DE3301971A1

DE3301971A1 - Elementaranalysator, insbesondere fuer kohlenstoff, wasserstoff und stickstoff

Info

Publication number: DE3301971A1
Application number: DE3301971A
Authority: DE
Inventors: Roger L. Stevensville Mich. Bredeweg
Original assignee: Leco Corp
Current assignee: Leco Corp
Priority date: 1982-03-05
Filing date: 1983-01-21
Publication date: 1983-09-08
Also published as: JPS58162864A; GB2150691A; DE3301971C2; GB8501471D0; US4525328A; GB2150691B; GB8305976D0; GB2116320A; DE3348027A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Elementaranalysatoren und richtet sich insbesondere auf Elementaranalysatoren mit Verbrennung einer Probe zu Bestandteilsgasen für die anschließende Analyse.

Die Bestimmung des Kohlenstoff- Wasserstoff- und Stickstoffgehaltes eines organischen Materials ist für eine Vielzahl von Feststellungen notwendig, um beispielsweise den potentiellen Wärmeinhalt des Materials zu ermitteln, und ist besonders brauchbar bei der Bewertung von Kohle und Koks. Außerdem ist der Elementargehalt wesentlich in der Elementaranalyse des Materials und bei der Bestimmung des Kohlenstoff; Wasserstoff-Verhältnisses. Drittens liefert der Elementargehalt eine Anzeige für die Reinheit der organischen Verbindung, beispielsweise Graphit. Viertens ist die Kenntnis des Stickstof fgehaltes einer organischen Verbindung hilfreich bei der Berechnung des Potentials des Materials im Hinblick auf die Erzeugung von umweltverschmutzendem Stickoxid.

Die ASTM-Normen für die Festlegung des Kohlenstoff- Wasserstoff- und Stickstoffgehaltes eines organischen Materials sind kompliziert und zeitraubend. Kohlenstoff und Stickstoff werden gemessen durch Verbrennen einer gewogenen Menge der Probe in einem Durchflußsystem und anschließendes Fixieren der Verbrennungsprodukte in einer Absorptionskolonne nach Oxidation und Reinigung, um das erzeugte Kohlendioxid und Wasser zu messen. Der Stickstoffgehalt wird bestimmt durch Umwandlung des Stickstoffes in Ammoniumsalze, Zerlegung der Salze, Destillieren des sich ergebenden Ammoniaks und Titrieren des Ammoniaks.

Die bereits entwickelten Analysatoren für die Analyse des Kohlenstoff- Wasserstoff- und Stickstoffgehaltes eines Materials sind nicht ohne größere Nachteile. Der Analysator verbrennt normalerweise die Probe in Bestandteilsgase und analysiert dann die Gase zur Berechnung des Elementargehaltes. Normaler-

weise setzen diese Vorrichtungen jedoch voraus, daß das gesarate während der Verbrennung erzeugte Gasvolumen reduziert wird, um Stickoxide vor der Stickstoffmessung mit einer thermischen Leitfähigkeitszelle auszuscheiden. Der gesamte Kohlendioxid und Wasserd.ampfanteil muß ebenfalls aus dem Gasstrom vor der Stickstoffmenge entfernt werden. Infolgedessen können die Analysatoren nur geringe Proben analysieren, um zu verhindern, daß die reduzierenden Reaktionsteilnehmer und Absorptionsmittel rasch verschmutzt und unbrauchbar werden. Kleine Proben führen jedoch zu vergleichsweise großen Meßfehlern. Wird die Probengröße erhöht, dann müssen die reduzierenden Reaktionsteilnehmer und Absorptionsmittel vergleichsweise häufig ersetzt werden.

Die bekannten Vorrichtungen setzen zweitens einen festen Verbrennungszeitraum voraus, damit die Probe vollständig abgebaut wird. Wenn man jedoch mit Materialien arbeitet, die vergleichsweise rasch verbrennen, ist diese feste Verbrennungsperiode übermäßig lang, was zu übermäßig langen Analysezeiten führt. Obwohl man Detektorzellen verwendet hat, um die Verbrennungsprodukte zu kontrollieren und festzustellen, wann die Verbrennung im wesentlichen vollständig ist, steigert der Einbau solcher Zellen in einen Analysator die Kosten und vergrößert auch seine Kompliziertheit.

Obwohl drittens solche Vorrichtungen Sauerstoff in die Verbrennungskammer während der Verbrennung einführen,um die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der die Probe verbrennt, wird der Sauerstoff vergleichsweise rasch im Zwischenbereich der Verbrennung verbrannt. Trotzdem ein großer Teil des Sauerstoffs im allgemeinen im Ofen zur Verfügung steht, ist die Sauerstoffkonzentration im Verbrennungsbereich vergleichsweise niedrig.

Viertens zeigen bekannte Analysatoren in typischer Weise eine im allgemeinen horizontal orientierte Verbrennungskammer, die mit einer im allgemeinen horizontal orientierten Reduktions-

kammer in Verbindung steht und ausgefluchtet ist. Infolgedessen kann keine Schwerkraftförderung durch Hereinfallenlassen der Proben in die Verbrennungskammer zum Einsatz kommen. Darüber hinaus benötigen die ausgefluchtete Verbrennungskammer und Reaktionskammer übermäßig Raum in horizontaler Richtung.

