GBS-307C型硅、錳、磷、鉻、鎳、銅等多元素自動分析儀的研制

汪本林,韓功如

（中國科學技術大學合肥科英化學技術有限公司，合肥 230022）

童中祥

(合肥三益江海泵業有限公司，合肥 231131)

GBS-307C型硅、錳、磷、鉻、鎳、銅等多元素自動分析儀的研制

汪本林,韓功如

（中國科學技術大學合肥科英化學技術有限公司，合肥 230022）

童中祥

(合肥三益江海泵業有限公司，合肥 231131)

為解決黑色金屬材料中硅、錳、磷、鉻、鎳、銅、鉬、鈦、稀土、鎂等元素含量（質量分數）的自動分析，設計了GBS-307C型多元素自動分析儀。該儀器根據流體力學原理自動定量加入和分取試液，常溫顯色法進行被測元素的化學反應，計算機完成儀器程序控制及工作曲線建立和數據處理等。用研制的分析儀對標準樣品進行測定，測定結果與標準值相符合。

元素自動分析；常溫顯色；流體氣壓式定量分液和加液；程序控制；數據處理

測試鋼鐵中硅、錳、磷、鉻、鎳、銅、鉬、稀土、鎂、鈦等元素含量（質量分數）的方法有很多，常見的有直接光譜法和化學法顯色分光光度法等。由于元素存在于鋼鐵的形式和試樣的材質不同（如生鐵、球鐵、灰鐵等），有些光譜儀不能準確地測定有關元素的質量分數，特別是其中的非金屬元素如硅、磷、稀土測定時偏差較大。化學分析法因操作程序繁瑣，對人員操作熟練程度要求高，許多實驗室在分析時存在一定困難，測試結果準確度難以保證。為此，筆者依據化學光度法原理設計了GBS-307C型多元素自動分析儀，用于測定鋼鐵中硅、錳、磷、鉻、鎳、銅、鉬、稀土、鎂、鈦等元素。該儀器自動化程度高，經50多個單位使用證明，具有測試結果準確可靠、操作簡便、節省樣品、故障率低等優點。以下對該儀器的化學反應系統、自動控制系統、數據處理系統等的研制過程進行簡單介紹。

1 化學反應系統

1.1 化學反應流程結構

以往的元素自動分析儀反應系統大致包括機內樣品溶解、分液、定量加液、顯色、比色幾部分，這些部分均采用玻璃電磁閥控制，存在易碎（漏液）、加熱器件易損、加熱產生酸霧（氣）多等問題，使儀器不能正常工作，普通元素分析儀反應系統結構圖見圖1。

筆者根據流體力學原理，設及了新型的GBS-307C型分析儀，運用氣壓式方法定量加液，能做到不漏液，且快速、準確，反應系統結構圖見圖2。樣品溶解采用機外溶解的方式，完全避免因溶解產生酸氣（霧）等對電子器件的侵蝕，降低了儀器故障率。

1.2 化學反應顯色條件和方法的選擇

圖1 普通的元素自動分析儀反應系統結構圖

化學光度法分析時的顯色方法一般分為熱顯色和室溫顯色兩種。熱顯色需要加熱，不同元素顯色溫度不同，因此需要較多的溫度控制輔助設備，導致儀器結構復雜。若溫度控制不穩，則顯色不穩定，數據產生偏差。如錳在加熱顯色時，氧化率降低，錳的測量結果偏低，原因是在酸性溶液中過硫酸銨高溫加熱會產生過氧化氫，過氧化氫能還原高錳酸，使過氧化錳總量降低。加熱溫度不一致時，測量結果的重復性則不好。此外有些元素要求在65～85℃反應，產生的酸氣（霧）對儀器有侵蝕、損壞作用，使儀器故障率高。

圖2 GBS-307C型分析儀反應系統結構圖

GBS-307C型儀器采用的是室溫顯色方法，即當室內溫度在20～40℃之間時，90 s左右完成所有元素的顯色反應；當室溫降至20℃以下時儀器自備的暖風設備自動打開，使儀器內的溫度恒溫在25℃左右；或開啟實驗室空調使環境溫度升至20℃以上進行化學反應。從顯色穩定和對儀器不侵蝕等方面考慮，采用室溫顯色較為科學。

