热分析装置和电炉的控制方法

摘要

一种热分析装置和电炉的控制方法，其不会强迫用户进行用于修正的事前的作业，以使实际的试样的温度变化迅速地到达预先设定的目标速率且追随该目标速率的方式控制电炉。具备修正部(20)，该修正部(20)基于相对于试样(S1)的温度变化的目标速率和相对于试样(S1)的实际的温度变化的实际速率的差量对设定在温度程序中的程序温度进行修正。

权利要求

1.一种热分析装置，其基于温度程序控制电炉，将配置在该电炉内的试样由该电炉加热或者冷却，测定与该试样的温度变化相伴的状态变化，其特征在于，具备修正由上述温度程序设定的程序温度的修正组件，上述修正组件包含设定相对于上述电炉内的监视对象的温度变化的目标速率的目标速率设定部；检测上述监视对象的实际的温度的对象温度检测部；和根据由该对象温度检测部检测的温度算出相对于上述监视对象的实际的温度变化的实际速率的实际速率算出部，基于上述目标速率和上述实际速率的差量对上述程序温度进行修正。

2.如权利要求1记载的热分析装置，其特征在于，上述监视对象是上述试样或者上述电炉中的任一个。

3.如权利要求1记载的热分析装置，其特征在于，在将与温度变化相伴的状态变化预先已知的标准试样与上述试样并列地配置在上述电炉内的结构的热分析装置中，上述监视对象是上述标准试样。

4.如权利要求1记载的热分析装置，其特征在于，上述修正组件基于下式修正设定在上述温度程序中的程序温度，

Tcp＝Tp+M(ΔTp-ΔTc)Tcp：修正后的程序温度

Tp：修正前的程序温度

ΔTp：目标速率

ΔTc：实际速率

M：调整倍率。

5.如权利要求1至4中的任一项记载的热分析装置，其特征在于，具备对上述电炉的温度进行检测的电炉温度检测部；预先设定上述温度程序的温度程序设定部；算出由上述电炉温度检测部检测的实际的电炉温度和由上述温度程序设定的程序温度的偏差的温度偏差算出部；和基于由该温度偏差算出部算出的实际的电炉温度和程序温度的偏差对上述电炉进行PID控制的PID控制部，上述修正组件基于上述目标速率和上述实际速率的差量对由上述温度程序设定的程序温度进行修正。

6.一种电炉的控制方法，其基于温度程序控制电炉，将配置在电炉内的试样由该电炉加热，测定与该试样的温度变化相伴的状态变化，其特征在于，对相对于上述电炉内的监视对象的温度变化的目标速率进行设定，并且检测上述监视对象的实际的温度，根据该检测的温度算出相对于上述监视对象的实际的温度变化的实际速率，

基于上述目标速率和上述实际速率的差量修正由上述温度程序设定的程序温度。

7.如权利要求6记载的电炉的控制方法，其特征在于，基于下式修正由上述温度程序设定的程序温度，

Tcp＝Tp+M(ΔTp-ΔTc)Tcp：修正后的程序温度

Tp：修正前的程序温度

ΔTp：目标速率

ΔTc：实际速率

M：调整倍。

说明书

热分析装置和电炉的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及热分析装置，该热分析装置基于温度程序对电炉进行控制，由该电炉对配置在电炉内的试样进行加热或者冷却，测定与该试样的温度变化相伴的状态变化。

背景技术

[0002] 热机械分析装置(TMA)、差示扫描量热仪(DSC)、热重量测定装置(TGA)、差示热分析装置(DTA)、热重量差示热分析装置(TG-DTA)等的热分析装置，具备用于对试样进行加热
或者冷却的电炉。

[0003] 电炉，基于设定在温度程序中的程序温度和实际的电炉温度的偏差进行PID控制(Proportional-Integral-Differential Controller，比例积分微分控制)，对配置在电炉
内的试样从其周围进行加热。

[0004] 但是，在以往的热分析装置中的电炉的控制中，具有试样的升温速度不能被保持在目标速率而变得不稳定的缺点。

[0005] 具体地讲，在以往的偏差型PID控制中，因为实际的电炉温度被控制成追随程序温度，所以在升温开始后的启动中，存在配置在电炉内的试样的升温速度与目标速率相比变
慢的情况。为了缩短此升温速度的延迟，如果在升温初始提高电炉的输出，则相反地存在试
样的升温速度超过了目标速率的情况。

