Построение малогабаритной аппаратуры для анализа металлических сплавов на основе эмиссионного спектрального анализа

• Автор: Горский, Евгений Вячеславович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва-Троицк
• Количество страниц: 113 с. : ил.

Глава 1. Обзор современного состояния приборов для эмиссионного спектрального
анализа сплавов
Глава 2. Устройство эмиссионного спектрометра «ПАПУАС-4ИМ»
2.1 Компоновка прибора
2.2 Источник возбуждения спектра
2.3 Оптическая схема
2.4 Система регистрации спектра
2.5 Программное обеспечение
Глава 3. Работа спектрометра в изменяющихся условиях окружающей среды
3.1 Построение первичной шкалы
3.2 Профилирование
3.3 Автоподстройка
Глава 4. Методики анализа сплавов
4.1 Принципы выбора аналитических линий
4.2 Параметры источника возбуждения и их влияние на результаты измерений
4.3 Рекалибровка аналитических методик
Глава 5. Учет влияния «третьих» элементов
5.1 Расчет концентраций с учетом влияния «третьих» элементов
5.2 Влияния третьих элементов в алюминиевых сплавах
5.3 Влияния в медных сплавах
5.4 Влияния в цинковых сплавах
Заключение
Приложение 1. Ссылки на интернет-ресурсы производителей оборудования
Приложение 2. Примеры методик анализа сплавов, реализованные на эмиссионных
спектрометрах «ПАПУАС-4»
Литература

Эмиссионный спектральный анализ (ЭСА) [1-5] в настоящее время является наиболее распространенным методом экспресс-анализа состава металлических сплавов [6-9]. Приборная база ЭСА прошла долгий путь от простейших призменных спектрографов и визуальных стилоскопов [10] до современных спектрометров с фотоэлектрической регистрацией спектра и компьютерной обработкой данных [11]. Существенно изменились и методики анализа: автоматизация вычислений позволила применять более точные и надежные методы статистической обработки экспериментальных данных.
В последние годы в нашей стране, наряду со стабилизацией экономики в целом, активно развивались металлургические и металлоперерабатывающие предприятия. Необходимость наличия заводской лаборатории, способной оперативно контролировать химический состав как входного сырья, так и выплавляемого металла стала неотъемлемой частью современного производства. Но по мере развития предприятий и дальнейшего ужесточения требований к качеству металла возникла необходимость проводить анализы не только в специализированной лаборатории, но и непосредственно на производственных участках: в плавильных и литейных цехах, шихтовых дворах и складах металлолома. При этом измерение должно осуществляться за минимальное время и желательно с незначительной подготовкой образца. Прибор, способный выполнять такие анализы должен быть достаточно малогабаритным, чтобы его пользователь имел возможность легко менять место проведения анализа и, что также очень важно, быть доступным по цене для средних и малых металлургических предприятий.
Проведенный анализ характеристик зарубежных и отечественных эмиссионных спектрометров, представленных на российском рынке, показал, что в настоящее время отсутствует прибор, полностью отвечающий перечисленным выше требованиям. Создание такого прибора, исследование его характеристик и разработка физико-математических методов, позволяющих повысить точность анализа стали основной целью настоящей диссертации.
В основу нового спектрометра был положен следующий принцип: максимально упростить аппаратную часть прибора, повысив, тем самым, ее надежность и уменьшив стоимость, а реализацию большинства функций перенести в программное обеспечение - возросшая вычислительная мощность современных компьютеров позволяет с успехом решить эту задачу.

