Các khái ni-m c b3n c4a phân tích nhi-t

Một phần của tài liệu phân tích nhiệt ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu (Trang 46 - 71)

Phân tích nhi�t là m�t ngành khoa h�c th�c nghi�m, có ��i tư�ng nghiên c�u r�t r�ng. Bên c�nh các khái ni�m cơb�n, chung v�i các ngành nhi�t��ng l�c h�c, khoa h�c v�t li�u, hay các ngành khoa h�c khác, phân tích nhi�t còn có nh�ng khái ni�m và quy ��nh riêng. Các khái ni�m này, m�t m�t ��m b�o tính ph�thông, m�t m�t ph�n ánh nh�ng ��c thù riêng c�a phân tích nhi�t. Chính vì v�y, các quy ��nh này không ph�i là b�t bu�c cho m�i��i tư�ng. Ch�ng h�n, các công b�trên các t�p chí thu�c ICTAC bu�c ph�i tuân th�các quy ��nh v�

chu�n hoá khi công b�d�li�u phân tích nhi�t, nhưng s�là không b�t bu�c khi công b� trên các t�p chí khác. Các ph�n dư�i �ây s� gi�i thi�u m�t s� khái ni�m và k� thu�t cơb�n c�a phân tích nhi�t, d�a theo các qui ��nh c�a ICTAC.

II.2.1. Nhit�� và kthuto nhit��

C�m nh�n nóng l�nh là b�n n�ng t�nhiên c�a con ngư�i. M�t��a bé có th� c�m nh�n �ư�c v�t nóng hay l�nh trư�c c� khi bi�t nói, còn m�i bà m� ��u bi�t áp bàn tay lên trán con mình �� ki�m tra xem con có b� s�t hay không. Nhưv�y, con ngư�i có th�nh�n bi�t

�ư�c v�t th� nóng hay l�nh thông qua giác quan mà không c�n t�i m�t thi�t b� �o nào c�, nhưng c�m giác này ph� thu�c r�t nhi�u vào ch� quan c�a ngư�i �o, do v�y, không th� thay th� cho các công c� �o nhi�t�� �ư�c.

D�ng c� �o nhi�t�� g�i là nhi�t�� k�hay thư�ng g�i t�t là nhi�t k�. Nhi�t k�c� xưa ra ��i trư�c c�khi các thang �o nhi�t �� �ư�c xác l�p. Các nhi�t k� c� xưa th�c ch�t là các nhi�t nghi�m, ch� cho k�t qu�r�t��nh tính, cho bi�t v�t là nóng hay l�nh so v�i m�t chu�n nào �ó (xem hình 1.4).

Ngày nay, thang �o nhi�t�� �ã �ư�c chu�n hoá ch�t ch�và c�p nh�t thư�ng xuyên (xem b�ng 1.4, 1.5), ��ng th�i k�thu�t�o nhi�t

�� c�ng �ư�c hoàn ch�nh, ��t �� chính xác cao, d�i �o r�ng và r�t phong phú v�phương pháp.

Ngư�i ta chia nhi�t k�làm 2 lo�i chính d�a theo phương pháp �o,

�ó là nhi�t k�ti�p xúc và nhi�t k�không ti�p xúc.

Nhi�t k�ti�p xúc �ư�c xây d�ng d�a trên nguyên lý v� cân b�ng nhi�t mà �ôi khi còn �ư�c g�i là ��nh lu�t s� không c�a nhi�t ��ng l�c h�c (xem m�c I.3.1). �� �o nhi�t ��, nhi�t k� và ��i tư�ng �o

�ư�c ti�p xúc tr�c ti�p v�i nhau trong quá trình �o. Vi�c ti�p xúc ph�i

�ư�c th�c hi�n sao cho cân b�ng nhi�t�ư�c xác l�p gi�a��i tư�ng

�o và nhi�t k�.

Nhi�t k�không ti�p xúc hay nhi�t k�gián ti�p là lo�i nhi�t k�mà khi �o nhi�t ��, nhi�t k� và v�t �o hoàn toàn không ti�p xúc nhau.