Die oben aufgezeigten Probleme sollen durch die Erfindung gelöst werden. Im wesentlichen wird ein Analysator vorgesehen mit einem im allgemeinen ü-förmigen Analyseofen mit vertikal orientierter Verbrennungskammer, in welcher eine Probe in ihre Bestandteilsgase verbrannt wiird, und mit einer vertikal orientierten Reaktionskammer. Innerhalb der Verbrennungskammer ist ein Tiegel eingesetzt und eine Lanze dient zur Zuführung der Proben in den Tiegel und dazu, auf die Probe während der Verbrennung Sauerstoff zu richten. Der Analysator enthält ferner einen Abgleichskessel und Einrichtungen zur Förderung der Bestandteilsgase in den Kessel und über eine erste Anzeigevorrichtung, die auf die Menge eines der Bestandteilsgase anspricht. Außerdem sind Einrichtungen vorgesehen für doe Förderung der abgeglichenen Gase vom Kessel über die Feststellvorrichtung nach dem Abgleich. Schließlich ist ein Geber vorgesehen, um eine Teilmenge des abgeglichenen Gases in eine zweite Anzeigevorrichtung zu dosieren, die auf ein zweites der Bestandteilsgase anspricht.

Der im allgemeinen vertikal orientierte U-förmige Analyseofen erlaubt die Schwerkraftzuführung der Probe und das Hereinfallenlassen derselben in den Tiegel innerhalb der Verbrennungskammer. Darüber hinaus ist der vertikal orientierte Ofen kompakt, wobei Verbrennungskammer und Reaktionskammer im allgemeinen parallel und benachbart

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zueinander angeordnet sind. Die Lanze innerhalb der Verbrennungskammer verbessert die Schwerkraftzuführungen der Proben, weil die Lanze die Proben unmittelbar in den Tiegel einführt. Die Lanze verbessert die Probenverbrennung, weil Sauerstoff unmittelbar während der Verbrennung auf die Probe gerichtet werden kann.

Da die Bestandteilsgase über die erste Feststellvorrichtung während der Probenverbrennung gefördert werden, kann die Menge des einen Gases überwacht werden, um die Verbrennung zu überwachen und festzustellen, ob die Verbrennung im wesentlichen vollständig ist. Da die abgeglichenen Gase nach dem Abgleich oder der Vermischung über die erste Feststellvorrichtung zurückgeführt werden, liefert diese erste Feststellvorrichtung ein Signal, das der Menge des einen Gases in den abgeglichenen oder vermischten Gasen entspricht. Nur diese eine Feststellvorrichtung ist erforderlich, um sowohl die Verbrennung zu steuern, als auch eine Elementarbestimmung vorzunehmen.

Die Tatsache, daß eine vergleichsweise kleine Teilmenge aus den abgeglichenen Gasen entfernt und in die zweite Anzeigevorrichtung eingeführt wird, vergrößert die Lebensdauer jeder Reduktions- und Absorptionsvorrichtung in der zweiten Bestimmungsvorrichtung, weil nicht das gesamte Volumen der Bestandteilsgase reduziert zu werden braucht. Darüber hinaus kann eine vergleichsweise große Menge verwendet werden, um die Meß- und Ergebnisgenauigkeiten zu verbessern.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigt in

Fig. 1 ein schematisches Blickschaltbild des

Analysators gemäß der Erfindung; Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Ofen;

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild der Computersteuerung des Analysators und in

Fig. 4 einen Teilschnitt durch das Sammelgefäß.

Ein Kohlenstoff- Wasserstoff- und Stickstoffanalysator gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Wie man aus Fig. 1 erkennt, umfaßt der Analysator 10 einen Analysenofen 12, einen Beschickungskopf 14 für die Einführung von Proben in den Analyseofen, Detektoren 16 und 18 zur Analyse von zwei der während der Probenverbrennung gebildeten Bestandteilsgase und ein Sammelgefäß 20 für die Sammlung und den Abgleich der Bestandteilsgase, die sich aus der Verbrennung ergeben. Außerdem ist ein Stickstoffanalysator an das Sammelgefäß 20 angeschlossen, um ein einen Bruchteil der abgeglichenen Gase zu Analyse des Stickstoffgehaltes der Probe abzuziehen. Schließlich ist ein Computer 24 (Fig. 3) zur Bildung der Gesamtanalysenkontrolle oder -steuerung vorhanden.

In Fig. 2 ist die Konstruktion des Analysenofens 12 im einzelnen wiedergegeben. Man erkennt, daß der Ofen ein vertikal orientiertes, U-Form aufweisendes Verbrennungsrohr 26 enthält, das eine im allgemeinen vertikal orientierte Verbrennungskammer 28, eine im allgemeinen vertikal orientierte Reaktionskammer 30 und einen Bogenteil 32 aufweist, welcher Verbrennungsteil und Reaktionsteil miteinander verbindet. Das Verbrennungsrohr 26 weist im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt und ein Gesamtvolumen von annähernd 400 ecm auf. Die Widerstandsheizvorrichtung 32 ist eine bekannte Vorrichtung und umgibt die Verbrennungskammer 28. Sie kann eine Temperatur von annähernd 1000⁰C in der Verbrennungskammer aufrechterhalten.

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Auch bei der Widerstandsheizvorrichtung 36 handelt es sich um eine bekannte Vorrichtung, die die Reaktionskammer 30 umgibt und eine Temperatur von annähernd 1000⁰C in der Reaktionskammer aufrechtzuerhalten vermag. Beide Heizvorrichtungen 34 und 36 werden in bekannter Weise als Widerstandsheizgeräte betrieben. Die Heizvorrichtungen 34 und 36 und das Rohr 26 sind in einem Ofenblock 38 untergebracht. Der Ofenblock 38 sitzt in einem Gehäuse 54, welches eine im allgemeinen ebene horizontale obere Abdeckplatte 56 aufweist. Die oberen Enden 58 und 60 der Verbrennungskammer 28 bzw. der Reaktionskammer 30 erstrecken sich durch öffnungen 62 bzw. 64 in der Platte 56.

