一种基于高频加热的可控快速升温热天平

1.本发明属于高频加热实验设备领域，具体涉及一种基于高频加热的可控快速升温热天平。


背景技术：

2.为研究高温、高升温速率下的煤、生物质、橡塑材料以及其他固体废弃物等有机固体材料的快速燃烧、热解和气化等热化学反应的机理，并且掌握其在接近热反应工况条件下的物理化学过程、性质变化规律，具有非常重要的意义。
3.目前来看，对有机固体材料热化学利用方式的机理研究主要采用商业热重分析仪器。然而常规的热重分析仪的升温速率一般只有1～80℃/min，远远达不到实际应用场景的升温速率，在流化床、回转窑等实际设备中，由于有热载体的存在，物料直接接触热载体被快速加热，因此许多热重分析实验数据不够准确甚至偏差很大，因此，如何在颗粒升温速率接近实际热反应工况的条件下，准确获得物料的温度、质量变化，从而获得准确的热反应动力学参数，成为了这类研究的要解决的一大难题。
4.近年来，随着人们的不断改良优化，在研究、开发新的升温热天平方面也取得了很大的进展，出现了各种类型的升温热天平。公开号为cn101799242a的发明专利“一种可控快速升温热天平反应炉”，采用两段式加热，最高升温速率为102℃/s，但远低于实际工况中的升温速率，且升温历程无法实现线性可控。公开号为cn200972442y的发明专利“高温热天平”，采用管式电阻炉与电子天平结合，利用管式电阻炉对物料进行加热。这种加热方式决定了该装置加热速率低，消耗成本较大。公开号为cn102564887a的发明专利“一种可控高升温速率热天平”，采用无线供电对夹持在双层金属线网间的物料进行加热，虽然能够达到实际应用所需的升温速率，但信噪比较低，天平能够加载的物料较少、加热成本高，操作冗杂。


技术实现要素：

5.为了大幅度提高升温速率，同时增加能效转换效率，并提高信噪比，确保实验数据的准确性，本发明提供一种基于高频加热的可控高升温速率热天平，可在接近实际工况的升温速率条件下，利用很低的加热成本，获得各种固体样品质量变化和颗粒温度历程，从而获得所需的热反应动力学参数，为深入了解各种固体样品的热化学反应过程提供重要的依据和参考。
6.一种基于高频加热的可控快速升温热天平，所述的可控快速升温热天平包括高灵敏微差天平1、载样悬臂梁2、固定支座3、高频感应加热线圈4、高频加热机和高灵敏红外测温装置6；
7.所述的载样悬臂梁2为金属材质，需要加热的物料能够放置于载样悬臂梁2上；载样悬臂梁2一端固定于固定支座3上，另一端非接触式插入高频感应加热线圈4；高频加热机与交流电源相连，高频感应加热线圈4与高频加热机相连接，在高频加热机电磁波的辐射下，通过非导电物质分子反复极化振动和摩擦发热使得载样悬臂梁2快速升温，从而对物料
进行快速加热；
8.所述的高灵敏微差天平1用于质量采集；固定支座3水平放置于高灵敏微差天平1上，物料的质量变化引起天平读数的变化；天平读数转化成电信号，将信号传入计算机中进行存储、显示。
9.高灵敏红外测温装置6用于实时监测、采集物料的温度，所测温度通过将信号传入计算机自动存储、监测，通过调节高频加热机的输入功率对温度进行控制。
10.进一步的，载样悬臂梁2可以采用不锈钢、铜、铁、铝等金属，在高频加热的情况下，电阻越大的金属，升温越快，因此本装置采用不锈钢材质的载样悬臂梁2。
11.进一步的，所述的高灵敏微差天平1的精度应小于0.01mg。
12.进一步的，所述的高灵敏红外测温装置6的测量精度应小于
±
0.3％，响应时间不超过1ms。
13.进一步的，高频加热机的功率应不低于45kw。
14.进一步的，所述的可控快速升温热天平还包括进气孔7、排气孔8和密封罩9；所述的密封罩9用于为可控快速升温热天平提供密闭空间，密封罩9上设置进气孔7和排气孔8，通过进气孔7向密封罩9内通入气体，由排气孔8排出，能够实现不同气氛条件下的实验。
15.本发明的有益效果在于：
16.(1)反应装置升温速率高、范围广，升温速率最大可达1000℃/s。最高升温速率接近样品与热载体接触后的升温速率，使燃料应用过程的研究更接近实际热反应工况。
17.(2)相较于市面上其他的快速升温热天平，该装置可以盛放更多的样品，从而明显提高信噪比，在数字信号处理过程中可以减少信号的混叠与失真。
18.(3)升温过程线性可控。可以控制温度线性升温，从而准确获得样品的质量和温度变化。为模拟接近工业条件下的燃料的反应动力学过程提供了条件。
19.(4)反应气氛可控。可提供各种纯度的气氛条件，满足多种气体环境下的实验需要。
附图说明
20.图1用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分。图中：1高灵敏微差天平；2载样悬臂梁；3固定支座；4高频感应加热线圈；5高频加热机输入端；6高灵敏红外测温装置；7进气孔；8排气孔；9密封罩。
具体实施方式
21.为更进一步阐述本发明所采取的技术手段以及功效，以下结合附图对本发明的具体实施方式、结构、特征以及功效，进行如下说明：
22.本发明采用高频加热的方式，即将交流电源转换为更高频率的交流电，将其传输到感应加热线圈，使其在线圈内产生电磁场，由于需要加热的不锈钢材质的载样悬臂梁2也是导体，感应线圈所产生的一圈圈磁感线就会直接穿透放入线圈中的悬臂梁而形成一个个电流闭环，并且金属的电阻较小，再加上较高的电流，当这些高电流的磁感线通过不锈钢悬臂梁时，就会让金属内部的电子非常活跃，相互碰撞、摩擦，从而产生热能，达到让悬臂梁迅速发热的效果。
23.型号为wxs205s/15的高灵敏微差天平1在该装置的最底部，高灵敏微差天平1上端水平固定支座3，固定支座3右边与载样悬臂梁2相连接，载样悬臂梁2穿过高频感应加热线圈4，高频加热线圈4由铜管制成，铜管外层由绝缘套包裹，高频加热线圈4能够平滑的在载样悬臂梁2上移动，并不与2发生接触，不影响2的质量信号采集，并方便投放和清理物料。
24.高频加热机选用的型号为btg-45kw，输入电压为380v，最大电流为40a，高频加热机输入端5与高频感应加热线圈4相连，高频加热机接入电源后，利用电磁感应原理在载样悬臂梁2上产生涡电流从而达到对载样悬臂梁2以及物料迅速加热的目的。
25.高灵敏红外测温装置6选用的型号为ctlaser-3mh2，测量精度为
±
0.3％，响应时间为1ms。高灵敏红外测温装置6连接着一个温度采集模块，温度采集模块连接计算机，高灵敏红外测温装置6的测温探头发射出的红外激光照射在待测物料之上，测量到的温度信号经过温度采集模块中的放大器、滤波器作用转化为电信号进入计算机进行信号处理。温度信号采集频率为100hz，经计算机处理器进行控制运算后，输出加热升温时每一时刻的温度数据，实现对升温速率实时的监测并存储，实验过程可以通过调节高频加热机的输入功率对温度进行控制。质量采集采用高灵敏度微差天平1，高灵敏微差天平1的精度为0.01mg，量程为0-220g。物料的质量变化引起平衡器位移，位移检测器用于检测平衡器位移变化，并将样品的质量变化实时转化成电信号传输到计算机中进行连续监测和存储。实验前需要将待测样品制成粒径大小为100μm左右的粉末，这样可以保证样品在平铺时能以单颗粒状态均匀铺开，均匀加热的效果较好。实验时将待测样品均匀铺放于载样悬臂梁2上，随着加热温度升高，样品的质量变化实时被高灵敏度微差天平1转化为电信号并传输到计算机中进行存储。
26.本装置设有密封罩9，密封罩左上端和右下端设有进气孔7和排气孔8，可以根据不同实验所需的气氛条件要求，由进气孔7向装置内通入不同的气体。
27.实验完成后，可以通过存储在电脑中的温度及质量变化曲线导出数据，获得所需的反应的动力学参数，从而对物料的热反应动力学机理进行分析研究。

