RU2164681C1

RU2164681C1 - Measuring cell of differential thermal analysis unit

Info

Publication number: RU2164681C1
Application number: RU99113613A
Authority: RU
Inventors: Д.А. Жеребцов; Г.Г. Михайлов
Original assignee: Южно-Уральский государственный университет
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2001-03-27

Abstract

FIELD: analysis of substances. SUBSTANCE: unit has three uprights secured in bush. Secured to uprights are: thermal shield stack, bearing ring tightening the uprights and tension member for securing three crucibles which are tightened upward by means of thermocouple wires flexible secured in terminal block. EFFECT: enhanced sensitivity and resolving power of cell. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области технических средств для анализа веществ, а именно к конструкции датчиков измерительных систем, в частности к датчикам дифференциального термического анализа (ДТА). The invention relates to the field of technical means for the analysis of substances, namely, to the design of sensors of measuring systems, in particular to sensors of differential thermal analysis (DTA).

ДТА позволяет определять температуру и теплоту фазовых превращений, происходящих с веществом при нагревании. Повышение точности этих измерений требует введения дополнительных элементов в конструкцию измерительной ячейки. DTA allows one to determine the temperature and heat of phase transformations that occur with a substance when heated. Improving the accuracy of these measurements requires the introduction of additional elements in the design of the measuring cell.

Известно устройство, которое содержит тигель для исследуемого вещества, две термопары, упругие элементы для натяжения термопарных проволок, теплоотражающие экраны, стойку и клеммную колодку. Натяжение термопар позволяет однозначно фиксировать их относительно других элементов и отказаться от применения керамических изоляторов в горячей зоне ячейки [1]. A device is known that contains a crucible for the test substance, two thermocouples, elastic elements for tensioning thermocouple wires, heat-reflecting screens, a rack and a terminal block. The tension of thermocouples makes it possible to uniquely fix them relative to other elements and to abandon the use of ceramic insulators in the hot zone of the cell [1].

Недостатками известного устройства является то, что тигель имеет ненадежный тепловой контакт с термопарой, а также отсутствие второго тигля, роль которого выполняет один из экранов, и сложность калибровки устройства. The disadvantages of the known device is that the crucible has unreliable thermal contact with a thermocouple, as well as the absence of a second crucible, the role of which is played by one of the screens, and the difficulty of calibrating the device.

Известно устройство, которое содержит более двух идентичных тиглей в ячейке [2]. A device is known that contains more than two identical crucibles in a cell [2].

Недостатком устройства является слабый тепловой контакт тиглей с термопарой и наличие керамических изоляторов в горячей зоне ячейки, что ограничивает рабочий температурный диапазон. The disadvantage of this device is the weak thermal contact of the crucibles with a thermocouple and the presence of ceramic insulators in the hot zone of the cell, which limits the operating temperature range.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство, которое содержит два микротигля, ко дну которых снаружи приварены термопары, выполняющие несущую функцию по отношению к тиглям [3]. The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a device that contains two microtiglings, to the bottom of which thermocouples are welded from the outside, which carry a bearing function with respect to the crucibles [3].

Устройство имеет низкие чувствительность и точность измерения температуры и тепловых эффектов, что обусловлено малой массой исследуемого вещества, ограниченной низкой прочностью на изгиб термопар при высоких температурах. The device has low sensitivity and accuracy of measuring temperature and thermal effects, which is due to the small mass of the test substance, limited by low flexural strength of thermocouples at high temperatures.

Целью изобретения является повышение чувствительности и разрешающей способности ячейки, а также точности измерения температуры и тепловых эффектов. The aim of the invention is to increase the sensitivity and resolution of the cell, as well as the accuracy of measuring temperature and thermal effects.

Указанная цель достигается тем, что измерительная ячейка установки дифференциального термического анализа, содержащая два одинаковых тигля - эталонный и для исследуемого вещества, две проволочных термопары, закрепленные горячим спаем на донной части тиглей, а холодными концами закрепленные на клеммной колодке, упругие элементы для натяжения термопарных проволок, теплоотражающие экраны, согласно изобретению дополнительно снабжена тиглем, аналогичным вышеуказанным, для реперного вещества с известными температурой и теплотой превращения и закрепленной на стойках растяжкой из термопарной проволоки, к которой по направлению к теплоотражающим экранам притянуты тигли. This goal is achieved by the fact that the measuring cell of the differential thermal analysis installation, containing two identical crucibles - the reference one and for the test substance, two wire thermocouples fixed with a hot junction on the bottom of the crucibles and cold ends fixed on the terminal block, elastic elements for tensioning the thermocouple wires The heat-reflecting screens according to the invention are additionally equipped with a crucible similar to the above, for a reference substance with a known temperature and heat of more than thermocouple wire, fixed to the racks, to which crucibles are drawn towards heat-reflecting screens.

