DE10153894A1 - Thermisches Analysegerät mit automatischer Feuchtigkeitsstufensteuerung - Google Patents

Abstract

Die Feuchtigkeitsabhängigkeit einer physikalischen Eigenschaft einer Probe (1) wird ermittelt, indem gesättigter Wasserdampf, der mit der Feuchtkugeltemperatur korrespondiert, in eine Probenkammer eingeführt wird, in welcher die Temperatur gemäß der Trockenkugeltemperatur eine Hygrometers in Feucht- und Trockenkugelausführung kontrolliert wird. Bei diesem Punkt wird durch ein Verändern der Temperatur, welche mit der Feuchtkugeltemperatur zu dieser Zeit, wenn das physikalische Eigenschaftssignal der Probe einen stabilen Wert annimmt, korresponiert, der unterschiedlich gesättigte Wasserdampf in die Probenkammer eingeführt, womit dann automatisch die Feuchtigkeit in der Probenkammer in stufenförmiger Weise verändert wird. Die Feuchtigkeit in der Probenkammer wird immer dann geändert, nachdem die physikalischen Eigenschaften der Probe (1) einen stabilen Wert angenommen haben; von daher ist es nicht notwendig, die Zeit zu kennen, welche von der Probe benötigt wird, um einen Gleichgewichtszustand anzunehmen, und die Feuchtigkeitsabhängigkeit der physikalischen Eigenschaften der Probe (1) kann genau vermessen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine neuartige Ver­ besserung eines thermischen Analysegerätes zur Analyse der Ver­ änderungen von physikalischen Eigenschaften eines Materials mit der Temperatur, wobei der Feuchtigkeitseinfluß in der Umgebung der Probe bezogen auf die physikalischen Eigenschaften des Ma­ terials berücksichtigt werden kann.

Die thermische Anlayse ist eine wirkungsvolle Methode, um zu studieren, wie sich physikalische Eigenschaften eines Materials mit der Temperatur verändern.

Als Beispiele für typische Meßvorrichtungen sei ein Differen­ tial-Thermal-Analysator (DTA), ein Differential-Abtast-Kalorimeter (DSC), ein Thermogravimetrischer-Analysator (TG), ein Thermomechanischer-Analysator (TMA), oder ein Dynamisch-Mechanischer-Analysator (DMA), usw. genannt, welche weit ver­ breitet eingesetzt werden.

Eine Weiterentwicklung eines thermischen Analysegerätes zur Be­ stimmung von einer Feuchtigkeitssteuerungsfunktion ist in der japanischen Patentschrift Nr. 8-145918 für Tokkaihei offenbart.

Auf dem Markt existiert bisher eine Kombination zwischen einer Mikrowaagen- und Luftfeuchtigkeits-Vorrichtung, als eine auto­ matische Feuchtigkeits-Absorbtionsgleichgewichts-Meßvor­ richtung.

Bei dem zuvor genannten Stand der Technik wird ein thermisches Analysegerät mit Feuchtigkeitssteuerungsfunktion in der Pa­ tentschrift Nr. 8-145918 der Firma Tokkaihei beschrieben. Hier­ bei wird die Programmsteuerung nicht nur für die Temperatur, sondern auch für die Feuchtigkeit der Umgebung der Probe durch­ geführt. Die Feuchtigkeitsabtastmessung ist ermöglicht, indem eine Programmsteuerung der Feuchtigkeit durchgeführt wird, wel­ ches einen großen Vorteil darstellt. Verglichen mit dem Fall des Temperaturgleichgewichtes ist andererseits die Zeit extrem lang, welche für eine physikalische Eigenschaft der Probe benö­ tigt wird, um bei einer bestimmten Feuchtigkeit ein Gleichge­ wicht zu erreichen. Hier liegt das Problem darin, daß die Be­ stimmung der Feuchtigkeitsabhängigkeit der physikalischen Ei­ genschaft der Proben ungenau ist, es sei denn, die Abtastge­ schwindkeit für die einzelnen Feuchtigkeitswerte wird auf einen sehr niedrigen Wert gesetzt. Da die Zeit, welche benötigt wird, damit eine Probe einen Feuchtigkeitsgleichgewichtszustand er­ reicht, von der Form und der Eigenschaft der Probe abhängt, liegt das Problem ferner darin, daß das Feuchtigkeitsprogramm, ohne eine Kenntnis über das hygroskopische Verhalten der Probe im Vornherein zu kennen, nicht hinreichend aufgebaut werden kann.

