Appareil de mesure du taux instantané de la perte de poids
La présente invention est relative à un appareil de mesure du taux instantané de la perte de poids.
Ces appareils sont aptes à d'importantes applications, par exemple les analyses thermogravimétriques.
La thermogravimétrie présente des applications intéressantes permettant de caractériser des composés minéraux et organiques et d'étudier leur décomposition thermique, par exemple dans le cas du charbon.
On a fait différents types d'appareils de mesure du taux instantané de la perte de poids qui donnent des courbes enregistrant la perte de poids totale en fonction du temps ou de la température d'un échantillon se décomposant sous l'influence de la chaleur. I1 est souvent nécessaire de préparer pour ces enregistrements des courbes de la vitesse de la perte de poids en fonction du temps et de la température, ce qui nécessite l'application d'un procédé compliqué et relativement inexact de différentation graphique.
La présente invention se propose de réaliser un appareil qui donne automatiquement des enregistrements exacts et continus de la perte de poids en fonction du temps, c'est-à-dire du taux instantané de la perte de poids. Ces appareils peuvent être facilement disposés de manière à donner en même temps un enregistrement de la perte de poids totale.
Quelques exemples d'exécution de l'objet de l'invention sont représentés aux dessins annexés, dans lesquels
La fig. 1 représente schématiquement l'appareil de mesure du type à torsion, utilisée comme balance thermogravimétrique.
La fig. 2 est un schéma électrique de l'appareil.
La fig. 3 représente des détails du circuit électrique.
La fig. 4 représente une variante du circuit transformant le mouvement du fléau en une force électromotrice de commande.
La fig. 5 représente une variante dans laquelle l'équilibrage s'effectue à l'aide de l'électrode suspendue d'un coulombmètre.
Dans les fig. 1 à 3, un fil de torsion 1 est fixé au fléau 2, en un alliage d'aluminium léger. Un fil de suspension 3 est attaché à un pivot se trouvant à une extrémité du fléau et il porte l'échantillon 4 contenu dans un petit récipient 5, lequel est suspendu à l'intérieur d'un four électrique tubulaire 6 comportant des moyens 7, tels qu'un thermocouple, servant à mesurer la température du four. Un dispositif 8 sert à tendre le fil 1. Un cache 9, en tôle d'alumi- nium mince, est monté à l'autre extrémité du fléau et se déplace devant une cellule photoélectrique 10.
Un rayon de lumière d'une lampe traverse un système optique 11 et tombe sur le cache 9 et sur la surface exposée de la photocellule. Un amortisseur magnétique est constitué par une plaque métallique 12 susceptible de se déplacer entre les pôles d'un aimant permanent 13 (fig. 1). Un servomoteur 14 actionne une tête de torsion du fil 1. I1 consiste en un moteur à faible inertie, relié à un réducteur de vitesse de rapport 200 000 : 1.
La tension de sortie de la photocellule est appliquée aux enroulements de commande d'un amplificateur magnétique 15 qui est également relié à une source de tension alternative stabilisée 16. La tension de sortie de l'amplificateur magnétique est, redressée par le redresseur 15A. La tension redressée, en série avec un potentiel de polarisation négative venant d'une source 17, est la force électromotrice de commande et elle est appliquée au servomoteur 14 par des fils 18 et 19. I1 se produit une chute de tension dans une résistance ou potentiomètre 20 monté sur le circuit de sortie et la tension réduite est appliquée à un enregistreur 21 par des fils 22, l'enregistrement étant une mesure de la variation de la perte de poids.
La polarisation sert à donner au circuit une commande à la fois négative et positive. Le servomoteur actionne également un dispositif d'intégration mécanique au moyen duquel le changement de poids total peut être indiqué à l'aide de cadrans 23. Le servomoteur 14 est du type dont la vitesse est proportionnelle à la tension qui y est appliquée pour une gamme étendue de tensions d'entrée.
Un fil 24 d'un curseur rotatif est disposé sur un prolongement de la tête de torsion, ses extrémités étant alimentées au moyen de fils 25 par une source stabilisée dans l'ordre de grandeur de millivolts. La tension de sortie prise entre un côté de l'alimentation et le balai 26 est une mesure de la position de la tête de torsion et, par suite, de la perte de poids totale; cette tension de sortie est également appliquée à l'enregistreur 21 par des fils 27. Toutefois, lorsque le système est en fonctionnement, le fléau se déplace de sa position zéro pour mettre à découvert une partie de la photocellule suivant le taux de la perte de poids; la perte de poids totale, enregistrée, est en retard du fait du retard au fonctionnement de la tête de torsion.
On compense automatiquement cette erreur sur l'enregistrement en ajoutant la chute de tension, dans une faible résistance 32 (fig. 3) du diviseur de tension 20, à la tension provenant du fil 24.
