高频红外碳硫仪-郝辉

高频红外碳硫分析仪,陕西省地质矿产实验研究所郝辉2013.04.11,高频红外碳硫分析仪（CS-903）,主要内容,1.高频红外碳硫仪概述及工作原理2.仪器技术参数及组成3.仪器的使用4.日常维护5.实例分析-地矿样品中碳硫的快速测定,一、高频红外碳硫仪概述,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。,一、高频红外碳硫仪基本原理,CS-903系列高频红外碳硫分析仪，由自动恒压供氧装置高频感应炉红外检测器电子天平及打印机等组成。是一台能够分析快速且分析结果准确，可靠，实用的全自动红外碳硫分析仪。其分析过程为，通过高频感应将样品在高频炉中燃烧，它含有的碳硫元素被转换成二氧化碳和二氧化硫，以氧气为载体导入红外检测器，由红外探测器产生电信号经放大后送单片机进行数据处理，最后显示分析结果并由打印机打印出碳硫（%）结果。,样品的燃烧,样品的燃烧是检测分析中首先要解决的重要问题。如果样品烧不好，就不会有正确的分析结果，这一点是非常重要的。与仪器相配套的是高频感应炉，简称高频炉。它采用经典的“三点式”电容反馈震荡电路。电路简洁，易起振，震荡稳定。振荡频率为18MHz，感应加热速度快，1g样品在3-5s内即可全部熔化。高频炉热量的来源与管式炉一样，它是由电能转化为热能，但加热原理不同，高频炉是通过电子管振荡电路产生高频电磁场，对样品进行感应，产生涡电流，从而产生焦耳热，是样品迅速升温熔化，所以称为高频感应炉，它较管式炉省电省时，同时也免除了管式炉长时间高温辐射之苦。高频炉对管式炉难于燃烧的特殊样品，如不锈钢，高铬钢，高温合金，中间合金，纯金属，矿石，炉渣，烧结矿，石墨以及非金属氧化物等，均有较好的燃烧效果。,助熔剂的选用,在硫碳分析中，助熔剂是必不可少的，加入一定量的助熔剂，一方面可降低样品的熔点，使样品易于燃烧，另一方面，助熔剂在燃烧过程中，有氧化放热作用，有助于样品燃烧温度的提高。钨粒及金属合金（如WSn,W,Fe,Sn合用等）是高频炉常用的助熔剂，钨粒有较好的透气性和较高的热值，燃烧时不飞溅，具有降低碳硫释放速度，稳定碳硫分析结果的作用，燃烧后生成酸性三氧化钨，对消除硫的吸附有较好的效果，使用中需注意碳硫空白值，尤其在分析低碳硫样品时。工业纯铁也是一种很好的助熔剂，它在生铁、铁合金、不锈钢、耐热合金以及其他特种材料的分析中有广泛的应用。三氧化钼对消除硫的吸附比三氧化钨有更好的效果，对于高铬钢、高锰钢的分析，加入适量的三氧化钼（0.05-0.1g）,能获得理想的硫分析结果。锡粒也可用于高频炉中，但加入量不宜过多（通常为0.3g以下，且需与三氧化钼同时加入）。加入量过多产生的粉尘也多，这是对硫的检测分析是不利的。,氧气的净化,氧气的净化对碳硫分析是十分重要的。氧气中通常含有水分和二氧化碳及少量碳氢化合物等杂质，对样品燃烧和碳硫检测都将产生不利影响，需要加以清除。对于红外检测来说，水分对硫的检测影响则更大，除了通常吸附影响外，还由于水蒸气对红外线的吸收峰与二氧化硫的吸收峰十分靠近，而严重干扰硫的测定。所以氧气的干燥对红外检测比其他检测方法有更高的要求。消除氧气中的水分要采用高效变色干燥剂，二氧化碳要采用碱石棉吸收，对于超低碳硫的分析，氧气则需采用超纯氧气净化装置加以净化。,红外检测,CS-903系列高频红外碳硫分析仪是利用CO2与SO2对红外线的选择性吸收这一原理设计制造的。红外线是指波长为0.78-1000um的电测波，分为三个区域。近红外区域为0.78-2.5um，中红外区为2.5-25um，远红外区为25-1000um。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，遵守光的反射和投射定律。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，在整个电测波谱中，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。许多物质如CO2与SO2对红外线都有选择性吸收，CO2的最大吸收波长位于4.26um，SO2的最大吸收波长位于7.35um。CO2与SO2对红外线的吸收同样服从光的吸收定律：朗伯比尔定律。所以红外分析与光度分析的基本原理是一样的。不同处是广度分析传感器是采用光电管，被测组分为有色溶液；而红外分析的传感器为红外探测器，被测组分为气体，可称之谓“气体比色”分析。