固体比热容计量标准装置和测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于计量科学领域，涉及一种用于固体比热容测量的固体比热容计量标准装置和测量方法。所述固体比热容计量标准装置(100)包括样品容器(10)、绝热跟踪装置(20)、充排气系统(30)和测量控制系统(40)，所述测量控制系统(40)包括样品加热系统(42)、样品加热能量回测系统(41)、温度测量系统(43)、绝热跟踪控制系统(44)以及计算机(45)。该固体比热容计量标准装置在测量时可以实现高度自动化控制无需过多的人工值守，整个样品容器温度易于均匀，确保样品容器的高绝热性，并准确地测量固体比热容。

【技术实现步骤摘要】
固体比热容计量标准装置和测量方法
本专利技术属于计量科学领域，涉及一种用于固体比热容测量的固体比热容计量标准装置以及该装置中包括的样品容器和绝热跟踪装置，以及采用该固体比热容计量标准装置的测量方法。
技术介绍
比热容(简称热容)是材料的热物性之一，通过热容的测量，一方面可以得到焓、熵、Gibbs自由能等基础热力学数据，另一方面还可以得到有关物质的结构、相变等方面的重要信息。热容的测定方法分为绝对法和相对法，相对法主要包括DSC、DTA等，其精度及准确度远远低于绝对法。从我国热容量值溯源体系(如图1所示)可以看出相对法的热力学数据测量需要通过一级α-Al2O3摩尔热容标准物质进行校准，才能保证量值的准确可靠。其中作为量值溯源载体的标准物质是实现有效测量即准确、可比、可溯源的根本保证，国家测量基标准是标准物质量值溯源的源头，是保证量值溯源的核心问题。各国的国家计量院为了发展贸易、规范市场次序、推动技术进步，不断提高国家基标准装置的测量水平，研制开发相关的标准物质以保持在激烈的市场竞争中的优势地位。目前我国一级α-Al2O3摩尔热容标准物质和一级热分析标准物质缺乏计量标准装置定值，原有的一级标准物质数量有限，作为国家最高一级的计量机构，建立固体比热容计量标准装置为标准物质定值，从而提升全国热力学测量数据的测量水平，保证我国相关测量分析仪器测量数据的准确，同时也为开拓更宽温度范围的标准物质奠定良好的基础，因此，建立固体比热容计量标准装置的工作是迫在眉睫。固体比热容测量装置按加热方式不同分为两种类型：一种为间断加热型，一种为连续加热型。对于中温范围而言，一般采用间断式的加热方式。加热连续或间断是根据需要来通过控制器调节实现的。在整个温度区间中，每升高5度或10度，停止加热，进入平衡期，达到平衡条件后，继续加热，这就是所称的间断式加热。为研制出高精度高准确度的热容测量装置，需要研制一套绝热热量计装置，而装置最核心的部分为样品容器的设计、跟踪屏及绝热设计。其中，样品容器具有盛放样品、安置加热器和保持温度场均匀的作用。跟踪屏和绝热设计则围绕着抑制、隔离热量散失的三种途径。热量散失有三种途径，对流、传导和辐射，跟踪屏和绝热设计需要围绕这三个途径展开。张金涛等提出了一种高精密自动绝热量热计对标准物质α-Al2O3进行了比热测量(“高精密自动绝热量热计”，计量学报，Vol.26,No.4,2005年10月，320-325)，这篇文献引入本说明书，作为参考。其报道的自动绝热量热计结构如下：样品容器为薄壁的圆柱形密闭容器，容积约60ml，外表面镀金以减少辐射换热，样品容器口用锡焊密封，密封后抽出内部空气，充入氦气，并将充入的氦气密封在样品容器内，以强化样品和样品加热器间的对流热交换；样品容器外有可跟踪样品温度的热辐射屏，样品容器和热辐射屏构成的系统置于一个真空夹层内，真空夹层被浸泡在液氮里，因此，热辐射屏是置于样品容器和液氮温度的环境之间；热辐射屏外表面均匀地布置有加热丝，与样品容器间有热电推，热电推的探测端和参考端分别连接在样品容器外壁和热辐射屏的内壁上，其电势差信号被送入控制器，控制器的反馈调节信号控制热辐射屏加热器电源，使得电势差信号始终趋于零。因此，通过这样的温度控制调节系统，热辐射屏的温度始终被控制，使其跟踪样品容器的壁面温度。这种绝热量热计存在的缺陷主要是：(1)样品容器口每次用锡焊密封，这样做直接影响到样品容器空当量的测量，这种过程本身不具有很强的可重复性，引入的不确定度比较大，同时，重复锡焊也容易对装置造成不可修复的损伤；(2)这样的设计在样品容器的使用方面，是很不经济的，因为在加工工艺上对焊接质量有较高要求，要求焊缝能够耐受真空，如果真空度不好，则样品容器内的惰性气体在受热情况下发生泄漏，从而影响测量结果的准确性；(3)张金涛等在80～275K的温度范围内采用该绝热量热计对α-Al2O3进行了量热实验。中国专利200810010885.8公开了一种量热系统，这篇专利文献引入本说明书，作为参考。