Nguyên lý �o nhi�t d�a trên s�ph�thu�c nhi�t�� c�a m�t��i lư�ng v�t lý nào �ó, ch�ng h�n nhưt�c�� truy�n âm trong môi trư�ng, t�n s�b�c x�c�a ngu�n nhi�t. Các phép �o không ti�p xúc ít thông d�ng hơn so v�i các phép �o nhi�t có ti�p xúc và thư�ng �ư�c áp d�ng ��

�o nhi�t �� c�a các ngu�n nhi�t r�t nóng, các ngu�n nhi�t khó ti�p xúc, d� t�n h�i ��u �o nhi�t ho�c các ngu�n nhi�t ta không có kh�

n�ng ti�p xúc �ư�c, ví d�nhưho�quang k� �� �o nhi�t�� lò luy�n thép, lò n�u th�y tinh ho�c các thi�t b�quang ph� ��c bi�t�� �o nhi�t

�� các thiên th�trong v�tr�.

��i v�i t�t c�các k�thu�t phân tích nhi�t, �o nhi�t�� là khâu k�

thu�t then ch�t, không th� thi�u. Các gi�n �� nhi�t, dư�i d�ng này hay d�ng khác, ��u là bi�u di�n s�ph�thu�c c�a m�t��i lư�ng v�t lý nào �ó theo nhi�t ��. Vì v�y chúng có th�có 2 hay 3 tr�c to� ��, nhưng trong �ó b�t bu�c ph�i có m�t tr�c to� �� th�hi�n nhi�t��, các tr�c còn l�i có th�là các ��i lư�ng hoá lý nào �ó, như kh�i lư�ng, n�ng ��, th�i gian, kích thư�c, �� d�n, t�n s�, v.v…

Trên th�c t�, các phép �o nhi�t�� trong phân tích nhi�t��u�ư�c th�c hi�n theo nguyên t�c�o ti�p xúc, vì v�y dư�i�ây ch�mô t�m�t s�lo�i nhi�t k�ti�p xúc mà không �� c�p t�i các d�ng nhi�t k�không ti�p xúc.

II.2.1.1. Nhi�t k�dùng �ng th�y tinh ��ng ch�t l�ng

Nhi�t k� ch�t l�ng trong �ng th�y tinh ho�t ��ng d�a trên hi�n tư�ng giãn n� nhi�t c�a ch�t l�ng. M�t lư�ng nh� ch�t l�ng �ư�c

��ng trong b�u ch�a, n�m bên trong �ng th�y tinh hàn kín (hình 2.1). Ph�n không gian còn l�i bên trong �ng thư�ng là chân không ho�c ch�a khí nitơ. Ch�t l�ng �ư�c s� d�ng ph� bi�n nh�t trong các nhi�t k� d�ng này là th�y ngân (Hg). M�t s� ch�t l�ng khác, như c�n hay m�t s� d�ng s�n ph�m qua chưng c�t c�a d�u m�,

�ư�c s�d�ng trong các nhi�t k� dùng�� �o nhi�t ��th�p ho�c vì m�c�ích h�giá thành nhi�t k�.

B"ng 2.3: MDt s/loTi chLt lUng hVu c th94ng dùng làm nhi t k chLt lUng - thYy tinh

D"i nhi tCD,°C ChLt lUng

ThLp (Min.) Cao (Max.)

Toluen 90 200

Etanol 80 70

DIu ho"Kerosene 60 300

Ete dIu mU 120 25

Pentan 200 20

��i v�i nhi�t k�ch�t l�ng, quan h�gi�a th�tích và nhi�t�� ch�t l�ng tuân theo công th�c:

VT= Vo(1+ . T) (2.1)

Trong �ó:

VT Th�tích c�a ch�t l�ng t�i nhi�t�� T, �ơn v�m3; Vo Th�tích c�a ch�t l�ng t�i nhi�t�� To,�ơn v�m3;

T Hi�u nhi�t�� T To,�ơn v�K;

H�s�giãn n�th�tích theo nhi�t��,�ơn v�K-1.

Vì nguyên lý ho�t ��ng c�a nhi�t k�lo�i này d�a trên s�co giãn nhi�t c�a v�t ch�t trong tr�ng thái l�ng nên d�i nhi�t�� làm vi�c c�a nhi�t k�ch�t l�ng là vùng n�m gi�a nhi�t�� k�t tinh và nhi�t�� sôi c�a ch�t l�ng bên trong. Ch�ng h�n, nhi�t�� k�t tinh và nhi�t�� sôi c�a th�y ngân tương �ng là 39oC và 356,6oC, nhưv�y v�nguyên t�c có th�thi�t k�nhi�t k�th�y ngân �� �o nhi�t�� n�m trong ph�m vi d�i nhi�t�� k�trên.

�� chính xác cao nh�t c�a nhi�t k�lo�i ch�t l�ng trong �ng th�y tinh ��i v�i m�t s�nhi�t k�có d�i nhi�t �� �o tương ��i h�p có th�

��t t�i 10-4K, còn thông thư�ng ch� ��t 10-2K ho�c kém hơn.

