Дифференциальный сканирующий микрокалориметр

( Перевод снного материВЦП, 1982,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПОДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Отделение Институтафизики АН СССР(56) Авторское свидетельВ 417517, кл. С О 1 К 17/Дифференциальный прогмикрокалориметр ДСК французского языка фирмеала). Перевод В Г,(57) Изобретение относится к областитепловых измерений, в частности к кличественному экспресс-анализу. Цельизобретения - повышение разрешающейспособности за счет стабилизациибазовой линии микрокалориметра. Программный нагрев (охлаждение) калориметрического блока 1 осуществляется с помощью нагревателя 7, подключенного к регулятору 8, для кото1428950 рого сигнал с источника напряжения10 через резистор 9 является задающим, а сигнал с измерительной термобатареи 5 опорной ячейки 3 являетсясигналом обратной связи,при этом ЭДС измерительной термобатареи 5 постояннаво время нагрева (охлаждения), какпостоянна,и разностная ЭДС измерительных термобатарей 4 и 5, котораяподается через измерительный усилитель 6 на регистратор 23. Компенсация сигнала, возникающего при разности теплоемкостей ячеек 2 и 3, производится источником напряжения 10через усилитель 11, делитель напряжения 13 и резистор 14 на суммируюИзобретение относится к областитепловых измерений, в частности кколичественному, термическому экспрессанализу.,:д,Цель Изобретения - повышение разрешающей способности мик рок алорим етра,На чертеже представлена блок-схема микрокалориметра.Диеренциальный микрокалориметрсодержит калориметрический блок 1 сустановленными в нем двумя калориметрическими ячейками 2 и 3, измерительные термобатареи 4 и 5 которых включены встречно на вход измерительногоусилителя 6. Нагреватель 7 калориметрического блока 1 подключен к выходу регулятора 8, к одному входу которого подключена средняя точка соединения измерительных термобатарей4 и 5, а к другому его входу, выполненному суммирующим, через резистор 9подключен выход регулируемого источника 10 напряжения постоянного тока,25выход которого одновременно связан свходом второго усилителя 11, имеющегопрямой и инверсный выходы, к которымчерез переключатель 12 подсоединенделитель 13 напряжения, выход которого через резистор 14 связан с суммирующим входом измерительного усилителя 6. В калориметрическом блоке 1в непосредственной близости от калощий вход измерительного усилителя6, Компенсация сигналов, возникающих из-за теплообмена калориметрического блока с окружающей средой,производится усилителем 16, выходкоторого через делитель напряжения19 и резистор 21 соединен с суммирующим входом измерительного усилителя 6, а через делитель напряжения20 и резистор 22 соединен с суммирующим входом регулятора 8, На входусилителя 16 поступает сигнал с датчика температуры 15. Повьппена стабильность базовой линии микрокалориметра, что повышает и его разрешающую способность. 1 ил. риметрических ячеек установлен датчик 15 температуры, подключенный к своему усилителю 16, имеющему прямой и инверсный выходы, с которыми через переключатели 17 и 18 связаны делители 19 и 20 напряжения соответственно, Выход делителя 19 напряжения через резистор 21 соединен с суммирующим входом измерительного усилителя 6, а выход делителя 20 напряжения через резистор 22 соединен с суммирующим входом регулятора 8. Выход измерительного усилителя 6 и выход усилителя 16 датчика 5 температуры подключены н входам регистратора 23.Микрокалориметр работает следующим образом.С выхода источника 10 напряжения на суммирующий вход регулятора 8 поступает сигнал, пропорциональный заданному темпу нагрева (охлаждения) калориметрического блока 1. При этом регулятор 8 подает на нагреватель 7 такую мощность, при которой сигнал с измерительной термобатареи 5 опорной калориметрической ячейки 3 равен сигналу, поступающему с выхода источника 10 напряжения, ф,е, регулятор 8 и нагреватель 7 работают как стабилизатор ЭДС измерительной термобатареи 5. В установившемся режиме нагрева (охлаждения) ЭДС на каждой измерительной термобатарее равна(2) гдеЕ Е С, Сэ Бт Яэ ДТ Кх Кэ К 1 о г ) К 11 (1 г г.) (7)С Я о о С , Я дЕ= Е (1 РТ) СгоБгоРт С, Б 55 Еэ = Сэ Яэ 7 + ДТ Кэ Яэ= о По .) Е,=С,ЯЧ+ДтК,Б 5 ЭДС измерительных термобатарей 4 и 5 ячеек 2 и 3 соответственнофвнутренние теплоемкости ячеек 2 и 3, 10 чувствительности термобатарей 4 и 5;скорость изменения температуры калориметрического блока 1 ф 15 разность температур между калориметрическим блоком и окружающей средой,теплопроводность тепло вых цепей, которые проходят через ячейки 2 и 3 и через которые проходит мешающий тепловой поток теплообмена калориметри ческого блока 1 с окружа. .