Der Tiegelträger 40 ist ein im allgemeinen zylindrischer Körper, der innerhalb der Verbrennungskammer 28 unmittebar oberhalb des Bogenteiles 32 befestigt ist. Der Träger 40 ist im allgemeinen porös, so daß die Gase zwischen Verbrennungskammer 28 und Bogenteil 32 frei hindurchstreichen können. Der Tiegel 42 ruht auf dem Träger 40 und ist ein im allgemeinen schalenförmiges Glied mit einer zylindrischen Wandung 44, die einstückig mit einem ebenen Boden 46 verbunden ist. Sowohl der Tiegel 42 als auch der Tiegelträger 40 sind aus einem Material hergestellt, das den hohen Temperaturen innerhalb der Verbrennungskammer 28 zu widerstehen vermag.

Das Reagenz 48 ist innerhalb der Reaktionskammer 30 untergebracht und wird durch Quarzwollstopfen 50 und 52 unmittelbar oberhalb und unterhalb des Reagenz in seiner Lage gehalten. Der untere Stopfen 52 sitzt unmittelbar oberhalb des Bogenteiles 32. In der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Reagenz 48 um Kalziumoxid, welches Schwefeltrioxid aus allen durch das Reagenz strömenden Gasen entfernt. Alternativ kann man als Reagenz 48 Silber verwenden, wenn Chlorgas zu absorbieren ist.

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Der Beschickungskopf 14 ist auf einer Platte 56 montiert und am oberen Ende 58 der Verbrennungskammer 28 mittels eines O-Ringes 68 abgedichtet. Der Beschickungskopf 14 enthält einen unteren Block 70, der an der oberen Platte 56 durch Schrauben 72 befestigt ist, und begrenzt eine Bohrung 73, die gegen das obere Ende 58 mittePs eines O-Ringes 68 abgedichtet ist. Der obere Block 74 ist an der oberen Platte 56 durch eine Schraube 76 befestigt und gegen den unteren Block 70 mit einem O-Ring 78 abgedichtet. Der obere Block begrenzt die Kammer 80, die lösbar gegen die Umgebungsluft durch einen Schiebedeckel 82 abgedichtet ist. Innerhalb der Kammer 80 sind Probeabgabebacken 84 angeordnet und werden so betätigt, daß sie eine aufgegebene Probe entweder halten oder freigeben. Die Proben können in die Backen 84 eingeführt werden, wenn der Deckel 82 in eine offene Stellung verschoben ist, in der der Mechanismus freiliegt.

Die Lanze 86 enthält den Kopfblock 88, der in der Bohrung 73 befestigt ist und die Trichterbohrung 90 begrenzt, und ein im allgemeinen rohrförmiges Glied 92 mit einem oberen offenen Ende 94, das im Kopfblock 88 verankert ist und mit der Trichterbohrung 90 in Verbindung steht, sowie ein unteres offenes Ende 96 in der Nähe des Tiegels 42. Das Glied 92 weist einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Trichterbohrung 19 ist im allgemeinen axial mit sowohl der Kammer 80 als auch im rohrförmigen Glied 92 ausgefluchtet, so daß eine von den Backen 83 freigegebene Probe aus der Kammer 80 durch die Trichterbohrung 90 und in die Lanze 86 fällt, von wo sie in den Tiegel 42 geführt wird. Ein ringförmiger Grat 98 erstreckt sich nach außen vom rohrförmigen Glied 92, um das untere Ende 96 im allgemeinen konzentrisch in der Verbrennungskammer 28 auszurichten. Das obere Ende 94 des Gliedes 96 ist in unmittelbarer Nachbarschaft zum Kopf 14 angeordnet, um eine Probe vom Beschickungskopf aufnehmen zu können. Das untere Ende 96 sitzt in enger

Nachbarschaft zum Tiegel 42, damit die Probe in den Tiegel abgelegt werden kann.

Eine Sauerstoffleitung 100 ist an eine unter Druck von ca. 2,8 bar (40 psi) stehende Sauerstoffquelle in bekannter Weise angeschlossen. Das freie Ende 102 der Sauerstoffleitung 100 steht mit der Kammer 80 in Verbindung und liefert unter Druck stehenden Sauerstoff zu der Kammer. Da die Kammer 80 durch den Deckel 82 abgedichtet ist, muß aller in die Kammer eintretender Sauerstoff durch die Lanze 86 austreten und wird damit in den Teigel 42 gerichtet.

Ein Kopfblock 103 ist auf der Platte 56 durch Schrauben 104 befestigt und am oberen Ende 60 der Reaktionskammer 3 0 durch einen O-Ring 106 abgedichtet. Der Block 103 begrenzt eine Bohrung 108, die so bemessen ist, daß sie das obere Ende 60, eine im allgemeinen zylindrische, koaxial mit der Öffnung ausgefluchtete Kammer 110 und eine Bohrung 112 aufnehmen kann, die sich im allgemeinen seitlich von der Kammer 110 erstreckt und mit ihr in Verbindung steht. Somit müssen alle Gase, die nach oben durch die Reaktionskammer 30 austreten, durch die Kammer 110 und die Bohrung 112 strömen, welche zu einer Staubfalle 114 führt, die Staubfiltermaterial bekannter Ausbildung enthält. Die Staubfalle 114 steht mit der Austrittsleitung 116 in Verbindung.