Andererseits erreicht eine automatische Feuchtigkeits-Absorb­ tionsgleichgewichts-Meßvorrichtung die gewünschte relative Feuchtigkeit insofern, inwiefern getrockneter Stickstoff und abgesättigter Wasserdampf in einem bestimmten Verhältnis ver­ mischt werden. Des weiteren umfaßt diese Vorrichtung eine prä­ zise Vorrichtung zur Steuerung der Gasströmrate, eine Dampfge­ neratorvorrichtung, eine Mischvorrichtung, eine Trockungsvor­ richtung, und eine Mirkowaage, etc. Die Nachteile dieser Vor­ richtung liegen darin, daß sie sehr teuer ist, da sie aus kom­ plizierten Vorrichtungen zusammengesetzt ist. Ferner mangelt es bei dieser Vorrichtung an Vielseitigkeit, da sie nicht auch als thermisches Analysegerät benutzt werden kann.

Um bei einer bestimmten Feuchtigkeit die Feuchtigkeit zu mes­ sen, welche von einer Probe absorbiert worden ist, und das Er­ reichen des Gleichgewichtszustandes mit Hilfe des thermischen Analysegerätes der bekannten Art zu messen, wird die Vorrich­ tung während des Abtastvorganges und der Einführung der Probe, der Atmosphäre ausgesetzt, in welcher die Feuchtigkeit nicht kontrolliert ist; von daher liegt das Problem darin, daß das System von dem Gleichgewichtszustand abweicht, bevor die Mes­ sung startet.

Um die oben genannten Probleme zu lösen wird gemäß der vorlie­ genden Erfindung eine Heißwasserkammer, die geeignet ist, um die Temperatur stufenweise zu kontrollieren, zur Generation von gesättigtem Wasserdampf bei der entsprechenden Temperatur be­ nutzt. Ferner liegt eine Kammer vor, die so ausgelegt ist, daß die Temperatur und die Feuchtigkeit der Probe verändert werden kann, sowie zur Übermittlung von Wasserdampf aus der Heißwas­ serkammer in die Probenkammer unter Vermeidung von Taukondensa­ tion eine wärmegedämmte Leitung, ein Detektor zur Messung von physikalischen Eigenschaften der Probe, und eine Schaltung für eine Bestimmung der Signalstabilität zur Erzeugung eines Trig­ gersignals, und zwar in dem Fall, wenn die Änderungsrate des Signals der physikalischen Eigenschaft von dem Detektor langsa­ mer wird, als ein festgelegter Referenzwert. In diesem Fall wird, gemäß dem Verhältnis des gesättigten Dampfdruckes bei der Temperatur der Heißwasserkammer und bei der Temperatur der Pro­ benkammer, die Feuchtigkeit der Probenkammer ermittelt. Die Wassertemperatur der Heißwasserkammer wird, gemäß des Trig­ gersignals, in einer stufenförmigen Weise verändert. Demgemäß wird die Feuchtigkeit der Probenkammer ebenfalls in einer stu­ fenförmigen Weise verändert. Als eine Folge davon wird, basie­ rend auf die physikalische Eigenschaft der Probe, das Feuchtig­ keitsgleichgewicht der Probe und der Atmosphäre in der Umgebung der Probe bestätigt, und die Feuchtigkeitsbedingung wird dann automatisch in einer stufenförmigen Weise abgetastet.

Falls ferner die Probe, welche zuvor bei einer bestimmten Feuchtigkeit absorbiert und einen Gleichgewichts­ zustand erreicht hat, dafür Anlaß gibt, von diesem Gleichge­ wichtszustand zeitweilig abzuweichen, bestimmt die Schaltung für eine Bestimmung der Signalstabilität die Abänderung des Si­ gnals der physikalischen Eigenschaft, indem die Feuchtigkeit der Probenkammer kontrolliert und mit einem Triggersignal bei dem Start der Messung bestätigt wird, ob dieses zu dem zugehö­ rigen Gleichgewichtszustand zurückkehrt oder nicht.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm mit Querschnitten durch Teilen der Anlage bei einer bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung; und

Fig. 2 einen schematischen Zeitverlauf von dem Signal, daß in der Ausführungsform der Erfindung aufgenommen wur­ de.

