ＳＰＥＣＴＲＯＬＡＢ直讀光譜儀應用系統與技術調試分析

陳建華　苑和鋒

摘 要:通過引進的SPECTROLAB M9型直讀光譜儀的實際使用狀況,介紹其硬件系統、軟件系統的配置及其功能,并對儀器的性能調試與重要技術指標的測試確認進行分析。

關鍵詞:直讀光譜儀 硬件系統 軟件系統 調試 技術指標

中圖分類號:F062.4 文獻標識碼:A

文章編號:1004-4914(2009)09-294-02

光電光譜分析是一種用于爐前化學成分快速分析的技術,由于其具有準確、快速、多元素同時測定的特點,世界上熔煉、鑄造以及金屬加工企業均采用這種分析儀器。興業公司在原引進德國斯派克公司制造的二臺實驗室用直讀光譜儀的基礎上,于2006年底又引進一臺M9型直讀光譜儀。現通過新引進的M9型光譜儀的使用狀況,就其先進的結構設計和實際應用性能作一些分析。

一、SPECTROLAB光譜儀的分析原理

光電光譜分析采用的原理是用電弧(或火花)的高溫使樣品中各元素從固態直接氣化并被激發而發射出各元素的特征波長,用光柵分光后,成為按波長排列的“光譜”,這些元素的特征光譜線通過出射狹縫,射入各自的光電倍增管,光信號變成電信號,經儀器的測量控制系統將電信號積分并進行模/數轉換,然后由計算機處理,并打印出各元素的百分含量。

二、SPECTROLAB光譜儀結構及功能介紹

由于直讀光譜儀屬于精密分析儀器,其內部結構設計十分復雜,以致光譜分析工作者對光譜儀各電子系統的結構、原理理論的了解和實踐經驗都十分有限。光譜分析者應對光譜儀的四大硬件系統(光源系統、光學系統、電子測控系統、氬氣沖洗系統)有整體的了解,掌握各控制系統的功能和相互關系,達到通過故障現象分析、判斷和解決儀器故障的目的。下面通過SPECTROLAB型光譜儀的實際使用情況,簡要說明其結構特點及各控制系統的功能和相互關系。

1.光源系統。激發光源是光電直讀光譜儀系統中重要的組成部分,它擔負著包括物質的蒸發、解離和原子化以及激發等幾個主要過程,光譜分析的檢出限、精密度和準確度等主要技術指標,在很大程度上取決于激發光源。光源的作用是將待測元素變成氣體狀態,而后激發成光譜,根據該元素譜線強度轉換成光電流,由計算機控制的測量系統按譜線的強度換算成元素的含量。

SPECTROLAB型光譜儀的光源系統采用的是數字式電流控制光源,有多種火花、類電弧arc和saft、calc(線狀樣品專用)等光源控制參數。控制參數的調試更加先進、實用。

光源框架上有四個紅燈,第一個燈FR指示頻率信號,第二個燈PA指示光源參數(如曝光時間、預燃時間等),第三個燈ER(ERROR)指示光源錯誤,第四個燈DO指示安全信號,如Clamp up(夾子抬起)、Argon low(氬氣流量低)等。當光源不激發并在‘READY狀態時,3、4燈亮。光源框架上有四根光纖依次為頻率接收(F)(拔下此光纖,可以不激發并觀察分析流程)、參數接收(P)、紫外室探測光纖(T)、空氣室SAFT探測光纖(T)。

2.光學系統。SPECTROLAB型光譜儀的光學系統由聚光鏡、入射狹縫、凹面光柵、出射狹縫和光電倍增管等組成。光學系統的測光路徑如下所示。

火花臺(光)→通光孔→石英平面透鏡→快門(shutter)→方解石平面透鏡→石英凸透鏡→光纖(紫外光室沒有)→入射狹縫→入射折射片(描跡)→光柵(分光)→出射折射片→出射狹縫→反射鏡(光電管位置重疊時用)→光電倍增管(-1000VDC)光電轉換→電子讀出系統。

其中光電倍增管是測量光譜線的主要光電元器件,它在(-1000V DC)負高壓的作用下進行光電轉換,將照在其陰極上的光信號變成電信號——光電流。放大倍數是光電倍增管的主要質量指標,供電電壓的穩定性對它的放大系數影響很大,因此光譜儀外部必須安裝穩壓器進行穩壓。

