УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Полезная модель относится к физико-химическому анализу веществ, а именно к устройствам для исследования веществ методом дифференциального термического анализа (ДТА).
Известен дифференциальный сканирующий калориметр (RU 2006134959A, опубл. 10.04.2008), который содержит две калориметрические камеры, каждая из которых снабжена вмонтированными в дно термометром сопротивления и нагревателем, отличающиеся тем, что верхние части калориметрических камер герметично вмонтированы в отверстия в плоской шайбе и закрыты сверху общей крышкой, представляющей собой конструкцию, имеющую не менее двух слоев; нижние части калориметрических камер располагаются во внутренней плоскости термостата.
Недостатком известного калориметра является невысокая надежность при работе с агрессивными (или, например, имеющими высокую адгезию к материалу камеры) веществами вследствие риска необратимого повреждения сложной калориметрической камеры, в которой размещается образец.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство (А.с. СССР №1376019), содержащее источник нагрева, внутри которого расположены две измерительные и две эталонные ячейки, измерители температур исследуемого и эталонного образцов, дифференциально подключенные к входу первого усилителя и измеритель температуры, чувствительные элементы которого расположены между эталонными ячейками, элемент сравнения, усилитель мощности, соединенный выходом с двумя нагревателями, размещенными на эталонных ячейках и второй усилитель, вход которого соединен с измерителем разности температур, а выход - с одним из входов элемента сравнения, причем к другому входу элемента сравнения подсоединен выход первого усилителя, а к выходу подсоединены регистратор и усилитель мощности. Начало в исследуемом образце фазового перехода, сопровождающегося выделением либо поглощением теплоты, приводит к срабатыванию схемы автоматической компенсации и выделения в одной или другой эталонной ячейке тепла при помощи микронагревателей. Устройство позволяет измерять количество выделившейся или поглощенной теплоты в процессе фазового превращения.
В известном устройстве повышена разрешающая способность и устранено различие температурно-временных условий при проведении эксперимента и калибровки, поскольку тепловыделение в образце имитируется тепловыделением в имитаторе образца и производится автоматическое сопоставление двух дифференциальных температур. Известно, что именно различие температурно-временных условий при проведении эксперимента и калибровки является принципиальным источником погрешности измерений количества теплоты в стандартной двухэлементной схеме ДТА.
Основным недостатком известного устройства является необходимость наличия четырех идентичных в тепловом отношении ячеек, что существенно усложняет и удорожает устройство, теряется главное преимущество аппаратуры ДТА перед дифференциальными сканирующими калориметрами с автоматической компенсацией - простота и надежность реакционной ячейки.
В то же время существует потребность в исследовании экзотермических и эндотермических реакций, например, термического разложения энергонасыщенных веществ, где, наряду с требованием высокой точности измерения тепловых эффектов и разрешающей способности на первый план выходит простота и надежность устройства.
Технический результат полезной модели - повышение устойчивости к химическим загрязнениям и, вследствие этого, расширение спектра исследуемых веществ и упрощение устройства при сохранении высокой разрешающей способности.
Технический результат достигается тем, что устройство для дифференциального термического анализа, содержит источник нагрева с расположенными внутри измерительной и эталонной ячейками, измерителями разности температур и микронагревателем, а введены блок сравнения, блок смещения нулевого уровня и блок управления температурой микронагревателем, причем измерители разности температур и блок смещения нулевого уровня подключены ко входу блока сравнения, выход которого соединен с блоком управления температурой микронагревателем, а микронагреватель соединен с выходом блока управления температурой микронагревателем, причем фазы сигналов измерителей разности температур и на выходе блока управления температурой микронагревателем подобраны таким образом, чтобы обратная связь была отрицательной.
На фиг.1 представлена схема, поясняющая работу устройства для дифференциального термического анализа энергонасыщенных веществ.
Устройство содержит источник нагрева 1, внутри которого расположена измерительная ячейка 2, эталонная ячейка 3, микронагреватель 4, расположенный на эталонной ячейке 3, измерители разности температур 5, выходы которых подсоединены к блоку сравнения 6, к входу которого подключен блок смещения нулевого уровня 7, а к выходу - блок управления температурой микронагревателя 8. Чувствительные элементы измерителей разности температур 5 подключены к входу блока сравнения 6 дифференциально.
Устройство работает следующим образом. Перед началом эксперимента задается монотонный тепловой режим, например, нагрев образца с постоянной скоростью за счет регулирования мощности источника нагрева 1.
1
2
01
02
0
1
1
01
1
2
02
2
Предположим, что ячейки, одинаковые между собой в тепловом отношении, помещены в одну оболочку, температура которой Т изменяется линейно. На эталонную ячейку 3 действует дополнительная температура от микронагревателя 4, которая изменяется по такому же линейному закону, что и температура источника нагрева, только на определенный коэффициент больше, обзовем его "b" (псевдо нуль), который задается блоком смещения нулевого уровня 7. Темпы охлаждения обеих ячеек одинаковы, коэффициенты теплообмена α=α=α, следовательно, температура ячейки с образцом T=Т-b, разность температур между ячейками ΔT=b. Пусть в ячейке с образцом в момент времени t начинает выделяться тепловая; мощность q вследствие экзотермической химической реакции. Ячейка будет получать в единицу времени количество тепла, равное . Через некоторое время, когда q будет равно теплу, отдаваемому ячейкой вследствие теплообмена с оболочкой, температура T станет равной T и будет изменяться по тому же закону, что и Т. Появится разность температур ΔT≠b, электрический сигнал, пропорциональный этой разности, преобразуется в блоке управления температурой нагревателей и воздействует через микронагреватель на эталонную ячейку 3. В эталонной ячейке 3 начинает выделяться тепловая мощность q, ячейка начинает получать в единицу времени количество тепла, равное . Через некоторое время Т становится равной T и также изменяется по закону изменения Т. В моменты времени, когда скорость реакции и, соответственно, тепловая мощность, развиваемая ею растут, мощность электрического тока в микронагревателе 4 эталонной ячейки 3 автоматически пропорционально увеличивается, а в моменты, когда скорость реакции снижается - соответственно уменьшается. Таким образом, автоматически отслеживается изменение мощности химической реакции в измерительной ячейке 2 при помощи микронагревателя 4 в эталонной ячейке 3. При эндотермической реакции в исследуемом образце напряжение, подаваемое на микронагреватель, уменьшается для уменьшения его температуры соответственно протеканию эндотермической реакции, вследствие чего на выходе устройства имеем падение напряжения относительно заданного нами псевдо нуля.
Таким образом, становится возможным наблюдение и регистрация как экзотермических, так и эндотермических реакций в веществе с использованием двух ячеек в печи устройства ДТА, причем с использованием одного микронагревателя, разнесенного в пространстве с образцом исследуемого вещества, что повышает надежность работы при работе с агрессивными веществами.