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摘 要:通过引进的SPECTROLAB M9型直读光谱仪的实际使用状况,介绍其硬件系统、软件系统的配置及其功能,并对仪器的性能调试与重要技术指标的测试确认进行分析。
关键词:直读光谱仪 硬件系统 软件系统 调试 技术指标
中图分类号:F062.4 文献标识码:A
文章编号:1004-4914(2009)09-294-02
光电光谱分析是一种用于炉前化学成分快速分析的技术,由于其具有准确、快速、多元素同时测定的特点,世界上熔炼、铸造以及金属加工企业均采用这种分析仪器。兴业公司在原引进德国斯派克公司制造的二台实验室用直读光谱仪的基础上,于2006年底又引进一台M9型直读光谱仪。现通过新引进的M9型光谱仪的使用状况,就其先进的结构设计和实际应用性能作一些分析。
一、SPECTROLAB光谱仪的分析原理
光电光谱分析采用的原理是用电弧(或火花)的高温使样品中各元素从固态直接气化并被激发而发射出各元素的特征波长,用光栅分光后,成为按波长排列的“光谱”,这些元素的特征光谱线通过出射狭缝,射入各自的光电倍增管,光信号变成电信号,经仪器的测量控制系统将电信号积分并进行模/数转换,然后由计算机处理,并打印出各元素的百分含量。
二、SPECTROLAB光谱仪结构及功能介绍
由于直读光谱仪属于精密分析仪器,其内部结构设计十分复杂,以致光谱分析工作者对光谱仪各电子系统的结构、原理理论的了解和实践经验都十分有限。光谱分析者应对光谱仪的四大硬件系统(光源系统、光学系统、电子测控系统、氩气冲洗系统)有整体的了解,掌握各控制系统的功能和相互关系,达到通过故障现象分析、判断和解决仪器故障的目的。下面通过SPECTROLAB型光谱仪的实际使用情况,简要说明其结构特点及各控制系统的功能和相互关系。
1.光源系统。激发光源是光电直读光谱仪系统中重要的组成部分,它担负着包括物质的蒸发、解离和原子化以及激发等几个主要过程,光谱分析的检出限、精密度和准确度等主要技术指标,在很大程度上取决于激发光源。光源的作用是将待测元素变成气体状态,而后激发成光谱,根据该元素谱线强度转换成光电流,由计算机控制的测量系统按谱线的强度换算成元素的含量。
SPECTROLAB型光谱仪的光源系统采用的是数字式电流控制光源,有多种火花、类电弧arc和saft、calc(线状样品专用)等光源控制参数。控制参数的调试更加先进、实用。
光源框架上有四个红灯,第一个灯FR指示频率信号,第二个灯PA指示光源参数(如曝光时间、预燃时间等),第三个灯ER(ERROR)指示光源错误,第四个灯DO指示安全信号,如Clamp up(夹子抬起)、Argon low(氩气流量低)等。当光源不激发并在‘READY’状态时,3、4灯亮。光源框架上有四根光纤依次为频率接收(F)(拔下此光纤,可以不激发并观察分析流程)、参数接收(P)、紫外室探测光纤(T)、空气室SAFT探测光纤(T)。
2.光学系统。SPECTROLAB型光谱仪的光学系统由聚光镜、入射狭缝、凹面光栅、出射狭缝和光电倍增管等组成。光学系统的测光路径如下所示。
火花台(光)→通光孔→石英平面透镜→快门(shutter)→方解石平面透镜→石英凸透镜→光纤(紫外光室没有)→入射狭缝→入射折射片(描迹)→光栅(分光)→出射折射片→出射狭缝→反射镜(光电管位置重叠时用)→光电倍增管(-1000VDC)光电转换→电子读出系统。