Hình 2.1: Nhi t k thYy ngân.

�� h�n ch� sai s� c�a các phép �o nhi�t �� dùng nhi�t k� th�y ngân, c�n bi�t m�t s�nguyên nhân chính gây nên các sai s�, nhưnêu dư�i�ây:

- Hi�n tư�ng co giãn b�t thu�n ngh�ch c�a v�th�y tinh;

- Hi�n tư�ng co giãn b�t thu�n ngh�ch c�a ch�t l�ng, th�y ngân;

B�u Thu�ngân

Thang chia ��

- Hi�n tư�ng tr�do th�y ngân giãn n�ch�m;

- Sai s� ��c do s�c c�ng gi�a b� m�t th�y ngân và thành �ng th�y ngân gây nên.

M�c dù nhi�t k�th�y ngân nói riêng hay nhi�t k�ch�t l�ng trong v�th�y tinh nói chung �ã r�t quen thu�c v�i chúng ta nhưng nó c�ng ch�y�u ch� �ư�c dùng trong sinh ho�t hàng ngày và m�t s�l�nh v�c khoa h�c th�c nghi�m nhưhoá h�c và y sinh h�c. Lưu ý là do hơi th�y ngân r�t��c nên m�t s�nư�c�ã h�n ch�, th�m chí c�m s�d�ng nhi�t k�th�y ngân trong các cơs�y t�,�� �� phòng tác h�i khi nhi�t k�không may b�v�.

Dư�i góc �� thi�t b�phân tích nhi�t, h�n ch�chính c�a lo�i nhi�t k�th�y tinh ch�t l�ng nói chung, nhi�t k�th�y ngân nói riêng, là giá tr�nhi�t�� �ư�c quan sát b�ng m�t thư�ng, không ph�i dư�i d�ng tín hi�u�i�n, trong khi các thi�t b� �o ngày nay còn c�n tín hi�u cho m�c

�ích �i�u khi�n. Vùng nhi�t�� �o không cao c�a nhi�t k�ch�t l�ng v�th�y tinh c�ng là m�t h�n ch�khác. Vì v�y, trong phân tích nhi�t, nhi�t k� th�y ngân thư�ng ch� �ư�c dùng �� chu�n nhi�t �� phòng hay nhi�t�� môi trư�ng khi c�n thi�t ho�c�ôi khi c�ng c�n cho các công �o�n chu�n b�m�u�o trư�c khi �ưa vào thi�t b�phân tích nhi�t.

II.2.1.2. Nhi�t k�dùng nhi�t�i�n tr�

Nhi�t k�nhi�t�i�n tr�ho�t��ng d�a trên s�ph�thu�c�i�n tr�c�a kim lo�i ho�c bán d�n vào nhi�t��. Trong phép g�n �úng b�c nh�t, bi�n thiên �i�n tr�theo nhi�t�� tuân theo công th�c t�ng quát :

�R = k.�T (2.2)

V�i: �R: �� bi�n thiên �i�n tr�,

�T: Bi�n thiên nhi�t��, k: H�s�nhi�t�i�n tr�.

Tu�theo d�u c�a h�s� nhi�t �i�n tr�k, ngư�i ta chia ra 2 d�ng nhi�t�i�n tr�:

- Lo�i v�i h�s�k>0, nhưcác kim lo�i ho�c các h�p kim, �i�n tr� t�ng theo nhi�t ��, g�i là nhi�t �i�n tr� (Resistance Temperature Detector – RTD).

- Lo�i v�i h�s�k<0, nhưcác v�t li�u bán d�n, m�t s�oxit ph�c

h�p, �i�n tr�gi�m khi nhi�t�� t�ng, g�i là �i�n tr�nh�y nhi�t (Thermal Sensitive Resistor hay Thermistor).

Trư�c h�t, nói v� RTD. H� s�nhi�t �i�n tr�k cho bi�t �� nh�y c�ng như �� tuy�n tính c�a RTD. �� ��m b�o �� nh�y, ngư�i ta không dùng làm nhi�t �i�n tr� các v�t li�u có giá tr�c�a h�s�k r�t nh�, �i�n tr� h�u như không ��i khi nhi�t �� thay ��i. Ngư�c l�i, nhi�u lo�i v�t li�u có h�s�nhi�t�i�n tr�cao l�i thư�ng b�hi�n tư�ng phi tuy�n nên c�ng ít �ư�c dùng.

