摘 要：根据红外法测定硫的原理，研制开发了一种简易的红外定硫仪。使用电子调制技术替代机械采光，用于钢材、生铁、大众原燃料等硫元素的测定，效果良好。该仪器分析速度快，费用低，有较好的实用价值。
关键词：红外定硫仪；硫；红外法；快速分析
钢材、生铁、大众原燃料等的硫含量一般采用化学法检测，但该方法受人为因素干扰大，还需要进行大量的查表及计算工作，分析周期较长[1]。用仪器分析硫含量，能够加快分析速度，分析结果直观，而且能有效避免人为的分析误差和错误，但目前的红外定硫仪一般采用机械调制，电机转速决定采光频率，电机长时间运行，容易损坏，转速引起震动，导致结果偏差大，重复性较差。为此，采用电子调制技术研制了一种简易红外定硫仪，消除了噪声和震动，降低了功耗和故障率，检测的结果重复性好，是机械调制的替代产品。
1 工作原理
钢铁材料经高温燃烧后，产生SO2、H2O、CO2等气体，其中SO2能够定量吸收红外光[2]。其吸收强度符合朗伯-比尔定律，即：
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式中 I0—发射光（被吸收前）的强度；
I—接收光（被吸收后）的强度；
A—吸光度度；
K—吸光系数，与红外光波长和气体性质有关的常数；
L—气室的长度，对于实际设备是一个确定值；
C—气体浓度。
2 仪器研制
2.1 仪器构造
红外定硫仪主要由加热部分、红外检测部分、计算机处理系统、电子天平称重系统、打印输出系统等组成，主要部分加热、红外检测、计算机处理系统的构造为：燃烧系统—气路—吸收室—检测室—数据处理系统。
如图1所示，气体从气室经过，红外光源经电调制，红外检测根据调制波长信号用MCU进行处理。电调制步骤是单片机发出调制信息，光源经过调制发出信号。检测步骤见图2。
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在设计传感器的光学系统部分时，为了减少红外传感器微弱信号的衰减以及外界信号干扰，将前置放大电路也一并放在光学部件上，并采取了一定的电磁屏蔽措施。为了使气体红外吸收信号具有较好的分辨率，红外光源、气室、红外探测器应设置在同一光轴上。此外，为了使得信号足够大，可以使用椭圆型或抛物线型反射镜。红外光源由稳流供电，供电电压和电流根据使用的光源不同而不同。工作时，传感器根据预先设定的调制频率发出周期性的红外光，红外光通过窗口入射到测量气室，测量气室由采样气泵连续将被测气体通入测量气室，气体吸收特定波长的红外光，透过测量气室的红外光由红外探测器探测。由于调制红外光的作用，红外传感器输出交流电信号，通过其后的前置放大电路放大后，再一次经过高精密放大整流电路，得到一个与被测气体浓度对应的直流信号送入测控系统处理。红外传感器内有温度传感器探测其工作环境温度。红外传感器信号经过测控系统，并经数字滤波、线性插值及温度补偿等软件处理后，给出气体浓度测量值。
2.2 仪器采用的关键技术
2.2.1 红外光源及其调制 采用pulsIR，reflectIR等新型电调制红外光源，其升降温速度很快。红外光源发射窗口上安装有透明窗，一方面可以保证发射的红外光波长在特定范围内，另一方面可以阻止外界环境对光源温度的影响。
2.2.2 镀膜气室 采用气室与外支撑分离结构，安装时只需将气室固定安装在支撑结构的中心即可。该结构设计保证了部件易于装卸﹑更换；同时由于与外支撑分离，进一步减小了外界条件的影响，使仪器能适应复杂的工作环境。
