熱重分析儀的基本構成及其工作原理是什么？

1.儀器的基本構成

熱重分析儀主要由熱天平、爐體加熱系統(tǒng)、程序控溫系統(tǒng)、氣氛控制系統(tǒng)、稱重變換、放大、模/數(shù)轉換、數(shù)據(jù)實時采集和記錄等幾部分組成，通過計算機和相關軟件進行數(shù)據(jù)處理后打印出測試曲線和分析數(shù)據(jù)結果。儀器結構示意圖如圖27-3所示。

圖27-3熱重分析儀的基本結構框圖

(1)熱天平

熱天平的主要工作原理是把電路和天平結合起來。通過程序控溫儀使加熱電爐按一定的升溫速率升溫(或恒溫)，當被測試樣發(fā)生質量變化，光電傳感器能將質量變化轉化為直流電信號。此信號經(jīng)測重電子放大器放大并反饋至天平動圈，產生反向電磁力矩，驅使天平梁復位。反饋形成的電位差與質量變化成正比(即可轉變?yōu)闃悠返馁|量變化)。其變化信息通過記錄儀描繪出熱重分析(TGA)曲線，熱重分析曲線縱坐標表示質量損失(或失重率)，橫坐標表示溫度(或時間)。根據(jù)天平類型、爐子大小以及*測試溫度，熱天平的測量量程為1～5g不等，分辨率為0.1～1ug。

熱天平結構圖如圖27-4所示。電壓式微量熱天平采用的是差動變壓器法，即零位法。用光學方法測定天平梁的傾斜度，以此信號調整安裝在天平系統(tǒng)和磁場中線圈的電流，線圈轉動恢復天平梁的傾斜。另一解釋為：當被測物發(fā)生質量變化時，光傳感器能將質量變化轉化為直流電信號，此信號經(jīng)測重放大器放大后反饋至天平動圈，產生反向電磁力矩，驅使天平復位。反饋形成的電位差與質量變化成正比，即樣品的質量變化可轉變電壓信號。

圖27-4電壓式微量熱天平

平行導向天平能夠保證樣品的位置不會影響重量的測量，在熔融時如果樣品的位置改變，樣品重量不會發(fā)生變化。

圖27-5是三種不同的熱天平設計：上皿式、垂直懸浮式和平行式。日本島津公司TG-50型熱重分析儀采用上皿式、垂直懸浮式；梅特勒一托利多TGA/SD-TA851e采用平行式。

圖27-5 熱天平設計 箭頭表示裝樣時爐體運動方向

需要注意的是：①在天平和爐體間必須采取結構性措施以保護天平室內的天平免受熱輻射的影響和腐蝕性分解產物進入。多數(shù)情況下，用保護性氣體吹掃天平罩。②必須使用恒溫水浴槽(梅特勒-托利多熱天平是這樣)，通過對天平室進行恒溫，可以確保稱量信號有良好的重現(xiàn)性。

(2)加熱爐

爐體包括爐管、爐蓋、爐體加熱器和隔離護套(圖27-6)。爐體加熱器位于爐管表面的凹槽中。爐管的內徑根據(jù)爐子的類型而有所不同。TGA/SDTA851e的爐體為水平結構，由此可以減小氣流引起的擾動，*溫度可加熱到1100℃。高溫型的可到1600℃，甚至更高。

圖27-6爐體結構圖

1-氣體出口活塞，石英玻璃;2-前部護套，氧化鋁;3-壓縮彈簧，不銹鋼;4-后部護套，氧化鋁;5-爐蓋，氧化鋁;6-樣品盤，鉑/銠;7-爐溫傳感器，R型熱電偶;8-樣品溫度傳感器，R型熱電偶;9-冷卻循環(huán)連接夾套，鍍鎳黃銅;10-爐體法蘭冷卻連接，鍍鎳黃銅;11-爐休法蘭，加工過的鋁;12-轉向齒條，不銹鋼;13-收集盤，加工過的鋁;14-開啟樣品室的爐子馬達;15-真空和吹掃氣體入口，不銹鋼;16.保護性氣體入口，不銹鋼;17-用螺絲調節(jié)的夾子，鋁;18-冷卻夾套，加工過的鋁;19-反射管，鎳;20-隔離護套，氧化鋁;21-爐子加熱器，坎薩爾斯鉻鋁電熱絲Al通路;22-爐管，氧化鋁;23-反應性氣體導管，氧化鋁;24-樣品支架，氧化鋁;25-爐體天平室墊圈，氟橡膠;26-隔板、擋板，不銹鋼;27-爐子與天平室間的墊圈，硅橡膠;28-反應性氣體入口，不銹鋼;29-天平室，加工過的鋁