其中，公开的绝热量热计采用三层绝热屏控温来保持绝热环境，样品容器由上盖和主体构成，在主体的上端外壁的侧缘设置有密封边缘，上盖扣合于密封边缘上并用胶粘合密封连接，上盖上固接有毛细管和挂环，加热丝缠绕于主体的外壁上，主体内设有散热片、温度计和示差热电偶，样品容器通过挂环悬挂于内绝热屏内，毛细管用于样品容器充氦气。这种量热系统也存在上述类似的问题，实际上都是从一个点出发去解决热交换的问题。但从一个装置而言，它应该是可以被重复使用的，而且每次使用产生的误差是在一定范围内，是一个确定状态。所以，在设计上就要充分考虑装置的重复使用，同时，对于样品容器和装置的空当量都是可以准确测量的，这样就可以最大限度地降低装置的误差。上述绝热量热计在绝热跟踪装置设计上采用了一层热辐射屏或者三层绝热屏，但回避了一个很重要的问题—温度梯度，即样品容器内加热器和样品容器直接存在温度梯度，样品容器上部和下部直接也存在温度梯度，这个问题在跟踪屏上同样也存在，由于温度梯度的存在，跟踪温度会出现误差，也很难避免样品容器和跟踪屏之间的热量交换，这样就很难严格确认注入样品容器中的能量。现有的绝热量热计大部分测量温区还局限在350K以下，超过400K温区的热量计极少。这主要是因为随着温度的升高，由辐射传热引起的热交换比对流和传导引起的热交换大得多，对于实现绝热的困难增大，使被测物质的热容测量误差加大，同时，在较高的温度下，样品的密封、加热丝及引线的绝缘问题凸显。因此，对于绝热量热计，更科学合理地设计绝热跟踪装置和样品容器来确保样品容器的高绝热性，科学设计自动充排气控制系统来实现操作简便和自动化，从而更加准确地测量固体比热容，实现比热容测量数据溯源至国际SI单位，在这一方面存在着需要。
技术实现思路
技术问题为了解决上述问题，本专利技术的一个目的在于提供一种用于固体比热容计量标准装置的样品容器，该样品容器通过合理设计，在测量时整个样品容器温度均匀，且无需用锡焊密封和用胶粘合密封。本专利技术的另一目的在于提供一种用于固体比热容计量标准装置的绝热跟踪装置，该绝热跟踪装置解决了温度梯度的问题，确保样品容器的高绝热性。本专利技术的还一目的在于提供包括上述样品容器和绝热跟踪装置的固体比热容计量标准装置，该固体比热容计量标准装置在测量时可以实现高度自动化控制无需过多的人工值守，并准确地测量固体比热容。本专利技术的又一目的在于提供采用上述固体比热容计量标准装置精确测量固体比热容的方法。技术方案根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供的用于固体比热容计量标准装置的样品容器10由样品池身11、池底12和池盖13构成，池身11与池底12的配合为间隙配合，池盖13与池身11的配合也为间隙配合；在所述样品池底部布置有至少两个辅助片状陶瓷加热器14，至少两个主片状陶瓷加热器15对称设置在样品池中，一个标准温度传感器17设置在样品池中心，至少两个工作温度传感器16设置在片状陶瓷加热器15和池壁之间。根据本专利技术另一方面，本专利技术提供的用于固体比热容计量标准装置的绝热跟踪装置20，由内向外依次包括杜瓦瓶21、跟踪屏22、隔热屏23和壳体24。其中，所述杜瓦瓶21由瓶体和瓶盖组成，所述瓶体和瓶盖均由耐高温双层石英玻璃制成，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体比热容计量标准装置，包括样品容器(10)、绝热跟踪装置(20)、充排气系统(30)和测量控制系统(40)，其中，样品容器(10)安置在绝热跟踪装置(20)内，其特征是，样品容器(10)由样品池身(11)、池底(12)和池盖(13)构成，池身(11)与池底(12)的配合为间隙配合，池盖(13)与池身(11)的配合也为间隙配合；在所述样品池底部布置有至少两个辅助片状陶瓷加热器(14)，至少两个主片状陶瓷加热器(15)对称设置在样品池中，一个标准温度传感器(17)设置在样品池中心，至少两个工作温度传感器(16)设置在片状陶瓷加热器(15)和池壁之间；绝热跟踪装置(20)由内向外依次包括杜瓦瓶(21)、跟踪屏(22)、隔热屏(23)和壳体(24)；所述充排气系统(30)用于向样品容器(10)和绝热跟踪装置(20)充气和排气；所述测量控制系统(40)包括：用于控制样品容器(10)加热的样品加热系统(42)；用于测量注入样品能量大小的样品加热能量回测系统(41)；用于样品容器(10)温度和绝热跟踪装置(20)的温度实时测量的温度测量系统(43)；用于绝热跟踪装置(20)控制的绝热跟踪控制系统(44)；以及用于数据采集和处理的计算机(45)。...