[0006] 另外，在启动之后的升温过程中，即使电炉的升温速度被保持在目标速率，由于电炉内的热的对流、辐射的影响，所以也存在着试样的升温速度离开目标速率的情况。

[0007] 进而，即使将试样的温度保持在一定的目标温度，在偏差型的PID控制中，也存在着保持在从目标温度过冲得大的温度的情况。

[0008] 在专利文献1公开的热分析装置中，为了消除上述的那样的偏差型PID控制的缺点，使试样温度精确地追随温度程序，进行了以下的那样的控制(参照该文献1的说明书第
0020、0021段)。

[0009] 即，在测定之前，预先求出温度偏差近似式(f)，基于此温度偏差近似式(f)对程序温度进行修正，以电炉的温度与修正程序温度一致的方式执行反馈控制。

[0010] 但是，为了求出温度偏差近似式(f)，需要一边对每个试样的种类预先以一定的速度将电炉加热或者冷却，一边预先测量相对于试样温度的试样和电炉之间的温度偏差。因
此，用户在测定开始前被迫进行用于修正程序温度的复杂的预先测量作业，具有作业性差
的缺点。

[0011] 在先技术文献

[0012] 专利文献

[0013] 专利文献1：日本特开2007-322364号公报

发明内容

[0014] 发明所要解决的课题

[0015] 本发明是鉴于上述的情况而做出的发明，其目的在于提供一种热分析装置，该热分析装置不会强迫用户进行用于修正程序温度的事前的作业，能使实际的试样的温度变化
迅速地到达预先设定的目标速率，且追随该目标速率。

[0016] 为了解决课题的手段

[0017] 为了达到上述目的，本发明的热分析装置基于温度程序控制电炉，将配置在该电炉内的试样由该电炉加热或者冷却，测定与该试样的温度变化相伴的状态变化，其特征在
于，具备修正由上述温度程序设定的程序温度的修正组件，上述修正组件包含设定相对于
上述电炉内的监视对象的温度变化的目标速率的目标速率设定部；检测上述监视对象的实
际的温度的对象温度检测部；和根据由该对象温度检测部检测的温度算出相对于上述监视
对象的实际的温度变化的实际速率的实际速率算出部，基于上述目标速率和上述实际速率
的差量对上述程序温度进行修正。

[0018] 这样，本发明通过基于相对于试样的温度变化的目标速率和实际速率的差量对程序温度进行修正，能以实际速率追随目标速率的方式控制电炉。由此，能使试样与目标速率
一致地稳定地升温或者冷却，能实现高精度的热分析测定。

[0019] 修正组件最好做成基于下式(1)修正设定在温度程序中的程序温度的结构。

[0020] Tcp＝Tp+M(△Tp-ΔTc)···(1)

[0021] 在上式中，Tcp是修正后的程序温度，Tp是修正前的程序温度，ΔTp是相对于试样的温度变化的目标速率，ΔTc是相对于试样的实际的温度变化的实际速率，M是调整倍率。

[0022] 在此，“相对于试样的温度变化的目标速率ΔTp”，是执行热分析测定时的试样的目标升温速度或者目标降温速度，被预先设定。另外，“相对于试样的实际的温度变化的实
际速率ΔTc”，是对试样的实际的温度进行微分算出的升温速度或者降温速度。为了算出此
实际速率ΔTc，在热分析测定中实时地测量与试样的实际的温度相当的温度。

[0023] 另外，调整倍率M是根据与热分析装置(特别是电炉)的构造的关系来实验性地调整的倍率。例如，在温度容易升高的电炉的情况下，由于实际速率很快地到达目标速率，所
以倍率被设定得小。相反，在温度平缓地逐渐上升的电炉中，倍率被设定得大。此调整倍率
M，例如，能由制造商对热分析装置通过实验求出来设定。被设定的调整倍率M，即使成为测
定对象的试样的种类变化，也不需要重新调整。

[0024] 在热分析装置中，有的结构是将与温度变化相伴的状态变化预先已知的标准试样与试样并列地配置在电炉内。

[0025] 在这样的结构的热分析装置中，作为上述的监视对象，能选定试样、标准试样或者电炉中的任一个。

[0026] 将哪一个温度变化作为监视对象，能与热分析装置的种类等相应地适当决定。例如，对于热机械分析装置(TMA)、差示扫描量热仪(DSC)、热重量测定装置(TGA)、差示热分析
装置(DTA)、热重量差示热分析装置(TG-DTA)，能进行分别使用试样的检测温度、标准试样
的检测温度、电炉的检测温度的实验，并通过验证是否能得到根据哪一个检测温度算出的
实际速率ΔTc为最好的修正结果，能判断将哪一个作为监视对象为好。