其中光电倍增管是测量光谱线的主要光电元器件,它在(-1000V DC)负高压的作用下进行光电转换,将照在其阴极上的光信号变成电信号——光电流。放大倍数是光电倍增管的主要质量指标,供电电压的稳定性对它的放大系数影响很大,因此光谱仪外部必须安装稳压器进行稳压。
我公司引进的M9型直读光谱仪的光学系统,由一个紫外区光学系统(波长120~200nm)和两个空气光学系统组成,其中紫外系统具有自净化的氮气循环系统,避免了油气污染光学元件的问题。采用全息光栅作为色散元件,焦距750mm。分析通道共45条,基体铜元素通道6条,其他元素通道39条,分析元素(不包括基体铜元素)45个。
3.电子测控系统。SPECTROLAB M9型与M7型相比,主要是采用工控板EK9809-2通过网线与外置计算机相连,不再使用单板机EK9810,其计算机控制系统更为先进。
4.氩气冲洗系统。激发光谱要在氩气气氛环境中进行,以此获得稳定的光谱线强度。氩气火花能够防止试样表面的氧化,提高谱线与背景强度之比,稳定火花放电状态等作用。氩气火花的稳定性由氩气的流量、压力、纯度等特性有关。氩气稳定时激发呈浓缩放电,否则呈扩散放电。因此了解其冲洗控制十分重要。
SPECTROLAB氩气系统由氩气控制电路、压力传感器、电磁阀、气流调节阀等组成,分析程序根据激发过程的需要控制气流量的大小。
氩气的流量、压力不仅需要合适而且要稳定,否则会得不到满意的分析结果。氩气流量过小,不能排除火花室中的空气和试样激发分解出来的含氧化物,可能会引起扩散放电。氩气流量过大,容易使激发样品的火花产生跳动,同时造成费氩。为了避免空气对氩气管道的污染而降低氩气纯度,平时不做分析时,常规光谱仪氩气管道中也要保持0.5—1升/分钟的氩气流量,称之谓静态氩冲洗火花室。因此光谱分析者在不做分析时,要找一块样品始终盖住极板孔,进行分析需换磨样品时,要求操作迅速,以免尽量减少空气进入火花室。
5.四大硬件系统之间的关联可用图2表示。
三、SPECTROLAB M9光谱仪分析软件介绍
M9型光谱仪安装了Spark Analyzer专用分析软件和DIA2000数据库管理软件。Spark Analyzer专用分析软件不仅使操作简便直观,而且显著增强了仪器的参数设置、同外部计算机的数据交换、报表生成以及统计分析等功能。同时,还可通过SQL数据库来进行数据管理。
软件界面非常简单明了,通过鼠标可以在三个主要模式:“日常分析”、“方法建立”、“仪器配置”之间进行切换。在“仪器配置”模式下,仪器的参数设置非常直观,可在同屏中多窗口显示所有需要的信息,操作简单明了。
每个分析通道可按照各自的检测参数独立编程,以确保获得最理想的分析结果。多级密码保护系统可以确保数据和参数不会因误操作而受到破坏。
Spark Analyzer专用分析软件、DIA数据库管理软件和电子表格Excel之间有接口,为软件的功能应用及开发提供平台,满足生产检验的数据管理、仪器管理要求,还可提供仪器的方法研究、性能调试等。
四、系统调试
(一)硬件系统的调试及其对测量结果的影响
1.光源参数调试。仪器根据现场条件(氩气质量、制样条件、测试样品等)粗调试冲洗时间、预然时间、火花条件、积分时间等,以保证标样测量精度。在现场应用中再细调,以保证试样测量精度和准确度。冲洗时间取决于氩气的纯度、火花台空间的大小和冲洗流量,同时还要考虑到氩气消耗量,经过试验确定冲洗时间为3秒。现场分析条件的确定主要是根据现场测试要求来确定的,比如铜元素含量范围、分析时间、分析精度等。
2.光学系统调试。光学系统的调试主要采用积分描迹的方法实现。描迹的目的主要是确定入射狭缝的位置;描迹的方法是转动入射狭缝的手轮,描迹一条谱线,找出其峰值的位置,然后将手轮转到该峰值的位置,使各个分析元素谱线对准各自的出射狭缝。
