高頻紅外碳硫分析儀

紅外碳硫分析儀與高頻感應燃燒爐配套使用，能快速、準確地測定鋼、鐵、合金、有色金屬、水泥、礦石、玻璃及其它材料中碳、硫兩元素的質量分數。是集光、機、電、計算機、分析技術等於一體的高新技術產品，具有測量範圍寬、分析結果準確可靠等特點。由於採用了計算機技術，儀器的智慧型化、螢幕顯示的圖、文及數據的採集、處理等都達到了目前國內先進水平，是諸多行業測定碳、硫兩元素理想的分析設備。

基本介紹

• 中文名：高頻紅外碳硫分析儀
• 測定：鋼、鐵、合金
• 分類：高新技術產品
• 特點：測量範圍寬

技術說明

技術指標

1、 測量範圍：

碳：0.0001%-10.0000%(可擴至99.999%)

硫：0.0001%-2.000%(可擴至99.999%)

2、 準確度及精密度：

準確度： 碳符合ISO9556-94標準

硫符合ISO4935-94標準

精密度： 符合國家計量檢定規程JJG395-97標準

3、 分析時間：25-60秒可調，一般在35秒左右

4、 最小讀數：0.00001%

5、 電子天平：稱量範圍：100g以上

讀數精度：0.001g（可選配精度為0.0001g的電子天平）

技術要求

1、 工作環境：室內溫度 10-30℃

相對濕度 小於75%

2、 電源：要求接地良好

電壓 AC220V±5%

頻率 50Hz±2%

3、 氧氣：純度≥99.5%

輸入壓力 0.18MPa±5%

載氧壓力 0.08MPa±2%

4、 動力氣：氧氣

輸入壓力 0.18MPa±5%

5、 氣體流量：頂吹氧流量 1.0-2.0L/min

分析氣流量 3.0-4.0 L/min

6、 乾燥劑：高效變色乾燥劑

高頻紅外碳硫分析儀高頻燃燒爐配合紅外碳硫分析儀能快速、準確地測定鐵合金、高中低鋼、錳鋼、鑄造用材料、灰、球鐵、礦石、矽鐵、錳鐵、鎳鐵、個鐵等各種材料。該產品採用國際、國內先進技術，是集光．機、電、計算機、分析技術於一體的高新技術產品，多項技術國內領先，分析碳硫兩個元素各16個通道，共32個通道可任意搭配，選擇範圍寬。整機採用台灣進口電磁產供銷，關鍵部件均採用高質量元件，保證了儀器的穩定性和高品質。

主要技術參數

1、測量範圍：碳：0.0001-10.0000%（可擴至99.999%）

硫：0.0001-0.3500%（可擴至99.999%）

2、分析時間：一般在35秒左右（不含取樣、稱樣時間）

3、分析誤差：碳符合ISO9556-89標準硫符合ISO4935-89標準

4、燃燒功率：2.5KVA-3.5KVA（可調）

5、震盪頻率：20MHZ

6、工作電源：220V±5%50HZ±2%

7、具備靈活的視窗作業系統

主要性能特點

1、採用低噪聲、高靈敏度、高穩定性的紅外探測器。

2、整機模組化設計，提高了儀器的可靠性。

3、電子天平自動在線上。

4、WINDOWS全中文操作界面，操作方便，易於掌握。

5、軟體功能齊全，提供檔案幫助、系統監測、通道選擇、數理統計、結果校正、斷點修正、系統診斷等四十多項功能。

6、動態顯示分析過程中的各項數據和碳、硫釋放曲線。

7、測量線性範圍寬，並可擴展。

8、高頻電路設計合理，高頻爐功率可調，適合於不同材質樣品分析要求。

9、爐頭自動清掃裝置，可減少粉塵對分析結果的影響。

10、爐頭加熱裝置，使硫的轉化率趨於一致，提高了硫測定的穩定性。

11、測量線性範圍寬，並可擴展。

技術要求

1、 工作環境：室內溫度 10-30℃

相對濕度 小於75%

2、 電源：要求接地良好

電壓 AC220V±5%

頻率 50Hz±2%

3、 氧氣：純度≥99.5%

輸入壓力 0.18MPa±5%

載氧壓力 0.08MPa±2%

4、 動力氣：氧氣

輸入壓力 0.18MPa±5%

5、 氣體流量：頂吹氧流量 1.0-2.0L/min

分析氣流量 3.0-4.0 L/min

6、 乾燥劑：高效變色乾燥劑

儀器工作原理

參見高頻紅外碳硫分析儀結構框圖。圖中深黑色線連線的是電路系統，淺黑色線連線的是氣路系統，虛線方框內所示的是裝在禁止恆溫箱中的部件。

CO2、S O2等極性分子具有永久電偶極矩，因而具有振動、轉動等結構。按量子力學分成分裂的能級，可與入射的特徵波長紅外輻射耦合產生吸收，朗伯—比爾定律反應了此吸收規律。

