提高直读光谱仪准确性的措施和效果检验

【摘要】直读光谱仪广泛地应用在冶金快速分析中，其使用过程中可能会产生一些误差，这些误差是可以减小或避免的。本文通过对人、机、料、法、环中的变异因素进行分析并采用相应方法减免误差，经过检验证实，收到了很好的效果。

【关键词】直读光谱仪；原理；误差；效果检验

【DOI编码】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

火花直读光谱仪是利用原子发射光谱分析法，即原子外层受激发时发射出特征谱线对物质元素构成进行分析的一种方法。火花直读光谱仪以分析速度快、精准度高、耗费低、操作简便且环保的优势，替代传统的化学试剂方法对金属成分定量检测。邯钢设备安装分公司质检科化验室于2020年引入了聚光科技M5000型火花直读光谱仪，在使用过程中发现很多因素影响直读光谱仪的准确率，本文与大家共同探讨如何提高直读光谱仪的准确性。

1直读光谱仪检测原理

激发台中的电极与预先制备的金属样品在激发过程中产生电火花，火花发出的光通过入射狭缝进入分光室，通过光栅分光后，不同波长的光以不同角度分开，照射到CCD传感器上，CCD传感器将光信号转换成电信号，并通过测量系统传输给计算机，经计算机处理后，计算出分析结果，通过显示器显示出各元素的含量。

2提高直读光谱仪准确性的措施

光谱仪在使用过程中存在误差是不可避免的，只有熟悉误差产生的规律，找出误差产生的原因，采取相应的措施把误差控制在允许的范围内，以满足生产、科研等要求。

2.1对人为因素引起的误差采取的减免措施

人为因素即化验员主观原因造成的误差，减小这类误差的办法是加强化验员的基本功训练，熟练掌握《直读光谱仪操作规程》《直读光谱仪样品制备规范》等操作技术，一丝不苟、耐心细致地进行实验，养成良好的实验习惯。同时加强操作人员专业知识的培训和学习。

2.2对“机”的变异因素引起的误差采取的减免措施

1）谱线匹配校正。受到外界环境的影响，如温度的剧变、振动等，光谱仪的谱线位置会有微小的变化，因此进行谱线匹配校正。

2）做类别标准化。通过做类别标准化对一个类别下的所有分析模型进行了漂移校正，提高测量的准确度。

3）新建分析程序。通过做新建分析程序解决来自基体的差异、熔炼过程的差异或表面状态的差异等引起的分析误差，实现了分析误差的自动补偿。通过新增标样的新建程序，使各种材质的分析程序更齐备完善。

4）做程序修正。随着外界环境的变化，已有分析程序的校正系数也会产生变化，此时需要通过“程序修正”对已有程序的系数进行修正。程序修正的周期一般为4小时一次，即每个班次都应该修正一次，这样才能确保分析结果真实、可靠。

5）做好仪器的保养，不仅能提高检验的准确性，还能减少仪器的故障率。彻底清洁火花台，样品在激发过程中产生大量的金属粉末，一部分金属蒸汽随氩气排出仪器外，剩余的部分附着在火花台上，造成严重的污染，火花台垫片也附著一层金属化合物，还有大量粉末沉积在底部。这种严重的污染使两极之间绝缘性能降低，影响激发效果。定期清洁透镜，一般半年或一年清理一次。直读光谱仪有两块透镜，一块是紫外光室前透镜，一块是可见光室前透镜，透镜由氩气保护以防粉尘将其污染。清洁透镜时需用棉签蘸取少许乙醇，略潮后轻轻擦拭透镜。另外要维护过滤罐，清洁滤芯、防止气流阻塞，更换过滤罐的水。

2.3对“料”的变异因素引起的误差采取的减免措施

光谱检验中制样是非常重要的一环节，制备样品的好坏很大程度上决定化验结果的好坏。在用光谱仪化验铸铁样的过程中，有时炉前样品表面出现较大凹坑影响打磨成平面、有时有些铸铁成品样光谱无法激发开或激发数据不正常、数据偏差较大以及铸钢、铸铁样品在磨样时由于表面平整度、水、脏污、缺陷等导致激发数据不准确等问题。这些问题都是与制样环节相关。制样分为两步，取样和磨样，需要先从包内取出钢水或铁水然后浇注模具中，再把红热的样品翻入水中快速冷却后，送到磨样机上打磨。为提高制样规范，减少样品缺陷，提高成分检测的准确性。采取以下措施：

1）对于铸铁炉前取出样品出现中间凹坑现象，这是因为炉前取样时铁水温度较高，浇注时温度高，凝固后收缩大。通过取样时略微降低浇注温度，避免了较大的凝固收缩凹坑。

2）对于个别铸铁成品样有时光谱仪无法成功激发，产生激发白点（扩散性放电）、激发数据异常。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。如果取样白口化不良，就会出现游离石墨，导致出现激发白点。但完全白口化是一项非常难的操作，主要由于铸铁含碳量较高，成品样中含较高像碳、硅这样的反白口化元素，所以通过在浇注时，保证较大的冷却速度，浇注成型后立即水冷，以保证表面形成细小的渗碳体晶粒，而不是粗大的游离石墨。碳、硅含量控制好，不超标才能保证白口化。

