本發(fā)明涉及一種根據權利要求1的前序部分所述的用于對試樣進行熱機械分析的方法以及根據權利要求12的前序部分所述的用于進行熱機械分析的設備。

背景技術：

在通常也稱為TMA(“thermomechanical analysis”)的熱機械分析中測量一種材料的試樣的與溫度相關的一個或多個機械性能。

該材料例如可以是固體、液體或膏狀的材料。對此通常在試樣處于明確規(guī)定的機械負荷的情況下，測量例如長度變化作為溫度和/或時間的函數(shù)，其中，試樣通常暴露于預先確定的與時間相關的溫度條件下，即“溫度程序”下。

尤其在試樣的機械負荷實際可忽略(相對小)、例如僅通過使用感應柱等條件來測量長度變化的情況下，TMA通常稱為膨脹測定法(Dilatometrie)，或者說在使用經調制的溫度程序時稱為溫度調制的膨脹測定法。

這里所關注的類型的TMA使用的是“經調制的溫度程序”，這意味著，溫度在時間上的曲線由基本的、大多預先規(guī)定為線性的相應于“基礎加熱速率”的溫度變化和與該溫度變化疊加的、大多預先規(guī)定為正弦形狀(替代地可考慮例如三角形、矩形或鋸齒形)的溫度調制組成。

這里所關注的類型的TMA的重要目的是，針對試樣的材料求出(與溫度變化相關的)長度變化的至少一個“可逆的分量”和/或尤其例如求出熱膨脹系數(shù)的可逆的分量。

因為如果試樣在熱機械分析中經受由熱引起的轉變過程(例如相變、玻璃化轉變、燒結工藝等)，那么直接測量的長度變化或熱膨脹系數(shù)的“總的分量”由“可逆的分量”和“不可逆的分量”疊加組成，因此在確定長度變化或熱膨脹系數(shù)的“可逆的分量”之后也可簡單地求出“不可逆的分量”(通過從總的分量中減去可逆的分量)。

在實踐中，與溫度相關的、對試樣的收縮或膨脹效應或這種效應對長度變化或熱膨脹系數(shù)的影響的確定和表征通常是TMA的“主要目的”。

開頭所述的用于熱機械分析的方法例如在US6,007,240中進行了描述并且包括如下步驟：

a)將試樣布置在熱機械分析設備中并且借助分析設備根據經調制的溫度程序對試樣調溫，

b)記錄借助分析設備獲取的數(shù)據，該數(shù)據表示試樣在調溫過程中的長度變化，

c)評估數(shù)據，以求出試樣的長度變化的可逆的分量和/或熱膨脹系數(shù)的可逆的分量，

d)借助校正參數(shù)計算長度變化的經校正的可逆的分量，該校正參數(shù)作為總的長度變化和長度變化的可逆的分量的比例來計算。

圖1至圖3示例性地示出了由線性的溫度變化(圖1)和正弦形的溫度調制(圖2)組成的部分以實現(xiàn)經調制的溫度程序(圖3)。在圖1至圖3中，分別向右標示出時間t以及向上標示出溫度T。

圖1示出了溫度T的線性的變化，其可通過下式表示：T＝T₀+(β×t)。在此，T₀表示初始溫度，β表示加熱速率。在圖1的示例中，加熱速率β為2.0K/min。需要注意，雖然加熱速率β也可設為負(即，相應于“冷卻速率”)，但是為了簡單，在這里并且在本發(fā)明的下文中始終稱為加熱速率β。

圖2示出了溫度T的正弦形的變化，其可通過下式表示：T＝T_avg+A_T×sin(ωt)。對此，T_avg表示(在周期持續(xù)時間上的)平均溫度，A_T表示溫度調制的幅度，并且ω表示調制頻率。在圖2的示例中，T_avg約為-1.2℃，A_T為1.5K，并且ω約為2.1min^-1(相應于周期持續(xù)時間為3.0min)。

圖3示出了經調制的溫度程序，其相應于線性的變化(圖1)和正弦形的變化(圖2)的疊加，該溫度程序可通過下式表示：T＝T₀+(β×t)+A_T×sin(ωt)。

在由此進行的TMA中，可通過用戶、例如與具體的使用情況匹配地定義調制的溫度程序的所有參數(shù)(這里即為：T₀、β、A_T和ω)。

在經調制的溫度程序中也可給出(在周期持續(xù)時間上的)平均溫度T_avg。其符合下式：T_avg＝T₀+(β×t)。由此也可通過下式描述經調制的溫度程序：T＝T_avg+A_T×sin(ωt)。

為了描述經調制的“溫度波動”，定義溫度偏差ΔT＝A_T×sin(ωt)，由此，經調制的溫度程序最終也可通過下式表示：T＝T_avg+ΔT。

“熱膨脹系數(shù)α”是重要的特征值，其描述在溫度改變時材料在其尺寸變化方面的情況。熱膨脹系數(shù)α(僅與溫度相關)是特定物質的材料常數(shù)，其通?；蚨嗷蛏俚嘏c其自身的溫度相關。在此，熱膨脹系數(shù)α理解為在線膨脹系數(shù)的意義中(與通常也使用的熱的體膨脹系數(shù)γ不同)，并且在溫度變化dT和材料的(可逆的)相對的長度變化dL/L之間的比例常數(shù)為：dL/L＝α×dT。因此有：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{L}\×\frac{dL}{dT}.$