I=I0exp(－aPL)

式中：I0——入射光強

I——出射光強

a—— 吸收係數

P——該氣體的分壓強

L——分析池的長度

HCS－500型紅外碳硫分析儀利用了CO2及SO2分別在4.26μm及7.4μm處具有較強吸收帶這一特性，通過測量氣體吸收後的光強變化量,分析CO2及SO2氣體濃度百分含量，間接確定被測樣品中的碳、硫元素的百分含量。

分析室包括紅外光源、反射鏡、調製盤、吸收池、濾光片和探測器。紅外光源用電加熱到800℃左右產生紅外輻射光，經調製器把光信號調製成80Hz的交變信號入射到吸收池，該紅外光經吸收池中的CO2及SO2 氣體吸收後，再經過窄帶濾光片濾去除上述波長外的其它光輻射的能量，入射到探測器上，則探測器上測到的是與CO2及SO2氣體濃度相對應的光強，經過探測器光電轉化為電信號，放大後輸出模擬量信號，經A/D模數轉換後，通過USB通信口送上位微機歸一化處理，積分反演為碳硫元素的百分含量。

HCS－500型髙頻紅外碳硫儀的分析流程為：分析時先在電子天平上稱得樣品重量，輸入微機，也可通過鍵盤輸入，加入助熔劑後送進髙頻爐燃燒室，開始分析，第一階段為吹氧階段，首先打開相應電磁閥，按分析流程通氧氣，目的清除管道內殘留的CO2及SO2氣體，當CO2及SO2 氣體含量為零時，被測氣體分壓強P為零，這時採到信號為純氧條件基準信號V0；第二階段為分析釋放階段，打開髙頻爐，加熱樣品到釋放溫度，這時樣品在髙溫富氧條件下立即氧化生成CO2及SO2氣體，由氧氣作載氣輸送到吸收池，放大器輸出信號隨被測氣體濃度增加而減少，經歸一化處理後，對每個數據進行線性化定標，分析結束後對線性定標數據進行面積積分、乘以係數、除以樣品重量，扣除空白獲得樣品中碳、硫元素的百分含量。

信號採集單元

科果HCS-500型高頻紅外碳硫分析儀在紅外吸收信號的數字採樣單元部分，採用了行業通用的高穩定可靠的24bitΔΣ的CS54XX系列晶片作為數字採樣的核心晶片，該晶片可以實現高達16K/s的採樣頻率，數據採樣快速高效。該晶片內部自帶ΔΣ計算單元，數字比較濾波器和高通濾波器，可以有效地過濾採樣過程中的雜質信號。

在採樣晶片的外圍電路設計上我們獨家採用了高精度的電壓基準晶片提供給採樣用的比較電壓，完全改善了以往設計中由於線形電源紋波變化導致的採樣數據的個體漂移。

在對採樣晶片的控制和數據讀取上我們摒棄了以往產品通過普通的8051單片機軟體程式控制的方式,採用了現在電路設計最流行的大規模FPGA晶片設計技術和快速光藕隔離技術，我們設計了對採樣晶片的硬體處理過程的算法，從而可以實現對採樣晶片的高速採集和高速控制。並且這種設計使得對採集晶片的控制完全不需要占用CPU的處理時間，徹底解決了以往設計中由於CPU採集數據處理不及時帶來的數據缺失和與PC軟體通信過程異常中斷(USB中斷)的相關問題。