Eine Ventilanordnung 118 (Fig. 1) ist zwischen Sauerstoffquelle 120 und Zugführungsleitung 100 eingesetzt. Die Anordnung 118 enthält drei Ventile 118a, 118b und 118c, die parallel zu-.,, einander jeweils in Reihe mit einer Drossel 122a, 122b bzw. 122c geschaltet sind. Jeder Drossel 122 erlaubt den Durchstrom eines unterschiedlichen SauerstoffvCLumens und im bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Strömung von 0,6 1 pro Minute bzw. 5 1 pro Minute mit 2,8 bar (40 psi). Alle Drosseln 122 führen in die Leitung 100, welche, wie oben angedeutet, zur Kammer im Kopf 14 führt (vgl. auch Fig. 2).

Ein H₂0-Detektor 16 (Fig. 1) spricht auf die Menge durchströmenden Wasserdampf an und produziert ein für diese Menge charakteristisches Signal. In ähnlicher Weise spricht ein CC^-Detektor 18 auf die durchströmende Menge an Kohlendioxid an und erzeugt ein für diese Menge signifikantes Signal. In der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den Detektoren 16 und 18 um Infrarotzellen. Die Leitung 116 führt von der Staubfalle 114 im Ofen 12 zur H_O-Zelle 16 (vgl. auch Fig. 2). Die Leitung 124 führt unmittelbar von der HLO-Zelle 16 zur CO₂-ZeIIe 18. Schließlich führt die Leitung 126 von der CO₂-ZeIIe 18 zum Sammelgefäß 20. Eine Bypassleitung 128 führt unmittelbar von der Leitung 116 zur Leitung 126, wobei sie beide Zellen 16 und 18 überbrückt. Das Ventil 130 ist in der Leitung 126 zwischen der Zelle 18 und der Leitung 128 angeordnet, um wahlweise eine Gasströmung durch die Zellen und 18 zu erlauben oder zu begrenzen. Das Ventil 132 ist in der Leitung 128 angeordnet, um wahlweise die Gasströmung durch diese Leitung zu ermöglichen oder zu begrenzen. Die Leitung 134 führt von der Leitung 116 zum Auslaß und enthält ein Ventil 138.

Das Sammel- und Abgleichsgefäß 20 (Fig. 4) enthält einen Zylinder 140 und einen darin verschiebbaren Kolben 142. Zwischen Kolben 142 und Zylinder 140 sind O-Ringe 143a und 143b zur Abdichtung des Kolbens um Zylinder angeordnet. Der Zylinder 140 enthält eine Deckenwandung 144 und eine Bodenwandung 146. Befindet sich der Kolben 142 in seiner obersten Stellung, wie es gestrichelt in Fig. 4 angedeutet ist, dann beträgt das Volumen des Gefäßes 20 annähernd 5000 ecm. Die Leitung 126 tritt in das Gefäß 20 durch die Bodenwandung 146 ein. Die Leitung 148 steht mit dem Zylinder 140 durch die Deckenwandung 144 in Verbindung und ist an eine Druckgasquelle, beispielsweise eine Druckstickstoff quelle in bekannter Weise lösbar angeschlossen. Infolge-

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dessen kann der Kolben 142 durch Einführen von Druckgas in den Zylinder 140 durch die Leitung 148 zwangsweise nach unten verschoben werden und wird nach oben beim Nachlassen des Druckes in der Leitung 148 und Einführen von Gas durch die Leitung 126 verschoben.

Ein an sich bekannter Geber 150 (Fig. 1) ist über die Leitung 152 an das Sammelgefäß 20 durch die Bodenwandung 146 angeschlossen (vgl. auch Fig. 4). Dieser Geber 150 kann einen Bruchteil von 10 ecm aus dem Gefäß 20 durch die Leitung 152 abziehen und diese Teilmenge in der Leitung 154 ablegen. Infolgedessen umfaßt die von dem Geber 150 abgezogene Teilmenge weniger als 2 % und insbesondere 0,2 % des Maximalvolumens des Gefäßes 20. Die Leitung 155 entlüftet die Leitung 152 zum Auslaß 136 durch ein Ventil 157. Die Leitung 154 vom Geber 150 führt aufeinanderfolgend zu einer Kupferreduktionskammer 156, einer Askarit/Anhydron-Kammer 158, einer thermischen Leitfähigkeitszelle (TC) 160 und zum Auslaß 136. Die Reduktionskammer 156 ist eine an sich bekannte Kammer und enthält elementaren Kupfer mit einer Temperatur von annähern 750⁰C. Auch die Kammer 158 ist eine bekannte Kammer und enthält C0₂-absorbierendes Askarit und H₂0-absorbierendes Anhydron. Die TC-Zelle 160 ist ebenfalls eine bekannte Zelle und spricht auf die Menge des durch die Zelle strömenden Stickstoffes an, um ein diese Menge anzeigendes Signal zu erzeugen. Eine Heliumquelle 162 ist durch die Leitung 164 an den Geber 150 angeschlossen. Die Ventile 166 und 168 sind aufeinanderfolgend in der Leitung 164 angeordnet. Die Leitung 170 führt unmittelbar von der Leitung 164 und insbesondere zwischen den Ventilen 166 und 168 zur TC-Zelle 160. Die Überbrückungsleitung 172 mit einer Drossel 174 überbrückt das Ventil 168.