In Fig. 1 wird eine Vorrichtung zur thermogravimetrischen Mes­ sung mit Anbindung an die vorliegende Erfindung anhand einer zu vermessenden Probe 1 beschrieben. Ein aus gehärtetem Stahl ge­ fertigter wärmegedämmter Ofen 2 mit einem zylindrischen Innen­ raum ist derart angeordnet, daß er eine Probe 1 rundherum um­ schließt. Ein Ende des wärmegedämmten Ofens 2 ist mit einer Bo­ denfläche abgeschlossen, während das andere Ende offen ist. Über einen Schlauch 3 ist ein Konstant-Temperatur-Zirkulations­ bad 4, welches zur Festsetzung einer Temperatur geeignet ist, mit dem wärmegedämmten Ofen 2 verbunden. Ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser, zirkuliert über den Schlauch 3 zu und von dem Hohlraum innerhalb des wärmegedämmten Ofens 2 dem Kon­ stant-Temperatur-Zirkulationsbad 4, um die Temperatur des ge­ samten wärmegedämmten Ofens 2 nahe der Temperatur des Konstant-Temperatur-Zirkulationsbades 4 zu setzen.

Eine wärmeisolierte Leitung 5 durchdringt die Bodenfläche des wärmegedämmten Ofens 2. Das andere Ende der wärmeisolierten Leitung 5 wird in den Innenraum einer Glasflasche 8 eingeführt. Eine Vorrichtung 7 zur Temperatursteuerung der wärmeisolierten Leitung ist mit einem Heizer 6 verbunden und in der wärmeiso­ lierten Leitung 5 eingebettet. Die Glasflasche 8 ist ungefähr zu 7/10 mit destilliertem Wasser gefüllt und mit einem Gummi­ stopfen 10 verschlossen, welcher vom dem Gasblasen-Einführungs­ rohr 9 und ferner von einem Teflonrohrkern, der die wärmeiso­ lierte Leitung 5 beinhaltet, durchstoßen ist. Die Glasflasche 8 ist in dem Wasser innerhalb des Konstant-Temperaturbades 11 fi­ xiert, dessen Temperatur mit nahezu der gesamten Glasflasche, die in dem Wasser untergetaucht ist voreingestellt werden, so daß die Temperatur innerhalb der Glasflasche 8 einen Wert nahe der Temperatur des Konstant-Temperaturbades 11 annimmt. Eines der Enden des Glasblasen-Einführungsrohrs 9 ist mit einem Durchflußmesser 12 verbunden.

Ein Probenbehälter beinhaltet die Probe 1, welche auf dem Pro­ benhalter 13 befestigt ist. Eine Veränderung des Gewichtes und der Temperatur der Probe 1 wird, nachdem diese über einen Waa­ gen-Arm 14 mit einem eingebetteten Thermoelement übertragen wurde, in einer Waagen-Einheit 15 gemessen, welche innerhalb eines Waagen-Gehäuses 16 angeordnet ist. Über eine Gas-Einlaß­ leitung 17 ist der Durchflußmesser 18 mit einem Teil des Waa­ gen-Gehäuses 16 verbunden. Die in Fig. 1 dargestellte thermo­ gravimetrische Messvorrichtung ist ein horizontaler Bautyp mit einem Waagen-Arm 14, welcher in horizontaler Weise angebracht ist. Dieses kann ferner bei einer thermischen Gravitationsmess­ vorrichtung angewandt werden, wie etwa bei einem oberhalb oder unterhalb angeordnetem Waagentyp.