中央數據處理單元

科果HCS-500型高頻紅外碳硫分析儀為了實現儀器的高性能處理能力，我們不再採用以往設計用的簡單價廉的主頻只有22M的8051單片機，以上8位的8051單片機遠遠不能滿足儀器所需要的實時處理速度。科果HCS-500型高頻紅外碳硫分析儀的中央數據處理單元獨家採用目前處理主頻高達200Mhz的高性能工業級ARM9處理器，記憶體和快閃記憶體都採用了32M存儲空間的高速晶片。我們在處理器軟體設計上採用了開源的Linux實時作業系統，控制軟體設計上採用基於面向對象的設計方法，保證了程式的最最佳化和高可靠性。在處理器與採樣晶片接口上使用FPGA作為中間驅動晶片和數據緩衝器，對外部控制閥門採用FPGA實現了並行處理緩衝器驅動快速隔離光藕控制相應的連線埠。由於我們採用了高速的CPU和採集晶片使用FPGA的硬體處理，所以該儀器將分析採樣次數提高到每秒10萬次以上，而現有其它儀器使用8位8051系列單片機的採樣次數一般為8000/16000次。

高速的CPU將採集到的數據進行實時數據分析，將數據進行逐次逼近和機率統計計算，然後把得到的有效數據存入32M的大容量SDRAM中。

數據傳輸單元

高頻紅外碳硫分析儀在行業上率先推出了融合高速USB和乙太網TCP/IP協定的雙通訊接口。較現有其他基於低速串口和部分廠家的USB單接口的儀器可以更好的提供便利的現場安裝。該儀器在使用高速USB和乙太網與PC進行通信上由於採用了Linux作業系統經過驗證的底層驅動，所以儀器分析通信過程中保證了通訊的高穩定和數據的可靠性。這和現有一些儀器採用8051單片機驅動USB晶片的簡易通信方式有技術上的本質區別，低速的8051單片機在同時分析採樣數據和處理USB協定時會出現處理中斷的情況，這就是現有一些儀器容易出現的USB通訊中斷的原因。而高頻紅外碳硫分析儀採用的是具有16級流水線結構的ARM9處理器和實時多任務Linux作業系統，保證了通信和數據採集過程的並行處理能力，軟體設計上採用了多執行緒多任務處理技術，實現了數據採集和傳輸的時間誤差在us級。在採集數據傳輸控制中我們依靠底層CPU的高實時性進行獨立採樣，對數據處理採用了底層數據佇列緩衝技術、多數據校驗冗餘技術。使得數據的採集點的分布和數量不再受數據傳輸而影響分析結果的準確性。儀器如果採用PC機的連續定時採集方法來採集分析數據點，而由於現在的PC上的桌面作業系統都是非實時系統，所以採集數據上都會出現採樣點的間隔時間的大小偏移，這樣必然導致分析結果的不確定性。高頻紅外碳硫分析儀為避免這種弊端提出了全新的設計思想，完全實現了採樣點的高實時性和採樣點的時間間隔的準確性。在傳輸協定上通過PC上位機系統套用軟體不斷請求數據，底層系統將處理好的佇列緩衝數據實時組包傳送。每一組數據包採用佇列鍊表結構，以免數據傳輸缺失或錯誤。

系統構成如圖：

套用軟體

1、快速輸入、人機互動更便捷。

對於需要用戶輸入的數據或指令，諸如“分析方法”的選擇、樣品的選擇、樣品重量的鍵入等人機互動的操作，直接列於主界面，主要用戶可以快速選擇或輸入數據。下圖為分析軟體的主界面。

2、人性化設計，參數設定靈活方便。

例如在高頻功率曲線的設定上採用“熱點”拖拽的方法，即用滑鼠單曲線上的某個熱點（圖中小紅點），可以進行拖拽設定不同類型的功率曲線。而且還可以對節點進行精確修改、增加、插入、刪除等編輯操作。

3、採用“分析方法”概念。

對分析參數而言，捨棄傳統的“通道”的概念，採用“分析方法”這個概念，使用戶更容易理解。而且分析方法的新建、修改、刪除等都非常方便。

4、軟體功能強大。

在資料庫的管理上，實現了數據的自動存儲、擁有功能強大、多重過濾資料庫檢索引擎，工作曲線的同步顯示、存儲、放大及多重曲線的多層次比較、分析結果word報表輸出等幾十種功能。

線性化定標新技術

線性化定標新技術——多元非線性擬合方法

採用全量程範圍多元非線性擬合方法，以實現在檢測範圍內非常高的線性度。紅外碳硫分析儀是通過檢測CO2及SO2氣體對紅外輻射吸收量來分析物質中的碳硫元素含量；線性化定標是儀器數據中關鍵技術，由於朗伯比爾定律是符合指數規律，又因紅外濾光片具有一定頻寬，氣體吸收係數不是常數，因而要獲得積分面積線性化定標是十分困難。我們經過多年研究和實驗，終於線上性化定標技術上實現了重大突破，在全量程範圍內獲得非常高的線性度。