Dans la disposition la plus courante, la température de l'échantillon monte linéairement et la fig. 2 représente un dispositif permettant de le faire. Le thermocouple 7 comporte deux sorties dont l'une va à l'enregistreur 21 par des fils 28 et l'autre va, par des fils 29, à un régulateur de températures 30 à caractéristiques linéaires qui est alimenté par le courant stabilisé du réseau et dont la sortie se fait par l'élément de chauffage du four au moyen des fils 31.
Le servomoteur et le potentiomètre d'enregistrement sont connectés ensemble par les contacts inférieurs d'un commutateur multiple S1 (fig. 3) à une source stable de basse tension, pour permettre à la tête de torsion de revenir à zéro et au taux enregistré de changement de poids d'être réglé. En fonctionnement normal, les contacts médians du commutateur S1 sont en service. Les contacts supérieurs de S1 sont destinés au débranchement du moteur et de l'enregistreur. Les commutateurs S2 et S3 sont des inverseurs. I1 est prévu des bornes X1 et X2 pour le régIage.
Les compteurs à cadran de la tête de torsion peuvent être étalonnés de manière à donner une lecture directe en milligrammes en essayant des poids connus et en réglant la longueur du fil de torsion entre le fléau et la tête de torsion.
Avant chaque essai, l'enregistrement du taux de perte de poids est réglé en appliquant une tension de réglage, par exemple 3 volts, à la fois au servomoteur et au circuit de l'enregistreur. Le taux de perte de poids équivalent à cette tension est déterminé au préalable en accordant dans le temps la rotation des compteurs à cadran. Par exemple, 3 volts peuvent donner 1002 divisions de cadran par minute, ce qui a été amené à être l'équivalent de 10,02 mg par minute. La proportion de cette tension fournie au potentiomètre d'enregistrement est réglée de façon précise par la résistance 50 jusqu'à ce que l'aiguille enregistre au point approprié, par exemple 10,02, sur la graduation de l'enregistreur.
L'enregistrement de la perte de poids totale est réglé en réglant la tension fournie aux extrémités du fil 24 par une résistance variable 51, à une valeur déterminée, de sorte que la perte de poids est enregistrée en unités appropriées sur la graduation.
L'appareil décrit ci-dessus enregistre des changements totaux de poids allant jusqu'à 0,5 g à un taux maximum de 30 mg/min.; le changement de poids total peut être lu avec une exactitude de 1 O/o et le taux de changement de poids peut être déterminé à raison de 0,2 mg par minute. On a constaté que cet appareil était intéressant pour classer du charbon et pour étudier les mécanismes de sa décomposition thermique, mais il est également intéressant dans les analyses organiques et minérales, la minéralogie, les études d'adsorption et l'analyse de la répartition par dimension de particules de poudres par sédimentation.
La fig. 4 représente une variante du circuit à relais transformant le mouvement du fléau en une force électromotrice de commande. P est un phototransistor relié en série avec un accumulateur 41 à 6 volts, dont la tension de sortie est appliquée au moteur 14, à faible inertie, lorsque le commutateur S1 est dans la position représentée.
La lampe 1 1 est alimentée par le même accumulateur et elle est en série avec un interrupteur S4. Si l'on amène le commutateur S1, dans la position marquée R (inverse), la tension de l'accumulateur 41, dont la grandeur est déterminée par des potentiomètres 42 et 43, est appliquée pour le fonctionnement en sens inverse du moteur et de l'enregistreur pour les amener à zéro. Cette figure montre également l'utilisation d'un petit transformateur 44 au moyen duquel une faible tension alternative est superposée à la tension d'alimentation du moteur. La grandeur de la tension alternative est réglée à l'aide d'une résistance variable 45. On a constaté que cette modification augmente la linéarité du rapport tensionvitesse pour des basses tensions d'entrée.
Une légère vibration de l'induit causée par le courant alternatif, sert à remédier aux pertes par friction et à un contact irrégulier des balais pour de faibles vitesses voi sines du point d'arrêt. Avec un moteur dont la vitesse est directement proportionnelle à la tension appliquée, dans une gamme de travail allant jusqu'à 7 volts, on a constaté que la courbe tension-vitesse s'écarte de la linéarité en dessous de 50 mV, le moteur s'arrêtant à environ 30 mV; en superposant du courant alternatif, la linéarité est prolongée jusqu'à 20 mV et la tension d'arrêt a été réduite à 15 mV ou moins.