在根據圖1(線性的溫度變化)的情況中有：dL＝L×α×dT和dT＝β×dt以及因此有：dL＝L×α×β×dt。

由此，熱膨脹系數(shù)α可通過下式確定：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{L\mathrm{\β}}\×\frac{dL}{dt}.$

長度變化dL/L₀與時間t相關的在圖1中的線性的曲線意味著，在該(理想的)示例中α是與溫度無關的常數(shù)。

在根據圖3(具有基于線性的加熱的經調制的溫度程序)的情況中，在長度變化時有兩個分量，即，(通過基礎加熱速率β≠0決定的)“基礎的分量”和(通過溫度波動決定的)“波動的分量”。“基礎的dL”可作為在一個周期上的平均值來計算并且在下面稱為dL_total。在此有：dL_total＝L_total×α×dT_avg和dT_avg＝β×dt，以及有：dL_total＝L_total×α×β×dt。

由此可由dL_total通過下式確定熱膨脹系數(shù)α_total：

在圖3中的長度變化dL_total/L₀與時間t相關的線性的曲線同樣意味著，在該(理想的)示例中α_total是與溫度無關的常數(shù)。

在根據圖2(溫度調制)的情況中，除了“T”是所涉及的材料試樣的均勻溫度，ΔL＝L×α×ΔT和ΔT＝A_T×sin(ωt)同樣成立，由此對于“長度變化”ΔL得到：

ΔL＝L×α×A_T×sin(ωt)。

但是這僅對“理想”情況是正確的，在理想情況中，在試樣的每個點中的試樣溫度大小相同，即，尤其在試樣的中心和在表面上溫度相同。但是在實踐中不是這樣的情況，因為這樣情況的前提條件是調制頻率ω無限小或試樣材料的導熱性無限大。

為了描述由調制引起的“長度波動”將長度變化的幅度定義為A_L，因此有：

ΔL＝A_L×sin(ωt)。

A_L是測量的經調制的長度變化的幅度。其可由表示長度變化的測量信號例如通過傅里葉分析(例如“快速傅立葉變換”)計算出來。

由此，原理上對于理想的情況(可逆的)熱膨脹系數(shù)α_rev可由測量信號的波動的分量如下地確定：

但是在實踐中產生同樣在圖2的示例中所表現(xiàn)出的問題，即，在試樣的不同區(qū)域中的溫度彼此或多或少地不同，并且與通過在使用的熱機械分析設備中使用的調節(jié)裝置根據經調制的溫度程序預先規(guī)定的溫度曲線不同。在實踐中，通過從外部對試樣進行加熱和冷卻始終在試樣的內部中產生或大或小的、不可忽略的溫度梯度。

因此，在實踐中由于不是無限快速地將熱量熱傳導到試樣中并且從試樣中熱傳導出來例如產生試樣溫度的“滯后”，該試樣溫度在圖2中導致長度波動(曲線dL)相對于溫度波動(曲線T)的在時間上的推移。同時該效應導致溫度幅度A_T的平均值(在整個試樣上的平均)小于通過溫度程序預先規(guī)定所得出的結果。這又導致長度變化幅度A_L也更小的結果。

在實際中，在試樣的中心的溫度幅度小于在試樣表面上的(例如由用戶通過相應的調節(jié))預先給定的溫度幅度A_T。因此試樣的長度波動的幅度A_L小于在提及的理想情況中，并且長度波動相比于溫度波動遲緩。對于真實的調制需要與頻率相關的復雜的校準系數(shù)(校正系數(shù))k，以獲得經校正的可逆的熱膨脹系數(shù)α_rev-corr：

α_rev-corr＝k×α_rev (公式3)

ΔL＝k×L_total×α_rev×A_T×sin(ωt)。

如果使用經調制的溫度程序(例如在圖3中所示的類型)，即，該溫度程序額外地包含基于例如線性的溫度變化(參見圖1)，那么有利地，可執(zhí)行這種“校準”，從而實現(xiàn)對熱膨脹系數(shù)α的經校準的確定。

通常情況并且尤其如果試樣在熱機械分析的過程中在該溫度條件下或溫度變化中經受由熱引起的轉變過程，(直接測量的)“總的”長度變化dL_total具有“可逆的”分量dL_rev和“不可逆的”分量dL_nonrev，并且下式成立：dL_total＝dL_rev+dL_nonrev。

dL_total可作為通過在時間上分解測量的值dL的(例如在剛好一個周期上平均的)平均值來計算。

dL_rev可通過來計算，其中，dL_{o rev}是溫度階段開始時的可逆的長度變化。在測量開始時有：dL_rev＝0。

與此相應地，在研究dL_total時直接獲得的“總的”熱膨脹系數(shù)α_total具有“可逆的”分量α_rev和“不可逆的”分量α_nonrev，并且有：α_total＝α_rev+α_nonrev。

