森沙仪器手持式光谱仪的散热设计对测样性能的影响
发布日期:2022-01-14 04:21   来源:未知   阅读:

  手持式光谱仪是一种可以快速检测材料中元素含量的分析仪器。由于方便携带,可单手测样,因此在金属的来料检测、大型材料的现场分析、土壤中重金属含量检测、探矿、三元催化剂及废旧金属回收行业中得到广泛使用。

  下图即是一次现场检测316不锈钢的测样结果,仪器采用的是森沙仪器手持式光谱仪HX-5,操作系统是安卓以及仪器原厂APP。通过APP可以发现Ni的检测含量低于国标(10%-14%)要求。由于一般不锈钢供应商成本控制的原因,镍含量一般是贴近国标的最低含量要求,如果质量控制出现问题,则会出现镍含量不达标的情况。

  在手持式X射线荧光光谱仪的使用过程中,用户很多时候都是在户外使用,即使有时候是在室内的厂房内检测,但厂房内的环境温度也与户外差别不多。在中国的夏季,全国几乎所有户外温度都高于30℃,对于南方地区甚至半年以上户外温度都高于30℃。

  作为一台X射线荧光光谱仪(XRF),核心器件是X射线光管(发出X射线)和探测器(接收X射线荧光)。首先说X射线光管,光管可以看作是一台微型的粒子加速器,通过高压加速电子,使其撞击靶材,在撞击过程中产生了X射线。显然,撞击不仅会产生X射线,也会产生热量。基于X射线光管厂商的优良设计,光管的发热温度一般控制在40℃以内。但是两个因素会影响到光管的温度控制,一个是测样的时间及间隔,一个是散热设计。如果使用手持式光谱仪对样品进行不间断的激发,并持续2小时以上,那么光管是会发生过热现象的。但是现实中很少有这种情况,首先是每次测样结束后,用户都会查看检测结果,并判断是否需要继续测样。其次,每次样品的激发短则5-15秒(如测金属),长则5-10分钟(油品等),所以光管在2小时以内是必然会有“喘息”的机会的。那么第二种因素:散热设计,就决定了光管能否控制在正常的工作温度内。

  其次说探测器,探测器作为一个需要检测到单个X射线粒子的高灵敏度传感器,对噪声的容忍度非常低。任何热噪声、电子噪声的波动都会对检测X射线粒子产生极大的影响。因此探测器制造商采用了真空封装+超低温设计来保证正常的X射线检测。对于上面案例中使用的森沙仪器手持式光谱仪HX-5来说,探测器的工作温度设定为-40℃。通过仪器厂商大量的测试发现,只有低于这个温度,探测器才能稳定得输出测样结果。而为了达到-40℃的工作温度,仪器设计师一般是采用高功率半导体制冷方式,即半导体中通过大电流,使得半导体的两面产生稳定而又巨大的温差,假设温差是85℃。那么探测器能正常工作的最高温度就是45℃,即探测器在低于45℃的环境中都是能够正常工作的。

  由于仪器内部有X射线光管、探测器、电源、电池及其他电路等,因此对体积小巧的手持式光谱仪来说,其内部的工作温度是远大于环境温度的。那么,如何设计好仪器的散热系统,对一台要获得稳定结果的仪器来说,就非常重要了。

  上面这个就是散热公式。是散热功率,数值越大表示散热能力越强。t表示散热器的温度差,对于手持式光谱仪来说,仪器内部温度是高温,环境温度是低温,仪器的散热器通过内外温差来不断得进行散热,而内部工作温度一般是恒定的,所以散热器的温差取决于外部温度,环境温度越高,则散热能力越差。而h是物质的对流传热系数,它是由散热器的材料决定的。来兼顾散热性能、坚固程度和手持仪器的重量后,一般仪器采用的材料都是铝合金。

  那么从这个公式我们可以看到,对任何一个手持式光谱仪散热器来说,在同样的环境温度中,散热器的面积决定了仪器的散热能力。

  所以如何衡量一台手持式光谱仪是否满足自己工作的环境温度,是一个非常重要的考虑因素。比较幸运的是,中国在散热器设计方面是国际上最领先的国家之一。考虑到中国幅员的辽阔、使用散热器人口的众多,不严谨得话是可以把这个之一去掉。众所周知,在中国北方,暖气供应是一个等同于水电煤的基础设施,而家家户户里的暖气片就是一个散热器。按照我们上面的公式,如何增加散热功率,让暖气片散热能力做得更强,选择什么样的材料、如何增加散热面积、如何改善温差,中国已经有一个庞大的行业人群研究了几十年,所以得益于中国非常领先的散热器研发水平,中国的手持式光谱仪的散热设计也处于行业内遥遥领先的地位。香港6合宝典图库资料

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