ющей средой,коэффициент пропорциональности 1напряжение на выходе ис точника 1 О напряжения. Сг Я, Сго(1 +ыТ) Б(1 + Сэ Яэ Сэо (1 +еТ Яэо 1 + где С ,Сэо - внутренние теплоемкостиго ф эоопри температуре О С калориметрических ячеек2 и 3, конструкции которых идентичны, а одноименные детали изготовлены из одинаковых материалов,М - температурный коэффициент изменения теплоемкости ячеек 2 и 3;Я ,Я - чувствительности приоф эоотемпературе 0 С измерительных термобатарей4 и 5, термобатареикоторых конструктивноидентичны, а термостолбики изготовлены из одинаковых материалов,Разностный сигнал встречно включенных измерительных термобатарей 4 и 5 поступает на вход измерительного усилителя 6:- Еэ -Е = (СэБэ-Сг Я )И +э э(3) При программированном нагреве (охлаждении) 7 ф О, 1.1, Ф 0 и при отсутствии теплообмена между калориметрическим блоком 1 и окружающей средой через ячейки 2 и 3 К = О, Кэ -- О) разностМвй сигнал с измерительных термобатарей 2 и 3 А Е равен ДЕ = Еэч -Е ч =(СЯ-СгЯг)Ч, (4) При этом, как было указано в выражении (1)Е = С Я 7 = Кю 1.1,о = сопз 1, (5)эчт,е. скорость нагрева (охлаждения) равна ч 1 а 11 о (6)э эСледовательно, разностный сигнал сизмерительных термобатарей 4 и 51 учитывая (6) и (4) равен температурный коэффициент изменения чувствительностей измерительных термобатарей 4 и 5.Отношение (8) постоянно в широком диапазоне температур, следовательно значение разностной ЭДС измерительных термобатарей 4 и 5 ДЕ (7) при этих условиях (отсутствие теплообмена с окружающей средой) также постоянно в широком диапазоне температур, т.е. сдвиг базовой линии прибора стабилизирован на уровне ЬЕ и постоянен,С выхода второго усилителя 11 через делитель 13 напряжения и резис-. тор 14 на суммирующий вход измерительного усилителя 6 поступает сигнал такой величины (устанавливается . настройкой коэффициента передачи де(9) Е =К Б ЬТ,Ьт, (10) лителя 13 напряжения) и полярности (выбирается переключателем 12), при котором выходное напряжение измерительного усилителя 6 равно нулю, При этом близкое к нулю напряжение на выходе измерительного усилителя 6 сохраняется при всех других значениях напряжения на выходе источника 1 О напряжения, т.е. при других темпах нагрева (охлаждения) микрокалориметра.При постоянной температуре калориметрического блока 1 (Ч = 0,11 = 0) и при наличии теплообмена с окружающей средой (КО, К = 0) ЭДС измерительных термобатарей 2 и 3 и Е и Е соответственно равны Разностная ЭДС КЕ измерительных термобатарей 5 и 4 при этом равна Ет Еэт Ет (КЗ 83 Кг 12 )РС выхода усилителя 16 датчика 15 температуры через делитель 19 напряжения и резистор 21 на суммирующий вход измерительного усилителя 6 поступает сигнал такой величины (устанавливается настройкой коэффициента передачи делителя 19 напряжения) и полярности (выбирается переключателем 17), при котором выходное напряжение измерительного усили 35 теля 6 равно нулю. При этом близкое к нулю напряжение на выходе этого усилителя сохраняется и при других значениях температуры калориметрического блока, так как при изменении 40 температуры пропорционально изменяетсяЕ и сигнал с выхода усилителя 16 датчика 15 температурыОдновременно с выхода усилителя 16 на суммирующий вход регулятора 8 через дели тель 20 напряжения и резистор 22 поступает сигнал, равный по величине сигналу Е с измерительной термобатареи 5 опорной калориметрической ячейки 3, при этом регулятор 8 с нагревателем 7 компенсируют теплопоте 50 ри,из калориметрического блока 1 и температура его практически постоянна, т,е. обеспечивается иэотермический режим работы микрокалориметра без дополнительного регулятора. Выход микрокалориметра на заданную постоянную температуру производят из режима программированного изменения температуры (11 = 0). По Достиженииозаданной температуры устанавливают нулевой сигнал источника 10 напряже-ния.При программированном нагреве (охлаждении) калориметрического блока 1 (13, 4 О, 7 1 О) и при одновременном наличии теплообмена со средой (К 4 О, Кэ Ф 0) и соответствующей настройке близкое к нулю напряжение на выходе измерительного усилителя 6 сохраняется во всем диапазоне температур и скоростей нагрева (охлаждения), что повышает разрешающую способность прибора.