(3)程序控溫系統(tǒng)

爐子溫度增加的速率受溫度程序的控制，其程序控制器能夠在不同的溫度范圍內進行線性溫度控制，如果升溫速率是非線性的將會影響到TGA曲線。程序控制器的另一特點是，對于線性輸送電壓和周圍溫度變化必須是穩(wěn)定的，并能夠與不同類型的熱電偶相匹配。

當輸入測試條件之后(如從50℃開始，升至1000℃，升溫速率為20℃/min)，溫度控制系統(tǒng)會按照所設置的條件程序升溫，執(zhí)行發(fā)出的指令。溫度度，±0.25℃;溫度范圍，室溫～1100℃。這些控溫程序均由熱電偶傳感器(簡稱熱電偶)執(zhí)行，熱電偶為鉑金材料，分為樣品溫度熱電偶和爐子溫度熱電偶。樣品溫度熱電偶直接位于樣品盤的下方，這樣就保證了樣品離樣品溫度測量點比較近，溫度誤差小;爐子溫度熱電偶測量爐溫并控制爐子的電源，其位于爐管的表面。

(4)氣氛控制系統(tǒng)

梅特勒一托利多的氣氛控制系統(tǒng)分兩路，一路是反應氣體，經(jīng)由反應性氣體毛細管導入到樣品池附近，并隨樣品一起進入爐腔，使樣品的整個測試過程一直處于某種氣氛的保護中。至于通入什么氣體，要以樣品而定，有的樣品需要通入?yún)⑴c反應的氣體，而有的則需要不參加反應的惰性氣體；另一路是對天平的保護氣體，通入并對天平室內進行吹掃，防止樣品在加熱過程中發(fā)生化學反應時放出的腐蝕性氣體進入天平室，這樣既可以使天平得到很高的精度，也可以延長熱天平的使用壽命。

(5）自動進樣器

現(xiàn)在很多儀器商都開發(fā)出自動進樣的功能，在設置好測試條件的前提下按照指令執(zhí)行測試任務，使儀器連續(xù)24 h不間斷地工作，大大提高了工作效率。自動進樣器以梅特勒-托利多TGA/SDTA851e為例，能處理多達34個樣品，每種樣品都可用不同的方法和不同的坩堝，且一旦坩堝放的位置和設置的位置不一致或自動進樣器的蓋子沒蓋好，或儀器有異常情況發(fā)生，儀器工作界面馬上彈出一個窗口加以提示，并停止工作，直至糾正錯誤為止。圖27-7為自動進樣器的機械手。

自動進樣器可采取全自動進樣和半自動進樣，全自動進樣是天平連接到計算機，先把坩堝質量自動稱重，手動加入樣品后，儀器自動稱重后將樣品的質量數(shù)據(jù)送至記錄軟件，此方法適合測試質量范圍較寬的樣品。半自動進樣不是在儀器內進行，先用單獨的天平稱重，然后將坩堝放入自動進樣器，將質量數(shù)據(jù)手動輸入軟件日常工作窗口，這種方法可以人為控制樣品量的多少，如測含能材料和反應比較劇烈的樣品用此方法較好。

注：如果是揮發(fā)性很強的樣品，則不適宜用自動進樣排隊等待進行測試，*是稱好樣品后馬上測試。

2.工作原理

進行熱重測試時，試樣質量m經(jīng)稱重變換器變成與質量成正比的直流電壓，經(jīng)稱重放大器放大后，送到模/數(shù)轉換器，再送到計算機，計算機采集了質量轉變?yōu)殡妷旱男盘?，同時也采集了質量對時間的一次導數(shù)(也稱微分)信號以及溫度信號。然后對這三個信號進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)處理后的曲線由顯示器顯示，對此曲線進行數(shù)據(jù)分析并打印圖譜。