DE3042496A1

DE3042496A1 - Verbrennungs-kalorimeter

Info

Publication number: DE3042496A1
Application number: DE19803042496
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing.(grad.) 7821 Eisenbach Hochholzer
Original assignee: FRANZ MORAT KG ELEKTRO FEINMEC
Current assignee: FRANZ MORAT KG ELEKTRO FEINMEC
Priority date: 1980-11-11
Filing date: 1980-11-11
Publication date: 1982-06-16
Also published as: JPS57156547A; GB2089507A; FR2495323B1; FR2495323A1; GB2089507B; CH654927A5

Description

11. Nov.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungs-Kalorimeter bestehend aus einer druckfesten Bombe, einem in diese einsetzbaren Verbrennungsbehälter aus korrisionsbeständigem Material, einer in den Verbrennungsbehälter führenden Sauerstoffzufuhr- bzw. Verbrennungsgasableitung und einem in dieser angeordneten Ventil zur Steuerung der Sauerstoffzufuhr bzw. Verbrennungsgasabfuhr, insbesondere nach Hauptpatent .... (Deutsche Patentanmeldung P 29 24 47 7.7).

Das Messen der Verbrennungsenergie bei konstantem Volumen ist lange bekannt. Die ersten Werte wurden bereits 1881 von Berthelot gemessen.

Die Gerätetechnik der Verbrennungs-Kalorimetrie ist seit vielen Jahren beinahe unverändert.

Eine bedeutende Verbesserung stellte das adiabatische Kalorimeter dar. Die traditionelle Art der Temperaturmessung mittels Quecksilberthermometer muß heute kritisch getrachtet werden, da der Einsatz moderner Elektronik nicht nur Erleichterung mit sich bringt, sondern vor allem auch genaueres und zuverlässigeres Arbeiten gewährleistet. Die mühsamen Versuchsvorbereitungen der heute im Handel befindlichen Geräte entsprechen jedoch nicht mehr den erhöhten Anforderungen. Ein besonderer Nachteil der bisher üblichen Methode ergibt sich, wenn infolge von Materialinhomogenitäten oder ähnlichen Gründen ein mehrmaliges Wiederholen der Messungen mit statistischer Auswertung erforderlich ist.

In letzter Zeit hat sich die Verbrennungs-Kalorimetrie neue interessante Anwendungsgebiete erschlossen, wie z.B. die Ökologie oder Studien über die Photosynthese, so daß in gewissem Sinne

von einer Neubelebung der klassischen Methode gesprochen werden kann.

Der Erfinder hat sich nun die Aufgabe gestellt, ein Kalorimeter zu schaffen, das einen vollständigen automatisierten Meßvorgang erlaubt, bei dem lediglich die zu messende Probe einzusetzen ist, das also äußerst einfach zu handhaben ist. Insbesondere geht es im vorliegenden Fall um eine möglichst einfache konstruktive Lösung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Zündung der Probe innerhalb des Verbrennungsbehälters ein an eine Stromquelle anschließbarer Glühdraht dient, und daß die Stromzufuhr über die Sauerstoffzufuhr- bzw. Verbrennungsgasableitung oder ein sich durch diese hindurcherstreckendes

Ventilsteuerorgan erfolgt.

Das erfindungsgemäße Kalorimeter arbeitet sicher, ist leicht handhabbar und zudem in konstruktiver Hinsicht denkbar einfach. Gesonderte elektrische Stromleiter sind entbehrlich.

Die Handhabung des erfindungsgemäßen Verbrennungs-Kalorimeters erfolgt wie folgt:

Die zu messende Probe wird in den Verbrennungsbehälter eingesetzt, der dann mit einem Deckel oder dergleichen verschlossen wird. Diese verschlossene Einheit wird in die Bombe eingesetzt, vorzugsweise eingeschraubt. Anschließend wird z.B. durch Drehen eines Bedienungsknopfes über die in den Verbrennungsbehälter ragende Sauerstoffleitung in diesen Sauerstoff eingeführt.

