淺談直讀光譜儀檢測準確度的影響因素

王春彥

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

淺談直讀光譜儀檢測準確度的影響因素

王春彥

中國石油長慶油田分公司技術監測中心（陜西西安710018）

介紹了直讀光譜儀工作原理，分析了影響檢測準確度的相關因素，提出了相應的保證措施。得出在直讀光譜儀的定性和定量分析中，只要按照操作規范，全部標準化1～2周做一次，類型標準化8h做一次等，操作正確，就可以做出與真實相近的結果。

直讀光譜儀；檢測準確度；定量分析

直讀光譜儀（OES）是定性和定量分析材料成份及其含量檢測儀器，因它具有快速、準確、精度高、選擇性好、操作簡便、無損分析等特點，廣泛用于冶金、機械、質檢及科研等領域。在使用過程當中，如果設備儀器維護保養不當、操作不規范，就容易造成檢測數據失真，得出錯誤的檢驗結論，特別是將不合格產品誤判為合格產品用于生產，將會埋下安全隱患甚至造成安全事故。因此分析直讀光譜儀檢測準確度的影響因素，制定實施相應保證措施對提高檢測數據準確度，確保檢驗結論的正確性將具有重大意義［1-4］。

直讀光譜儀的工作原理是通過樣品和電極之間放電形成的高能電火花產生能量來激發原子，導致樣品中各原子的核外電子發生躍遷，處于高能態（激發態）電子是不穩定的，激發態原子可存在的時間約8～10s，它從高能態回遷到基態（或較低能態）時，把多余的能量以光的形式釋放出來。因為每一種元素的基態和激發態不同，所以發射的光子即波長不同，依據波長可以決定元素種類，根據光子的數目（強度）確定元素的含量。

1　影響因素

影響測量準確度的因素主要包括設備本身的性能如光電倍增管電參數、環境因素以及操作不當等，針對檢測過程中的影響因素進行簡要分析［5-6］。

1）氬氣的純度。光譜分析時，一般采用氬氣作為保護介質，如果氬氣不純含有氧氣等成分，由于氧對200nm以下短波光譜有強烈的吸收，使得分析譜線的強度下降，特別是對譜線在紫外短波區的C、S、P等非金屬元素，導致其檢測結果偏低。氬氣不純易引起擴散放電，其激發點中心與外界沒有分界線呈白色或黑白色。因此，氬氣純度是影響檢測結果重要的因素。

2）氬氣流量和壓力。氬氣流量和壓力大小決定了氬氣對放電表面的沖擊能力，若沖擊能力過低，不足以將試樣激發過程中產生的氣體和形成的化合物沖掉，會導致污物在電極周圍聚集，抑制試樣的繼續激發，使放電不穩定，造成擴散放電，分析重復性差；若沖擊能力過大，易使火花產生跳動，同樣造成放電不穩定，影響檢測結果同時造成氬氣的浪費。

3）標樣的選用。由于光電直讀光譜分析是用比較方法測定試樣中元素含量的，所以分析結果準確度在很大程度上取決于標準樣品的類型和質量的優劣，例如在分析20#鋼工件時，采用了16Mn標樣，勢必造成分析結果的錯誤。

4）槍頭放置方法。如果沒有正確放置槍頭，將在樣品和槍頭端部上形成一道縫隙，以至于空氣流入到激發室（電極和樣品之間的區域），造成漏氣漏光現象，激發工件時聲音沉悶，金屬與氧氣燃燒造成激發斑點灰白或黑灰色，嚴重影響檢測結果；如果放置正確，激發室得到氬氣較好的保護，激發聲音清脆，金屬熔融形成呈雪花狀亮銀色激發點。

5）電極與極間距。發射光譜分析用的激發電極要較好的分析精密度，電侵蝕要小，導電性要好，被分析的元素不應在激發電極材料中。如果用碳做電極分析鐵基材料，容易影響碳含量的準確度，因此在分析鐵基材料是一般采用銀或鎢。極間距的大小對分析精度是有很大影響，過大穩定性差，又難于激發，精度差。過小易激發，電極凝聚物易增加，導致間距變小，影響分析精度，所以電極間距不能過大也不能過小，一般分析間隙采用4～5mm。

6）標準化。在檢測過程中由于溫度、濕度、供氣壓力、振動、透鏡污染、電極污染、電源波動等均會使校準曲線發生移動，造成檢測數值產生較大誤差，因此要對儀器進行定期或不定期標準化。標準化是借助已知樣品重新校準光譜儀，標準化有類型標準化（對單個合金進行標準化）、本類合金標準化（對特定合金組織進行標準化）和全部標準化（對整個基體進行標準化），標準化的正確與否是直接影響分析結果精確的關鍵。如果標準化選擇時機不合理，就容易產生數值偏差。同時還受工件穩定性與表面質量、電極、火花臺、石英窗、聚光透鏡等因素的影響。

