高频红外碳硫分析仪器检测原理

CO2、SO2等极性分子具有永久电偶极矩，因而具有振动和转动等结构。按量子力学分成分裂的能级，可与入射的特征波长红外光耦合产生吸收，气体分子在红外光波段，具有选择性吸收谱图，当特定波长的红外光通过CO2或SO2气体后，能产生强烈的光吸收。

由于探测器是将光信号转换为电信号，当探测器工作在线性区域内，选定某一特定波长并且确定了分析池（吸收池）长度时，由测量光强能换算出混合气体中被测气体的浓度，这就是红外吸收法能定量测量气体浓度的基本原理。本仪器选定的测量波长：CO2为4.26um，SO2为7.4um。

分析室包括微型红外光源，反光镜，调制电机，吸收池，滤光片和探测器。微型红外光源用电加热到800℃产生红外光，经吸收池被CO2、SO2吸收后再经过窄带滤光片，滤去除上述波长外的其他光辐射的能量，入射到探测器上，则探测器上检测到的是与CO2、SO2浓度相对应的光强，经过探测器光电转化为电信号，再经微机进行归一化定标处理，积分反演成为碳硫元素的百分含量。在光源与吸收池之间放有调制马达，把光信号调制成64Hz的交变辐射信号。探测器输出的中心频率为64Hz。

由热释电器件转化为电信号经前置放大和后级放大后通过数模转换进入微机，在微机中经线性化运算使之转换成与CO2、SO2含量成比例的数值。

高频红外碳硫分析仪器基本参数

：仪器性能及附件

测定元素：碳硫联测

分析原理：高频炉燃烧—红外线吸收法检测

分析范围：碳：0.0001%-10.0000%(可扩至99.999%)

硫：0.0001%-2.0000%(可扩至99.999%)

称样量（固体钢标）：标准0.5g

分析精度：符合GB/T20123-2006标准

符合ISO15350:2000标准

灵敏度（最小读数）：C/S：0.1ppm

分析时间：20-100秒可调（通常为35秒）

工作周期：24h连续运转

高频感应加热炉：

1.高频炉输出功率：2500W；频率：20MHz

2.自动检漏，过时、过流报警

3.电流/电压/功率/选择方式调节炉温：适合于不同材质的样品

4.气路：高精度流量控制器保证气流稳定及进口气路系统

粉尘过滤器：0.4微米超微孔金属过滤器，确保粉尘与气体的完全分离

炉头加热：提高硫的转化率，使硫分析结果稳定

除尘系统：自动清扫：可减少粉尘对分析结果的影响

排灰系统：高压排灰，彻底清除管道灰尘

检测系统：1.电路设计：整机采用双CPU上、下位机模块化设计，下位机选用Atmega162为控制单片机，电子线路高度集成，稳定可靠；

2.采样：采用高速24位ADS1224采样芯片，采样精度高；

3.通讯：上下位机采用USB2.0接口通讯，大大提高了通讯速度；

4.连接：红外检测部分与高频炉采用安捷伦1521/2521高速光纤连接（国内首创），配合多级隐蔽式隔离电路，彻底杜绝了高频干扰；

5.电源：工业级一体化线性模块电源，输出稳定，无故障；

6.光源：特制新型铂金红外线光源，发热持续、光谱特性效率高；

7.分析池：镀金碳硫分析池及高精度热释电红外探测器；

8.电机： 步进电机，热稳定性好，连续使用寿命10万小时。

高频红外碳硫分析仪器分析软件

操作软件：采用Deliph软件编译，WINDOWS XP全中文操作软件。

分析通道：提供通道管理功能，碳硫通道可自行增加、删除和编辑，无数量限制；

预置低碳和高硫接口，可实现软件自动切换。

分析功能：分析过程动态数据积分、每秒20次采样，提高了分析的灵敏度和准确度；

提供样品管理功能，可对样品名称、标识进行编辑，并可增加和删除样品名；

软件提供多用户管理系统，可由管理员设置不同用户权限。

显示功能：碳硫各一个曲线框，动态显示分析过程中的各项实时数据和碳、硫释放曲线。

数据处理功能：分析结果采用ACCESS数据库方式存储，可存储每次分析碳硫的所有数据及曲线；

分析结果随意查询，可根据时间、操作员、样品名称、标识等多方面查询;