2.2.3 红外探测器 为了确保红外探测器得到较强的稳定信号，设计了一种红外探测器定向轴，即使在前置放大板上焊接的红外探测器位置有一定的偏差，也能确保与红外光源和气室位于同一光学中心轴上。红外探测器接收红外光产生的信号十分微弱，极易受外界的干扰，因此稳定可靠的前置放大电路是关键。设计采用高精密、低飘移的模拟放大电路和窄带滤波电路。前置放大电路具有精度高、漂移小、响应快的特点。前置放大出来的信号通过二级放大电路，直接输出一个与气体浓度对应的信号，并送入测控系统，通过非线性校正和补偿后得到气体浓度。
2.2.4 传感器测控系统 传感器测控系统通过采集红外输出信号及测量标准气体曲线，采用非线性校正算法可以直接得到测量气体的浓度。
2.3 性价比
国内生产的红外定硫仪价格在15万以上，国外的同类产品大约在30万元左右，而自行研制开发只需成本费用约3～5万元左右，且性能与国内外产仪器无明显差异，还可节省大量开支。
3 样品测定
3.1实验方法
称取0.2000g样品，均匀放入瓷舟中，将试样舟推入燃烧管内，启动随机附带的分析程序，进入分析过程。
试样在高温和氧气流下充分燃烧，试样中各种形态的硫快速转化成二氧化硫和少量的三氧化硫。真空泵按一定的流量将除水除尘的气体送入红外池气室检测，计算机连续读取红外池的输出电压，进行数据处理，计算出二氧化硫的浓度和硫含量。当检测到气体浓度低于某一比较水平或分析时间到达最长时限时（一般为200s），自动结束分析，输出结果。
3.2 讨论
3.2.1 试样量的选择 对于普通的钢材及合金材料，随着试样量的减少，分析时间减少，但相对误差增加，因此选取0.1600g、0.2000g、0.4000g分别检测硫含量。称样量在0.4000g时分析结果重现性差，且出现分析时间延长，有拖尾现象；称样量在0.1600g时硫的相对误差为0.03%～0.10%，相对标准偏差太大,不符合精度要求；选取0.2000g试样时，本法与传统法测定结果的相对误差为0.01%～0.05%，精度较高，重现性好，能满足生铁分析的需要[3]。
3.2.2 分析时间的选择 分析时间为25～60s可调，一般在35s左右。实验证明，在试样量为0.2g、分析时间分别为25s、35s、50s、60s时，35s比25s所检测的硫含量增加0.01%左右，50s和60s时所检测的硫含量基本没有增加。随时间继续增加，硫元素的检验量几乎不再继续增加。因此分析时间35s即可。
3.2.3 助熔剂的选择 为试验检测的快速和准确性，需在试样中加入助熔剂。实验了不同助熔剂对燃烧的影响，分别加入钨粒和锡粒，发现加入锡粒作助熔剂时燃烧效果最好。分别加入锡粒0.1、0.3、0.5、0.7g，当加入0.1g锡粒时，熔体有气泡现象，分析结果重现性差；当加入0.3、0.5g锡粒时，熔体光滑均匀，分析结果重现性好；锡粒0.7g时，由于试样上方覆盖的锡粒过多，致使试样缺氧，燃烧不充分，并伴有延时现象出现。为此选择加入锡粒0.5g。
3.3 样品测定结果
按实验方法，对一些标准样品进行分析，分析结果见表1。
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表1 样品测定结果 %
从表中可以看出，测定结果与标准值相符，证明仪器的设计与制造是合理的，可用于工厂生产实践。
4 结 论
4.1 实验数据证明，所研制的红外定硫仪设计合理，用于钢材、生铁、大众原燃料等硫元素的测定，方法快速方便，周期短，费用低，精确度高，分析误差符合GB233的允许偏差要求。
4.2 含量增大需要更换不同的传感器。
参考文献：
[1] 刘绍璞，朱鹏鸣.金属化学分析概论与应用[M].成都：四川科学技术出版社，1983.
[2] 陆婉贞，近代红外光谱技术[M].北京：中国石化出版社，2001.
[3] 美国Leco CS-444 红外碳硫测定仪使用手册[Z].操作篇:45.
