提高直讀光譜儀準確性的措施和效果檢驗

【摘要】直讀光譜儀廣泛地應用在冶金快速分析中，其使用過程中可能會產生一些誤差，這些誤差是可以減小或避免的。本文通過對人、機、料、法、環中的變異因素進行分析并采用相應方法減免誤差，經過檢驗證實，收到了很好的效果。

【關鍵詞】直讀光譜儀；原理；誤差；效果檢驗

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.04.056

Measures and Effect Test to Improve the Accuracy of Direct Reading Spectrometer

CUI Yuan

（Hebei Iron and Steel Hangang Equipment Manufacturing and Installation Branch， Handan 056000， China）

Abstract： Direct reading spectrometers are widely used in rapid metallurgical analysis， and their use may result in some errors. These errors can be reduced or avoided. This article analyzes the variation factors in human， machine， material， method， and environment， and adopts corresponding methods to reduce errors.After inspection， it has been confirmed that good results have been achieved.

Key words： direct reading spectrometer； principle； error； effect test

火花直讀光譜儀是利用原子發射光譜分析法，即原子外層受激發時發射出特征譜線對物質元素構成進行分析的一種方法。火花直讀光譜儀以分析速度快、精準度高、耗費低、操作簡便且環保的優勢，替代傳統的化學試劑方法對金屬成分定量檢測。邯鋼設備安裝分公司質檢科化驗室于2020年引入了聚光科技M5000型火花直讀光譜儀，在使用過程中發現很多因素影響直讀光譜儀的準確率，本文與大家共同探討如何提高直讀光譜儀的準確性。

1直讀光譜儀檢測原理

激發臺中的電極與預先制備的金屬樣品在激發過程中產生電火花，火花發出的光通過入射狹縫進入分光室，通過光柵分光后，不同波長的光以不同角度分開，照射到CCD傳感器上，CCD傳感器將光信號轉換成電信號，并通過測量系統傳輸給計算機，經計算機處理后，計算出分析結果，通過顯示器顯示出各元素的含量。

2提高直讀光譜儀準確性的措施

光譜儀在使用過程中存在誤差是不可避免的，只有熟悉誤差產生的規律，找出誤差產生的原因，采取相應的措施把誤差控制在允許的范圍內，以滿足生產、科研等要求。

2.1對人為因素引起的誤差采取的減免措施

人為因素即化驗員主觀原因造成的誤差，減小這類誤差的辦法是加強化驗員的基本功訓練，熟練掌握《直讀光譜儀操作規程》《直讀光譜儀樣品制備規范》等操作技術，一絲不茍、耐心細致地進行實驗，養成良好的實驗習慣。同時加強操作人員專業知識的培訓和學習。

2.2對“機”的變異因素引起的誤差采取的減免措施

1）譜線匹配校正。受到外界環境的影響，如溫度的劇變、振動等，光譜儀的譜線位置會有微小的變化，因此進行譜線匹配校正。

2）做類別標準化。通過做類別標準化對一個類別下的所有分析模型進行了漂移校正，提高測量的準確度。

3）新建分析程序。通過做新建分析程序解決來自基體的差異、熔煉過程的差異或表面狀態的差異等引起的分析誤差，實現了分析誤差的自動補償。通過新增標樣的新建程序，使各種材質的分析程序更齊備完善。

4）做程序修正。隨著外界環境的變化，已有分析程序的校正系數也會產生變化，此時需要通過“程序修正”對已有程序的系數進行修正。程序修正的周期一般為4小時一次，即每個班次都應該修正一次，這樣才能確保分析結果真實、可靠。