在圖1至圖3中，除了完全可逆的熱膨脹(dL_total＝dL_rev、dL_nonrev＝0、α_total＝α_rev、α_nonrev＝0)，同樣地試樣在熱機械分析中沒有經受由熱引起的轉變過程(例如由金屬制成的試樣)，分別向上額外地標出得到的相對長度變化dL/L₀，其中，L₀表示被分析的試樣的初始長度(在實踐中在L和L₀之間的區(qū)別大多可忽略)。

在試樣在熱機械分析中沒有經受由熱引起的轉變過程(α_total＝α_rev-corr)的前提下，可由公式(1)和(3)計算校正參數(shù)k，其作為表征“總的平均的長度變化”ΔL_avg(涉及相對大的溫度變化ΔL_avg)的“總的膨脹參數(shù)”α_total與表征“長度變化dL的可逆的分量dL_rev”(涉及相對小的溫度變化dT)的“可逆的膨脹系數(shù)”α_rev的商。

k＝α_total/α_rev (公式5)

為了確定校正參數(shù)k所需的變量α_total和α_rev可如下地獲得：

α_total＝1/L_total×dL_total/dT_avg并且α_rev＝1/L_total×A_L/A_T

因此，借助以這種方式求出的校正參數(shù)k可有利地計算長度變化dL的經校正的可逆的分量dL_rev-corr或(可逆的)熱膨脹系數(shù)α_rev的經校正的可逆的分量α_rev-corr(參照公式4)。

但是如果試樣在經調制的溫度程序的過程中經受由熱引起的轉變過程，該方法是失敗的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，在開頭所述的并且例如在US6,007,240中所述的類型的TMA中，即使對于試樣在熱機械分析中經受由熱引起的轉變過程的區(qū)域來說，也能夠計算長度變化的經校正的可逆的分量和/或熱膨脹系數(shù)的經校正的可逆的分量。

該目的在根據本發(fā)明的方法中如下地實現(xiàn)，溫度程序具有包括第一基礎加熱速率的第一階段并且根據來自第一階段的數(shù)據與溫度相關地由在第一階段的試樣沒有經受由熱引起的轉變過程的區(qū)域中的所述比例的與溫度相關的函數(shù)的估算來計算校正參數(shù)；并且溫度程序具有包括例如比第一基礎加熱速率更小的第二基礎加熱速率的第二階段，并且為了計算在第二階段中的長度變化和/或熱膨脹系數(shù)的經校正的可逆的分量，使用根據來自第一階段的數(shù)據算出的校正參數(shù)。

因此本發(fā)明的思想是，計算在溫度程序的為此合適的(第一)階段中的校正參數(shù)及其“溫度相關性”，并且該計算結果之后用于確定或計算需要在溫度程序的另一(第二)階段中使用的校正參數(shù)。這即使在試樣在第二階段中(至少)經受由熱引起的轉變過程時也是可能的。

在第一階段中與溫度相關地算出的校正參數(shù)的使用可例如根據外插的類型來設置。

在一個實施方式中規(guī)定，第二基礎加熱速率的數(shù)值等于第一基礎加熱速率的數(shù)值。這可能是不利的，因為(由在第二階段的過程中的溫度變化決定)在此使用源自第一階段的校正參數(shù)計算的結果會帶來一定錯誤。

因此在與此相關的另一實施方式中規(guī)定，第二基礎加熱速率的數(shù)值的絕對值相對小和/或小于第一基礎加熱速率的數(shù)值。在極端情況下第二加熱速率甚至可設置為零。

由此，在使校正參數(shù)總地與溫度相關的基礎上也可避免上述歪曲。

在一個實施方式中規(guī)定，第一基礎加熱速率大于零(相應于試樣在第一階段中的經調制的加熱)。

在一個實施方式中規(guī)定，第二基礎加熱速率大于或等于零(相應于試樣在第二階段中的經調制的加熱或者說經調制的溫度保持恒定)。

在一個實施方式中規(guī)定，第一基礎加熱速率的數(shù)值大于0.5K/min、尤其大于1K/min，然而其中，該數(shù)值例如可小于100K/min、尤其可小于50K/min。

在一個實施方式中規(guī)定，第二基礎加熱速率的數(shù)值小于0.5K/min、尤其小于0.2K/min。

在一個實施方式中規(guī)定，第一基礎加熱速率的數(shù)值和第二基礎加熱速率的數(shù)值彼此相差至少一個因子2、尤其至少一個因子5。

在一個實施方式中規(guī)定，試樣在第二階段內經受由熱引起的轉變過程。

在一個實施方式中規(guī)定，在第二階段的過程中試樣的溫度提高并且超過500℃的值、尤其超過1000℃的值。這是有利的，因為在許多材料中即使在相對高的溫度下仍然出現(xiàn)由熱引起的轉變過程，但是借助本發(fā)明通過相應地選擇“第二階段”可有利地研究該轉變過程。

