大体积Seebeck型量热计的卷积降噪

【作者】 张武寿； 赵海娜； 王毅琳；

【机构】 中国科学院化学研究所；

【摘要】 利用材料Seebeck效应测量物理/化学/生物过程热功率的量热计已经商用半个多世纪了,现在广泛使用的Calvet型微量热计即其典型。Calvet型微量热计采用全同的样品池与参考池来对消环境温度扰动对所测热信号的干扰,已实现了nW级灵敏度。但对于大体积、高功率的测量,因空间限制与快速换热的要求,多数量热计采用单池设计与恒温流体直接制冷,所以热功率背景噪声很大,我们发明了一种颠覆性新技术——卷积法——来解决这些问题。其原理如下,热功率噪声主要来自恒温流体温度波动,为此我们特制小参考池,参考池与样品池信号皆随流体温度变化且两者间存在卷积关系,通过流体温度突变的方法使参考池与样品池皆产生热信号脉冲,用数值模拟反卷积求得两池热信号间的脉冲响应函数,实际热测量时用样品池信号减去参考池信号卷积来消除热噪声。一例结果如下图所示,初步试验表明可降噪2个量级以上,这在物理上相当于水浴控温精度从现在的0.01℃提高到0.0001℃以上。相应地,大体积量热计的测量下限从0.1 W级延伸至mW级,测量灵敏度和精度也大幅提高。与Calvet型量热计相比,本量热计特点如下:(1)Calvet型量热计要尽量避免环境温度对热测量的干扰,而我们承认这种干扰是无法避免的,所以直接测量并加以消除。(2)Calvet型量热计设计思路是物理的,我们采用的方法是数学的。(3)Calvet型属于被动降噪,我们属于主动降噪。此外我们的技术还可以反过来应用于Calvet型量热计以克服双池不一致或位置不对称导致热信号无法完全对消的问题,进一步提高其灵敏度。所以说这是一种革命性的降噪技术。本量热计可应用于二次电池性能表征、核废料无损探测、动物新陈代谢、化工中试反应、油砂中低温氧化机理研究、大样品热容量测量等多个领域。更多还原