Устройство для измерения параметров кинетики кристаллизации
DEVICE FOR MEASURING PARAMETERS OF CRYSTALLIZATION KINETICS

Изобретение относится к области измерения физико-химических свойств веществ, в частности, к исследованию фазовых изменений вещества, и предназначено для измерения скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов в процессе кристаллизации расплава или в процессе образования кристаллов из раствора.
Известен способ определения скорости роста кристаллов из раствора (SU 971922, МПК С30В 9/00, опубл. 07.11.1982). Способ состоит в определении скорости роста кристаллов из раствора по выпадению твердой фазы на внутренней стенке капилляра при пропускании через капилляр пузырьков газа и по изменению максимального давления в пузырьках судят о скорости роста кристаллов. Для этого сначала раствор, состоящий из компонентов растворителя и кристаллообразующего компонента, нагревают до температуры на 30-100°С выше температуры начала кристаллизации, выдерживают раствор при этой температуре до полной гомогенизации, после чего в него вводят капилляр, через который подают инертный газ, регулируя подачу таким образом, чтобы через раствор проходило 5-10 пузырьков газа в минуту. Далее раствор охлаждают до температуры ниже температуры кристаллизации, создавая заданное пересыщение. При этом на внутренних стенках капилляра образуются зародыши кристаллов, которые при своем росте изменяют его внутренний размер (диаметр), за счет чего происходит увеличение максимального давления в газовом пузырьке. Скорость увеличения максимального давления пропорциональна скорости сужения диаметра капилляра и, следовательно, скорости роста кристаллов.
Предложена формула определения зависимости скорости роста кристаллов от давления газа в пузырьке во времени, по которой и определяют скорость роста кристаллов. Рассмотренный способ - по SU 971922, относится к узкой области техники - к выращиванию монокристаллов из растворов и не дает возможности определения кинетики кристаллизации полимеров в расплавах. Не исключено, что введение инородного предмета - капилляра, нарушающего однородность среды, не может оказать влияния на скорость кристаллизации и, как следствие, на точность измерений, которая зависит также и от точности измерения сужения диаметра капилляра, вряд ли одинакового по всей внутренней поверхности капилляра, изменяющегося за счет роста кристаллов на стенках капилляров; при этом капилляры должны быть абсолютно инертными к составу раствора, прочными, термостойкими: в примере, иллюстрирующем заявленный способ, использован платиновый капилляр.
Известно устройство для измерения параметров кинетики кристаллизации, обеспечивающее повышение точности измерения, увеличения диапазона регистрируемых параметров кинетики кристаллизации при упрощении процесса измерения (патент России RU 2406080, МПК G01N 25/00 (2006.01), опубл. 10.12.2009, наиболее близкий по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому решению, принятый за прототип).
Устройство по прототипу - в соответствии с формулой - включает измерительную ячейку, куда помещают образец с исследуемым веществом с находящимся в ней датчиком температуры, микроскоп, фокусирующий изображение образца на матрице видеокамеры в инфракрасном, видимом или рентгеновском диапазонах, компьютер с блоком управления и регулятор температуры, Оперативное изменение температуры исследуемого вещества обеспечивается контактом образца с жидким или газообразным теплоносителем прокачиванием его через измерительную ячейку, например, при помощи вентилятора, а управление температурой теплоносителя обеспечивается регулятором температуры и/или смесителем горячего и холодного потоков теплоносителей.
Недостатком устройства по прототипу является используемая система нагрева, включающая центробежный вентилятор и малоинерционный нагреватель, которая из-за потока воздуха создает градиент температуры в образце, что приводит к неравномерной кристаллизации вещества и, как следствие, к снижению точности измерения.
Техническая задача изобретения состоит в повышении точности и ускорении процесса измерения кинетики кристаллизации, а также в расширении ассортимента устройств, применяемых по названному назначению.
Технический результат, состоящий в уменьшении влияния воздушного потока на образец, обеспечении повышенной точности регулирования нагрева и переохлаждения за меньшие промежутки времени (или: при ускорении процесса), достигается тем, что устройство для измерения параметров кинетики кристаллизации, содержащее измерительную ячейку с исследуемым веществом, в поддерживающем устройстве, микроскоп, фокусирующий изображение исследуемого вещества в видимом или инфракрасном диапазонах, устройство для записи видеоряда изображения исследуемого вещества с передачей изображения на компьютер и блок управления, включает две камеры - измерительную камеру, помещенную в кожух, выполненный со съемной крышкой, на которой смонтировано смотровое окно для микроскопа, и камеру подсветки, разделенные пластиной со слоем теплоизоляции с цилиндрическим отверстием по центру и пазом для стекла с размещенным на пластине корпусом в виде тонкостенного цилиндра, на котором помещена измерительная ячейка, и смонтированы обвивающий змеевик охлаждения и под ним - хомутовый электронагреватель, причем пластина выполнена с посадочными отверстиями для корпуса цилиндра и камеры подсветки, на стенках которой противоположно расположены два вентилятора - засасывающий и выдувающий воздух и внизу - пластинка с углублениями для фиксации светодиодов.
