热分析仪制造技术

一种热分析仪，特别是差示扫描量热仪，以及控制所述热分析仪的方法。所述热分析仪包括用于容纳样本（２０６）的样本位置（２０１，４０１），参考位置（２０２，４０２），与所述样本位置（２０１，４０１）和所述参考位置（２０２，４０２）相关联的加热模块，用于设置温度标称值对时间的预定温度程序的模块，第一传感器（４０７），用于测量所述样本位置（２０１，４０１）处的样本温度（Ｔｓ），并且还包括控制器，其控制所述加热模块的加热功率，其特征在于，对所述加热模块（２０３，４０３，２０４，４０４）的加热功率进行控制，以使所所测量的样本温度（Ｔｓ）实质上跟随所述预定的温度程序。

【技术实现步骤摘要】
热分析仪本专利技术涉及利用增强的热通量模式的热分析仪以及操作该仪器的方法。热分析仪一般地用于测量暴露于温度变化和/或温度程序的样本的不同特征和属性。这种热分析仪公知的例子是量热仪，特别是差示扫描量热仪 (differentialscanning calorimeter, DSC)。DSC用来记录样本或样本材料物理或化学特 征与温度有关的变化。例如，这些为与放热或吸热事件有关的热流测量，其中该放热或吸热 事件伴随受温度变化影响样本(sample)中的相变和其他效应。对样本内的变化相对于参 考来进行确定，该参考可以是空参考位置或适当的参考材料。根据DSC的类型，参考材料或 样本材料可以直接置于相应的测量位置，或者，其可以置于适当的坩埚(crucible)中，然 后将该坩埚置于相应的测量位置上——样本位置或参考位置。开发了芯片式量热仪用来分析极薄膜以及质量在微克甚至纳克范围的粒子，这通 常基于硅技术。对这些芯片式量热仪(例如高速DSC)不同用途的综述，在下文中给出 A. W. van Herwaarden, "Overview of CalorimeterChips for Various Applications，，， Thermochimica Acta,432(2005)，192—201。热分析仪的两种主要的控制规则或模式是公知的，它们是热通量和功率补偿。通过控制加热功率或者通过在样本位置放置额外的加热器(通常称为补偿加热 器)并对其进行单独控制，功率补偿通常在热分析仪中实现。样本位置、参考位置以及置于 所述测量位置之一的任何材料将受温度程序(temperature program)的影响，该温度程序 由相应加热器(heaer)施加给相应的测量位置。样本加热器仅仅是模拟参考加热器传递的 加热功率。所述补偿加热器用于传递任何额外的加热样本所需的功率，使其发生相变，而样 本位置和参考位置之间的温度差受到控制以保持基本为零。热通量规则通常在热分析仪(例如量热仪)中实现，其具有包括样本位置和参考 位置的共同的保持器(holder)。保持器与共同的加热器相关联，该共同的加热器的加热功 率由参考位置的温度来控制。加热器与样本位置和参考位置之间的热传导路径得到确切的 限定，可以对根据样本和参考的温度信号计算出的热流进行定量分析。在热通量模式中，参考位置和样本位置的加热功率根据温度程序由参考位置处的 实际温度来控制。不幸的是，当样本经历热事件和/或从热事件弛豫(relax)时，特别是当 弛豫相对较慢时，样本温度会从设置的程序温度实质地偏移，并且样本温度会关于时间实 质上成非线性。另外，为了确定样本净热流，所有热属性都需要高度准确地知道，因为该确 定一般地对任何这些属性中的不准确性非常敏感。这些缺点会导致例如错误的测量结果。因此，开发热分析仪，特别是热分析热通量仪将是有益的，其克服前面描述的热通 量规则的缺点，并提供具有更高可再现性和准确性的结果。该热分析仪的开发无法在经典热通量规则的框架内实现。术语“经典”热通量规 则是指已知规则。参考附图说明图1，一般地描述了当在受控条件下例如在采用热通量的热分析仪内 对参考位置和样本位置进行加热时关于热流的基本规则。参考位置和样本位置也称为“测量位置”。图1示出了样本位置1和参考位置2的示意性表示，该样本位置1和参考位置2 或者与共同的加热器13相关联，或者与单独的加热器(这里未示出)相关联。样本6置于 样本位置1上，参考位置2优选是空的。对于该情形，进入和来自参考位置2的所有热流累 加成一个净热流<formula>formula see original document page 4</formula>进入样本位置1的净热流由表示。