Настройку микрокалориметра пройэводят следующим образом,Устанавливают в калориметрические ячейки 2 и 3 пустые контейнеры, при этом создают такие условия теплообмена, которые имеются при проведении исследований, т.е. подсоединяют к контейнерам подводящие трубки (если они необходимы) или устанавливают соответствующие заглушки на торцах корпуса микрокалориметра. Подавая, сигнал с источника 1 О напряжения, нагревают калориметрический блок до температуры окружающей среды (например, до максимальной рабочей температуры микрокалориметра), после чего снижают до нуля напряжение на источнике 1 О напряжения, Регулируют коэффициент передачи делителя 20 напряжения таким образом, чтобы температура калориметрического блока практически не изменялась во времени. После этого изменением коэффициента передачи делителя 19 напряжения и переключателем 17 устанавливают нулевое напряжение на выходе измерительного усилителя 6. Микрокалориметр подготовлен для серии опытов с установленными начально условиями тепло- обмена в изотермическом режиме во всем диапазоне температур. При изменении условий теплообмена (например, при замене трубок одного диаметра на трубки другого диаметра) настройку делителей 20 и 19 напряжения необходимо произвести заново. Настройку микрокалориметра в режиме программированного нагрева (охлаждения) производят после настройки делителей 20 и 19 напряжения. Для этого загружают в контейнер ра1428950 Формула изобретения переключатель и делитель напряжения, при этом выход регулируемогоисточника напряжения постоянного тока соединен с входом второго усилителя и одним входом регулятора, другой вход которого подключен к средней точке соединения измерительныхтермобатарей, делитель напряжениясоединен с выходами второго усилителя через переключатель, а выход делителя напряжения через резистор соединен с суммирующим входом измерительного усилителя. Усилитель датчика температуры настраивают так, чтобы его выходное напряжение было равно нулю при температуре микрокалориметра, равной температуре окружающей среды (для лабораторных помещений это обычно 20 - 25 С)1 Составитель 1. Ярыч Техред М,Дидык Корректор В. Романенко Редактор Е. Папп Заказ 5114/37 Тираж 607 ВНИИПИ Государственного комитета .СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектная, 4 бочей калориметрической ячейки 2 исследуемое вещество, а в контейнер опорной калориметрической ячейки 3 имитатор. Подают с источника 10 напряже 5 ния напряжение такой величины, котораянеобходима для з аданного темпа нагрева (охлаждения), и в установившемся режиме нагрева (охлаждения) регулируют коэффициент передачи делителя 10 13 напряжения, а положение переключателя 12 выбирают так, чтобы напряжение на выходе измерительного усилителя 6 было равно нулю . Микрокалориметр подготовлен для проведения опыта с любым другим темпом нагрева (охлаждения) и при любой постоянчой температуре. Укаэанную настройку необходимо проводить в каждом опыте, так как в отличие от условий тепло обмена, которые сохраняются с высокой воспроизводимостью из опыта к опыту, теплоемкость ячеек зависит от массы загружаемых в контейнеры веществ, которые не могут быть воспроизведены с высокой точностью. При настройке находящиеся в ячейках микрокалориметра вещества не должны претерпевать превращений, связанных с выделением или поглощением тепла или с изменением их теплосодержания. Микрокалориметр позволяет повысить стабильность базовой линии микро- калориметра в режиме сложнопрограммированного нагрева (охлаждения) что повышает разрешающую способность,Дифференциальный сканирующий микрокалориметр, содержащий установленные в калориметрическом блоке две ка- . лориметрические ячейки с измерительными термобатареями, включенными встречно на вход измерительного усилителя, регулятор, к выходу которого подключен нагреватель калориметрического блока, регулируемый источник постоянного тока, датчик температуры с его усилителем, выход которого подключен к входу регистратора, к другому входу которого подключен выход измерительного усилителя, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности, в него введены второй усилитель с прямым и инверсным выходами,