АДИАБАТИЧЕСКИЙ КАЛОРИМЕТР
ADIABATIC CALORIMETER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно - к адиабатической калориметрии, где определяются удельная теплоемкость и энтальпия различных материалов и изделий, и может быть использовано, главным образом, в метрологии, а также - в приборостроении, машиностроении, экспериментальной физике и теплофизике.
Известен адиабатический калориметр, содержащий калориметрический сосуд с нагревателем и термопреобразователем, окруженный двумя адиабатическими оболочками, нагреватели которых включены параллельно и подключены к выходу блока регулирования температуры, вход которого соединен с датчиками разности температур, установленными между нагревателем сосуда и первой оболочкой (патент Великобритании О 1429365 кл. G ID, опубл. 1976). Недостатком этого калориметра является существенная погрешность термостатирования, т.е. поддержания адиабатического режима и, как следствие, низкая точность измерений.
Известен адиабатический калориметр для измерения теплоемкости веществ, содержащий охлаждаемую вакуумную камеру и расположенный в ней контейнер с исследуемым образцом и системой адиабатических экранов, содержащий внутренний и внешний радиационные экраны с крышками и горячее кольцо, при этом подводящие провода от контейнера, минуя внутренний радиационный экран, выведены на горячее кольцо и затем на внешний радиационный экран, причем связь подводящих проводов, расположенных на различных экранах, осуществляется бестермоточным кольцевым разъемом с подпружиненными контактами из того же матариала, а крышка введена внутрь экрана (Авт. свид. СССР №504105, МКИ G01K 17/00, опубл. 25.02.1976). Данный калориметр обладает сниженной утечкой теплоты через токоподводы, но вследствие дополнительного контактного электрического сопротивления в подпружиненных контактах имеет повышенную погрешность измерения температуры, что приводит к существенному снижению точности получаемых результатов. Кроме этого, калориметр не позволяет исследовать образцы, выполненные в форме цилиндров относительно большой длины, например - стандартных образцов, применяемых в эталоне ГЭТ 24-2007.
Известен адиабатический калориметр, содержащий ампулу и устройство для разрушения ампулы, установленные в реакционном сосуде, помещенном в вакуумную камеру, окруженную двумя адиабатическими оболочками и термобатареей (Авт. свид. СССР, №373551, МКИ G01K 17/04, 1973). Данный калориметр, как и предыдущий, обладает малой инерционностью, но имеет за счет этого невысокую точность поддержания адиабатического режима и, как следствие, низкую точность измерений. Кроме того, калориметр не позволяет исследовать образцы, выполненные в форме цилиндров относительно большой длины, например - стандартных образцов, применяемых в эталоне ГЭТ 24-2007.
Наиболее близким к предлагаемому является адиабатический калориметр, содержащий калориметрический сосуд для исследуемого вещества, снабженный термопреобразователем, нагревателем и окруженный тремя адиабатическими оболочками с нагревателями, три блока регулирования температуры оболочек, входы которых соединены с датчиками разности температур, а выходы подключены к нагревателям оболочек, при этом датчики температуры установлены между калориметрическим сосудом и каждой адиабатической оболочкой (Авт. свид. СССР №1093913, МКИ G01K 17/04, опубл. 06.04.1984). Недостаток указанного калориметра заключается в том, что имеет существенную инерционность, что выливается в повышенную погрешность измерений. Это обусловлено тем, что датчики разности температур расположены между адиабатическими оболочками, поэтому возникает задержка во включении нагревателей оболочек, обусловленная необходимостью превышения сигналом с данного датчика температуры определенного уровня чувствительности системы поддержания температуры данной оболочки. Указанная задержка сказывается на нарушении адиабатического режима калориметра в большей степени со стороны наружной, второй адиабатической оболочки. Кроме того, при использовании калориметра требуется значительное время для подготовки к опыту, в течение которого необходимо установить температуры обеих, влияющих один на другого оболочек, позволяющие при сохранении определенной инерционности калориметра компенсировать тепловые потери при заданной температуре проведения опыта.
