ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МИКРОКАЛОРИМЕТР И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ
DIFFERENTIAL MICROCALORIMETER AND METHOD OF MEASURING HEAT RELEASE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении количества тепла, выделяющегося при контакте сухих дисперсных материалов с водой или другими жидкостями.
Известна конструкция дифференциального микрокалориметра (ДМК) (Книгина Г.И., Вершинина Э.Н., Тацки Л.Н. Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей. - М.: Высшая школа, 1985. - с.40-75). Конструкция этого ДМК содержит массивный центральный блок и расположенные в нем две калориметрические ячейки (КЯ) - основную и вспомогательную, снабженные измерительной термобатареей из 144 термопарных спаев и термобатареей из 30 термопар, предназначенной для компенсации эффекта Пельтье. Недостатком этого ДМК является то, что измерительная термобатарея фиксирует интегральное тепловыделение и температуру только в основной КЯ с точностью до 0,1-0,5°С. Столь низкая чувствительность ДМК обусловлена недостатками способа измерения тепловыделения, так как исследуемый порошок материала засыпается только в основную КЯ с водой, а во вспомогательной КЯ содержится только вода.
Наиболее близким по технической сути является ДМК (А.С. СССР №342087, G01К 17/08, БИ №19, 20.09.1972), содержащий рабочую и компенсационную КЯ, расположенные в массивном центральном блоке, снабженные измерительными и компенсационными (эффект Пельтье) термобатареями, причем измерительные термобатареи подключены друг к другу по дифференциальной схеме.
Недостатком этого ДМК является сложность конструкции, наличие массивного центрального блока и использование в качестве термодатчика измерительных и компенсационных термобатарей, обладающих значительной массой. Размещение обеих КЯ и термобатарей в центральном блоке приводит к возникновению взаимного теплообмена между КЯ в процессе измерений, что снижает точность измерений. Кроме того, на точность и достоверность измерений влияют недостатки способа измерения, при котором исследуемый материал вводится только в рабочую КЯ, что приводит к существенному разбалансу между э.д.с. в измерительных термобатареях, подключенных между собой по дифференциальной схеме.
Задачей изобретения является упрощение конструкции ДМК и повышение точности измерений. Поставленная задача решается с помощью предлагаемой конструкции ДМК, содержащего две КЯ, между которыми исключается возможность теплообмена за счет размещения их в индивидуальных теплоизолирующих сосудах, и снабженными единичными датчиками температуры в виде спая термопары или термометра сопротивления и соединенными между собой по дифференциальной (термопара) или уравновешенной мостовой (термометры сопротивления) схемам и подключенными через усилитель сигнала к измерительному прибору. Кроме того, поставленная задача решается и за счет применения нового способа измерения тепловыделения, заключающегося в том, что в обе КЯ засыпаются равные количества сухого испытуемого материала, и после достижения равенства температур в обеих КЯ, в одну из них вводится расчетное количество воды или другой жидкости, а изменение температуры в этой КЯ фиксируется по разности температур между сухим и увлажненным материалами одинакового состава и массы.
Принципиальная схема устройства с термопарным датчиком температуры представлена на фиг.1. ДМК содержит две КЯ с одинаковой массой, выполненные из металла с высокой теплопроводностью - латуни, меди, серебра. Каждая КЯ имеет глухое центральное отверстие, в котором размещается одиночный спай термопарного датчика температуры. Обе термопары соединены между собой по дифференциальной схеме и образуют одну дифференциальную термопару (ДТ).
Устройство работает следующим образом. В обе КЯ засыпается равные количества сухого исследуемого материала и уплотняется до одинакового объема. В КЯ-1 материал остается сухим во все время проведения измерений. В материал КЯ-2 с помощью микробюретки вводится расчетное количество воды или другой жидкости. При равенстве температур спаев ДТ возникающие в них э.д.с. направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются, а измерительный прибор фиксирует нулевое значение. При введении в КЯ-2 воды (жидкости) выделяется теплота смачивания или гидратации (сольватации), температура КЯ-2 повышается и тепло передается на спай ДТ, расположенной в КЯ-2. В результате теплового воздействия на один из спаев ДТ в ее цепи возникает разбаланс э.д.с., который через усилитель 3 поступает на измерительный прибор 4, который фиксирует тепловой эффект и его изменение во времени.
Принципиальная схема устройства с использованием в качестве датчиков температуры термометров сопротивления представлена на фиг.2. Устройство содержит две КЯ, выполненные из металла с высокой теплопроводностью - латуни, меди, серебра. Под днищем каждой КЯ расположены миниатюрные термометры сопротивления (ТС) и соединены они между собой по уравновешенной мостовой схеме.