【技术特征摘要】
1.一种固体比热容计量标准装置，包括样品容器(10)、绝热跟踪装置(20)、充排气系统(30)和测量控制系统(40)，其中，样品容器(10)安置在绝热跟踪装置(20)内，其特征是，样品容器(10)由样品池身(11)、池底(12)和池盖(13)构成，池身(11)与池底(12)的配合为间隙配合，池盖(13)与池身(11)的配合也为间隙配合；在所述样品池底部布置有至少两个辅助片状陶瓷加热器(14)，至少两个主片状陶瓷加热器(15)对称设置在样品池中，一个标准温度传感器(17)设置在样品池中心，至少两个工作温度传感器(16)设置在主片状陶瓷加热器(15)和池壁之间；绝热跟踪装置(20)由内向外依次包括杜瓦瓶(21)、跟踪屏(22)、隔热屏(23)和壳体(24)；所述充排气系统(30)用于向样品容器(10)和绝热跟踪装置(20)充气和排气；所述测量控制系统(40)包括：用于控制样品容器(10)加热的样品加热系统(42)；用于测量注入样品能量大小的样品加热能量回测系统(41)；用于样品容器(10)温度和绝热跟踪装置(20)的温度实时测量的温度测量系统(43)；用于绝热跟踪装置(20)控制的绝热跟踪控制系统(44)；以及用于数据采集和处理的计算机(45)，其中，在绝热跟踪装置(20)中，所述杜瓦瓶(21)由瓶体和瓶盖组成，所述瓶体和瓶盖均由耐高温双层石英玻璃制成，在双层石英玻璃内部是真空且具有镀银层，真空度为10-5～10-6Pa，瓶体的底部设置有出线孔，孔内嵌有陶瓷绝缘管；所述跟踪屏(22)设置在杜瓦瓶(21)外部，由紫铜制成，且由开口封闭的瓶体和瓶底组成，在瓶底布置有至少两个250～400欧姆、200瓦的片状陶瓷加热器(221)，以及布置有工作温度传感器(222)，且瓶底设置有出线孔，孔内嵌有陶瓷绝缘管；所述隔热屏(23)设置在跟踪屏(22)外部，由不锈钢制成，为多层结构，瓶底、瓶身和瓶盖螺柱固定为整体，瓶底设置有出线孔，孔内嵌有陶瓷绝缘管；所述壳体(24)设置在隔热屏(23)外部，由不锈钢制成，由壳体和壳底组成，壳体和壳底采用真空密封法兰连接，壳底安装有真空高密度连接器、高精度压力传感器和充排气接口。2.根据权利要求1所述的固体比热容计量标准装置，其特征是，所述池身(11)、池底(12)和池盖(13)均由纯银制成；所述池身(11)与池底(12)构成的空间容积为70ml～100ml；池底(12)的厚度为8～14mm；池身(11)和池盖(13)的壁厚为2～5mm；所述样品池为方形或者圆柱形；在所述样品池底部布置有三个3欧姆、3瓦的辅助片状陶瓷加热器(14)，围绕样品池底部中心呈三角形分配，且辅助片状陶瓷加热器(14)为圆形；三个380欧姆、200瓦的主片状陶瓷加热器(15)，围绕样品池中心呈三角形分配，且主片状陶瓷加热器(15)为方形；对于所述辅助片状陶瓷加热器(14)，通过焊接的方式紧紧贴装在样品池底部；对于所述主片状陶瓷加热器(15)，两表面上附着有最大厚度为4毫米的纯银散热片；以及标准温度传感器(17)为25欧姆标准温度传感器；3个100欧姆工作温度传感器(16)设置在主片状陶瓷加热器(15)和池壁之间。3.根据权利要求1或2所述的固体比热容计量标准装置，其特征是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳，王海峰，孙国华，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11