在一個實施方式中規(guī)定，在評估數(shù)據時還求出長度變化的不可逆的分量。可替代地或額外地，也可求出熱膨脹系數(shù)的不可逆的分量。

在一個實施方式中規(guī)定，對根據來自第一階段的數(shù)據算出的校正參數(shù)建立數(shù)學的估算函數(shù)的模型，該數(shù)學的估算函數(shù)給出校正參數(shù)與試樣的溫度的相關性，并且根據數(shù)學的估算函數(shù)計算校正參數(shù)，該校正參數(shù)待用來在第二階段中計算長度變化的經校正的可逆的分量、可替代地或額外地計算熱膨脹系數(shù)的經校正的可逆的分量。在這種情況下在第二階段中使用的校正參數(shù)即為借助估算函數(shù)從第一階段外插到第二階段中的參數(shù)。

在一個實施方式中規(guī)定，在計算估算函數(shù)時使用多個“輔助點”(優(yōu)選至少2個、特別是至少5個)，從而以相對高的精確度計算與溫度相關的用于校正參數(shù)的估算函數(shù)。

作為估算函數(shù)例如考慮線性的函數(shù)或例如多項式(例如拋物線)。

在一個實施方式中，將在評估數(shù)據時使用的估算函數(shù)的數(shù)學式預先規(guī)定為不變的?？商娲?，可使用可由用戶預先規(guī)定或可選擇的數(shù)學式。在這些情況下，對數(shù)學的估算函數(shù)的“建?！笨梢钥醋魇怯嬎阆嚓P的函數(shù)參數(shù)(例如，通過“最小二乘法”或其他的匹配算法)。

在從例如動態(tài)(β≠0)的第一階段過渡到直接相鄰的例如等溫(β＝0)的第二階段時或反之時，有利的是在算出的校正參數(shù)的與溫度相關的曲線中沒有出現(xiàn)不連續(xù)位置(并且在計算的可逆的變量dL_rev或α_rev的曲線中也沒有)。

在一個實施方式中規(guī)定，在溫度程序的過程中在時間上看第二階段緊接在第一階段之后；或者反之，第一階段緊接在第二階段之后。

在一個優(yōu)選的實施方式中使用傅里葉分析，以從被測量的關于表示試樣的長度變化的信號中求出平均值、幅度和相移(關于溫度信號)。傅里葉分析例如具有如下優(yōu)點，不考慮信號噪聲的影響。

為了求出平均值、幅度和相移，可替代地例如也考慮不通過傅里葉分析并基于平均值和幅度求解的方法獲得它們。在此，平均值例如可作為在直接相鄰的最大值和最小值之間的數(shù)學平均值來計算。

根據本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選的應用是所謂的膨脹測定法，即TMA的特殊類型，在其中，即在更狹窄的意義中與溫度相關地在可忽略的力負荷的情況下求出試樣的長度變化(例如力最大為0.5N)。此外，例如也考慮在DMA(動態(tài)機械分析)的范圍中的應用。DMA的基本目的是，在限定的動態(tài)機械變形的情況下測量在試樣上的變形力作為溫度和/或時間的函數(shù)。

根據本發(fā)明的另一方案，提供用于對材料的試樣進行熱機械分析的設備，該設備包括：

-用于容納試樣的試樣容納部，

-用于根據經調制的溫度程序對試樣調溫的調溫裝置，

-用于測量試樣在調溫過程中的溫度的溫度測量裝置，

-用于測量試樣在調溫過程中的長度變化的長度測量裝置，

-用于記錄數(shù)據的數(shù)據記錄裝置，這些數(shù)據表示在調溫過程中試樣的長度變化以及表示在調溫過程中試樣的溫度的變化，

-評估裝置，其用于求出試樣的長度變化的可逆的分量和/或熱膨脹系數(shù)的可逆的分量并且借助校正參數(shù)計算長度變化和/或熱膨脹系數(shù)的經校正的可逆的分量，該校正參數(shù)在使用由數(shù)據求出的、表征總的長度變化的參數(shù)和表征長度變化的可逆的分量的參數(shù)的比例的情況下計算得出，

其特征在于，調溫裝置構造成，在溫度程序的過程中設有包括第一基礎加熱速率的第一階段和包括(例如比第一基礎加熱速率更小的)第二基礎加熱速率的第二階段，并且評估裝置構造成，使得根據來自第一階段的數(shù)據與溫度相關地由在第一階段的試樣沒有經受由熱引起的轉變過程的區(qū)域中的上述比例的與溫度相關的函數(shù)的估算來計算校正參數(shù)，并且為了計算在第二階段中的長度變化和/或熱膨脹系數(shù)的經校正的可逆的分量使用根據來自第一階段的數(shù)據計算的校正參數(shù)。

對根據本發(fā)明的分析方法的所說明的特殊的實施方式和改進方案可單個地或任意結合地、也可以類似的方式作為根據本發(fā)明的分析設備的特殊的設計方案或改進方案。

根據本發(fā)明的另一方案設有計算機程序產品，其包括程序代碼，程序代碼在數(shù)據處理裝置上運行，從而進行這里所述類型的分析方法。這種計算機程序產品尤其可用于對在根據本發(fā)明設置的分析設備中包含的控制單元進行編程或流程控制。