Такое закрепление тиглей позволяет увеличить их объем от 1-10 до 30-100 мм³, а следовательно, пропорционально увеличить массу вещества, помещаемого в тигель, и повысить чувствительность ячейки, поскольку тепловой обмен теплопроводностью с окружающими элементами конструкции остается минимальным и ограничен потоком тепла лишь по термопарным проволокам. Кроме этого, такая конструкция позволяет снизить уровень шумов, поскольку электрические наводки на термопарах взаимно компенсируются благодаря гальваническому контакту между тиглями, обеспеченному растяжкой из термопарной проволоки.Such fastening of the crucibles allows you to increase their volume from 1-10 to 30-100 mm ³ , and therefore, proportionally increase the mass of the substance placed in the crucible, and increase the sensitivity of the cell, since the heat exchange of thermal conductivity with the surrounding structural elements remains minimal and is limited only by the heat flux on thermocouple wires. In addition, this design allows to reduce the noise level, since the electrical pickups on the thermocouples are mutually compensated due to the galvanic contact between the crucibles, provided by stretching from the thermocouple wire.

Дополнение ячейки третьим тиглем, конструктивно и позиционно неотличимым от первых двух, в который помещается реперное вещество с известными температурой и теплотой превращения и от которого записывается сигнал дифференциальной термопары репер-эталон одновременно с сигналом дифференциальной термопары образец-эталон, позволяет калибровать ячейку по температуре и тепловым эффектам непосредственно в ходе эксперимента при полностью одинаковых физических условиях как для тигля с образцом, так и для тигля с реперным веществом, что значительно повышает точность измерений, а также позволяет отказаться от проведения отдельных калибровочных опытов и тем самым сэкономить время, электроэнергию, людские и материальные ресурсы. Supplementing the cell with a third crucible, which is structurally and positionally indistinguishable from the first two, into which the reference substance with known temperature and heat of transformation is placed and from which the differential thermocouple signal the reference standard is recorded simultaneously with the signal of the differential thermocouple sample standard, allows the cell to be calibrated by temperature and thermal effects directly during the experiment under completely identical physical conditions both for the crucible with the sample and for the crucible with the reference substance, which means tionary increases accuracy and eliminates the need of separate calibration experiments and thus save time, energy, human and material resources.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 дан общий вид измерительной ячейки, а на фиг. 2 - вид по сечению А-А на фиг. 1. The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows a general view of the measuring cell, and in FIG. 2 is a view along section AA in FIG. 1.

Устройство содержит три вольфрамовые стойки 1, закрепленные в медной втулке 2, которая центрируется по посадочной плите печи. К стойкам крепятся пакет теплоотражающих молибденовых экранов 3, опорное кольцо 4, стягивающее стойки и растяжка 5 для упора и закрепления трех тиглей 6. Последнее осуществляется путем подтягивания тиглей вверх с помощью термопарных проволок 7, которые закреплены в клеммной колодке 8 через упругие элементы 9. Тигли, изготовленные из листового молибдена толщиной 0,1 мм, имеют форму полусферы диаметром 5 мм. The device contains three tungsten racks 1, mounted in a copper sleeve 2, which is centered on the landing plate of the furnace. A package of heat-reflecting molybdenum screens 3, a support ring 4, a pulling rod and a brace 5 for stopping and fixing three crucibles 6 are attached to the racks. The latter is carried out by pulling the crucibles upward using thermocouple wires 7, which are fixed in terminal block 8 through elastic elements 9. Crucibles made from sheet molybdenum with a thickness of 0.1 mm, have the shape of a hemisphere with a diameter of 5 mm.

Устройство снаряжается и работает следующим образом. The device is equipped and operates as follows.

