一種可實現快速升溫的熱重分析儀的製作方法

2023-09-12 00:51:00 6

本發明屬於樣品分析儀器領域，更具體地，涉及一種可實現快速升溫的熱重分析儀。

背景技術：

熱重分析儀是指在一定程序控制溫度下，準確測量和記錄物質的質量隨溫度變化的一種分析儀器，可以反映在熱處理過程中物質質量的變化規律，廣泛應用在化工、地質、生物、能源、環境等領域。熱重分析儀常規的使用方法為程序升溫法(非等溫法)，即指樣品反應過程中爐膛內溫度按照程序設定逐漸上升，目的是得到物質質量變化與溫度的關係，通常用來進行物質組分分析、物質鑑別、熱參數和動力學參數的測定等。近來，在某些科學研究中，需要模擬真實的工業環境(例如煤粉進入鍋爐燃燒，石灰石進入迴轉窯煅燒)，探究物質在恆定溫度下的反應特性，需要快速使物質溫度達到指定溫度，即等溫法。但是，由於加熱技術限制，目前常規商業熱重分析儀的加熱速率較低(不超過100℃/min)，物質均要經歷較長的升溫時間，在升溫過程中，物質可能已經部分或者全部反應，無法滿足科研需求。

當前關於快速升溫的熱重分析儀研究成果中，包括(1)一種可控快速升溫熱天平反應爐(cn2010101045919)，該發明利用升降機將樣品送入爐膛實現了快速升溫，但升降機引起的振動會對樣品質量的準確測量產生影響；(2)恆溫熱重分析裝置(cn201610364154)，該發明通過行走裝置和溫控裝置進行恆溫熱重分析，其中的問題在於樣品在快速放入的瞬間就會開始反應但此時天平因放樣振動不能得到準確可靠的數據，所以實際的測量有較大誤差。

經研究發現，現有的熱重快速升溫技術存在以下問題：(1)使用現有的快速升溫熱重進行等溫法實驗時，樣品放入加熱爐初期的振動及氣流的改變會影響天平的穩定讀數，產生較大的系統誤差。樣品需要快速放入爐膛中，系統的振動不可避免，天平不能準確讀數，數據可靠性差，無法反映開始階段樣品質量變化；(2)熱電偶布置在爐壁處，而爐膛內部溫度梯度較大，無法準確反映出樣品處的溫度，導致溫度控制準確性差。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種可實現快速升溫的熱重分析儀，其目的在於對樣品進行快速升溫並克服樣品放入前期波動過大導致的數據精度很差的問題，同時也使得操作簡便。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種可實現快速升溫的熱重分析儀，其特徵在於，包括稱量裝置、加熱爐、樣品升降裝置、保護升降裝置和溫控裝置，其中，

所述稱量裝置包括基座臺和電子天平，所述基座臺上設置有天平室，所述電子天平位於所述天平室內；

所述加熱爐包括爐座和爐體，所述爐座支撐所述爐體，所述爐體支撐所述基座臺，所述爐體所圍空間形成爐膛，並且所述爐體上設置有加熱電阻絲、放樣通道、反應氣進氣管和反應廢氣出氣管；

所述樣品升降裝置包括第一動力機構、第一傳動裝置、升降臺和吊杆，所述第一動力機構安裝在所述基座臺上並且其通過所述傳動裝置驅動所述升降臺上下移動，所述升降臺位於所述天平室內並且該升降臺承接所述電子天平，所述吊杆的上端懸掛在所述電子天平上並且其下端懸掛吊籃，以用於承接樣品並通過電子天平獲得樣品質量的變化，所述吊杆的下端伸入所述加熱爐的爐膛；

所述保護升降裝置包括第二動力機構、第二傳動裝置和隔熱保護套，所述第二動力機構安裝在所述爐座上並且其通過所述第二傳動裝置驅動所述隔熱保護套上下移動，所述隔熱保護套上方設置有開口，以作為吊籃進出所述隔熱保護套的通道；