[0027] 接着，本发明的电炉的控制方法基于温度程序控制电炉，将配置在电炉内的试样由该电炉加热，测定与该试样的温度变化相伴的状态变化，其特征在于，对相对于上述电炉
内的监视对象的温度变化的目标速率进行设定，并且检测上述监视对象的实际的温度，根
据该检测的温度算出相对于上述监视对象的实际的温度变化的实际速率，基于上述目标速
率和上述实际速率的差量修正由上述温度程序设定的程序温度。

[0028] 在此，由上述温度程序设定的程序温度，最好基于上式(1)修正。

[0029] 发明的效果

[0030] 如以上说明的那样，根据本发明，通过基于相对于试样的温度变化的目标速率和实际速率的差量对程序温度进行修正，能以实际速率有效地追随目标速率的方式对电炉进
行控制。

附图说明

[0031] 图1是表示热机械分析装置(TMA)的概要的模式图。

[0032] 图2是表示本发明的实施方式的热机械分析装置的电炉的控制系统的框图。

[0033] 图3是用于说明本发明的实施方式的热机械分析装置的电炉控制方法的流程图。

[0034] 图4A是在不修正程序温度地对电炉进行PID控制的情况下的温度特性图。

[0035] 图4B是在适用本发明来基于修正后的程序温度对电炉进行PID控制的情况下的温度特性图。

[0036] 图5A是不修正程序温度地对电炉进行PID控制，要将试样温度保持在一定的目标温度时的温度特性图。

[0037] 图5B是适用本发明来基于修正后的程序温度对电炉进行PID控制，要将试样温度保持在一定的目标温度时的温度特性图。

[0038] 图6是表示经升温和降温实施了热分析测定时的试样温度的变化的实验数据。

[0039] 图7是要将试样升温保持在一定的目标温度时的实验数据。

具体实施方式

[0040] 为了实施发明的方式

[0041] 以下，参照附图详细地说明将本发明适用于热机械分析装置(TMA：Thermo Mechanical Analysis)的实施方式。

[0042] 热机械分析装置是根据程序使试样的温度逐渐变化，在该逐渐变化的过程中一边对试样施加一定的压力一边测定试样的尺寸变化的热分析装置。根据热机械分析装置，能
将试样的膨胀、收缩、软化的迹象作为温度的函数进行测定，求出试样的软化点、玻璃转移
温度、融解温度，结晶化温度，固相转移温度等。

[0043] 图1是表示热机械分析装置(TMA)的概要的模式图。如该图所示，热机械分析装置具备电炉2、差动变压器3、两根检测棒4、5。在电炉2的内部空间中插入保护管1a。在保护管
1a的空心部内形成了测定室1，在此测定室1中设置了试样配置部7。

[0044] 在试样配置部7，将成为测定对象的试样S1和标准试样S0并列地配置，将这些试样S1和标准试样S0分别由检测棒4、5的下端推压而压附在试样配置部7。经检测棒4、5对试样
S1和标准试样S0赋予的载荷由未图示的加压组件设定为一定的值。

[0045] 在这样对试样S1和标准试样S0赋予了一定的载荷的状态下，由电炉2对测定室1内进行加热。两根检测棒4、5，将与试样S1抵接的检测棒4与差动变压器3的铁芯3a连结，另一
方面，将与标准试样S0抵接的检测棒5与差动变压器3的线圈3b侧连结。由此，各检测棒4、5
的位移的差量由差动变压器3检测。

[0046] 在此，标准试样S0由热的变形可以忽略的程度地小的材料(例如，氧化铝)形成。因此，由热引起的试样配置部7周围的热的位移被传递给与此标准试样S0抵接的检测棒5。因
此，通过由差动变压器3从试样S1侧的检测棒4的位移除去此试样配置部7周围的热的位移，
仅检测由加热引起的试样S1的长度变化。

[0047] 图2是表示本实施方式的热机械分析装置的电炉的控制系统的框图。

[0048] 电炉2由控制部10(控制组件)控制加热速度、冷却速度。

[0049] 控制部10基于设定在温度程序中的程序温度和实际的电炉温度的偏差对电炉2进行PID控制(偏差型PID控制)。控制部10由温度程序设定部11、电炉温度检测部12、温度偏差
算出部13、偏差型PID运算部14、电炉输出控制器15的各部分构成，还包含修正部20。另外，
控制部10，具体地讲由计算机和运行它的程序构成。