Dann erfolgt die Zündung und Verbrennung der Probe. Die Beendigung der Messung wird vorzugsweise durch Aufleuchten einer Signallampe angezeigt. Vor dem Einsetzen einer neuen Probe

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liest man die Energie der vorangegangenen Verbrennung in Joule auf einer Digitalanzeige oder dergleichen ab. Vor dem Einsetzen einer neuen Probe läßt man die Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsbehälter entweichen. Ferner wird die Bombe wieder auf die Ausgangstemperatur abgekühlt.

Beim Entzünden wird das Temperaturmeßgerät elektrisch auf einen Nullwert eingestellt_} so daß nach einem beendigten Meßvorgang der Meßwert schon eine Differenzgröße darstellt.

Die Beseitigung der durch Wärmeaustausch zwischen dem Kalorimeter und der Umgebung (diathermischer Vorgang) bedingten Fehler erfolgt durch eine elektrische Korrekturschaltung auf der Basis einer elektrischen Nachbildung bzw. Simulation des Wärmeaustausches unter ständiger Kontrolle des sich hierbei ändernden Temperaturgradienten zwischen Kalorimeter und Umgebung.

Bevorzugte konstruktive Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der anliegenden Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Verbrennungs-Kalorimeter im Schnitt.

Mit der Bezugsζiffer 10 ist eine druckfeste Bombe gekennzeichnet. In diese druckfeste Bombe ist ein relativ dünnwandiger Verbrennungsbehälter 11 aus korrosionsfestem Material einsetzbar. Der Verbrennungsbehälter 11 ist topfartig ausgebildet. Die Bombe ist durch einen einschraubbaren Bombenverschluß 15 ver-

schließbar, wobei ein Dichtring 28 längs des Innenumfangs des Verbrennungsbehälters 11 einen Verbrennungsraum 26 nach außen hin abdichtet.

Am Boden 16 des Verbrennungsbehälters 11 ist eine Öffnung 17 vorgesehen, die im wesentlichen zentral angeordnet ist. Über diese Öffnung ist eine zylindrische Hülse 20 angeordnet, in die beim Einsetzen des Verbrennungsbehälters 11 in die Bombe bzw. in den Behältereinsatzraum der Bombe 10 ein über dem Bombenboden 18 ragender Abschnitt 21 einer Sauerstoffzu- bzw. Verbrennungsgasableitung 19 einführbar ist. Längs des Innenumfanges der Hülse 20 ist ein Dichtring 30 angeordnet, der im eingesetzen Zustand dichtend an der Außenfläche des in die Hülse·20 ragenden Leitungsabschnittes 21 anliegt. Auf diese Art und Weise ist der Verbrennungsraum 26 gegenüber deräußeren Umgebung abgedichtet.

Der Temperaturvergleich erfolgt längs einer Tennperaturkurve. die normlerweise erst voll ausgeschrieben wird, bevor der Vergleich vorgenommen wird.

Das herkömmliche Ausschreiben der Temperaturkurve dauert jedoch mindestens etwa 5-10 Minuten. In besonders vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann daher ein Mikroprozessor vorgesehen sein, der mit dem Temperaturmeßgerät gekoppelt ist und der nach dem Anfahren der Temperaturkurve diese hechrechnet, so daß das relativ zeitaufwendige Ausschreiben der Temperaturkurve entfallen kann und der Vergleichswert schon nach etwa 20 - 30 sek. vorliegt.

BAD ORIGINAL

In der Hülse 20 ist ein Ventil 22 angeordnet, das beim eingesetzten Behälter von außen durch einen Steuerstößel 31 steuerbar ist. Der Steuerstößel 31 ist in der Sauerstoffzu- bzw. Verbrennungsgasableitung 19 hin- und herbewegbar gelagert, und zwar derart, daß zwischen dem Steuerstößel 31 und der Innenseite der Sauerstoffzu- bzw. Verbrennungsgasableitung ein Strömungsdurchgang vorhanden ist.