Die Zentralsteuerung für den Analysator 10 erfolgt durch einen Computer 24 ( Fig. 3) der wirkungsmäßig an den Beschickungskopf 14, die H₂O-ZeIIe 16, die CO -Zelle 18, den Geber 150,

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die TC-Zelle 160, den Drucker 176, die Abgleichsvorrichtung 178 und an alle Ventile 118,130,132, 138, 157, 166 und 168 angeschlossen ist. Der Computer 24 ist in bekannter Weise so programmiert, daß er Steuersignale auf die Ventile 118, 130, 132, 138, 157, 166 und 168, den Geber 150 und den Beschickungskopf 14 gibt und Signale von den Detektoren 16, 18 und 160 und der Abgleichvorrichtung 178 aufnimmt, um in der analysierten Probe den Prozentgehalt an Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff zu berechnen und die Ergebnisse auf dem Drucker 176 auszudrucken.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Der Analysator 10 (Fig. 1) wird für den Betrieb dadurch vorbereitet, daß man die Sauerstoffquelle 120 und die Heliumquelle 162 an die Ventilanordnung 118 bzw. 164 anschließt. Dann werden die Heizvorrichtungen 34 und 36 (Fig. 2) so betätigt, daß Temperaturen von annähernd 1000⁰C sowohl in der Verbrennungskammer 28 als auch in der Reaktionskammer 30 des Verbrennungsrohres 26 entstehen. Das Kupfer innerhalb der Kammer 156 wird auf annähernd 750⁰C aufgeheizt.

Eine leere, nicht gezeichnete Zinnkapsel wird dann auf der Waage 178 gewogen, das Gewicht wird abgelesen und vom Computer 24 (Fig. 3) aufgezeichnet. Die nicht gezeichnete, zu analysierende Probe wird dann in die Zinnkapsel eingesetzt. Nach dem Schließen wird die Kapsel wieder auf der Waage 178 gewogen und das Gewicht wird erneut abgelesen und vom Computer 24 aufgezeichnet. Dann wird die beschickte Kapsel in die Probenfreigabebacken 84 (Fig. 2) dadurch eingesetzt, daß man den Deckel in seine offene Stellung schiebt und die Kapsel zwischen den Backen einsetzt. Der Deckel 82 wird geschlossen und damit die Kammer 80 gegen die Umgebungsluft abgedichtet. Der Ofen 12, die Detektoren 16 und 18, das Gefäß 20 und die Leitungen 116, 124, und 128 werden gereinigt durch Schließen des Ventils 138, öffnen

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der Ventile 130, 132 und 157 und anschließendes Einführen von Sauerstoff durch eines der ausgewählten Ventile 118 (Fig. 1). Der Kolben 142 wird in seine unterste Stellung (wie in Fig. 4 dargestellt) dadurch zurückgeführt, daß man Stickstoff in den Zylinder 140 einführt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Detektoren 16 und 18, weil nur Sauerstoff vorhanden ist, auf Null zurückgestellt. Der Stickstoffanalysator 22 wird durch öffnen der Ventile 166 und 168 gereinigt. Helium fließt kontinuierlich durch die Leitung und die TC-Zelle 160 und liefert damit eine Bezugsablesung zur TC-Zelle. Zusätzlich strömt Helium durch die Überbrückungsleitung 172 und anschließend durch die TC-Zelle 160, um die Stabilität der Zelle 160 zu erhalten.

Nach einer ausreichenden Reinigungsperiode schließt der Computer 24 die Ventile 138, 130 und 157 (Fig. 1) und öffnet die Backen 84 (Fig. 2), um die Probe in die Büchse 86 fallenzulassen oder durch Schwerkraft zuzuführen. Die freigegebene Probe fällt zuerst in die Trichterbohrung 90, von wo sie in das rohrförmige Glied 92 geführt wird. Die Probe fällt dann durch die ganze Länge des rohrförmigen Gliedes 92 und gelangt in den Tiegel 42. Kapsel und Probe werden im Tiegel verbraucht und erzeugen Bestandteilsgase einschließlich Kohlendioxid, Wasserdampf, Sauerstoff, Stickstoff, Stickstoffdioxid, Stickoxid und Schwefeltrioxid. Alle diese Bestandteilsgase sowie der Sauerstoffträger müssen durch den Bogenteil 32 strömen, da der Probenbeschickungsmechanismus 14 das obere Ende 58 der Verbrennungskammer 28 gegen die Umgebungsluft abdichtet. Infolgedessen können die Gase die Verbrennungskammer 28 nur durch Bogenteil 32 verlassen.

Wenn die Probe verbrannt ist, wird in die Kammer 80 Sauerstoff in unterschiedlicher Strömungsmenge, d. h. abhängig davon, welches der Ventile 118 geöffnet ist, eingeführt. Außerdem kann die Sauerstoffströmung während der Verbrennung durch öffnen und Schließen verschiedener Ventile 118 nach vorge-