恆壓穩流除塵系統

根據氣動原理，設計了恆壓恆流供氧、自動清掃爐頭、自動排塵，有效地減少粉塵對硫元素分析的影響。氣路部件包括電磁閥、氣缸、氣路管、氣路接頭全部採用義大利CAMOZZI氣動有限公司進口元件，電磁閥壽命達百萬次以上，氣缸採用無油潤滑技術，適用於惡劣現場環境，從根本上解決了國內產品常見的氣路系統的可靠性和密封性難題。

整機結構

整機採用模組化一體化設計，高頻爐部分和紅外檢測部分實現隔離，減少高頻爐振蕩產生的電磁波對紅外信號的干擾；電源系統採用固態電源模組，防塵、簡潔可靠；連線大多採用高頻禁止線，避免高頻干擾，提高了整個儀器電路的可靠性。

高頻爐的設計

1、高頻爐輸入功率為2.5千瓦，選用3.5KW風冷陶瓷功率管並使其工作在丙類工作狀態，提高了功率輸出的穩定性及元件壽命。

2、主振電容採用額定電流達一百安培的真空陶瓷電容，具有極低的介質損耗、優良的穩定性，有效提高了可靠性及功率輸出的穩定性。

3、採用高Q值鐵氧體芯表面具有高抗氧化鍍層的感應線圈；設有冷卻風道，加強冷卻風扇功率，提高了功率元件的熱穩定性。

程式升溫功能

1、根據樣品中碳硫元素釋放要求設定最佳熔樣溫度。

2、在高碳樣品分析時，可以通過調整高頻爐功率控制釋放速度提高分析精度。

3、在超低碳分析時通過程式升溫有效處理樣品表面吸附碳及坩堝中的碳空白的影響，提高低碳分析精度。

紅外檢測系統

核心部件紅外檢測池選用高效、長壽命的貴金屬微型紅外光源及金屬反射鏡；調製系統採用單片機控制的高精度步進電機，達到了調製頻率的長期穩定；採用紅外熱釋電固體光錐型感測器、窄帶濾光片，使整機有極高的檢測靈敏度，可有效檢測ppm級的碳硫含量。

高頻紅外碳硫分析儀日常使用與維護保養

1、高頻紅外碳硫分析儀分析樣品所用的坩堝需要馬弗爐中加熱溫度升到1000度到1200度，恆溫2小時後，自然冷卻至一定溫度時，取出放乾燥器中冷至室溫備用。

2、分析低含量樣品所用的鎢粒需在恆溫箱中，加熱至200度烘2小時後，取出在乾燥器中冷卻後使用。

3、高頻紅外碳硫分析儀設定了高頻輸出功率調節，在未打開儀器電源之前，用萬用表測試電網電壓後，將換檔開關撥至電網電壓基本一致的檔位上，開始調試儀器。方法是當然界電網電壓為220V時，調至230V檔為減小輸出功率，調至210檔為增加輸出功率。

4、打開總氧氣閥門，打開儀器電源，按技術員所教操作。

5、每天儀器示打開電源前或分析200個樣品後，需清掃一次過濾網及整個爐腔。

6、每天應檢查高頻爐正前方的乾燥劑和脫脂棉。一旦發現乾燥劑1/3變紅或結塊，都應立即更換。脫脂棉長期使用1/3變黃後，也應立即更換。更換時將旋轉試管下方的螺桿，使試管下降至能離開上端面為止，取出試管，更換後按原裝好擰緊，檢查不漏氣為止。

7、每月應清洗過濾網一次，清洗方法是：按上述“清掃方法”取出過濾網後，再取出過濾網上、下兩隻密封圈，將粉塵清掃後，放入超音波清洗器中，在清洗槽內加入蒸餾水和洗潔精。打開超音波清洗器電源。30分鐘後取出過濾網，用蒸餾水反覆清洗後，用無水乙醇清洗。最後取出過濾網用電吹風乾或放入烘箱烘乾，裝上、下O型密封圈，塗上真空矽脂，按原位老媽子，檢查不漏氣為止。

10、高頻紅外碳硫分析儀使用時每季度應檢查經過壓緊閥內部的矽橡膠管，若發現有老化或彈性不好時應立即更換。