專利名稱：一種檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波傳感器技術(shù)在熱分析上的應(yīng)用。具體的說，是一種使用微 波傳感器測量物質(zhì)的脫水過程和吸波特性與溫度關(guān)系的方法。
技術(shù)背景國P示^ft分豐斤t辦會(ICIA: International confederation for thermal analysis)已確定的幾種常用熱分析技術(shù)的定義如下①熱重(TG):在程序控制溫度下，測 量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)；②逸出氣檢測(EGO):在程序控制溫度 下，定性檢測從物質(zhì)中逸出的揮發(fā)性產(chǎn)物與溫度關(guān)系的技術(shù)(應(yīng)指明檢測氣體 的方法)；③差熱分析(DTA):在程序控制溫度下，測量物質(zhì)和參比物的溫度差 與溫度關(guān)系的 -種技術(shù)；④差熱掃描量熱法(DSC):在程序控制溫度下，測量 輸入到物質(zhì)和參比物的溫度差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)；⑤熱膨脹法在程序控 制溫度下，測量物質(zhì)在可忽略負荷時的尺寸與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。此外，還 有其他熱分析技術(shù)。在熱分析的發(fā)展歷史上，人們最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的是熱重法。1786年英國人， Wedgwood在研究粘土?xí)r測得了第一條熱重曲線，觀察到將泥土加熱到"暗紅" 時出現(xiàn)明顯失重，這是熱重法的開始；1915年，本光多太郎(日本人)首次提 出了 "熱天平"這個詞，在論文"論熱天平"中介紹了世界上第 -臺熱天平， 并用這臺熱天平研究了硫酸錳和硫酸鈣的變化過程；1923年，法國人Guichard 也使用了熱天平- 詞，并制造了一臺熱天平，直到50年代初期才有了商品熱天 平提供給用戶。差熱分析起源于法國，1887年，法國人Chatelier將一個鉬-鉬/10y。銠熱電 偶插入受熱的粘土試樣中，測量了粘土的變化過程；1899年，英國人Roberts 和Austen采用兩個熱電偶反相連接， 一個熱電偶插入樣品中，另一個插到參比 物內(nèi)，通過一鏡式檢流計顯示輸出信號，直接記錄樣品和參比物之間的溫差隨 時間的變化規(guī)律，這才是差熱分析的真正含義；1943年，人們已認識到差熱峰
面積表示樣品變化過程所放出或吸收的熱量，而且Kerr等人還對差熱峰的面積 和形狀提出了理論解釋。1964年，Wattson等人發(fā)表了稱之為"差示掃描量熱法"的文章，提出了"差 不掃描量熱"的概念，后來被Perkiti-Elmer公司采用，研制成功了差示掃描量熱 儀DSC。由于DSC能直接測量物質(zhì)在程序控制溫度下所發(fā)生的熱量變化(以毫 卡計)，而且定量性和重復(fù)性都很好，因此它一出現(xiàn)就受到了人們的普遍重視。逸出氣體檢測法是Teitelbaum于1953年發(fā)明的，1959年，Grim又提出了 逸出氣體分析法，這種方法在檢測失重量小于0.1%的樣品時比熱天平要靈敏。目前世界上生產(chǎn)熱分析儀的主流的廠家和公司有德國的Netzsch公司，美 國的Perkin-Elmer，美國的TAInstruments,瑞士的Mettler Toledo,法國的Setaram 和日本的島津公司。熱分析技術(shù)測定的是樣品的宏觀平均性質(zhì)隨溫度的變化，方法上屬于表象 (Phenomenology)技術(shù)的范疇，在直接定位觀察固態(tài)物質(zhì)反應(yīng)行為方面與XRD， SEM， SPM等技術(shù)相比，有其局限性，但在信息的定量化方面則明顯優(yōu)于它們， ,個多世紀的發(fā)展和應(yīng)用證明，熱分析是研究非均相體系領(lǐng)域的-個重要工具， 看來熱分析與各種技術(shù)的互補與其它分析技術(shù)如FTIR， GC， MS等的結(jié)合，以 及自身技術(shù)的更新是今后的 一個重要方向。目前，TG、 DTA、 DSC等熱分析方法和技術(shù)己經(jīng)成熟。