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gebenem Schema variiert werden. Das Strömungsschema ist wählbar und wird vom Computer 24 gespeichert und gesteuert. Es werden vergleichsweise geringe Sauerstoffströmungsmengen bei langsamen Verbrennungsmaterialien, beispielsweise Koks, und vergleichsweise hohe Strömungsmengen bei rasch verbrennbaren Materialien, beispielsweise Kohle, verwendet Der in die Kammer 80 eingeführte Sauerstoff muß durch die Lanze 86 strömen, da der Rest der Kammer 80 abgedichtet ist. Infolgedessen wird der Sauerstoff nach unten durch die Lanze ί86 und auf die verbrennende Probe im Tiegel 42 gerichtet. Diese Konzentration und Ausrichtung des Sauerstoffes auf die Verbrennungsprobe erleichtert sehr eine rasche und vollständige Verbrennung. Die aus dieser Verbrennung resultierenden Bestandteilsgase strömen durch den Bogenteil 32 und dann durch die Reaktionskammer 30. Das Reagenz 48 extrahiert das Schwefeltrioxid, welches Wasserdampf absorbiert, von den Bestandteilsgasen, um eine genaue Bestimmung des Wasserdampfanteils sicherzustellen. Nach der Strömung durch das Reagenz 48 strömen die Bestandteilsgase weiter duch die Kammer 110, die Bohrung 112, die Staubfalle 114 und in die Leitung 116. Während der Verbrennung sind sowohl das Ventil 138 (Fig. 1) als auch der Geber 150 geschlossen, so daß alle in die Leitung 116 eingeführten Bestandteilsgase sich im Gefäß 20 sammeln. Während der anfänglichen Verbrennungsperiode ist auch das Ventil geschlossen und das Ventil 132 geöffnet, so daß die Bestand-¹ teilsgase durch die Leitung 128 unter überbrückung der Detektoren 16 und 18 strömen, um zu verhindern, daß die Detektoren durch die die Gasströmung verlassenden schweren Ausfällungen oder Niederschläge verunreinigt werden. Nach dem Einleiten der Verbrennung wird der Stickstoffdruck in der Leitung 148 (Fig. 4) aufgehoben, so daß beim Eintritt der Gase in das Gefäß der Kolben 142 nach oben gedrückt wird, bis er gegebenenfalls seine oberste gestrichelt gezeichnete Stellung erreicht. Nach einer anfänglichen Verzögerungsperiode seit Beginn der Verbrennung wird das Ventil 132 geschlossen und das

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Ventil 130 geöffnet, so daß die Bestandteilsgase über die Detektoren 16 und 18 strömen können. Der Computer 24 prüft dann die Ablesungen an den Zellen 16 und 18, die der Menge an Wasserdampf bzw. Kohlendioxid in den Bestandteilsgasen entsprechen, um festzulegen, wann die Verbrennung im wesentlichen beendet ist. Dies bedeutet, daß dann, wenn die Signale von den Detektoren 16 und 18 unter Minimalwerte fallen, der Computer 24 dies als Anzeige dafür vermerkt, daß die Verbrennung im wesentlichen vollständig ist und mit der Gasanalyse begonnen werden kann. Der Computer 24 öffnet dann alle Ventile 118, bis der Druck im Sammelgefäß 20 einen Absolutdruck von 975 mm erreicht. Dann werden beide Ventile 130 und 132 geschlossen und das Ventil 138 wird geöffnet, um den Ofen 12 in die Atmosphäre zu entlüften. Zusätzlich werden die Ventile 118b und 118c geschlossen, so daß eine niedrige SauerstoffStrömung durch den Ofen 12 fortgeführt wird.

Der Computer 24 leitet dann eine Verzögerungsperiode ein, während welcher die Bestandteilsgase innerhalb des Sammelbehälters 20 abgeglichen oder durchgemischt werden, um ein im wesentlichen homogenes Gemisch zu bilden. Nach dieser Abgleichsverzogerungsperiode zieht dann Helium nach Eintritt in den Geber 150 eine Teilmenge dieser abgeglichenen Bestandteilsgase vom Sammelgefäß 20 durch die Leitung 152 ab und führt sie in die Leitung 154 mit dem Helium ein. Das den Geber verlassende Gemisch enthält unter anderen Verbindungen Kohlendioxid, Wasser, Sauerstoff, Stickstoff, Stickdioxid und Stickoxid.

Dann wird das Ventil 130 (Fig. 1) geöffnet und Stickstoff durch die Leitung 148 (Fig. 4) in den Zylinder 140 eingeführt, um den Kolben 142 nach unten zu drücken. Das führt dazu, daß die abgeglichenen Gase durch die Leitung 126 zu beiden Detektoren 16 und 18 und durch die Leitung 134 zur Entlüftung in die Atmosphäre strömen. Nachdem der

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Kolben 142 einen festen Weg zurückgelegt hat, werden die Detektoren 16 und 18 durch den Computer 24 geprüft zur Einholung einer Anzeige der Menge an Wasserdampf bzw. Kohlendioxid in den abgeglichenen vermischten Bestandteils gasen. Dann wird das Ventil 130 geschlossen und das Ventil 132 geöffnet, so daß die Abgase um die Detektoren herumgeleitet werden, um die Detektoren vergleichsweise sauber zu halten. Der Kolben 142 setzt seinen Abstieg in die unterste Stellung nach Fig. 4 fort und stößt dabei alle Gase in die Atmosphäre aus.

In der Zwischenzeit strömt die Teilgasmenge im Heliumstrom in der Leitung 154 durch die Kupferreduktionskammer 156. Das Kupfer reagiert mit dem elementaren Sauerstoff und den Stickstoff/Sauerstoffverbindungen unter Erzeugung von Kupferdioxid und elementarem Stickstoff. Infolgedessen enthalten die die Kammer 156 verlassenden Bestandteilsgase nur Kohlendioxid, Wasserdampf und elementaren Stickstoff auf dem Heliumträger. Diese Gase gelangen dann in die Askarit/ Anhydron-Kammer 158, wo Kohlendioxid und Wasserdampf durch das Askarit bzw. Anhydron innerhalb der Kammer absorbiert werden. Infolgedessen verlassen nur Helium und elementarer Stickstoff die Kammer 158 und gelangen über die Leitung 154 in die TC-Zelle 160. Die TC-Zelle erzeugt dann ein Signal entsprechend der Stickstoffmenge in der Leitung 154, das vom Computer 24 abgelesen wird.