所述溫控裝置與所述加熱爐連接，以用於控制所述爐膛的溫度。

優選地，所述基座臺上設置有與所述天平室連通的保護氣進氣管和第一中間輸氣通道，所述爐體上設置有與所述爐膛連通的第二中間輸氣通道，所述第一中間輸氣通道和第二中間輸氣通道連通。

優選地，所述隔熱保護套包括外殼體及設置在所述外殼體內壁上的隔熱層。

優選地，所述溫控裝置包括溫度感應調節裝置，所述溫度感應調節裝置包括爐壁熱電偶和和爐溫控制器，所述爐壁熱電偶安裝在所述爐體內壁上，所述爐溫控制器與所述爐壁熱電偶和所述加熱電阻絲連接，以用於獲取爐膛的溫度，並基於從所述爐壁熱電偶獲得的爐膛溫度來控制所述加熱電阻絲上的電流大小，從而控制爐膛溫度。

優選地，所述溫控裝置還包括數據分析裝置，所述數據分析裝置包括上位機和數據傳輸線，所述上位機通過數據傳輸線分別與所述電子天平和溫度感應調節裝置連接。

優選地，所述吊杆上還安裝有懸吊熱電偶，所述懸吊熱電偶伸入所述吊籃內，以用於測量吊籃內的溫度，所述爐溫控制器還與所述懸吊熱電偶連接，以用於獲取爐膛的溫度，並基於從所述懸吊熱電偶獲得的爐膛溫度來控制所述加熱電阻絲上的電流大小，從而控制爐膛溫度。

優選地，所述爐座包括底座及設置在底座上的支撐臺，所述支撐臺支撐所述爐體，所述支撐臺的上部設置有冷卻槽，以作為所述隔熱保護套的停留空間。

優選地，所述爐體包括爐壁及設置在爐壁上部的冷卻塊，所述冷卻塊的下部設置有冷卻槽，以作為所述吊籃的停留空間。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

1)本發明的隔熱保護套將吊籃保護起來，樣品從上往下運動到爐膛中部位置時，剛開始樣吊籃進入隔熱保護套內並在隔熱保護套包裹下進入爐膛中部位置，因為隔熱保護套的隔熱作用，樣品升溫較慢，不會立即開始反應，當樣品在放入爐膛完全穩定後，第二動力機構帶動隔熱保護套向下移動，使吊籃離開隔熱保護套，樣品開始反應並開始記錄數據，可消除反應初期的數據異常波動，提高測量完整性、可靠性和準確性；

2)本發明通過設置爐壁熱電偶和懸吊熱電偶在不同情況下測溫，並利用切換兩熱電偶不同情形下和爐溫控制器相連來達到精準的反饋控溫效果；

3)本發明降低了對操作的要求，設定指定溫度後只需根據熱電偶指示溫度調節樣品升降裝置和保護升降裝置即可完成放樣，實驗等操作。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2a、圖2b分別是本發明中支撐臺的俯視圖和剖面圖；

圖3是本發明中放樣通道設置在爐體上的示意圖；

圖4是本發明中隔熱保護套工作時的結構示意圖；

圖5a～圖5c是本發明的保護升降裝置和樣品升降裝置相配合工作的三個主要狀態的過程示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

參照各附圖，一種可實現快速升溫的熱重分析儀，包括稱量裝置1、加熱爐2、樣品升降裝置4、保護升降裝置3和溫控裝置，其中，

所述稱量裝置1包括基座臺1-1和電子天平1-2a，所述基座臺1-1上設置有天平室1-2，所述電子天平1-2a位於所述天平室1-2內；

所述加熱爐2包括爐座2-1和爐體2-3，所述爐座2-1支撐所述爐體2-3，所述爐體2-3支撐所述基座臺1-1，所述爐體2-3所圍空間形成爐膛，並且所述爐體2-3上設置有加熱電阻絲、放樣通道2-6、反應氣進氣管2-5和反應廢氣出氣管；