参考位置2处和 样本位置1处的温度为Tk和Ts，它们在相应的测量位置假定是均勻的。样本位置1处的能量平衡要求<formula>formula see original document page 4</formula>Cs表示样本位置的热容，m为样本质量，cp为样本6的比热，具体为样本材料的比 热，4为因样本6内的热事件而进入样本6的热流。同样，参考位置2的能量平衡可表示为<formula>formula see original document page 4</formula>(2)其中Ck是参考位置的热容。对于这些计算，假定参考位置2为空且不与任何参考材料相关联。不过，原则上可 以使用参考材料或物质。式(1)减去(2)，得到<formula>formula see original document page 4</formula>(3)式3左边表示测量位置1、2之间的净热流失衡(即，进入的热流减去流出的热 流)，取测量位置1、2之间的差。左边包含来自测量位置1、2之间的有效施加给环境的加热 功率和/或热阻差以及可能来自样本位置和参考位置之间直接热流的贡献。式3右边表示 测量位置1、2之间的热耗率之差，其来自于两个空的测量位置1、2之间内在的热容或热失 衡差、样本6的热容、以及来自于样本6内发生的任何热事件。对式3求解进入样本6的净热流，得到<formula>formula see original document page 4</formula>(4)根据实际的设置，特别是测量位置1、2使用的是共同的加热器13还是单独的加热 器，包含来自于加热器13和测量位置1、2之间、测量位置1、2和热环境之间和/ 或样本位置1和参考位置2相互之间的热流的贡献。最常见地，每一个这些项可以被表示 为由温度差所驱动的、跨热阻的热流。如果涉及的所有热阻和温度都已确切定义，就可以获 得式4中热流项差 的量化结果，尽管在实践中这些热属性中的小的误差会导致 净热流信号中大的相对不准确性。当在热分析仪中实现经典热通量规则时，对参考温度Tk进行控制，以跟随预定的 温度程序。举例来说，该温度程序可包含时间段，在所述时间段的每个内Tk保持常数值—— 保持等温——或者随时间线性变化。因此，其时间导数fK是时间无关的(至少在一个程序段内)，从而式3可以重写为<formula>formula see original document page 5</formula>其中，S = &表示扫描速率，AT = Ts-Te为测量位置1、2之间的温度差。在非极端情况下，可以假设热容差|CS-CK|与样本的热质m*cp相比较小，使得式5中的净热流可进一步化简为<formula>formula see original document page 5</formula>其中Ck Cs三C或者，如果求解净热流<formula>formula see original document page 5</formula>假定实质上均勻的加热器和/或环境温度，以及连接样本位置1和参考位置2与 它们相应的热环境的热阻间的基本的对称性，式7中的净热流项将由与测量位置1、2间的 温度差ΔΤ成比例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热分析仪，特别是差示扫描量热仪，包括用于容纳样本（２０６）的样本位置（２０１，４０１），参考位置（２０２，４０２），与所述样本位置（２０１，４０１）和所述参考位置（２０２，４０２）相关联的加热模块，用于设置温度标称值对时间的预定温度程序的模块，用于测量所述样本位置（２０１，４０１）处的样本温度（Ｔ↓［Ｓ］）的第一传感器（４０７），用于测量所述参考位置（２０２，４０２）处的参考温度（Ｔ↓［Ｒ］）的第二传感器（４０８），并且还包括控制器（４２３），所述控制器（４２３）控制所述加热模块的加热功率，其特征在于，对所述加热模块的加热功率进行控制，以使所测量的样本温度（Ｔ↓［Ｓ］）实质上跟随所述预定温度程序，并且所述样本位置（２０１，４０１）和所述参考位置（２０２，４０２）之间产生的温度差代表测量信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：E范德克尔克霍夫，PPW范格兰斯文，
申请(专利权)人：梅特勒托利多公开股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]