Der Computer 24 (Fig. 3) berechnet dann den prozentualen Anteil an Kohlenstoff, den prozentualen Anteil an Wasserstoff und den prozentualen Anteil an Stickstoff in der Probe unter Verwendung des Gewichtes der beschickten Kapsel, der leeren Kapsel und der Ablesungen von den Detektoren 16, 18 und 160. Diese Resultate werden dann auf dem Drucker 176 ausgedruckt.

Claims

Leco Corporation, 3000 Lakeview Avenue St. Joseph, Michigan, USA Elementaranalysator, insbesondere für Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff Paten t ansprüche

1.yVerbrennungsofen für die Verbrennung einer Probe in Bestand-"teilsgase, gekennzeichnet durch einen Analyseofen, einen die Probe aufnehmenden Tiegel innerhalb des Ofens, Einrichtungen zum Hereinfallenlassen einer zu analysierenden Probe in den Tiegel, Einrichtungen zur Führung der hereingefallenen Probe von der Probeeinfallvorrichtung in den Tiegel und Einrichtungen zum Anschluß einer Quelle unter Druck stehenden Sauerstoffes, die diesen nach unten durch die Probeführungsmittel auf die Probe im Tiegel richtet und dadurch die Verbrennung der Probe erleichtert.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenführung aus einer im allgemeinen rohrförmigen Lanze mit einem oberen offenen Ende zur Aufnahme

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der aus der Probeneinfallvorrichtung abfallenden Probe und einem unteren offenen Ende besteht, aus dem die Probe in den Tiegel abgelegt wird.

3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze am oben offenen Ende einen Trichter aufweist der der Erleichterung der Aufnahme der Probe in die Lanze dient.

4. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende der Lanze der Probeneinfallvorrichtung benachbart ist, während das untere Lanzenende in der Nähe des Tiegels sitzt.

5. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Probenführung im wesentlichen über den vollen Abstand zwischen der Probeneinfallvorrichtung und dem Tiegel erstreckt.

6. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sauerstoffstrahl richtenden Einrichtungen Einrichtungen für die Kanalisierung des Sauerstoffes auf das obere offene Ende der Lanze umfassen.

7. Ofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffkanalisierungsvorrichtung eine abgedichtete Kammer, in welcher das obere offene Ende der Lanze angeordnet ist, und Einrichtungen für die Einführung von Sauerstoff in die Kammer umfaßt, wobei der Sauerstoff die Kammer nur durch die Lanze verlassen kann.

8. Vorrichtung zum Einwerfen einer Probe in einen Tiegel eines Verbrennungsofens , gekennzeichnet durch Einrichtungen zur lösbaren Halterung der Probe, eine im allgemeinen rohrförmige Lanze zur Führung einer

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von der Halterungsvorrichtung losgelassenen Probe
in den Tiegel, wobei die Lanze ein oben offenes Ende
zur Aufnahme der Probe aufweist, und durch Einrichtungen zum Anschluß an eine unter Druck stehende Sauerstoffquelle zur Einrührung von Sauerstoff nach unten durch die Lanze in den Tiegel zur Erleichterung der Verbrennung
der Probe innerhalb des Tiegels.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Lanze einen Trichter am oberen Ende aufweist, der die Probe in die Lanze richtet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Trichter der Probenhalterungsvorrichtung unmittelbar benachbart ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das obere offene Ende der Lanze in der Nähe der Probenhalterungsvorrichtung angeordnet ist.

12. Verbrennungsofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sauerstoffstrahl führenden Einrichtungen Einrichtungen zur Kanalisierung des Sauerstoffes auf das obere offene Ende der Lanze umfassen.

13. Verbrennungsofen nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Sauerstoffkanalisierungsvorrichtung aus einer abgedichteten Kammer, in welcher das obere offene Ende der Lanze angeordnet ist, und Einrichtungen für die Einführung des Sauerstoffes in die Kammer besteht, wobei der Sauerstoff die Kammer durch die Lanze verlassen muß.

14. Verbrennungsofen für die Verbrennung einer Probe in Bestandteilsgase, gekennzeichnet

durch eine ü-förmige Verbrennungsvorrichtung mit einer

im allgemeinen vertikal orientierten Verbrennungskammer, einer im allgemeinen vertikal orientierten Reaktionskammer und einem Verbrennungskammer und Reaktionskaittiner verbindenden Bogenteil zur Förderung der Bestandteilsgase von der Verbrennungskammer zur Reaktionskammer, durch einen in der Verbrennungskammer untergebrachten Tiegel und Einrichtungen zum Einfallenlassen einer zu analysierenden Probe in den Tiegel.

15. Ofen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß die Verbrennungsvorrichtung rohrförmig ist.

16. Ofen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

17. Verbrennungsofen nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Einrichtungen innerhalb der Verbrennungskammer zur Führung der Probe von der Probenabfallvorrichtung in den Tiegel.

18. Verbrennungsofen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß die Probenführungsvorrichtung aus einer im allgemeinen rohrförmigen Lanze mit oben offenem Ende zur Aufnahme der Probe vom Halterungsteil und einem unteren offenen Ende zur Abgabe der Probe in den Tiegel aufweist.

19. Verbrennungsofen nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Lanze einen Trichter am oberen Ende für die Führung der Probe in die Lanze aufweist.

20. Verbrennungsofen nach Anspruch 14, gekennz eichnet durch ein Reagenz innerhalb eines Reaktionsteiles des analytischen Ofens.

21. Verbrennungsofen nach Anspruch 20,

gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zurückhaltung des Reagenz innerhalb des Reaktionsteiles.