Trong phép g�n �úng b�c cao hơn (b�c 3), ngư�i ta thư�ng s�

d�ng h� th�c Steinhart Hart �� tính toán s�ph� thu�c nhi�t ��

�i�n tr�:

1/T = a + b.ln(R) + c.ln3(R) (2.3) V�i : a, b và c là các h�s�Steinhart Hart, �ư�c xác ��nh ��i v�i m�i trư�ng h�p c�th�.

Trong s� các nhi�t �i�n tr� kim lo�i, nhi�t �i�n tr� platin (Pt),

�ư�c William Siemens phát minh ra t�n�m 1871, là thông d�ng hơn c�. Nhi�t�i�n tr�Pt có 2 ưu�i�m quan tr�ng so v�i các nhi�t�i�n tr�

kim lo�i khác: Pt b�n trong các môi trư�ng ngay c� �nhi�t�� cao và s�ph�thu�c nhi�t�� �i�n tr� ��t tuy�n tính trong m�t d�i nhi�t��

khá r�ng ( 260°C t�i 1.235°C). Nhi�t �i�n tr�Pt v�i�i�n tr�b�ng 100 , ký hi�u Pt100, là lo�i nhi�t�i�n tr�r�t thông d�ng.

S� ph� thu�c �i�n tr� theo nhi�t �� �i�n hình c�a RTD ��i v�i

��ng (Cu) và platin (Pt) �ư�c cho trên hình 2.2.

G�n �ây có xu�t hi�n nhi�t �i�n tr�phi kim v�i k>0. �ó là các nhi�t �i�n tr� polyme, thư�ng là d�ng màng, v�i �� nh�y r�t cao nhưng ch� s� d�ng �ư�c cho các phép �o nhi�t �� � vùng nhi�t ��

không cao.

Thermistor có h�s�nhi�t�i�n tr�âm (k<0), ngư�c d�u v�i trư�ng h�p RTD và polyme nêu trên. Th�c ra, quan h� �i�n tr� nhi�t ��

��i v�i bán d�n tương ��i ph�c t�p, không ��c trưng b�ng h�s�nhi�t

�i�n tr�k�ơn gi�n nhưmô t�b�ng bi�u th�c (2.2). Cơch�d�n�i�n c�a bán d�n khá ph�c t�p, liên quan t�i c�u trúc vùng n�ng lư�ng và s�phân b�m�c Fecmi. M�t cách r�t��i cương có th�th�y�nhi�t��

th�p, bán d�n d�n�i�n t�i do các �i�n t�l�p ��y vùng hoá tr�, vùng d�n h�u nhưkhông có �i�n t�. Khi t�ng nhi�t��, �i�n t�chuy�n t�

vùng hoá tr�ho�c các m�c t�p ch�t lên vùng d�n, làm t�ng kh�n�ng d�n�i�n c�a bán d�n, t�c là �i�n tr�bán d�n gi�m.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

-300 -100 100 300 500 700 900

t, oC

R,Ohm

Platinum RTD Copper RTD

Hình 2.2 : S ph thuDcCi n tr theo nhi tCD cYa RTD.

�u �i�m l�n nh�t c�a nhi�t �i�n tr� bán d�n là cho h� s� nhi�t

�i�n tr�l�n hơn v�giá tr�tuy�t��i so v�i RTD. Giá tr�tuy�t��i c�a h� s� nhi�t �i�n tr� c�a thermistor là 0,65 /oC, trong khi c�a các RTD Pt và RTD Cu tương �ng ch�là 0,38 /oC và 0,04 /oC.

S�ph� thu�c �i�n tr�theo nhi�t �� c�a ph�n l�n các thermistor tuân theo công th�c:

= 0

1 . 1

0. B T T

t R e

R (2.4)

Trong �ó:

Ro – Giá tr� �i�n tr�( ) t�i nhi�t�� so sánh To, (K);

RT – Giá tr� �i�n tr�( ) t�i nhi�t�� T, (K);

B – H�s�ph�thu�c d�i nhi�t�� làm vi�c và c�u t�o c�th�c�a thermistor, (K-1).

Hình 2.3 d�n ra �� th�ph�thu�c�i�n tr�c�a m�t lo�i thermistor theo nhi�t��.

