Безынерционный рефлекторный термоаналитический комплекс БИРТА-6

Разработан, изготовлен и опробован термоаналитический комплекс, предназначенный для учебных и научных работ по изучению термохимических свойств веществ и материалов при температурах до 700°С. Он состоит из программирующего и силового блока (1), программируемой безынерционной рефлекторной печи с термоаналитической камерой (2), и регистрирующего устройства (3), связанного с персональным компьютером (4) для записи и обработки данных. При его изготовлении использованы недорогие материалы и электронные компоненты, производимые промышленно, что позволяет существенно снизить потребительскую стоимость функционального научного прибора.

Одна из наиболее очевидных областей применения безынерционного рефлекторного термоаналитического комплекса БИРТА-6 – это использование его в научно-исследовательских лабораториях и учебных практикумах в целях проведения термического анализа (ТА). Методы ТА, используемые в сочетании с другими физико-химическими методами исследования, являются неоценимым инструментом для различных областей науки и техники - физики, химии, материаловедения, минералогии, геологии, и пр. Термоаналитические методы позволяют изучать как химические и физические превращения, происходящие в веществах (исследование тепловых эффектов фазовых переходов и реакций), так и свойства материалов (теплоемкость, термическая устойчивость, и т.п.). С помощью таких широко распространённых методов ТА, как дифференциальный термический анализ (ДТА) и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), проводится не только качественная идентификация, но и количественный анализ. Чтобы определить эндо- и экзотермические изменения внутренней энергии изучаемых материалов и веществ, в ДТА одновременно нагревают изучаемый образец и эталон. При исследовании как функцию от времени или температуры регистрируют разницу между температурами исследуемого образца и инертного эталонного материала при одновременном нагревании двух веществ с постоянной скоростью. Положительная величина этой разницы или отрицательная отвечает, соответственно, выделению или поглощению теплоты в исследуемом образце, а абсолютное значение разницы пропорционально величине соответствующего теплового эффекта. Несмотря на более чем вековую историю ДТА, он и по сей день, в силу своей универсальности, экспрессности и высокой чувствительности, остаётся востребованным методом физико-химического анализа.

Разработанный нами термоаналитический комплекс БИРТА-6 является дешевым научным прибором, простым в устройстве и обладающим достаточной для большинства задач точностью и воспроизводимостью. Его можно использовать для исследований энергетических эффектов физических и химических превращений как в научных, так и в учебных целях: в лабораториях, ВУЗах, колледжах, лицеях, гимназиях и школах (например, при организации химического, физического и физико-химического практикума).

Несложное устройство представляемого термоаналитического комплекса позволяет осуществлять поставку прибора в разобранном виде, что еще более удешевит стоимость конечного продукта. При этом сборка комплекса из отдельных элементов не составляет труда. Эту работу можно проделать даже в школе на внеклассных занятиях химического, физического или технического кружка, чтобы учащиеся могли ознакомиться с принципиальной схемой прибора, его устройством, получить первоначальные навыки приборостроения.

Известно, что стоимость промышленно производимого термоаналитического оборудования превышает несколько миллионов рублей. В случае его повреждения или загрязнения (например, вследствие выброса реакционной массы на внутренние поверхности прибора или при работе с радионуклидами) затраты на ремонт или замену оборудования бывают столь велики, что это ставит под вопрос проведение научных исследований. Низкая себестоимость разработанной нами БИРТЫ-6 снимает эти затруднения, поскольку этот термоаналитический комплекс может использоваться по сценарию прибора "однократного применения". В свете вышеизложенного данная разработка, по нашему мнению, окажется небезынтересна научным коллективам, изучающим быстропротекающие термоактивируемые процессы, которые носят взрывоопасный характер и сопровождаются интенсивным выделением в окружающую среду избыточного тепла и продуктов реакции.

Число промышленно производимых приборов для проведения ДТА и его модифицированного варианта - ДСК, на настоящий момент достаточно велико. Они отличаются высокой точностью получаемых результатов, однако, затраты на их приобретение, обслуживание и ремонт весьма существенны. По этой причине указанное дорогостоящее термоаналитическое оборудование оказывается попросту недоступным не только бюджетно финансируемым, но и частным небольшим лабораториям, которые вынуждены экономить средства, выделяемые для научно-исследовательских работ. Что касается учебных целей, то можно с полным правом отметить, что число школ, которые могут позволить себе приобретение термоаналитического оборудование для обеспечения учебных научно-исследовательских работ школьников, в нашей стране исчисляется единицами. К сожалению, даже в ведущих ВУЗах страны сейчас наблюдается тенденция к оскудению содержания лабораторных, курсовых и дипломных работ, что становится причиной невозможности развития у будущих специалистов необходимых профессиональных навыков. Выделение недостаточного количества средств на поддержание парка приборов в ВУЗах влечёт за собой ограничение студентов в доступе к дорогостоящему оборудованию. Соответствующие практические работы либо просто вычёркиваются из учебных планов, либо, в лучшем случае, выполняются ответственным за приборный парк преподавателем, который вынужден демонстрировать студентам методы работы "издалека".

Предлагаемый нами безынерционный рефлекторный термоаналитический комплекс БИРТА-6, прежде всего, выгодно отличается от термоанализаторов, представленных сегодня на рынке, своей стоимостью. Себестоимость этого научного прибора даже меньше стоимости некоторых популярных телефонов. Существенно снизить себестоимость термоанализатора удалось, реализовав оригинальную идею, применить в качестве нагревателя галогенные лампы накаливания. Это позволяет легко контролировать температуру на изучаемых образцах, применять высокие скорости нагрева образцов (от 2.5 до 100 град/мин), легко заменять вышедшие из строя нагреватели. Несмотря на кажущуюся простоту и низкую стоимость, это полноценный аналитический прибор со сравнительно высокой точностью измерения, что подтверждено нашей научной группой при практическом использовании в исследовательских целях.

Основные технические характеристики существующего прототипа термоаналитического комплекса БИРТА-6.

Назначение - термический и дифференциально-термический анализ (ТА, ДТА) веществ и материалов.
Интерфейс связи с компьютером - USB или RS-232С.
Требующаяся операционная система - Windows 2000 и выше.
Число нагревателей - 6.
Максимальная потребляемая мощность - 3 кВт.
Рабочий диапазон температур - 50 - 700°С.
Скорость нагрева - 2,5 - 100 град/мин.
Точность измерения температуры - 0.1 град.
Время охлаждения прибора в естественных условиях от 700 до 25°С - около 30 мин.
Число одновременно изучаемых образцов - 1 или 2.
Масса образца - около 0.15 г.
Рабочая атмосфера - атмосферный воздух (возможна модернизация для подачи требуемого газа).
Материалы тиглей - алюминий, медь, серебро, золото, кварц и т.п.