КАЛОРИМЕТР
CALORIMETRE

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для измерения количества теплоты, например, при сжигании исследуемого вещества.
Известен калориметр, предназначенный для измерения тепловых потоков, содержащий теплоизолированный корпус с расположенными в нем измерительной и опорной ячейками, размещенными в массивном металлическом блоке и соединенными между собой через преобразователи теплового потока (Э.Кальве и Ф.Прат. Микрокалориметрия, М., Иностранная литература, 1963, с.37).
Известен также калориметр, содержащий измерительную ячейку с калориметрической бомбой, размещенную в массивном блоке и окруженную батареей дифференциальных термопар, через электроизоляционные прокладки установленных в контакте с ячейкой и массивным блоком, соосно которому снаружи его размещены прижимные элементы в виде двух кольцевых обойм, через резьбовые элементы образующих соединение с массивным блоком и изотермическую оболочку (авт. свид. SU №1774195, 07.11.1992).
Недостатком данного калориметра является низкая точность измерений из-за отсутствия принудительного воздушного терморегулирования постоянной температуры.
Наиболее близким к предложению по технической сущности и достигаемому результату является калориметр, содержащий измерительную ячейку с введенной в нее калориметрической бомбой, выполненную в виде многогранника с четным числом граней, связанную через преобразователь теплового потока, в качестве которого используют измерительный термометр сопротивления, расположенный на наружной поверхности измерительной ячейки, грани которой через прокладки, выполненные из материала с большим тепловым сопротивлением, прижаты к соответствующим граням металлических сегментов массивного блока и опорный термометр сопротивления, расположенный на наружном диаметре металлического кольца, соединенного с массивным блоком, выполненным в виде отдельных сегментов по числу граней измерительной ячейки, скрепленных металлическими кольцами, и помещенным в изотермическую оболочку, которая выполнена в виде двух цилиндрических обечаек, между которыми размещена теплоизолирующая прокладка, дополнительно в калориметр введен воздушный термостат, состоящий из вентилятора, установленного в канале забора воздуха, нагревателя, термометра сопротивления и усилителя, выходной ток которого, увеличенный в результате небаланса входящего в его состав мостового устройства, поступает в нагреватель, вызывая выделение тепла, при этом вентилятор прогоняет воздух сквозь нагреватель и термометр сопротивления, который балансирует мост в усилителе (патент RU №2287788, 03.02.2005).
Недостатками известного калориметра являются снижение точности измерений из-за снижения термостабильности при температурах ниже +18°С окружающей среды, из которой производится забор воздуха в систему воздушного термостатирования, а также снижение точности измерений из-за размещения усилителя теплового потока в нетермостатируемом блоке управления (на чертеже его расположение не показано), причем усилитель теплового потока связан с измерительным и опорным термометрами сопротивления, находящимися в калориметрическом блоке, по четырехпроводной системе длинными (до 1,5М) проводниками, что приводит к увеличению паразитных «наводок» и к их влиянию на точность измерения из-за больших градиентов температуры по сопротивлениям указанных проводников. Кроме того, существенным недостатком является большая длительность вывода калориметра на рабочую температуру.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерений в широком диапазоне температур окружающей среды и сокращение вывода калориметра на рабочую температуру.
Технический результат достигается тем, что калориметр содержит измерительную ячейку с введенной в нее калориметрической бомбой, выполненную в виде многогранника с четным числом граней, связанную через преобразователь теплового потока с массивным блоком, выполненным в виде отдельных сегментов по числу ее граней, скрепленных металлическими кольцами, и помещенным в изотермическую оболочку, которая состоит из двух цилиндрических обечаек, между которыми размещена теплоизолирующая прокладка и терморегулятор, состоящий из вентилятора, установленного в канале забора воздуха, нагревателя, термометра сопротивления и усилителя, при этом калориметр содержит дополнительный терморегулятор, в котором на внутренней обечайке размещены нагреватель и термометр сопротивления, связанные с вторым усилителем, в состав которого входит мостовое устройство, обеспечивающее поддержание температуры обечайки на 5-7 градусов Цельсия ниже температуры терморегулятора, между обечайками установлен воздушный зазор для прохождения подогретого воздуха к вентилятору, который всасывается из окружающей среды через отверстия, расположенные по окружности в верхней части наружной обечайки, а теплоизолирующая прокладка находится на внутренней поверхности наружной обечайки; усилитель теплового потока размещен в полости теплоизолятора крышки калориметра и связан с измерительным и опорным термометрами сопротивления короткими проводниками.
