DE3301971C2

DE3301971C2 - Vorrichtung zur Verbrennung einer Probe in Bestandteilsgase

Info

Publication number: DE3301971C2
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: 1987-02-19
Also published as: GB8305976D0; DE3301971A1; DE3348027A1; US4525328A; GB8501471D0; GB2150691B; GB2150691A; GB2116320A; JPS58162864A

Abstract

Es wird ein Analysator insbesondere im Zusammenhang mit der Bestimmung des Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Stickstoffgehaltes eines organischen Materials beschrieben. Der Analysator enthält einen senkrecht orientierten, U-förmigen Ofen mit einer Verbrennungskammer, die einen Tiegel enthält, in welchem die Probe in die Bestandteilsgase verbrannt wird. Außerdem ist eine Reaktionskammer vorgesehen, die ein Reagenz aufweist, durch welche die Bestandteilsgase hindurchströmen müssen. Eine Lanze erstreckt sich in die Verbrennungskammer und dient zur Führung der Probe in den Tiegel und zur Einführung von Sauerstoff auf die in dem Tiegel verbrennende Probe. Der Analysator enthält ferner ein Abgleichgefäß und Einrichtungen zur Förderung der Bestandteilsgase zu diesem Gefäß und an CO ↓2- und H ↓2O-Infrarotzellen vorbei zur Feststellung der Verbrennungsprodukte. Ferner sind Einrichtungen zur Förderung der abgeglichenen Gase an den Infrarotzellen vorbei vorgesehen, um auf den Kohlenstoff und Wasserstoffgehalt bezügliche Werte zu erhalten. Eine Abzweigvorrichtung nimmt eine Teilmenge der abgeglichenen Gase in einem Stickstoffmeßapparat ab, um eine auf den Stickstoffgehalt bezügliche Ablesung zu erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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 Stickstoffgehaltes 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 abgewogenen 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 Stickstoffs in Ammoniumsalze, Zerlegung der Salze, Destillieren des sich ergebenden Ammoniaks und Titrieren des Ammoniaks.
Bereits entwickelte Analysatoren für die Analyse des Kohlenstoff- Wasserstoff- und Stickstoffgehaltes eines Materials sind mit einigen Nachteilen verbunden. Im Analysator wird normalerweise die Probe in Bestandteilsgase verbrannt und es werden dann die Gase zur Berechnung des Elementargehaltes analysiert. Normalerweise setzen diese Vorrichtungen jedoch voraus, daß das gesamte während der Verbrennung erzeugte Gasvolumen reduziert wird, um Stickoxide vor der Stickstoffmessung mit einer thermischen Leitfähigkeitszelle auszuscheiden. Der gesamte Kohlendioxid- und Wasserdampfanteil 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.
Bekannte 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.
Eine bekannte Vorrichtung zur Verbrennung einer Probe in Bestandteilsgase (DE-OS 19 12 526) enthält einen Behälter zur Aufnahme einer Probe der von einem Heizwiderstand umgeben ist und den Analyseofen bildet. Die Eingabe der Probe in den Behälter erfolgt über ein Rohr. Über ein zusätzliches Rohr erfolgt die Zufuhr des Sauerstoffes zwecks Verbrennung des Probenmaterials. Dadurch, daß die Probe unmittelbar in die durch den Behälter gebildete Ofenkammer geworfen wird, bedarf es bei der bekannten Vorrichtung großer Mengen von Sauerstoff, um für die für die vollständige Verbrennung der Probe innerhalb der Ofenkammer erforderliche Flutung der Kammer mit Sauerstoff zu sorgen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung ist darin zu sehen, daß bei einer Verschmutzung des das Probenmaterial aufnehmenden Bauteils die gesamte Ofenkammer ausgetauscht werden muß, was jedoch mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden ist.
Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine einfach und kompakt aufgebaute sowie leicht handhabbare Vorrichtung zu schaffen, welche eine gute und gesteuerte Probenverbrennung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Probenmaterial nicht lediglich in die Ofenkammer eingeworfen wird, sondern in einen in der Ofenkammer angeordneten Tiegel, was u. a. den Vorteil besitzt, daß der Tiegel unmittelbar der Größe der zu analysierenden Probe angepaßt werden kann, ohne daß hierüber die Konstruktion der Ofenkammer beeinflußt würde. Bei eine Verunreinigung des Tiegels bedarf es lediglich des Austausches dieses Tiegels gegenüber einem neuen Tiegel, ohne daß der Ausbau der Ofenkammer aus der Heizeinrichtung vorgenommen werden muß. Da das Einwerfen der Probe und die Zufuhr von Sauerstoff für die Verbrennung des Probenmaterials über ein und dasselbe Rohr erfolgt, vereinfacht sich die Konstruktion. Mit dieser Maßnahme ist aber auch noch ein weiterer Vorteil verbunden. Da nämlich das Rohr zum Tiegel führt, kann zum einen die Probe sicher in den Tiegel eingeworfen werden, ohne etwa am Randwulst hängen zu bleiben, und kann andererseits der Sauerstoff während der Verbrennung unmittelbar auf die Probe gerichtet werden, so daß nicht die gesamte Ofenkammer geflutet werden muß. Daraus resultiert nicht nur eine Einsparung des für die Verbrennung des Probenmaterials zuzuführenden Sauerstoffs, sondern es ergibt sich auch eine verbesserte Probenverbrennung aufgrund des unmittelbar auf das Probenmaterial gerichteten Sauerstoffs. Ferner läßt sich hierdurch die Verbrennung sehr gut steuern, je nachdem, wieviel Sauerstoff der Probe zugeführt werden kann. Demgegenüber ist die Steuerung bei der bekannten Vorrichtung aufgrund der gegenüber dem Tiegel vergleichsweise größeren Ofenkammer träger.
Zwar ist es bekannt, einen Probentiegel innerhalb einer Ofenkammer anzuordnen (US-PS 39 23 464), jedoch wird hierbei ein eigener Hubmechanismus für den Tiegel verwendet, so daß nach Eingabe der Probe in den Tiegel dieser aufgrund des Hubmechanismus in die Ofenkammer verfahren werden kann. Ferner sind drei Zuführrohre erforderlich, um Trägergas und Sauerstoff in die Ofenkammer zu führen und die Abgase aus der Ofenkammer abzuleiten.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Vorrichtung sind durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale gekennzeichnet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Analyseofen,
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild der Computersteuerung der Vorrichtung und
Fig. 4 einen Teilschnitt durch das Sammelgefäß.
Eine Kohlenstoff-Wasserstoff- und Stickstoffanalysatorvorrichtung ist in der Zeichnung allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Wie man aus Fig. 1 erkennt, umfaßt die Vorrichtung 10 einen Analyseofen 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 zur 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 Analyseofens 12 im einzelnen wiedergegeben. Man erkennt, daß der Ofen ein vertikal orientiertes, U-Form aufweisendes Verbrennungsrohr 26 enthält, das eine im allgemeinen vertikal orientierte Ofenkammer 28, eine im allgemeinen vertikal orientierte Reaktionskammer 30 und einen Bogenteil 32 aufweist, welcher Verbrennungsteil und Reaktionsteil miteinander verbindet. Das Verbrennungsrohr 26 weist einen kreisförmigen Querschnitt und ein Gesamtvolumen von annähernd 400 ccm auf. Die Widerstandsheizvorrichtung 34 ist eine bekannte Vorrichtung und umgibt die Ofenkammer 28. Sie kann eine Temperatur von annähernd 1000°C in der Ofenkammer aufrechterhalten.