,红外检测,红外检测器是一个非常精密的气体分析装置，有红外光源、调制器、滤光片、测量池、探测器及相关电路组成。当样品未经燃烧时，只有氧气通过测量池，氧气对该特定波长（4.26um、7.35um）的红外光不产生吸收，探测器接收的从红外光源发出的红外光线的能量最大。当试样开始燃烧后生成的CO2与SO2随氧气进入测量池，对红外光进行吸收，探测器接收到的红外光能量随CO2与SO2浓度的增加而成指数衰减。以标准样品通过测量池时，探测器接收到的能量为参比，经计算机数据处理后即可得到样品中碳硫的百分比含量。,高频红外碳硫仪硬件特点,1、高频燃烧和红外检测部分分体设计；2、气路控制系统采用标准金属接插件，气路系统简洁，气密性好，控制阀采用日本SMC阀，系统连续分析10，0000个样品无故障；3、独有的气路反吹设计，可连续分析上千个样品而不需清扫炉头。4、高精度气体数字质量流量控制器，不受温度、压力等外界因素影响，精度和稳定性均超过浮子流量计；5、红外探测装置采用独有的光电一体化设计，结构精巧耐用，可靠性和稳定性达到J(军)级标准；6、瑞士进口的调制电机，可连续工作30000小时无故障；7、超微孔不锈钢金属粉尘过滤器，耐蚀、无需清洗长期使用。,软件特点：1、系统最多可存储10个碳通道、10个硫通道2、独有的温度、压力、流量和峰宽补偿，系统稳定可靠。其他：1、配备高精度千分位天平，系统可自动辨识德国塞多利斯、上海天平、瑞士梅特勒和美国奥豪斯天平；2、分析结果可外送微型打印机打印。,影响数据稳定的因素,1、坩埚2、灰尘3、称样量4、温度,坩埚的影响,坩埚的空白一直是碳硫分析人员关注的热点。未经处理的坩埚空白从10-100g/g不等。预处理过程中，条件设置得当，坩埚空白可降至1g/g以下。实验证明,预处理时间长短和温度高低对获得坩埚稳定的低空白值至关重要。因此,经试验确定,坩埚使用前一定要进行预处理,并控制合适的烘烧温度和时间一般要在马弗炉中1100下烘烧4h从而最大程度降低坩埚空白对分析结果的影响。,灰尘的影响,分析过程中灰尘的积累所造成的吸附也是影响分析结果稳定性的重要因素，该影响在分析低含量样品时尤为明显。实验结果表明，随着分析次数的增加，灰尘引起的偏差越来越大，而彻底清理掉灰过滤器中的灰尘后多次分析结果与第一次分析结果一致。因此分析过程中，灰尘过滤器中的灰尘积累应及时处理。,称样量的影响,样品称重不同，其所含的c、s的绝对质量就存在差别，导致分析结果落在仪器校正曲线上区域的不同，从而造成分析结果的波动，尤其在分析仪器的上、下限附近时这种影响表现更为突出。另外，样品称重不同直接影响高频感应燃烧情况。碳硫仪的燃烧温度、状态不仅与高频炉本身设计的功率有关，而且感应区内导磁物质的多少有关。燃烧温度不是持续恒定的，随着物质的熔化燃烧，感应量逐渐减少。例如，当分析某些难熔物质时，加入的助熔剂重量恒定，产生的热量恒定，此时过多的样品将会导致样品燃烧不完全，样品中的碳硫释放不完全。,温度的影响,温度对分析结果稳定性的影响主要体现在3个方面：首先，对粉尘过滤器的温度影响。在第2个因素中粉尘对分析气的吸附效果，相同的灰尘量温度越高，气体的吸附量越少；其次，气体分析的基础离不开气体状态方程，红外分析系统恒温控制的温度不同，会造成分析气体体积的变化，从而一定量的分析气体在不同温度下通过固定长度红外池的时间不同；另外，红外分析系统恒温控制温度的不同，会造成红外光源的发射光强的波动，以及热释电检测器的输出的差异，从而影响了分析结果的稳定性。,使用注意事项,(1)高频红外碳硫分析仪在使用前一定要预热1.52h，使仪器达到稳定的工作电流电压。(2)在正式分析样品前，要先分析几个样品使仪器的各个条件稳定后在分析样品，得到的结果更稳定可靠。(3)动力氧气的压力不能太高，要保持在0.1kPa以下，若压力太高，红外碳硫分析仪的气路就会爆裂。(4)测定样品时，要先分析几个标样，通过对标样的校准，使试样的分析结果更稳定。(5)红外碳硫分析仪外的干燥剂变色要及时更换，否则，仪器内水分多，会影响仪器的使用。,二、仪器技术参数及组成,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）,二、仪器技术参数及组成,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AC220V5%频率50Hz2%3、氧气：纯度99.5%输入压力0.18MPa5%载氧压力0.08MPa2%4、动力气：氧气输入压力0.18MPa5%5、气体流量：顶吹氧流量1.0-2.0L/min分析气流量3.0-4.0L/min6、干燥剂：高效变色干燥剂,高频红外硫碳仪的组成,CS-903系列高频红外碳硫分析仪，由自动恒压供氧、高频感应炉、红外分析仪及电子天平四部分组成。