Dans une variante constituée par une balance analytique représentée schématiquement en 33 sur la fig. 5, l'échantillon 34 est suspendu à un bras et est équilibré par l'anode en argent 35 d'un coulombmètre 36, suspendu à l'autre bras par un fin conducteur constitué par un fil de platine, de manière à réduire au minimum les effets de tension superficielle. Un détecteur photoélectrique du déplacement du fléau comprend un écran 37 solidaire du fléau et susceptible de modifier le flux lumineux tombant sur une cellule photoélectrique 38 de même type que celle utilisée dans l'exemple précédent. La tension de sortie de la photocellule est appliquée à un amplificateur magnétique 39 dont la sortie, redressée en 40, passe dans un coulombmètre dans une direction telle qu'elle ramène la balance dans sa position d'équilibre ou de zéro.
La tension de sortie redressée est appliquée à un enregistreur, comme dans l'exemple précédent, pour donner un enregistrement continu du taux de la perte de poids en fonction du temps. Cette tension de sortie peut être également intégrée par un dispositif électromécanique (non représenté), de manière à donner un enregistrement de la perte de poids totale.
Cette forme présente l'avantage de donner des mesures absolues. On peut réduire au minimum des variations des forces de tension superficielles sur le fil suspendu en utilisant du nitrate d'argent alcoolique comme électrolyte ou en ajoutant à la surface de l'électrolyte des liquides organiques ayant avec l'eau une faible tension superficielle interfaciale ou en appliquant des vibrations électromagnétiques.
Instantaneous rate of weight loss meter
The present invention relates to an apparatus for measuring the instantaneous rate of weight loss.
These devices are suitable for important applications, for example thermogravimetric analyzes.
Thermogravimetry has interesting applications making it possible to characterize inorganic and organic compounds and to study their thermal decomposition, for example in the case of coal.
Various types of instantaneous rate of weight loss meters have been made which give curves recording the total weight loss as a function of time or temperature of a sample decomposing under the influence of heat. It is often necessary to prepare for these recordings curves of the rate of weight loss as a function of time and temperature, which necessitates the application of a complicated and relatively inaccurate procedure of graphical differentiation.
The present invention proposes to provide an apparatus which automatically gives accurate and continuous records of the weight loss as a function of time, that is to say of the instantaneous rate of the weight loss. These devices can be easily arranged so as to give at the same time a record of the total weight loss.
Some examples of execution of the object of the invention are shown in the accompanying drawings, in which
Fig. 1 schematically represents the measuring apparatus of the torsion type, used as a thermogravimetric balance.
Fig. 2 is an electrical diagram of the device.
Fig. 3 shows details of the electrical circuit.
Fig. 4 shows a variant of the circuit transforming the movement of the beam into an electromotive control force.
Fig. 5 shows a variant in which the balancing is carried out using the suspended electrode of a coulombmeter.
In fig. 1 to 3, a torsion wire 1 is fixed to the beam 2, made of a light aluminum alloy. A suspension wire 3 is attached to a pivot located at one end of the beam and it carries the sample 4 contained in a small receptacle 5, which is suspended inside a tubular electric furnace 6 comprising means 7, such as a thermocouple, used to measure the oven temperature. A device 8 is used to stretch the wire 1. A cover 9, made of thin aluminum sheet, is mounted at the other end of the beam and moves in front of a photoelectric cell 10.
A ray of light from a lamp passes through an optical system 11 and falls on the cover 9 and on the exposed surface of the photocell. A magnetic damper consists of a metal plate 12 capable of moving between the poles of a permanent magnet 13 (fig. 1). A servomotor 14 actuates a head for twisting the wire 1. It consists of a low inertia motor, connected to a speed reduction gear of 200,000: 1.
The output voltage of the photocell is applied to the control windings of a magnetic amplifier 15 which is also connected to a stabilized AC voltage source 16. The output voltage of the magnetic amplifier is rectified by the rectifier 15A. The rectified voltage, in series with a negative bias potential coming from a source 17, is the control electromotive force and it is applied to the servomotor 14 by wires 18 and 19. There is a voltage drop in a resistor or potentiometer 20 mounted on the output circuit and the reduced voltage is applied to a recorder 21 through leads 22, the recording being a measure of the change in weight loss.
Bias is used to give the circuit both negative and positive control. The servomotor also operates a mechanical integration device by means of which the change in total weight can be indicated by means of dials 23. The servomotor 14 is of the type whose speed is proportional to the voltage applied to it for a range. range of input voltages.
A wire 24 of a rotary slider is disposed on an extension of the torsion head, its ends being supplied by means of wires 25 by a source stabilized in the order of magnitude of millivolts. The output voltage taken between one side of the power supply and the brush 26 is a measure of the position of the twist head and, therefore, of the total weight loss; this output voltage is also applied to the recorder 21 through wires 27. However, when the system is in operation, the beam moves from its zero position to expose a part of the photocell according to the rate of the loss of. weight; the total weight loss recorded is late due to the delay in the operation of the torsion head.
