高频红外碳硫分析仪线性化定标新技术

线性化定标新技术——多元非线性拟合方法

采用全量程范围多元非线性拟合方法，以实现检测范围内非常高的线性度。红外碳硫分析仪是通过检测CO2及SO2气体对红外辐射吸收量来分析物质中的碳硫元素含量；线性化定标是仪器数据中关键技术，由于朗伯比尔定律是符合指数规律，又因红外滤光片具有一定带宽，气体吸收系数不是常数，因而要获得积分面积线性化定标是十分困难。我们经过多年研究和实验，终于在线性化定标技术上实现了重大突破，在全量程范围内获得非常高的线性度。

1、快速输入、人机交互更便捷。

对于需要用户输入的数据或指令，诸如“分析方法”的选择、样品的选择、样品重量的键入等人机交互的操作，直接列于主界面，主要用户可以快速选择或输入数据。

2、人性化设计，参数设置灵活方便。

例如在高频功率曲线的设置上采用“热点”拖拽的方法，即用鼠标单曲线上的某个热点（图中小红点），可以进行拖拽设置不同类型的功率曲线。而且还可以对节点进行精确修改、增加、插入、删除等编辑操作。

3、采用“分析方法”概念。

对分析参数而言，舍弃传统的“通道”的概念，采用“分析方法”这个概念，使用户更容易理解。而且分析方法的新建、修改、删除等都非常方便。

4、软件功能强大。

在数据库的管理上，实现了数据的自动存储、拥有功能强大、多重过滤数据库检索引擎，工作曲线的同步显示、存储、放大及多重曲线的多层次比较、分析结果word报表输出等几十种功能。

高频红外碳硫分析仪在行业上率先推出了融合高速USB和以太网TCP/IP协议的双通讯接口。较现有其他基于低速串口和部分厂家的USB单接口的仪器可以更好的提供便利的现场安装。该仪器在使用高速USB和以太网与PC进行通信上由于采用了Linux操作系统经过验证的底层驱动，所以仪器分析通信过程中保证了通讯的高稳定和数据的可靠性。这和现有一些仪器采用8051单片机驱动USB芯片的简易通信方式有技术上的本质区别，低速的8051单片机在同时分析采样数据和处理USB协议时会出现处理中断的情况，这就是现有一些仪器容易出现的USB通讯中断的原因。而高频红外碳硫分析仪采用的是具有16级流水线结构的ARM9处理器和实时多任务Linux操作系统，保证了通信和数据采集过程的并行处理能力，软件设计上采用了多线程多任务处理技术，实现了数据采集和传输的时间误差在us级。在采集数据传输控制中我们依靠底层CPU的高实时性进行独立采样，对数据处理采用了底层数据队列缓冲技术、多数据校验冗余技术。使得数据的采集点的分布和数量不再受数据传输而影响分析结果的准确性。仪器如果采用PC机的连续定时采集方法来采集分析数据点，而由于PC上的桌面操作系统都是非实时系统，所以采集数据上都会出现采样点的间隔时间的大小偏移，这样必然导致分析结果的不确定性。高频红外碳硫分析仪为避免这种弊端提出了全新的设计思想，完全实现了采样点的高实时性和采样点的时间间隔的准确性。在传输协议上通过PC上位机系统应用软件不断请求数据，底层系统将处理好的队列缓冲数据实时组包发送。每一组数据包采用队列链表结构，以免数据传输缺失或错误。

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。

科果HCS-500型高频红外碳硫分析仪在红外吸收信号的数字采样单元部分，采用了行业通用的高稳定可靠的24bitΔΣ的CS54XX系列芯片作为数字采样的核心芯片，该芯片可以实现高达16K/s的采样频率，数据采样快速高效。该芯片内部自带ΔΣ计算单元，数字比较滤波器和高通滤波器，可以有效地过滤采样过程中的杂质信号。

在采样芯片的外围电路设计上我们独家采用了高精度的电压基准芯片提供给采样用的比较电压，完全改善了以往设计中由于线形电源纹波变化导致的采样数据的个体漂移。

在对采样芯片的控制和数据读取上我们摒弃了以往产品通过普通的8051单片机软件程序控制的方式,采用了电路设计最流行的大规模FPGA芯片设计技术和快速光藕隔离技术，我们设计了对采样芯片的硬件处理过程的算法，从而可以实现对采样芯片的高速采集和高速控制。并且这种设计使得对采集芯片的控制完全不需要占用CPU的处理时间，彻底解决了以往设计中由于CPU采集数据处理不及时带来的数据缺失和与PC软件通信过程异常中断(USB中断)的相关问题。

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。

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

根据气动原理，设计了恒压恒流供氧、自动清扫炉头、自动排尘，有效地减少粉尘对硫元素分析的影响。气路部件包括电磁阀、气缸、气路管、气路接头全部采用意大利CAMOZZI气动有限公司进口元件，电磁阀寿命达百万次以上，气缸采用无油润滑技术，适用于恶劣现场环境，从根本上解决了国内产品常见的气路系统的可靠性和密封性难题。