430 460 490 520 550

150 200 250 300 350 400 450 500 550

Temperature, K

Resistance,Ohm

Thermistor

Hình 2.3 : S ph thuDcCi n tr thermistor vào nhi tCD

Bên c�nh thermistor ho�t ��ng d�a trên s� ph� thu�c nhi�t

�� �i�n tr� c�a c� th� tích m�u bán d�n, còn có các thermistor ho�t��ng d�a trên s�ph� thu�c nhi�t��c�a�i�n tr�l�p ti�p xúc c�a 2 lo�i bán d�n khác lo�i d�n (p và n) hay còn g�i là ��c trưng nhi�t c�a l�p chuy�n ti�p p n. Khi b� trí m�ch �o cho lo�i nhi�t

�i�n tr�này ph�i tính toán ch� ��phân c�c sao cho thích h�p vì��

d�n trên l�p chuy�n ti�p p n có ��c trưng b�t thu�n ngh�ch, ph�

thu�c chi�u phân c�c.

Các ưu�i�m chính c�a�o nhi�t�� b�ng nhi�t�i�n tr�nói chung, k�c�RTD và thermistor là: giá r�,�ơn gi�n c�v�c�u t�o c�ng như thi�t k�m�ch �i�n t� �� �o, tín hi�u nhi�t �i�n l�n hơn �áng k� so v�i tín hi�u c�p nhi�t �i�n, d� thi�t k� các m�ch �o c�ng như các m�ch t� ��ng hoá d�a trên nhi�t��.

Hi�n nay, các RTD và thermistor �ã tr�nên r�t thông d�ng, �ư�c ch� t�o công nghi�p và thương m�i hoá r�ng rãi. Các s�n ph�m thương m�i d�ng này r�t ph�bi�n, �a d�ng và ti�n l�i, nh�t là cho các

�ng d�ng �ơn gi�n, �nhi�t�� không cao, không �òi h�i�� chính xác cao. Hình 2.4 là 2 trong s�các d�ng ��u �o nhi�t �i�n tr� PT 100 thông d�ng.

��i v�i phân tích nhi�t, RTD và thermistor không �ư�c s�d�ng trong các phép �o chính c�a phân tích nhi�t v�i vai trò detector nhi�t mà thư�ng �ư�c s�d�ng trong m�t s�phép �o nhi�t�� b�chính, th�

c�p hay m�t s�m�ch �i�n t� ��ng liên quan t�i hi�u ch�nh bi�n ��i nhi�t�� môi trư�ng (nhi�t�� phòng).

Hình 2.4: MDt dTng nhi tCi n tr Pt 100 trong công nghi p.

II.2.1.3.Nhi�t k�dùng c�p nhi�t�i�n

Nhà v�t lý Estonia g�c ��c Thomas Johann Seebeck phát minh ra hi�u�ng nhi�t�i�n vào n�m 1821. �ó là hi�u�ng xu�t hi�n su�t�i�n

��ng, g�i là su�t �i�n ��ng nhi�t �i�n, t�i �i�m ti�p xúc c�a 2 kim lo�i khác nhau. �� l�n c�a su�t�i�n��ng nhi�t�i�n t�l�v�i nhi�t��

và ph�thu�c b�n ch�t 2 kim lo�i ti�p xúc nhau.

Nguyên lý hi�u�ng Seebeck �ư�c mô t�trên hình 2.5. Hai thanh kim lo�i A (2) và B (3) �ư�c n�i v�i nhau t�i m�t �i�m chung (1).

Khi �ó trên 2 ��u còn l�i c�a 2 thanh kim lo�i s�xu�t hi�n su�t�i�n

��ng nhi�t�i�n, có th� �o�ư�c b�ng thi�t b� �o�i�n th�(8).

1 2 5

3

8 6

7

+

-

+

-

4

Hình 2.5: S Cf Co nhi tCD bgng cOp nhi tCi n

1 3Iu n/i hai kim loTi; 2 Kim loTi A; 3 Kim loTi B; 4 3Iu n/i; 5 Dây n/i;

6, 7 3Iu d9 ng và CIu âm; 8 Thi t bi CoCi n th .

V�nguyên t�c, s� ph� thu�c su�t �i�n��ng nhi�t �i�n vào nhi�t

�� là phi tuy�n và tương ��i ph�c t�p. Quan h�tương ��i tuy�n tính ch� ��t �ư�c trong m�t d�i nhi�t �� �� h�p. Hình 2.6 là ��c trưng

T V c�a m�t s�lo�i c�p nhi�t�i�n thông d�ng. �ây là h�n ch�chính c�a c�p nhi�t�i�n trong các �ng d�ng th�c t�. Ngư�i ta thư�ng ph�i tính nhi�t�� �o�ư�c b�ng c�p nhi�t�i�n d�a trên các b�ng tra T V r�t c�ng k�nh ho�c các ��ng h� �ư�c thi�t k� v�i thang chia �� phi tuy�n theo t�ng lo�i c�p nhi�t�i�n c�th�. Hi�n nay, nh�ng ti�n b�r�t nhanh c�a k�thu�t�o và tin h�c�ã cho phép chúng ta nh�n�ư�c tr�c ti�p giá tr�nhi�t�� �o b�ng c�p nhi�t�i�n ho�c nh�các m�ch s�a phi tuy�n ho�c các gi�i pháp tuy�n tính hoá b�ng ph�n m�m.

