专利名称：一种常压下型煤炭化过程质量体积测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种质量/体积测量仪，具体的说是一种在常压下对型煤炭化过程中质量与体积测量的装置。
背景技术：
物质受热时发生相变、分解、膨胀或收缩等反应或变化。热分析是在一定程序控制下，测定一种单质或混合物的物理和化学性质随温度或时间的变化规律的一种测量手段，包括热形变分析，差热分析(TDA)，差示扫描量热测定(DSC)，热重分析(TG)，同时热分析(STA)，热机械分析(TMA)，动态力学分析(DMA)等方法。其中热重分析是在控温程序下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，热形变分析是对物体发生的伸长、缩短、弯曲等变化进行测量的技术手段。通常的热重分析设备只能获得样品的热重分析曲线(TG、DTG)，而不能获取反应过程中的体积变化情况，并且目前通常使用的微量热重仪的测量范围大多在Ο-lOOmg，最大称量范围为20 g。若要获取型煤的热重分析曲线，只能将其粉碎，取少量试样进行测量，不能真实代表体积在IOOmmX IOOmmX IOOmm以下的大尺寸型煤性能；通常的体积测量装置只具备测量物料在反应中的尺寸变化这一单一功能。目前国内外尚未公开报道过大尺寸物料在加热过程中的质量和体积改变时同步测量装置，远不能满足科学技术发展的需求。公告号为CN2844896Y的一种“大试样耐火材料高温热重分析仪”,包括真空气氛炉和质量测量系统，其质量测量系统包括质量传感器、耐高温吊篮、炼油耐热丝、耐高温连接杆及耐高温吊篮底板。在实施动态测定试样时，升温过程中的质量-温度关系，或某一温度下的质量-时间关系，质量测量范围为20-5000g，分辨率为0.Ι-lOOmg，测温范围为25°C到1700°C。该分析仪结构复杂，故障率高，只适用于耐火材料，并且只能单纯测量物料在加热过程中的质量损失，不能同时对物料的体积的变化进行测量。公开号为CN101382478A的一种“用微波加热试样的热重分析方法及装置”，包括微波加热炉，质量测定系统，温度测定系统和气氛调节系统四部分。微波输入功率为定值或与温度测定系统联动。质量测定系统实时监测试样的质量变化，质量测量范围为0-300g，分辨率为0.0lgo温度测定系统使用红外温度计和热电偶，测温范围为0-1300°C，测量精度为1°C。加热气氛可以是空气气氛、惰性气氛、氧化性气氛或还原性气氛，该发明可以获得多种试样在不同加热气氛下微波加热过程中的质量-时间或质量-温度关系。该仪器只能单纯的测量物料在加热过程中的质量损失，不能同时对物料的体积的变化进行测量，虽然与传统热重分析仪相比增加了质量测量范围，但仍无法满足型煤测量过程中对科学研究的要求。公开号为CN1609603A的“一种化学纤维热收缩率的图像测试方法及其测试装置”，属于纺织测量仪器领域。该测试方法采用CCD摄像头用图像法一次对挂在试样圆筒架上的各根单纤维试样进行加热前后长度变化的测量，并通过计算机计算纤维热收缩率。该测试装置由步进电机、转盘、定位稍、试样圆筒、升降装置、计量校准块、弹簧夹式夹持器、托持圆环、CXD摄像头、脉冲分配器、箱体、计算机、显示器、打印机共同组成。该测量仪适用于纺织行业化学纤维收缩率的测定。公告号为CN2893698Y的“一种可视差热分析仪”，由体式显微镜、差热分析仪和可精密调节的X-Y调整平台组成；差热分析仪设置观察窗口，与体式显微镜对应。分析仪结合了体式显微镜和差热分析仪的两种功能，可在获得样品差热分析数据的同时，连续观察样品形貌的动态变化。该热分析仪可同时对物料加热过程中质量和体积变化进行测量，但其测量对象仅限于小试样物料，并且在加热过程中需随样品尺寸的变化调节镜头焦距以看清图像，误差较大，此外，型煤加热过程有焦油产生，焦油冷却于镜头以致无法看清图像。