附圖說明

下面根據實施例并參考附圖進一步描述本發(fā)明。其中：

圖1示出了用于顯示線性的溫度變化與對由此引起的試樣的長度變化的測量的圖表，

圖2示出了用于顯示正弦形的溫度變化與對由此引起的試樣的長度變化的測量的圖表，

圖3示出了用于顯示由線性的溫度變化(圖1)和溫度調制(圖2)組成的經調制的溫度程序與對由此引起的試樣的長度變化的測量的圖表，

圖4示出了用于顯示根據第一示例(由金屬制成的試樣)的熱機械分析的結果的圖表，

圖5示出了用于顯示根據第二示例(由陶瓷制成的試樣)的熱機械分析的結果的圖表，

圖6示出了用于顯示根據第三示例(由陶瓷制成的試樣)的熱機械分析的中間結果的圖表，

圖7示出了用于顯示根據第三示例的熱機械分析的結果的圖表，以及

圖8示出了用于對根據實施例的試樣進行熱機械分析的設備。

具體實施方式

圖1至圖3已經在上文中進行了說明并且顯示了線性的溫度變化(圖1)、溫度調制(圖2)和通過結合該溫度變化所得到的經調制的溫度程序(圖3)。

圖4顯示了根據第一示例的未根據本發(fā)明的熱機械分析的結果，在其中使用在圖3中所示的溫度程序并且被分析的試樣由金屬制成，該金屬在熱機械分析中，即，在此在大約60-110℃的溫度范圍中沒有經受由熱引起的轉變過程。

就此而言，該示例相應于根據圖3所述的示例，但是其中，在圖4中作為TMA的結果標示出借助提及的校正參數(shù)k所獲得的與時間相關的、經校正的值dL_rev-corr和α_rev-corr的曲線。

此外，在圖4中標示出總的相對長度變化dL_total和不可逆的相對長度變化dL_nonrev的曲線。在此dL_nonrev通過下式獲得：dL_nonrev＝dL_total-dL_rev-corr。

最后，在圖4中還標示出總的熱膨脹系數(shù)α_total的曲線。

因為溫度T的與時間相關的曲線、即“溫度程序”是已知的，所以根據圖4獲得的曲線也可簡單地轉換成標示出的變量的與溫度相關的曲線。在這里預先規(guī)定為常數(shù)的基礎加熱速率β相應于可在圖4中看出的曲線，甚至高度精確地相應于各個“與溫度相關的曲線”(對此參見在圖4中額外地標示出的溫度軸線)。否則，在基礎加熱速率不是常數(shù)的情況下，與時間相關的曲線在考慮平均溫度T_avg的與時間相關的曲線的條件下同樣可簡單地“轉換”。

在該示例中對于校正參數(shù)k的測得是完全毫無問題的，因為試樣在經調制的溫度程序的過程中沒有經受由熱引起的轉變過程。

但是本發(fā)明的目的是，在試樣經受由熱引起的轉變過程時，在此也能夠計算長度變化的經校正的可逆的分量dL_rev-corr和/或熱膨脹系數(shù)的經校正的可逆的分量α_rev-corr。為此，圖5示出了一個示例。

圖5示出了根據本發(fā)明的根據一個示例的TMA(這里：膨脹測定法)的結果，在其中使用經調制的溫度程序并且被分析的試樣由陶瓷制成，其在約500-600℃的范圍中的溫度中預期有由熱引起的轉變過程。在圖5中示出了對于大約350℃至700℃的溫度范圍的TMA結果的一部分。

該示例的特別之處在于，溫度程序具有包括第一基礎加熱速率β1(在此例如大約5K/min)的第一階段S1并且根據來自該第一階段S1的數(shù)據計算校正參數(shù)k，并且溫度程序具有包括第二基礎加熱速率β2(在此例如大約5K/min)的第二階段S2并且使用根據來自第一階段S1的數(shù)據與溫度相關地計算的校正參數(shù)k來計算在第二階段S2中的長度變化dL的經校正的可逆的分量dL_rev-corr。

在溫度程序的對此適合的(在缺少由熱引起的轉變過程的情況下的)階段S1中計算的校正參數(shù)k以一定程度外插到與較高溫度相關聯(lián)的第二階段S2中(并且在此用于計算dL_rev-corr和α_rev-corr的曲線)。

例如作為對于第一階段S1的端部(即，在約t＝128min或者說T＝460℃處)的在第一階段S1中進行的校正參數(shù)計算的結果所獲得的值k可設置為為了校正而需要在整個第二階段S2上使用的校正參數(shù)k。但是優(yōu)選地，作為在第一階段S1中進行的校正參數(shù)計算的結果，建立對校正參數(shù)k的在第一階段S1中得到的與溫度相關的曲線進行描述的數(shù)學函數(shù)模型，從而之后通過將在第二階段中主導的溫度用于該函數(shù)中來獲得與溫度相關的校正參數(shù)以在第二階段S2中進行校正(外插法)。這有利地允許了在第二階段S2中也校正可逆的變量，雖然在此試樣經受由熱引起的轉變過程。