Hình 2.6 :3Oc tr9ng V T cYa mDt s/loTi cOp nhi tCi n thông d ng.

Các ��c trưng quan tr�ng nh�t c�a c�p nhi�t �i�n ph� thu�c vào thành ph�n 2 kim lo�i hay h�p kim ch� t�o nên c�p nhi�t �i�n. Các c�p nhi�t�i�n thông d�ng �ã�ư�c s�d�ng r�ng rãi và �ã thương m�i hoá trên th�trư�ng �ư�c qui chu�n theo c�tên g�i, màu dây d�n c�ng nhưký hi�u. Dư�i�ây là thông tin k�thu�t c�a m�t s�c�p nhi�t�i�n thông d�ng.

C�p nhi�t �i�n lo�i K(Type K): Thành ph�n c�u t�o: Chromel (H�p kim Ni Cr)/Alumel (H�p kim Ni Al), r�t thông d�ng, giá r�, nhi�u thi�t k�khác nhau, vùng nhi�t�� �o khác nhau, t� �200 °C ��n +1200 °C, trong thành ph�n có ch�a Ni, là kim lo�i có t� tính, v�i nhi�t�� Curie b�ng 354oC, vì v�y m�t s�tính ch�t c�a c�p nhi�t�i�n s� thay ��i khi qua �i�m Curie. �� nh�y c�a c�p nhi�t �i�n K c�

41 �V/°C.

C�p nhi�t �i�n lo�i T (Type T): Thành ph�n c�u t�o: ��ng/H�p kim Cu-Ni (Copper/Constantan), thích h�p cho vùng nhi�t �� th�p (�200 t�i 350 °C), r�t ph� bi�n, nh�t là trong các �ng d�ng công nghi�p do có �� �n��nh cao, �� nh�y kho�ng 43 �V/°C.

C�p nhi�t �i�n lo�i E (Type E): Thành ph�n c�u t�o:

Chromel/Constantan (H�p kim Cu Ni), �� nh�y cao (68 �V/°C), thư�ng dùng trong các �ng d�ng nhi�t�� th�p và r�t th�p.

C�p nhi�t�i�n lo�i J (Type J): Thành ph�n c�u t�o: S�t/H�p kim Ci-Ni (Fe/ Constantan), ít thông d�ng, ch� còn trong các thi�t b� c�, ch�y�u do vùng nhi�t�� làm vi�c tương ��i h�p (�40 t�i +750 °C),

�� nh�y kho�ng 52 �V/°C.

C�p nhi�t �i�n lo�i N (Type N): Thành ph�n c�u t�o: Nicrosil (H�p kim Ni Cr Si)/Nisil (H�p kim Ni Si), tương ��i thông d�ng, tương �ương nhưlo�i K, thích h�p cho các �ng d�ng �vùng nhi�t��

tương ��i cao (t�i 1.200oC), �� nh�y kho�ng 39 �V/°C.

Dư�i �ây là m�t s� c�p nhi�t �i�n ch�a kim lo�i quý (Pt): C�p nhi�t �i�n lo�i B (Type B): Thành ph�n c�u t�o:

Platinum Rhodium/Pt Rh, thư�ng dùng cho các �ng d�ng nhi�t ��

cao (t�i 1.800 °C).

B"ng 2.4 : Thông s/k(thu)t cYa các cOp nhi tCi n thông d ng trong phân tích nhi t

V)t li u ch tTo Ký hi u

+

Vùng nhi t CD làm vi c

B Pt + 30%Rd Pt + 6%Rd 1.370 ÷1.700 C Tunsten +

5%Rhenium Tunsten +

26%Rhenium 1.650 ÷2.315

E Chromel Constantan 95 ÷900

J Fe Constantan 95 ÷760

K Chromel Alumel 95 ÷1.260

N Nicrosil Nisil 650 ÷1.260

R Pt + 13%Rd Pt 870 ÷1.450

S Pt + 10%Rd Pt 980 ÷1.450

T Cu Constantan 200 ÷350

C�p nhi�t �i�n lo�i R (Type R): Thành ph�n c�u t�o:

Platinum/Platinum v�i 7% Rhodium, ��t ti�n, dùng cho các �ng d�ng nhi�t�� cao (t�i 1.600 °C).