我公司引進的M9型直讀光譜儀的光學系統,由一個紫外區光學系統(波長120~200nm)和兩個空氣光學系統組成,其中紫外系統具有自凈化的氮氣循環系統,避免了油氣污染光學元件的問題。采用全息光柵作為色散元件,焦距750mm。分析通道共45條,基體銅元素通道6條,其他元素通道39條,分析元素(不包括基體銅元素)45個。

3.電子測控系統。SPECTROLAB M9型與M7型相比,主要是采用工控板EK9809-2通過網線與外置計算機相連,不再使用單板機EK9810,其計算機控制系統更為先進。

4.氬氣沖洗系統。激發光譜要在氬氣氣氛環境中進行,以此獲得穩定的光譜線強度。氬氣火花能夠防止試樣表面的氧化,提高譜線與背景強度之比,穩定火花放電狀態等作用。氬氣火花的穩定性由氬氣的流量、壓力、純度等特性有關。氬氣穩定時激發呈濃縮放電,否則呈擴散放電。因此了解其沖洗控制十分重要。

SPECTROLAB氬氣系統由氬氣控制電路、壓力傳感器、電磁閥、氣流調節閥等組成,分析程序根據激發過程的需要控制氣流量的大小。

氬氣的流量、壓力不僅需要合適而且要穩定,否則會得不到滿意的分析結果。氬氣流量過小,不能排除火花室中的空氣和試樣激發分解出來的含氧化物,可能會引起擴散放電。氬氣流量過大,容易使激發樣品的火花產生跳動,同時造成費氬。為了避免空氣對氬氣管道的污染而降低氬氣純度,平時不做分析時,常規光譜儀氬氣管道中也要保持0.5—1升/分鐘的氬氣流量,稱之謂靜態氬沖洗火花室。因此光譜分析者在不做分析時,要找一塊樣品始終蓋住極板孔,進行分析需換磨樣品時,要求操作迅速,以免盡量減少空氣進入火花室。

5.四大硬件系統之間的關聯可用圖2表示。

三、SPECTROLAB M9光譜儀分析軟件介紹

M9型光譜儀安裝了Spark Analyzer專用分析軟件和DIA2000數據庫管理軟件。Spark Analyzer專用分析軟件不僅使操作簡便直觀,而且顯著增強了儀器的參數設置、同外部計算機的數據交換、報表生成以及統計分析等功能。同時,還可通過SQL數據庫來進行數據管理。

軟件界面非常簡單明了,通過鼠標可以在三個主要模式:“日常分析”、“方法建立”、“儀器配置”之間進行切換。在“儀器配置”模式下,儀器的參數設置非常直觀,可在同屏中多窗口顯示所有需要的信息,操作簡單明了。

每個分析通道可按照各自的檢測參數獨立編程,以確保獲得最理想的分析結果。多級密碼保護系統可以確保數據和參數不會因誤操作而受到破壞。

Spark Analyzer專用分析軟件、DIA數據庫管理軟件和電子表格Excel之間有接口,為軟件的功能應用及開發提供平臺,滿足生產檢驗的數據管理、儀器管理要求,還可提供儀器的方法研究、性能調試等。

四、系統調試

(一)硬件系統的調試及其對測量結果的影響

1.光源參數調試。儀器根據現場條件(氬氣質量、制樣條件、測試樣品等)粗調試沖洗時間、預然時間、火花條件、積分時間等,以保證標樣測量精度。在現場應用中再細調,以保證試樣測量精度和準確度。沖洗時間取決于氬氣的純度、火花臺空間的大小和沖洗流量,同時還要考慮到氬氣消耗量,經過試驗確定沖洗時間為3秒。現場分析條件的確定主要是根據現場測試要求來確定的,比如銅元素含量范圍、分析時間、分析精度等。

2.光學系統調試。光學系統的調試主要采用積分描跡的方法實現。描跡的目的主要是確定入射狹縫的位置;描跡的方法是轉動入射狹縫的手輪,描跡一條譜線,找出其峰值的位置,然后將手輪轉到該峰值的位置,使各個分析元素譜線對準各自的出射狹縫。

