CN105486879A - 一种立式管式炉红外碳硫分析仪 - Google Patents

一种立式管式炉红外碳硫分析仪 Download PDF

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Abstract

一种立式管式炉红外碳硫分析仪器，属于材料中气体元素分析技术领域。包括管式炉加热系统(1)，全自动加样系统，带真空泵气路系统，红外检测系统，信号采集及信号处理系统；全自动加样系统安装在管式炉加热系统(1)的下方，将盛有样品的坩埚推送到燃烧管内；真空泵安装在气路末端，实现整个气路系统气流的稳定；红外检测系统(7)安装在管式炉加热系统(1)和真空泵之间，对燃烧后的分析气中的二氧化碳和二氧化硫进行检测；数据采集和控制系统通过数据连接线分别与温控装置(18)、红外检测系统(7)、全自动加样装置(8)连接，对信号进行控制和采集。优点在于，分析快速，结果稳定。

Description

一种立式管式炉红外碳硫分析仪
技术领域
本发明属于材料中气体元素分析技术领域，特别是提供了一种立式管式炉红外碳硫分析仪；用于碳钢、合金钢、不锈钢、铸铁、球铁等黑色金属，铜、钴、镍等有色金属，镨、钕、镝等稀土金属，水泥、陶瓷、矿石、煤、焦炭、炉渣、催化剂、原油、橡胶等固体和液体无机和有机材料中的碳、硫快速分析。
背景技术
本发明涉及一种管式炉加热系统、全自动加样系统、带真空泵的气路系统和红外检测系统，特别适用于材料中碳和硫组分的分析。
传统的管式炉碳硫分析仪中加热炉、燃烧管及硅碳棒均采用水平安装模式，样品盛放在瓷舟中，手动推入燃烧管内，通氧燃烧，然后进行分析。水平安装的燃烧管和加热元件在高温和重力影响下容易变形、断裂；冷态的瓷舟在推入高温燃烧管时，也会造成燃烧管由于温差过大引起断裂，从而大大缩短了燃烧管和硅碳棒的使用寿命。另外传统方法中使用瓷舟盛放样品，使用空间有限，样品容易遗撒，样品燃烧后的产物容易飞溅或遗漏在燃烧管中，从而使燃烧管的使用寿命缩短。
传统的定位装置只采用光电传感器单一定位方式。由于传送带在传送过程中存在位置误差，导致定位不准；
传统的气路设计采用氧气单向供气，炉膛水平结构，样品燃烧过程不充分，时间长，通常需要3～5分钟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种立式管式炉红外碳硫分析仪，采用垂直安装的高温加热炉和全自动加样系统，适用于材料中碳、硫组分的快速分析。
本发明包括管式炉加热系统1，全自动加样系统，带真空泵气路系统，红外检测系统，信号采集及信号处理系统。
全自动加样系统安装在管式炉加热系统1的下方，将盛有样品的坩埚推送到燃烧管内；真空泵安装在气路末端，实现整个气路系统气流的稳定；红外检测系统7安装在管式炉加热系统1和真空泵之间，对燃烧后的分析气中的二氧化碳和二氧化硫进行检测；数据采集和控制系统通过数据连接线分别与温控装置18、红外检测系统7、全自动加样装置8连接，对信号进行控制和采集。
本发明由全自动加样系统送入立式管式炉的待测样品在通氧气条件下被加热燃烧，释放出来的CO2、SO2混合气体由真空泵抽取，载入处在恒温环境的红外检测系统进行检测，红外检测系统的信号由数据采集卡采集并经计算机进行运算处理最终得到待测样品中碳和硫的质量分数。
其中，管式炉加热系统1由炉膛2、硅碳棒3、燃烧管4、温控装置18组成。四根硅碳棒3均匀分布在炉膛2内，环绕在炉膛2中心的燃烧管4四周，对其进行加热，加热温度由安装在系统内部的温控装置18调节控制；
