陳建華　苑和鋒

摘 要:通過引進(jìn)的SPECTROLAB M9型直讀光譜儀的實(shí)際使用狀況,介紹其硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的配置及其功能,并對(duì)儀器的性能調(diào)試與重要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試確認(rèn)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞:直讀光譜儀 硬件系統(tǒng) 軟件系統(tǒng) 調(diào)試 技術(shù)指標(biāo)

中圖分類號(hào):F062.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-4914(2009)09-294-02

光電光譜分析是一種用于爐前化學(xué)成分快速分析的技術(shù),由于其具有準(zhǔn)確、快速、多元素同時(shí)測(cè)定的特點(diǎn),世界上熔煉、鑄造以及金屬加工企業(yè)均采用這種分析儀器。興業(yè)公司在原引進(jìn)德國(guó)斯派克公司制造的二臺(tái)實(shí)驗(yàn)室用直讀光譜儀的基礎(chǔ)上,于2006年底又引進(jìn)一臺(tái)M9型直讀光譜儀?，F(xiàn)通過新引進(jìn)的M9型光譜儀的使用狀況,就其先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)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(tài)直接氣化并被激發(fā)而發(fā)射出各元素的特征波長(zhǎng),用光柵分光后,成為按波長(zhǎng)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(hào)變成電信號(hào),經(jīng)儀器的測(cè)量控制系統(tǒng)將電信號(hào)積分并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,然后由計(jì)算機(jī)處理,并打印出各元素的百分含量。

二、SPECTROLAB光譜儀結(jié)構(gòu)及功能介紹

由于直讀光譜儀屬于精密分析儀器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分復(fù)雜,以致光譜分析工作者對(duì)光譜儀各電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理理論的了解和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都十分有限。光譜分析者應(yīng)對(duì)光譜儀的四大硬件系統(tǒng)(光源系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電子測(cè)控系統(tǒng)、氬氣沖洗系統(tǒng))有整體的了解,掌握各控制系統(tǒng)的功能和相互關(guān)系,達(dá)到通過故障現(xiàn)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(shí)際使用情況,簡(jiǎn)要說明其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及各控制系統(tǒng)的功能和相互關(guān)系。

1.光源系統(tǒng)。激發(fā)光源是光電直讀光譜儀系統(tǒng)中重要的組成部分,它擔(dān)負(fù)著包括物質(zhì)的蒸發(fā)、解離和原子化以及激發(fā)等幾個(gè)主要過程,光譜分析的檢出限、精密度和準(zhǔn)確度等主要技術(shù)指標(biāo),在很大程度上取決于激發(fā)光源。光源的作用是將待測(cè)元素變成氣體狀態(tài),而后激發(fā)成光譜,根據(jù)該元素譜線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成光電流,由計(jì)算機(jī)控制的測(cè)量系統(tǒng)按譜線的強(qiáng)度換算成元素的含量。

SPECTROLAB型光譜儀的光源系統(tǒng)采用的是數(shù)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(shù)?？刂茀?shù)的調(diào)試更加先進(jìn)、實(shí)用。

光源框架上有四個(gè)紅燈,第一個(gè)燈FR指示頻率信號(hào),第二個(gè)燈PA指示光源參數(shù)(如曝光時(shí)間、預(yù)燃時(shí)間等),第三個(gè)燈ER(ERROR)指示光源錯(cuò)誤,第四個(gè)燈DO指示安全信號(hào),如Clamp up(夾子抬起)、Argon low(氬氣流量低)等。當(dāng)光源不激發(fā)并在‘READY狀態(tài)時(shí),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(fā)并觀察分析流程)、參數(shù)接收(P)、紫外室探測(cè)光纖(T)、空氣室SAFT探測(cè)光纖(T)。

2.光學(xué)系統(tǒng)。SPECTROLAB型光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)的測(cè)光路徑如下所示。

火花臺(tái)(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(shí)用)→光電倍增管(-1000VDC)光電轉(zhuǎn)換→電子讀出系統(tǒng)。

其中光電倍增管是測(cè)量光譜線的主要光電元器件,它在(-1000V DC)負(fù)高壓的作用下進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,將照在其陰極上的光信號(hào)變成電信號(hào)——光電流。放大倍數(shù)是光電倍增管的主要質(zhì)量指標(biāo),供電電壓的穩(wěn)定性對(duì)它的放大系數(shù)影響很大,因此光譜儀外部必須安裝穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓。

我公司引進(jìn)的M9型直讀光譜儀的光學(xué)系統(tǒng),由一個(gè)紫外區(qū)光學(xué)系統(tǒng)(波長(zhǎng)120~200nm)和兩個(gè)空氣光學(xué)系統(tǒng)組成,其中紫外系統(tǒng)具有自凈化的氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng),避免了油氣污染光學(xué)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(gè)。