5）做好儀器的保養，不僅能提高檢驗的準確性，還能減少儀器的故障率。徹底清潔火花臺，樣品在激發過程中產生大量的金屬粉末，一部分金屬蒸汽隨氬氣排出儀器外，剩余的部分附著在火花臺上，造成嚴重的污染，火花臺墊片也附著一層金屬化合物，還有大量粉末沉積在底部。這種嚴重的污染使兩極之間絕緣性能降低，影響激發效果。定期清潔透鏡，一般半年或一年清理一次。直讀光譜儀有兩塊透鏡，一塊是紫外光室前透鏡，一塊是可見光室前透鏡，透鏡由氬氣保護以防粉塵將其污染。清潔透鏡時需用棉簽蘸取少許乙醇，略潮后輕輕擦拭透鏡。另外要維護過濾罐，清潔濾芯、防止氣流阻塞，更換過濾罐的水。

2.3對“料”的變異因素引起的誤差采取的減免措施

光譜檢驗中制樣是非常重要的一環節，制備樣品的好壞很大程度上決定化驗結果的好壞。在用光譜儀化驗鑄鐵樣的過程中，有時爐前樣品表面出現較大凹坑影響打磨成平面、有時有些鑄鐵成品樣光譜無法激發開或激發數據不正常、數據偏差較大以及鑄鋼、鑄鐵樣品在磨樣時由于表面平整度、水、臟污、缺陷等導致激發數據不準確等問題。這些問題都是與制樣環節相關。制樣分為兩步，取樣和磨樣，需要先從包內取出鋼水或鐵水然后澆注模具中，再把紅熱的樣品翻入水中快速冷卻后，送到磨樣機上打磨。為提高制樣規范，減少樣品缺陷，提高成分檢測的準確性。采取以下措施：

1）對于鑄鐵爐前取出樣品出現中間凹坑現象，這是因為爐前取樣時鐵水溫度較高，澆注時溫度高，凝固后收縮大。通過取樣時略微降低澆注溫度，避免了較大的凝固收縮凹坑。

2）對于個別鑄鐵成品樣有時光譜儀無法成功激發，產生激發白點（擴散性放電）、激發數據異常。由于激冷效果不好或反白口化元素含量如碳、硅等含量太高引起。如果取樣白口化不良，就會出現游離石墨，導致出現激發白點。但完全白口化是一項非常難的操作，主要由于鑄鐵含碳量較高，成品樣中含較高像碳、硅這樣的反白口化元素，所以通過在澆注時，保證較大的冷卻速度，澆注成型后立即水冷，以保證表面形成細小的滲碳體晶粒，而不是粗大的游離石墨。碳、硅含量控制好，不超標才能保證白口化。

3）對于樣品激發時，發出異常的聲音，有時甚至刺耳，化驗結果偏差較大，這是因為試樣表面打磨不夠平整，出現漏氣現象。磨樣時要增強責任心，如激發時出現漏氣，則需要重新打磨樣品，直至表面平整不漏氣。如是砂紙的問題，立即更換砂紙。磨制較硬的鑄鐵樣時，通過改進選擇顆粒粗大粒度大于0.25 mm，質地較硬的砂紙打磨，既能提高打磨效率同時減少對砂紙的耗費量。

4）對于偶爾磨好的樣品激發面有水、有臟污、手指印，以及裂紋、氣孔、砂眼等問題，光譜分析時激發這些位置成分會不準確。因取樣時用水冷卻，所以會帶些水，必須吹干方可進行分析；時刻注意保護打磨好的樣品表面清潔，樣子暫時放置桌面時光面朝上、不用手摸激發面；同時避免磨好的樣品表面出現裂紋、氣孔、砂眼。

5）鑄鋼爐前樣品在磨樣時不要磨得太淺，防止熔在表面鋁脫氧劑打磨不掉，影響測定結果。

2.4對“法”的變異因素引起的誤差采取的減免措施

1）依據國家標準GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》和國家標準GB/T 14203—2016《火花放電原子發射光譜分析法通則》和直讀光譜儀的使用說明書同時制定《直讀光譜儀操作規范》分析試樣，做到有法可依，有章可循，保證檢測結果的準確性。