全自动加样系统由全自动加样装置8、坩埚5、气缸推送装置6组成。坩埚5放置在气缸推送装置6的上端，全自动加样装置8在气缸推送装置6左侧水平位置(正视图)；全自动加样装置8由激光传感器发射器19，激光传感器接收器20，链条式传送带21，花瓣式限位装置22，机械手23，电机24、坩埚5组成。激光传感器发射器19和接收器20分别安装在链条式传送带21的两侧，坩埚5放置在链条式传送带21上，花瓣式限位装置22与链条式传送带21同步转动，转速由安装在链条式传送带21下方的电极24控制，内侧的机械手23得到指令后自动抓取坩埚5；
带真空泵气路系统由真空泵9、炉前气路净化系统10、氧枪气11、炉室气12、载气入口13、炉后气路净化系统14、分析气出口17组成。载气(氧气)由载气入口13进入分析仪，经过炉前净化系统10分为氧枪气11和炉室气12分别从上下两端进入燃烧管4，分析气由出口17排出经过炉后气路净化系统14，最后由真空泵9抽取，保持3L/min的流量；
数据采集及控制系统由数据采集及控制模块15、计算机系统16组成。数据采集及控制模块15与计算机系统16通过数据线连接。
本发明的碳硫分析仪中管式炉加热系统采用垂直的安装模式，其中,燃烧管(4)和硅碳棒(4)均为垂直安装；防止燃烧管和硅碳棒在工作时由于重力原因在中间高温部位发生变形或断裂。
本发明的碳硫分析仪中管式炉系统采用上下两端进气，分别为从上端吹入的氧枪气和下端吹入的炉室气。
本发明的碳硫分析仪采用陶瓷坩埚作为样品装载容器，每次分析坩埚由气缸垂直推送到燃烧管高温区，样品被加热燃烧。坩埚与燃烧管不接触，避免急剧的温差变化导致燃烧管开裂。
本发明的碳硫分析仪采用全自动(或手动)加样系统作为样品加载机构。通过计算机可以选择采用手动或全自动加样系统。手动加样系统中每次分析由人工取下或放置坩埚。全自动加样系统中由机械手抓取位于坩埚定位杯上的坩埚，实现坩埚的取放。
本发明的碳硫分析仪中全自动加样系统采用激光和机械相结合的定位方式，保证坩埚的取放位置准确。独创的花瓣式限位装置与链条式传送带上的坩埚同步运行，实现了对坩埚位置误差的补偿。
本发明的碳硫分析仪中全自动加样系统采用链条式传送带实现坩埚的传送。传动链条采用智能控制的电机带动，保证每次坩埚的顺序定位，传动链条保证10个-500个坩埚的自动传动。
本发明的碳硫分析仪中气路采取载气和真空泵联合工作的开环模式，通过控制真空泵的抽速实现气流的稳定。
本发明的碳硫分析仪中检测系统采用不分光红外检测器，通过检测燃烧产物中的二氧化碳和二氧化硫实现样品中碳和硫的含量检测。
本发明碳硫分析仪中采用计算机控制的信号采集及信号处理系统，实现被测二氧化碳和二氧化硫的标定和检测。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.垂直安装的管式炉——保证燃烧管和硅碳棒的使用寿命更持久；
2.气缸垂直推送的坩埚装载样品——坩埚与燃烧管不接触，保证燃烧更充分，结果更可靠；
3.氧枪气和炉室气相结合的双向气流供气系统——保证分析时间小于90秒，分析更加快速；
4.载气和真空泵联合工作的开环模式——保证流量更稳定；
5.激光和机械相结合的定位方式——保证坩埚的取放位置准确；
6.智能控制的自动加样系统——可实现10-500个坩埚的自动传动及分析。
附图说明
图1为本发明碳硫分析仪中的结构示意图。其中，管式炉加热系统1、管式炉炉膛2、硅碳棒3、燃烧管4、坩埚5、气缸推送装置6、红外检测器7、全自动加样装置8、真空泵9、炉前气路净化系统10、氧枪气11、炉室气12、载气入口13、炉后气路净化系统14、数据采集及控制模块15、计算机系统16、分析气出口17、温控装置18。