然而，在程序控制 溫度F，用微波傳感器檢測物質(zhì)的脫水過程和吸波特性與溫度關(guān)系的方法尚未 見報道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是填補現(xiàn)有技術(shù)的空白，提供一種檢測穩(wěn)定性好、可靠性高、 智能化的檢測物質(zhì)脫水過程和吸波特性與溫度關(guān)系的方法，即檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法。本發(fā)明所述的檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法由以下步驟組成一、 提供微波與待測樣品的強相互作用區(qū)，將裝有實驗樣品的容器放入所 述的強相互作用區(qū)中；二、 開啟計算機和外圍電路，所述的外圍電路為微波信號發(fā)生電路、微波 檢測電路和接口電路；
三、 用溫度控制器對強相互作用區(qū)進行升溫，升溫的模式、速率和時間與 現(xiàn)有熱分析儀相同；四、 同時，用測溫傳感器對實驗樣品的溫度進行檢測，并通過接口電路送入計算機；五、 由計算機控制的微波信號發(fā)生器發(fā)生的微波通過微波耦合裝置進入所 述的強相互作用區(qū)，作用后的微波經(jīng)耦合裝置輸出，進入微波檢測器，經(jīng)微波 檢測器處理后的信號也同時進入計算機；六、 計算機同時處理兩個接口傳來的信息，記錄物質(zhì)脫水過程和吸波特性 與溫度關(guān)系，即可反演物質(zhì)的脫水過程和吸波特性與溫度關(guān)系。本發(fā)明靈敏度高，檢測準確?？蛇m用于所有固體物質(zhì)結(jié)晶水和吸波特性的 檢測。本發(fā)明的原理為用微波傳感器檢測物質(zhì)的升溫特性，通過檢測物質(zhì)升溫過 程中微波傳感器的頻偏和衰減與溫度變化的關(guān)系，從而反演物質(zhì)的脫水過程和 吸波特性的變化。由電磁場理論可知，對于圖1所示的中間填充了物質(zhì)的圓柱形TE。,。模金屬 共振腔，其場分量為<formula>formula see original document page 5</formula>上式中，^、 B和p-7^^分別是腔內(nèi)a、 b、 c區(qū)的相應(yīng)值。利用邊界條件可得<formula>formula see original document page 5</formula>200610048604.9說明書第4/7頁上式中<formula>formula see original document page 6</formula>定義 <formula>formula see original document page 6</formula>利用上述方程簡化后得<formula>formula see original document page 6</formula>由上式可見，僅需測量出樣品進入共振腔前后的頻偏<formula>formula see original document page 6</formula>。和電磁波信 號的衰減，即可反演出樣品的脫水過程和吸波特性的變化(此變化與樣品的介電常數(shù)s和Q1有關(guān))。 實驗結(jié)果在圖2所示的實驗條件下，分別測量乙酸鎳和乙酸鋅的脫水過程和吸波特性，結(jié)果見圖3~6。圖3所示的實驗結(jié)果表明乙酸鎳在68"C開始脫水，脫水溫度范圍為68i: 136T:;圖4所示的實驗結(jié)果表明乙酸鋅在7rc開始脫水，脫水
溫度范圍為7rC 102。C，圖4為計算機記錄下來的原始數(shù)據(jù)；圖5和圖6分別 為將乙酸鋅原始數(shù)據(jù)處理后從不同的角度觀察得到的脫水過程和吸波特性,為 了證實本發(fā)明方法的可靠性，我們用島津熱分析儀對乙酸鎳和乙酸鋅的脫水過 程分別進行了測量，結(jié)果見圖7和圖8。將本發(fā)明方法與標準熱分析法進行比較 可見，本發(fā)明方法不僅可以用于研究物質(zhì)的脫水過程，還可以用于研究其吸波 特性。本發(fā)明所述的一種檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法所使用的裝置包括隔熱層、發(fā)熱 器、耦合裝置、圓柱形金屬諧振腔、實驗樣品、樣品管、測溫傳感器7、測溫傳 感器8、溫度控制器、微波信號發(fā)生器、接口電路11、微波檢測器、接口電路 13、計算機和接口電路15。所述的金屬共振腔為被電磁波激勵的共振腔；所述 的樣品管為插入金屬共振腔內(nèi)盛放實驗樣品的石英管；溫度傳感器7通過接口 ll與計算機相連，用于實時測量實驗樣品的溫度；溫度傳感器8與溫度控制器 相連，用于測量加熱裝置的溫度，并通過溫度控制器軟件控制加熱裝置的升溫 速率隔熱層用于加熱裝置的保溫以免熱損失；金屬共振腔一端通過偶合裝置 與微波發(fā)生器相連，另 -端與微波檢波器相連；計算機通過三個接口電路實時 獲取升溫過程中樣品的溫度、微波傳感器的頻偏和電磁波信號的衰減。