Вначале изготавливаются тигли 6 и изнутри к ним привариваются термопары 7 с помощью контактной сварки при помещении проволок между стенкой тигля и прямоугольной пластинкой из того же материала, что и тигель. Затем термопарные проволоки вводятся в ячейку снизу вверх сквозь отверстия в экранах 3 и керамические изоляторы во втулке 2. Свободные концы термопар изгибаются в виде буквы П для образования упругих элементов 9 и с натягом закрепляются в клеммной колодке 8. При этом края тиглей плотно прижимаются к растяжке 5, что не позволяет тиглям смещаться в ходе нагрева и однозначно фиксирует их положение относительно других элементов ячейки. После этого в тигель образца помещается навеска исследуемого вещества, а в тигель репера - навеска реперного вещества и ячейка погружается в печь. В ходе нагрева (или охлаждения) ячейки одновременно записываются сигналы термопар образца, репера, а также сигналы дифференциальных термопар репер-эталон и образец-эталон. Начало превращения в реперном веществе, регистрируемое дифференциальной термопарой репер-эталон, свидетельствует о достижении в ячейке известной температуры и позволяет определять отклонение градуировочной характеристики термопары от стандартной. Площадь пика превращения реперного вещества позволяет определять отклонение градуировочной характеристики дифференциальной термопары от стандартной и вносить соответствующую поправку при вычислении теплового эффекта в исследуемом веществе. First, crucibles 6 are made and thermocouples 7 are welded from the inside using resistance welding when placing wires between the crucible wall and a rectangular plate of the same material as the crucible. Then, the thermocouple wires are introduced into the cell from the bottom up through the openings in the shields 3 and the ceramic insulators in the sleeve 2. The free ends of the thermocouples are bent in the form of the letter П to form elastic elements 9 and are tightened in the terminal block 8. The edges of the crucibles are tightly pressed against the stretch 5, which does not allow the crucibles to move during heating and uniquely fixes their position relative to other elements of the cell. After that, a sample of the test substance is placed in the sample crucible, and a sample of the reference substance is placed in the reference crucible, and the cell is immersed in the furnace. During heating (or cooling) of the cell, the signals of the thermocouples of the sample, the reference point, as well as the signals of the differential thermocouples, the reference standard and the sample standard, are simultaneously recorded. The beginning of the conversion in the reference substance recorded by the differential reference thermocouple indicates the achievement of a known temperature in the cell and allows determining the deviation of the calibration characteristic of the thermocouple from the standard one. The peak area of the conversion of the reference substance makes it possible to determine the deviation of the calibration characteristic of the differential thermocouple from the standard one and to make the corresponding correction when calculating the thermal effect in the test substance.

С помощью описываемого устройства исследованы диаграммы состояния систем тугоплавких оксидов CaO-Al₂O₃ и ZrO₂-Al₂O₃, а также измерены температуры и теплоты фазовых превращений бериллия и железа.Using the described device, the state diagrams of the systems of refractory oxides CaO-Al ₂ O ₃ and ZrO ₂ -Al ₂ O _{3 were} studied, and the temperatures and heats of phase transformations of beryllium and iron were measured.

Устройство позволяет определять температуры фазовых превращений в диапазоне до 2200^oC с погрешностью менее 5^oC, а теплоты этих превращений с погрешностью менее 15%.The device allows to determine the temperature of phase transformations in the range up to 2200 ^o C with an error of less than 5 ^o C, and the heat of these transformations with an error of less than 15%.

Промышленное применение устройства охватывает анализ сырья, материалов и готовой продукции в металлургии, производстве огнеупоров, керамики, стекла, цемента и пр. Industrial use of the device covers the analysis of raw materials, materials and finished products in metallurgy, the production of refractories, ceramics, glass, cement, etc.

Источники информации, принятые во внимание
1. Авт. свидетельство N 231863. Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки, 1968, N 36; патент N 113396, Англия.Sources of information taken into account
1. Auth. certificate N 231863. Inventions, industrial designs, trademarks, 1968, N 36; Patent No. 113396, England.

2. Берг Л.Г. Введение в термографию. Изд 2-е, доп.- М.: Наука, - 1969-383 с. 2. Berg L.G. Introduction to thermography. 2nd ed., Moscow: Nauka, 1969-383 p.

3. Уэндландт У.У. Термические методы анализа/ Пер. с англ. под ред. В.А. Степанова и В.А. Берштейна. - М.: Мир, - 1978. - 526 с. 3. Wendlandt W.U. Thermal analysis methods / Per. from English under the editorship of V.A. Stepanova and V.A. Bershtein. - M .: Mir, - 1978. - 526 p.

Claims

The measuring cell of the differential thermal analysis installation, containing two identical crucibles - the reference one for the test substance, two wire thermocouples fixed with a hot junction on the bottom of the crucibles and cold ends fixed on the terminal block, elastic elements for tensioning the thermocouple wires, heat-reflecting screens, characterized in that it is additionally equipped with a crucible, similar to the above, for a reference substance with a known temperature and heat of transformation and mounted on racks a coupler of thermocouple wire, to which the crucibles are drawn towards the heat-reflecting screens, while the edges of the crucibles are tightly pressed to the stretch, and during heating, the signals of the thermocouples of the sample, the reference, as well as the signals of the differential thermocouples, the reference and the reference, are recorded.