基于上述现有技术，需要研制开发一种大尺寸物料热收缩-失重一体化测量仪，同时测定型煤炭化过程中质量和体积的变化，为考察型煤炭化收缩特性提供更为详尽的理化分析数据。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种能够动态测量质量与体积较大试样在炭化过程中，恒定温度或一定升温速率下质量-时间变化关系和体积-时间变化关系的测量装置。实现上述目的，本发明所采取的措施是一种常压下型煤炭化过程质量体积测量装置的技术方案，其含有炉体、体积测量单元、质量测量单元、信号处理单元、液封单元、温度传感器、进排气导管；其特征是:在炉体的内轴线上部设置有体积测量单元、下部设置有质量测量单元，并分别延伸至炉体的上下端面外；温度传感器、进气导管和排气导管位于炉体的顶端，并延伸至炭化过程加热室内，液封单元分别位于炉体的上下端面轴线上，信号处理单元设置于炉体外侧，并通过导线与体积测量单元、质量测量单元和温度传感器相连接；
所述炉体是其中央设置有炭化过程加热室，相应于炭化过程加热室的炉体上设置有炉
门；
所述体积测量单元是其体积测量位移杆的底端固定连接有水平压板、顶端垂直连接有体积测量光源杆，体积测量光源杆端口设置有光源，并与光敏传感器对应；
所述质量测量单元是其质量测量杆的上端固定连接有水平托盘及其上放置的型煤炭化过程干馏釜；下端设置有相应的质量传感器，并导线连接有信号处理单元；
所述液封单元是其上液封槽环绕于体积测量位移杆周围，其外壁垂直密封固定连接于炉体的顶端面，内壁与外壁平行并与体积测量位移杆相分离；上液封挡板水平面半径大小介于上液封槽内外径之间，并密封连接于体积测量位移杆上,侧面介于上液封槽内壁和外壁之间并平行设置；
下液封槽环绕于质量测量杆周围，其外壁垂直密封固定连接于炉体底端面，内壁平行并低于外壁，并与质量测量杆相分离；下液封挡板水平面半径大小介于下液封槽内外径之间，并密封连接于质量测量杆上，侧面介于下液封槽内壁和外壁之间并平行设置；
所述信号处理单元是其设置有温度测控程序、质量测控程序、体积测控程序和时间记录程序，以及显示和控制面板。进一步地，附加技术特征如下:
所述炭化过程加热室的体积与型煤的体积比是50:1 30:1。
所述炭化过程加热室的加热温度是O 1000°C ;加热方式是通过两侧设置的硅碳棒进行加热。所述炭化过程加热室的干馏反应过程通入的气体是惰性气体或是还原性气体。所述型煤炭化过程干馏釜是水平设置，且型煤炭化过程干馏釜的上端面大于体积测量压杆水平压板的端面。所述型煤是褐煤、烟煤或无烟煤制成的型煤。所述体积测量位移杆和质量测量杆是耐高温轻质杆，体积测量位移杆随型煤体积变化而发生位移变化。所述质量传感器的称量范围是O 25kg，灵敏度为0.lg。所述温度传感器在线测量温度是O 1000°C，灵敏度为1°C。所述光敏传感器的感应距离为彡200mm，灵敏度为1mm。本发明上述技术方案弥补了现有技术的不足，能够在线动态测量型煤质量和体积较大试样在炭化过程中，恒定温度或一定升温速率下质量-时间变化关系与体积-时间变化关系的测量。与现有技术相比，本装置将加热单元、质量测量单元、体积测量单元与控温单元有机结合起来，实现了型煤在炭化过程中的质量与体积的动态同步测量，满足了现代科学研究的需求。而且本发明装置结构简单，操作方便，测量范围大，测量精度高，满足了大尺寸型煤的质量体积在不同气氛中对型煤的测试，为研究型煤炭化收缩特性提供了更为详尽的理化分析数据。
图1是本发明在 常压下型煤炭化过程质量体积测量装置的结构示意图。图2是本发明体积测量位移杆、温度传感器、进气导管和排气导管位置结构示意图。图3是本发明体积测量单元结构示意图。图4是本发明质量测量单元结构示意图。图5是本发明上液封单元结构示意图。图6是本发明下液封单元结构示意图。图中:1:质量传感器；2:质量测量杆支座；3:下液封槽；4:下液封挡板；5:水平压板；6:体积测量位移杆；7:炉体；8:上液封槽；9:上液封挡板；10:进气导管；11:温度传感器；12:排气导管；13:体积测量光源杆；14:光源；15:光敏传感器；16:质量显不器；17:温度显示器；18:时间显示器；19:升温速率显示器；20:位移显示器；21:换挡旋钮；22:增加旋钮；23:减小旋钮；24:开始程序按钮；25:硅碳棒；26:炉门；27:炭化过程加热室；28:型煤质量测量杆；29:型煤炭化过程干馏釜；30:托盘；31:质量测量杆。
