CN108287143B - 一种等温式红外碳硫分析气室及红外碳硫分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等温式红外碳硫分析气室及红外碳硫分析仪，该等温式红外碳硫分析气室包括红外光源调制单元，所述红外光源调制单元的一侧设有硫气室座，所述硫气室座通过硫吸收池管与红外光源调制单元对接；其特征在于，还包括用于将红外光源调制单元产生的热量传送给硫气室座的第一热管。本发明的红外碳硫分析气室热平衡能力强，运行过程可自动实现光源端和硫气室座端温度差的缩减，减小温度漂移对测量结果的影响；采用硅酸盐类非金属材料管替代传统的金属材质的硫吸收池管，红外光受设备影响的损耗减小，有利于测量结果准确度的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种等温式红外碳硫分析气室及红外碳硫分析仪，属于材料检测设备领域。
背景技术
红外碳硫分析仪是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。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、硫元素定量分析。
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。
式中的I和I0是同一吸收池和探测器得到的。I0值是在分析前吹氧气时入射到探测器上光强，I值是在测量过程中瞬时光强，然后由热释电器件转化为电信号经前置放大、后级放大后通过数模转换进入计算机，在计算机中经线性化运算使之转换成与CO2及SO2含量成比例的数值。
测量经吸收后红外光的强度便能计算出相应气体的浓度，这便是红外气体分析的理论根据。红外碳硫分析仪利用了CO2、SO2分别在4.26μm、7.4μm处，具有较强的特征吸收带这一特性，通过测量气体吸收光强度的变化，分析CO2、SO2含量，间接确定被测样品中的碳、硫元素的百分含量。
分析室包括微型红外光源调制单元、反射镜、调制盘、吸收池、滤光片和探测器。微型红外光源调制单元产生的红外光，经吸收池被CO2或SO2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或SO2浓度相对应的光强，经过探测器光电转化为电信号。再经计算机进行归一化定标处理，积分反演为碳硫元素的百分含量。在光源与吸收池之间放有马达调制器，把光信号调制成80Hz的交变辐射信号。探测器输出中心频率为80Hz。
一般地，碳硫分析的流程为：先在电子天平上称得样品的重量自动并输入计算机（也可以在其它天平称量后，通过键盘手动输入），然后被测样品在富氧条件下由高频感应加热燃烧使碳、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信号。此信号由计算机采样，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重量值，再乘以校正系数、扣除空白，即可获得样品中碳、硫百分含量。
图1为一种现有红外碳硫分析气室的结构简图，其主要包括红外光源调制单元7、设置于红外光源调制单元7右侧的碳气室单元5及相关气路接口，还包括硫气室单元，硫气室单元的硫吸收池管3的左端与红外光源调制单元7连通。如前面所述，红外光源调制单元工作时，需加热到800℃左右才会产生红外光，也就是说，此时与红外光源调制单元7接近的部位温度为800℃左右，然而，硫气室单元距离红外光源调制单元较远，故硫气室单元所在侧的温度较低。因而，现有红外碳硫分析气室的光源端和滤光片、探测器所在一端温度差波动较大，这样易产生温度漂移，增大检测误差。而且，红外光源调制单元7一般仅靠一风机进行散热，往往存在散热不充分而导致局部温度过高的问题，影响测量结果的准确度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种热平衡能力强的等温式红外碳硫分析气室，以降低红外碳硫分析气室各处的温度差，减小温度漂移对测量结果的不利影响。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种等温式红外碳硫分析气室，包括红外光源调制单元、碳气室单元和硫气室座，所述硫气室座通过硫吸收池管与红外光源调制单元对接；还包括用于将红外光源调制单元产生的热量传送到硫气室座的第一热管。
通过第一热管的设置，可高效地将红外光源调制单元产生的热量传送至硫气室座，在降低红外光源调制单元内温度的同时，提升硫气室座内温度，从而减小两者温度差，解决传统红外碳硫分析气室中温度漂移对测量结果存在不利影响的问题。另外，可使得滤光片、探测器等灵敏部件处于较佳的温度环境内，例如，可使探测器温度保持在较佳温度范围内（可将温度设置在25-50℃之间与分析条件相适应的恒温点），在提升测量精确度的同时，提升各器部件的使用寿命。