提供曲线/数据存储、空白扣除、参数设定、通道选择、数理统计、结果校正、曲线比较等多项功能;

可在软件中实现碳硫工作曲线的生成并进行曲线拟合。

打印功能：打印模式多样化，提供了化验室和检测站两种打印模式，并可自行设计打印格式。

自诊断功能：系统诊断功能，可由软件实现检测炉头和气室的密封性。

红外碳硫分析仪 1台

台式高频感应燃烧炉 1台

赛多利斯丹佛电子天平TP-114 1台

清华同方商用微机(18.5LCD) 1套

HP1007激光打印机（A4纸） 1台

仪器备件 1套2100433B

参见高频红外碳硫分析仪结构框图。框图中深黑色线连接的是电路系统，浅黑色线连接的是气路系统，虚线方框内所示的是装在屏蔽恒温箱中的部件。

CO2、S O2等极性分子具有永久电偶极矩，因而具有振动、转动等结构。按量子力学分成分裂的能级，可与入射的特征波长红外辐射耦合产生吸收，朗伯—比尔定律反应了此吸收规律。

I=I0exp(－aPL)

式中：I0——入射光强

I——出射光强

a—— 吸收系数

P——该气体的分压强

L——分析池的长度

HCS－500型红外碳硫分析仪利用了CO2及SO2分别在4.26μm及7.4μm处具有较强吸收带这一特性，通过测量气体吸收后的光强变化量,分析CO2及SO2气体浓度百分含量，间接确定被测样品中的碳、硫元素的百分含量。

分析室包括红外光源、反射镜、调制盘、吸收池、滤光片和探测器。红外光源用电加热到800℃左右产生红外辐射光，经调制器把光信号调制成80Hz的交变信号入射到吸收池，该红外光经吸收池中的CO2及SO2 气体吸收后，再经过窄带滤光片滤去除上述波长外的其它光辐射的能量，入射到探测器上，则探测器上测到的是与CO2及SO2气体浓度相对应的光强，经过探测器光电转化为电信号，放大后输出模拟量信号，经A/D模数转换后，通过USB通信口送上位微机归一化处理，积分反演为碳硫元素的百分含量。

HCS－500型髙频红外碳硫仪的分析流程为：分析时先在电子天平上称得样品重量，输入微机，也可通过键盘输入，加入助熔剂后送进髙频炉燃烧室，开始分析，第一阶段为吹氧阶段，首先打开相应电磁阀，按分析流程通氧气，目的清除管道内残留的CO2及SO2气体，当CO2及SO2 气体含量为零时，被测气体分压强P为零，这时采到信号为纯氧条件基准信号V0；第二阶段为分析释放阶段，打开髙频炉，加热样品到释放温度，这时样品在髙温富氧条件下立即氧化生成CO2及SO2气体，由氧气作载气输送到吸收池，放大器输出信号随被测气体浓度增加而减少，经归一化处理后，对每个数据进行线性化定标，分析结束后对线性定标数据进行面积积分、乘以系数、除以样品重量，扣除空白获得样品中碳、硫元素的百分含量。

科果HCS-500型高频红外碳硫分析仪为了实现仪器的高性能处理能力，我们不再采用以往设计用的简单价廉的主频只有22M的8051单片机，以上8位的8051单片机远远不能满足仪器所需要的实时处理速度。科果HCS-500型高频红外碳硫分析仪的中央数据处理单元独家采用处理主频高达200Mhz的高性能工业级ARM9处理器，内存和闪存都采用了32M存储空间的高速芯片。我们在处理器软件设计上采用了开源的Linux实时操作系统，控制软件设计上采用基于面向对象的设计方法，保证了程序的最优化和高可靠性。在处理器与采样芯片接口上使用FPGA作为中间驱动芯片和数据缓冲器，对外部控制阀门采用FPGA实现了并行处理缓冲器驱动快速隔离光藕控制相应的端口。由于我们采用了高速的CPU和采集芯片使用FPGA的硬件处理，所以该仪器将分析采样次数提高到每秒10万次以上，而现有其它仪器使用8位8051系列单片机的采样次数一般为8000/16000次。