1.3 試劑用量

GBS-307C型儀器設計時從反應的完全程度和使用成本綜合考慮實行小劑量分析。以測試硅、錳、磷元素為例，表1列出了3種方法的顯色液用量。

表1 種方法顯色液用量對比

由表1數據可知，新型的GBS-307C型儀器試劑用量最少，這樣降低了實驗成本和實驗人員的勞動強度。

2 自動控制系統

2.1 自動分析程序控制

由于儀器整個化學反應是在一個全密封的管道和玻璃器件中進行，而化學反應過程由分液、加液、攪拌、顯色、比色的若干個步驟完成，這需要可靠的控制來完成整個分析過程。

（1）程序設置框圖

GBS-307C型儀器應用計算機進行逐個程序控制，并由計算機指令通過標準IC控制板控制管氣閥、氣泵、光源等器件；程序設置框圖內多項參數可以人機對話，方便操作人員根據實際分析需要進行相關調整。例如測定Mn13樣品時由于錳的含量較高，需要攪拌時間較長，可以將程序框內“攪拌”輸入20 s或更長時間，使反應完全；又如，一個樣品分析結束時，用氣壓沖凈管道內溶液，操作者可根據自己的設置調整沖氣時間，使分析管道干凈無積液，確保數據準確。程序設置框圖如圖3所示。

圖3 儀器參數設置對話框

（2）元素符號設置

從菜單中選擇“設置＞＞元素符號”，或者在工具條中單擊“元”，都會打開圖4所示的元素設置對話框，在各個欄目中選擇相應的元素符號即可。

圖4 元素設置對話框

2.2 光電轉換系統

采用光度法分析時，對光電轉換要求很高，當顯色反應完全且穩定后，要求有良好的光電轉換來完成對有色溶液的分辨，使光學信號轉換成電子信號，再由計算機內標準工作曲線自動測定出元素的質量分數，由此可見，光電轉換至關重要。

2.2.1 光源選擇

GBS-307C型多元素自動分析儀的光電轉換光源采用了冷光源作發光器件。常用的光源一般采用熱光源，如鎢燈或燈泡，這些器件長時間點亮自身會發熱，使光的亮度曲線發生變化，使T0或T100產生漂移，操作人員要不斷地去調整T0或T100，稍有疏忽即產生由光源變化帶來的數據誤差。

冷光源采用的是LED技術，光源點亮后自身不產生熱量，亮度曲線恒定，并且在光源的頂端有聚光凸鏡，使光線聚光后照射到光電轉換器窗口，亮度高，減少后端因反饋電路放大倍數較大帶來的放大噪聲，T0或T100穩定。

2.2.2 光電轉換器的選擇

常用光電轉換器有很多種類，如硒光電池，硅光電池等。通常這些器件長時間受光會產生光電疲勞，導致電信號失真或漂移，影響數據檢測精度。

GBS-307C型分析儀的光電轉換器件采用了軍品級單極光電轉換器，受光窗口雙層真空玻璃，開機通電即為原始零點；受光后調整至T100；雙層真空玻璃隔熱效果好，不易使硅電池板受熱升溫，再與冷光源相結合使用，使儀器光電轉換的T100可在數小時內基本穩定而不產生漂移。

綜合使用兩種先進的光電轉換器件，使GBS-307C型多（七）元素自動分析儀光電轉換系統達到了國際先進水平，保證了顯色液吸光度的準確檢測，從而得到準確的元素質量分數。

3 數據處理系統

光度法分析的數據處理一般為兩種方式：（1）單點標樣換算，即準確地測定某一個標樣的吸光度后計算出K值（C標／A標=K標），再用K標值換算被測試樣的質量分數；（2）取3個以上的標準樣品繪制工作曲線（檢量線），再從工作曲線查得每個被測元素的測定值。GBS-307C型自動分析儀在進行數據處理時遵循上述兩種基本的數據處理方式并由計算機自動完成。