Der wärmegedämmte Ofen 2 ist mit einem Gasauslaß 27 und mit ei­ nem Feuchtigkeitssensor 19 in dessen Innenraum versehen. Die Feuchtigkeit der Atmosphäre im Umfeld der Probe 1 wird bei der Schaltung zur Feuchtigkeitsmessung 20, welche mit dem Feuchtig­ keitssensor 19 verbunden ist, gemessen. Andererseits werden Veränderungen des Gewichtes und der Temperatur der Probe 1 an­ hand einer TG-Meßschaltung 21, welche mit der Waagen-Einheit 15 verbunden ist, gemessen. Der thermische Schaltung zur Stabi­ litätsbestimmung 22 ist mit der Schaltung zur Feuchtigkeitsmes­ sung 20 und der TG-Meßschaltung 21 verbunden. Eine Eingabevor­ richtung für die Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingung 23 ist mit der Schaltung zur Signal-Stabilitätsbestimmung 22 verbun­ den. Die Schaltung zur Signal-Stabilitätsbestimmung 22 ist fer­ ner mit der Erzeugungsvorrichtung für das Temperatur- und Feuchtigkeitsvorgabesignal 24 verbunden. Die Vorrichtung 25 zur Temperatureinrichtung des Zirkulationsbades und die Vorrichtung 26 zur Einrichtung der Temperatur des Konstant-Temperatur­ bades sind ferner mit der Vorrichtung 24 zur Erzeugung des Tem­ peratur- und Feuchtigkeitsvorgabesignales verbunden. Das Kon­ stant-Temperatur-Zirkulationsbad 4 ist mit der Vorrichtung 25 zur Einrichtung der Zirkulationsbadtemperatur verbunden, und das Konstant-Temperaturbad 11 ist mit der Vorrichtung 26 zur Einrichtung der Konstant-Temperaturbadtemperatur verbunden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Gerätes beschrieben. Bevor eine Messung durchgeführt wird, stellt der Bediener mit Hilfe des Durchflußmessers 18 die Durchflußrate eines Reinigungsgases auf 200 ml/min um die Waa­ gen-Einheit vor Taukondensation zu schützen, dann führt er das Reinigungsgas über die Einführungsleitung 17 des Reinigungsga­ ses in das Waagen-Gehäuse 16 ein. Die Durchflußrate des Durch­ flußmessers 12 wird auf 200 ml/min gesetzt, und getrocknete Luft oder Stickstoff ist es gestattet, zu fließen. Die Luft oder das Stickstoffgas fließt von dem Durchflußmesser 12 über die Einführungsleitung 9 der Gasblasen in die Glasflasche 8, wobei die Einführungsleitung 9 der Gasblasen in der Nähe der Bodenoberfläche innerhalb des Wassers in der Glasflasche 8 an­ gebracht ist. Die Leitung 9 ist dabei so angebracht, daß das Gas, welches Wasserdampf bei einem gesättigtem Dampfdruck ent­ hält, der mit der Wassertemperatur korrespondiert, in die un­ mittelbaren Umgebung der Probe 1 innerhalb des wärmegedämmten Ofens 2 über die wärmeisolierte Leitung 5 gebracht wird. Das offene Ende des wärmegedämmten Ofens 2 steht in engem Kontakt mit dem Waagen-Gehäuse 16, und das Reinigungsgas und der gesät­ tigte Dampf werden beide mittels des Gasauslasses 27 nach außen abgeführt.

Im nächsten Schritt wird der wärmegedämmte Ofen 2 bewegt, und die Probe 1, welche vermessen werden soll, wird in den In­ nenraum und später in dem Probenhalter 13 plaziert, und der wärmegedämmte Ofen 2 wird dann in die ursprüngliche Position zurückbewegt. (Die Einrichtung zur Bewegung des wärmegedämmten Ofen ist nicht dargestellt). Der Temperatur- und Feuchtigkeits­ bereich, über welche die Messungen durchgeführt werden können, wie etwa 50°C und eine relative Feuchtigkeit von 30% bis 70% etc., werden bei der Vorrichtung 23 zur Eingabe der Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingung eingegeben, und dann wird die Mes­ sung gestartet.

Wenn die Messung gestartet ist, wird das Vorgabesignal für die Temperatur und Feuchtigkeit unmittelbar von der Vorrichtung 24 zur Erzeugung des Temperatur- und Feuchtigkeitsvorgabesignals unter Verwendung des Eingabesignals der Vorrichtung 23 zur Ein­ richtung der Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingung zu der Vor­ richtung 25 zur Einrichtung der Zirkulationsbadtemperatur und der Vorrichtung 26 zur Einrichtung der Temperatur des Konstant-Temperaturbades übermittelt. Bei der Vorrichtung 25 zur Ein­ richtung der Zirkulationsbadtemperatur wird das Vorgabesignal für die Temperatur extrahiert und zu dem Konstant-Temperatur­ zirkulationsbad 4 geschickt. Bei dem Konstant-Temperatur­ zirkulationsbad 4 wird die Temperatursteuerung gestartet, wel­ che dessen Vorgabewert für das Temperatursignal von der Vor­ richtung 25 zur Einrichtung der Zirkulationsbadtemperatur fest­ setzt. Aufgrund thermischer Übertragungen, die durch eine in­ terne Zirkulation des Wassers entsteht, wird die Temperatur des wärmegedämmten Ofens 2, welcher über den Schlauch 3 mit dem Konstant-Temperaturzirkulationsbad 4 verbunden ist, innerhalb kurzer Zeit den gleichen Wert annehmen, wie die Temperatur des Konstant-Temperaturzirkulationsbades 4. Des weiteren nimmt die Temperatur der Probe 1 einen Temperaturwert nahe des wärmege­ dämmten Ofens 2 an. Folglich liegt die Temperatur der Probe 1 nahe der Temperatur des Konstant-Temperaturzirkulationsbades 4 und damit nahe dem Wert der Vorgabetemperatur, welche von der Vorrichtung 25 zur Einrichtung der Zirkulationsbadtemperatur ausgegeben wurde.