2　案例及保證措施

2.1案例分析

在實際法蘭檢測過程中，10天未進行全部標準化以及進行全部標準化對標樣20#鋼檢測結果見表1。

從表1看出，標準化前，P和S元素含量相對偏差分別為114.29%和70.6%，標準化后，P和S元素含量相對偏差分別為28.6%和23.5%。因此通過標準化校準后可以大大降低相對偏差（但該偏差還不能滿足相關要求（GB/T4336-2002以及JJG768-2005））。

表1　標準化前后相對偏差/%

使用一周后窗口石英鏡片有明顯的污物，使用該鏡片測得的碳含量均值為0.254%，更換鏡片后測得碳含量為0.178%。從以上檢測結果可知，鏡片未及時清理對波長較短的非金屬元素測量結果有較大影響，特別是對機械性能影響較大的碳元素更明顯。

2.2保證措施

1）操作人員要具有較高綜合素質：①操作人員操作之前要進行專業培訓，具有一定的專業理論知識，取得上崗資格證；②設備操作人員應具有“四懂三會”的能力即對設備做到懂用途、結構、原理、性能，會使用、維護保養、排除小故障；③操作人員必須具有較強的責任心，嚴格按照操作規程進行操作。

2）正確使用氬氣：①換氬氣前，首先將瓶內氣體空放一下，使瓶嘴的泥土吹干凈，在使用過程中應經常檢查氬氣管路是否有漏氣現象，如果有應及時處理；當瓶內壓力降到1.5MPa以及激發斑點呈白點狀需要更換新氬氣；②為了保證分析結果的穩定性和準確性，氬氣的純度也是一個非常重要的因素，氬氣純度必須在99.995%以上；如果氬氣純度不能滿足要求，應配置氬氣凈化器；氬氣輸入壓力0.3～0.5MPa；氬氣流量要求平時待機狀態為0.1～0.5L/min，激發前大流量沖洗為5～8L/min，激發流量3～5L/min。

3）標準樣品選用時，應選用具有生產資質和出廠合格證廠家生產；在進行檢測時，標樣應與被測工件鋼號一致或成分接近的標樣。另外用于光譜分析的標準樣品應考慮其物理形狀，選擇足夠尺寸的塊狀或棒狀冶金標準樣品，這樣能有效減少誤差，提高分析準確度。

4）標準化是直讀光譜檢測工作的重要程序和關鍵環節，一般來說，全部標準化1～2周做一次；類型標準化需要每個班（8 h）做一次。每次新換氬氣后，工作曲線必須重新標準化。

5）經常檢查電極是否損耗或增長，定期采用極距規對極間距進行檢查。當更換電極時，應采用極距規將電極調整為規定要求（一般為5mm）。

6）為了確保激發槍內的清潔度，每激發一次后應用電極刷清理電極；每班或每100～200次火花激發后應對火花臺進行清理，并檢查石英窗鏡片，如果發現臟污，應及時清理或更換；聚光透鏡清理要看分析工作任務的多少，一般10～30天清理一次。

7）在對工件進行光譜分析之前，一般用砂紙將工件表面打磨去掉氧化層。不要使用碳化硅（SiC）砂紙，因為硅含量和碳含量將導致元素分析錯誤，推薦使用270～380μm（40～50目）的氧化鋁（金剛砂）或氧化鋯砂紙。打磨過程中要用力均勻，磨紋要求一致，不應有交叉紋。打磨好的樣品表面不可用手摸以免造成二次污染，同時不宜放置過長，否則造成工件表面氧化，影響分析結果。

8）激發槍頭的軸線要垂直于工件表面，使得激發槍端部與工件表面完全貼合，避免因傾斜造成漏光漏氣，影響檢測數據的準確性，用力要適當，不能過大或過小。

3　結論

在直讀光譜儀的定性和定量分析中，只要按照操作規范，全部標準化1～2周做一次，類型標準化8h做一次等，操作正確，就可以做出與真實相近的結果。

［1］孫曉萍.直讀光譜儀檢定技術的探討［J］.計量技術，2011（2）：46-48.

［2］韓春蕾.直讀光譜儀在有色金屬分析中的應用［J］.電子世界，2013（2）：88.

［3］鄧斯予.試論光電直讀光譜儀的工作原理及誤差［J］.化學工程與裝備，2013（2）：162-163.

［4］徐強，呂凌.光譜儀分析偏差的原因探討［J］.機械工人（熱加工），2007（9）：69-71.

［5］吳齊偉.光電直讀光譜儀分析的誤差探討［J］.現代冶金，2006，34（6）：52-53.

［6］項小平.光電直讀光譜儀對鋼鐵成分分析值誤差的管理［J］.企業家天地，2005（4）：20-21.

The working principle of the direct reading spectrometer is introduced，the factors influencing the detection accuracy of it are analyzed，and some corresponding measures to ensure the detection accuracy of it are put forward.It is concluded that in doing the quali?tative and quantitative analysis using direct reading spectrometer，the accurate results can be obtained as long as the entire standardiza?tion of the direct reading spectrometer is finished once in 1～2 week，the type standardization of it is finished once in 8 h are finished，and all operations are finished according to the operation rules.

direct-reading spectrometer；detection accuracy；quantitative analysis

王春彥（1970-），女，工程師，現主要從事特種設備檢驗工作。

本文編輯：尉立崗2016-06-25