高精密自动绝热量热计的实验数据处理方法的分析与研究

　　0　引言

　　热量传递现象表现在一切有温度变化的过程中,其普遍性决定了测量方法的重要性。随着生产和科学技术发展的需要,材料比热的测量,是科学研究和技术开发应用的基础,进行高精密的比热测量,对于开发标准参考物质、对低精度的比热测量仪器进行校准等都具有重要的科学意义。研究结果表明,在10 K~800 K的温度范围内,绝热量热测量是取得精密比热测量结果的基本方法,对于低于常温的测量,该方法是唯一的。采用绝热量热测量,为了得到样品的热焓,要分别测量实容器和空容器的热焓,相减得到样品的热焓。实际测量中,由于空容器和实容器的测量初始温度及测试的温度点各不相同,不能直接相减得到样品的热焓,需要通过对实、空容器热焓测量值进行曲线拟合,才能得到样品的焓值。对于不同的考虑,就有不同的数据处理方法,一般是对单次实、空容器实验的测量值单独进行拟合,然后计算相同温度点的焓值,并相减得到样品焓值,再对这些焓值进行曲线拟合。这个方法实施起来很繁琐。本文提出了一个新的实验数据处理方法,对与多次的实、空容器测量数据,按温度和热焓进行排序,然后先对实容器进行焓温曲线拟合,得到拟合关系式,将空容器实验测量点的温度值代入到此拟合关系式,与空容器的焓值相减得到这些温度点对应的样品焓值,再对样品焓增值进行拟合,得到样品焓值的拟合关系式。本文在90 K~290 K温区范围,利用计量院对标准样品α-Al2O3的量热测量实验结果,对新旧实验数据处理方法进行了分析、比较,表明新方法的拟合结果与以往方法在相对值为-0·002~0·004的范围内是一致的,因为新方法的排序是自动进行的,所以拟合的工作效率较以往的方法有了较大的提高。

　　1　测量装置

　　1·1　绝热量热计

　　绝热量热卡计的结构示意图如图1所示。

　　样品容器为薄壁的圆柱形密闭容器,其容积大约为60m,l为了保证良好的导热性能选用紫铜做材料,内部有均热片,其表面镀金为了防辐射。样品容器口用锡焊密封,样品容器内充入氦气为了加快热平衡。如图所示,加热器设置在样品容器中心,标准套管式铂电阻温度计从下孔插入,并与样品容器中心管壁有良好的热接触。辐射屏表面均匀绕丝,在辐射屏内表面和样品容器外表面之间设置十只串联的铜康铜热电堆。从传热学角度,为了防止热量的损失,保证真正的绝热,我们必须减少辐射、对流、导热热损。辐射屏主要是为了防止辐射漏热,热电堆热电势差值信号被送入控制器,控制器的反馈调节信号控制辐射屏加热器电源输出,使得电势差信号始终趋于零。为了减少对流热损,我们利用真空系统使样品容器及辐射屏工作在真空环境下,在80K温度下,真空度能到1×Pa以上,在这个环境下对流换热忽略。整个真空室有12根引出线,包括样品加热丝、温度计、热电堆、辐射屏加热丝引线,这些引线在辐射屏上环绕多圈,热锚在辐射屏上,使得引线的温度与样品容器的温度接近一致,从而减小引线漏热损失。通过采取这些措施,构成绝热量热计。