红外吸收法碳硫分析仪

红外吸收法碳硫分析仪

红外吸收碳硫分析仪根据配置不同的高温炉可以组合包括高频炉-红外吸收碳硫分析仪，电弧炉-红外吸收碳硫分析仪和管式炉-红外吸收碳硫分析仪三种，而以高频炉-红外吸收碳硫分析仪应用最为广泛。它们的主要区别在于高温炉系统（提取单元）的不同，分别为高频炉，电弧炉和管式炉（电阻炉），其它部分基本相似。

高频炉具有加热快、温度高、操作简单等特点，是目前应用最广泛的髙温炉。随着电子元件的发展，高频炉输出功率也在不断地提髙，至今用于测定碳硫的高频炉输出功率通常达2kW左右。

红外吸收法分析依据是朗伯-比尔定律，其最大特点是不消耗化学试剂，没有化学反应冗长繁琐的操作，人为因素（误差）小。虽然一次性投资较高，但分析成本低，对环境无污染，在进行批量分析时，有较好的综合经济效益。高频红外线分析法具有高效、低耗、干净的特点。

1 仪器工作原理

红外碳硫分析是利用CO2、SO2对红外线的选择性吸收这一原理实现的。

红外线是指波长为0.78~1000μm的电磁波，分为三个区域：近红外区为0.78~2.5μm，中红外区为2.5~25μm，远红外区为25~1000μm。绝大部分的红外仪器工作在中红外区。红外线的特性接近可见光，所以也称红外光。它与可见光一样直线传播，遵守光的反射和透射定律，但它又不同于可见光，与可见光相比，它有三个显著特点：

第一，在整个电磁波谱中，红外波段的热功率最大；

第二，红外线能穿透很厚的气层或云雾而不致产生散射；

第三，红外线被物质吸收后，热效应变化显著，且易于控制。

许多物质对红外线都能产生选择性吸收，CO2、SO2是其中之一。CO2的最大吸收位于4.26μm，SO2的最大吸收位于7.35μm。CO2、SO2对红外线的吸收同样服从光的吸收定律：朗伯-比耳定律，即：

T = I/I0

1O g I0/I = KC1

式中，T为透射比；I0为入射光强度；I为透射光强度；K为吸收系数；C为CO2或SO2浓度；1为气体光径长度。

碳硫含量的测定：先在电子天平上称得样品的质量（也可以在其它天平称量后，通过键盘输入），并输入计算机，然后被测样品在助熔剂存在和富氧条件下，由高频炉高温加热燃烧使碳、硫氧化成CO2和SO2气体，该气体经处理后进入相应的吸收池，对相应的红外辐射进行吸收再由探测器转化成对应的电信号。此信号经采样及转换，由计算机经线性校正后转换成与CO2和SO2浓度成正比的数值，然后把整个分析过程的取值累加，分析结束后，此累加值在计算机中除以质量值，再乘以校正系数、扣除空白，即可获得样品中碳、硫百分含量。

2 仪器的基本组成与结构

碳硫仪一般由样品的被测组分的提取单元、净化单元、检测单元和数据处理单元等四部分及外加附属气路构成。提取单元就是把样品中的被测组分碳和硫转变成方便检测器能够检测的形式。目前一般采用给样品加热，使样品在氧气气氛中熔融燃烧，样品中的碳转化为

二氧化碳和一氧化碳，硫转变为二氧化硫，所以提取单元也称为加热单元。目前主流的碳硫仪都采用高频感应加热或用电阻炉加热，以前也采用过电弧炉。净化单元用于氧气及燃烧气的净化。检测单元就是把被测组分的浓度转换成后续数据处理单元能够处理的信号，主要是电信号：电压、电流或者电阻。目前的主流碳硫仪采用红外吸收法。数据处理单元一般采用单板机或者计算机，采集卡从检测单元采集到被测组分的有效电信号，转换成数字信号送到单板机或者计算机中进行数据处理，计算出被测组分的含量。图1为高频红外碳硫分析仪结构示意图。