所述樣品升降裝置4包括第一動力機構4-1、第一傳動裝置4-2、升降臺4-3a和吊杆4-4，所述第一動力機構4-1安裝在所述基座臺1-1上並且其通過所述傳動裝置驅動所述升降臺4-3a上下移動，所述升降臺4-3a位於所述天平室1-2內並且該升降臺4-3a承接所述電子天平1-2a，所述吊杆4-4的上端懸掛在所述電子天平1-2a上並且其下端懸掛吊籃4-4a，以用於承接樣品並通過電子天平1-2a獲得樣品質量的變化，所述吊杆4-4的下端伸入所述加熱爐2的爐膛；

所述保護升降裝置3包括第二動力機構3-1、第二傳動裝置3-2和隔熱保護套3-3，所述第二動力機構3-1安裝在所述爐座2-1上並且其通過所述第二傳動裝置3-2驅動所述隔熱保護套3-3上下移動，所述隔熱保護套3-3上方設置有開口，以作為吊籃4-4a進出所述隔熱保護套3-3的通道；

所述溫控裝置與所述加熱爐2連接，以用於控制所述爐膛的溫度。

進一步，所述基座臺1-1上設置有與所述天平室1-2連通的保護氣進氣管1-3和第一中間輸氣通道，所述爐體2-3上設置有與所述爐膛連通的第二中間輸氣通道，所述第一中間輸氣通道和第二中間輸氣通道連通。

進一步，所述溫控裝置包括溫度感應調節裝置5，所述溫度感應調節裝置5包括爐壁熱電偶5-1和和爐溫控制器5-3，所述爐壁熱電偶5-1安裝在所述爐體2-3內壁上，所述爐溫控制器5-3與所述爐壁熱電偶5-1和所述加熱電阻絲連接，以用於獲取爐膛的溫度，並基於從所述爐壁熱電偶5-1獲得的爐膛溫度來控制所述加熱電阻絲上的電流大小，從而控制爐膛溫度。

進一步，所述溫控裝置還包括數據分析裝置6，所述數據分析裝置6包括上位機6-2和數據傳輸線6-1，所述上位機6-2通過數據傳輸線6-1分別與所述電子天平1-2a和溫度感應調節裝置5連接。

進一步，所述吊杆4-4上還安裝有懸吊熱電偶5-2，所述懸吊熱電偶5-2伸入所述吊籃4-4a內，以用於測量吊籃4-4a內的溫度，所述爐溫控制器5-3還與所述懸吊熱電偶5-2連接，以用於獲取爐膛的溫度，並基於從所述懸吊熱電偶5-2獲得的爐膛溫度來控制所述加熱電阻絲上的電流大小，從而控制爐膛溫度。

如圖1所示，稱量裝置1內設電子天平用於完成樣品質量的實時測量，同時稱量裝置1內部通道眾多，可以容納樣品升降裝置以及完成進氣等多項任務；加熱爐2用於放入樣品和根據程序設定對試驗樣品進行加熱，其中保護升降裝置3通過控制隔熱保護套的升降來對吊籃進行隔熱保護，其中樣品升降裝置4通過升降梯控制電子天平、吊杆以及吊籃的升降來和隔熱保護套相配合保證隔熱效果，其中溫度感應調節裝置5用於測量和控制爐內溫度，其有一對熱電偶可根據情況切換使用用於實時監控，其中數據分析裝置6用於採集分析重量和溫度信號。通過上述各個部件的相互配合，可實現快速升溫實驗的穩定、連續、高精度的測量，適用於需要等溫法測量的各種反應，具有結構簡單、操作方便、精度高誤差小等優點。