[0050] 温度程序设定部11是预先设定温度程序的存储部，该温度程序用于指示相对于执行热分析测定时的经过时间的程序温度的温度程序。基本上是基于在此设定的温度程序来
控制电炉2。但是，在本实施方式中，为了使实际速率与试样温度的目标速率迅速地一致，将
修正部20算出的修正值与程序温度相加，基于该修正后的温度程序控制电炉2。

[0051] 电炉温度检测部12是检测电炉2的实际的温度的传感器，具体地讲，由与测定电炉2内的温度的部位连接的热电偶(电炉热电偶)构成。

[0052] 温度偏差算出部13是算出将修正值相加了的修正后的程序温度和由电炉温度检测部12检测的实际的电炉2的温度的偏差的运算处理部。向此温度偏差算出部13输入来自
后述的程序温度修正部26的输出信号和来自电炉温度检测部12的输出信号。

[0053] 偏差型PID运算部14基于由温度偏差运算部13算出的修正后的程序温度和实际的电炉2的温度的偏差执行PID运算(比例·积分·微分运算)。

[0054] 电炉输出控制器15基于偏差型PID运算部14执行的运算结果对电炉2的温度进行PID控制。

[0055] 另外，修正部20由目标速率设定部21、试样温度检测部22、实际速率算出部23、差量算出部24、修正值算出部25、程序温度修正部26的各部构成。在本实施方式中，将试样S1
选定为监视对象，修正部20基于相对于试样S1的温度变化的目标速率ΔTp和相对于试样S1
的实际的温度变化的实际速率ΔTc的差量修正程序温度。

[0056] 目标速率设定部21是预先设定相对于试样S1的温度变化的目标速率ΔTp的存储部。如上所述，目标速率ΔTp是执行热分析测定时的试样S1的目标升温速度或者目标降温
速度。在执行热分析测定的期间，电炉2被控制，以便试样S1的实际速率与此目标速率迅速
地一致。

[0057] 试样温度检测部22具有检测试样S1的实际的温度的功能，具体地讲，基于来自与测定试样S1的温度的部位(例如，试样配置部7的与试样S1接触的面)连接的热电偶(试样热
电偶)的信号检测试样S1的实际的温度。

[0058] 实际速率算出部23是用于算出相对于试样S1的实际的温度变化的实际速率ΔTc的运算处理部。如上所述，实际速率ΔTc是对试样S1的实际的温度进行微分而算出的升温
速度或者降温速度。具体地讲，对由试样温度检测部22检测的试样S1的实际的温度进行微
分，算出实际速率ΔTc。

[0059] 差量算出部24是算出设定在目标速率设定部21的目标速率ΔTp和由实际速率算出部23算出的相对于试样S1的实际的温度变化的实际速率ΔTc的差量(ΔTp-ΔTc)的运算
处理部。

[0060] 修正值算出部25是算出上述(1)式的修正值，即M(ΔTp-ΔTc)的运算处理部。在此修正值算出部25，预先设定了用于算出修正值所需的调整倍率M。

[0061] 程序温度修正部26，在温度程序设定部11设定的程序温度Tp上加上由修正值算出部25算出的修正值M(ΔTp-ΔTc)，对程序温度Tp进行修正。即，修正后的程序温度Tcp，如上
述(1)式的那样，由Tp+M(ΔTp-ΔTc)算出。

[0062] 由此程序温度修正部26求出的修正后的程序温度Tcp被输入给温度偏差算出部13。然后，算出修正后的程序温度Tcp和由电炉温度检测部12检测的实际的电炉2的温度的
偏差，基于该偏差对电炉2进行PID控制。

[0063] 接着，参照图3对电炉的控制方法进行说明。

[0064] 如果将试样S1和标准试样S0配置在测定室1的试样配置部7开始热分析测定，则实际速率算出部23与预先设定的控制时机同步地对由试样温度检测部22检测的试样S1的实
际的温度进行微分，算出相对于试样S1的实际的温度变化的实际速率ΔTc(步骤S1)。

[0065] 接着，差量算出部24从目标速率设定部21读取目标速率ΔTp，算出与由实际速率算出部23算出的实际速率ΔTc的差量(ΔTp-ΔTc)(步骤S2)。然后，修正值算出部25利用算
出的目标速率ΔTp和实际速率ΔTc的差量算出修正值M(ΔTp-ΔTc)(步骤S3)。接着，程序
温度修正部26读出在温度程序设定部11设定的程序温度Tp，在该程序温度上加上由修正值
算出部25算出的修正值M(ΔTp-ΔTc)，对程序温度Tp进行修正(步骤S4)。按照这样的次序，
算出修正后的程序温度Tcp。

