热重分析仪原理

热重分析仪(Thermogravimetric Analysis)是在程序温度控制下测量试样的重量随温度变化的一种热分析仪器。RZY系统热重分析仪是新一代小型化智能型热分析仪，其结构简洁，安装调试方便，主要由仪器主机、加热炉和天平、气氛单元和微机、打印机组成。

热重分析仪常用的测量的原理有两种，即变位法和零位法。所谓变位法，是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天平梁的倾斜，即所谓零位法。由于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记录电流的变化，便可得到质量变化的曲线。

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当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质，(如CuSO4·5H2O中的结晶水)。

从热重曲线上我们就可以知道CuSO4·5H2O中的5个结晶水是分三步脱去的。通过TGA 实验有助于研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；也有助于研究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。

热重分析通常可分为两类：动态(升温)和静态(恒温)。热重法试验得到的曲线称为热重曲线(TG曲线)，TG曲线以质量作纵坐标，从上向下表示质量减少；以温度(或时间)作横坐标，自左至右表示温度(或时间)增加。

它可以用来测定金属络合物的降解、煤的成分、物质脱水、分解和聚合物的氧化诱导期、催化剂的筛选以及反应动力学的研究等。广泛应用

热重分析仪(Thermal Gravimetric Analyzer)是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器。热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系。

当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质，(如CuSO4·5H2O中的结晶水)。

热重分析是指在程序控制温度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，用来研究材料的热稳定性和组分。热重分析通常可分为动态法和静态法。

包括等压质量变化测定和等温质量变化测定。等压质量变化测定是指在程序控制温度下，测量物质在恒定挥发物分压下平衡质量与温度关系的一种方法。等温质量变化测定是指在恒温条件下测量物质质量与压力关系的一种方法。这种方法准确度高，但是费时。

就是我们常说的热重分析和微商热重分析。微商热重分析又称导数热重分析(DerivativeThermogravimetry，简称DTG)，它是TG曲线对温度(或时间)的一阶导数。以物质的质量变化速率(dm/dt)对温度T(或时间t)作图，即得DTG曲线。

热重法测定，试样量要少，一般2～5mg。一方面是因为仪器天平灵敏度很高(可达0.1μg)，另一方面如果试样量多，传质阻力越大，试样内部温度梯度大，甚至试样产生热效应会使试样温度偏离线性程序升温，使TG曲线发生变化，粒度也是越细越好，尽可能将试样铺平，如粒度大，会使分解反应移向高温。

试样皿的材质，要求耐高温，对试样、中间产物、Z终产物和气氛都是惰性的，即不能有反应活性和催化活性。通常用的试样皿有铂金的、陶瓷、石英、玻璃、铝等。特别要注意，不同的样品要采用不同

热分析技术的基础是当物质的物理状态和化学状态发生变化时(如：升华、氧化、聚合、结晶、熔融、晶格改变或化学反应)往往伴随热力学性质(如：热焓、比热容、导热系数等)的变化。因此，可通过测量物质热力学性能的变化，来了解其物理和化学变化过程。热重分析是在程序控温条件下，测量物质质量与温度关系的一种技术，是热分析技术中应用较为广泛的方法。热重分析仪是近年来发展较快的煤、焦分析仪器之一。

热重法简称TGA，通常有下列两种类型：

在恒温条件下测定物质质量变化与温度的关系；

在程序升温条件下测定物质质量变化与温度的关系。

一般认为等温法比较准确，但由于比较费事，目前很少采用。非等温热重法较为简便，用得较多。

热重分析仪主要由程序控温、测量、显示、气氛控制和操作控制等5个系统构成，又分成立式和卧式两种。立式结构在设计和制造上比卧式结构简单，尽管比卧式结构受浮力和气流的影响更大，但经不断改进，已基本消除了浮力和气流的影响，所以大多数的热重分析仪仍采用立式结构。