在所示的示例中階段S1、S2的基礎加熱速率β1、β2選擇為相同大小(β1＝β2＝5K/min)，與所示的示例不同，通過將在第二階段S2中使用的基礎加熱速率β2選擇得相對小(或者甚至為β2＝0)，可再次降低或者避免通過“外插”而延展到第二階段S2上的校正由于校正參數(shù)k的溫度相關性而可能的歪曲。

在圖5中所示的示例中，借助從第一階段S1接收的數(shù)據來計算呈與溫度相關的校正估算函數(shù)的形式的校正參數(shù)k，例如通過已知的與預先確定的數(shù)學函數(shù)匹配(“配合”，例如根據最小二乘法等)，該數(shù)學函數(shù)給出校正參數(shù)k與試樣的溫度T的關系。借助該估算函數(shù)，之后計算用在第二階段S2中的校正參數(shù)k并且在此用于獲得dL_rev-corr和α_rev-corr的曲線(并且由此獲得在圖5中標示出的其余變量)。

圖6和圖7示出了由陶瓷制成的試樣的根據本發(fā)明的膨脹求出分析的另一示例。

圖6示出了使用的經調制的溫度程序，該經調制的溫度程序在從約100至280min的時間區(qū)域中具有經調制的第一階段S1并且與其緊接地在從約280至400min的時間區(qū)域中具有經調制的第二階段S2。

在經調制的第一階段S1中，溫度程序具有約5K/min的第一基礎加熱速率β1，從而平均溫度T_avg從約315℃開始線性地提高直至約1225℃。

在第二階段S2中設有基本較小的、約0.1K/min的第二基礎加熱速率β2，從而平均溫度T_avg從約1225℃(第一階段S1的末端溫度)開始線性地提高約10℃地至約1235℃。

這里研究的試樣在溫度程序的過程中示出了由熱引起的多個轉變過程，即，在約500℃、945℃和1130℃的溫度中。因此，前兩個“效應”(在500℃和945℃處)位于第一階段S1中，而最后的效應(在1130℃處)超出在兩個階段S1、S2之間的界限。該效應在約1130℃處已經開始并且在1225℃處還未結束。

為了計算直接測量的總的長度變化dL_total(圖6)的經校正的可逆的分量dL_rev-corr(參見圖7)，根據來自第一階段S1的數(shù)據與溫度相關地計算校正參數(shù)k，確切地說在沒有出現(xiàn)熱效應的S1的區(qū)域中，即，例如根據來自約100至130min的時間區(qū)域的數(shù)據，其相應于約315至470℃的溫度范圍。

在此，再次以總的熱膨脹系數(shù)α_total和可逆的熱膨脹系數(shù)α_rev的比例的與溫度相關的函數(shù)的估算的形式計算校正參數(shù)k，其中，由在范圍[100min,130min]或者說[315℃,470℃]中直接測量的或已知的數(shù)據(T_avg、ΔT、L、dL)獲得該膨脹系數(shù)。作為估算函數(shù)，可例如在最簡單的情況下使用線性的函數(shù)(k的變化與溫度的變化成比例)。但是與此不同，也可使用復雜的估算函數(shù)，例如至少二次的多項式。

但是，以這種方式作為與溫度相關的函數(shù)計算的校正參數(shù)k有利地不僅用于在范圍[100min,130min]或者說[315℃,470℃]中的有意校正，而且(通過外插)用于整個的經調制的溫度程序，即，[100min,400min]或者說[315℃,1235℃]。

在所述示例(圖6和圖7)中，在階段S2中設置小的、但是非零的、約0.1K/min的基礎加熱速率β2，與該示例不同，在第二階段S2中使用的基礎加熱速率β2也可為零。當在第二階段開始時溫度如此高，以致于在第二階段S2的過程中溫度進一步提高導致儀器難以工作時，此時非常小的第二基礎加熱速率或者說β2＝0例如可以是非常有利的。

在所述示例(圖6和圖7中)中，第二階段S2在時間上看接在第一階段S1之后，同樣與此不同，在本發(fā)明的范圍中第二階段S2(具有低的加熱速率β2)也可在第一階段S1之前(具有高的加熱速率β1)。這例如在需要研究的試樣在特別低的溫度中經受由熱引起的一個或多個轉變過程，而在非常高的溫度中沒有發(fā)生這種轉變過程時是有利的。而且在此，可將在溫度程序的對此合適的(不包含由熱引起的轉變過程的區(qū)域)階段S1中計算的校正參數(shù)k在一定程度上外插到在時間上位于前面的(處于較低的溫度中的)第二階段S2中并且在此用于計算dL_rev-corr和/或α_rev-corr的曲線。

根據上述分析方法有利地能夠同時分析動態(tài)的階段(加熱速率β1大于或小于0)和等溫的階段(β2＝0)或近似等溫的階段(β2<β1或者說β2<<β1)。

根據本發(fā)明設置的經溫度調制的測量可有利地延展直至相對高的溫度區(qū)域中，例如直至適合工作的通過溫度程序接近的T_avg大于1000℃、尤其大于2000℃的末端溫度，從而能夠用來例如分析或表征陶瓷的燒結情況。

