Построение малогабаритной аппаратуры для анализа металлических сплавов на основе эмиссионного спектрального анализа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Горский, Евгений Вячеславович

• Горский, Евгений Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горский, Евгений Вячеславович

Введение.

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Построение малогабаритной аппаратуры для анализа металлических сплавов на основе эмиссионного спектрального анализа»

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-4ИУДИ», так и малогабаритных спектрометров «ПАПУАС-4ИМ».

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Горский, Евгений Вячеславович

Заключение

К моменту написания настоящей работы около 150 спектрометров серии «ПАПУАС-4» эксплуатируется на российских и зарубежных предприятиях, а с момента запуска первого из них прошло более 10 лет. Географическое положение предприятий, использующих эти приборы весьма различно: от Сибири (г. Барнаул, Красноярск, Норильск) и Дальнего Востока (г. Владивосток) до южных регионов России (г. Волгоград, Астрахань, Армавир) и Объединенных Арабских Эмиратов. Также существенно различаются режимы эксплуатации: от нескольких анализов в день до круглосуточной работы с числом измеренных за сутки проб до 150 и более.

Во многих случаях, особенно на небольших производствах по переработке металлического лома, отсутствует специализированное лабораторное помещение и спектрометр устанавливается на складе, в мастерской или непосредственно в цехе; а в таких помещениях нередко возникают значительные перепады температуры. К примеру, на одном из подмосковных предприятий лаборатория была оборудована в вагончике, отопление в котором включалось только в рабочие часы. Таким образом, дневная температура составляла 20-25'С, а ночная в зимнее время могла опускаться до -20'С. Не меньшие проблемы возникают при установке спектрометра вблизи плавильной печи. То, что в течение многих лет эксплуатации спектрометры «ПАПУАС-4» сохраняют свои характеристики в подобных условиях позволяет делать выводы об их надежности.

Рассмотрим несколько примеров лабораторий, использующих в своей работе спектрометры «ПАПУАС-4», а также задачи, которые они решают с помощью этих приборов. На рис. 74 (слева) показана фотография лаборатории ООО «Завод металлических порошков» (г. Рязянь). Это предприятие производит металлические порошки и различные изделия из олова, свинца и их сплавов (рис. 74 справа). В лаборатории завода с 2003 г. используется спектрометр ПАПУ АС-4И, оснащенный методиками сортировки свинцовых и оловянных сплавов, а также более точными методиками анализа чистых олова и свинца, свинца сурьмянистого, сплавов свинец-висмут и свинец-кадмий, баббитов, припоев оловянно-свинцовых (ПОС), припоев с повышенным содержанием меди (ПОСМ), цинка (ПОСЦ) и ряда других сплавов.

Рис. 74 Лаборатория ООО «Завод металлических порошков» и продукция предприятия -металлические порошки, припои и различные изделия из олова, свинца и их сплавов

Еще один пример - предприятие по вторичной переработке металлического лома ООО «Кобальт» (г. Черкесск), в лаборатории которого (рис. 75) используется прибор ПАПУАС-4И, запущенный в эксплуатацию в 2007 г. Спектрометр используется как для входного контроля металла, поступающего на склад, так и для выходного контроля выплавляемых на предприятии сплавов. В процессе приемки сырья используются методики сортировки алюминиевых, медных, никелевых, оловянных, свинцовых сплавов и высоколегированных сталей, а для проведения более точных анализов методики на литейные алюминиевые сплавы (АК), безоловянистые бронзы (БрАЖ), латуни, чистый свинец марок С0-С2 и свинец сурьмянистый.

Рис. 75 Лаборатория ООО «Кобальт» и продукция предприятия - литейный алюминиевый сплав

АК5М2

Подведем итоги выполнения настоящей работы. Основными результатами можно считать следующие:

• Разработана и запущена в производство новая модель эмиссионного спектрометра ПАПУАС-4ИМ

• Разработана система регистрации спектра на основе ПЗС-линеек, используемая во всех спектрометрах серии ПАПУАС-4

• Разработано программное обеспечение спектрометров ПАПУАС-4

• Разработан малогабаритный искровой генератор для спектрометра ПАПУАС-4ИМ

• Разработан метод автоматической калибровки шкалы длин волн, значительно снижающий зависимость результатов измерений от условий окружающей среды

• Исследованы вопросы влияний «третьих» элементов при анализе различных сплавов на приборе ПАПУАС-4.

