红外碳硫分析仪测量结果影响因素分析
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摘 要：文章对影响红外碳硫分析仪结果的因素进行了分析，通过对影响准确性和稳定性的因素的分析提出相应的解决方案，在装置和算法上进行改进，文章展示了改进后的测量结果，数据结果表明测量结果的稳定性基本得到了解决，目前还需要对准确性做进一步的提升。
关键词：碳硫分析仪;准确性;稳定性;非线性
中图分类号：TN911.22 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）25-0075-02
Abstract： This paper analyses the factors affecting the results of infrared carbon and sulphur analyzer， puts forward corresponding solutions through the analysis of the factors affecting accuracy and stability， and shows the improved measurement results through the improvement of device and algorithm. The data results show that the stability of the measurement results has been basically solved， and the accuracy needs to be further improved.
Keywords： carbon and sulfur analyzer; accuracy; stability; nonlinearity
1 概述
红外碳硫分析仪是很多冶金企业和高校理化分析室中的常用计量器具，用于对金属样品和非金属样品中的碳和硫元素含量进行定量分析。目前红外碳硫分析仪的生产商主要有美国的LECO公司、西德的StroHLEin公司、LEYBOLD-HERAEUS公司、ELTRA公司、日本的HORIBA公司和英国的LILGER公司。LECO公司产品碳硫含量检测结果的准确度和稳定度很高，近年来成为了国内的标杆性产品，我国的上海技术物理研究所等企业也研制了仿LECO机型，但是国产的同类仪器的售价往往只有LECO公司的十分之一到五分之一，有的甚至更低，这是因为，国产的高频红外碳硫分析仪的测量准确度和稳定度相比国际一流产品有较大的差距。
对于红外碳硫分析仪来说，无论是国际领先的一流设备，还是我国的国产设备，在原理上都是一样的，在设备的结构和硬件上也基本相同。本文将分析影响红外碳硫分析仪检测结果稳定性[1]和准确性的因素。
2 影响红外碳硫分析仪测量结果的因素
红外碳硫分析仪结果的准确度和稳定性受多种因素影响，并不是单纯的硬件或算法原因。
2.1 红外光源
高频红外碳硫分析仪的核心部件是红外检测管，其中的红外光源对检测结果的稳定性起着首要的决定作用。高频红外碳硫分析仪红外光源发射的红外光功率与电压成正比，电压的变化直接影响到信号输出大小，这样的变化将引起检测器基线的变化，检测器基线将随之反映出来。引起红外光源辐射信号变化的原因主要有：
（1）光源逐渐老化，光辐射减弱，信号输出低，碳硫检测器的基线输出值也会逐渐降低。
（2）红外光源的发光强度与电压成正比，为了得到稳定的红外光信号源，要求红外光源有用于稳定电压的稳压电路，但在实际使用中，由于稳压电路的输出电压也会有小幅度的波动，因此引起红外光源的强度也随之发生变化，尽管这个变化的幅度很小，但是对于高频红外碳硫分析仪的分析结果会带来较大影响。
2.2 红外热释电传感器
红外热释电传感器[2]是高频红外碳硫分析仪的关键部件，被测气体通过红外检测池时，红外光源发出的光信号会被气体吸收一部分，导致红外光到达热释电传感器处的光强发生变化，热释电传感器通过把光信号转换成电信号来反应红外检测池中的被测气体浓度。在实际工作过程中，热释电传感器转化的电信号的强度也会受到环境温度的变化和被测气体温度的变化的影响。
一般情况下，国内厂家都假设热释电传感器输出信号与检测气体浓度成线性关系，但是事实上并不是如此。无论是红外热释电传感器厂家资料还是人们实测结果都说明，两者之间是非线性的关系，而且这个非线性关系并不是固定的，不同的红外热释电传感器、不同的使用环境都会对这个非线性特性造成影响。国内设备与国际一流设备在算法上相比，这一点也是最根本的不足。