Пластинка для светодиодов, располагаемая несколько выше основания камеры подсветки, может поддерживаться любым приемлемым способом, например, держателями, смонтированными на стенках камеры, либо может быть помещена на выступы (или на углубления) на внутренней поверхности стенок камеры.
Измерительная камера 1, включающая измерительную ячейку 2, в которую на верхнюю поверхность цилиндра помещен исследуемый образец 3 и камера подсветки 4 разделены пластиной 5 со слоем теплоизоляции 6 из любого теплоизолирующего материала (например минеральная вата или асбест) с цилиндрическим отверстием 7 по центру пластины, пазом 8 для размещения стекла 9 для корректной подсветки образца снизу и посадочными отверстиями 10, 11 для крепления размещенного на пластине и под пластиной соответственно корпуса цилиндра измерительной камеры 12, на котором смонтированы обвивающий змеевик охлаждения 13 и под ним - хомутовый электронагреватель 14, и камеры подсветки 4, на стенках которой противоположно расположены два вентилятора для охлаждения светодиодов - засасывающий воздух 15 и выдувающий воздух 16 и держатель 17 для пластинки со светодиодами 18; измерительная камера покрыта внешним кожухом 19 со съемной крышкой 20.
Процесс образования кристаллической структуры изучается с помощью микроскопа 21, соединенного с устройством для записи видеоряда 22, которое, в свою очередь, соединено с персональным компьютером 23 и блоком управления 24. Управление хомутовым электронагревателем осуществляется с помощью программной среды Arduino и блок управления 24, охлаждение осуществляется с помощью обвивающего змеевика охлаждения 13, по которому пропускается хладоагент. Подача хладоагента регулируется с помощью блока управления 24.
Устройство работает следующим образом: в измерительную ячейку 2 помещается образец исследуемого вещества 3. С помощью компьютера 23 в программной среде Arduino задается температура, которая на 5-30°С превышает температуру плавления образца вещества; одновременно с задачей температуры включаются светодиоды 18, к которым подведен датчик температуры «термопара тип К» и вентиляторы 16, 17; измерительная камера 1 закрывается крышкой 20 для изоляции камеры от внешних воздействий, в том числе, нежелательных потоков воздуха. Температура исследуемого образца также контролируется датчиком температуры «термопара тип К». После нагрева образец гомогенизируется, что проверяется визуально по изображению на компьютере 23, полученному с микроскопа 21 устройством для записи видеоряда 22 по наличию кристаллических структур. После того, когда кристаллические структуры не обнаруживаются, в программной среде Arduino выставляется требуемая температура кристаллизации и образец начинает охлаждаться. В случае, если скорость охлаждения необходимо увеличить, в обвивающий змеевик охлаждения 13 подается хладоагент, расход которого регулируется блоком управления 24; в качестве которого может использоваться вода или любой другой хладоагент.
По достижении требуемой температуры программа продолжает ее поддержание за счет управления твердотельным реле по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону (ПИД-закону). Во время охлаждения производится запись происходящего в образце на компьютер с помощью микроскопа и устройства записи видеоряда.
Предложенное устройство позволяет исследовать параметры кинетики кристаллизации в любом диапазоне регистрируемых характеристик.
Управление хомутовым электронагревателем по ПИД-закону увеличивает точность регулирования температуры. Увеличению точности измерения содействуют также сведение к минимуму влияние наружного воздушного потока на образец за счет наличия внешнего кожуха измерительной камеры и обеспечения лучшей видимости происходящих с исследуемым образцом изменений вследствие подсветки светодиодами.
Змеевик охлаждения, непосредственно контактирующий с металлическим корпусом в виде цилиндра измерительной камеры (кондуктивное охлаждение змеевиком), обеспечивает возможность создавать большее переохлаждение за меньшие промежутки времени и содействует более точному контроля переохлаждения за счет регулировки потока хладоагента.
Устройство мобильно и может использоваться для проведения выездных исследований.
На фиг. 1 - представлен общий вид устройства для измерения параметров кинетики кристаллизации (полувид-полуразрез);
На фиг. 2 - представлена блок-схема устройства для измерения параметров кинетики кристаллизации;
На фиг. 3 - представлено фото образца карбамида в расплавленном, гомогенизированном состоянии;
На фиг.4 - представлено фото образца карбамида в момент зарождения центров кристаллизации;
На фиг. 5 - представлено фото образца карбамида в момент роста кристаллических образований;
На фиг. 6 - представлено фото образца карбамида в закристаллизовавшемся состоянии.