如圖1所示，本發明的稱量裝置1具有基座臺1-1、天平室1-2和保護氣進氣管1-3，該基座臺1-1安裝在水平面上，其中部開設有容納樣品升降裝置4的空間1-1a，其上部開設有與天平室1-2連通的吊杆通道1-1c和向加熱爐輸氣的第一輸氣通道1-1b，吊杆4-4穿過吊杆通道1-1c，天平室1-2室內設有電子天平1-2a。保護氣進氣管道1-3從天平室1-2內向基座臺1-1外伸出，用於向天平室1-2進而向加熱爐2內通入保護氣體。具體的，所述基座臺1-1優選倒l形，下部整體固定，伸出的上部內開設置天平室1-2，天平室1-2用於容納電子天平1-2a和升降臺4-3a等，電子天平1-2a和吊杆4-4相連接收集樣品的重量信號。天平室1-2正對加熱爐部分開設置吊杆通道1-1c，通道內徑為3～5mm。保護氣進氣管1-3向外伸出基座臺30mm，向內直通天平室1-2，工作時保護氣體(譬如n2或惰性氣體)從外部經保護氣進氣管1-3進入天平室1-2之後通過輸氣通道1-1b吹向爐體2-3。密封層1-4裝在加熱爐2與所述基座臺1-1之間，通過調節加熱爐2的高度將密封層1-4壓緊起到密封效果。

如圖1所示，本發明的加熱爐2優選為立式管式爐，其具有底座2-1、支撐臺2-2、爐體2-3、冷卻塊2-4、反應氣進氣管2-5和放樣通道2-6，該底座2-1中部開有傳動裝置容納通道2-1a和放置電機的空腔電機室2-1b，支撐臺2-2安裝在底座2-1上，支撐臺2-2的中部開有用於容納隔熱保護套3-3的冷卻槽2-2c，以作為所述隔熱保護套的停留空間；爐體2-3安裝在支撐臺2-2上，用於加熱，爐膛頂部安裝有冷卻塊2-4，冷卻塊2-4中部開設有和下部冷卻槽2-2c對應的冷卻室2-4a，以作為所述吊籃4-4a的停留空間。反應氣進氣管道2-5穿過爐體2-3和冷卻室2-4a內向加熱爐外伸出，用於向加熱爐2內通入反應氣體(譬如o2、n2或co2等)。放樣通道2-6穿過爐體2-3後伸入冷卻塊2-4內，用於將放置有樣品的吊籃4-4a掛到吊杆4-4上或從吊杆4-4上拿下。具體的，底座整體呈長方體形狀，中部的傳動裝置容納通道2-1a是圓柱空腔，傳動裝置容納通道2-1a一邊與電機室2-1b相通並且另一邊與支撐臺2-2的圓柱通道相通，電機室2-1b為爐座底部的方形空腔用於放置第二動力機構。具體的，如圖2a、圖2b所示，支撐臺2-2為兩級圓形凸臺式結構，下級凸臺2-2a直徑大於上級凸臺2-2b直徑，中部開有圓柱形冷卻槽2-2c，冷卻槽2-2c直徑略大於隔熱保護套的直徑，凹槽底部和支撐臺的傳動裝置容納通道2-1a相通，支撐臺側面設有反應廢氣出氣管2-2d用於將爐內氣體導出。爐體2-3為圓柱體，下部開口由支撐臺封閉，上部被輸氣通道1-1b穿過。冷卻塊2-4為耐熱材料的圓柱體，緊貼在爐體2-3頂部，其中部開設有圓柱形冷卻室2-4a，放樣前吊籃4-4a隨著吊杆4-4上升到冷卻室2-4a中，隔熱保護套3-3在第二動力機構3-1的驅動下上升到冷卻室2-4a下方附近，然後吊籃4-4a再從隔熱保護套3-3上的開口進入隔熱保護套3-3內，這樣保證放樣時樣品放入順利且不會由於高溫立即開始反應。反應氣進氣管2-5向外伸出加熱爐30mm，向內穿過加熱爐壁到達冷卻塊2-4，反應氣進氣管在冷卻塊中向下彎折保證通入氣體不會干擾到吊杆從而使天平測量更加準確。放樣通道2-6開設在加熱爐2的側面，當工作狀態為升降梯、吊杆上升時，通過其向爐內放入吊籃。具體的，如圖3所示為放樣通道2-6的安裝結構圖，放樣通道2-6從爐外穿過爐體2-3和冷卻塊2-4，直通冷卻室2-4a，窗口通道2-6b呈正方體，截面小於圓柱冷卻室側截面，窗口通道較長密閉良好，窗口蓋2-6a和合頁2-6c下段焊接，合頁2-6c上端由螺釘2-6d連接到爐壁上。