3）对于样品激发时，发出异常的声音，有时甚至刺耳，化验结果偏差较大，这是因为试样表面打磨不够平整，出现漏气现象。磨样时要增强责任心，如激发时出现漏气，则需要重新打磨样品，直至表面平整不漏气。如是砂纸的问题，立即更换砂纸。磨制较硬的铸铁样时，通过改进选择颗粒粗大粒度大于0.25 mm，质地较硬的砂纸打磨，既能提高打磨效率同时减少对砂纸的耗费量。

4）對于偶尔磨好的样品激发面有水、有脏污、手指印，以及裂纹、气孔、砂眼等问题，光谱分析时激发这些位置成分会不准确。因取样时用水冷却，所以会带些水，必须吹干方可进行分析；时刻注意保护打磨好的样品表面清洁，样子暂时放置桌面时光面朝上、不用手摸激发面；同时避免磨好的样品表面出现裂纹、气孔、砂眼。

5）铸钢炉前样品在磨样时不要磨得太浅，防止熔在表面铝脱氧剂打磨不掉，影响测定结果。

2.4对“法”的变异因素引起的误差采取的减免措施

1）依据国家标准GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》和国家标准GB/T 14203—2016《火花放电原子发射光谱分析法通则》和直读光谱仪的使用说明书同时制定《直读光谱仪操作规范》分析试样，做到有法可依，有章可循，保证检测结果的准确性。

2）测量结果通常测试两次，当两次测量结果重复性较好，则可直接报送结果，如果两次结果偏差相对较大，应再测1个或2个结果，去掉不正常数据后，取平均值减小误差。如果测量结果偏差依然很大，采用测量标准样品的方法对测量结果进行确认，如果测量结果与标准样品认证值不一样，应重新进行标准化。如果测量结果认证值基本一致时应考虑所分析样品的均匀性或污染。

3）直读光谱仪是利用原子特征光谱波长进行分析的仪器，对于中长波元素检测准确度较高，而由于空气对碳、磷、硫等短波元素有吸收作用，导致分析结果准确度下降。只有减少火花室空气中的氧、碳氢化合物和水分，火花室使用密封性较好的样品遮盖，同时待机时使用小流量的氩气保证火花室氩气氛围，保证检测准确度。

2.5对“环”的变异因素引起的误差采取的减免措施

环境，尤其是温度、震动对光谱仪影响较大。光谱仪内部温度较高或较低、或有温度波动时，都会引起仪器测量精度的变化，由于光谱仪要求有较高的热稳定性，对温度十分敏感，光谱仪内温度的变化会导致光学元件的微小形变，使光路偏移，造成结果波动。所以采取措施改进：屋内空调24 h开放、保持光谱室24 h温度适宜，在10～30℃。光谱室屋门常闭，减少不必要人员进出，以减少室内温度波动。清洗空调过滤网，降低空调制冷温度、加大空调风量，提高制冷效果，以保证光谱室温度恒定、快速过滤并消除温度波动。另外磨样时边磨边用水冷冷却样子，防止样子温度过高，如果磨样时样品太烫，将热样子放到光谱仪激发台上激发，光谱仪受样品热量的传导引起温度升高及其测量精度的变化。

3效果测试检验

经过采取一系列减小光谱仪误差的措施，光谱仪在生产检测中，尤其是炉前分析更加快速准确，下面将对光谱仪进行校核验证，证明光谱仪在稳定性和准确性都达到了较好的状态。

3.1仪器、测试条件、标准样品情况

1）仪器设备：聚光科技M5000型直读光谱仪。2）测试条件：输入压力为0.5 MPa；温度为24℃；湿度为50%；电压为220 V；使用分析气体Ar纯度99.999%。3）标准样品：行业校正样品YSB S 11289c-2013合金结构钢（42 CrMo）。

3.2具体方法及判定

3.2.1重复性测试

2）判定：要求C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等主要元素的RSD≤3。

3.2.2稳定性测试

1）方法：仪器开机稳定后，激发低合金钢标准物质，对被测元素进行测量。在不小于2 h内，间隔15 min以上，重复6次测量，而且期间不再标准化。计算出平均值和相对标准偏差。2）判定：要求C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等主要元素的RSD≤3。

3.3测试结果

1）重复性测试结果（见表1）。

2）稳定性测试结果（见表2）。

3.4结论

1）在低合金钢标准样品重复性测试中C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等主要元素的RSD≤3，重复性测试结果符合要求。2）在低合金钢标准样品稳定性测试中C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo等主要元素的RSD≤3，稳定性测试结果符合要求。3）在重复性和稳定性测试中，均值和标准值接近，测试结果准确性较好。

4总结

通过采取以上措施改进，直读光谱仪检验时操作更标准，使误差控制在允许的范围内，确保检测数据准确可靠，更好地提高质量控制，为生产服务、为产品质量把关。

【参考文献】

[1]罗斌.如何提高直读光谱仪检测结果的准确性[J].中国高新技术企业，2012（20）：98-100.

[2]刘英明.CCD火花直读光谱仪的系统测试[D].杭州：杭州电子科技大学，2010.

[3]火花放电原子发射光谱分析法通则：GB/T14203—2016[S].

【作者简介】

崔圆，女，1985年出生，助理工程师，学士，研究方向为质检。

（编辑：谢飞燕）