图1 高频红外碳硫分析仪结构示意图

红外碳硫分析仪的基本结构及各部分的功能：

（1）高频炉：使样品熔融燃烧。

（2）红外吸收池：用于测量CO2和SO2气体的浓度。

（3）净化系统：净化载气和反应气，除去其中的灰尘、杂质及水分。

（4）恒温系统：使被测气体及检测池温度恒定。

（5）气路系统：提供反应气和动力气。

（6）数据处理和控制系统：控制仪器的运行及计算碳硫含量。

（7）稳流系统：使载气的流量稳定。

2.1 加热炉系统

加热炉系统有高频感应炉，电阻炉，电弧炉。目前大部分碳硫仪都采用高频感应炉，我们将详细讲述高频感应炉。

2.1.1 高频感应炉

高频感应炉主要由高频振荡电路、燃烧室，及炉子的升降部分构成。在高振荡频率的电磁场中，金属感应生成涡流。涡流属于高频振荡电流，它的趋肤效应使物体表面通过较大的电流密度，从而使材料发高热。这种应用感应涡流的加热方式叫做高频感应加热。图2 为高频感应炉。

高频感应炉结构图高频感应炉实物照片

图2 高频感应炉

高频感应炉的加热原理是将样品及助熔剂送入到交变磁场中，利用金属颗粒在交变磁场中产生的涡流，从而使样品加热熔融直至燃烧。因为是在一定压力（一般是1.5bar）的氧气气氛中，样品中的碳主要转变为二氧化碳和微量的一氧化碳，硫转变为二氧化硫。高频感应炉主要由高频振荡电路、燃烧室，及炉子的升降部分构成。虽然目前的碳硫仪市场有众多的产品型号，但各家的仪器原理基本相同。我们在这里就以某公司的碳硫仪为例进行讲述。

（1）高频振荡器

高频振荡器实物如图3所示

图3 高频感应炉的高频振荡器照片

振荡电路的周期和频率：电磁振荡完成一次周期性变化需要的时间叫做周期（T）；一秒钟内完成周期性变化的次数叫频率（f）。它们之间的关系为

，

LC f π21

=

式中L 、C 分别为振荡电路的等效电感、电容。

在无阻尼振荡电路中，它的振荡周期是由电路本身性质决定的，这个周期叫做振荡电路的固有周期，相应的频率叫做固有频率，简称振荡电路的周期、频率。

图4为电容三点式振荡电路。

图4电容三点式振荡电路

把输出端的信号反馈回输入端也可采用电容分压的形式，如图？所示

图4中直流电源通过RC 加到振荡管屏极（阳极），C 3是隔直耦合电容，C E 是阴极旁路电容，L 和C 1，C 2组成的振荡回路接在屏极与栅极之间，C 1，C 2串联组成回路电容。构成图中LC 回路的回路电容，又构成了由C 1，C 2分压的反馈电路，反馈信号从C 2上取出。从

交流等效电路来看C 1和C 2串联后共有三个端点与振荡管三个极相连，

通常称它为电容三点式振荡电路

所谓反馈就是从放大器输出端取出一部分信号通过某种方式馈送到输入电路中，如果反馈信号与外给输入信号相位相反即起到削弱输入信号的作用这就是负反馈。而作为振荡器则必须利用正反馈，这时反馈信号与输入信号同相位，即它们之间的相位差为0或360

要使放大器足以产生自激振荡的条件除了满足上述相位条件外还对反馈信号的幅度有—定要求，即反馈信号的幅度应足够大，只有这样即使无外加输入信号，电路也能维持稳定的输出成为振荡器。