如圖1所示，本發明的樣品升降裝置4具有第一動力機構4-1，第一傳動裝置4-2，升降梯4-3和吊杆4-4，本發明的升降梯4-3的移動類似於電梯的移動，該第一動力機構4-1和第一傳動裝置4-2放置在所述基座臺1-1的升降裝置空間1-1a中，升降梯4-3安裝在天平室1-2內。第一傳動裝置4-2伸到天平室1-2中和升降梯4-3相連接，吊杆4-4和電子天平1-2a相連接，並通過所述吊杆通道1-1c伸入爐膛中，吊杆4-4底部掛有吊籃4-4a。具體的，第一動力機構4-1安裝在基座臺1-1上，第一傳動裝置4-2布置在第一動力機構4-1和天平室1-2之間。升降梯4-3布置在天平室之中，包括升降臺4-3a及梯架4-3b，升降臺4-3a用於固定電子天平1-2a，從而控制電子天平1-2a和吊杆4-4升降。吊杆4-4可以到達最高處為吊籃4-4a剛好處在所述冷卻塊的冷卻槽2-4a中，吊杆4-4可以到達最低處為吊籃4-4a剛好處於爐膛中部。

如圖1所示，本發明的保護升降裝置3具有第二動力機構3-1，第二傳動裝置3-2和隔熱保護套3-3，該第二動力機構3-1安裝在所述底座2-1的電機室2-1b中，為隔熱保護套3-3的升降提供動力。具體的，第二動力機構3-1安裝在底座2-1上，其整體置於電機室2-1b中，電機型號可根據實際需求和尺寸選擇。第二傳動裝置3-2安裝在動力機構上3-1，其通過爐座和支撐臺通道2-1a穿過冷卻槽2-2c伸入到爐膛中。具體的，如圖4所示為隔熱保護套工作時的結構示意圖，隔熱保護套3-3安裝在第二傳動裝置3-2的頂部，其主要包括外殼體3-3a和隔熱層3-3b，外殼體3-3a為耐熱材料，其由兩個大小不同的圓柱套筒貼底構成，較大的圓筒直徑約30mm,較小的圓筒側面開有四個螺孔3-3c，較小圓筒的大小和第二傳動裝置3-2相配合通過螺釘連接固定隔熱保護套。隔熱層3-3b緊貼外殼體填充，厚度由隔熱材料性質決定，同時在中央留出略大於吊籃大小槽用於放置吊籃4-4a。

圖5a～圖5c示出了保護升降裝置和樣品升降裝置配合工作的三個主要狀態的過程示意圖。圖5a是剛放入吊籃4-4a時的工作狀態(吊籃4-4a內放有樣品)，此時電子天平1-2a處於天平室1-2的上部，吊籃4-4a處於冷卻室2-4a中，隔熱保護套3-3恰好處於冷卻室2-4a的正下方；圖5b是吊籃4-4a下降一段距離後等待電子天平1-2a讀數穩定，以及等待熱電偶溫度達到指定溫度時的工作狀態，此時電子天平1-2a處於天平室1-2底部，吊籃4-4a和隔熱保護套3-3處在爐膛中部；圖5c是系統穩定後樣品開始反應的工作狀態，此時電子天平處於天平室底部，吊籃處於爐膛中部，隔熱保護套退出到冷卻槽2-2c冷卻。