Der Steuerstößel 9 dient gleichzeitig als elektrisch isolierter Zündstromanschluß. Die Bewegung des Steuerstößels 3"I nach oben und unten wird durch eine pneumatisch gesteuerte Kolben-Zylinder-Einheit 30 gesteuert. Das Einlassen von Sauerstoff bzw. die Entfernung von Verbrennungsgasen sowie die Beherrschung der Pneumatik 30 wird durch ein Doppelventil 12 geregelt. Die Betätigung des Ventils erfolgt durch einen an dem Gerät angebrachten Bedienungsknopf (Drehknopf). Dadurch kann mit Hilfe nur eines Bedienungsknopfes der gesamte MeßVorgang eingeleitet und wieder beendet werden. Oberhalb der Hülse 20 ist ein Verbrennungstiegel 23 angeordnet, in den die Probe eingesetzt wird. Oberhalb des Verbrennungstiegels erstreckt sich ein Glühdraht 33.

Als Temperaturfühler dienen Thermistoren, mit denen die Temperaturdifferenz gemessen und an einem Digitalinstrument in Joule angezeigt wird.

Der Temperaturfehler durch Wärmeaustausch wird mittels einer Regelelektronik korrigiert. Nach einigen Minuten wird die erforderliche Meßtemperatur erreicht und die Probe automatisch gezündet. Die Beendigung der Messung wird durch Aufleuchten einer nicht dargestellten Signallampe angezeigt.

Es können - je nach Genauigkeitsförderung an die Messung - zwei Meßzeiten eingestellt werden.

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Die Kühlung der Bombe 10 erfolgt durch Zuführung von kaltem Wasser in ein kalorimetrisches Gefäß 21. Dabei ist der Kühlwasserverbrauch bei dem beschriebenen Kalorimeter so gering, daß unter normalen Umständen auf einen ständigen Kaltwasserzufluß verzichtet werden kann. Das Gerät enthält einen Kühlwasserbehälter. Dieser Kühlwasserbehälter ist in der Zeichnung nicht dargestellt.

Das Kalorimeter-Gefäß 2 H ist von einem Metallmantel 25 umgeben, dessen Temperatur konstant gehalten wird.

Zur Durchführung einer Messung wird zunächst ein Hauptschalter eingeschaltet, wobei dann die Meßtemperaturregelung in Funktion tritt. Anschließend wird eine Probe in den Verbrennungstiegel

23 gegeben und der Verbrennungsbehälter in die Bombe 10 eingesetzt. Die Bombe 10 wird dann durch den Schraubverschluß 15 verschlossen. Durch Drehen eines Bedienungsknopfes in die Stellung "Sauerstoffeinlaß¹· wird die Bombe bzw. das Innere des Verbrennungsbehälters 11 mit Sauerstoff gefüllt. Der Bedienungsknopf wirkt mit dem Doppelventil 12 zusammen. Durch weiteres Drehen des Bedienungsknopfes in die Stellung "Messen" wird der automatische Meßvorgang eingeleitet. Die Beendigung der Messung wird durch Aufleuchten einer Signallampe angezeigt. Vor dem Einsetzen einer neuen Probe liest man dann die Verbrennungsenergie- der vorangegangenen Messung - in Joule auf einer Digitalanzeige ab. Durch Drücken auf den Bedienungsknopf entweichen schließlich die Verbrennungsgase. Mit Hilfe eines Steckschlüssels wird dann der Bombenverschluß 15 abgeschraubt und der Verbrennungsbehälter 11 aus der Bombe entnommen.

Es wird noch darauf hingewiesen, daß die Wand des Verbrennungsbehälters 11 im eingesetzten Zustand satt an der Innenwandung der Bombe 10 anliegt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verbrennungs-Kalorimeters sind:

einfache Handhabung

sehr geringer Energie- und Kühlwasserverbrauch weitgehende Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur

vollautomatischer MeBvorgang
- einfache Installation und Konstruktion, insbesondere hinsichtlich des Glühdrahtes 33 und dessen elektrischem Anschluß.

