УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДУШНОГО ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ
DEVICE FOR AIR THERMOSTATTING OF CALORIMETRIC CELL

Изобретение относится к технике, предназначенной для измерения теплофизических величин, и может быть использовано для термостатирования калориметрических установок, применяемых для определения тепловых эффектов различных процессов, и других устройств, требующих адиабатических условий измерения, в химической, пищевой, биотехнологической и других отраслях промышленности.
Известен калориметр переменной температуры с изотермической оболочкой, представляющий собой металлический корпус с боковой крышкой, содержащий изотермическую оболочку, выполненную в виде цилиндрического латунного сосуда с плотно закрывающейся крышкой, заполняемую дистиллированной водой, внешние боковые поверхности и днище которого покрыты изолирующим материалом, на дне изотермической оболочки смонтированы нагреватель форсированного вывода оболочки на режим, датчик температуры, соединенный с микропроцессорным программируемым измерителем-регулятором температуры типа ТРМ1, проточный холодильник в виде трубчатого теплообменника, нагреватель точного вывода оболочки на режим и пропеллерная мешалка, в центре изотермической оболочки на кронштейнах закреплена калориметрическая ячейка, выполненная в виде цилиндрического хромированного латунного сосуда с герметично закрывающейся крышкой, совмещенной с крышкой изотермической оболочки, и боковым отводом для вывода проводов, связывающих калориметрический сосуд с внешними цепями термометра и калибровочного нагревателя, под калориметрической ячейкой на плоском днище изотермической оболочки помещен постоянный магнит привода магнитной мешалки, в центре калориметрической ячейки помещен медный цилиндрический стакан с плотно вставляемым в него калориметрическим сосудом, выполненным в виде герметично закрывающегося цилиндра из кислотостойкой нержавеющей стали, герметизация сосуда осуществляется фторопластовой прокладкой, установленной в крышке, которая завинчивается накидной гайкой, перемешивание жидкости в калориметрическом сосуде осуществляется турбинной магнитной мешалкой, расположенной в специальном каркасе из нержавеющей стали и приводимой в движение приводом магнитной мешалки, на крышке калориметрического сосуда смонтированы: нагреватель для тепловой калибровки калориметра, штуцер заправки калориметрического сосуда раствором и устройство последовательного разбивания стеклянных ампул, измерение температуры производится датчиком, состоящим из последовательно соединенных одинаковых секций термометра сопротивления, закрепленных на стенке калориметрического сосуда, и связанным с компьютером для сбора, хранения и обработки информации [Пат. РФ №2371685, опубл. бюл. №30, 27.10.2009].
Недостатком устройства является длительность вывода калориметрической ячейки на рабочий режим, необходимость использования воды в качестве теплоносителя, сложность обслуживания и эксплуатации.
Технической задачей изобретения является разработка устройства для воздушного термостатирования калориметрической ячейки, позволяющего сократить продолжительность вывода ячейки на рабочий режим, упростить обслуживание и эксплуатацию устройства за счет исключения использования воды в качестве теплоносителя при сохранении воспроизводимости и надежности получаемых значений тепловых эффектов.
Для решения технической задачи изобретения предложено устройство для воздушного термостатирования калориметрической ячейки, содержащее цилиндрический корпус из нержавеющей стали с крышкой, внутри которого размещена изотермическая оболочка, выполненная в виде герметично закрывающегося сосуда из нержавеющей стали, вся внешняя поверхность которого покрыта теплоизоляционным материалом, при этом крышка корпуса одновременно является крышкой изотермической оболочки и также покрыта теплоизоляционным материалом, в центре изотермической оболочки на специальных кронштейнах закреплена калориметрическая ячейка, представляющая собой цилиндрический хромированный латунный сосуд с герметично закрывающейся крышкой, в центре которого закреплен медный цилиндрический стакан, в него плотно вставляется калориметрический сосуд для исследуемого раствора, а внутренний объем между изотермической оболочкой и калориметрической ячейкой заполняется теплоносителем, в качестве которого используют воздух, для измерения температуры на внутренней поверхности калориметрической ячейки расположен термопарный датчик температуры, электрическое соединение калориметрической ячейки с измерительными схемами осуществляется посредством проводов, проложенных внутри кронштейнов, которые экранируют провода от внешних электромагнитных наводок, при этом устройство снабжено двухконтурной системой регулирования «нагреватель» - «холодильник», основу электрической схемы которой составляют программируемый двухканальный ПИД-регулятор ТРМ12, контур нагревания и контур охлаждения, причем контур нагревания состоит из схемы согласования уровней сигнала, схемы усилителя мощности, нагревателя и вентилятора, а контур охлаждения включает схему согласования уровней сигнала, схему усилителя мощности, охладитель, ключ и вентилятор, охладитель представляет собой набор элементов Пельтье, зажатых между двумя теплообменниками: внутренним и внешним, установленными внутри изотермической оболочки, в нижней ее части, и выполненными в виде алюминиевых ребристых радиаторов, через которые с помощью вентиляторов циркулирует теплоноситель, по внутреннему теплообменнику воздух циркулирует постоянно, а через внешний - периодически в процессе охлаждения, измерение температуры осуществляют датчиком, состоящим из трех последовательно соединенных между собой одинаковых секций термометра сопротивления, закрепленных на внешней стенке калориметрического сосуда.