由此，我们得出振荡器形成稳定振荡所必须同时具备的两个条件：

1）相位平衡条件，反馈信号与输入信号同相。

2）振幅平衡条件，在维持稳定输出的条件下，反馈信号必须满足输入信号的幅度要求。

这种振荡电路的振荡频率可按下面公式进行计算，

式中，C 是C1和C2的串联值，

图5 高频振荡电路图

图5 为高频振荡电路图。电路部分可以分为高压部分和低压部分，或者分为振荡部分和补偿部分。经过升压整流后送入到高频电路的电压大约有5000 V高压，所以没有电工经验的操作人员在没有断电的情况下不要轻易的打开高频振荡器箱。电路的左半部分为振荡的补偿电路，核心部件是振荡管，由振荡管的栅极控制补偿右半部分的振荡电路振荡所损失的电压。右半部分为振荡电路，因有左边能量损失的补偿，产生谐振。核心部件为感应线圈，在感应线圈内产生交变磁场，如若内部有金属样品，将产生涡流。因振荡管和感应线圈在工作时将产生大量热量，高频箱都要有冷却部分，一般采用鼓风机、离心风机或者风扇进行风冷。感应线圈通常采用外风冷或内外风冷（由于高频电流的集肤效应通常振荡线圈用铜管制成）有的厂家在外部涂有防氧化涂料。

（2）燃烧室

燃烧室主要由燃烧管、坩埚托、密封椎、氧枪、清扫刷、陶瓷热保护套等构成如图6。坩埚托将样品送入到感应线圈的正中央，样品及助熔剂发生高频感应燃烧。氧气由氧枪进入，直接吹到坩埚内部，保证样品燃烧完全。因燃烧温度高，氧化反应激烈，会有喷溅，一般会在坩埚上方加有保护氧枪及燃烧管装置-陶瓷热保护套。因为样品燃烧产产生大量灰尘，要加自动清扫装置。

（3）炉子升降机构

样品怎样被送入到燃烧管中？现在的碳硫仪一般采用气缸推动。图6A为典型示意图。动力气由箭头处进入倒向阀，当炉子上升时，气缸下进气管进气，上面进气管出气；炉子下降时，气缸上进气管进气，下进气管出气。图中的动力气路装有防夹伤保护装置，气缸壁上装有磁力开关。当活塞上升的位置处于磁力开关下方时，下进气管的的动力气来自于减压阀，压力一般调到0.2bar左右，压力比较低，不会产生夹伤。当活塞运动到磁力开关的上方时，气缸的下进气管的动力气的压力直接来自于动力气的压力，保证了炉子的密封性。

图6 燃烧室图6A 碳硫仪的炉子升降机构

2.1.2电阻炉

这是一种历史悠久的高温炉，早在上个世纪二三十年代就广泛应用于碳硫含量的测定，随着科学技术的发展从形状及温度控制方式都不断在改进（图7）。

普通管式炉双管管式炉敞口管式炉立式管式炉

图7 各种型式的管式炉

电阻炉通常也称管式炉，它的加热部分均为电阻发热元件，电阻炉的结构都比较简单，由加热元件及温控组成。

（1）加热及控制元件

电阻炉（图8）的加热元件最初采用普通电阻丝，加热温度比较低通常可达1000℃，有的采用硅碳棒，加热最高温度能够到达1500℃；有的采用钼丝加热，温度可达1200℃；有的采用硅钼棒加热，温度更是可以高达2000℃。可根据不同使用情况进行选择。

图8电阻炉组成

（2）燃烧管

电阻炉的燃烧管大部分采用刚玉管，也有的采用石英管（图9）。

图9 电阻炉的燃烧管

（3）进气方式

说起电阻炉，就得谈到进气方式。以前老式的电阻炉，采用密封方式，将样品推入到燃烧管的髙温区后，立刻将燃烧管用带氧气进气管的橡皮塞塞起来，利用气体本身的压力差将被测组分带入到检测单元。而现在有的电阻炉改变了这种进气方式，为敞口气封式。氧气由炉口进入，主要部分由气泵牵引，作为燃烧气，载气，将被测组分带到检测池，另外一部分气，即超出气泵牵引的那部分气体，从炉子出口处往外吹，进行封闭，避免空气的进入。这种进气方式避免了塞塞子瞬间造成的气流波动，使系统气流更稳定。

需要特别指出的是立式管式炉，它是我国冶金战线上的广大科技工作者在上个世纪七十年代为适应冶金工业的高速发展，提高分析速度（以秒计算）而展开的高速分析高潮中创造出来的，曾为我国缩短炼钢周期立下过汗马功劳。它是把原来横放的管式炉立起来，样品直接倒入磁管中立即塞上胶皮塞通氧使样品燃烧，这样省去了磁舟推入后的予热时间又节省了磁舟，因此即提高了分析速度使碳硫分析的时间缩短到60秒之内满足了转炉冶炼的要求，而且由于省去了磁舟，从而进一步降低了分析成本。在高频红外碳硫仪普及应用之前，在各钢厂的炉前分析中曾被广泛使用。