Die Temperatur der Probe 1 wird mittels eines Thermoelementes (nicht dargestellt) detektiert, welches auf der Bodenoberfläche des Probenhalters 13 angebracht ist. Die Temperatur der Probe 1 wird in der TG-Meßschaltung 2 in ein Meßtemperatursignal kon­ vertiert, nachdem es über den Waagen-Arm 14 und das Waagen-System 15 übermittelt wurde.

Andererseits wird die Vorgabetemperatur des Konstant-Temp­ eraturbades 11 bei der Vorrichtung 26 zur Einrichtung der Tem­ peratur des Konstant-Temperaturbades basierend auf der Vorgabe­ temperatur und Feuchtigkeitsbedingung wie folgt berechnet.

Dabei wird angenommen, daß, wenn die Temperatur des Konstant-Temperaturbades 11 als Tw angenommen wird, die Temperatur in­ nerhalb der Glasflasche 8 ebenfalls als Tw angenommen wird.

Der gesättigte Dampfdruck bei der Temperatur T sei P(T) und der Dampfdruck des Gases, welches über die wärmeisolierte Leitung 5 in die Nähe der Probe eingebracht wurde, sei gegeben durch P(Tw). Die Temperatur der wärmeisolierten Zuleitung 5 wird mit­ tels der Tätigkeit der Vorrichtung 7 zur Temperatursteuerung und des Heizers 6 auf einem höheren Wert gehalten, als die Tem­ peratur des Konstant-Temperaturbades 11. Wie bereits vorange­ hend bemerkt, ist die Temperatur andererseits in der Nähe der Probe 1 nahezu gleich der Temperatur des Konstant-Temperatur­ zirkulationsbades 4. Diese Temperatur sei Td, die relative Feuchtigkeit RH, welche von der Atmosphäre bei einem Dampf­ druck P(Tw) produziert und in die Nähe der Probe eingebracht wurde, und läßt sich mittels folgender Gleichung ausdrücken:

RH(%) = {P(Tw)/P(Td)} × 100 (1)

Folglich erhält man die Temperatur Tw, welche die Temperatur für das Konstant-Temperaturbad 11 darstellt, über die nächste Gleichung nach dem Auflösen der Gleichung (1) unter der Vor­ aussetzung, daß die Probentemperatur Td sei und die Proben­ feuchtigkeit den Wert RH(%) darstellt. Nämlich:

Tw = P-1[RH(%) × P(Td)/100] (2)

Hierbei stellt P-1 die inverse Funktion von P dar, welche den gesättigten Dampfdruck in die zugehörige Temperatur konver­ tiert.

Nämlich durch

T = P-1[P(T)].

Bei der Vorrichtung 26 zur Einrichtung der Temperatur des Kon­ stant-Temperaturbades wird die Temperatur Tw auf die Gleichung (2) basierend berechnet. Die Temperatur des Konstant-Temp­ eraturbades 11, d. h. die Temperatur der Glasflasche 8, wird in­ sofern gesteuert, inwiefern der Wert Tw als Vorgabewert ge­ setzt wird.

Bei diesem Punkt wird die relative Feuchtigkeit in der Nähe der Probe 1 mittels des Feuchtigkeitssensors 19 periodisch aufge­ zeichnet. Die relative Feuchtigkeit wird in der Schaltung zur Feuchtigkeitsmessung 20 in ein Feuchtigkeitssignal konvertiert.

Es ist möglich, daß das Gewicht der Probe 1 mit Veränderung der Temperatur oder Feuchtigkeit variiert. Der Wechsel in dem Ge­ wicht der Probe ist über die Waagen-Einheit 15 nachgewiesen, nachdem der Wechsel des Gewichtes über den Waagen-Arm 14 pas­ siert ist und bei dem TG-Meßschaltung 21 in ein thermogravime­ trisches (TG) Signal umgewandelt wurde.