具体实施例方式下面举例说明本发明的技术方案，使本领域的技术人员能够实现为准，同时本具体实施方式
也能够达到本发明所述效果。实施本发明所提供的一种常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，由附图1所述，包括炉体7、体积测量单元、质量测量单元、液封单元、信号处理单元、温度传感器11、进气导管10、排气导管12 ;其构成是在炉体7内轴线上部设置有体积测量单元、下部设置有质量测量单元，并分别延伸至炉体7的上下端外；温度传感器11、进气导管10和排气导管12位于炉体顶端并延伸至炭化过程加热室27内，液封单元分别位于炉体7的上下端面轴线上，信号处理单元设置于炉体7外侧，通过导线与体积测量单元、质量测量单元和温度传感器11相连接，质量传感器11的称量范围为0-25kg，灵敏度为0.lg。其中，炉体7的中央设置有炭化过程加热室27，在炭化过程加热室27外部的炉体7上设置有炉门26，所述炭化过程加热室27的体积与型煤28的体积比设计为50:1与30:1之间，以保证足够空间进行反应和安装其他元件。由附图3所述，体积测量单元的体积测量位移杆6的底端固定连接有水平压板5、顶端垂直连接有体积测量光源杆13，体积测量光源杆13的端口设置有光源14，并与光敏传感器15对应，当放置在型煤炭化过程干馏釜29内的型煤28高度发生变化时，体积测量位移杆6高度位置发生变化，与其相连的体积测量光源杆13上的光源14发出的光线的高度也随之发生变化，进而光敏传感器15将信号通过接线端子外传至信号处理装置，从而测量型煤28的动态体积变化值，光敏传感器15的感应距离为200mm，灵敏度为1mm。由附图4所述，质量测量单元的质量测量杆31的上端固定连接有水平托盘30及其上放置的型煤炭化过程干馏釜29 ;下端设置有相应的质量传感器1，当放置在型煤炭化过程干馏釜29内的型煤28质量发生变化时，质量传感器I将信号通过接线端子外传至信号处理装置，从而测得型煤28的动态质量变化值。液封单元是上液封槽8环绕于体积测量位移杆6周围，其外壁垂直密封固定于炉体7顶端面，内壁与外壁平行并与体积测量位移杆6相分离；上液封挡板9水平面半径大小介于上液封槽8内外径之间，并密封连接于体积测量位移杆13上,侧面介于上液封槽8内壁和外壁之间并平行设置；下液封槽3环绕于质量测量杆31周围，其外壁垂直密封固定于炉体7底端面，内壁平行并低于外壁，并与质量测量杆31相分离；下液封挡板4水平面半径大小介于下液封槽3内外径之间，并密封连接于质量测量杆31上，侧面介于下液封槽3内壁和外壁之间并平行设置。由附图5和附图6所述，上液封槽8和下液封槽3与相应的上液封挡板9和下液封挡板4组合进行液封，使得外部气体不会进入炉体内部。同时，进气导管10通过橡皮管与不同的气瓶连接，向炉体7内部连续不断地通入不同气体，用于满足不同的反应气氛要求；排气导管12将反应产生烟气排出，使得炭化过程加热室27内始终处于常压状态。由附图2所述，体积测量位移杆6、温度传感器1、进气导管10和排气导管12的相对位置关系，四者互相平行分布在炉体7的轴线上。所述信号处理单元是其设置有温度测控程序、质量测控程序、体积测控程序和时间记录程序，以及显示和控制面板。其显示和控制面板有五个显示器和三个调节旋钮，分别为时间显不器18、温度显不器17、升温速率显不器19、位移显不器20和质量显不器16,以及换挡旋钮21、调大旋钮22和调小旋钮23。在测量时，将型煤28放在水平设置的型煤炭化过程干馏釜29中并置于托盘30上，型煤炭化过程干馏釜29上端面大于体积测量压杆水平压板5的端面，再将水平压板5的端面放在型煤28上，调整体积测量光源杆13，使得光源14发出光线保持水平。