Auch bei der Widerstandsheizvorrichtung 36 handelt es sich um eine bekannte Vorrichtung, die die Reaktionskammer 30 umgibt und eine Temperatur von annähernd 1000°C 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 Ofenkammer 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 Ofenkammer 28 unmittelbar oberhalb des Bogenteils 32 befestigt ist. Der Träger 40 ist im allgemeinen porös, so daß die Gase zwischen Ofenkammer 28 und Bogenteil 32 frei hindurchstreichen können. Der Tiegel 42 ruht auf dem Träger 40 und ist ein 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 Ofenkammer 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 dargestellten 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.
Der Beschickungskopf 14 ist auf einer Platte 56 montiert und am oberen Ende 58 der Ofenkammer 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 mittels 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 74 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.
Ein Einführrohr 86 enthält einen Kopfblock 88&min;, der in der Bohrung 73 befestigt ist und eine Trichterbohrung 90 begrenzt, und ein Rohr 92 mit einem oberen offenen Ende 94, das im Kopfblock 88 verankert ist und mit der Trichterbohrung 90 in Verbindung steht, sowie mit einem unteren offenen Ende 96 in der Nähe des Tiegels 42. Das Rohr 92 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Trichterbohrung 90 ist axial mit sowohl der Kammer 80 als auch dem Rohr 92 ausgefluchtet, so daß eine von den Backen 83 freigegebene Probe aus der Kammer 80 durch die Trichterbohrung 90 und in das Einführrohr 86 fällt, von wo es in den Tiegel 42 geführt wird. Ein ringförmiger Wulst 98 erstreckt sich nach außen vom Rohr 92, um das untere Ende 96 im allgemeinen konzentrisch in der Ofenkammer 28 auszurichten. Das obere Ende 94 des Rohres 92 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 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 das Einführrohr 86 austreten und wird damit in den Tiegel 42 gerichtet.
Ein Kopfblock 103 ist auf der Platte 56 durch Schrauben 104 befestigt und am oberen Ende 60 der Reaktionskammer 30 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 108 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 118 a, 118b und 118 c, die parallel zueinander jeweils in Reihe mit einer Drossel 122 a, 122 b bzw. 122 c geschaltet sind. Jede Drossel 122 erlaubt den Durchstrom eines unterschiedlichen Sauerstoffvolumens und im bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Strömung von 0,6 l pro Minute bzw. 5 l pro Minute mit 2,8 bar. Alle Drosseln 122 führen in die Leitung 100, welche, wie oben angedeutet, zur Kammer 80 im Kopf 14 führt (vgl. auch Fig. 2).
Ein H₂O-Detektor 16 (Fig. 1) spricht auf die Menge durchströmenden Wasserdampf an und produziert ein für diese Menge charakteristisches Signal. In ähnlicher Weise spricht ein CO₂-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 H₂O-Zelle 16 (vgl. auch Fig. 2). Die Leitung 124 führt unmittelbar von der H₂O-Zelle 16 zur CO₂-Zelle 18. Schließlich führt die Leitung 126 von der CO₂-Zelle 18 zum Sammelgefäß 20. Eine Bypaßleitung 128 führt unmittelbar von der Leitung 116 zu 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 16 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 Sammelgefäß 20 (Fig. 4) enthält einen Zylinder 140 und einen darin verschiebbaren Kolben 142. Zwischen Kolben 142 und Zylinder 140 sind O-Ringe 143 a und 143 b 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 ccm. 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 Druckstickstoffquelle, in bekannter Weise lösbar angeschlossen. Infolgedessen 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 ccm 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 vom 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 annähernd 750°C. Auch die Kammer 158 ist eine bekannte Kammer und enthält CO₂-absorbierendes Askarit und H₂O-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 die Analysevorrichtung 10 erfolgt durch einen Computer 24 (Fig. 3) der wirkungsmäßig an den Beschickungskopf 14, die H₂O-Zelle 16, die CO₂-Zelle 18, den Geber 150, 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 der 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:
Die Analysevorrichtung 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 1000°C sowohl in der Verbrennungskammer 28 als auch in der Reaktionskammer 30 des Verbrennungsrohres 26 entstehen. Das Kupfer innerhalb der Kammer 156 wird auf annähernd 750°C 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 82 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, 126 und 128 werden gereinigt durch Schließen des Ventils 138, Öffnen 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 170 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 das Einführrohr 86 fallenzulassen oder durch Schwerkraft zuzuführen. Die freigegebene Probe fällt zuerst in die Trichterbohrung 90, von wo sie in das Rohr 92 geführt wird. Die Probe fällt dann durch die ganze Länge des Rohrs 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 Ofenkammer 28 gegen die Umgebungsluft abdichtet. Infolgedessen können die Gase die Verbrennungskammer 28 nur durch das 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 vorgegebenem 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 das Einführrohr 86 strömen, da der Rest der Kammer 80 abgedichtet ist. Infolgedessen wird der Sauerstoff nach unten durch das Einführrohr 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 durch 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 130 geschlossen und das Ventil 132 geöffnet, so daß die Bestandteilsgase 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 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 118 b und 118 c 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 Abgleichsverzögerungsperiode 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 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 Bestandteilsgasen. Dann wird das Ventil 130 geschlossen und das Ventil 132 geöffnet, so daß die Abgase um die Detektoren herumgeleitet werden, um die Detektoren vergleichsweise sauberzuhalten. 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