• Изучено влияние параметров искрового генератора на результаты анализа сплавов, что позволило выбрать оптимальные условия анализа для разных типов сплавов.

По результатам диссертации были опубликованы работы [17, 29, 43, 47]. Кроме того, по материалам диссертации были подготовлены доклады для нескольких конференций, тезисы этих докладов опубликованы в [48-51].

Автор благодарит своего научного руководителя A.M. Лившица за интересные задачи и всестороннюю помощь в их решении, A.B. Пелезнева за неоценимые консультации по вопросам аналитики, а также всех сотрудников ООО «Спектроприбор»: Н.Б. Маврина, В.Н. Маркова, A.A. Колесникова, Ф.А. Глухих, Е.А. Дементьеву, без которых была бы невозможна настоящая работа. Хотелось бы также поблагодарить М.А. Павлова за ценные советы в области силовой электроники и С.Н. Мурзина за многочисленные обсуждения материала диссертации. Отдельное спасибо хотелось бы сказать учителю физики школы №128 г. Москвы Максимычевой М.А., впервые познакомившей автора с физическим образом мышления.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Горский, Евгений Вячеславович, 2007 год

1. Терек Т., Мика Н., Гегуш Э. Эмиссионный спектральный анализ, в 2-х частях /пер. с англ./ Мир, 1982

2. Дробышев А.И. Основы атомного спектрального анализа, Издательство Санкт-Петербургского университета 1997

3. Буравлев Ю.М. Фотоэлектрические методы спектрального анализа металлов и сплавов, Металлургия 1984

4. Буравлёв Ю.М. Атомно-эмиссионная спектрометрия металлов и сплавов, Донецк, ДонНУ 2000

5. Барсуков В.И. Атомный спектральный анализ, Машиностроение-1, 2005

6. Большаков А.А., Танеев А.А., Немец В.М. Перпективы аналитической атомной спектроскопии, Успехи химии, 75 (4) 2006

7. Nicolas Н. Bings,, Annemie Bogaerts, Jose А. С. Broekaert Atomic Spectroscopy, Analytical Chemistry 2004, 76, 3313-3336

8. Большое M.A. Некоторые современные методы инструментального элементного анализа и тенденции их развития, Заводская лаборатория, №9 2004

9. Tranter G., Holmes J., Lindon J., Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, Part 1, p.42, Elsevier 2000

10. Мандельштам C.JI. Введение в спектральный анализ, Москва, Гостехиздат 1946

11. Slickers К., Automatic Atomic Emission Spectroscopy, Bruehlsche Universitaetsdruckerei, 1993

12. Лившиц A.M., Пелезнев A.B. Малогабаритный переносной сортировщик металлических сплавов ПАПУАС-3, Оптическая техника, 1995 №1, стр. 34-35

13. Пресс Ф.П., Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. М., 1991

14. Малышев В.И., Введение в экспериментальную спектроскопию, 479с, М. Наука, 1979

15. Лебедева В.В.Экспериментальная оптика, Москва: Издательство МГУ, 1994

16. Kuss Н-М, G. Mueller, S. Luengen, U. Thurmann Comparison of spark OES methods for analysis of inclusions in iron base matters, Anal. Bioanal. Chem., 2002

17. Горский E.B., Лившиц A.M. Портативный эмиссионный спектрометр для анализа сплавов ПАПУАС-4ИМ, Датчики и системы, №7 2006

18. Russo R. Е., Мао X., Liu Н., Gonzalez J., Мао S. S., Laser ablation in analytical chemistry, Talanta 57 (2002) 425-451

19. Stone R.G., Bolton H.L., The construction of combined sources unit for emission spectrography, 1954

20. Keith H. Billings, Switchmode power supply handbook, McGraw-Hill 1989

21. Marty Brown, Power Supply Cookbook, Butterworth-Heinemann, 1994

22. Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, Москва, Машиностроение, 1975