通過描跡輪調節入射狹縫的位置,觀察同一樣品的元素光強值,尋找并選擇最佳描跡位置,描跡主要考慮“狹縫的一致性”,照顧到各元素的強度。為保證譜線和出射狹縫穩定重合,每臺儀器在使用中應定期用描跡的方法進行調整(一般選擇在季節氣候變化大的時候描跡,約半年一次)使所有出射狹縫調整到較理想的位置上。

描跡的過程也可用計算機去完成,利用DIA數據庫管理軟件,存貯每個描跡點的激發強度數據,通過DIA數據庫與Spark analyzer分析軟件之間的接口文件analysen.dat,將強度數據傳送到數據庫,選擇所需數據,再點擊“Export”,將數據轉換成電子表格格式,最后選擇合適的描跡位置。以后每次的描跡操作可對數據逐步積累,以此掌握儀器的描跡變化和UV光學系統光強變化趨勢。

3.電子測控系統的調試,可通過觀察顯示數據,初步判斷各系統是否工作正常,再進行恒光測試、暗電流測試,進一步判斷測控系統是否正常。

采用燈曝光檢查法重復測定n次的燈曝光,計算光強的相對標準偏差(RSD)。進行暗電流檢查時,儀器將在積分過程中自動關閉試驗燈,采集光電倍增管在完全無光照射時所輸出的噪聲信號,通過檢查暗電流,找出線性變差的光電倍增管。

4.由于安裝、運輸等因素的影響,會出現充氮光學系統的密封性和氮氣密度的變化,當出現調試強度和原廠給出的儀器原始強度相差幾倍或數量級的差距時,就需要細致檢查各接口位置是否漏氣,還要考慮氣壓不同所造成的氮氣密度的變化。確定原因后,作進一步的維修、調試處理。

(二)重要技術指標的測試確認

1.儀器的主要技術指標有檢出限、靈敏度、重復性、穩定性、校準方法等。儀器的檢出限是靈敏度和穩定性的綜合指標,只有具有較高靈敏度和較好的穩定性時,才有低的檢出限。儀器軟件已給出相應元素的檢出限,通過回歸曲線計算得出,可作為儀器性能的理論參數。實測檢出限可采用德國隨機標樣連續10次激發,計算得出測量10次的標準偏差(s),實測檢出限為3倍的實驗標準偏差。

不同的樣品、光源條件、譜線選擇、工作曲線的影響,實際檢出限有較大差距。通過實測檢出限可以對不同的光譜儀進行實際性能的比對,由此判斷儀器的靈敏度和穩定性是否滿足檢測要求。

2.重復性測試。采用光譜高低標標樣對儀器標準化后,連續激發10次測量某個光譜分析標準物質中代表元素的含量,計算出10次測量值的相對標準偏差(RSD),即為其重復性(r)。

3.穩定性測試儀器正常工作狀態下,激發光譜分析標準物質,對代表性元素進行測量。在不少于2小時內,間隔15分鐘以上,重復6次測量,每個樣品激發3次。所有數據的統計,通過應用DIA2000數據庫的統計功能得出平均值、標準偏差、相對標準偏差、極值、極差、相對極差。此6次測量值的相對標準偏差(RSD)為穩定性。

總之,進行光譜儀的調試和技術指標測試確認,首先要對儀器硬件系統(光源、光學室、電子測控系統、氬氣系統等)的技術參數進行測試確認;第二,對儀器分析性能的重要技術指標(檢出限、重復性、穩定性等)實際測試確認;第三,分析軟件的功能(操作便捷、控制功能強大、校正方法是否準確等)、質量數據控制功能等;第四,儀器外觀、火花臺設計、操作是否安全、快捷,儀器維護、環境要求情況也要給予考慮。通過對SPECTROLAB M9型光譜儀的技術測試和實際應用,表明儀器的技術特點鮮明、易于調試、檢測能力較強,能夠滿足有色冶金企業現場實驗室對爐前控制的化學分析要求。

參考文獻:

1.SPECTRO光電直讀光譜儀常見故障分析.中國計量,2008(2)

2.JJG768-2005.發射光譜儀檢定規程.2005

3.YS/T482-2005.銅及銅合金分析方法-光電發射光譜法.2005

(作者單位:寧波興業電子銅帶有限公司 浙江慈溪 315336)

(責編:賈偉)