如圖1所示，本發明的溫度感應調節裝置5包括爐壁熱電偶5-1，懸吊熱電偶5-2和爐溫控制器5-3，該爐壁熱電偶設置在爐體2-3中部的爐壁內側，其信號線從爐壁內經過加熱爐外殼導出，並通過信號線與爐溫控制器5-3相連。懸吊熱電偶5-2設置在吊籃4-4a上方，通過信號線懸吊，其與吊籃和升降裝置同步進行升降移動。實驗過程中，兩個熱電偶均實時測量顯示所在位置的溫度。爐溫控制器5-3根據兩熱電偶的信號和設定升溫程序溫度的差值，形成反饋信號，用以調節爐體2-3加熱功率，使熱電偶信號符合設定升溫程序溫度。具體使用時兩個電偶的切換使用，當使用一者時另一者信號不經由爐溫控制器實現反饋。放吊籃4-4a時，吊杆4-4和懸吊的信號線上行，吊籃恰好處於冷卻槽2-4a中，此時懸吊熱電偶5-2在爐膛上部而爐壁熱電偶5-1在爐體2-3內壁的中間，故切換到爐壁熱電偶和爐溫控制器5-3相通，使爐壁熱電偶信號與程序設定溫度一致。放樣完成，且爐壁熱電偶5-2溫度和程序設定溫度一致後，將吊杆4-4降下使吊籃4-4a和隔熱保護套3-3恰好處於爐膛中部，此時懸吊熱電偶5-2和爐壁熱電偶5-1高度大致相同而懸吊熱電偶5-2在爐中央。保持加熱爐2功率不變，待天平讀數穩定後，降下隔熱保護套3-3，吊杆4-4不動，待下行隔熱保護套3-3退到冷卻槽2-2c中，樣品即可發生反應。待懸吊熱電偶5-2溫度升至與爐壁熱電偶5-1溫度一致時，切換到懸吊熱電偶5-2和爐溫控制器5-3相連，利用懸吊熱電偶5-2信號對樣品溫度進行調節控制。

如圖1所示，本發明的數據分析裝置6包括數據傳輸線6-1和電腦6-2所述數據傳輸線將電子天平1-2a、爐溫控制器5-3與電腦相連，將電子天平的重量信號、爐溫控制器的爐溫信號傳輸給電腦，電腦對重量和溫度數據進行採集分析，並且控制電子天平的校準調零程序實現電子天平的調節，還能控制加熱爐2的溫度，具體控制調節方式可採用常用的調節方式進行，在此不再贅述。

利用本發明的快速升溫熱重分析儀進行快速升溫和檢測樣品質量的具體步驟如下：

1)調節加熱爐2和基座臺1-1的高度，壓緊密封層1-4，保持爐內氣密性良好，從保護氣進氣管1-3向加熱爐內通入保護氣；

2)通過保護升降裝置3和樣品升降裝置4調節隔熱保護套3-3和吊杆高度4-3，使吊杆下端處在冷卻室2-4a中，使隔熱保護套3-3的上端恰好到達冷卻室2-4a口；

3)準確稱量約10mg待測樣品，記錄樣品質量，將樣品裝到吊籃4-4a中，打開放樣通道2-6的窗口蓋2-6a，將吊籃4-4a裝到吊杆4-4下端，關閉窗口蓋2-6a；

4)從反應氣進氣管2-5向加熱爐2中通入反應氣體，通氣一段時間待爐內氣氛穩定後，通過電腦6-2將電子天平1-2a調零；

5)通過電腦6-2設置所需程序溫度，切換爐壁熱電偶5-1與爐溫控制器5-3相連；

6)爐壁熱電偶的溫度穩定至程序所設定溫度時，通過保護升降裝置3和樣品升降裝置4調節隔熱保護套3-3和吊杆4-4高度，使吊杆4-4下端吊籃4-4a處在爐膛中央，隔熱保護套3-3裹在吊籃4-4a外部；

7)保持加熱爐功率不變，待電子天平讀數穩定後，調節保護升降裝置3使隔熱保護套3-3退出爐膛降到冷卻槽2-2c中，使吊籃4-4a立即暴露在爐膛中瞬間開始反應使實驗達到快速升溫效果；

8)爐溫控制器5-3相連利用懸吊熱電偶5-2反饋的溫度信號，對爐膛溫度進行調節控制。

9)待熱重曲線基本保持穩定，終止採集，保存數據。

如此，通過本發明的快速升溫熱重分析儀可以實現等溫法測量時數據的準確、穩定獲取，具有結構簡單、操作方便、精度高誤差小等優點。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。