C�p nhi�t �i�n lo�i S (Type S): Thành ph�n c�u t�o:

Platinum/Platinum v�i 10% Rhodium, ��t ti�n, dùng cho các �ng d�ng nhi�t�� cao (t�i 1.600 °C).

C�u t�o��u�o nhi�t dùng c�p nhi�t�i�n r�t�ơn gi�n, ch�g�m�ôi dây d�n (c�p nhi�t�i�n), v�b�c và các ch�t, vít �� n�i v�i m�ch �o.

Hình 2.7 là m�t s�c�p nhi�t �i�n thông d�ng trên th�trư�ng, có th�

dùng cho các m�c �ích �o nhi�t �� khác nhau, trong phòng thí nghi�m c�ng như trong công nghi�p. Giá thành c�p nhi�t �i�n ph�

thu�c ch�y�u vào ch�ng lo�i và �� dài c�p nhi�t�i�n.

Hình 2.7: MDt s/dTng cOp nhi tCi n thông d ng.

Ngoài 3 d�ng nhi�t k� tương ��i thông d�ng là nhi�t k� ch�t l�ng th�y tinh, nhi�t �i�n tr�và c�p nhi�t�i�n, trên th�c t�còn có m�t s�k�thu�t�o nhi�t�� khác, ít thông d�ng hơn, như:

- Nhi�t k�th�ch anh - D�a trên s�ph�thu�c t�n s� dao ��ng riêng c�a tinh th�th�ch anh vào nhi�t��.

- Nhi�t k�giãn n�- D�a trên s�khác nhau v�giãn n�nhi�t c�a 2 kim lo�i khác nhau.

- Nhi�t k� quang D�a trên s� ph� thu�c bư�c sóng b�c x�

vào nhi�t��.

- Nhi�t k� âm D�a trên s�ph� thu�c t�c �� truy�n âm vào nhi�t��.

- Nhi�t k� �i�n môi D�a trên s�ph�thu�c giá tr�h�ng s� �i�n môi vào nhi�t��.

- Nhi�t k�c�m�ng t� D�a trên s�ph�thu�c mômen t�vào nhi�t��.

Trong k� thu�t phân tích nhi�t ch� có c�p nhi�t �i�n là �ư�c s�

d�ng trong các phép �o nhi�t �� v�i tư cách là detectơ phân tích nhi�t, là m�t xích không th�thi�u trong các thi�t b�phân tích nhi�t.

II.2.2. Chư�ng trình quét nhit

Chương trình quét nhi�t là các bư�c t�ng nhi�t��, gi�m nhi�t��, duy trì nhi�t�� không ��i theo th�i gian ho�c k�ti�p nhau c�a các bư�c trên theo nh�ng quy lu�t nh�t��nh. Trong �a s�trư�ng h�p, các bư�c t�ng gi�m nhi�t�� theo th�i gian thư�ng theo quy lu�t tuy�n tính:

T = To+ .t (2.5) Trong �ó,

T Nhi�t��,

H�s�ch�t�c�� quét, t Th�i gian.

Các thông s� ��c trưng cho m�t chương trình nhi�t là:

- S�bư�c trong chương trình;

- T�c�� quét nhi�t c�a m�i bư�c, oC/min, K/min.;

- Nhi�t�� b�t��u và k�t thúc c�a m�i bư�c.

Hình 2.8 là gi�n�� nhi�t c�a chương trình quét nhi�t�ơn gi�n, quét t�ng nhi�t, tuy�n tính. Các thông s�c�a chương trình nhi�t tương

�ng là:

S�bư�c : 1;

T�c�� quét: +20K/phút, quét tuy�n tính;

Gi�i h�n quét : Nhi�t�� phòng t�i 1.273K.

Hình 2.8: Gi"nCf nhi t cYa ch9 ng trình quét nhi t tuy n tính – DVli u g/c tHthi t biShimadzu TA50.

V� m�t k� thu�t, hi�n tư�ng tr� nhi�t gây nh�ng khó kh�n nh�t

��nh, khi�n cho chương trình nhi�t không th� th�c hi�n �ư�c �úng nhưmô t�toán h�c theo phương trình (2.5). Hi�n tư�ng không tuy�n tính (phi tuy�n) thư�ng x�y ra �ph�n��u và ph�n có thay ��i t�c

�� quét nhi�t trong chương trình �a bư�c (các ph�n khoanh tròn trên hình 2.9). M�c �� sai l�ch c�ng ph� thu�c t�c �� quét nhi�t.