Die Signale, welche zu der Temperatur TG gehören, die Feuchtig­ keit, welche an der TG Meßschaltung 21 und dem Feuchtigkeits­ meßschaltung 20 gemessen wurden, werden zu der Schaltung 22 zur Bestimmung der Signalstabilität übermittelt, wo die Stabilität eines jeden Signals und die Abweichung des Temperatur- und dem Feuchtigkeitssignals von dem Vorgabewert bestimmt wird.

Wenn die Temperatur- und die Feuchtigkeitssignale die Standard­ bedingungen für den voreingestellten Variationsbereich, etwa 0,2°C/min oder darunter und 1%/min oder darunter, einhalten, wird bei der Schaltung 22 zur Bestimmung der Signalstabilität die Differenz zwischen den gemessenen Werten und den voreinge­ stellten Vorgabewerten der Temperatur und der Feuchtigkeit be­ stimmt. Wenn diese Differenz bei der Temperatur mehr als 0,2°C oder die Differenz in der Feuchtigkeit mehr als 1% darstellt, wird ein Signal zu der Vorrichtung 24 zur Erzeugung eines Tem­ peratur- und Feuchtigkeitsvorgabesignales übermittelt, welches angibt, daß eine Korrektur nach Td oder Tw notwendig ist und die dabei abhängige Quantität und Richtung der Differenz an­ zeigt. Falls die gemessen Temperatur- und Feuchtigkeitssignale die Standardbedingungen des vorgeschriebenen Abweichungs­ bereiches erfüllen und die Differenz zwischen dem vorgegebenen Vorgabewert innerhalb dieses Standards liegt, wird die Stabili­ tät des TG-Signals ermittelt.

Selbst wenn die Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen in der Umgebung der Probe einen stabilen Wert annehmen, muß das TG-Si­ gnal nicht immer ebenfalls stabil sein. Insbesondere abhängig von der Eigenschaft oder der Form der Probe unterscheidet sich die Zeit, die benötigt wird, damit das Feuchtigkeitsgleichge­ wicht der Probe und der Atmosphäre erreicht wird. Ob nun das Feuchtigkeitsgleichgewicht erreicht ist oder auch nicht, kann direkt bestimmt werden, indem die Stabilität des Signals der physikalischen Eigenschaft, welches über die kontinuierliche Messung der physikalischen Eigenschaft der Probe bestimmt wird, herangezogen wird. Die Stabilität des TG-Signals kann nämlich hinsichtlich des Aspektes dahin ausgewertet werden, ob die Be­ dingung, welche die Rate der standardmäßigen Änderung, wie etwa 0,01 mg/min oder darunter, erfüllt ist. Wenn diese TG-Stabili­ tätsbedingung erfüllt ist, wird ein Triggersignal von der Schaltung 22 zur Bestimmung der Signalstabilität zu der Vor­ richtung 24 zur Erzeugung eines Temperatur- und Feuchtigkeits­ vorgabesignals übermittelt, um den Feuchtigkeitsvorgabewert in stufenförmiger Weise zu aktualisieren.

Als Folge hiervon wird die Vorgabetemperatur des Konstant-Temperaturbades 11 über die Vorrichtung 26 zur Vorgabe der Tem­ peratur des Konstant-Temperaturbades aktualisiert. Folglich verändert sich die Temperatur der Glasflasche 8. Letztendlich ändert sich die relative Feuchtigkeit der Atmosphäre in der Um­ gebung der Probe und diese Veränderung wird bei der Schaltung zur Messung der Feuchtigkeit unter vorheriger Passierung durch den Feuchtigkeitssensor 19 gemessen.

Somit ist ein Schritt in einer Folge von Schritten zur Steue­ rung der Feuchtigkeit vervollständigt. Diese gleiche Feuchtig­ keits-Abtastmethode wird in einer stufenförmigen Weise wieder­ holt, bis der vorgeschriebene Feuchtigkeitssteuerungsbereich abgedeckt ist, nachdem die Messung dann vervollständigt ist.

In dieser Ausführungsform wird die Feuchtigkeit kontrolliert, indem der gesättigte Wasserdampf, welcher zu der Feuchtkugel­ temperatur gehört, in die Probenkammer eingelassen wird, in welcher die Temperatur entsprechend der Trockenkugeltemperatur des Hygrometers, welches als Feucht- und Trockenkugeltyp ausge­ führt ist, kontrolliert wird. In einer anderen Anordnung, in welcher die gewünschte relative Feuchtigkeit derart eingestellt wird, indem getrockneter Stickstoff und gesättigter Wasserdampf in einem bestimmten Verhältnis vermischt werden, liegen gewisse Nachteile vor, da dieses Verfahren relativ teuer ist, weil eine relativ komplizierte Geräteanordnung erforderlich ist, und fer­ ner liegen dort viele Mängel vor, weil es zum Beispiel nicht als thermisches Analysegerät benutzt werden kann. Jedoch kann eine Folge von Feuchtigkeitssteuerungsstufen geführt werden, indem das Mischungsverhältnis in stufenförmiger Weise verändert wird.