Alle in den Unterlagen offenbarten Merkmale werden 'sowohl einzeln als auch in Kombination als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie nicht durch den Stand der Technik vorweggenommen sind.

Claims

Patentansprüche

Verbrennungs-Kalorimeter, bestehend aus einer druckfesten Bombe, einem in diese einsetzbaren Verbrennungsbehälter aus korrosionsbeständigem Material, einer in den Verbrennungsbehälter führenden Sauerstoffzufuhr- bzw. Verbrennungsgasableitung und einem in dieser angeordneten Ventil zur Steuerung der Sauerstoffzufuhr bzw. Verbrennungsgasabfuhr, insbesondere nach Hauptpatent .... (Deutsche Patentanmeldung P 29 24 477.7), dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung der Probe innerhalb des Verbrennungsbehälters (11) ein an eine Stromquelle anschließbarer Glühdraht (33) dient, und daß die Stromzu-

INSPECTED

fuhr über die Sauerstoffzufuhr- bzw. Verbrennungsgasableitung (19) oder ein sich durch diese hindurch erstreckendes Ventilsteuerorgan (31) erfolgt.
2. Verbrennungs-Kalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühdraht (33) aus Edelmetall besteht.
3. Verbrennungs-Kalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bombe (10) in einem ein Kühlmedium, vorzugsweise Wasser, enthaltenden Kühlbehälter (kalorimetrisches Gefäß 24) eingesetzt ist.
4. Verbrennungs-Kalorimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlbehälter (2H) ein geschlossenes System ist und nur über ein oder mehrere Entlüftungsleitungen mit der Umgebung (Atmosphäre) in Verbindung steht.
5. Verbrennungs-Kalorimeter nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlbehälter (24) an einen Kühlmediumkreis angeschlossen ist, wobei nach Durchführung einer Messung bzw. Verbrennung einer Probe in den Kühlbehälter ein kaltes Medium eingeleitet wird.
6. Verbrennungs-Kalorimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden (16) des Verbrennungsbehälters (11) eine öffnung (17) vorgesehen ist, über der eine Hülse ('2O) angeordnet ist, in die beim Einsetzen des Verbrennungsbehälters (11) in die Bombe (10) ein über dem Bombenboden (18) in den Behältereinsatzraum der Bombe ragender Abschnitt (21) der Sauerstoffzu- bzw. Verbrennungsgasableitung (19) einführbar ist, derart, daß

der Verbrennungsraum (26) gegenüber der äußeren Umgebung abgedichtet ist.
7. Verbrennungs-Kalorimeter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hülse (20) ein Ventil (22) angeordnet ist, das beim eingesetzten Behälter (11) von außen durch die Sauerstoffzu- bzw. Verbrennungsgasableitung (19) hindurch steuerbar ist.
8. Verbrennungs-Kalorimeter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Ventils (22) durch einen durch die Sauerstoffzu- bzw. Verbrennungsgasableitung (190 hindurchgeführten und in dieser hin- und herbewegbar gelagerten Steuerstößel (31) erfolgt.
9. Verbrennungs-Kalorimeter nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstößel (31) durch eine pneumatisch oder hydraulisch gesteuerte Kolben-Zylinder-Einheit (30) bewegbar ist.
10. Verbrennungs-Kalorimeter nach Anspruch 1, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzufuhr für den Glühdraht (33) durch den Steuerstößel (33) erfolgt wobei die Sauerstoffzufuhr bzw. Verbrennungsgasableitung (19) aus einem elektrisch nicht leitendem Material besteht .
11. Verbrennungs-Kalorimeter nach einem oder mehreren der Ansprüche Ibis 10, dadurch gekennzeichnet,daß das Ventil (22) selbstschließend ist und in der Hülse (20) elektrisch isoliert gelagert ist.
12. Verbrennungs-Kalorimeter nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzufuhr für den Glühdraht (33) durch den Steuerstößel (31) und das mit diesem zusammenwirkend· Ventil (22) erfolgt.