3.電子測(cè)控系統(tǒng)。SPECTROLAB M9型與M7型相比,主要是采用工控板EK9809-2通過網(wǎng)線與外置計(jì)算機(jī)相連,不再使用單板機(jī)EK9810,其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)更為先進(jìn)。

4.氬氣沖洗系統(tǒng)。激發(fā)光譜要在氬氣氣氛環(huán)境中進(jìn)行,以此獲得穩(wěn)定的光譜線強(qiáng)度。氬氣火花能夠防止試樣表面的氧化,提高譜線與背景強(qiáng)度之比,穩(wěn)定火花放電狀態(tài)等作用。氬氣火花的穩(wěn)定性由氬氣的流量、壓力、純度等特性有關(guān)。氬氣穩(wěn)定時(shí)激發(fā)呈濃縮放電,否則呈擴(kuò)散放電。因此了解其沖洗控制十分重要。

SPECTROLAB氬氣系統(tǒng)由氬氣控制電路、壓力傳感器、電磁閥、氣流調(diào)節(jié)閥等組成,分析程序根據(jù)激發(fā)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(wěn)定,否則會(huì)得不到滿意的分析結(jié)果。氬氣流量過小,不能排除火花室中的空氣和試樣激發(fā)分解出來的含氧化物,可能會(huì)引起擴(kuò)散放電。氬氣流量過大,容易使激發(fā)樣品的火花產(chǎn)生跳動(dòng),同時(shí)造成費(fèi)氬。為了避免空氣對(duì)氬氣管道的污染而降低氬氣純度,平時(shí)不做分析時(shí),常規(guī)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(tài)氬沖洗火花室。因此光譜分析者在不做分析時(shí),要找一塊樣品始終蓋住極板孔,進(jìn)行分析需換磨樣品時(shí),要求操作迅速,以免盡量減少空氣進(jìn)入火花室。

5.四大硬件系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)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(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。Spark Analyzer專用分析軟件不僅使操作簡(jiǎn)便直觀,而且顯著增強(qiáng)了儀器的參數(shù)設(shè)置、同外部計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換、報(bào)表生成以及統(tǒng)計(jì)分析等功能。同時(shí),還可通過SQL數(shù)據(jù)庫(kù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

軟件界面非常簡(jiǎn)單明了,通過鼠標(biāo)可以在三個(gè)主要模式:“日常分析”、“方法建立”、“儀器配置”之間進(jìn)行切換。在“儀器配置”模式下,儀器的參數(shù)設(shè)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(jiǎn)單明了。

每個(gè)分析通道可按照各自的檢測(cè)參數(shù)獨(dú)立編程,以確保獲得最理想的分析結(jié)果。多級(jí)密碼保護(hù)系統(tǒng)可以確保數(shù)據(jù)和參數(shù)不會(huì)因誤操作而受到破壞。

Spark Analyzer專用分析軟件、DIA數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件和電子表格Excel之間有接口,為軟件的功能應(yīng)用及開發(fā)提供平臺(tái),滿足生產(chǎn)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)管理、儀器管理要求,還可提供儀器的方法研究、性能調(diào)試等。

四、系統(tǒng)調(diào)試

(一)硬件系統(tǒng)的調(diào)試及其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

1.光源參數(shù)調(diào)試。儀器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件(氬氣質(zhì)量、制樣條件、測(cè)試樣品等)粗調(diào)試沖洗時(shí)間、預(yù)然時(shí)間、火花條件、積分時(shí)間等,以保證標(biāo)樣測(cè)量精度。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中再細(xì)調(diào),以保證試樣測(cè)量精度和準(zhǔn)確度。沖洗時(shí)間取決于氬氣的純度、火花臺(tái)空間的大小和沖洗流量,同時(shí)還要考慮到氬氣消耗量,經(jīng)過試驗(yàn)確定沖洗時(shí)間為3秒?，F(xiàn)場(chǎng)分析條件的確定主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求來確定的,比如銅元素含量范圍、分析時(shí)間、分析精度等。

2.光學(xué)系統(tǒng)調(diào)試。光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試主要采用積分描跡的方法實(shí)現(xiàn)。描跡的目的主要是確定入射狹縫的位置;描跡的方法是轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)到該峰值的位置,使各個(gè)分析元素譜線對(duì)準(zhǔn)各自的出射狹縫。

通過描跡輪調(diào)節(jié)入射狹縫的位置,觀察同一樣品的元素光強(qiáng)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(qiáng)度。為保證譜線和出射狹縫穩(wěn)定重合,每臺(tái)儀器在使用中應(yīng)定期用描跡的方法進(jìn)行調(diào)整(一般選擇在季節(jié)氣候變化大的時(shí)候描跡,約半年一次)使所有出射狹縫調(diào)整到較理想的位置上。