2
2
Устройство работает следующим образом. В КЯ-1 и КЯ-2, имеющие одинаковую массу, засыпается сухой исследуемый материал с равной массой навесок. В КЯ-1 материал остается сухим во все время проведения измерений. В материал КЯ-2 вводится расчетное количество воды (жидкости), в результате чего в материале выделяется теплота смачивания или гидратации, температура КЯ-2 увеличивается и повышает температуру расположенного под ним ТС Rt. Увеличение температуры приводит к увеличению сопротивления Rt, что приводит к разбалансу моста и появлению между точками А и В напряжения, которое через усилитель 3 поступает на измерительный прибор 4, фиксирующий тепловой эффект и его изменение во времени.
2
1
2
Использование двух термометров сопротивления в устройстве обусловлено необходимостью компенсации количества тепла, выделяемого в соответствии с законом Джоуля-Ленца (Q=IRτ) на сопротивлениях Rt и Rt, возникающие под действием напряжения источника питания, подключенного к диагонали моста в точках С и D.
Для исключения взаимного теплообмена между КЯ каждая из них размещается в индивидуальных малогабаритных теплоизолирующих сосудах 5 из пенопласта, с небольшим воздушным зазором между КЯ и внутренней стенкой сосуда. При проведении измерений после ввода воды в КЯ-2 каждый сосуд с КЯ закрывается пробкой из пенопласта. Для снижения теплообмена с окружающей средой эти сосуды дополнительно размещают в индивидуальные теплоизолирующие оболочки 6, выполненные из материала с низкой теплопроводностью.
Предлагаемая конструкция ДМК, по сравнению с известными конструкциями, имеет следующие преимущества:
-- простота конструкции;
-- использование единичных датчиков температуры в КЯ;
-- исключается теплообмен между КЯ за счет размещения их в разных теплоизолирующих оболочках;
-- отпадает необходимость компенсации эффекта Пельтье, так как на термопарные датчики не подается напряжение от внешнего источника;
-- быстрый выход на режим достоверных измерений непосредственно после введения воды в материал, находящийся в КЯ-2;
-- высокая теплопроводность и низкая теплоемкость металла КЯ позволяет фиксировать тепловые эффекты быстропротекающих процессов растворения, гидратации и кристаллизации;
-- возможность измерения температуры тепловых эффектов с точностью до 0,05-0,01°С и менее;
-- использование навесок материала с массой 0,1-1,0 г;
-- устройство и способ позволяют измерять тепловыделение в течение длительного времени и по характеру тепловых эффектов судить о механизме происходящих процессов при контакте испытуемого материала с водой.
2
1
1
2
2
2
1
В качестве примера на фиг.3 представлены результаты измерений тепловыделения при контакте 1 г цемента с водой при водоцементном отношении (В/Ц), равном 0,3. Измерения проводились с использованием дифференциального датчика температуры (фиг.1). При использовании в качестве датчиков температуры термометров сопротивления (фиг.4) кривая тепловыделения цемента имеет аналогичный характер, но с тем отличием, что на устройстве (фиг.1) разность температур в КЯ-1 и КЯ-2 фиксируется по разности Δt=(t-t), а на устройстве (фиг.2) - по разности Δt=(t-t), так как при увеличении температуры в КЯ-2 сопротивление Rt увеличивается и температура t будет меньше температуры t в КЯ-1.
Тепловой эффект процесса смачивания (Qсм) можно определить по формуле:
Qсм=m·c·Δt, Дж, где
m - суммарная масса КЯ, навески порошка и вводимой воды, г;
с - средняя теплоемкость материала КЯ, порошка и воды, Дж/г К;
Δt - разность температур между КЯ-1 и КЯ-2.
Пример: при смачивании 1 г цемента 0,3 г воды в медной КЯ массой 10 г максимальная разность температур между КЯ-1 и КЯ-2 достигла 1,46 град. Тепловой эффект смачивания составляет:
- тепло, затраченное на нагрев КЯ - Qм=10·0,385·1,46=5,62 Дж;
- тепло, затраченное на нагрев цемента - Qц=1·0,81·1,46=1,18 Дж;
- тепло, затраченное на нагрев воды - Qв=0,3·4,19·1,46=1,84 Дж.
Общее количество выделенного тепла при смачивании цемента водой составляет: Qсм=5,62+1,18+1,84=8,64 Дж/г цемента.
Кроме представленного примера, тепловыделение при других процессах, происходящих в системе цемент-вода, можно определить по площади, заключенной между нулевой линией и кривой тепловыделения.
Простота предлагаемой конструкции дифференциального микрокалориметра и способа определения тепловыделения существенно упрощают методику проведения измерений и повышают их точность. Предлагаемые устройство и способ можно использовать в лабораториях заводов, научно-исследовательских организаций и учебных заведений при исследовании физико-химических свойств порошкообразных материалов.