专利名称：红外碳硫分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型有关于一种元素分析仪，且特别是有关于一种红外碳硫分析仪。
背景技术：
近年来，随着我国钢铁工业技术的不断进步，为适应国家经济建设各领域的不同 需求，各种各样的新型钢材不断被开发出来。由于钢材的性能不同，其不同材料中所含有的 微量元素的成份也越来越复杂。与此相对应，为确保对钢铁材料有效的质量控制，因此对钢 铁分析行业也提出了更高的要求，比如超低碳优质钢材中碳的测量。所谓超低碳是指钢材 中的含碳量小于0. 0030 %，目前我国对超低碳优质钢的冶炼工艺已日趋成熟，但对超低碳 试样的分析方法，正在试验和探索之中。对于含碳量在0.01% -0.001%范围内的钢材，其碳的测量国内一些大型企业及 钢研所均采用国外进口的高频红外碳硫分析仪，由于该仪器价格昂贵，且在分析试样前要 对陶瓷坩埚进行打底、造浴等一系列复杂的前期准备工作，不易掌握，因此在国内难以推 广。而且，当仪器分析低碳或超低碳试样时，红外传感器的输出信号很�。飧鲂藕磐ǔ：� 噪声夹杂在一起的，若用普通放大器进行放大，最后对分析结果会造成很大的误差。
发明内容有鉴于此，本实用新型提供一种操作简便，成本低，分析精度高的红外碳硫分析 仪，可以满足我国广大中小钢铁及机械企业对低碳及超低碳测量的需求。本实用新型提出一种红外碳硫分析仪，包括前置测量装置。前置测量装置包括红 外传感器、参考信号电路、预处理电路以及相关器。红外传感器的输出连接预处理电路的输 入。预处理电路的输出连接相关器的输入。参考信号电路的输出分别连接红外传感器和相 关器的输入。本实用新型中，所述参考信号电路包括依次连接的晶体震荡器、分频及滤波电路、 放大电路以及移相电路，所述放大电路的输出连接红外传感器的输入，移相电路的输出连 接相关器的输入。其中，移相电路可以使参考信号和待测信号相位一致。本实用新型中，所述预处理电路包括依次连接的前置放大器、陷波电路、选频电路 以及主放大电路，所述前置放大器的输入连接红外传感器的输出，主放大电路的输出连接 相关器的输入。预处理电路可以使进入相关器的待测信号能达到一定的幅度。本实用新型中，所述相关器包括开关乘法器和低通滤波器。进一步的，开关乘法器 包括电容Cl，电阻Rl R5，乘法器Al A2，二极管Dl，三极管Ql以及变阻器Wl，所述低通 滤波器包括电阻R6 R9，电容C2 C3以及乘法器A3，电阻R3、R4分别连接乘法器A2的 输入端，乘法器A2的输出端通过电阻R5、R6、R7连接至乘法器A3的输入端，变阻器Wl与乘 法器A2并联连接。本实用新型的有益效果是，本实用新型的前置测量装置中采用相关接收技术，能 够精确地测量出被掩埋在噪声中的有用信号，从而大大提高红外碳硫分析仪对低碳及超低碳分析的精度。
图1所示为根据本实用新型的红外碳硫分析仪的功能方块图。图2所示为图1中的相关器的工作原理图。图3所示为图2的电路原理图。
具体实施方式
为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实 施例，并配合附图，作详细说明如下。本实用新型中，采用电弧燃烧炉(图未示)配合前置测量装置10及计算机11，能 快速、准确地测定中、低碳钢、不锈钢、合金钢、石油催化剂等材料的碳、硫元素，其中碳的测 量范围为1. 5% -0. 0005% O如图1所示，前置测量装置10包括红外传感器100、参考信号电路101、预处理电 路102以及相关器103。参考信号电路101包括晶体震荡器104、分频及滤波电路105、放 大电路106和移相电路107。其中，晶体震荡器104用于产生交流信号，其频率稳定度可达 到1 X 10_5，该信号经分频和放大后供红外传感器100以及作为参考信号使用，可以保证待 测信号和参考信号频率相同。其中，分频及滤波电路105和放大电路106均可以选用现有 技术中可以实现分频和放大的电路。为了使进入相关器103的待测信号能达到一定的幅度，对红外传感器100的输出 信号要进行预处理。图1中，预处理电路102包括前置放大器108、陷波电路109、选频电路 110以及主放大电路111用以完成预处理，主要包括小信号放大及工频干扰的抑制。上述这 些电路均可采用现有技术中的相关电路。为使参考信号和待测信号相位一致，在参考信号 电路101中还需加入移相电路107。本实用新型中，移相电路107可以选用现有技术中的相 关电路。结合图2和图3，相关器102包括开关乘法器112和低通滤波器113。首先分析一 下相关接收的基本原理。相关接收在无线电电路中，相当于十分成熟的超外差振荡技术。相 关接收技术的核心部件就是相关器(简称PSD)，相关器是由乘法器和积分器组成，乘法器 通常采用开关乘法器，积分器由低通滤波器构成。如图2所示，设相关器的输入信号为&(0 =版⑴+ =+抨)+ _),
其中，Vsi (t)为红外传感器输出的待测有用信号，n(t)为噪声。参考信号为 Vr(t) = VrCOS(art+ φτ),则该两信号经过相关器后的输出为 Iim fV0=[Γ Vsiit) + n(tWrit)dt