高速的CPU将采集到的数据进行实时数据分析，将数据进行逐次逼近和概率统计计算，然后把得到的有效数据存入32M的大容量SDRAM中。

高频红外碳硫分析仪技术指标

1、 测量范围：

碳：0.0001%-10.0000%(可扩至99.999%)

硫：0.0001%-2.000%(可扩至99.999%)

2、 准确度及精密度：

准确度： 碳符合ISO9556-94标准

硫符合ISO4935-94标准

精密度： 符合国家计量检定规程JJG395-97标准

3、 分析时间：25-60秒可调，一般在35秒左右

4、 最小读数：0.00001%

5、 电子天平：称量范围：100g以上

读数精度：0.001g（可选配精度为0.0001g的电子天平）

高频红外碳硫分析仪技术要求

1、 工作环境：室内温度 10-30℃

相对湿度 小于75%

2、 电源：要求接地良好

电压 AC220V±5%

频率 50Hz±2%

3、 氧气：纯度≥99.5%

输入压力 0.18MPa±5%

载氧压力 0.08MPa±2%

4、 动力气：氧气

输入压力 0.18MPa±5%

5、 气体流量：顶吹氧流量 1.0-2.0L/min

分析气流量 3.0-4.0 L/min

6、 干燥剂：高效变色干燥剂

高频红外碳硫分析仪高频燃烧炉配合红外碳硫分析仪能快速、准确地测定铁合金、高中低钢、锰钢、铸造用材料、灰、球铁、矿石、硅铁、锰铁、镍铁、个铁等各种材料。该产品采用国际、国内先进技术，是集光．机、电、计算机、分析技术于一体的高新技术产品，多项技术国内领先，分析碳硫两个元素各16个通道，共32个通道可任意搭配，选择范围宽。整机采用台湾进口电磁产供销，关键部件均采用高质量元件，保证了仪器的稳定性和高品质。

高频红外碳硫分析仪主要技术参数

1、测量范围：碳：0.0001-10.0000%（可扩至99.999%）

硫：0.0001-0.3500%（可扩至99.999%）

2、分析时间：一般在35秒左右（不含取样、称样时间）

3、分析误差：碳符合ISO9556-89标准硫符合ISO4935-89标准

4、燃烧功率：2.5KVA-3.5KVA（可调）

5、震荡频率：20MHZ

6、工作电源：220V±5PHZ±2%

7、具备灵活的视窗操作系统

高频红外碳硫分析仪主要性能特点

1、采用低噪声、高灵敏度、高稳定性的红外探测器。

2、整机模块化设计，提高了仪器的可靠性。

3、电子天平自动联机。

4、WINDOWS全中文操作界面，操作方便，易于掌握。

5、软件功能齐全，提供文件帮助、系统监测、通道选择、数理统计、结果校正、断点修正、系统诊断等四十多项功能。

6、动态显示分析过程中的各项数据和碳、硫释放曲线。

7、测量线性范围宽，并可扩展。

8、高频电路设计合理，高频炉功率可调，适合于不同材质样品分析要求。

9、炉头自动清扫装置，可减少粉尘对分析结果的影响。

10、炉头加热装置，使硫的转化率趋于一致，提高了硫测定的稳定性。

11、测量线性范围宽，并可扩展。

技术要求

1、 工作环境：室内温度 10-30℃

相对湿度 小于75%

2、 电源：要求接地良好

电压 AC220V±5%

频率 50Hz±2%

3、 氧气：纯度≥99.5%

输入压力 0.18MPa±5%

载氧压力 0.08MPa±2%

4、 动力气：氧气

输入压力 0.18MPa±5%

5、 气体流量：顶吹氧流量 1.0-2.0L/min

分析气流量 3.0-4.0 L/min

6、 干燥剂：高效变色干燥剂