高精密自动绝热量热计的实验研究与分析

　　1　引　言

　　随着科学技术和工业的发展,材料热物性的测量被扩展到不同的领域:航空航天、微电子技术、生物技术、核能技术、新材料开发等高新技术领域以及石 油化工、钢铁冶金、建筑节能等工业领域,建立材料热物性的测量标准及量值溯源具有明显的重要性。为此,中国计量科学研究院改进了本院原有的绝热量热计,建 立了自动精密测控系统,并在80~275 K温区对美国国家标准技术研究院(NIST)的标准样品合成蓝宝石α-Al2O3进行了量热。测量结果的不确定度分析表明,样品容器加热量测量的准确度对 合成标准不确定度有着重要的影响[1]。

　　本文介绍了测量系统的改进。采用更高精度的稳压源替代原有的稳压源,并增加了测量电子仪器的积分时间。测量了NIST标准参考物质α- Al2O3的比热值,通过曲线拟合得到样品材料的焓增与温度的对应关系式,由此关系式对温度求导得到样品材料的比热值。对测量结果进行分析对比,在 85~290K温区内合成相对标准不确定度为9·62×10-4。而改进前,在同一温区上的合成相对标准不确定度为3·33×10-3[1]。由此可见, 改进后系统的测量不确定度水平比改进前有了大幅度的提高。

　　2　测量装置

　　2·1　绝热量热卡计

　　绝热量热卡计的结构示意图见图1。主要包括样品容器、热辐射屏、热电堆。从传热学方面考虑,为了保证真正的绝热,要求量热卡计具备较高的真空 度;悬线、加热丝导线、铂电阻测温导线均应细而长;内外屏温度应尽量精密跟踪。样品容器约60 mL,表面镀金以减少辐射换热。温度计从样品容器底下插入,其引线和热电堆引线从真空管引出前在热辐射屏上多绕了几圈,以减少导热热损。样品容器的外面是 表面镀金的热辐射屏,通过温控系统可跟踪样品温度。真空室用铟丝密封,样品容器及热辐射屏都在真空环境下,在80K温度下,真空度能达到 1×10-3Pa。实验前整个量热计放到液氮环境下,为了加快降温,可以给真空室充入氦气。也可以在样品容器中充入氦气来提高换热速度。

　　2·2　测量和控制系统

　　测量和控制系统框图如图2所示。主要包括作为模数转换器的HP3458A多用途表、计算机控制的低热电势转换开关、高精度电源、RS232控制器、标准铂电阻温度计。

　　根据实验数据分析可知,加热测量引入的相对不确定度为5·45×10-4,温度测量引入的相对不确定度为2·27×10-3,合成相对标准不确 定度为3·33×10-3[1]。可以看出,加热量及温度的测量这两项对合成相对标准不确定度影响很大。因此更换了一个精度为十万分之一的高精度直流稳压 电源。对HP3458A增大了积分时间,相应的数据采集程序也做了修改。