22. Ofen nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß die das Reagenz haltenden Einrichtungen aus Quarzwollestopfen auf den entgegengesetzten Seiten des Reagenz bestehen.

23. Verbrennungsofen nach Anspruch 20, dadurch
gekennzeichnet , daß das Reagenz
Kalziumdioxid ist.

24. Verbrennungsofen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Analyseofen Einrichtungen zur Aufrechterhaltung der Temperatur im
Verbrennungsteil bei annähernd 1000⁰C aufweist.

25. Verbrennungsofen nach Anspruch 14 oder 24, dadurch gekennzeichnet , daß der Analyseofen Einrichtungen zur Aufrechterhaltung der Temperatur im
Reaktionsteil bei annähernd 1000⁰C aufweist.

26. Verbrennungsofen nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet , daß der Verbrennungsteil und der Reaktionsteil beide im allgemeinen zylindrisch s ind.

27. System zur Analysierung einer Probe gekennzeichnet durch einen Ofen zur Verbrennung der Probe in Bestandteilsgase, Einrichtungenzur Sammlung und Abgleichung der Gase, Einrichtungen zum Abziehen einer vergleichsweise geringen Teilmenge der Gase von der
Sammel- und Abgleichsvorrichtung nach dem Abgleichen
der Gase und Einrichtungen zur Feststellung der Menge
eines der Bestandteilsgase innerhalb dieser Teilmenge»

28. System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilmenge 2 % oder weniger der Gase beträgt.

29. System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet , daß die Teilmenge annähernd 2/10 eines Prozentes der Gase beträgt.

30. System nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet , daß ein Gas Stickstoff ist.

31. System nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet , daß die Feststellvorrichtungen eine thermisch leitende Zelle sind.

32. System nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugsmittel Einrichtungen zum Dosieren der Teilmenge in einen Heliumträger sind.

33. System nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet , daß die Feststellmittel eine Kupferredutionskammer für die Reduzierung von Stickstoff/ Sauerstoffverbindungen in Elementarstickstoff umfassen.

34. System nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet , daß die Feststellmittel eine Askarit- und Anhydronkammer zur Absorption von Kohlendioxid bzw. Wasser umfassen.

35. System zur Analyse einer.Probe, bestehend aus einem Ofen zur Verbrennung der Probe in Bestandteilsgase; Einrichtungen zum Abgleich der Bestandteilsgase; erste Einrichtungen zur Förderung der Bestandteilsgase vom Ofen zur Abgleichsvorrichtung; zweite Einrichtungen zur Förderung der Bestandteilsgase von der Abgleichvorrichtung; erste und zweite Fördervorrichtungen einschließlich eines gemein-

samen Teiles, durch welche Bestandteilsgase hindurchströmen, wenn sie zu und von der Abgleichsvorrichtung geführt werden; Feststellvorrichtungen, die wirkungsmäßig mit dem gemeinsamen Teil verbunden sind zur Schaffung eines Signals entsprechend der Menge eines der Bestandteilsgase innerhalb dieses Teiles; und Steuervorrichtungen, die wirkungsmäßig mit der ersten Förderungsvorrichtung, mit der zweiten Förderungsvorrichtung und mit der Feststellvorrichtung verbunden sind zur Betätigung der ersten Förderungsvorrichtung während der Verbrennung der Probe im Ofen, bis das Signal unter einen Minimalwert fällt und damit anzeigt, daß die Probenverbrennung im wesentlichen vollständig ist, und zur Betätigung der zweiten Förderungsvorrichtung, nachdem die Gase im wesentlichen innerhalb der Ausgleichsvorrichtung abgeglichen sind, worauf das Signal die Menge des einen Gases in den abgeglichenen Gasen anzeigt.

36. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Fördervorrichtung erste Einrichtungen zum wahlweisen Abzweigen der Gase um die Feststellvorrichtung herum umfaßt.

37. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Bestandteilsgase Kohlendioxid ist.

38. System nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststellvorrichtung eine Infrarotzelle ist, die auf Kohlendioxid anspricht.

39. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeich net, daß eines der Bestandteilsgase Wasserdampf ist.

40. System nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet , daß die Feststellvorrichtung eine auf Wasserdampf ansprechende Infrarotzelle ist.

41. System nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuervorrichtung weitere Einrichtungen zur Schaffung einer Verweilperiode zwischen Abschaltung der ersten Vorrichtung und Betätigung der zweiten Fördervorrichtung zur Verbesserung des Abgleiche der Gase umfaßt.

42. System nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch eine zweite Feststellvorrichtung, die mit dem gemeinsamen Teil zur Schaffung eines zweiten auf die Menge eines zweiten der Bestandteilsgase innerhalb dieses gemeinsamen Teiles ansprechenden Signals angeschlossen ist, wobei die Steuervorrichtung ferner an diese Feststellvorrichtung angeschlossen ist und wobei die Steuervorrichtung die erste Vorrichtung zusätzlich betätigt, bis das zweite Signal unter einen zweiten Minimalparameter fällt; und wobei das zweite Signal die Menge des zweiten Gases in den abgeglichenen Gasen während der Betätigung der zweiten Fördervorrichtung anzeigt.

43. System nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem einen Gas um Kohlendioxid handelt oder daß dieses Gas Kohlendioxid enthält und daß das zweite Gas Wasserdampf ist oder Wasserdampf enthält.

44. System nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Feststellvorrichtung Infrarotzellen umfassen.

45. System nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Fördervorrichtung zweite Einrichtungen zum wahlweisen Vorbeiführen des abgeglichenen Gases an der Feststellvorrichtung umfaßt.

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