分析热重曲线可得到试样的组成、热稳定性、热分解温度、热分解产物和热力学等有关数据，还可以获得试样质量变化率与温度或时间的关系曲线，即微商热重曲线。

2.1实验条件的影响

热重分析用的坩埚应是惰性材料制作的，如铂和陶瓷等。对碱性试样不能使用石英和陶瓷坩埚。铂坩埚不适用于许多有机化合物和一些无机化合物的热重分析，因有催化作用;也不适用于磷、硫和卤素的高聚物，因会发生反应，都会改变TG曲线。煤、焦分析多采用陶瓷坩埚，使用前要净化处理，每次实验完后要用清水冲洗干净并烘干，污垢难除时可用稀酸浸泡后除去。

逸出的挥发物往往在热重分析仪的低温区冷凝，不仅污染仪器，而且使实验结果产生偏差。对策：尽量减少样品用量和选择合适的净化气体的流量。

本文基于热重分析仪的内部构造及工作原理，通过试验验证，分析热重曲线误差产生的主要因素。对生物质裂解等热转化快速升温过程中的热重分析数据修正提供依据。

化石燃料日渐消耗及其产生的大气污染等现象备受关注，生物质的利用越来越成为热点。生物质可通过热转化技术得到可再生能源，例如生物燃油、酚油、生物沥青和炭等，目前热转化反应动力学的主要手段是使用热重分析法，通过TG(thermalgravity)/DTG(differentialthermalgravity)曲线求出热解活化能和指前因子。

现有热重分析仪一般由天平、电加热炉、程序控温系统、采集与记录系统等组成。试样温度变化由支撑在坩埚底部的热电偶测量，根据传热学原理，由于试样和温度测量点之间存在导热热阻和间隙热阻，造成热重曲线温度测量出现偏差，对于密度小(体积大)的生物质试样，在高升温速率下的测量误差不可忽略。

本文对现有热重分析仪测量结构及影响因素进行阐述，并根据传热理论及数值计算，对其炉膛内部温度分布进行模拟，分析热重分析仪对试样温度测量的误差。

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热重分析仪的主要工作原理是把电路和天平结合起来，通过程序控温仪使加热电炉按一定的升温速率升温。当被测试样发生质量变化，光电传感器能将质量变化转化为直流电信号。此信号经测重电子放大器放大并反馈至天平动圈，产生反向电磁力矩，驱使天平梁复位，反馈形成的电位差与质量变化成正比，即可转变为试样的质量变化。

热重分析仪对温度控制的要求很高，其温度检测系统如图1所示，氮气以室温进入炉膛内被加热，坩埚内部的试样受到辐射和对流传热2种加热方式。根据上述热重分析仪工作流程及升温、传热机理可分析出热重分析仪检测系统所存在的误差主要有以下几点：

由图1可看出，放置坩埚的金属盘下部设有测温热电偶，热电偶的位置有时会对

热重分析仪主要由天平、加热炉、程序控温系统、记录系统等几个部分构成。Z常用的测量的原理有两种，即变位法和零位法。所谓变位法，是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天平梁的倾斜，即所谓零位法。由于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记录电流的变化，便可得到质量变化的曲线。

实验室应尽量远离振动源及大的用电设备，室内配备空调，以保证温度恒定。计算机在仪器测试时，不能上网或运行系统资源占用较大的程序。

保护气体(Protective)：保护气体用于对加热炉及被测样品进行保护，一是防止样品及热电偶在加热过程中被氧化，二是防止样品可能产生的毒性及腐蚀性分解气体对炉体，热电偶的侵害。一般以氮气为保护气体，流量调至100mL/min。

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检查外部管路的清洁度和稠度。如有必要，清洗或更换外部管道。

在不进行测量时改变冷却回路的流向，去除堵塞。堵塞未清除，使用气压进行吹扫，压力为1MPa以上。若堵塞物仍存在，更换恒温浴槽的冷却剂，用含1%磷酸的水冲洗管道2小时左右。如果堵塞物去除，流量恢复，再更换冷却水。

用空气，Z好是氧气将测量单元加热至Zgao温度保持1小时。

关闭仪器，让仪器冷却至室温。取下左前外壳，左前外壳固定在仪器底部，由3个六角螺钉固定在仪器下面。拧下螺钉，将左前外壳取下。将反射管从炉体法兰上旋下，同时小心地扶住出气口活塞，