通过描迹轮调节入射狭缝的位置,观察同一样品的元素光强值,寻找并选择最佳描迹位置,描迹主要考虑“狭缝的一致性”,照顾到各元素的强度。为保证谱线和出射狭缝稳定重合,每台仪器在使用中应定期用描迹的方法进行调整(一般选择在季节气候变化大的时候描迹,约半年一次)使所有出射狭缝调整到较理想的位置上。
描迹的过程也可用计算机去完成,利用DIA数据库管理软件,存贮每个描迹点的激发强度数据,通过DIA数据库与Spark analyzer分析软件之间的接口文件analysen.dat,将强度数据传送到数据库,选择所需数据,再点击“Export”,将数据转换成电子表格格式,最后选择合适的描迹位置。以后每次的描迹操作可对数据逐步积累,以此掌握仪器的描迹变化和UV光学系统光强变化趋势。
3.电子测控系统的调试,可通过观察显示数据,初步判断各系统是否工作正常,再进行恒光测试、暗电流测试,进一步判断测控系统是否正常。
采用灯曝光检查法重复测定n次的灯曝光,计算光强的相对标准偏差(RSD)。进行暗电流检查时,仪器将在积分过程中自动关闭试验灯,采集光电倍增管在完全无光照射时所输出的噪声信号,通过检查暗电流,找出线性变差的光电倍增管。
4.由于安装、运输等因素的影响,会出现充氮光学系统的密封性和氮气密度的变化,当出现调试强度和原厂给出的仪器原始强度相差几倍或数量级的差距时,就需要细致检查各接口位置是否漏气,还要考虑气压不同所造成的氮气密度的变化。确定原因后,作进一步的维修、调试处理。
(二)重要技术指标的测试确认
1.仪器的主要技术指标有检出限、灵敏度、重复性、稳定性、校准方法等。仪器的检出限是灵敏度和稳定性的综合指标,只有具有较高灵敏度和较好的稳定性时,才有低的检出限。仪器软件已给出相应元素的检出限,通过回归曲线计算得出,可作为仪器性能的理论参数。实测检出限可采用德国随机标样连续10次激发,计算得出测量10次的标准偏差(s),实测检出限为3倍的实验标准偏差。
不同的样品、光源条件、谱线选择、工作曲线的影响,实际检出限有较大差距。通过实测检出限可以对不同的光谱仪进行实际性能的比对,由此判断仪器的灵敏度和稳定性是否满足检测要求。
2.重复性测试。采用光谱高低标标样对仪器标准化后,连续激发10次测量某个光谱分析标准物质中代表元素的含量,计算出10次测量值的相对标准偏差(RSD),即为其重复性(r)。
3.稳定性测试仪器正常工作状态下,激发光谱分析标准物质,对代表性元素进行测量。在不少于2小时内,间隔15分钟以上,重复6次测量,每个样品激发3次。所有数据的统计,通过应用DIA2000数据库的统计功能得出平均值、标准偏差、相对标准偏差、极值、极差、相对极差。此6次测量值的相对标准偏差(RSD)为稳定性。
总之,进行光谱仪的调试和技术指标测试确认,首先要对仪器硬件系统(光源、光学室、电子测控系统、氩气系统等)的技术参数进行测试确认;第二,对仪器分析性能的重要技术指标(检出限、重复性、稳定性等)实际测试确认;第三,分析软件的功能(操作便捷、控制功能强大、校正方法是否准确等)、质量数据控制功能等;第四,仪器外观、火花台设计、操作是否安全、快捷,仪器维护、环境要求情况也要给予考虑。通过对SPECTROLAB M9型光谱仪的技术测试和实际应用,表明仪器的技术特点鲜明、易于调试、检测能力较强,能够满足有色冶金企业现场实验室对炉前控制的化学分析要求。
参考文献:
1.SPECTRO光电直读光谱仪常见故障分析.中国计量,2008(2)
2.JJG768-2005.发射光谱仪检定规程.2005