2）測量結果通常測試兩次，當兩次測量結果重復性較好，則可直接報送結果，如果兩次結果偏差相對較大，應再測1個或2個結果，去掉不正常數據后，取平均值減小誤差。如果測量結果偏差依然很大，采用測量標準樣品的方法對測量結果進行確認，如果測量結果與標準樣品認證值不一樣，應重新進行標準化。如果測量結果認證值基本一致時應考慮所分析樣品的均勻性或污染。

3）直讀光譜儀是利用原子特征光譜波長進行分析的儀器，對于中長波元素檢測準確度較高，而由于空氣對碳、磷、硫等短波元素有吸收作用，導致分析結果準確度下降。只有減少火花室空氣中的氧、碳氫化合物和水分，火花室使用密封性較好的樣品遮蓋，同時待機時使用小流量的氬氣保證火花室氬氣氛圍，保證檢測準確度。

2.5對“環”的變異因素引起的誤差采取的減免措施

環境，尤其是溫度、震動對光譜儀影響較大。光譜儀內部溫度較高或較低、或有溫度波動時，都會引起儀器測量精度的變化，由于光譜儀要求有較高的熱穩定性，對溫度十分敏感，光譜儀內溫度的變化會導致光學元件的微小形變，使光路偏移，造成結果波動。所以采取措施改進：屋內空調24 h開放、保持光譜室24 h溫度適宜，在10～30℃。光譜室屋門常閉，減少不必要人員進出，以減少室內溫度波動。清洗空調過濾網，降低空調制冷溫度、加大空調風量，提高制冷效果，以保證光譜室溫度恒定、快速過濾并消除溫度波動。另外磨樣時邊磨邊用水冷冷卻樣子，防止樣子溫度過高，如果磨樣時樣品太燙，將熱樣子放到光譜儀激發臺上激發，光譜儀受樣品熱量的傳導引起溫度升高及其測量精度的變化。

3效果測試檢驗

經過采取一系列減小光譜儀誤差的措施，光譜儀在生產檢測中，尤其是爐前分析更加快速準確，下面將對光譜儀進行校核驗證，證明光譜儀在穩定性和準確性都達到了較好的狀態。

3.1儀器、測試條件、標準樣品情況

1）儀器設備：聚光科技M5000型直讀光譜儀。2）測試條件：輸入壓力為0.5 MPa；溫度為24℃；濕度為50%；電壓為220 V；使用分析氣體Ar純度99.999%。3）標準樣品：行業校正樣品YSB S 11289c-2013合金結構鋼（42 CrMo）。

3.2具體方法及判定

3.2.1重復性測試

2）判定：要求C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等主要元素的RSD≤3。

3.2.2穩定性測試

1）方法：儀器開機穩定后，激發低合金鋼標準物質，對被測元素進行測量。在不小于2 h內，間隔15 min以上，重復6次測量，而且期間不再標準化。計算出平均值和相對標準偏差。2）判定：要求C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等主要元素的RSD≤3。

3.3測試結果

1）重復性測試結果（見表1）。

2）穩定性測試結果（見表2）。

3.4結論

1）在低合金鋼標準樣品重復性測試中C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等主要元素的RSD≤3，重復性測試結果符合要求。2）在低合金鋼標準樣品穩定性測試中C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等主要元素的RSD≤3，穩定性測試結果符合要求。3）在重復性和穩定性測試中，均值和標準值接近，測試結果準確性較好。

4總結

通過采取以上措施改進，直讀光譜儀檢驗時操作更標準，使誤差控制在允許的范圍內，確保檢測數據準確可靠，更好地提高質量控制，為生產服務、為產品質量把關。

【參考文獻】

[1]羅斌.如何提高直讀光譜儀檢測結果的準確性[J].中國高新技術企業，2012（20）：98-100.

[2]劉英明.CCD火花直讀光譜儀的系統測試[D].杭州：杭州電子科技大學，2010.

[3]火花放電原子發射光譜分析法通則：GB/T14203—2016[S].

【作者簡介】

崔圓，女，1985年出生，助理工程師，學士，研究方向為質檢。

（編輯：謝飛燕）