Способ измерения теплоемкости материалов
METHOD OF MEASURING HEAT CAPACITY OF MATERIALS

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к устройствам для определения теплоемкости материалов, и может быть применено для определения их теплотехнических свойств.
Известен способ измерения теплоемкости материалов путем непрерывного обогрева электрическим нагревателем с постоянной скоростью образца, находящегося в адиабатических условиях (SU 262438, G01K, 1970 [1]). При этом для повышения точности определения производят одновременный нагрев нескольких образцов, непрерывно измеряя мощность обогрева, и находят среднее арифметическое из них, пропорциональное теплоемкости. Недостатком известного способа является невысокая точность определения искомого параметра, обусловленная невысокой точностью определения мощности, идущей на обогрев образцов. Способ предусматривает измерение в процессе проведения экспериментов нескольких параметров - температуры, тока, напряжения. Применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности. В самом деле, на результат влияет изменение внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагревателя, поэтому просто измерений тока в нагрузке и напряжения для точных измерений недостаточно.
Известен способ измерения теплоемкости материалов, заключающийся в нагреве по одному и тому же закону двух цилиндрических образцов из исследуемого материала, одинаковых по внешним размерам и состоянию поверхности, но различных по массе, с измерением изменения температур образцов и разности подведенных к ним энергий (SU 685966, G01N 25/20, 1979 [2]). После установления в образцах температурного поля, близкого к стационарному, искомая величина теплоемкости может быть определена из записанной во времени разности расходов электроэнергии, затраченной на нагрев образцов, и измеренного приращения их температуры. Недостатком известного способа является невысокая точность определения искомого параметра, обусловленная невысокой точностью определения мощности, идущей на обогрев образцов. Применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности, поскольку на результат влияет изменение внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагревателя.
Поэтому просто измерений тока в нагрузке и напряжения для точных измерений мощности недостаточно.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является способ измерения теплоемкости, известный из SU 1516926, G01N 25/20, 1989 [3]. Способ измерения теплоемкости осуществляется посредством дифференциального калориметра, содержащего две калориметрические ячейки, размещенные внутри выравнивающего температуры блока, снабженные измерителями перепадов температур и источниками электрической мощности. Проводят два испытания, помещая в одну из ячеек образец сравнения, а в другую последовательно - эталонный и исследуемый образцы, подводят к ячейкам равные мощности и регистрируют изменение разности температур ячеек после прекращения подвода мощности, а искомый параметр вычисляют с использованием математической зависимости, в которую входят измеренные в эксперименте величины.
Недостатком известного способа является невысокая точность определения искомого параметра, обусловленная невысокой точностью определения мощности, идущей на обогрев образцов. Применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности, поскольку на результат влияет изменение внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагревателя. Поэтому просто измерений тока в нагрузке и напряжения для точных измерений мощности недостаточно. Заявляемый способ измерения теплоемкости материалов направлен на повышение точности определения искомого параметра.
Указанный результат достигается тем, что способ измерения теплоемкости материалов осуществляется посредством дифференциального калориметра, включающего две калориметрические ячейки, размещенные внутри общего теплоизолирующего корпуса, снабженные измерителями температур, перепадов температуры и источниками электрической мощности, и заключается в том, что в одну из ячеек помещают исследуемый образеци измеряют температуру в каждой из ячеек в процессе их нагрева. При этом предварительно определяют теплоемкость каждой ячейки без образца, для чего на имеющие одинаковую температуру ячейки подают некоторое количество энергии, регистрируют температуру ячеек при достижении ими теплового равновесия, а их теплоемкость определяют по формуле
i
где: c(T) - теплоемкость i-й ячейки при температуре Т, Дж/(кг⋅°C);
ΔT - изменение температуры ячейки, °C;
i
E - энергия, нагревшая ячейку, Дж,
помещают в одну из ячеек образец, на каждую ячейку, с учетом их теплоемкости, подают энергию, необходимую для ее нагрева на заданную величину, на ячейку, содержащую образец, подают дополнительную энергию до выравнивания температур ячеек и определяют удельную теплоемкость образца по формуле
,
где ΔЕ - энергия, необходимая для догрева ячейки с образцом до заданной температуры, Дж;
m - масса образца, кг;
ΔT - разность начальной и конечной после догрева температур ячеек, °C,
а величину подаваемой на ячейки энергии определяют по числу электрических импульсов на нагреватель каждой ячейки от разряда на них общего для обоих нагревателей ячеек конденсатора, измеряя напряжение конденсатора перед каждым импульсом.