Общие недостатки перечисленных выше калориметров - невысокая точность и ограниченные функциональные возможности, в частности -невозможность получать точные значения удельной теплоемкости и энтальпии таких изделий, как стандартные образцы, применяемые в метрологии для измерений температурного коэффициента линейного расширения, а также - ограничение по верхней границе температурного диапазона (не более 200°С, или 473 К).
Технический результат изобретения - повышение точности с одновременным расширением функциональных возможностей устройства - расширением номенклатуры исследуемых изделий и температурного диапазона.
Данный результат достигается тем, что в адиабатическом калориметре, включающем в себя калориметрический сосуд с нагревателем, три адиабатические оболочки, окружающие сосуд и снабженные нагревателями и термопреобразователями, термопреобразователи совместно с нагревателем калориметрического сосуда подключены к блоку измерения и регулирования температуры, оболочки и калориметрический сосуд выполнены из высокотеплопроводного материала, нагреватели оболочек размещены на наружных поверхностях оболочек, а их термопреобразователи размещены на внутренних поверхностях оболочек, калориметрический сосуд снабжен тремя встроенными в него термопреобразователями, два из которых расположены диаметрально-противоположно по краям калориметрического сосуда, а третий - в его центре, нагреватель калориметрического сосуда равномерно распределен по объему сосуда, калориметрический сосуд выполнен в форме дискового барабана с крышкой и дном, барабан симметричен относительно вертикальной условной оси вращения и снабжен одинаковыми сквозными цилиндрическими отверстиями заданного диаметра, причем их количество задано исходя из условия, чтобы общий объем, занимаемый отверстиями в барабане, был максимально возможным.
Компоновочная схема предлагаемого устройства изображена на фиг. 1. На фиг. 2 представлено поперечное сечение калориметрического сосуда, выполненного в виде барабана. Адиабатический калориметр содержит калориметрический сосуд 1, адиабатические оболочки 2, 3, 4 с встроенными в них нагревателями 5 и термопреобразователями 6, подвес 7, центрирующую втулку 8. Управление работой калориметра осуществляется при помощи блока регулирования и измерения температуры 9 и компьютера 10. Калориметрический сосуд 1 калориметра содержит одинаковые сквозные цилиндрические отверстия 11 для размещения в них исследуемых изделий, два периферийных термопреобразователя 12, один центральный термопреобразователь 13, нагреватель 14, равномерно размещенный по объему сосуда 1, крепежные винты 15, дно 16 и крышку 17. Нагреватели 5 размещены на внешней стороне оболочек, а термопреобразователи 6 - на их внутренней стороне. Термопреобразователи 6, 12 используются для поддержания адиабатических условий, а термопреобразователь 13, расположенный в центре калориметрического сосуда, используется для измерений температурного хода калориметрического сосуда. Нагреватели 5 обеспечивают поддержание заданного уровня температуры с одновременным обеспечением адиабатических условий для калориметрического сосуда 1. Нагреватель 14 обеспечивает подачу дополнительного количества теплоты в калориметрический сосуд 1 при измерениях. Блок регулирования и измерения температуры 9 выполняет функцию регулирования и измерения температуры калориметрического сосуда 1 и адиабатических оболочек 2, 3, 4. Компьютер 10 выполняет функцию управления работой блока регулирования 9, функцию программной обработки измеряемых данных и получения искомого значения удельной теплоемкости или энтальпии исследуемого образца. Винты 15 крепят дно 16 и крышку 17 к калориметрическому сосуду 1 (барабану).