針對溫度程序的動態(tài)的階段(β≠0)借助校正參數(shù)k進行的對可逆的材料參數(shù)(例如dL_rev和α_rev)的測量的校準可有利地在分析結果的計算中被參考用于另一階段或多個其他的階段、尤其例如緊接在前面的或緊接在后面的階段(尤其例如具有相對小的或甚至選擇為0的β)。

圖8示出了用于實施上述類型的分析方法的設備10的實施例。設備10在該示例中用在熱機械分析(TMA)的范圍中(可替代地，設備10也可在DMA(動態(tài)機械分析)方式中，即，通過可變的預加力負荷運行)。

在圖8中用虛線示出了設備組件的一部分，即，在可受控調溫的爐子3中的試樣保持器1以用于對試樣P進行支承并且進行可操控的調溫，在該試樣上進行TMA測量。

在測量時，在一個方向上測量長度變化(在此，例如由在爐子3中對試樣P進行經溫度調制的加熱和冷卻而得到)，該方向在下面稱為縱向方向并且在圖8中通過雙箭頭A給出。此外，在測量時，預先確定的常數(shù)的試樣P受到很小的力負荷(例如約0.1N)，該力負荷同樣沿縱向方向A作用到試樣P上。

在長度(變化)測量期間，由試樣保持器1容納的試樣P根據經調制的溫度程序(例如已經所述的類型)來調溫，并且施加到試樣上的力被調節(jié)到預先規(guī)定的常數(shù)值上。

設備10包括感應柱12，其在測量時以感應柱末端14將預先規(guī)定的力(在此：壓力)施加到試樣P上。

在該應用中，感應柱的材料應具有盡可能小或至少良好地限定的熱膨脹，從而該熱膨脹可很少地影響測量結果或者在控制程序的范圍中和/或在之后的評估的范圍中可相應地被考慮。類似地適用于感應柱容納部的材料。

設備10還包括測量裝置20，感應柱12安裝在測量裝置上，并且借助測量裝置在測量時測量由試樣P沿縱向方向A的長度變化所引起的感應柱12的運動。測量裝置20包括：

-靜態(tài)的基體22，其在所示的示例中包括第一基礎部件22-1(例如用于相對于測量裝置20而保持爐子3)和其長度沿縱向方向A延伸的第二基礎部件22-2，

-感應柱容納部26，該感應柱容納部可通過引導裝置24沿縱向方向A相對于靜態(tài)的基體22運動地支承在靜態(tài)的基體22上，在所示的示例中感應柱12借助箍位螺絲28固定在感應柱容納部上，

-可操控的驅動裝置30，用于沿縱向方向A相對于靜態(tài)的基體22驅動感應柱容納部26，

-力測量裝置32，用于獲取由感應柱12施加到試樣P上的力，

-控制裝置ST，其構造成根據通過力測量裝置32獲取的力根據預先規(guī)定的力負荷來操控驅動裝置30，以及

-行程接收器34，用于測量感應柱12沿縱向方向A相對于基體22的運動。

示出的設備10的功能可如下面描述的那樣：

從在圖8中所示的情況開始，在其中，試樣P已經布置在爐子3中的試樣保持器1上并且在背離試樣保持器1的端部上與感應柱末端14接觸，借助在控制裝置ST中運行的控制程序執(zhí)行“TMA測量程序”，該TMA測量程序是根據溫度程序加熱試樣P，在此借助感應柱12根據預先規(guī)定的力(在此：與時間無關的壓力)預先加載試樣P并且測量隨著時間推移由此得到試樣P沿縱向方向A的長度變化。

控制裝置ST為此經由控制導線L1、L2、L3和L4與相應的裝置組件連接：導線L1用于將調溫控制信號傳遞到爐子3上或者集成在其中的調溫裝置(例如電加熱裝置)上。此外，通過導線L1可將例如借助熱電偶在試樣P上測量的溫度信號傳回到控制裝置ST上。導線L2用于將力測量信號(施加到試樣P上的力的測量值)從力測量裝置32傳遞到控制裝置ST。導線L3用于將驅動控制信號傳遞到驅動裝置30。導線L4用于傳遞由行程接收器34發(fā)出的行程測量信號。

尤其例如經由導線L1傳遞的與時間相關的溫度信號(代表溫度T)以及經由導線L4傳遞的與時間相關的長度變化信號(代表例如絕對的長度變化dL)被儲存在控制裝置ST中，以在測量結束之后用于相應的評估。

在測量期間，控制裝置ST通過操控驅動裝置30控制借助感應柱12施加到試樣P上的力。這如下地進行：感應柱12如所述的那樣借助箍位螺絲28安裝在感應柱基體26上，從而將相應的對感應柱容納部26的負荷或者說調整直接傳遞到感應柱12上并因此繼續(xù)傳遞到試樣P上。