3.YS/T482-2005.铜及铜合金分析方法-光电发射光谱法.2005
(作者单位:宁波兴业电子铜带有限公司 浙江慈溪 315336)
(责编:贾伟)
关键词:直读光谱仪 硬件系统 软件系统 调试 技术指标
中图分类号:F062.4 文献标识码:A
文章编号:1004-4914(2009)09-294-02
光电光谱分析是一种用于炉前化学成分快速分析的技术,由于其具有准确、快速、多元素同时测定的特点,世界上熔炼、铸造以及金属加工企业均采用这种分析仪器。兴业公司在原引进德国斯派克公司制造的二台实验室用直读光谱仪的基础上,于2006年底又引进一台M9型直读光谱仪。现通过新引进的M9型光谱仪的使用状况,就其先进的结构设计和实际应用性能作一些分析。
一、SPECTROLAB光谱仪的分析原理
光电光谱分析采用的原理是用电弧(或火花)的高温使样品中各元素从固态直接气化并被激发而发射出各元素的特征波长,用光栅分光后,成为按波长排列的“光谱”,这些元素的特征光谱线通过出射狭缝,射入各自的光电倍增管,光信号变成电信号,经仪器的测量控制系统将电信号积分并进行模/数转换,然后由计算机处理,并打印出各元素的百分含量。
二、SPECTROLAB光谱仪结构及功能介绍
由于直读光谱仪属于精密分析仪器,其内部结构设计十分复杂,以致光谱分析工作者对光谱仪各电子系统的结构、原理理论的了解和实践经验都十分有限。光谱分析者应对光谱仪的四大硬件系统(光源系统、光学系统、电子测控系统、氩气冲洗系统)有整体的了解,掌握各控制系统的功能和相互关系,达到通过故障现象分析、判断和解决仪器故障的目的。下面通过SPECTROLAB型光谱仪的实际使用情况,简要说明其结构特点及各控制系统的功能和相互关系。
1.光源系统。激发光源是光电直读光谱仪系统中重要的组成部分,它担负着包括物质的蒸发、解离和原子化以及激发等几个主要过程,光谱分析的检出限、精密度和准确度等主要技术指标,在很大程度上取决于激发光源。光源的作用是将待测元素变成气体状态,而后激发成光谱,根据该元素谱线强度转换成光电流,由计算机控制的测量系统按谱线的强度换算成元素的含量。
SPECTROLAB型光谱仪的光源系统采用的是数字式电流控制光源,有多种火花、类电弧arc和saft、calc(线状样品专用)等光源控制参数。控制参数的调试更加先进、实用。
光源框架上有四个红灯,第一个灯FR指示频率信号,第二个灯PA指示光源参数(如曝光时间、预燃时间等),第三个灯ER(ERROR)指示光源错误,第四个灯DO指示安全信号,如Clamp up(夹子抬起)、Argon low(氩气流量低)等。当光源不激发并在‘READY’状态时,3、4灯亮。光源框架上有四根光纤依次为频率接收(F)(拔下此光纤,可以不激发并观察分析流程)、参数接收(P)、紫外室探测光纤(T)、空气室SAFT探测光纤(T)。
2.光学系统。SPECTROLAB型光谱仪的光学系统由聚光镜、入射狭缝、凹面光栅、出射狭缝和光电倍增管等组成。光学系统的测光路径如下所示。
火花台(光)→通光孔→石英平面透镜→快门(shutter)→方解石平面透镜→石英凸透镜→光纤(紫外光室没有)→入射狭缝→入射折射片(描迹)→光栅(分光)→出射折射片→出射狭缝→反射镜(光电管位置重叠时用)→光电倍增管(-1000VDC)光电转换→电子读出系统。
其中光电倍增管是测量光谱线的主要光电元器件,它在(-1000V DC)负高压的作用下进行光电转换,将照在其阴极上的光信号变成电信号——光电流。放大倍数是光电倍增管的主要质量指标,供电电压的稳定性对它的放大系数影响很大,因此光谱仪外部必须安装稳压器进行稳压。
