюФ. Р ВТогда вся рабочая ячейка 2 тоже нагре.вается со скоростью нагрева микрокалориметра,тепловой поток через термобатарею 4 отсутствует , и сигнал с нее равен нулю.Поскольку тепловые потоки через термобатареи 3 и 4 отсутствуют и сигналы с них равны нулюусилитель. индикатор 7 находится в нуле прилюбой скорости нагрева и при любой рабочейтемпературе.Настройка микрокалориметра для работы в режиме нагрева выполняется следующим образо;1.Устанавливают исследуемый образец в рабочую ячейку 2, а имитатор в опорную ячейку1. При включенном нагреве микрокалориметра35регулируют длительность импульсов на выхо.дах мультивибратора 12 так, чтобы сигнал наусилителе. индикаторе 7 был равен нулю. Настройка проводится при отсутствии тепловых эффектов в ячейках, т,е. помещенные в них объектыв процессе настройки не должны претерпеватьпревращений, связанных с выделением или ноглощением тепла или изменением их теппосодержащя, и при установившейся, например45максимальной, скорости нагрева.Настройку микрокалориметра для работы визотермическомрежиме ведут аналогично, нопри температуре микрокалориметра выше тем.пературы окружающей среды. Настройка, выполненная при одной, скорости нагрева, сохраняется для тех же объектов и при других скоростях нагрева, а настройка, выполненная , при одной темпсратуре, сохраняется и при других температурах выше температуры ок. ружающей среды.Такое выполнение предлагаемого калоримет ра позволяет в широком. диапазоне темпера. тур и скоростей нагрева исключить влияние., на стабильность нуляприбора различия чувствительностей измерительных термобатарей, инерционности калориметрических ячеек,ювместе с исследуемыми обьектами, электрического и термического сопротивлений измерительных термобатарей,: а также их температурных изменений стабильность нуля, как было показайо, определяется лишь постоянством величины, пропорциональной произведению отношений приведенных теплоемкостей рабочей и опорной ячеек и электрических сопротивлений нагревателей этих ячеек, обеспечить которое не представляет труда (нагреватели калориметрических ячеек изготовляют из одного материала, регуляторы микрокалориметра и мультивибратор, выполненные на современной элементной базе, обладают достаточной стабильностью). Причем, в то время как в известном устройстве предъявляются жесткие требования к стабильности и нуля и коэффициентов передачи всех усилителей, в предлагаемых уст.ройствах один из регуляторов (астатический) должен иметь малый дрейф нуля (для полной компенсации "паразитного" теплового потока через измерительную термобатарею опорной ячейки), но к коэффициенту передачи его жестких требований не предъявляется, другой должен иметь стабильный коэффи- циент передачи (для полной компенсащщ "параэитного" теплового потока через измеритель. ную термобатарею рабочей ячейки), к стабильности же нуля этого регулятора могут предъяв-, ляться менее жесткие требования, так как по. даваемый на вход регулятора сигнал имеет ве.личину более 1 В, а коэффициент передачиблизок к 1.Настройка прибора предельно проста, Она не требует каких. либо измерений и применения дополнительной аппаратуры, Кроме того,прибор при одном и том же заполнении кало риметрических ячеек не требует подстроек на разных температурах или скоростях нагрева.