差示掃描量熱儀的基本構成及其工作原理

本節以梅特勒一托利多DSC823^e為(wei) 例介紹差示掃描量熱儀(yi) 的基本構成及工作原理。

1.儀(yi) 器的基本構成

差示掃描量熱儀(yi) 主要由加熱係統、程序控溫係統、氣體(ti) 控製係統、製冷設備等幾部分組成，儀(yi) 器整體(ti) 結構如圖28-3所示。

圖28-3梅特勒-托利多DSC823^e型差示掃描量熱儀(yi) 結構圖

1-輸入至放大器的DSC原始信號;2-彈簧式爐體(ti) 組件;3-Pt100散熱片，用於(yu) 控製;4-指形冷卻設備(隻用於(yu) 冷卻器中);5-散熱片，連接至冷卻器;6-溫度控製器;7-至散熱片的熱阻;8-平板加熱器;9-至溫度控製器的Pt100信號;10-銀質爐體(ti) ;11-置於(yu) DSC傳(chuan) 感器上的坩堝;12-手動爐蓋;13-至選配泵的吹掃氣體(ti) 出口;14-手動爐蓋支架;15-避免冷凝的幹燥氣體(ti) 入口;16-吹掃氣體(ti) 進氣口

圖28-4是裝有FRS 5傳(chuan) 感器的DSC測量單元的截麵簡圖。試樣坩堝和參比坩堝正確放置於(yu) 傳(chuan) 感器圓盤之上。一個(ge) 玻璃陶瓷薄圓片(界麵)將傳(chuan) 感器與(yu) 爐體(ti) 的銀板連接。吹掃氣體(ti) 從(cong) 儀(yi) 器的下部進入到樣品池內(nei) 。Pt100測量爐體(ti) 溫度T_c。兩(liang) 根FRS 5原始信號金絲(si) 和吹掃氣體(ti) 位於(yu) FRS 5傳(chuan) 感器下中央位置。

圖28-4裝有FRS 5傳(chuan) 感器的DSC測量單元的截麵簡圖

(1)加熱係統

爐子的加熱方式與(yu) 爐子的類型有關(guan) ，主要取決(jue) 於(yu) 溫度範圍。加熱方式有電阻元件、紅外線輻射和高頻振動，常用的是電阻元件對爐子加熱，本爐子也是如此。

爐腔內(nei) 有一傳(chuan) 感器置於(yu) 防腐蝕的銀質爐體(ti) 中央(純銀的爐體(ti) 導熱性好，受熱均勻)，如圖28-5所示。

圖28-5加熱係統爐腔

傳(chuan) 感器的表麵用陶瓷塗敷，安裝在直接與(yu) 銀質爐體(ti) 的加熱板接觸的玻璃陶瓷片上，以防化學侵蝕與(yu) 汙染。爐蓋是三層疊加的銀質爐蓋，外加擋熱板以有效地與(yu) 環境隔離。爐體(ti) 下方有一個(ge) 400 W電熱板對爐體(ti) 加熱，純銀的爐體(ti) 被彈簧式爐體(ti) 組件壓在平坦加熱器的絕緣片上。由Pt100溫度傳(chuan) 感器生成溫度信號。爐體(ti) 的熱量通過片形熱阻傳(chuan) 至散熱片。DSC823^e量熱儀(yi) 的溫度範圍為(wei) -60～700℃。

DSC傳(chuan) 感器(如FRS 5、HSS 7和HSS 8)的熱電偶以星形方式排列，可單獨換。在坩堝位置下測量試樣和參比的熱流差。熱電偶串聯連接，可產(chan) 生高的量熱靈敏度。凹進傳(chuan) 感器圓盤的下凹麵可提供必要的熱阻。由碾磨加工磨去了多餘(yu) 的材料，導致熱阻很小，坩堝下的熱容量很低，因此還獲得了非常小的信號時間常數。圓盤形傳(chuan) 感器由下垂直連接，使得水平溫度梯度最小化，本儀(yi) 器使用的是FRS5傳(chuan) 感器，有56對熱電偶，具有*的靈敏度和溫度分辨率，如圖28-6，圖28-7所示。

圖28-6DSC傳(chuan) 感器

圖28-7放大之後的DSC傳(chuan) 感器

(2)程序控溫係統

爐子溫度升降的速率受溫度程序控製，其程序控製器能夠在不同的溫度範圍內(nei) 進行線性的溫度控製，如果升溫速率是非線性的將會(hui) 影響到DSC曲線。程序控製器的另一特點是，必須對於(yu) 線性輸送電壓和周圍溫度變化是穩定的，並能夠與(yu) 不同類型的熱電偶相匹配。

當輸入測試條件之後(如從(cong) 50℃開始，升至500℃，以20℃/min的升溫速率)，溫度控製係統會(hui) 按照所設置的條件程序升溫，會(hui) 準確地執行發出的指令。溫度準確度為(wei) ±0.1℃，溫度範圍為(wei) -60～700℃。這些控溫程序均由熱電偶傳(chuan) 感器(簡稱熱電偶)來執行。