23. Toshiba CCD linear image sensor TCD1304AP, Toshiba Semiconductor 1997

24. Стешенко В.Б., ПЛИС фирмы "Altera": элементарная база, система проектирования и языки описания аппаратуры, Москва, Додэка XXI, 2002

25. Агуров П., Интерфейс USB, Практика использования и программирования, БХВ-Петербург, 2006

26. Kevin Buckley, Selecting an Analog Front-End for Imaging Applications, Analog Dialogue, 34-6 2000

27. Поляков A.K., Языки VHDL и VERILOG в проектировании цифровой аппаратуры, Москва: Солон-Пресс, 2003

28. Лившиц A.M., Пелезнев А.В. Заводская лаборатория 1992 №8, с.23-26

29. Горский Е.В., Колесников А.А., Лившиц A.M., Пелезнев А.В., Рекалибровка аналитических методик на эмиссионных спектрометрах типа ПАПУАС-4, Датчики и системы, 2007 №2

30. Лившиц A.M. и др. Способ фотоэлектрического спектрального анализа металлов и сплавов, патент РФ №1762197

31. Curtis С. D. Cyanogen Band Suppression in Direct-Current Spectrographic Analysis, Nature 196,1087-1088,15 December 1962

32. Harrison G.R. M.I.T. Wavelength Tables of lOO'OOO Spectrum Lines, New York, 1939

33. Зайдель A.H., Прокофьев B.K., Райский C.M., Славный В.А., Шрейлер ЕЯ. Таблицы спектральных линий, Москва, Наука, 1969

34. Буравлев Ю.М. Влияние состава и размера пробы на результаты спектрального анализа сплавов, Киев, Техника 1970

35. ГОСТ 9411-91 «Стекло оптическое цветное. Технические условия.»

36. Буравлев Ю.М. Влияние структуры на результаты спектрального анализа сплавов, Москва, Металлургиздат, 1963

37. Орлов Г.А. Методы расчета в количественном спектральном анализе», Ленинград, Недра 1977

38. Handsforth S. Spectrographic analysis in Great Britain, London, 1939,38

39. Сухенко К.А., Альтман Т.Д. В сб. «Фотоэлектрические методы спектрального анализа», Москва, Оборонгиз, 1961, с. 447

40. Сухенко К.А. Спектральный анализ сталей и сплавов, Москва, Оборонгиз, 1954

41. Громошинская Т.Ф. и др. «Спектральный анализ в цветной металлургии», Москва, Металлургиздат, 1960

42. Кулыгина Н.И. «Спектральный анализ сталей и сплавов», Москва, ОНТИ, 1961

43. Горский Е.В., Лившиц А.М., Пелезнев А.В. Учет влияния «третьих» элементов при анализе алюминиевых сплавов на эмиссионном спектрометре ПАПУАС-4, Заводская лаборатория, 2006 №3

44. Белькевич Я.П. Опыт спектрального анализа сплавов на медной основе, Ленинград, Судпромгиз 1955

45. Филимонов Л.Н. «Заводская лаборатория», 1963 №8

46. Прокофьев В.К. «Известия АН СССР», серия физическая, 1945, №6

47. Горский Е.В., Лившиц А.М., Пелезнев А.В., Особенности использования эмиссионного спектрометра ПАПУАС-4ИМ при анализе медных сплавов, Заводская лаборатория, 2007 №5

48. Колесников А.А., Горский Е.В., Лившиц А.М., Исследование временной зависимости интенсивностей аналитических линий при возбуждении их высоковольтным искровым разрядом, Конференция МФТИ 2005

49. Горский Е.В., Лившиц А.М., Пелезнев А.В., Учет межэлементных влияний при анализе металлических сплавов на эмиссионном спектрометре ПАПУАС-4, Аналитические приборы, СПб 2005, стр. 292-293

50. Gorsky E.V., Livshitz А.М. Elemental analysis of alloys with "PAPUAS-4" spark émission spectrometer under variable environmental conditions, ICAS-2006 p. 49-50

51. Колесников A.A., Горский E.B., Лившиц A.M., Пелезнев А.В. Разработка способа рекалибровки аналитических методик для эмиссионных спектрометров "ПАПУАС-4" Сборник трудов 49-й научной конференции МФТИ, T. VIII / МФТИ-М.: 2006