红外碳硫分析仪与高频感应燃烧炉配套使用，能快速、准确地测定钢、铁、合金、有色金属、水泥、矿石、玻璃及其它材料中碳、硫两元素的质量分数。是集光、机、电、计算机、分析技术等于一体的高新技术产品，具有测量范围宽、分析结果准确可靠等特点。由于采用了计算机技术，仪器的智能化、屏幕显示的图、文及数据的采集、处理等都达到了目前国内先进水平，是诸多行业测定碳、硫两元素理想的分析设备。

QL-HW2000Q高频红外碳硫分析仪

（粉末、稀有金属材料专用）

QL-HW2000Q技术改进型能快速、准确地测定粉末、稀有金属、铁合金、不锈钢、碳钢、合金钢、铸铁、球铁、有色金属、稀土金属、水泥、矿石、焦炭、煤，炉渣、陶瓷、催化剂、铸造型芯砂、铁矿、无机物有机物及其它材料中碳、硫两元素的含量。 该产品是国际、国内先进技术融合的结晶，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，整机性能可与进口产品相媲美，2009年认定为江苏省名牌产品。具有测量范围宽、抗干扰能力强、功能齐全、操作简单、分析结果快速准确等特点。产品专利号：ZL2004 2 0080129.X 科学技术成果号：93A2005Y0015

主要技术参数：

◇测量范围：碳0.00001%-99.999%  、硫0.00001%-99.999%  

◇分析时间：20-60秒可调，一般35秒  

◇测量精度：碳硫符合JJG395-97标准

◇准确度：碳符合ISO9556标准、硫符合ISO4935标准    

◇燃烧功率：大于2.5KVA       

◇振荡频率：20MHZ 

◇灵敏度：碳：0.00001%、硫：0.00001%

◇秒样范围：0-120克 ；炉内温度：0-1800℃

主要特点：

◇专用矿石、粉末、稀有金属、焦炭煤及其他金属、有色金属和非金属材料，适用于各种特殊材料中碳、硫检测要求，超微孔金属粉末过滤装置，高精度流量准确恒压恒流，分析数据稳定可靠；

◇具备HW2000B的全部功能；

◇感应线圈自带冷却系统，表面加有保护层，长期使用；

◇开机2分钟即可进入测试，无需通过燃烧样品加热；

◇红外系统排除吸附，间隔或连续测试同样稳定；

◇测量池：测碳两池体，测硫一池体（根据客户配置）；

◇高频电路优化设计，功率可调，碳硫转化率高。

高频红外碳硫分析仪

一、 仪器用途

HCS－500型高频红外碳硫分析仪是上海科果仪器有限公司以热释电传感器为核心，由高频感应燃烧炉和计算机组成的智能化红外分析计量仪器。分析软件基于Windows操作平台，具有标准Windows中文操作界面和人性化的人机交互功能。主要用于冶金、机械、商检、科研、化工等行业中的黑色金属、有色金属、稀土金属、无机物、矿石、陶瓷等物质中的碳、硫元素含量分析。

二、 仪器型号

HCS－500高频碳硫分析仪由电子天平、分析仪主机、计算机、打印机等部分组成。

三、 技术指标

1 .碳硫测量范围：

C：(0―10.0)％

S： (0―1. 0)%

样品称重：0.2g~0.5g

2 .重复性：

分析仪的重复性用相对标准偏差(RSD)表示

碳RSD：≤0.5%

硫RSD：≤1.5%

3 .示值误差：

对不同测量范围，其测得的平均值与标准值之差（称示值误差）不得超过下表规定。

示值误差

含碳量（%） 示值误差（%）

>0－0.0100 ±0.0005

>0.010－0.100 ±0.005

>0.100－1.00 ±0.010

>1.00－4.00 ±0.03

>4.00－10.00 ±0.07

含硫量（%） 示值误差（%）

>0－0.0100 ±0.0005

>0.010－0.050 ±0.003

>0.050－0.100 ±0.004

>0.100－1.000 ±0.020

4．天平称量范围 0.001g—100g

5．分析时间：30s¬—60s

四、技术要求

1. 环境温度：(15～30)℃

2. 相对湿度：60％

3. 供电电源：电压220V10%

频率50Hz2％

功率5KVA

接地电阻≤4欧姆

4.分析气： 氧气纯度99.5％，钢瓶压力：>3MPa

钢瓶输出压力 0.35—0.40MPa

5. 动力气： 氮气或压缩空气（净化）

钢瓶输出压力 0.25—0.30MPa，钢瓶压力：>1MPa

如仪器的动力气也选配减压过滤器，则应将钢瓶输出压力调至 0.35—0.40MPa

6. 气体流量：测量分析气 3.0—4.0L/min

动 力 气 1.0～2.0L/min

7. 化学试剂：高效变色干燥剂、高效二氧化碳吸收剂（碱石棉）

五、仪器工作原理

科果HCS－500型红外碳硫分析仪结构框图

参见HCS－500型上海科果仪器有限公司高频红外碳硫分析仪结构框图。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4.26m及7.4m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。

一、信号采集单元

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,采用了现在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。

二、中央数据处理单元

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目前处理主频高达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。

三、数据传输单元

科果HCS-500型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。而科果HCS-500型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，而由于现在的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。科果HCS-500型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。

系统构成如图：

四、应用软件

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。下图为分析软件的主界面。

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。

五、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，以实现在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。

六、恒压稳流除尘系统

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。

七、整机结构

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。

八、高频炉的设计

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。

九、程序升温功能

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。

十、红外检测系统

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。