载气(氧气)由载气入口13进入分析仪，经过炉前净化系统10去除载气中的杂质。然后分为两路，分别是氧枪气11和炉室气12从上下两端进入燃烧管4。燃烧管4和硅碳棒3安装在管式炉炉膛2内，且燃烧管4在炉膛中间位置，硅碳棒3环绕在燃烧管四周对其加热，加热温度由温控装置18控制。样品盛在坩埚5内，由气缸推送装置6推送进入燃烧管中间高温区。坩埚5由全自动加样装置8夹持放在气缸推送装置6上。分析气由分析气出口17经过炉后气路净化系统14进入红外检测器7，真空泵9在气路末端抽取气体，稳定气流。
红外检测器7、全自动加样装置8和温控装置18由数据采集及控制模块15进行数据采集和控制，并通过计算机系统16输出。
图2为本发明碳硫分析仪中全自动加样装置8的结构示意图。其中，激光传感器发射器19，激光传感器接收器20，链条式传送带21，花瓣式限位装置22，机械手23，电机24、坩埚5。
具体实施方式
图1、图2为本发明的一种具体实施方式。
本发明包括管式炉加热系统1、全自动加样系统、带真空泵气路系统、红外检测系统7、数据采集及控制系统组成。全自动加样系统安装在管式炉加热系统1的下方，将盛有样品的坩埚推送到燃烧管内；真空泵安装在气路末端，实现整个气路系统气流的稳定；红外检测系统7安装在管式炉加热系统1和真空泵之间，对燃烧后的分析气中的二氧化碳和二氧化硫进行检测；数据采集和控制系统通过数据连接线分别于温控装置18、红外检测系统7、全自动加样装置8连接，对信号进行控制和采集。
其中，管式炉加热系统1由炉膛2、硅碳棒3、燃烧管4、温控装置18组成；全自动加样系统由全自动加样装置8、坩埚5、气缸推送装置6组成；全自动加样装置8由激光传感器发射器19，激光传感器接收器20，链条式传送带21，花瓣式限位装置22，机械手23，电机24、坩埚5组成；带真空泵气路系统由真空泵9、炉前气路净化系统10、氧枪气11、炉室气12、载气入口13、炉后气路净化系统14、分析气出口17组成；数据采集及控制系统由数据采集及控制模块15、计算机系统16组成。
首先，由管式炉加热系统1的温控装置18设定加热温度。管式炉加热系统1中由温控装置18控制的大电流通过硅碳棒3产生高温，加热其中的燃烧管4，并在燃烧管中间区域内形成高温区。
其次，由带真空泵气路系统控制并稳定碳硫分析仪的气流。载气接入入口13，由入口13通过炉前气路净化系统10净化其中杂质。后分为两路，分别是燃烧管4上端的氧枪气11和下端的炉室气12，进入燃烧管4参与样品燃烧。真空泵9位于整个气路末端，参与整个气路的气流控制。一般气流稳定在3L/min。
然后，进入碳硫分析仪的分析过程。
第一步，根据计算机系统16设置开始全自动加样。全自动加样装置8中电机24带动链条式传送带21转动，将坩埚5置于加样位置，花瓣式限位装置22同步运行，激光传感器发射器19发射的激光被坩埚5遮挡，激光传感器接收器20得到反馈，机械手23开始抓取坩埚5。机械手23首先转动到花瓣式限位装置22进行机械定位校准，然后抓取坩埚5。将坩埚5放置于气缸推送装置6。气缸推送装置6将坩埚推送至管式炉燃烧管4中。
第二步，坩埚5中样品在管式炉加热系统1的燃烧管4中被加热燃烧，释放出分析气(二氧化碳和二氧化硫)。燃烧管4上端的氧枪气11和下端的炉室气12共同参与样品燃烧，由真空泵的定量抽取保证系统流量的稳定，一般控制在3L/min。坩埚5中样品燃烧后的分析气经过燃烧管4上端的分析气出口17排出，通过炉后气路净化系统14净化，进入红外检测系统7。
第三步，数据采集和处理
燃烧后分析气(二氧化碳和二氧化硫)由载气携带进入红外检测系统7，并在其中产生随浓度变化的检测信号，由数据采集及控制系统15采集，并传输到计算机系统16进行处理，最终得到坩埚5中样品的碳、硫质量分数。