本装置在更换不同的质量传感器1、温度传感器11和光敏传感器15，用以改变测量单元的称量范围；更换不同的大小的型煤炭化过程干馏釜29，用于满足不同质量和不同体积型煤28的需要。本装置在炭化过程中，型煤炭化过程干馏釜29置于炭化过程加热室27均温区内，炭化过程加热室27内的加热方式为硅碳棒通电加热，炭化过程加热室内温度最高可达1500°C，均温区温差在±3°C，温度传感器I在线测量试样的温度范围为0-1000°C，灵敏度为 I。。。下面通过具体实施例进一步详细描述本发明提出的两种常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，本专业的普通技术人员在阅读了本发明的具体实施例后，能够理解和实施本发明，而本具体实施是对本发明的详细说明，并不对本发明做出任何限制。实施例1
测定恒温状态下型煤质量体积变化关系
常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其炉体7内部为耐火砖，外部为金属外壳。炭化过程加热室27体积为20cmX60cmX30cm。用设置于炭化过程加热室27两侧的竖直放置的各六根硅碳棒25进行加热，加热功率设定为与温度测控系统联动；由质量传感器16在线测量型煤28质量，其称量范围为0-25kg，灵敏度为0.1g ;由温度传感器11在线测量试样温度，测温范围为0-100(TC，灵敏度为1°C ;用光敏传感器15在线测量试样位移变化，测试距离为200mm，灵敏度为1mm。进气导管10和排气导管12均为一直角弯管，水平长度为15cm,竖直长度为25cm，进气导管10通过橡皮管与氮气气瓶相连通。质量测量杆31、体积测量位移杆6及其水平压板5为刚玉材质。将液封槽8、3中注入其2/3体积的水进行密封。将晋城无烟煤粉碎成20目，与水和粘结剂混合后制成体积为IOcmX IOcmX IOcm的型煤块，放置在体积为15cmX 15cmX 15cm的铁质型煤炭化过程干馏釜29中待测用。接通信号处理装置电源开关，显示和控制面板均显示为0，用换挡旋钮21将光标调至温度显示器，输入650，点击开始程序按钮24，此时炭化过程27开始加热，时间显示器18开始记录数据，待温度上升至650°C后，打开炉门26，将装有型煤28的型煤炭化过程干馏釜29放置于托盘30上，调节体积测量位移杆6与型煤28相接触，并使得光源14发出光线与光敏传感器15线面垂直；记录此时时间显示器18时间，每隔30s记下质量显示器16和位移显示器20的数据，至其示数不变后停止记录。用测量仪所得质量和体积随时间变化数据如下:
权利要求
1.一种常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其含有炉体、体积测量单元、质量测量单元、信号处理单元、液封单元、温度传感器、进排气导管；其特征是:在炉体(7)的内轴线上部设置有体积测量单元、下部设置有质量测量单元，并分别延伸至炉体(7)的上下端面外；温度传感器(11)、进气导管(10)和排气导管(12)位于炉体(7)的顶端，并延伸至炭化过程加热室(27)内，液封单元分别位于炉体(7)的上下端面轴线上，信号处理单元设置于炉体(7)外侧，并通过导线与体积测量单元、质量测量单元和温度传感器(11)相连接； 所述炉体(7 )是其中央设置有炭化过程加热室(27 )，相应于炭化过程加热室(27 )的炉体(7)上设置有炉门(26)； 所述体积测量单元是其体积测量位移杆(6)的底端固定连接有水平压板(5)、顶端垂直连接有体积测量光源杆(13)，体积测量光源杆(13)端口设置有光源(14)，并与光敏传感器(15)对应； 所述质量测量单元是其质量测量杆(31)的上端固定连接有水平托盘(30)及其上放置的型煤炭化过程干馏釜(2 