該方法 包括以下步驟-① 將實驗樣品放入微波傳感器，開啟計算機和外圍電路；② 設(shè)置溫度控制器的控制模式、升溫速率和升溫時間；③ 啟動溫度控制器，同時運行檢測軟件，記錄物質(zhì)脫水過程和吸波特性與溫度關(guān)系。本發(fā)明提供了一個電磁波與實驗樣品的強相互作用區(qū)，即金屬共振腔。采 用分部參數(shù)諧振腔會使檢測精度更高。所述的金屬共振腔可以是開放式的，也 可以是封閉式的，其形狀可為多種形狀，如圓柱形、方形、平面型等；當(dāng)金 屬共振腔為封閉時，腔壁上應(yīng)有開口，讓樣品管插入；當(dāng)共振腔為開放時，樣 品管應(yīng)靠近共振腔，其距離應(yīng)小于激勵的共振腔的電磁波的一個波長；當(dāng)共振 腔為開放式諧振腔時，樣品管可放入諧振腔電磁波作用空間中的任何位置(在 這些位置，物質(zhì)特性的變化能引起諧振腔諧振頻率的變化和Q值的變化)；所述 的樣品管不吸收電磁波。-一般說來，為了防止程序控制升溫過程中實驗樣品特
性受空氣的影響，可通入保護性氣體(例如氮氣和氦氣等)保護測量樣品。根據(jù)上面的方法，本專業(yè)的普通技術(shù)人員就可以實施本發(fā)明，實現(xiàn)發(fā)明目的。本發(fā)明的優(yōu)點-與TG比較，本發(fā)明方法不但能測出物質(zhì)的脫水溫度，而且還能測出物質(zhì)的吸波特性變化；與DTA比較它雖然不能測量樣品吸熱或者是放熱過程，但能測 量樣品的吸波特性變化；與DSC比較，它雖然不能測量樣品與參比物的比熱之 差或反應(yīng)熱(轉(zhuǎn)變熱)之差，但能測量樣品的吸波特性變化。綜上所述，本發(fā)明方法不僅能測量樣品的脫水溫度而且還能測量吸波特性 變化，解決了現(xiàn)有熱分析方法不能解決的部分問題，是現(xiàn)有熱分析方法的補充。 本發(fā)明靈敏度高、測量準確，適用于所有固體物質(zhì)結(jié)晶水的檢測。


圖1為圓柱形金屬共振腔及其坐標系。圖2為本發(fā)明實施例中的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為用本發(fā)明方法測量得到的乙酸鎳脫水溫度和吸波特性變化。圖4為用本發(fā)明方法測量得到的乙酸鋅脫水溫度和吸波特性變化的原始數(shù)據(jù)。圖5和圖6分別為將乙酸鋅原始數(shù)據(jù)處理后從不同的角度觀察得到的脫水 過程和吸波特性變化。圖7為對乙酸鎳脫水過程進行測量得到的結(jié)果，所用設(shè)備為日本島津熱分 析儀。圖8為對乙酸鋅脫水過程進行測量得到的結(jié)果，所用設(shè)備為日本島津熱分 析儀。圖2中l(wèi)-隔熱層，2-發(fā)熱器，3-耦合裝置，4-圓柱形金屬諧振腔，5-實驗 樣品，6-樣品管，7-測溫傳感器，8-測溫傳感器，9-溫度控制器，10-微波信號發(fā) 生器，11-接口電路，12-微波檢測器，13-接口電路，14-計算機，15-接口電路。
具體實施方式
計算機14通過接口電路13控制微波信號發(fā)生器10，微波信號發(fā)生器10輸 出掃頻微波，掃頻微波經(jīng)耦合裝置3進入金屬共振腔4，共振腔內(nèi)置樣品管6(不
吸波，例如石英)，在共振腔內(nèi)，實驗樣品5與微波相互作用，作用后的微波經(jīng)耦合裝置3輸出，耦合裝置輸出的微波進入微波檢測器12，微波檢測器為線性 檢波器。經(jīng)微波檢測器處理后的信號由接口 15進入計算機14，同時，實驗樣品 的溫度經(jīng)測溫傳感器7檢測后通過接口電路11送入計算機14。溫度控制器9用 于設(shè)置控制模式、升溫速率和升溫時間，所述的控制模式、升溫速率和升溫時 間可采用現(xiàn)有熱分析儀的模式。測溫傳感器8用于測量加熱裝置的溫度，并通 過溫度控制器軟件控制加熱裝置的升溫速率和升溫時間。計算機同時處理處理 接口 ll和接口 15傳來的信息即可反演物質(zhì)的脫水過程和吸波特性與溫度關(guān)系。 為了保證在升溫過程中測量樣品的特性不受空氣的影響，可通入保護性氣體(例 如氮氣等)保護測量樣品。在本實施例中，樣品管高100mm，內(nèi)半徑為8mm，壁厚為l.Omm;圓柱形 金屬共振腔高度為15mm，內(nèi)半徑為49mm，外半徑為54mm，材質(zhì)為紫銅；微 波耦合裝置為電耦合棒，電耦合棒的半徑為l.lmm，長為3.8mm;圓柱形金屬 共振腔體中心孔直徑為10.5mm;微波信號發(fā)生器由掃頻電路組成；接口電路分 別用于將計算機與微波信號發(fā)生器、將計算機與微波檢測器、將計算機與測溫 傳感器相連；微波檢測器由檢波放大電路和信號處理電路組成；計算機由單片 機、通信接口和普通PC機組成。該實施例中，微波傳感器由圓柱形金屬諧振腔和相關(guān)外圍電路組成，相關(guān) 外圍電路包含微波信號發(fā)生器、微波檢測器和接口電路。以上實施例僅對發(fā)明做進一步的說明，而本發(fā)明的范圍不受所舉實施例的 局限。