,三、仪器的使用,工作环境要求1.仪器应安置在干燥清洁的房间内，房间温度为15-35.2.工作台应坚固平稳，防止受震。3.仪器应远离高强度磁场、电场，防止对仪器的干扰。4.仪器必须有良好的接地线，为保护仪器性能的稳定，应加装交流稳压电源。5.避免在有腐蚀性气体的环境中使用。,分析前准备,1.开机预热2.供氧压力的调整3.自检4.仪器的校准5.标准样品的选用,操作步骤,1.称样2.加助熔剂3.置样4.分析5.取坩埚,四、日常维护,1.仪器所用的高氯酸镁用于吸水，当发现其结块后，需要将其更换。仪器所用的碱石棉用于吸收CO2，当发现其变成灰白色后要进行更换。仪器所用的催化剂稀土氧化铜，每年更换一次。2.玻璃棉与脱脂棉粘污后，要进行更换。3.当发现用于密封的O形环老化后要及时进行更换。4.更换试剂及材料时，需将玻璃管略微上提，然后斜拽出来。,四、日常维护,5.分析过程中要注意清灰。根据分析的样量及样品类型及时地用铜刷清洁坩埚拖和托盘。6.清洁灰尘陷阱，拧开灰尘陷阱上部黑色按钮，取下灰尘陷阱，用塑料白刷旋转着除去滤网的灰尘。每星期应该更换滤筒一次，更换下来的滤筒先用塑料白刷清灰，再用超声波彻底清洗。7.分析两个月后，需更换炉头部分的石英燃烧管，将更换下来的石英燃烧管进行清洁。,五、高频燃烧红外碳硫仪用于地矿样品中碳硫的快速测定,一、实验部分1.仪器和主要试剂CS-903型高频红外碳硫分析仪陶瓷坩埚(低碳硫)钨粒(w(c)0.001%w(s)0.005%)锡粒(w(c)0.001%w(s)0.002%)纯铁屑(w(c)0.001%w(s)0.001%,粒度1.25mm)氧气(纯度不小于99.5%)干燥剂:高效变色干燥剂级和碱石棉土壤成分标准物质：GBW07401-GBW07408，GBW07423-GBW07430,二、实验方法,1.样品处理土壤成分标准物质为粉末状（粒径74um)，容易吸水，会干扰硫的测定，应将样品在150烘箱中干燥1h，然后放入干燥器中备用。2.分析方法开机预热并检漏后，将坩埚置于电子天平上，清零，取约0.4g纯铁助熔剂于坩埚内，清零，再准确称取0.0500g的校正标准样品于坩埚中,样品的质量自动输入计算机。取下坩埚，在标准样品表面覆盖一小勺约1.7g钨粒。操作CS-903型高频感应燃烧炉分析样品。,三、结果与讨论,1、称样量的选择由于土壤样品属于不产生电磁感应的样品，称样量的多少直接影响样品是否能充分燃烧、转化、干扰成分的消除等。选择合适的称样量，方可准确测定土壤样品中的总碳和硫。用土壤标准物质GBW07408w(TC)为1.93%，w(S)为0.0126%】进行试验。分别称取该标准样品15、30、50、70、90、120mg于6个坩埚内并加入1.7g钨粒。根据实验结果分别绘制总碳*硫的测定值与称样量关系图。从图1可以看出，样品称样量对总碳的测定影响不大。从图2中可看出!称样量较小时，硫的测定结果偏高；称样量在40-70mg时,硫的结果接近标准值;称样量再增加，则测得结果偏低。根据以上试验，考虑到一次取样同时测定总碳和硫!选择称样量在40-60mg。,称样量的选择,图1称样量对总碳测定的影响图2称样量对总硫测定的影响,2、助熔剂的选择及加入量,助熔剂的选择关系到土壤样品在燃烧过程中是否能完全释放出碳和硫。种类加入次序及添加量,助熔剂的种类,1.纯铁屑：高电磁感应性金属，通过高频感应产生较大的涡电流和较多的焦耳热，提高炉温，使样品完全燃烧。2.钨粒：高熔点金属，也能感应产生涡电流!氧化燃烧放出热量，可使纯铁氧化燃烧平稳，不飞溅。WO3的生成有利于SO2的释放。3.锡粒：能提高熔渣的流动性，降低熔渣凝固点，有利于碳、硫释放；缺点是易形成粉尘，影响硫的测定。一般不建议加入。,助熔剂的加入次序及加入量,为了减少试剂空白和降低测试成本，操作简便，经试验确定，依次加入纯铁、样品、钨粒的组合比较合理。钨粒的主要作用使燃烧温度提高，保证试样在高温下迅速分解。称样量在40-60mg时,使用1.7g钨粒。本实验在固定钨粒1.7g的条件下，进行铁屑加入量试验。采用土壤标准物质GBW0