Калориметр работает по принципу периодического ввода теплоты в диапазоне температур 293-800 К следующим образом. С помощью нагревательного элемента внешней оболочки 4 задается требуемая температура термостатирования. С помощью нагревателей оболочек 2, 3 обеспечиваются адиабатические условия для калориметрического сосуда 1. Адиабатический режим калориметра обеспечивается комплексной системой, состоящей из трех адиабатических оболочек 2, 3, 4 с тремя термопреобразователями 6 и двух термопреобразователей 12. При этом наилучшая минимальная разность температуры между калориметрическим сосудом 1 и первой оболочкой 2 обеспечивается за счет осреднения показаний двух периферийных термопреобразователей 12 и последующего сведения к минимуму разности между данным средним значением и измеряемой температурой оболочки 2. Благодаря этому достигается наилучшая адиабатичность калориметрического сосуда 1. После достижения стационарного теплового режима через нагреватель 14 калориметрического сосуда 1 в течение определенного времени пропускается электрический ток, количество затраченной на нагрев мощности и измеряется с помощью блока регулирования и измерения температуры 9 и компьютера 10, а прирост температуры калориметрического сосуда - с помощью платинового термопреобразователя сопротивления 13.
Конкретный калориметр имеет следующие технические характеристики. Габаритные размеры калориметра - диаметр 415 мм, высота 741 мм; габаритные размеры калориметрического сосуда - диаметр 42 мм, высота 125 мм, диаметр отверстий 5,2 мм (под образцы эталона ГЭТ 24-2007), количество отверстий 14. Материал калориметрического сосуда 1 и адиабатических оболочек 2, 3, 4 - серебро; нагреватели 5, 14 выполнены из нихрома, термопреобразователи - платиновые термометры сопротивления типа pt100 с номинальным электрическим сопротивлением 100 Ом.
-4
В результате испытаний калориметра достигнутая адиабатичность характеризуется разностью температуры калориметрического сосуда 1 и первой оболочки 2, равной 0,0001 К при заданном подъеме температуры равном ΔT=5 К. Оцениваемая относительная неопределенность измерения теплоемкости с помощью данного калориметра составляет не хуже 5⋅10. Воспроизводимость результатов измерения теплового эквивалента калориметра, т.е. среднеквадратичное отклонение экспериментальных точек от сглаженной кривой составляет 0,05% в интервале температур 293-800 К. Благодаря конструкции калориметрического сосуда и новому расположению датчиков температуры значительно уменьшается зависимость температур оболочек 2, 3, 4 от температуры опыта при сохранении заданного качества адиабатического режима, что подтверждается практическим использованием калориметра. Так, во всем интервале рабочих температур 293-800 К, температуры адиабатических оболочек практически не изменяются, при сохранении температурного хода калориметра не более 0,00001 К/мин в начальный и конечный периоды опыта.
Также благодаря тому, что общий объем, занимаемый отверстиями 11 в барабане 1, сделан максимально возможным, достигнуто наилучшее соотношение полезного измеряемого сигнала (с образцами) к сигналу от пустого калориметрического сосуда, т.е. - достигнуто максимальное отношение полной теплоемкости исследуемых образцов к теплоемкости калориметрического сосуда 1. Кроме этого, выполнение калориметрического сосуда из высокотеплопроводного материала (серебра) в сочетании с равномерно-распределенными по его объему отверстиями для образцов обеспечивает наилучшую равномерность температурного поля в заполненном калориметрическом сосуде, что выгодно отличает данный калориметр от аналогов и прототипа и обеспечивает более высокую достоверность значений измеряемой температуры. В совокупности данные технические решения существенно повышают точность измерений.
Кроме того, калориметр позволяет измерять теплоемкость цилиндрических образцов относительно большой длины, например - стандартных образцов, применяемых в эталоне ГЭТ 24-2007, что делает его более многофункциональным и расширяет номенклатуру исследуемых изделий.
Таким образом, предлагаемый адиабатический калориметр позволяет исследовать широкую номенклатуру материалов и изделий с одновременным повышением точности измерений и расширением температурного диапазона.