На чертеже приведена структурная схема калориметра. Калориметр содержит две цилиндрические обечайки 1, 2, между которыми имеется воздушный зазор для прохода всасываемого из окружающей среды воздуха. На внутренней поверхности обечайки 1 помещена прокладка из теплоизолирующего материала 3. В полости обечайки 2 находится массивный блок 4, внутри которого размещена измерительная ячейка 5, в которой расположена калориметрическая бомба 6. Сверху отверстие измерительной ячейки 5 закрыто пробкой 7, выполненной из теплоизолирующего материала, в нижней части ячейки находится прокладка 8, также выполненная из теплоизолятора. На наружной поверхности измерительной ячейки в спиральной канавке расположен измерительный термометр сопротивления 9 преобразователя теплового потока. Массивный блок 4 состоит из массивных сегментов по числу граней измерительной ячейки, имеющих развитую наружную поверхность теплообмена и выполненных из металла с высокой теплопроводностью, например из алюминиевого сплава. Сегменты массивного блока прижаты к поверхностям граней измерительной ячейки через прокладки 10. Сверху калориметр закрыт крышкой 11, имеющей отверстия для выхода нагретого терморегулятором воздуха. Воздушный терморегулятор калориметра содержит вентилятор 12, нагреватель 13, термометр сопротивления 14 и усилитель 15. Опорный термометр сопротивления 16 преобразователя теплового потока расположен на наружном диаметре металлического кольца 17, скрепляющего сегменты массивного блока 4. На наружной поверхности внутренней обечайки 2 выполнены две двухзаходные спиральные канавки, в одной из которых расположен проволочный термометр сопротивления 18, в другой - нагреватель 19, которые связаны с усилителем терморегулятора 20. В верхней части обечайки 1 калориметра, по окружности, сделаны отверстия 21 для всасывания воздуха из окружающей среды. Усилитель теплового потока 22 размещен в полости теплоизолятора крышки калориметра и связан с измерительным и опорным термометрами сопротивления короткими проводниками.
Устройство работает следующим образом. При включении терморегуляторов от сети ≈220 В сигналы небаланса мостовых устройств, входящих в состав усилителей 15, 20, вызывают увеличения выходных токов последних, которые поступают соответственно в нагреватели 13, 19, вызывая в них выделение тепла. Терморегулятор обечайки 2 поддерживает ее температуру на 5-7 градусов Цельсия ниже температуры воздушного терморегулятора. Терморегулятор посредством вентилятора 12 всасывает воздух из окружающей среды через отверстия 21 в зазор между обечайками 1, 2, где воздух, нагретый при обтекании обечайки 2, поступает на вход вентилятора 12 воздушного терморегулятора. Усилитель теплового потока преобразует разность сопротивлений измерительного 9 и опорного 16 термометров сопротивления в напряжение, которое пропорционально измеряемому тепловому потоку от сжигаемого вещества в калориметрической бомбе 6.
Предложенное устройство теплопроводящего калориметра, в том числе размещение усилителя теплового потока в терморегуляторе, позволило обеспечить работу калориметра в более широком диапазоне температур окружающей среды, который расширен в сторону более низких температур, и обеспечить повышенную точность измерений. Время выхода калориметра на рабочую температуру сократилось в 1,5 раза и составило 2,5 часа. Кроме того, уменьшился дрейф усилителя теплового потока ~2 раза, что повысило точность измерений.