Bezugnehmend auf die Arten des physikalischen Eigenschaftensi­ gnals, wie etwa das Differential-Abtast-Kalorimetrie(DSC)-Signal, das Proben-Längen(DMA)-Signal, das dynamische Visko-Elastizität-Signal, kann bei den typischen Vorrichtung, welche in der thermischen Analyseapparatur benutzt werden, ein Speicherungs-Modulus oder ein Tangenten-Delta angewandt werden.

Fig. 2 stellt einen Zeitverlauf dar, bei dem schematisch die Änderung der Zeit des thermogravimetrischen (TG) Signals, des Signals der relativen Feuchtigkeit (RH) und des Signals der Temperatur der Probe 1 (Td) während der Durchführung einer Folge einer Steuerung von Feuchtigkeitsstufen dargestellt wird.

Wie bereits oben erwähnt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Temperatur und die Feuchtigkeit der Probe gemessen, und ferner wird die Differenz zwischen dem festgesetzten Vorgabe­ wert kontinuierlich korrigiert. Dem zur Folge kann die Tempera­ tur- und die Feuchtigkeitsbedingungen der Probe insofern ge­ steuert werden, inwiefern ein Vorgabewert festgesetzt wird. Ferner wird die Feuchtigkeit abgetastet, indem auf die Stabili­ tät eines physikalischen Eigenschaftensignals zurückgegriffen wird, welches die Veränderung in einer physikalischen Eigen­ schaft der Probe reflektiert. Die Feuchtigkeit wird dabei in einer stufenförmigen Weise abgetastet, ohne daß die Zeit im Voraus abgeschätzt wird, die benötigt wird, um dieses Feuchtig­ keitsgleichgewicht zu erreichen, welches abhängig von der Ei­ genschaft oder Form der Probe variiert. Von daher kann die Feuchtigkeitsabhängigkeit einer physikalischen Eigenschaft der Probe genau analysiert werden. Dem entsprechend benötigt die Redundanz der Konstant-Geschwindigkeits-Feuchtigkeits-Abtastmethode gewöhnlich die Meßdaten, welche zu dem Unsicher­ heitsbereich der Zeit, die benötigt wird, um das Feuchtig­ keitsgleichgewicht zu erreichen, korrespondieren. Von daher kann die Analysierzeit auf ein Minimum reduziert werden. Ferner kann das Auftreten eines Fehlers aufgrund der Hysteresis der Konstant-Geschwindkeits-Feuchtigkeits-Abtastmethode, welche durch die unterschiedlichen Richtungen der Feuchtigkeitsabta­ stung verursacht wird, die auf eine Unterbewertung der Feuch­ tigkeitsgleichgewichtszeit basiert, gelöst werden. Darüber hin­ aus ist das Gerät der vorliegenden Erfindung insofern zusammen­ gesetzt, inwiefern der Heizofen des thermischen Analysegerätes durch ein einfaches Feuchtigkeitssteuerungssystem, welches hauptsächlich zwei Konstant-Temperaturbäder umfaßt, ersetzt wird. Dieses bedeutet, daß das System sehr vielseitig einsetz­ bar ist, es kann als ein thermisches Analysiergerät benutzt werden, indem der Heizofen zurückgestellt wird. Das Instrument ist geeignet für eine automatische Feuchtigkeitsstufensteue­ rungsmessung bei niedrigen Kosten, und es ist geeignet zur Be­ stimmung der Hygroskople zum Beispiel für Chemikalien.

Des weiteren kann mit einem Triggersignal selbst in einer Si­ tuation, in der bei einer bestimmten Feuchtigkeit die Probe zu­ vor seinen Gleichgewichtszustand erreicht hat und dann zeit­ weilig von diesem Gleichgewicht wieder abgewichen ist, und die­ se Probe wieder in seinen Gleichgewichtszustand zurückgekehrt ist, bestätigt werden, daß die Messungen erfolgen kann. Von da­ her kann ohne eine Abweichung von dessen Gleichgewichtszustand die Entwicklung der Temperaturabhängigkeit der Veränderung des Gewichtes der Probe und die thermische Veränderung gestartet werden. Von da her kann die thermische Charakteristik der Probe das Feuchtigkeit absorbiert hat akkurat entwickelt werden.