Отличительными признаками заявляемого способа являются:
- предварительное определение теплоемкости каждой ячейки без образца, для чего на имеющие одинаковую температуру ячейки подают некоторое количество энергии, регистрируют температуру ячеек при достижении ими теплового равновесия, а их теплоемкость определяют по математической зависимости, приведенной выше;
- помещают в одну из ячеек образец, на каждую ячейку, с учетом их теплоемкости, подают энергию, необходимую для ее нагрева на заданную величину, на ячейку, содержащую образец, подают дополнительную энергию до выравнивания температур ячеек и определяют удельную теплоемкость образца по математической зависимости, приведенной выше;
- величину подаваемой на ячейки энергии определяют по числу электрических импульсов на нагреватель каждой ячейки от разряда на них общего для обоих нагревателей ячеек конденсатора, измеряя напряжение конденсатора перед каждым импульсом.
Предварительное определение теплоемкости каждой ячейки без образца позволяет при проведении экспериментов вычленить из полученных данных те параметры, которые связаны с истинной теплоемкостью образца, и тем самым повысить точность определения искомого параметра.
Помещение в одну из ячеек образца и подача на каждую ячейку, с учетом их теплоемкости, энергии, необходимой для ее нагрева на заданную величину, а на ячейку, содержащую образец, дополнительную энергию до выравнивания температур ячеек, также повышает точность определения искомого параметра. Действительно, такие действия позволяют определить энергию, потраченную только на нагрев образца, так как дополнительная энергия численно равна энергии, затраченной на нагрев образца от начальной до конечной температуры. Тем самым из формулы для вычислений исключаются теплоемкости ячеек, что повышает точность измерений.
Определение величины подаваемой на ячейки энергии по числу электрических импульсов на нагреватель каждой ячейки от разряда на них общего для обоих нагревателей ячеек конденсатора, измеряя напряжение конденсатора перед каждым импульсом, позволяет очень точно определить затраченную на нагрев энергию. Обычно для ее достижения необходимо иметь источник питания, обеспечивающий не только высокую стабильность мощности на нагревателях, но и знание ее величины. Применение стандартных источников тока или напряжения не обеспечивает необходимой точности стабилизации и измерений мощности. В самом деле, на результат влияет изменение внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагревателя, поэтому просто измерений тока в нагрузке и напряжения для точных измерений недостаточно. Особенности работы источника питания по предлагаемому алгоритму позволяют обеспечить преимущества за счет следующих факторов:
2
1
2
- энергия отдельного импульса, питающего нагреватель калориметрической ячейки, может быть с высокой точностью определена по формуле Е=CU/2, где U - напряжение, считанное измерителем V (см. схему источника питания). Эта энергия не зависит от величины сопротивления нагрузки, если время разряда емкости на нагрузку достаточно велико;
- для подачи на ячейку калориметра заданной величины энергии необходимо подать на нее нужное число импульсов питания, просуммировав их энергии до достижения заданного значения.
Сущность заявляемого способа поясняется примером реализации и чертежами. На фиг. 1 представлена схема устройства (дифференциального калориметра), реализующего предложенный способ. На фиг. 2 представлена упрощенная схема импульсной системы питания нагревателей ячеек.