技术特征：
1.一种基于高频加热的可控快速升温热天平，其特征在于，所述的可控快速升温热天平包括高灵敏微差天平(1)、载样悬臂梁(2)、固定支座(3)、高频感应加热线圈(4)、高频加热机和高灵敏红外测温装置(6)；所述的载样悬臂梁(2)为金属材质，需要加热的物料能够放置于载样悬臂梁(2)上；载样悬臂梁(2)一端固定于固定支座(3)上，另一端非接触式插入高频感应加热线圈(4)；高频加热机与交流电源相连，高频感应加热线圈(4)与高频加热机相连接，在高频加热机电磁波的辐射下，通过非导电物质分子反复极化振动和摩擦发热使得载样悬臂梁(2)快速升温，从而对物料进行快速加热；所述的高灵敏微差天平(1)用于质量采集；固定支座(3)水平放置于高灵敏微差天平(1)上，物料的质量变化引起天平读数的变化；天平读数转化成电信号，将信号传入计算机中进行存储、显示；高灵敏红外测温装置(6)用于实时监测、采集物料的温度，所测温度通过将信号传入计算机自动存储、监测，通过调节高频加热机的输入功率对温度进行控制。2.根据权利要求1所述的一种基于高频加热的可控快速升温热天平，其特征在于，所述的载样悬臂梁(2)材质为不锈钢。3.根据权利要求1所述的一种基于高频加热的可控快速升温热天平，其特征在于，所述的高灵敏微差天平(1)的精度应小于0.01mg。4.根据权利要求1所述的一种基于高频加热的可控快速升温热天平，其特征在于，所述的高灵敏红外测温装置(6)的测量精度应小于
±
0.5％，响应时间不超过1ms；高频加热机的功率应不低于45kw。5.根据权利要求1所述的一种基于高频加热的可控快速升温热天平，其特征在于，所述的可控快速升温热天平还包括进气孔(7)、排气孔(8)和密封罩(9)；所述的密封罩(9)用于为可控快速升温热天平提供密闭空间，密封罩(9)上设置进气孔(7)和排气孔(8)，通过进气孔(7)向密封罩(9)内通入气体，由排气孔(8)排出，能够实现不同气氛条件下的实验。

技术总结
一种基于高频加热的可控快速升温热天平，属于高频加热设备。实现方法：将待测样品放置在载样悬臂梁上，悬臂梁通过高频加热线圈，加热线圈与高频加热机输入端相连，由于电磁感应现象，不锈钢材质的悬臂梁的温度快速的升高使物料得到加热，高灵敏测温装置和质量采集系统将温度与质量的变化情况转化成电信号输入到计算机得到存储，从而进行监测与控制。本发明升温速率和反应气氛可控，升温速率最高达到1000℃/s，在快速加热过程中能实现对样品温度历程准确的控制、样品质量变化的实时监测，且相较于市面上的热天平能够明显提高信噪比，使实验数据准确性得到保障，为固体燃料在工业条件下的热化学反应特性及反应动力学的研究提供了条件。供了条件。供了条件。


技术研发人员：姬国钊 姚宇航 屈搏宇 高原 李爱民 李沐轩
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/5