[0066] 然后，温度偏差算出部13算出修正后的程序温度Tcp与由电炉温度检测部12检测的实际的电炉2的温度的偏差(步骤S5)，基于该偏差，电炉输出控制器15对电炉2进行PID控
制(步骤S6)。

[0067] 直到热分析测定结束为止，与控制时机同步地反复进行上述的从步骤S1到S6的控制动作(步骤S7)。

[0068] 这样，通过基于相对于试样S1的温度变化的目标速率ΔTp和实际速率ΔTc的差量来修正程序温度，能以实际速率ΔTc追随目标速率ΔTp的方式控制电炉2。由此，能将试样
S1与目标速率ΔTp一致地稳定地升温或者冷却，能实现高精度的热分析测定。而且，因为能
实时地测量实际速率来执行程序温度的修正，所以不需要如专利文献1的热分析装置的那
样在测量前由用户进行用于修正的预备测量，能有效地实施热分析测定。

[0069] 图4A是在不修正程序温度地对电炉进行PID控制的情况下的温度特性图。在不修正程序温度的情况下，在升温开始后的启动中，试样温度的实际速率与程序温度的升温速
度相比变慢(图的A)。在此后的升温过程中，相反地试样温度的实际速率与程序温度的升温
速度相比变快(图的B)，或变慢(图的C)，在试样S1的升温速度上产生偏差。

[0070] 图4B是在基于修正后的程序温度对电炉进行PID控制的情况下的温度特性图。在适用本发明修正了程序温度的情况下，试样温度的实际速率从升温开始后的启动迅速与修
正前的程序温度的升温速度一致。

[0071] 图5A是不修正程序温度地对电炉进行PID控制，要将试样温度保持在一定的目标温度时的温度特性图。在不修正程序温度的情况下，试样温度与目标温度相比过冲得大。

[0072] 图5B是基于修正后的程序温度对电炉进行PID控制，要将试样温度保持在一定的目标温度时的温度特性图。在适用本发明来修正程序温度的情况下，试样温度的升温速度
迅速地变为零，试样温度的相对于目标温度的过冲量小。

[0073] 图6是表示经过升温和降温实施了热分析测定时试样温度的变化的实验数据。以升温速度20℃/min将试样S1从温度-70℃升温到600℃，然后将试样S1再次冷却到-70℃。其
结果，与不修正程序温度时相比，适用本发明修正了程序温度时，试样温度被迅速升温到达
目标温度的600℃。然后，适用本发明修正了程序温度时，试样S1也被迅速地冷却。

[0074] 图7是要将试样升温保持在一定的目标温度时的实验数据。从该图可知，与不修正程序温度时相比，适用本发明修正了程序温度时，相对于目标温度200℃的过冲量变小。

[0075] 另外，本发明不限定于上述的实施方式，不用说，可与需要相应地进行各种变形实施、应用实施。

[0076] 例如，本发明的适用范围不限定于热机械分析装置(TMA)，能适用于差示扫描量热仪(DSC)、热重量测定装置(TGA)、差示热分析装置(DTA)、热重量差示热分析装置(TG-DTA)
等具备用于将试样加热的电炉的各种热分析装置。

[0077] 进而，本发明也能由多个装置构成的系统构成。

[0078] 另外，在上述的实施方式中，将试样作为监视对象，以使用试样的热电偶来检测试样的实际的温度变化的结构进行了说明，但不限定于此，也可以将标准试样、电炉作为监视
对象。即，能做成如下的结构：使用与测定标准试样的温度的部位(例如试样配置部7的与标
准试样S0接触的面)连接的热电偶、与测定电炉内的温度的部位(例如，电炉内的位于试样
S1附近的面)连接的热电偶，作为试样的温度变化，检测它们实际的温度变化，控制试样的
升温或者冷却。

[0079] 符号的说明：

[0080] 1：测定室，2：电炉，3：差动变压器，4、5：检测棒，7：试样配置部，10：控制部，11：温度程序设定部，12：电炉温度检测部，13：温度偏差算出部，14：偏差型PID运算部，15：电炉输
出控制器，20：修正部，21：目标速率设定部，22：试样温度检测部，23：实际速率算出部，24：
差量算出部，25：修正值算出部，26：程序温度修正部。