1
1
2
1
Устройство для реализации способа содержит корпус 1, заполненный теплоизоляционным материалом 2, калориметрические ячейки 3, образец 4, выводы нагревателей и термопар 5, контакты для подключения системы измерений и блока питания нагревателей 6. Устройство содержит импульсный блок питания с компьютерным управлением, схема которого представлена на фиг. 2. Блок содержит емкость C, которая через выпрямитель, трансформатор и ограничивающий ток резистор R заряжается от сети. От этой емкости, являющейся буферным накопителем энергии, через сопротивление R и нормально-замкнутый контакт реле k заряжается рабочая емкость.
H1
H2
1
2
1
2
3
2
2
1
2
Для подачи импульса энергии в нагрузку (R или R) контакты реле k размыкают, производят отсчет напряжения на конденсаторе С с помощью измерителя V, а затем замыкают контакты реле k или k в зависимости от того, в какую ячейку калориметра необходимо подать импульс. После полной разрядки конденсатора С схему возвращают в исходное состояние, что приводит к повторной зарядке емкости С. Емкость C заряжается непрерывно по мере отбора от нее энергии на перезарядку С. Блок компьютерного управления осуществляет подсчет числа импульсов, вычисляет их энергию и выделенную мощность на нагревателях.
Способ реализуют со следующей последовательностью действий:
1. Производят калибровку калориметрических ячеек. Для этого на ячейки без образца, имеющие одинаковую температуру, подают некоторое количество энергии и регистрируют их температуру при достижении теплового равновесия. Если после подачи заданной энергии температура ячеек различается, подают дополнительные импульсы до выравнивания температуры. Вычисляют теплоемкости ячеек по формуле
i
где c(T) - теплоемкость i-й ячейки при температуре Т, Дж/(кг⋅°C);
ΔT - изменение температуры ячейки, °C;
i
E - энергия, нагревшая ячейку, Дж.
2. Подготавливают образец исследуемого материала, взвешивают его. Помещают образец в одну из калориметрических ячеек.
3. На каждую ячейку, с учетом их теплоемкости, подают энергию, необходимую для ее нагрева на заданную величину.
4. На ячейку, содержащую образец, подают дополнительную энергию до выравнивания температур ячеек.
5. Вычисляют удельную теплоемкость образца по формуле
где ΔЕ - энергия, необходимая для догрева ячейки с образцом до заданной температуры, Дж;
m - масса образца, кг;
ΔT - разность начальной и конечной после догрева температур ячеек, °C.
Для реализации способа была создана установка в соответствии фиг. 1 и 2.
Размеры внутреннего стакана ячейки дифференциального калориметра - 8×40 мм, обмотка нагревателя изготовлена из нихрома и имеет сопротивление 4.5 Ом, рубашка ячейки изготовлена из нержавеющей стали и имеет толщину стенки 15 мм. Стакан и чехол нагревателя - из корундовой керамики.
Корпус дифференциального калориметра герметичен, допускает вакуумирование и заполнение защитным газом. Все проводные соединения выполнены с помощью гермовводов.
1
2
Система питания установки имеет на входе разделительный трансформатор 220/220 В, 400 Вт. Все резисторы проволочные, имеют сопротивление 4.5 Ом. Конденсатор C электролитический, 1000 мФ, 450 В, С - пусковой, 25 мФ, 450 В. В блоке питания используются быстродействующие электронные реле 5П40.10ПА1-75-4-Д68, управляемые от контроллера через оптронную развязку. Во вторую ячейку калориметра помещен образец из стали 20 диаметром 6 и длиной 30 мм. Вес образца составил 6.6 г.
При температуре 612°С теплоемкость 1-й ячейки калориметра составляет 124 Дж/°C, второй - 131 Дж/°C. Для нагрева ячеек на 10 градусов на первую ячейку подана энергия 1.240 кДж, на вторую - 1.310 кДж. Для выравнивания температуры на вторую ячейку потребовалось подать дополнительно 39.7 Дж. Удельная теплоемкость стали 20 составила 601.5 Дж/(кг⋅°C).