在所示的示例中感應柱容納部26不是直接被驅動裝置30驅動。而是如在圖8中所示的那樣，感應柱容納部26與彈性體32-1的在圖中的上端連接(在此：擰緊)，其在圖8中的下端與引導裝置24的滑塊24-1連接(在此：擰緊)，滑塊可沿縱向方向A移動地在引導裝置24的導軌24-2上引導并且可借助驅動裝置30的推桿30-1相應地移動。推桿30-1的端部如在圖中示出的那樣旋緊在滑塊24-1上。與此相應地，通過在所示的示例中包含經由導線L3操控的壓電式步進馬達的驅動裝置30的操控，首先使推桿30-1移動而使滑塊24-1沿縱向方向A移動。經由彈性體32-1將通過感應柱容納部26和感應柱12的滑塊運動轉變成在試樣P上的相應的力或者說力變化。

因此，由滑塊24-1、感應柱容納部26和布置在其間的彈性體32-1形成的單元也稱為可驅動的“感應柱基座”，其可通過引導裝置24沿縱向方向A相對于靜態(tài)的基體22運動地支承在靜態(tài)的基體22上，并且感應柱12固定(或可固定)在該感應柱基座上。如所述的那樣，通過可操控的驅動裝置30沿縱向方向A相對于靜態(tài)的基體22驅動感應柱基座24-1、26、32-1。

彈性體32-1與(在圖中未示出的)聯(lián)接在導線L2上的應變計(例如安裝在彈性體32-1的外表面上)一起形成力測量裝置32。

尤其在彈性體32-1由金屬材料制成時，則代替實心材料可使用例如至少在中心區(qū)域中凹空的材料，例如在圖8中用虛線示出的那樣(在此：在長方體中的圓形的凹空部)。與此不同地，例如也可設置彈性體的相應較小的多個這種凹空部。

在測量期間，借助力測量裝置32與時間相關地測量實際上施加到試樣P上的力，并且優(yōu)選地作為模擬/數(shù)字轉換的信號經由導線L2傳遞給控制裝置ST(或在控制裝置中進行模擬/數(shù)字轉換)。

在控制裝置ST中也儲存例如通過相應的用戶輸入預先給定的力負荷，即，需要施加到試樣P上的力(“理論值”)。借助在控制裝置ST中運行的控制程序將測量的通過相應地操控驅動裝置30的力的“實際值”調整到通過預先規(guī)定的力負荷設置的“額定值”上。有利的是，在實踐中不可避免的在引導裝置24的區(qū)域(在滑塊24-1和導軌24-2之間)中的摩擦沒有導致對力測量的相應的歪曲。

同樣地，同時進行的對試樣P的長度變化的測量在所示的實施例中沒有導致對力測量的歪曲。在所示的示例中長度變化的測量如下地實現(xiàn)：在感應柱容納部26(其沿縱向方向A的運動相應于待測量的試樣P的長度變化)上安裝比例尺載體34-1，比例尺載體具有由其形成的或在所示的示例中安裝(例如粘貼)在其上的比例尺34-2，從而試樣P的長度變化轉化為比例尺34-2的相應移動，因此該移動可通過簡單的方式測量。

為此，行程接收器34還包括靜態(tài)地保持的光學傳感器34-3以用于測量在該傳感器34-3和比例尺34-2之間的相對移動。比例尺34-2對此例如設有或構造有在其長度上以等距分布的標線，在經過比例尺34-2時借助光學傳感器34-3和聯(lián)接在其上(或集成在其中)的線性編碼器電子設備獲取標線，以獲得代表試樣P的長度變化的測量信號(獲取的標線的數(shù)量是長度變化的程度)。該測量信號通過導線L4傳遞給控制裝置ST并且作為與時間相關的試樣長度信號以數(shù)字形式儲存在此以用于之后的評估。

線性編碼器電子設備例如可布置在光學傳感器34-3的區(qū)域中或可替代地布置在控制裝置ST的區(qū)域中。

在所示的示例中，對光學傳感器34-3的靜態(tài)保持通過保持器34-4實現(xiàn)，保持器一方面與傳感器34-3連接(在此：擰緊)并且另一方面與基體22連接(在此：擰緊)。

因此，借助所示的設備10可有利地在TMA分析的范圍中測量沿縱向方向A預先確定的受力加載的試樣P的長度變化，其中，由試樣P沿縱向方向A的長度變化所得到的感應柱12的運動通過非接觸方式來測量，其中，沿縱向方向A相對于靜態(tài)的基體22對固定有感應柱12的感應柱基座24-1、26、32-1進行驅動，并且其中，借助控制軟件根據通過感應柱12施加到試樣P上的并且借助力測量裝置32獲取的力根據預先確定的力加載進行驅動(力調節(jié))。

借助在控制裝置ST中運行的軟件對所記錄的數(shù)據進行評估，以求出長度變化dL(或dL/L)或熱膨脹系數(shù)α的可逆的以及不可逆的分量的與溫度相關的曲線。通過該軟件的相應設計可尤其實現(xiàn)上文針對分析方法所述的實施方式和改進方案。