3.1 工作曲線的建立和修正

每個元素通道可建立n條工作曲線，即可根據試樣含量的高低分為n段，如錳的工作曲線可 分 為 0.05%～0.5%，0.4%～0.8%，0.7%～1.0%，1.0%～1.5%，1.5%～2.0%等。當被檢測樣品的含量在相對應的范圍內時，即可由計算機完成對該樣品質量分數的確定，標準曲線建立后即自動存貯于儀器中。

由于試劑、水質的變化，元素工作曲線的KB（B為截距）值會發生變化；當新的B值輸入后原標準工作曲線即自動平移，減少反復做標準曲線的次數。

自動建立標準工作曲線 通過從菜單中選擇“標準工作曲線＞＞一點法”或“標準工作曲線＞＞多點法”，或者在工具條中單擊“標1”或“標n”來自動建立標準工作曲線。圖5、圖6為兩種方法的參數對話框，分析時在各個欄目中填入相應的值即可。

圖5 一點法參數對話框

圖6 多點法參數建立工作曲線對話框

顯示相應通道的各個標樣點的原始數據（質量分數C，吸光度A），各個標樣點的擬合誤差、C值，以及K，B，r值，并以相應的圖形顯示出來，如圖7、圖8所示。

表7 標準工作曲線顯示對話框

4 樣品測試

利用所研制的GBS-307C型多元素自動分析儀對合金鑄鐵標準樣品（BH96-1～BH96-4)中的硅、錳、磷、鉻、鉬、鎳、銅及球墨鑄鐵標準樣品(QT88-1～QT88-4)中硅、錳、磷、鉻、稀土鎳、鎂進行聯合測定，結果分別見表2、表3。

表8 標準工作曲線報告

表2 合金鑄鐵標準樣品中硅、錳、磷、鉻、鉬、鎳、銅測定結果

表3 球墨鑄鐵標準樣品中硅、錳、磷、鉻、稀土、鎳、鎂測定結果

由表2和表3可知，GBS-307C型多元素自動分析儀對標準樣品的測定結果與標準值相符，說明該儀器測定結果準確可靠。

5 結語

GBS-307C型多元素自動分析儀的研制和生產，填補了國內采用化學分析方法自動分析鋼鐵中硅、錳、磷、鉻、鎳、銅、鉬、稀土、鎂、鈦等元素的空白。它將替代繁瑣的手工分析，并且是直讀光譜儀在分析某些材料中有些元素質量分數數據不準確方面的有效補充。

［1］汪本林.硅錳磷鉻鎳銅等元素自動分析儀研制的新進展［C］//第五屆全國高速分析學術交流會論文集.無錫，1993.

［2］陳玉崑.三元素自動分析儀的回顧與多元素自動分析儀的探討［C］//第三屆全國化學分析與光譜分析學術交流會論文集.蘇州，2001.

Development of GBS-307C Type Muti-Elements Automatic Analyzer for Determination of Si, Mn, P, Cr, Ni, Cu etc.

Wang Benlin， Han Gongru
(Hefei Keying Chemical Technology Co.， Ltd.of China Science & Technology University， Hefei 230022， China)

Tong Zhongxiang
(Hefei Samick Jianghai Pump Industry Limited Company， Hefei 231131， China)

GBS-307C type muti-elements auomatic analyzer for determination of Si, Mn, P, Ni, Cu, etc. in ferrous metal materials was designed. Automatic quantative add and divide of test solution were carried out according to fluid machanics principle. Chemical reaction of detection element was carried out by normal coloration method. Program control and working curve establishment were completed by computer. The reference materials were detected by the analyzer and the results were accordance with standard values.

element auomatic analyzer; normal coloration; fluid pneumatic-typed quantative liquid and liquid;program control; data processing

O652.9

A

1008-6145(2012)04-0077-04

10.3969／j.issn.1008-6145.2012.04.024

聯系人：王本林；E-mail： kedaking@163.com

2012-02-29