Claims (5)

1.一种立式管式炉红外碳硫分析仪，其特征在于，包括管式炉加热系统(1)，全自动加样系统，带真空泵气路系统，红外检测系统，信号采集及信号处理系统；
全自动加样系统安装在管式炉加热系统(1)的下方，将盛有样品的坩埚推送到燃烧管内；真空泵安装在气路末端，实现整个气路系统气流的稳定；红外检测系统(7)安装在管式炉加热系统(1)和真空泵之间，对燃烧后的分析气中的二氧化碳和二氧化硫进行检测；数据采集和控制系统通过数据连接线分别与温控装置(18)、红外检测系统(7)、全自动加样装置(8)连接，对信号进行控制和采集；
全自动加样系统送入立式管式炉的待测样品在通氧气条件下被加热燃烧，释放出来的CO2、SO2混合气体由真空泵抽取，载入处在恒温环境的红外检测系统进行检测，红外检测系统的信号由数据采集卡采集并经计算机进行运算处理最终得到待测样品中碳和硫的质量分数。
2.根据权利要求1所述的红外碳硫分析仪，其特征在于，所述的管式炉加热系统(1)由炉膛(2)、硅碳棒(3)、燃烧管(4)、温控装置(18)组成；四根硅碳棒(3)均匀分布在炉膛(2)内，环绕在炉膛(2)中心的燃烧管(4)四周，对其进行加热，加热温度由安装在系统内部的温控装置(18)调节控制。
3.根据权利要求1所述的红外碳硫分析仪，其特征在于，所述的全自动加样系统由全自动加样装置(8)、坩埚(5)、气缸推送装置(6)组成；坩埚(5)放置在气缸推送装置(6)的上端，全自动加样装置(8)在气缸推送装置(6)左侧水平位置；
全自动加样装置(8)由激光传感器发射器(19)，激光传感器接收器(20)，链条式传送带(21)，花瓣式限位装置(22)，机械手(23)，电机(24)、坩埚(5)组成；激光传感器发射器(19)和接收器(20)分别安装在链条式传送带(21)的两侧，坩埚(5)放置在链条式传送带(21)上，花瓣式限位装置(22)与链条式传送带21同步转动，转速由安装在链条式传送带21下方的电极24控制，内侧的机械手(23)得到指令后自动抓取坩埚(5)。
4.根据权利要求1所述的红外碳硫分析仪，其特征在于，所述的带真空泵气路系统由真空泵(9)、炉前气路净化系统(10)、氧枪气(11)、炉室气(12)、载气入口(13)、炉后气路净化系统(14)、分析气出口(17)组成；载气由载气入口(13)进入分析仪，经过炉前净化系统(10)分为氧枪气(11)和炉室气(12)分别从上下两端进入燃烧管(4)，分析气由出口(17)排出经过炉后气路净化系统(14)，最后由真空泵(9)抽取，保持3L/min的流量。
5.根据权利要求1所述的红外碳硫分析仪，其特征在于，所述的数据采集及控制系统由数据采集及控制模块(15)、计算机系统(16)组成；数据采集及控制模块(15)与计算机系统(16)通过数据线连接。
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