(3)氣體(ti) 控製係統

氣氛控製係統分兩(liang) 路，一路是反應氣體(ti) ，由爐體(ti) 底部進入，被加熱至儀(yi) 器溫度後再到樣品池內(nei) ，使樣品的整個(ge) 測試過程一直處於(yu) 某種氣氛的保護中。至於(yu) 通入什麽(me) 氣體(ti) ，要以樣品而定，有的樣品需要通入參加反應的氣體(ti) ，有的則需不參加反應的惰性氣體(ti) ，最後氣體(ti) 通過爐蓋上的孔逸出。另一路是吹掃氣體(ti) ，爐體(ti) 和爐蓋間必須充入吹掃氣體(ti) ，避免水分冷凝在DSC儀(yi) 器上。

氣體(ti) 控製係統有兩(liang) 種形式，一種是手動的方法調節流量計的流速大小；另一種是配一套自動的氣體(ti) 控製裝置，由程序切換、監控和調節氣體(ti) ，可在測試過程中由惰性氣氛切換到反應性氣氛。可自動切換四五種氣體(ti) ，本儀(yi) 器使用的是手動方法切換和調節氣體(ti) 。

(4)自動進樣器

低溫型的DSC儀(yi) 均配備有自動進樣器，高溫型的目前尚未配備。圖28-8為(wei) 自動進樣器的機械手，圖28-9為(wei) 自動進樣器樣品池。自動進樣器的一個(ge) 功能是，在設置好測試條件的前提下，可按照指令抓取坩堝，送入儀(yi) 器開始測試，實驗結束後再取出坩堝，可使儀(yi) 器連續24h工作，大大提高了工作效率。自動進樣器能處理多達34個(ge) 樣品，每種樣品都可用不同的方法和不同的坩堝，但需要注意的是，坩堝放的位置和軟件設置的坩堝位置一定要一致，否則會(hui) 馬上彈出一個(ge) 窗口加以提示，並且停止工作，直至調整兩(liang) 者坩堝的位置一致，才繼續工作。

圖28-8自動進樣器的機械手(Sample Robot)

圖28-9自動進樣器樣品池

自動進樣器的另外一個(ge) 功能是，能在測量前移走坩堝的保護蓋，或者給密封的鋁坩堝的蓋鑽孔。這種*的功能可以防止樣品在稱量後到測量前這段時間吸入或失去水分，也能防止對氧氣敏感的樣品在測試前發生變化。

如果是揮發性很強的樣品則不適宜用自動進樣排隊等待測試，因為(wei) 卷邊鋁坩堝的蓋子上有洞，樣品容易揮發。最好是稱好樣品後馬上測試，或改用密封坩堝測試。

(5）製冷設備

DSC儀(yi) 配有一個(ge) 外置製冷機，可使爐溫降至-60℃，為(wei) 防止結冰和冷凝，並有絕緣組件，吹掃氣體(ti) 一定要環繞在爐體(ti) 周圍，避免爐體(ti) 和爐蓋凍結。機械製冷的最大特點是方便，比罐裝液氮省時省力，缺點是溫度降得越低，使用時間越長，並且使用範圍不如液氮，液氮可使溫度降得低。

需要注意的是製冷機不能在超過32℃的室溫條件下工作，使用溫度為(wei) 22℃。

2.工作原理

DSC的工作原理以功率補償(chang) 型的為(wei) 例，整個(ge) 測試係統由兩(liang) 個(ge) 交替工作的控製回路組成。一個(ge) 是平均溫度控製回路，另一個(ge) 是差示溫度控製回路。如圖28-10所示。

圖28-10功率補償(chang) 型DSC儀(yi) 的工作原理

平均溫度控製回路的作用是以預定程序來改變爐腔溫度。通過溫度程序控製器發出一個(ge) 與(yu) 預期的試樣溫度TP成比例的電信號，這一電信號要先與(yu) 由平均溫度計算器輸出的平均溫度TP’的電信號進行比較，再由放大器輸出一個(ge) 平均電壓。這一電壓同時加到設在試樣和參比支持器中的兩(liang) 個(ge) 獨立的加熱器上。隨著加熱電壓的改變，加熱器中的加熱電流也隨之改變，消除了TP與(yu) TP’之差，此時試樣和參比物均按預先設定好的程序，呈線性升溫或降溫。溫度程序控製器的電信號同時
也輸入到記錄儀(yi) 中，作為(wei) DSC曲線的橫坐標信號。平均溫度計算器輸出的電信號的大小取決(jue) 於(yu) 反映試樣和參比物溫度的電信號，它的功能是計算和輸出與(yu) 參比物和試樣平均溫度相對應的電信號，供與(yu) 溫度程序電信號相比較。樣品的電信號由設在支持器中的鉑電阻測得。

差示溫度控製回路的作用是維持兩(liang) 個(ge) 樣品支持器的溫度始終相等，這種保持試樣和參比物的溫度差始終為(wei) 零的工作原理稱為(wei) 動態零位平衡原理。

在差示溫度控製回路中，樣品和參比的溫差電信號經變壓器耦合輸入到放大器，並經放大後，再由雙管調製電路依據參比物溫度和試樣溫度間的溫度差來改變電流，並調整差示功率以保持試樣和參比物支持器的溫度差為(wei) 零，並且將與(yu) 差示功率成比例的電信號同時傳(chuan) 送到記錄儀(yi) 中記錄下來，便得到DSC曲線，其峰的麵積與(yu) 物質轉變所吸收或放出的熱量成正比。