整机采用模块化一体化设计，高频炉部分和红外检测部分实现隔离，减少高频炉振荡产生的电磁波对红外信号的干扰；电源系统采用固态电源模块，防尘、简洁可靠；连线大多采用高频屏蔽线，避免高频干扰，提高了整个仪器电路的可靠性。

1、高频炉输入功率为2.5千瓦，选用3.5KW风冷陶瓷功率管并使其工作在丙类工作状态，提高了功率输出的稳定性及元件寿命。

2、主振电容采用额定电流达一百安培的真空陶瓷电容，具有极低的介质损耗、优良的稳定性，有效提高了可靠性及功率输出的稳定性。

3、采用高Q值铁氧体芯表面具有高抗氧化镀层的感应线圈；设有冷却风道，加强冷却风扇功率，提高了功率元件的热稳定性。

1、根据样品中碳硫元素释放要求设置最佳熔样温度。

2、在高碳样品分析时，可以通过调整高频炉功率控制释放速度提高分析精度。

3、在超低碳分析时通过程序升温有效处理样品表面吸附碳及坩埚中的碳空白的影响，提高低碳分析精度。

核心部件红外检测池选用高效、长寿命的贵金属微型红外光源及金属反射镜；调制系统采用单片机控制的高精度步进电机，达到了调制频率的长期稳定；采用红外热释电固体光锥型传感器、窄带滤光片，使整机有极高的检测灵敏度，可有效检测ppm级的碳硫含量。

高频红外碳硫分析仪日常使用与维护保养

1、高频红外碳硫分析仪分析样品所用的坩埚需要马弗炉中加热温度升到1000度到1200度，恒温2小时后，自然冷却至一定温度时，取出放干燥器中冷至室温备用。

2、分析低含量样品所用的钨粒需在恒温箱中，加热至200度烘2小时后，取出在干燥器中冷却后使用。

3、高频红外碳硫分析仪设置了高频输出功率调节，在未打开仪器电源之前，用万用表测试电网电压后，将换档开关拨至电网电压基本一致的档位上，开始调试仪器。方法是当然界电网电压为220V时，调至230V档为减小输出功率，调至210档为增加输出功率。

4、打开总氧气阀门，打开仪器电源，按技术员所教操作。

5、每天仪器示打开电源前或分析200个样品后，需清扫一次过滤网及整个炉腔。

6、每天应检查高频炉正前方的干燥剂和脱脂棉。一旦发现干燥剂1/3变红或结块，都应立即更换。脱脂棉长期使用1/3变黄后，也应立即更换。更换时将旋转试管下方的螺杆，使试管下降至能离开上端面为止，取出试管，更换后按原装好拧紧，检查不漏气为止。

7、每月应清洗过滤网一次，清洗方法是：按上述“清扫方法”取出过滤网后，再取出过滤网上、下两只密封圈，将粉尘清扫后，放入超声波清洗器中，在清洗槽内加入蒸馏水和洗洁精。打开超声波清洗器电源。30分钟后取出过滤网，用蒸馏水反复清洗后，用无水乙醇清洗。最后取出过滤网用电吹风干或放入烘箱烘干，装上、下O型密封圈，涂上真空硅脂，按原位老妈子，检查不漏气为止。

10、高频红外碳硫分析仪使用时每季度应检查经过压紧阀内部的硅橡胶管，若发现有老化或弹性不好时应立即更换。

1：仪器名称： 高频红外碳硫分析仪

2：仪器型号：CS-2800

3：仪器原产地：中国

4：仪器简介： 适用于冶金、机械、科研、化工及商检质检等各行业黑色、有色、陶瓷、稀土及磁性材料中的 碳硫元素含量的准确测定。

5：仪器用途 ：适用于冶金、机械、科研、化工及商检质检等各行业黑色、有色、陶瓷、稀土及磁性材料中的碳硫元素含量的准确测定。

6：仪器参数 ：

测量范围 : 低碳 : 0.0001-0.2%（1） 高碳 : -6%（2） 低硫 : 0.0001-0.3%（1）

注 : （1）可根据用户需要设定 （2）可根据用户需要确定其它测量范围.

灵 敏 度 : 碳 : 0.00001% 低硫 : 0.00001%

精密度（样品检测）: 低碳 : 0.0001% 或1%（相对偏差） 低硫 : 0.0001%或1%（相对偏差）

高碳 : 0.01%或0.5%（相对偏差）

样品称量 : 通常为0.5g （钢和铸铁）

燃 烧 炉 : 高频感应炉18MHz;2.2KVA

灰尘清扫 : 自动

检 测 器 : 固态红外检测器

7：其他参数：

化学试剂 : 高氯酸镁;碱石棉

载 气 : 氧气 99.5%;0.2-0.4MPa; 3l/min

动 力 气 : 压缩空气; 0.2-0.4Mpa

电 源 : 230VAC 10P/60Hz， 最大15A

质 量 : 分析器90kg

尺 寸 : 宽*高*深 ：55*77*76cm

8：仪器特点：

1、高频感应加热碳硫联测

2、高精度固态红外检测器 高低含量自动切换

3、先进的电子质量流量计

4、粉末冶金材质的金属粉尘过滤器

5、自动清扫炉子粉尘

CS995高频红外碳硫分析仪基本参数：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，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。

CS995高频红外碳硫分析仪分析软件

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。