Технический результат изобретения заключается в сокращении длительности вывода ячейки на рабочий режим, упрощении обслуживания и эксплуатации устройства за счет исключения использования воды в качестве теплоносителя при сохранении воспроизводимости и надежности получаемых значений тепловых эффектов.
На фиг.1 представлено устройство для воздушного термостатирования калориметрической ячейки, на фиг.2 - электрическая блок-схема воздушного термостата.
3
3
3
Устройство для воздушного термостатирования калориметрической ячейки представляет собой цилиндрический корпус 1 из нержавеющей стали, например, с диаметром 0,30 м и высотой 0,30 м, с крышкой 8, внутри которого размещена изотермическая оболочка 2, выполненная в виде герметично закрывающегося сосуда из нержавеющей стали объемом 10 дм. В центре изотермической оболочки 2 на специальных кронштейнах 3 закреплена калориметрическая ячейка 4, выполненная в виде цилиндрического хромированного латунного сосуда объемом 1 дм с герметично закрывающейся крышкой 5 и боковым отводом для вывода проводов, проложенных внутри кронштейнов 3 и связывающих калориметрический сосуд с внешними цепями термометра. В центре калориметрической ячейки помещен медный цилиндрический стакан 6 с плотно вставляемым в него калориметрическим сосудом 7 объемом 0,08 дм для исследуемого раствора, выполненным в виде цилиндра, герметично закрывающегося при помощи крышки с прокладкой, например фторопластовой. Изотермическая оболочка 2 тщательно изолирует калориметрическую ячейку 4 от теплообмена с внешней средой. Для уменьшения влияния колебаний температуры окружающей среды на процесс термостатирования вся внешняя поверхность изотермической оболочки 2 покрыта теплоизоляционным материалом 8, например фторопластом. В верхней части корпуса 1 находится плотно закрывающаяся крышка 9, которая одновременно является крышкой изотермической оболочки 2 и также покрыта теплоизоляционным материалом 8.
Внутренний объем между изотермической оболочкой 2 и калориметрической ячейкой 4 заполнен теплоносителем, в качестве которого используют воздух. На внутренней поверхности калориметрической ячейки расположен термопарный датчик температуры 10. Электрическое соединение калориметрической ячейки 4 с измерительными схемами осуществляется посредством проводов, проложенных внутри кронштейнов 3, которые экранируют провода от внешних электромагнитных наводок.
В нижней части изотермической оболочки 2 установлены внутренний 11 и внешний 12 теплообменники, на торцах которых закреплены пропеллерные вентиляторы 13, 14. Между внутренним 11 и внешним 12 теплообменниками зажаты элементы Пельтье 15, выполняющие роль охладителя. На поверхности внутреннего теплообменника 11 расположен нагреватель 16.
Измерение температуры в калориметрическом сосуде 7 производится датчиком 17, состоящим из трех последовательно соединенных между собой одинаковых секций термометра сопротивления, закрепленных на внешней стенке медного цилиндрического стакана 6, находящегося внутри калориметрической ячейки 4, и связанных с компьютером для сбора, хранения и обработки информации.
Устройство для воздушного термостатирования калориметрической ячейки снабжено двухконтурной системой регулирования температуры «нагреватель» - «холодильник». Основу электрической схемы составляют программируемый двухканальный пропорционально-интегро-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор) ТРМ12 18, контур охлаждения и контур нагревания. Электрический сигнал с термопарного датчика температуры 10, пропорциональный температуре в калориметрической ячейке 4, поступает в ПИД-регулятор 18. ПИД-регулятор 18 измеряет отклонение температуры от заданного значения и генерирует управляющий сигнал, являющийся суммой трех слагаемых, первое из которых пропорционально этому отклонению, второе пропорционально интегралу отклонения и третье пропорционально производной отклонения. В зависимости от знака и модуля разности температур между заданной и фактической ПИД-регулятор 18 вырабатывает сигнал управления контурами нагревания и охлаждения с целью устранения этой разности.