我公司引进的M9型直读光谱仪的光学系统,由一个紫外区光学系统(波长120~200nm)和两个空气光学系统组成,其中紫外系统具有自净化的氮气循环系统,避免了油气污染光学元件的问题。采用全息光栅作为色散元件,焦距750mm。分析通道共45条,基体铜元素通道6条,其他元素通道39条,分析元素(不包括基体铜元素)45个。
3.电子测控系统。SPECTROLAB M9型与M7型相比,主要是采用工控板EK9809-2通过网线与外置计算机相连,不再使用单板机EK9810,其计算机控制系统更为先进。
4.氩气冲洗系统。激发光谱要在氩气气氛环境中进行,以此获得稳定的光谱线强度。氩气火花能够防止试样表面的氧化,提高谱线与背景强度之比,稳定火花放电状态等作用。氩气火花的稳定性由氩气的流量、压力、纯度等特性有关。氩气稳定时激发呈浓缩放电,否则呈扩散放电。因此了解其冲洗控制十分重要。
SPECTROLAB氩气系统由氩气控制电路、压力传感器、电磁阀、气流调节阀等组成,分析程序根据激发过程的需要控制气流量的大小。
氩气的流量、压力不仅需要合适而且要稳定,否则会得不到满意的分析结果。氩气流量过小,不能排除火花室中的空气和试样激发分解出来的含氧化物,可能会引起扩散放电。氩气流量过大,容易使激发样品的火花产生跳动,同时造成费氩。为了避免空气对氩气管道的污染而降低氩气纯度,平时不做分析时,常规光谱仪氩气管道中也要保持0.5—1升/分钟的氩气流量,称之谓静态氩冲洗火花室。因此光谱分析者在不做分析时,要找一块样品始终盖住极板孔,进行分析需换磨样品时,要求操作迅速,以免尽量减少空气进入火花室。
5.四大硬件系统之间的关联可用图2表示。
三、SPECTROLAB M9光谱仪分析软件介绍
M9型光谱仪安装了Spark Analyzer专用分析软件和DIA2000数据库管理软件。Spark Analyzer专用分析软件不仅使操作简便直观,而且显著增强了仪器的参数设置、同外部计算机的数据交换、报表生成以及统计分析等功能。同时,还可通过SQL数据库来进行数据管理。
软件界面非常简单明了,通过鼠标可以在三个主要模式:“日常分析”、“方法建立”、“仪器配置”之间进行切换。在“仪器配置”模式下,仪器的参数设置非常直观,可在同屏中多窗口显示所有需要的信息,操作简单明了。
每个分析通道可按照各自的检测参数独立编程,以确保获得最理想的分析结果。多级密码保护系统可以确保数据和参数不会因误操作而受到破坏。
Spark Analyzer专用分析软件、DIA数据库管理软件和电子表格Excel之间有接口,为软件的功能应用及开发提供平台,满足生产检验的数据管理、仪器管理要求,还可提供仪器的方法研究、性能调试等。
四、系统调试
(一)硬件系统的调试及其对测量结果的影响
1.光源参数调试。仪器根据现场条件(氩气质量、制样条件、测试样品等)粗调试冲洗时间、预然时间、火花条件、积分时间等,以保证标样测量精度。在现场应用中再细调,以保证试样测量精度和准确度。冲洗时间取决于氩气的纯度、火花台空间的大小和冲洗流量,同时还要考虑到氩气消耗量,经过试验确定冲洗时间为3秒。现场分析条件的确定主要是根据现场测试要求来确定的,比如铜元素含量范围、分析时间、分析精度等。
2.光学系统调试。光学系统的调试主要采用积分描迹的方法实现。描迹的目的主要是确定入射狭缝的位置;描迹的方法是转动入射狭缝的手轮,描迹一条谱线,找出其峰值的位置,然后将手轮转到该峰值的位置,使各个分析元素谱线对准各自的出射狭缝。