描跡的過程也可用計(jì)算機(jī)去完成,利用DIA數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件,存貯每個(gè)描跡點(diǎn)的激發(fā)強(qiáng)度數(shù)據(jù),通過DIA數(shù)據(jù)庫(kù)與Spark analyzer分析軟件之間的接口文件analysen.dat,將強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù),選擇所需數(shù)據(jù),再點(diǎn)擊“Export”,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(duì)數(shù)據(jù)逐步積累,以此掌握儀器的描跡變化和UV光學(xué)系統(tǒng)光強(qiáng)變化趨勢(shì)。

3.電子測(cè)控系統(tǒng)的調(diào)試,可通過觀察顯示數(shù)據(jù),初步判斷各系統(tǒng)是否工作正常,再進(jìn)行恒光測(cè)試、暗電流測(cè)試,進(jìn)一步判斷測(cè)控系統(tǒng)是否正常。

采用燈曝光檢查法重復(fù)測(cè)定n次的燈曝光,計(jì)算光強(qiáng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。進(jìn)行暗電流檢查時(shí),儀器將在積分過程中自動(dòng)關(guān)閉試驗(yàn)燈,采集光電倍增管在完全無光照射時(shí)所輸出的噪聲信號(hào),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(yùn)輸?shù)纫蛩氐挠绊?會(huì)出現(xiàn)充氮光學(xué)系統(tǒng)的密封性和氮?dú)饷芏鹊淖兓?當(dāng)出現(xiàn)調(diào)試強(qiáng)度和原廠給出的儀器原始強(qiáng)度相差幾倍或數(shù)量級(jí)的差距時(shí),就需要細(xì)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?dú)饷芏鹊淖兓?。確定原因后,作進(jìn)一步的維修、調(diào)試處理。

(二)重要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試確認(rèn)

1.儀器的主要技術(shù)指標(biāo)有檢出限、靈敏度、重復(fù)性、穩(wěn)定性、校準(zhǔn)方法等。儀器的檢出限是靈敏度和穩(wěn)定性的綜合指標(biāo),只有具有較高靈敏度和較好的穩(wěn)定性時(shí),才有低的檢出限。儀器軟件已給出相應(yīng)元素的檢出限,通過回歸曲線計(jì)算得出,可作為儀器性能的理論參數(shù)。實(shí)測(cè)檢出限可采用德國(guó)隨機(jī)標(biāo)樣連續(xù)10次激發(fā),計(jì)算得出測(cè)量10次的標(biāo)準(zhǔn)偏差(s),實(shí)測(cè)檢出限為3倍的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

不同的樣品、光源條件、譜線選擇、工作曲線的影響,實(shí)際檢出限有較大差距。通過實(shí)測(cè)檢出限可以對(duì)不同的光譜儀進(jìn)行實(shí)際性能的比對(duì),由此判斷儀器的靈敏度和穩(wěn)定性是否滿足檢測(cè)要求。

2.重復(fù)性測(cè)試。采用光譜高低標(biāo)標(biāo)樣對(duì)儀器標(biāo)準(zhǔn)化后,連續(xù)激發(fā)10次測(cè)量某個(gè)光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中代表元素的含量,計(jì)算出10次測(cè)量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),即為其重復(fù)性(r)。

3.穩(wěn)定性測(cè)試儀器正常工作狀態(tài)下,激發(fā)光譜分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),對(duì)代表性元素進(jìn)行測(cè)量。在不少于2小時(shí)內(nèi),間隔15分鐘以上,重復(fù)6次測(cè)量,每個(gè)樣品激發(fā)3次。所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),通過應(yīng)用DIA2000數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)功能得出平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、極值、極差、相對(duì)極差。此6次測(cè)量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為穩(wěn)定性。

總之,進(jìn)行光譜儀的調(diào)試和技術(shù)指標(biāo)測(cè)試確認(rèn),首先要對(duì)儀器硬件系統(tǒng)(光源、光學(xué)室、電子測(cè)控系統(tǒng)、氬氣系統(tǒng)等)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試確認(rèn);第二,對(duì)儀器分析性能的重要技術(shù)指標(biāo)(檢出限、重復(fù)性、穩(wěn)定性等)實(shí)際測(cè)試確認(rèn);第三,分析軟件的功能(操作便捷、控制功能強(qiáng)大、校正方法是否準(zhǔn)確等)、質(zhì)量數(shù)據(jù)控制功能等;第四,儀器外觀、火花臺(tái)設(shè)計(jì)、操作是否安全、快捷,儀器維護(hù)、環(huán)境要求情況也要給予考慮。通過對(duì)SPECTROLAB M9型光譜儀的技術(shù)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用,表明儀器的技術(shù)特點(diǎn)鮮明、易于調(diào)試、檢測(cè)能力較強(qiáng),能夠滿足有色冶金企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)爐前控制的化學(xué)分析要求。

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(作者單位:寧波興業(yè)電子銅帶有限公司 浙江慈溪 315336)

(責(zé)編:賈偉)