Bezugszeichen

1

Probe

2

Ofen

3

Schlauch

4

Konstant-Temperaturzirkulationsbad

5

Wärmeisolierte Leitung

6

Heizer

7

Vorrichtung zur Temperatursteuerung

8

Glasflasche

9

Leitung

10

Gummistopfen

11

Konstant-Temperaturbad

12

Durchflußmesser

13

Probenhalter

14

Waagen-Arm

15

Waagen-System

16

Waagen-Gehäuse

17

Einführungsleitung

18

Durchflußmesser

19

Feuchtigkeitssensor

20

Schaltung zur Feuchtigkeitsmessung

21

TG-Meßschaltung

22

Thermische Schaltung zur Stabilitätsbestimmung

23

Vorrichtung zur Eingabe der Temperatur- und Feuch­ tigkeitsbedingungen

24

Erzeugungsvorrichtung für das Temperatur- und Feuchtigkeitsvorgabesignal

25

Vorrichtung zur Einrichtung der Temperatur des Konstant-Temperaturzirkulationsbades

26

Vorrichtung zur Einrichtung der Temperatur des Konstant-Temperaturbades

27

Gasauslaß

Claims (6)

1. Thermisches Analysegerät mit automatischer Feuchtigkeits­ stufensteuerung, mit
einer Heißwasserkammer (8) zur Erzeugung von gesät­ tigtem Wasserdampf bei einer gewünschten Temperatur geeignet zur stufenweisen Steuerung der Temperatur,
eine Probenkammer zur Halterung einer Probe (1) und dazu geeignet, die Temperatur und die Feuchtigkeit der eingesetzten Probe (1) und des Innenraumes zu verändern,
eine wärmegedämmte Leitung (5) zur Übermittlung von Wasserdampf aus der Heißwasserkammer (8) in die Pro­ benkammer unter gleichzeitiger Verhinderung von Tau­ kondensation,
ein Detektor (19) zum Erfassen von physikalischen Ei­ genschaften der Probe (1),
eine die Signalstabilität bestimmende Schaltung (22) zur Generierung eines Triggersignales in dem Fall, wenn die Änderungsrate des Detektorsignals der physi­ kalischen Eigenschaften unterhalb eines spezifischen Referenzwertes fällt, wobei die Feuchtigkeits­ abhängigkeit der Veränderungen in der physikalischen Eigenschaften der Probe (1) dadurch bestimmt wird,
daß die Feuchtigkeit innerhalb der Probenkammer in stufenförmiger Weise, gemäß dem Verhältnis des zuge­ hörigen gesättigten Dampfdruckes bei der jeweiligen Temperatur der Heißwasserkammer (8) und bei der Tem­ peratur der Probenkammer, verändert wird, was durch das entsprechend dem Triggersignal in stufenförmiger Weise Einstellen der Wassertemperatur innerhalb der Heißwasserkammer (8) in einer stufenförmigen Weise entsprechend dem Triggersignal ermöglicht wird.

2. Analysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein physikalisches Zustandsgrößensignal, welches die Masse der Probe (1) ausdrückt, mit dem Detektor (19) aufgenommen wird.

3. Analysegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein physikalisches Zustandsgrößensignal, welches von dem Detektor (19) gemessen wurde, die Temperaturdifferenz zwi­ schen der Probe (1) und einem Referenzmaterial ausdrückt.

4. Analysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Vorganges, beim dem bestimmt wird, daß eine Probe (1) einen Gleichgewichtszustand bei einer bestimmten Feuchtigkeit erreicht, zur Ermittlung der Temperaturabhän­ gigkeit der Probe (1) durch ein Triggersignal, ausgehend von dem die Signalstabilität bestimmenden Schaltung (22), die Temperatur der Probe (1) verändert wird, ohne daß von dem Gleichgewichtszustand abgewichen wird.

5. Analysegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Detektor (19) aufgenommene physikalische Zu­ standsgrößensignal Auskunft über die Masse der Probe (1) liefert.

6. Analysegerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Detektor (19) aufgenommene physikalische Zu­ standsgrößensignal Auskunft über die Temperaturdifferenz zwischen der Probe (1) und einem Referenzmaterial liefert.