Trong ti�ng Vi�t, d� li�u phân tích nhi�t d��i d�ng �� th�

(thermal curve, themograph) �ôi khi v�n ���c g�i là ph� - Ph�

phân tích nhi�t, m�c dù v� b�n ch�t, phân tích nhi�t hoàn toàn không ph�i là m�t ph�ơng pháp ph�. Trong chuyên kh�o này th�ng nh�t g�i d�li�u phân tích nhi�t d��i d�ng �� th�là gi�n ��

nhi�t.

T�c �� quét nhi�t càng l�n, s� sai l�ch khi chuy�n bư�c chương trình càng l�n.

��i v�i�o�n ��u chương trình nhi�t, ngư�i ta thư�ng kh�c ph�c hi�n tư�ng phi tuy�n b�ng cách ch�n�i�m xu�t phát s�m hơn so v�i d� ��nh và n�u là phép �o��u tiên sau khi b�t máy thì ch�m�t th�i gian cho máy ch�y�n ��nh m�i b�t ��u quét nhi�t. Hi�n tư�ng phi tuy�n�các vùng thay ��i t�c�� quét nhi�t thư�ng �ư�c kh�c ph�c b�ng cách l�a ch�n m�t cách thích h�p các thông s� k� thu�t liên quan t�i�áp tuy�n nhi�t�� th�i gian.

Hình 2.9: Ch9 ng trình quét nhi t tuy n tính 2 b9pc. (DVli u g/c tH thi t biShimadzu TA50).

��u nh�ng n�m 90 th� k� 20, k� thu�t �i�u bi�n nhi�t (thermomodulation) �ã�ư�c áp d�ng vào chương trình quét nhi�t cho phân tích nhi�t. Trong k� thu�t này, ngư�i ta áp ch�ng ch�p lên chương trình quét nhi�t tuy�n tính (2.5) m�t thành ph�n nhi�t bi�n��i

�i�u hoà, có d�ng t�ng quát:

T=Tosin( t+ ) (2.6)

Hình 2.10 là 2 gi�n�� quét nhi�t có �i�u bi�n�i�n hình. Gi�n��

cho th�y, bên c�nh thành ph�n quét t�ng nhi�t tuy�n tính (�ư�ng th�ng), còn có ch�ng ch�p m�t thành ph�n nhi�t d�ng hàm �i�u hoà.

T�ng h�p c�a 2 thành ph�n s� cho ta m�t chương trình quét t�ng nhi�t có �i�u bi�n.

K�thu�t�i�u bi�n nhi�t�ư�c áp d�ng trong m�t s�k�thu�t phân tích nhi�t, trư�c nh�t là DSC, g�i là DSC �i�u bi�n nhi�t (Thermal Modulated Differential Scanning Calorimetry TMDSC). M�c dù TMDSC còn chưa thông d�ng, nhưng nó �ã nhanh chóng thu hút

�ư�c nhi�u s�chú ý c�a các nhà nghiên c�u s�d�ng phân tích nhi�t vì s�phong phú thông tin mà nó có th�mang l�i.

Hình 2.10: Gi"nCf quét nhi tCiNu bi n.

Các giá tr� gi�i h�n c�a t�c �� quét nhi�t và nhi�t �� c�c ��i mà m�t thi�t b� phân tích nhi�t��t �ư�c là m�t trong nh�ng ch�tiêu k�

thu�t cơb�n c�a thi�t b�phân tích nhi�t. �� ��t�ư�c t�c�� quét nhi�t cao hay ngư�c l�i, quét r�t ch�m, ��u r�t khó v�k�thu�t. May thay, khó kh�n chính thư�ng liên quan t�i t�c �� x� lý tín hi�u, gi� �ây không còn quá khó vì s�phát tri�n cao c�a k�thu�t s�. Nhi�t�� c�c

��i��i v�i m�t thi�t b�phân tích nhi�t là v�n�� ph�c t�p không kém.

Nó liên quan không nh�ng t�i cách th�c c�p nhi�t, v�t li�u��t, v�t li�u lò, mà còn liên quan t�i nhi�u ph�n khác, nhưdetector, h�th�ng

Một phần của tài liệu phân tích nhiệt ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu (Trang 46 - 71)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(239 trang)