进一步地，所述第一热管可采用普通市售热管。进一步地，所述第一热管包括两相闭式热虹吸管、旋转热管中的一种。
优选地，所述第一热管包括壳体，壳体内设有与壳体形状匹配的毛细吸液芯，该毛细吸液芯的内部留有供工质蒸汽通过的流道。
进一步地，所述第一热管沿长度方向依次分为蒸发段和传热平衡末段，传热平衡末段伸入硫气室座内。
优选地，第一热管的数量为多根，分别分布于硫吸收池管的周围。
为了减小红外光在硫吸收池管内的损耗，所述硫吸收池管由硅酸盐类非金属材料制成。进一步地，硫吸收池管内壁镀一层金。优选地，所硅酸盐类非金属材料为玻璃。
优选地，还包括冷却机构，该冷却机构安装于碳气室单元的顶部，进一步优选地，该冷却机构具有温度自动调节能力，当碳气室单元温度超过一定值时，冷却机构启动，使得碳气室单元温度回复至正常工作温度。
进一步地，该冷却机构具有智能控温能力，可设置用于监测碳气室单元顶部温度的热电偶，并将热电偶与冷却机构的控制部分电连接，这样可根据需要进行设定，当热电偶检测到温度高于一（设）定值时，冷却机构开启，对碳气室单元端进行降温，以维持碳气室单元端和硫气室端的温度平衡。
进一步地，所述冷却机构包括机械式冷却机构，如风扇，也可为水冷式冷却机构等。
进一步地，还包括中空的外壳，所述红外光源调制单元、碳气室单元和硫气室座设置于外壳内，该外壳内设有若干用于搅动外壳内空气的风机。将红外碳硫分析气室的主体零部件均置于相对密封的外壳内，并在外壳内设置风机，风机的设置可加强外壳内碳气室单元和硫气室座附近温差空气的对流，从而加快碳气室端和硫气室座所在端的温度平衡，从而减少红外碳硫分析气室的开机等待时间，使得红外碳硫分析气室开机后可快速投入使用，既有利于仪器使用寿命的延长，也有利于提高工作效率和节约能源。
碳气室单元设置于红外光源调制单元右侧，与硫气室单元构成双气室结构，可同时实现对碳、硫元素的测量。
进一步地，所述红外光源调制单元和硫气室座之间设有中空的导热体，所述第一热管和硫吸收池管均设置于导热体内。
优选地，所述导热体由金属材料制成，导热体的外壁上设有多个散热片。进一步优选地，所述导热体由铝或铝合金材料制成。
所述导热体与红外光源调制单元、硫气室座一体成型。
导热体一方面可与第一热管协同作用，一起将红外光源调制单元产生的热量导向硫气室座，另一方面可向外界散热，降低红外碳硫分析气室整体的热量保有量，而散热片的设置可进一步提升导热体的散热能力。此外，导热体的设置使得红外碳硫分析气室整体性更强，为整体模块化设计，有利于红外碳硫分析仪的安装调试及检修。
所述导热体的宽度为红外光源调制单元宽度的1.25-2倍，所述第一热管的数量至少为3根，优选地，第一热管的数量为6根。适当提升导热体的宽度，可提升抗温度波动能力，有利于测量结果准确度的提升。
进一步地，可将电路板紧贴加宽后的导热体安装，以优化相关电子器件的工作温度环境。
作为本发明的一种实施方式，导热体内腔由上至下依次分为气室平衡腔和电路板安装腔，所述第一热管和硫吸收池管均位于气室平衡腔内；控制电路板等电路结构可安装于电路板安装腔，防止高频干扰。
优选地，还包括第二热管，第二热管的蒸发段伸入气室平衡腔内，第二热管的冷凝段向外伸出导热体。第二热管的设置可提升红外碳硫分析气室的散热能力，进一步地，可在气室平衡腔外设置风机，进一步提升散热效果。
第二热管可采用如第一热管的结构设计
一种红外碳硫分析仪，包括如上所述的等温式红外碳硫分析气室。
优选地，滤光片主要由白宝石材料制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）热平衡能力强，运行过程可自动实现光源端和硫气室座端温度差的缩减，大幅减小温度漂移对测量结果的影响；
（2）采用硅酸盐类非金属材料管替代传统的金属材质的硫吸收池管，红外光受设备影响的损耗减小，有利于测量结果准确度的提高。
附图说明
图1是一种现有红外碳硫分析气室的结构简图（正视图）。
图2是本发明第一种实施方式的红外碳硫分析气室的立体结构示意图。
图3是本发明第一种实施方式的红外碳硫分析气室的正视图。
图4是沿图3中A-A线的剖面结构示意图。
图5是本发明第一种实施方式的第一热管的内部结构示意图。
图6是本发明第一种实施方式的红外碳硫分析气室的仰视图。
图7是本发明第二种实施方式的红外碳硫分析气室的剖视图（与图4剖切方式相似）。
图8是本发明第三种实施方式的红外碳硫分析气室的剖视图。
图9是本发明第四种实施方式的红外碳硫分析气室的正视图。
图10是本发明第五种实施方式的红外碳硫分析气室的结构简图。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
如图2至图4所示，一种红外碳硫分析气室，包括红外光源调制单元7，所述红外光源调制单元7的一侧设有硫气室座6，所述硫气室座6通过硫吸收池管3与红外光源调制单元7对接；还包括用于将红外光源调制单元7产生的热量传送给硫气室座6的第一热管4。相关滤光片、探测器集成于硫气室座6内，其所处位置与传统红外碳硫分析气室基本相同。