9);下端设置有相应的质量传感器(31)，并导线连接有信号处理单元； 所述液封单元是其上液封槽(8)环绕于体积测量位移杆(6)周围，其外壁垂直密封固定连接于炉体(7)的顶端面，内壁与外壁平行并与体积测量位移杆(6)相分离；上液封挡板(9)水平面半径大小介于上液封槽(8)内外径之间，并密封连接于体积测量位移杆(6)上，侧面介于上液封槽(8)内壁和外壁之间并平行设置； 下液封槽(3 )环绕于质量测量杆(31)周围，其外壁垂直密封固定连接于炉体(7 )底端面，内壁平行并低于外壁，并与质量测量杆(31)相分离；下液封挡板(4)水平面半径大小介于下液封槽(3)内外径之间，并密封连接于质量测量杆(31)上，侧面介于下液封槽(3)内壁和外壁之间并平行设置； 所述信号处理单元是其设置有温度测控程序、质量测控程序、体积测控程序和时间记录程序，以及显示和控制面板。
2.如权利要求1所述的常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其所述炭化过程加热室(27)的体积与型煤(28)的体积比是50:1 30:1。
3.如权利要求1所述的常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其所述炭化过程加热室(27)的加热温度是O 1000°C ;加热方式是通过两侧设置的硅碳棒(25)进行加热。
4.如权利要求1所述的常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其所述炭化过程加热室(27)的干馏反应过程通入的气体是惰性气体或是还原性气体。
5.如权利要求1所述的常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其所述型煤炭化过程干馏釜(29)是水平设置，且型煤炭化过程干馏釜(29)的上端面大于体积测量压杆水平压板(5)的端面。
6.如权利要求1所述的常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其所述型煤(28)是褐煤、烟煤或无烟煤制成的型煤。
7.如权利要求1所述的常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其所述体积测量位移杆(6)和质量测量杆(31)是耐高温轻质杆，体积测量位移杆(6)随型煤体积变化而发生位移变化。
8.如权利要求1所述的常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其所述质量传感器(1)的称量范围是0 25kg，灵敏度为0.lg。
9.如权利要求1所述的常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其所述温度传感器(11)在线测量温度是0 1000°C，灵敏度为1°C。
10.如权利要求1所述的常压下型煤炭化过程质量体积测量装置，其所述光敏传感器(15)的感应距离为≤200mm，灵敏度为1mm。
全文摘要
一种常压下型煤炭化过程质量体积测量装置是炉体内轴线上部设置有体积测量单元、下部设置有质量测量单元，并分别延伸至炉体的上下端外；温度传感器、进气导管和排气导管位于炉体顶端，并延伸至炭化过程加热室内；液封单元分别位于炉体的上下端面轴线上；信号处理单元设置于炉体外侧，通过导线与体积测量单元、质量测量单元和温度传感器相连接。本发明将加热单元、质量测量单元、体积测量单元与控温单元有机结合起来，实现了型煤炭化过程中在不同气氛下，质量和体积的动态同步测量，满足了科学研究的需求，而且结构简单，测量范围大，精度高。
文档编号G01D21/02GK103148892SQ201310039820
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者王琪, 张永发, 丁光月, 徐英, 赵钰琼 申请人:太原理工大学