差示扫描量热仪原理简介

  差示扫描量热法是在程序控温文必定气氛下，丈量流入流出试样和参比物的暖流或输给试样和参比物的加热功率与温度或时刻联系的一种技能，运用这种技能丈量的仪器便是差示扫描量热仪。

  差示扫描量热法是在程序控温文必定气氛下，丈量流入流出试样和参比物的暖流或输给试样和参比物的加热功率与温度或时刻联系的一种技能，运用这种技能丈量的仪器便是差示扫描量热仪(Differential scanning calorimeter-DSC)。

  扫描是指试样阅历程序设定的温度进程。以一个在测验温度或时刻范围内无任何热效应的慵懒物质为参比，将试样的暖流与参比比较而测定出其热行为，这便是差示的意义。丈量试样与参比物的暖流(或功率)差改变，比只测定试样的肯定暖流改变要准确的多。

  差热剖析法是丈量试样在程序控温下与慵懒参比物温差改变的技能，运用这种技能丈量的仪器便是差热剖析仪(Differential thermal analyzer-DTA)。DTA是将试样和参比物线性升温或降温，以试样与参比间的温差为测验信号。DTA曲线标明试样与参比的温差或热电压差与试样温度的联系。

  现在，DTA大多数都用在热重剖析仪(TGA)等的同步丈量，市场上已难觅独自的DTA仪器。

  热通量式DSC是在程序控温文必定气氛下，丈量与试样和参比物温差相关的暖流与温度或时刻联系的一种技能和仪器。热通量式DSC是经过试样与参比物的温差丈量流入和流出试样的暖流量。

  如下图所示为瑞士梅特勒-托利多公司选用金/金-钯热电偶堆传感器规划的DSC丈量单元示意图。传感器下凹的试样面和参比面别离放置试样坩埚和参比坩埚(一般为空坩埚)。热电偶以星形办法摆放，以串联办法衔接，在坩埚方位下丈量试样与参比的温差。试样面和参比面的热电偶散布彻底对称。几十至上百对金/金-钯热电偶串联衔接，可产生更高的丈量灵敏度。传感器的下凹面供给必要的热阻，而坩埚下的热容量低，可取得较小的信号时刻常数。

  以金/金-钯热电偶堆传感器规划的DSC为例，暖流Φ以辐射状流过传感器的热阻;热阻以环状散布于两个坩埚方位下面。热阻间的温差由辐射状摆放的热电偶丈量。依据欧姆定律，可得到试样面的暖流Φ1(由流到试样坩埚和试样的暖流组成)为

  在DSC曲线上，暖流的单位为瓦/克(W/g)=焦耳/(秒·克)[J/(s·g)]，以峰面积为例，暖流对时刻(s)的积分等于试样的焓变ΔH，单位为焦耳/克(J/g)。

  热通量式DSC试样温度的丈量炉体温度Tc用Pt100传感器丈量。Pt100绝大多数都是由铂金丝制造的电阻。DSC测验所挑选的的升温速率根据参比温度而不是试样温度，由于试样有几率产生升温速率无法操控的一级相变。

  与热阻有关的温差ΔT关于暖流从炉体流到参比坩埚是必需的。该温差通常是经过升高与ΔT等值的炉体温度完成的。炉体温度T

  在动态程序段中，核算得到的温度上升ΔT加在炉体温度设定值上，因而参比温度彻底遵从温度程序。

  严格来说，试样内的温度与测得的试样坩埚的温度存在细小不同。经过在软件中正确挑选热电偶的灵敏度，可补偿该不同。选用康铜传感器规划的DSC仪器，试样坩埚温度由热电偶直接丈量。也必定要经过软件中正确挑选热电偶的灵敏度，经过修正来取得试样内的温度。功率补偿式DSC

  功率补偿式DSC是在程序控温文必定气氛下，坚持试样与参比物的温差不变，丈量输给试样和参比物的功率(暖流)与温度或时刻联系的一种技能。与热通量(暖流)式DSC选用独自炉体不同，功率补偿式DSC以两个独立炉体别离对试样和参比物加热，并各有独立的传感设备。炉体资料一般为铂铱合金，温度传感器为铂热电偶。

  功率补偿式DSC仪器有两个操控电路，丈量时，一个操控升降温，另一个用于补偿由于试样热效应引起的试样与参比物的温差改变。当试样产生放热或吸热效应时，电热丝将针对其间一个炉体施加功率以补偿试样中产生的能量改变，坚持试样与参比物的温差不变。DSC直接测定补偿功率ΔW，即流入或流出试样的暖流，无需经过暖流方程式换算。

  式中，ΔV为两个炉体加热器的电压差。假如总电流IT不变，则补偿功率即暖流ΔW与ΔV成正比。

  每个传感器都具有必定的灵敏度。灵敏度是指单位丈量值的电信号巨细，用每度热电压(V/K)标明。例如，室温时的铜-康铜热电偶的灵敏度约为42μV/K，金-金钯热电偶约为9μV/K，铂-铂铑(10%铑，S型)热电偶约为6.4μV/K。信号的噪声比灵敏度更重要，由于现代电子设备能将极端弱小的信号扩大，但一起也会将噪声扩大。噪声主要有三个来历：量的实践随机动摇(如温度的细小动摇);传感器产生的噪声(计算丈量误差);扩大器和模-数转换器的噪声。噪声与叠加在信号上的不同频率的沟通电压相一致。因而，关于沟通电压，噪声可用均方根值(rms)或峰-峰值(pp)标明。rms值得核算式为

  值得指出的是，经过数学润滑办法可容易地取得低噪声水平，但这样会一起“修剪”掉弱小却实在的试样效应，所以噪声水平低并不必定标明灵敏度高。

  TAWN灵敏度开始是由荷兰热剖析学会提出的办法，用来比较不同的DSC仪器。TAWN灵敏度测验法丈量一个已知弱效应的试样，用峰高除以峰至峰噪声得到的信/噪比来表征DSC仪器的灵敏度。峰高/噪声的比值越高，DSC仪器的灵敏度越好。

  在很小温度区间内产生的物理改变的分辨率(别离才能)是DSC仪器的重要功能特征。分辨率好的仪器给出高而窄的熔融峰，换言之，峰宽应小而峰高应大。

  分辨率的表征办法有多种，常用的有铟熔融峰峰高与峰宽比、TAWN分辨率和信号时刻常数等。

  由铟熔融峰测定的分辨率=峰高/半峰宽，数值越高标明分辨率越好。TAWN分辨率为基线至两峰之间DSC曲线的最短距离与小峰高度之比，数值越低标明分辨率越好。信号时刻常数τ界说为从峰顶降到后基线%的时刻距离。信号时刻常数τ是热阻R

  与试样、坩埚和坩埚下传感器部分的热容之和(C)的乘积，τ=RthC。明显，较轻的铝坩埚可得到较小的信号时刻常数。信号时刻常数越小，DSC分辨率越好。

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