Описание лабораторной установки

Измерительный блок дериватографа состоит из трех спаев тepмопар, помещенных в рабочую камеру вертикальной трубчатой печи. Как видно из рис. 9.6, в тепловом контакте с образцом находится только один спай (сравнить со cxeмой на рис. 9.3), выводы от которого одновременно могут быть подключены в двум приборам: милливольтметру (мВ), измеряющему температуру образца, и к гальванометру (Г), показания которого пропорциональны разнице температур образца и эталона. Второй спай находится в контакте с эталоном. При помощи третьей термопары (на рис. 9.6 не показана) контролируется температура печи. Эта термопара связана с блоком программирования, который задает скорость и максимальную температуру нагрева. В зависимости от конкретной задачи термического анализа в дериватографе можно задавать максимальную температуру печи, равную 125, 250, 500, 1000 °С, и скорость нагрева до этих температур, равную 0,6; 1,25; 2,5; 5; 10; 20 К/мин.

мВ- милливольтметр, измеряющий температуру образца при положении 1-3, 2-4 ключа К; Г - гальванометр, показания которого пропорциональны разнице температур образца и эталона; R - шунтирующее сопротивление; П -печь; Э - эталон; О - образец

Рисунок 9.6 - Измерительный блок дериватографа и схема подключения термопар

Исследуемый образец и эталон помещаются в одинаковые керамические тигли с углублением в дне для насадки на рабочие спаи термопары, расположенной в керамической трубке и находящейся в вертикальном положении. В результате спай термопары находится как бы внутри образца, но отделен от него стенками тигля.

Роль теплового изолятора между образцом и эталоном играет воздух. Поэтому расстояние между центрами тиглей, где находятся образец и эталонное вещество, относительно велико (~ 25 мм).

Милливольтметр (мВ) фиксирует текущую температуру образца или эталона в зависимости от положения ключа К, а гальванометр Г - разницу между температурой образца и температурой эталона. Используя ключ К, можно попеременно подключать к милливольтметру либо левую (положение 1-3, 2-4 ключа К), либо правую (1-4, 2-3) термопары. Если принять, что левая термопара предназначена для измерения температуры образца, то при работе ключ К должен находиться в положении 1-3 и 2-4, которой обеспечивает подключение этой термопары к милливольтметру. Независимо от способа подключения ключа К, гальванометр будет давать показания, пропорциональные разнице температур Т образца и эталона.

В исследуемой установке электрические сигналы от простой и дифференциальной термопар усиливается электронными усилителями и выводятся на самописцы. Бумажная лента для самописцев движется с задаваемой скоростью, и на ленту наносятся показания регистрирующих приборов во временной развертке.

Расположение основных блоков дериватографа приведено на рис. 9.7. В "Дериватографе-Q-1000" применяются две идентичные нагревательные печи для возможно более полной загрузки прибора: в то время, как одна из печей охлаждается после предыдущего опыта, вторая может применяться для новых измерений.

1 - печь в рабочем положении; 2 - запасная печь; 3 - блок дополнительных устройств; 4 - регистрирующий самописец и пульт управления; 5 - программное устройство, задающее скорость и предельную температуру нагрева

Рисунок 9.7 - Схема расположения основных блоков установки

Ранее отвечалось, что если в образце не происходят превращения, связанные с выделением или поглощением теплоты, то в идеальном случае его температура должна быть равна температуре эталона. В этой случае самописец, воспринимающий усиленный электросигнал от простой термопары, должен выписать на ленте прямую линию с наклоном, зависящим от заданной скорости нагрева, а сигнал от дифференциальной термопары должен воспроизводиться в виде горизонтальной линии.

Обычно на практике не удается обеспечить полной идентичности тепловых условий, в которых находятся эталон и образец в печи, поэтому "базовая" кривая, то есть кривая зависимости Т от t, вычерчиваемая в отсутствие тепловых эффектов в образце, представляет собой не горизонтальную, а наклонную линии, причем наклон может изменяться в зависимости от достигнутой температуры и скорости нагрева.

Можно выделить следующие основные факторы, приводящие к отклонению базовой кривой Т (t) от горизонтали:

1. Неоднородность нагрева тиглей с эталонным веществом и образцом. Это происходит из-за различия в расстояниях между тиглем и поверхностью печи, а также из-за неодинаковой отдачи тепла её внутренней поверхностью.

2. Различие в теплопроводности и теплоемкости образца и эталона. Роль этого фактора увеличивается при ускоренном нагреве. Уменьшить его влияние можно подбором соответствующего эталона либо изменением массы используемого эталона.

3. В результате превращения базовая кривая может изменить свой наклон в результата того, что исследуемый материал приобрел новые теплофизические свойства (теплопроводность и теплоемкость).

В заключение отметим одно важное в методическом отношении обстоятельство - в описываемой установке не предусмотрено программное охлаждение. Поэтому характер изменения температуры после автоматического отключения печи резко отличается от такового при нагреве - температура сначала круто уменьшается, а затем скорость ее уменьшения сильно замедляется. Это, в свою очередь, приводит к большому различию в характере "базовых" кривых при нагреве, и охлаждении, а также дополнительным погрешностям, в первую очередь, при оценке величины термического гистерезиса в случае фазовых переходов I рода (термический гистерезис зависит от скорости изменения температуры).