Контур нагревания предназначен для увеличения температуры изотермической оболочки 2 и состоит из схемы согласования уровней сигнала 19, схемы усилителя мощности 20, нагревателя 16 и вентилятора 13.
Контур охлаждения служит для уменьшения температуры изотермической оболочки 2 и состоит из схемы согласования уровней сигнала 21, схемы усилителя мощности 22, охладителя 15, ключа 23 и вентилятора 14.
В процессе термостатирования контуры нагревания и охлаждения никогда не работают одновременно.
Конструктивно нагреватель 16 и охладитель 15 установлены на одном внутреннем теплообменнике 11, смонтированном внутри изотермической оболочки 2, в нижней ее части, и представляющем собой алюминиевый ребристый радиатор, через который с помощью вентилятора 13 постоянно в процессе термостатирования циркулирует теплоноситель, в качестве которого используют воздух.
Охладитель 15 представляет собой набор элементов Пельтье, зажатых между двумя теплообменниками (внутренним 11 и внешним 12).
Внешний теплообменник 12, представляющий собой алюминиевый ребристый радиатор, через который вентилятором 14 продувается атмосферный воздух, необходим только для работы контура охлаждения с целью отвода излишней тепловой энергии из объема изотермической оболочки 2. Включение вентилятора 14 происходит автоматически только при работе контура охлаждения с помощью ключа 23.
Электропитание термостата калориметра осуществляется от однофазной сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Для включения системы термостатирования служит тумблер 24. Для питания всех электрических узлов термостата, кроме ПИД-регулятора 18, используют источник постоянного тока 25.
Устройство для воздушного термостатирования калориметрической ячейки работает следующим образом.
Калориметрический сосуд 7 заполняют исследуемым раствором, герметично закрывают крышкой, помещают в медный цилиндрический стакан 6, находящийся внутри калориметрической ячейки 4, герметично закрывают ячейку крышкой 5 и цилиндрический корпус 1 крышкой 8. Устройство для воздушного термостатирования калориметрической ячейки подключают к сети переменного тока - 220 В, 50 Гц. Тумблером 24 включают систему термостатирования, при этом питание всех узлов термостата, кроме ПИД-регулятора 18, осуществляется от источника постоянного тока 25.
Электрический сигнал с термопарного датчика температуры 10, пропорциональный температуре в калориметрической ячейке 4, поступает в ПИД-регулятор 18. В зависимости от знака и модуля разности температур между заданной и фактической ПИД-регулятор 18 вырабатывает сигналы управления контурами нагревания и охлаждения с целью устранения этой разности. Для увеличения температуры в изотермической оболочке включается контур нагревания. Сигнал с ПИД-регулятора 18 поступает в схему согласования уровней сигнала 19, затем в схему усилителя мощности 20 и к нагревателю 16. Вентилятор 13 обеспечивает выравнивание температуры в изотермической оболочке 2.
Для уменьшения температуры в изотермической оболочке включается контур охлаждения. Сигнал с ПИД-регулятора 18 поступает в схему согласования уровней сигнала 21, затем в схему усилителя мощности 22, к охладителю 15, ключу 23 и вентилятору 14.
В процессе термостатирования контуры нагревания и охлаждения никогда не работают одновременно. Циркуляция воздуха в изотермической оболочке 2 через внутренний теплообменник 11 осуществляется постоянно в процессе термостатирования. Продувка воздуха через внешний теплообменник 12 происходит только при работе контура охлаждения.
-3
-5
Колебания температуры в изотермической оболочке 4 после установления режима автоматического регулирования не превышают ±5·10 град, что позволяет производить измерения температуры в калориметрическом сосуде 7 с помощью датчика 17 с точностью ±5·10 град.
Предложенное устройство для воздушного термостатирования калориметрической ячейки позволяет:
- сократить длительность вывода ячейки на рабочий режим;
- упростить обслуживание и эксплуатацию устройства за счет исключения использования воды в качестве теплоносителя при сохранении воспроизводимости и надежности получаемых значений тепловых эффектов.
Аналоги не обнаружены.