175885. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és készülék fizikai, kémiai folyamatok követésére és hőinek meghatározására
7 r\ Ù 175885 megszabja, amelyet a perifériális fűtő-hűtő és szabályzó, valamint jelfeldolgozó elektronikus egységek megfelelő illesztésével sem lehet tágítani, csak megközelíteni. Az egyes DDC-berendezések minősítésének és 5 újdonságának megítélésében, következésképpen a fejlesztésében is az elsődleges reális objektum maga a szenzor. A DDC-készülékek közé több cég által gyártott berendezés sorolható, de ezek közül a legmegbíz- 10 hatóbb működésű szenzorokra felépített és elméleti szempontból is újat jelentők, a Du Pont DSC (gyári elnevezés! téves!) valamint a Mettler TA 2000 típusú Termoanalizátor (gyakran nevezve szintén DSC-nek vagy kvantitatív DTA-nak, röviden 15 ODTA-nak!). A Du Pont berendezést az 1 218 606 számú brit szabadalom alapján valósították meg, amelynek végső kialakítását Baxter ismertette [R. A. Baxter: Thermal Analysis Vol. 1., Eds.: R. R. Schwenker. 20 Jr., P. D. Garn, Academic Press, New York (1969) 65-73. old.]. Lényeges jellemzője, hogy a szenzor egyedül a differenciál termoelemből épül fel, amelynek egyik anyagából megfelelően kialakított termoelem lapka 25 látja el a termoelemek szembekapcsolását és egyben a hőáramok vezetésének funkcióját is, kiküszöbölve a termikus vezető szükségességét. A AT hőmérsékletkülönbség jel, a termoelem másik anyagából készült huzalokon jelenik meg, amelye- 30 két a termoelem lapka alsó felén, a tégelyek felfekvési felületeinek középpontjaiban hegesztettek fel. Ugyanezen pontokba hegesztett, a lapka anyagából, vagy egy harmadikból készült huzalok szolgáltatnak előnyös hőmérsékletmérési lehetőséget. 35 A Mettler TA 2000 berendezés [W. Perron: Thermal Analysis, ICTA (1971) Vol. 1., Ed.: H. G. Wiedemann, Birkhäuser Verlag, Basel, Switzerland (1972) 35—43. old.] nem éri el a Du Pont készülék minőségét, mégis több szempontból figyel- 40 met érdemel. A szenzor egy vékony üveglapból és ezen vákuumpárlással kialakított, ötszörös differenciál termoelemből, differenciál termooszlopból épül fel. Az üveglap az előállítás technológiai folyamatában a vákuumpárolt rétegek hordozójaként 45 (szubsztrátumaként), a DDC-készülékben a hővezető lapkaként szolgál. Vákuumpárolt differenciál termoelemet elsőként King [W. H. King, C. T. Camilli és A. F. Findeis: Anal. Chem., 40, 1330 (1968)] használt DTA-ké- 50 szülék kialakítására, majd később Van Tets [Van Têts, H.G. Wiedemann: Thermal Analysis Vol. 1., Eds.: R. F. Schwenker, Jr., P. D. Garn, Academie Press, New York (1969) 121—35. old.]. A differenciál termooszlopok alkalmazásával a 55 szenzorok érzékenysége növelhető, az egyedi termoelemek karakterisztikáiban jelentkező eltérések átlagolódnak, nincsenek kihatással az alapvonalra, ami bizonyos mérvű szenzorstabilitást jelent. Ezen előnyök kihasználására próbálkozások már történ- 60 tek [P. D. Garn: Thermoanalytical methods of investigation, Academic Press, New York (1965) 115. old. és a 2 134 768 számú francia szabadalom], de erre a szokásos, huzalos termoelemeknél a vékonyrétegű termoelemek, mint az említett Mett- 65 1er -készülék szenzoráé, alkalmasabbak. Azonban alkalmazásuk a hőárammérőkben nem mindig megfelelő módon történik. Az 1 257 589 számú angol szabadalom egy, a testek felületén, normális irányban átfolyó hőáramok mérésére alkalmas mérőfejet ismertet, amelynek egyik eleme az ábrával is szemléltetett, vákuumpárolt termooszlop. A differenciál termooszlop helyes kialakításának egymással összefüggő két alapvető követelményét nem teljesíti. A differenciált termooszlopnak az egyedi differenciál termoelemek n egészszámú többszöröséből kell felépülnie, ami azt jelenti, hogy a hőmérsékletkülönbséggel rendelkező két helyen azonos számú érzékelő pontot kell elhelyezni, és a termooszlopot alkotó egyik, de azonos anyagából készült kivezetések a különböző hőmérsékletű helyekről eredjenek [Dr. Fülöp Zoltán: Hőtechnikai alapmérések, Tankönyvkiadó, Bp. (1969) 66. old.]. Az idézett szabadalomban leírt differenciál termooszlop a hőáram vezetésében nem vesz részt, ez további alkatrészekre hárul, feladata egyszerű hőmérsékletkülönbség mérés. Az említett követelmények áthágása még a differenciál termooszlop ilyen csökkentett funkciója mellett is jelentős zaj és drift forrása, különösen a precíz kialakítást megkövetelő, a DDC-készülék valódi hőárammérőjének (szenzorának) esetében. A Mettler készülék szenzorának differenciál termooszlopa ilyen szempontból helyesen van kialakítva. A (10) egyenletben foglalt, DDC-készülék paraméterek és kapcsolataiknak vizsgálata is már néhány jelentős hiányosságot tár fel. A módszer dinamikus jellege, közelebbről az ezt kifejező hőmérsékletváltozás sebessége tartja fenn az egyenlet első tagját (sztatikus mérésnél a = o), és biztosít lehetőséget a fajhő meghatározására. Azon túl, hogy az Rt • a • (Ca—1Cr) alapvonaleltolódás nemcsak a Ca, hanem Cr hőkapacitások függvénye is, a referencia (inert) anyag alkalmazásával számos további probléma merül fel. [R. C. Mackenzie: Differencial Thermal Analysis, Academic Press, London and New York (1970) 116—117 és 645. old.] Ezért fajhőméréseken kívül is, legtöbbször csak üres referencia tégelyt alkalmaznak, amelynek szükségességét már csak az adott készülékek méréstechnikai követelménye és az ebből eredő szakmai előítélet indokolja. A szenzorok és így természetesen a teljes kaloriméter teljesítőképességét megszabó leglényegesebb két paraméter az érzékenység és a dinamikus viselkedésüket jellemző időállandó. Az egyik paraméter javítása, a másik rovására oldható meg, mivel egyazon jellemzőn a szenzor Rt termikus ellenállásán keresztül állnak egymással előnytelen kapcsolatban, így a megfelelő szenzor konstrukció egyik alapfeltétele a két paraméter optimális viszonyát biztosító termikus ellenállás beállítása, amely az ismertetett szenzoroknál a termoelektromos, illetve az üveg lap (hordozó) alkalmasan megválasztott geometriai méreteivel érhető el. Úgy tűnik, hogy az utóbbi esetben a termooszlopot alkotó termoelemek számának növelése lehetőséget ad az érz - kenység független növelésére, azonban ezt az adó 4