權(quán)利要求
1、 一種檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法，其特征在于由以下步驟組成-一、 提供微波與待測樣品的強相互作用區(qū)，將裝有實驗樣品的容器放入所 述的強相互作用區(qū)中二、 開啟計算機和外圍電路，所述的外圍電路為微波信號發(fā)生器、微波檢 測器和接口電路；三、 用溫度控制器對強相互作用區(qū)進行升溫，升溫的模式、速率和時間與 現(xiàn)有熱分析儀相同；四、 同時，用測溫傳感器對實驗樣品的溫度進行檢測，并通過接口電路送 入計算機；五、 由計算機控制的微波信號發(fā)生器發(fā)生的微波通過微波耦合裝置進入所 述的強相互作用區(qū)，作用后的微波經(jīng)耦合裝置輸出，進入微波檢測器，經(jīng)微波 檢測器處理后的信號也同時進入計算機；六、 計算機同時處理兩個接口傳來的信息，記錄物質(zhì)脫水過程和吸波特性 與溫度關(guān)系，即可反演物質(zhì)的脫水過程和吸波特性與溫度關(guān)系。
2、 如權(quán)利要求1所述的檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法，其特征在于所述的強相互 作用區(qū)為共振腔，其結(jié)構(gòu)為微帶形、圓柱形、方形、平面形或開放式諧振腔。
3、 如權(quán)利要求2所述的檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法，其特征在于所述的共振腔 為被電磁波激勵的分布參數(shù)諧振腔。
4、 如權(quán)利要求1所述的檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法，其特征在于所述的微波信 號發(fā)生器為掃頻信號發(fā)生器。
5、 如權(quán)利要求1所述的檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法，其特征在于所述的微波檢 測器為線性檢波器。
6、 如權(quán)利要求1所述的檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法，其特征在于所述的實驗樣 品容器不吸收電磁波。
7、 如權(quán)利要求1所述的檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法，其特征在于步驟五中所述 的經(jīng)微波檢測器處理后的信號為測量樣品升溫過程中微波傳感器的頻偏A/和電 磁波信號的衰減。
8、 如權(quán)利要求1所述的檢測物質(zhì)結(jié)晶水的方法，其特征在于所述的強相互 作用區(qū)通入保護性氣體保護測量樣品。
全文摘要
本發(fā)明涉及微波傳感器技術(shù)在熱分析上的應(yīng)用。本發(fā)明所述方法由以下步驟組成一、提供微波與待測樣品的強相互作用區(qū)，將裝有實驗樣品的容器放入所述的強相互作用區(qū)中；二、開啟計算機和外圍電路，所述的外圍電路為微波信號發(fā)生電路、微波檢測電路和接口電路；三、用溫度控制器對強相互作用區(qū)進行升溫；四、同時，用測溫傳感器對實驗樣品的溫度進行檢測，并通過接口電路送入計算機；五、由計算機控制的微波信號發(fā)生器發(fā)生的微波通過微波耦合裝置進入所述的強相互作用區(qū)，作用后的微波經(jīng)耦合裝置輸出；六、計算機同時處理兩個接口傳來的信息，記錄物質(zhì)脫水過程和吸波特性與溫度關(guān)系，即可反演物質(zhì)的脫水過程和吸波特性與溫度關(guān)系。
文檔編號G01N25/00GK101122570SQ20061004860
公開日2008年2月13日 申請日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
發(fā)明者容 宗, 俊 常, 施繼紅, 楊晶晶, 王家強, 蔡光卉, 銘 黃 申請人:云南大學(xué)