2.3 气体流量变化的影响
现有高频红外碳硫分析仪首先对热释电传感器输出的电信号进行积分，然后经过换算得到被测气体浓度。当试样被放到高温炉中通氧燃烧时，一方面试样中的S和C元素会消耗氧气逸出CO2和SO2氣体，另一方面试样中的其他元素（如铁）也会燃烧消耗氧气，而氧气是固定速度导入高频炉，因此试样的燃烧会导致气体流量发生变化。当气体流量变小时，相同浓度的被测气体在红外检测池中停留的时间会增大，导致测量结果增大[3]。另外，任意两次试样的燃烧过程都是不一样的，导致每次的气体流量变化过程都不一样，因此每次测量结果的误差也会有较大差别。
2.4 温度的影响
温度对分析结果稳定性的影响主要体现在两个方面，首先，气体浓度的分析离不开气体状态方程，环境和分析仪设备本身温度的不同会导致分析气体体积发生变化，从而造成一定量的分析气体在不同温度下通过固定长度红外检测池的时间出现不同;另外，环境和分析仪设备本身温度的不同会造成红外光源的发射光强的波动，并且会影响热释电传感器的输出电流，从而影响分析结果的稳定性。
2.5 大气压强的影响 当大气压强变化时，会导致相同分子数的气体体积发生变化，进而会影响到气体流量，从而影响分析结果。
3 测量结果准确性和稳定性分析
根据以上分析，可以知道影响高频红外碳硫分析仪测量结果准确度和稳定性的因素很多，总体上可以分为两大类，一类是影响短时间内测量结果的准确性，另一类是影响测量结果长期的稳定性。
3.1 短期准确性
高频红外碳硫分析仪的短期准确性是分析仪最核心的性能指标，只有短期的准确性能够得到保证时，才会考虑长期稳定性的问题。短时间内，温度和压强不会有明显的变化，影响测量结果的主要是红外光源、热释电传感器和气体流量等三個因素。
红外光源和热释电传感器可以看作一个整体，主要是红外光源发射的红外光功率在短时间内的变化导致热释电传感器误认为被测气体浓度发生变化，进而使得热释电传感器的输出电流发生变化，从而导致测量误差的出现。针对这一情况，从系统设计角度着手，使用两个红外热释电传感器，分别在检测池气体入口和检测池气体出口，然后用两者的差值表示被测气体的浓度，这样就能够最大程度上降低红外光源和热释电传感器对测量结果的影响。
气体流量变化对测量结果的影响是行业同类产品普遍面临的最关键难题，从系统设计和硬件上无法解决。经过对大量测试结果和测试中间数据的分析发现，当气体流量发生变化时，测量得到的实时气体浓度也会发生变化，使用这一特性，通过建模，可以建立气体流量与实时气体浓度之间的关系，从而从算法上对气体流量变化的影响进行纠正。
3.2 长期稳定度
影响高频红外碳硫分析仪测量结果长期稳定度的因素主要是温度和压强，温度和压强对测量结果的影响是渐变的，往往需要几个小时才能体现出现，主要是通过影响气体流量来影响测量结果的。为了抵消温度和压强的变化对测量结果的影响，可以通过使用气体状态方程来建立系统模型，利用数学公式来反应温度和压强的变化对测量结果的影响。因此，需要实时的测量温度和压强，然后使用算法来抵消温度和压强的影响。
4 改进结果
综合考虑前文所述各种影响测量结果的因素，并制定相应的改进计划，出于技术保密的目的，本文不详述具体的改进方案。从测量结果来看，改进前的测试数据的准确性和稳定性都很差，但是改良后，这两者都有了很大的改善，尤其是稳定性方面，在长达340次，时长近一个月的测量过程中，其结果的稳定性区域一致，不需要进行反复标定，就可以把测量结果稳定在同一个测量区间，而且整个区间的范围相对较小，而如果想要进一步压缩区间范围，就需要对准确性进行提高。目前的主要问题是准确性还有提高的空间，目前1%误差范围的数据占比为63%，还有较大的提升空间。
5 结束语
本文对影响红外碳硫分析仪测量结果的因素进行了分析，并对改进方向提出了一个方向性建议。根据实际的改进效果来看，通过装置改善和算法升级能够提升国产红外碳硫分析仪的性能。
参考文献：
[1]张虔，付吉义，杨春梅.高频燃烧红外碳硫分析仪测定焊剂中的硫[J].锅炉制造，2010（1）：34-38.
[2]张兴荣，张博，焦修勤，等.HW2000型高频红外碳硫分析仪常见故障及处理方法[C]//首届西部铸造论坛.
[3]张之果.高频红外碳硫分析仪异常现象分析[J].冶金分析，1997（6）：49-51.
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