通过描迹轮调节入射狭缝的位置,观察同一样品的元素光强值,寻找并选择最佳描迹位置,描迹主要考虑“狭缝的一致性”,照顾到各元素的强度。为保证谱线和出射狭缝稳定重合,每台仪器在使用中应定期用描迹的方法进行调整(一般选择在季节气候变化大的时候描迹,约半年一次)使所有出射狭缝调整到较理想的位置上。
描迹的过程也可用计算机去完成,利用DIA数据库管理软件,存贮每个描迹点的激发强度数据,通过DIA数据库与Spark analyzer分析软件之间的接口文件analysen.dat,将强度数据传送到数据库,选择所需数据,再点击“Export”,将数据转换成电子表格格式,最后选择合适的描迹位置。以后每次的描迹操作可对数据逐步积累,以此掌握仪器的描迹变化和UV光学系统光强变化趋势。
3.电子测控系统的调试,可通过观察显示数据,初步判断各系统是否工作正常,再进行恒光测试、暗电流测试,进一步判断测控系统是否正常。
采用灯曝光检查法重复测定n次的灯曝光,计算光强的相对标准偏差(RSD)。进行暗电流检查时,仪器将在积分过程中自动关闭试验灯,采集光电倍增管在完全无光照射时所输出的噪声信号,通过检查暗电流,找出线性变差的光电倍增管。
4.由于安装、运输等因素的影响,会出现充氮光学系统的密封性和氮气密度的变化,当出现调试强度和原厂给出的仪器原始强度相差几倍或数量级的差距时,就需要细致检查各接口位置是否漏气,还要考虑气压不同所造成的氮气密度的变化。确定原因后,作进一步的维修、调试处理。
(二)重要技术指标的测试确认
1.仪器的主要技术指标有检出限、灵敏度、重复性、稳定性、校准方法等。仪器的检出限是灵敏度和稳定性的综合指标,只有具有较高灵敏度和较好的稳定性时,才有低的检出限。仪器软件已给出相应元素的检出限,通过回归曲线计算得出,可作为仪器性能的理论参数。实测检出限可采用德国随机标样连续10次激发,计算得出测量10次的标准偏差(s),实测检出限为3倍的实验标准偏差。
不同的样品、光源条件、谱线选择、工作曲线的影响,实际检出限有较大差距。通过实测检出限可以对不同的光谱仪进行实际性能的比对,由此判断仪器的灵敏度和稳定性是否满足检测要求。
2.重复性测试。采用光谱高低标标样对仪器标准化后,连续激发10次测量某个光谱分析标准物质中代表元素的含量,计算出10次测量值的相对标准偏差(RSD),即为其重复性(r)。
3.稳定性测试仪器正常工作状态下,激发光谱分析标准物质,对代表性元素进行测量。在不少于2小时内,间隔15分钟以上,重复6次测量,每个样品激发3次。所有数据的统计,通过应用DIA2000数据库的统计功能得出平均值、标准偏差、相对标准偏差、极值、极差、相对极差。此6次测量值的相对标准偏差(RSD)为稳定性。
总之,进行光谱仪的调试和技术指标测试确认,首先要对仪器硬件系统(光源、光学室、电子测控系统、氩气系统等)的技术参数进行测试确认;第二,对仪器分析性能的重要技术指标(检出限、重复性、稳定性等)实际测试确认;第三,分析软件的功能(操作便捷、控制功能强大、校正方法是否准确等)、质量数据控制功能等;第四,仪器外观、火花台设计、操作是否安全、快捷,仪器维护、环境要求情况也要给予考虑。通过对SPECTROLAB M9型光谱仪的技术测试和实际应用,表明仪器的技术特点鲜明、易于调试、检测能力较强,能够满足有色冶金企业现场实验室对炉前控制的化学分析要求。
参考文献:
1.SPECTRO光电直读光谱仪常见故障分析.中国计量,2008(2)
2.JJG768-2005.发射光谱仪检定规程.2005
3.YS/T482-2005.铜及铜合金分析方法-光电发射光谱法.2005
(作者单位:宁波兴业电子铜带有限公司 浙江慈溪 315336)
(责编:贾伟)