如图5所示，所述第一热管4包括壳体，壳体内设有与壳体形状匹配的毛细吸液芯405，该毛细吸液芯405的内部留有供工质蒸汽通过的流道404。所述第一热管4沿长度方向依次分为蒸发段401、绝热段402和冷凝段403，所述蒸发段401的左端与红外光源调制单元7接触，所述冷凝段403伸入硫气室座6内。
所述硫吸收池管3由玻璃制成。还包括设置于红外光源调制单元7右侧的碳气室单元5。
所述红外光源调制单元7和硫气室座6之间设有中空的导热体1，所述第一热管4和硫吸收池管3均设置于导热体1内。优选地，第一热管4的数量为2根，2根第一热管4分布于硫吸收池管3的底部。
所述导热体1由金属材料制成，导热体1的外壁上设有多个散热片（见图6）。
所述导热体1与红外光源调制单元7、硫气室座6一体成型。
所示导热体上设有与硫吸收池管3左端连通的第一进气口602，硫气室座6上设有与硫吸收池管3右端连通的第一出气口601；碳气室单元上设有与碳吸收池管右端连通的第二进气口501和与碳吸收池管左端连通的第二出气口（此处气路结构与常规红外碳硫分析气室相同）。
一种红外碳硫分析仪，包括如上所述的红外碳硫分析气室。
如图7所示，重复第一种实施方式，仅改变导热体1的宽度，使得所述导热体1的宽度为红外光源调制单元7宽度的2倍，所述第一热管4的数量至少为3根。
如图8所示，重复第一种实施方式，改变导热体1的结构，将导热体1内腔由上至下依次分隔为气室平衡腔101和电路板安装腔102，所述第一热管4和硫吸收池管3均位于气室平衡腔101内；优选地，还包括第二热管8，第二热管8的蒸发段伸入气室平衡腔101内，第二热管8的冷凝段向外伸出导热体1。
如图9所示，重复第一种实施方式，在碳气室单元的顶部增设冷却机构9，以进一步提升红外碳硫分析气室的温度控制能力；该冷却机构9为机械式冷却机构；当在热管作用下，碳气室端和硫气室座端温差仍达不到要求时，可启动冷却机构9进行辅助控温，使得两端的温度差达到平衡要求。
如图10所示，重复第四种实施方式，不同之处在于，本实施方式的红外碳硫分析气室还包括中空的外壳11，所述红外光源调制单元7、碳气室单元5和硫气室座6设置于外壳11内，该外壳11的上、下、侧壁上分别设有风机10，各风机启动后，可在外壳11内形成环形气流，从而加速碳气室单元端和硫气室座端的温度平衡；另外，外壳11的顶部开设开口，冷却机构9通过该开口与碳气室单元5的顶部接触。进一步地，冷却机构9与碳气室单元5之间可设置导热块，该导热块穿过开口伸至外壳外，将冷却机构9与该导热块顶面对接即可。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种等温式红外碳硫分析气室，包括红外光源调制单元（7）、碳气室单元（5）和硫气室座（6），所述硫气室座（6）通过硫吸收池管（3）与红外光源调制单元（7）对接；其特征在于，还包括用于将红外光源调制单元（7）产生的热量传送到硫气室座（6）的第一热管（4）。
2.根据权利要求1所述的等温式红外碳硫分析气室，其特征在于，所述第一热管（4）包括两相闭式热虹吸管、旋转热管中的一种。
3.根据权利要求1所述的等温式红外碳硫分析气室，其特征在于，所述硫吸收池管（3）由硅酸盐类非金属材料制成。
4.根据权利要求1所述的等温式红外碳硫分析气室，其特征在于，还包括冷却机构（9），该冷却机构（9）安装于碳气室单元（5）的顶部。
5.根据权利要求1所述的等温式红外碳硫分析气室，其特征在于，还包括中空的外壳（11），所述红外光源调制单元（7）、碳气室单元（5）和硫气室座（6）设置于外壳（11）内，该外壳（11）内设有若干用于搅动外壳内空气的风机（10）。
6.根据权利要求1-5任一项所述的等温式红外碳硫分析气室，其特征在于，所述红外光源调制单元（7）和硫气室座（6）之间设有中空的导热体（1），所述第一热管（4）和硫吸收池管（3）均设置于导热体（1）内。
7.根据权利要求6所述的等温式红外碳硫分析气室，其特征在于，所述导热体（1）由金属材料制成，导热体（1）的外壁上设有多个散热片。
8.根据权利要求6所述的等温式红外碳硫分析气室，其特征在于，所述第一热管（4）的数量至少为3根。
9.根据权利要求6所述的等温式红外碳硫分析气室，其特征在于，导热体（1）内腔由上至下依次分为气室平衡腔（101）和电路板安装腔（102），所述第一热管（4）和硫吸收池管（3）均位于气室平衡腔（101）内。
10.一种红外碳硫分析仪，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的等温式红外碳硫分析气室。
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