1. Vorrichtung zur Verbrennung einer Probe in Bestandteilsgase, mit einem Analyseofen enthaltend eine Ofenkammer zur Aufnahme einer Probe, die über ein Einführrohr in die Ofenkammer einwerfbar ist, und mit einer Leitung zur Zuführung von Sauerstoff zur Ofenkammer, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ofenkammer (28) ein die Probe aufnehmender Tiegel (46) angeordnet ist, zu dessen Öffnung das Einführrohr (86) führt, welches zugleich die Leitung für die Zufuhr von Sauerstoff bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Einführrohres (86) unter einer Probeneinführöffnung angeordnet ist und daß das untere Ende des Einführrohres (86) in der Nähe des Tiegels (42) sitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Einführrohr (86) über den vollen Abstand zwischen der Probeneinführöffnung und dem Tiegel (42) erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff dem Einführrohr (86) über eine abgedichtete Kammer (80), in welcher das obere Ende des Einführrohrs (86) angeordnet ist, zugeführt wird, so daß der Sauerstoff die Kammer (80) nur durch das Einführrohr (86) verlassen kann.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch lösbare Halterung des Tiegels (42) in der Ofenkammer (28).

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenkammer (28) durch einen vertikal gerichteten Schenkel des U-förmigen Analyseofens gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Analyseofen rohrförmig ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenzeichnet, daß die Ofenkammer (28) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.