Исторически начало подобных разработок было положено еще в середине 80-х годов прошлого столетия в Институте спектроскопии АН СССР под руководством чл. корр. С.Л. Мандельштама. Результатом этих работ явилось создание первых моделей простых спектрометров, в которых спектр излучения регистрировался одним многоканальным приемником излучения, путем последовательного вывода на него разных областей этого спектра. Дальнейшие разработки продолжились в ООО «Спектроприбор», образованном учениками С.Л. Мандельштама. В этой организации был создан, сертифицирован и запущен в производство спектрометр ПАПУАС-4 . (Параллельно-Последовательный Универсальный Анализатор Сплавов) В то же время, совместно с Институтом спектроскопии велись исследования характеристик созданного прибора и новых методов работы на нем. Однако быстрое развитие оптики и электроники дало возможность существенно улучшить характеристики приборов ПАПУАС. Являясь сотрудником ООО «Спектроприбор», автор настоящей работы использовал опыт разработки и эксплуатации предыдущих моделей спектрометров семейства «ПАПУАС», при этом полностью пересмотрев как общую компоновку, так и все основные узлы спектрометра: источник возбуждения, оптическую систему и систему регистрации спектра. Значительным доработкам подверглось и программное обеспечение. Были изучены особенности работы прибора в изменяющихся внешних условиях и созданы соответствующие программные методики компенсации дрейфа положения спектральных линий (калибровка по длинам волн) и их относительной интенсивности (рекалибровка аналитических методик).
Также в ходе работы были созданы методики анализа для алюминиевых, медных, цинковых, титановых, свинцовых и других сплавов с использованием нового спектрометра, а также спектрометров, прошедших модернизацию с использованием результатов настоящей диссертации. На основе этих методик были изучены вопросы межэлементных влияний и разработаны методы их учета, также реализованные в программном обеспечении прибора. Поскольку параметры источника возбуждения спектра существенно влияют на точность и сходимость измерений, было рассмотрено влияние этих параметров на результаты анализов и выбраны оптимальные условия возбуждения для разных типов сплавов.
Разработанный при выполнении настоящей работы прибор, получивший название «ПАПУАС-4ИМ», был внесен в Государственный реестр средств измерений под номером №21922-06. Кроме того, представленные результаты были использованы при модернизации последних моделей спектрометров типа «ПАПУАС-4И/ДИ». На момент написания работы уже была выпущена большая серия как модернизированных приборов «ПАПУАС-4И/ДИ», так и малогабаритных спектрометров «ПАПУАС-4ИМ».

Глава 3. Работа спектрометра в изменяющихся условиях окружающей среды
При работе спектрометров с фотоэлектрической регистрацией спектра в производственных условиях, возникает ряд проблем, которые требуют решений, как в аппаратной части приборов, так и в их программном обеспечении [28]. В первую очередь это необходимость учета деформаций оптической системы, возникающих под влиянием изменений температуры и механических нагрузок. Такие деформации приводят к сдвигу спектра относительно приемников излучения, а, следовательно, и к смещению шкалы длин волн. В этой главе будет рассмотрена методика расчета шкалы длин волн, используемая в программном обеспечении спектрометров «ПАПУАС-4»; ее ключевой особенностью является автоматическая подстройка шкалы при каждом измерении. Данная методика специально разрабатывалась для того, чтобы обеспечить надежную работу приборов в условиях промышленного производства, и, как показала практика, позволяет успешно справляться с этой задачей.
Вся процедура задания и расчета шкалы длин волн была разбита на три этапа:
• Построение первичной шкалы выполняется на предприятии-изготовителе при первоначальной калибровке прибора. Для этого используются спектры образцов с большим количеством известных, легко идентифицируемых линий. Эти линии становятся реперными точками, через которые проводится базовая (первичная) шкала длин волн.
• Профилирование прибора проводится периодически его оператором. Данный
этап был назван так по аналогии со сходной по назначению операцией на
квантометрах, где профилирование осуществляется механически с помощью поворота дифракционной решетки. Так же, как и на первом этапе, здесь используется набор известных спектральных линий в специальном образце. После регистрации его спектра, программа рассчитывает отклонение положения этих линий от начального, и, на основании этих данных, вычисляет корректирующие коэффициенты к первичной шкале.
• Автоподстройка производится автоматически при выполнении каждого
анализа. В аналитические методики, предназначенные для анализа разных типов сплавов, заносятся данные о характерных линиях, всегда
присутствующих в спектрах этих сплавов, как правило, это линии основы