2.1.3电弧炉

这也是我们中国人的独创，也是上个世纪七十年代为满足炼钢工业的需要而发展起来的一种替代管式炉的高温炉，主要用于炉前分析，它是在一密闭的容器中通入足量的氧气用低电压大电流产生的火花让钢铁样品加热燃烧，使样品中的碳和硫氧化生成CO2和SO2送入检测系统进行检测，最初的设备很简单下电极为一黄铜坩埚而上电极为一能上下活动的铜管即当上电极又是氧气的通入管，工作时上下电极分别接通36伏电源，将称重后的样品加入铜坩埚中后使其与绝缘的上电极密封，上电极的铜管中通入氧气同时向下移动使其与样品接触产生火花让样品加热燃烧。随着时间的推移，大家不断总结实践中的经验使其不断完善以致于最后形成一种设备（如图10）。由于电弧只起到一个点火作用，所以如何维持燃烧，使样品充分熔融燃烧就成了大家最关注的焦点，涉及到氧气的供给，助燃剂的种类及加入量等等。有关方面的科技工作者在理论及实践上曾做了深入的研究工作，总结出了大量的经验，感兴趣的可以查看。

1-燃烧室 2-电弧引燃装置 3-顶样装置

图10电弧炉

2.2 检测系统

现在的碳硫分析仪的检测系统一般采用红外吸收法。利用气体对特定波长的红外光吸收的特性，依据朗伯－比尔定律设计而成。碳一般转化为二氧化碳，利用4.25μm这条谱线；硫转化为二氧化硫，利用7.35μm这条谱线。

红外检测系统一般由红外光源，红外光调制部分，红外光径，滤光片，检测器，前置放大器等组成。图11为红外检测池结构示意图。

（1）红外光源（2）切光器马达（3）切光器（4）气室入口（5）气室出口（6，

9）滤光片（7，8）传感器（10，11）气室（12）信号处理及输出

图11 红外检测池结构示意

红外光源发出一定波长范围的红外光，由切光器变成一段一段，固定频率的脉冲光，然后经过红外光径，经滤光片到达相应的检测器。气体在恒定的温度下以一定速度、压力、从红外光径的一端进入，另外一端流出。当被测组分的浓度发生变化时，到达相应检测器的红外光的强度就会发生变化，从而相应前置放大器的输出就会发生变化。这个变化符合朗伯－比尔定律。

2.3 气路系统

（1）载气（净化、气流控制、灰尘过滤）

在测定碳、硫时，氧作为载气需要净化，主要是去除H2O和CO2 。有的载气氧中含有微量的甲烷等烷烃类的杂质，影响低碳的测定，则需在氧气通道上加一个加热催化炉氧化甲烷，使其转化为CO2和H2O，再用碱石棉和过氯酸镁去除，达到净化载气氧的作用。

（2）动力气（炉子升降机构）

（3）典型气路系统（气源、压力调节、净化、气流控制、灰尘过滤），如图12所示。

图12 红外吸收碳硫分析仪的典型气路系统

2.4 仪器系统控制及软件

（1）仪器系统控制分：过程控制，流量控制，温度控制，信号采集及处理，应用软件等。

（2）过程控制：控制从称样开始到给出分析结果的整个过程

（3）流量控制：载气流量的控制是非常重要的，它是保证分析结果稳定的重要条件之—，控制方式通常分手动和自动，自动控制系统通常称电子流量计，它是由流量传感器和电子控制部分组成的闭环控制系统

（4）温度控制：检测系统温度的稳定也是分析结果稳定的重要因素之一，从气态方程中我们可以看出气体浓度是受温度和压力的影响，气体浓度与温度成反比，而与压力成正比。

（5）信号采集及处理：对检测到的信号进行采集及处理，这样才能最终得到分析结果。