This error is automatically compensated for on the recording by adding the voltage drop, in a small resistance 32 (fig. 3) of the voltage divider 20, to the voltage coming from the wire 24.
In the most common arrangement, the temperature of the sample rises linearly and FIG. 2 shows a device for doing so. The thermocouple 7 has two outputs, one of which goes to the recorder 21 via wires 28 and the other goes, via wires 29, to a temperature regulator 30 with linear characteristics which is supplied by the stabilized current of the network and the output of which is via the heating element of the oven by means of the wires 31.
The servo motor and the recording potentiometer are connected together by the lower contacts of a multiple switch S1 (fig. 3) to a stable source of low voltage, to allow the torsion head to return to zero and the recorded rate of weight change to be adjusted. In normal operation, the middle contacts of switch S1 are in service. The upper contacts of S1 are intended for disconnecting the motor and the recorder. Switches S2 and S3 are inverters. X1 and X2 terminals are provided for control.
Twist head dial counters can be calibrated to give a direct reading in milligrams by trying known weights and adjusting the length of the twist wire between the flail and the twist head.
Before each test, the recording of the rate of weight loss is set by applying a setting voltage, for example 3 volts, to both the servomotor and the recorder circuit. The rate of weight loss equivalent to this voltage is determined beforehand by allowing the rotation of the dial counters over time. For example, 3 volts can give 1002 dial divisions per minute, which has been made to be the equivalent of 10.02 mg per minute. The proportion of this voltage supplied to the recording potentiometer is precisely adjusted by resistor 50 until the needle registers at the appropriate point, for example 10.02, on the scale of the recorder.
The recording of the total weight loss is set by adjusting the tension supplied to the ends of the wire 24 by a variable resistor 51, to a determined value, so that the weight loss is recorded in appropriate units on the scale.
The apparatus described above records total weight changes of up to 0.5 g at a maximum rate of 30 mg / min .; the total weight change can be read with an accuracy of 1 O / o and the rate of weight change can be determined at 0.2 mg per minute. This device has been found to be of interest for classifying coal and for studying the mechanisms of its thermal decomposition, but it is also of interest in organic and mineral analyzes, mineralogy, adsorption studies and analysis of distribution by particle size of powders by sedimentation.
Fig. 4 shows a variant of the relay circuit transforming the movement of the beam into an electromotive control force. P is a phototransistor connected in series with an accumulator 41 at 6 volts, the output voltage of which is applied to the motor 14, at low inertia, when the switch S1 is in the position shown.
The lamp 1 1 is supplied by the same accumulator and it is in series with a switch S4. If the switch S1 is brought to the position marked R (reverse), the voltage of the accumulator 41, the magnitude of which is determined by potentiometers 42 and 43, is applied for the operation in reverse of the motor and of the recorder to bring them to zero. This figure also shows the use of a small transformer 44 by means of which a low AC voltage is superimposed on the supply voltage of the motor. The magnitude of the alternating voltage is adjusted using a variable resistor 45. This modification has been found to increase the linearity of the voltage-to-speed ratio for low input voltages.
A slight vibration of the armature caused by the alternating current serves to remedy friction losses and irregular contact of the brushes at low speeds near the stopping point. With a motor whose speed is directly proportional to the applied voltage, in a working range of up to 7 volts, it has been found that the voltage-speed curve deviates from linearity below 50 mV, the motor s 'stopping at about 30 mV; by superimposing alternating current, the linearity is extended to 20mV and the stop voltage has been reduced to 15mV or less.
In a variant consisting of an analytical balance shown schematically at 33 in FIG. 5, the sample 34 is suspended from one arm and is balanced by the silver anode 35 of a coulombmeter 36, suspended from the other arm by a thin conductor formed by a platinum wire, so as to minimize the effects of surface tension. A photoelectric detector of the movement of the beam comprises a screen 37 integral with the beam and capable of modifying the light flux falling on a photoelectric cell 38 of the same type as that used in the preceding example. The output voltage of the photocell is applied to a magnetic amplifier 39 whose output, rectified at 40, passes through a coulombmeter in a direction such as to return the balance to its equilibrium or zero position.
The rectified output voltage is applied to a recorder, as in the previous example, to give a continuous record of the rate of weight loss as a function of time. This output voltage can also be integrated by an electromechanical device (not shown), so as to give a record of the total weight loss.
This form has the advantage of giving absolute measurements. Changes in the surface tension forces on the suspended wire can be minimized by using alcoholic silver nitrate as the electrolyte or by adding to the surface of the electrolyte organic liquids having a low interfacial surface tension with water or by applying electromagnetic vibrations.