差示扫描量热仪中一种功率补偿方法

　　0　引言

    差示量热扫描量热仪(DSC)是在程序控制下,使样品和参比物以相同的速率升温或降温,测量输入到样品、参比物的热量差与温度关系的仪器。主要用来测定物质相转变温度及转变热焓,观察材料结晶、熔融、液-晶转变、固化、玻璃化等过程。DSC分为热流型和功率补偿型。热流型DSC检测样品侧和参比侧温差,根据温差计算样品热反应过程中热焓。而功率补偿型DSC通过及时补偿两侧加热功率使两侧温差接近零,根据功率差直接计算热焓,具有响应速度快、热焓计算方便,样品与参比物温差更接近零等优点。功率补偿型DSC需要实时调整两侧加热功率,跟踪温差零点,其功率补偿方法有模拟电路补偿方法[1]和PID控制法[2]。模拟电路补偿方法调整复杂,很难达到最优状态;传统PID控制方法算法简单、稳定性好,但需要精确的数学模型,不同样品差别较大,统一的模型难以兼顾所有样品。文献[3]将模糊算法与PID算法结合起来,应用于氧压控制系统,改善动态响应特性和自适应能力。将模糊-PID算法应用于功率补偿型DSC中,动态修改PID控制器的kp、kd及ki参数。实验证明:该方法减小了两侧温差,缩短了补偿时间。

　　1　功率补偿型DSC工作原理

　　功率补偿型DSC控制样品侧和参比侧按相同的速率升降温,当样品发生吸放热反应时,调整两侧的输入功率以保持两侧温度相等。两侧功率差的变化反映了样品吸放热热量,记录当前温度与功率差得到样品的DSC曲线。功率补偿型DSC结构如图1所示。主要由样品加热炉、参比物加热炉、炉温控制环路、功率补偿控制环路组成。每个加热炉带有炉体加热丝和补偿加热丝,炉体加热丝使样品炉、参比炉按一定速率升温(降温),补偿加热丝使两侧始终保持相同温度。在未放入参比物和样品时,两个加热炉完全对称,热容相同且稳定,工艺上的细微差别通过对炉温控制电路细调可以抵消,实现两侧同步升降温。当加入样品和参比物时,样品与参比物的热容差别及样品热效应导致两侧存在温差。功率补偿控制环路立即调整两侧补偿电热丝的电流及占空比,使温差立即回归到零。补偿功率差ΔP包含2部分,分别是样品与参比物的热容差导致的补偿功率差ΔP1和样品产生热效应导致的补偿功率差为ΔP2,如式(1)所示:

　2　功率补偿型DSC功率补偿硬件电路设计

　　功率补偿型DSC要求样品和参比物按照相同的、恒定的速率升降温,当样品发生热反应时,两端存在一定温差,功率补偿部分根据所测温差调整两侧加热功率,根据功率差得到DSC曲线。故温差测量电路和功率补偿电路是功率补偿型DSC的2个重要部分。