7 —> OO
Iim 1 rT(f=T^^ — [[Vsi{t)Vr{t)dt+ [Vr{t)n(t)dt]= fsr{r) + frn(j)上式中U τ )、frn( τ )分别是待测有效信号与参考信号及参考信号与噪声信号 的相关函数，对于fm( τ )项，由于噪声的频率和相位都是随机量，可以认为参考信号和噪
4声不相关，因此它们的相关函数^ τ)为零，即经过长时间的积分^ τ)为零。但实际上 积分时间不可能无限长，也就是说fm( τ )不可能真正为零，它表现为剩余噪声，但它对测 量的影响已经大大降低。而τ )项经过相关器的输出为
Iim 1 f fsr(r)=[ Vsiityr{t)dt
Γ — QO 2Γ ^t
Iim 1 ,τ Γ11]
=^ —L ；”厂rCOS[(代+ (代+- W +(代一队)—
Γ σο 2Γ [22J由上式可知，积分内两项是传感器有效信号与参考信号的和频及差频相关，当 = r时，且噪声相关函数frn(T)为零时，则相关器的输出Fo = KraFrCO^。在相关器的输出中，K为低通滤波器的传输系数…为待测信号与参数信号的相位 差，当待测信号与参考信号同频率时，相关器的输出信号与待测信号、参考信号的振幅成正 比，亦与两信号的相位差有关。调整参考信号的相位代，当队=代时，则相关器的输出与两 信号的幅度成正比。总之，由于输入信号Vs (t)中的噪声n(t)与参考信号不相关，经积分 后，噪声被滤除，而有效信号得到放大。因而仪器的测量精度得到了提高。如图3所示，本实用新型中，开关乘法器112由电容(1、电阻1 1、1 2、1 3、1 4、1 5、乘 法器Al、A2、二极管D1、三极管Ql以及变阻器Wl等组成。低通滤波器113由电阻R6、R7、 R8、R9、电容C2、C3、乘法器A3等组成。相关器103的工作过程是经过预处理的信号Vs (t)通过电阻R3、R4送到开关乘 法器112的输入端。参考信号Vr(t)通过电容Cl送到乘法器Al的输入端，在参考信号的 驱动下，使二极管D1、三极管Ql工作在开关状态，由于Ql工作于开关状态，且开关的频率和 Vs (t)中的相关信号Vsi (t)频率相同，故使乘法器A2工作于全波整流状态，A2通过R5输 出脉动直流。调节Wl可改变A2输出电压的大小。为了得到平稳的直流输出，还要对A2的 输出电压进行滤波，经过滤波后的信号由Vo输出。本实用新型中，滤波器采用二阶低通有源滤波器，低通滤波器113中选择R6等于 R7, C2 等于二分之一 C3，且使 R8+R9 = R6+R7。本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来 限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修 饰，都应作为本实用新型的技术范畴。
权利要求一种红外碳硫分析仪，包括前置测量装置，其特征在于，所述前置测量装置包括红外传感器、参考信号电路、预处理电路以及相关器，红外传感器的输出连接预处理电路的输入，预处理电路的输出连接相关器的输入，参考信号电路的输出分别连接红外传感器和相关器的输入。
2.根据权利要求1所述的红外碳硫分析仪，其特征在于，所述参考信号电路包括依次 连接的晶体震荡器、分频及滤波电路、放大电路以及移相电路，所述放大电路的输出连接红 外传感器的输入，移相电路的输出连接相关器的输入。
3.根据权利要求1所述的红外碳硫分析仪，其特征在于，所述预处理电路包括依次连 接的前置放大器、陷波电路、选频电路以及主放大电路，所述前置放大器的输入连接红外传 感器的输出，主放大电路的输出连接相关器的输入。
4.根据权利要求1所述的红外碳硫分析仪，其特征在于，所述相关器包括开关乘法器 和低通滤波器。
5.根据权利要求4所述的红外碳硫分析仪，其特征在于，所述开关乘法器包括电容Cl， 电阻Rl R5，乘法器Al A2，二极管Dl，三极管Ql以及变阻器Wl，所述低通滤波器包括 电阻R6 R9，电容C2 C3以及乘法器A3，电阻R3、R4分别连接乘法器A2的输入端，乘法 器A2的输出端通过电阻R5、R6、R7连接至乘法器A3的输入端，变阻器Wl与乘法器A2并联连接。
专利摘要本实用新型提出一种红外碳硫分析仪，包括前置测量装置。前置测量装置包括红外传感器、参考信号电路、预处理电路以及相关器。红外传感器的输出连接预处理电路的输入。预处理电路的输出连接相关器的输入。参考信号电路的输出分别连接红外传感器和相关器的输入。本实用新型的前置测量装置中采用相关接收技术，能够精确地测量出被掩埋在噪声中的有用信号，从而大大提高红外碳硫分析仪对低碳及超低碳分析的精度。
文档编号G01N21/25GK201662527SQ20102014403
公开日2010年12月1日 申请日期2010年3月29日 优先权日2010年3月29日
发明者徐随山, 杨立新 申请人:南京华欣分析仪器制造有限公司
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