浅谈直读光谱仪检测准确度的影响因素

王春彦

中国石油长庆油田分公司技术监测中心（陕西西安710018）

浅谈直读光谱仪检测准确度的影响因素

王春彦

中国石油长庆油田分公司技术监测中心（陕西西安710018）

介绍了直读光谱仪工作原理，分析了影响检测准确度的相关因素，提出了相应的保证措施。得出在直读光谱仪的定性和定量分析中，只要按照操作规范，全部标准化1～2周做一次，类型标准化8h做一次等，操作正确，就可以做出与真实相近的结果。

直读光谱仪；检测准确度；定量分析

直读光谱仪（OES）是定性和定量分析材料成份及其含量检测仪器，因它具有快速、准确、精度高、选择性好、操作简便、无损分析等特点，广泛用于冶金、机械、质检及科研等领域。在使用过程当中，如果设备仪器维护保养不当、操作不规范，就容易造成检测数据失真，得出错误的检验结论，特别是将不合格产品误判为合格产品用于生产，将会埋下安全隐患甚至造成安全事故。因此分析直读光谱仪检测准确度的影响因素，制定实施相应保证措施对提高检测数据准确度，确保检验结论的正确性将具有重大意义［1-4］。

直读光谱仪的工作原理是通过样品和电极之间放电形成的高能电火花产生能量来激发原子，导致样品中各原子的核外电子发生跃迁，处于高能态（激发态）电子是不稳定的，激发态原子可存在的时间约8～10s，它从高能态回迁到基态（或较低能态）时，把多余的能量以光的形式释放出来。因为每一种元素的基态和激发态不同，所以发射的光子即波长不同，依据波长可以决定元素种类，根据光子的数目（强度）确定元素的含量。

1　影响因素

影响测量准确度的因素主要包括设备本身的性能如光电倍增管电参数、环境因素以及操作不当等，针对检测过程中的影响因素进行简要分析［5-6］。

1）氩气的纯度。光谱分析时，一般采用氩气作为保护介质，如果氩气不纯含有氧气等成分，由于氧对200nm以下短波光谱有强烈的吸收，使得分析谱线的强度下降，特别是对谱线在紫外短波区的C、S、P等非金属元素，导致其检测结果偏低。氩气不纯易引起扩散放电，其激发点中心与外界没有分界线呈白色或黑白色。因此，氩气纯度是影响检测结果重要的因素。

2）氩气流量和压力。氩气流量和压力大小决定了氩气对放电表面的冲击能力，若冲击能力过低，不足以将试样激发过程中产生的气体和形成的化合物冲掉，会导致污物在电极周围聚集，抑制试样的继续激发，使放电不稳定，造成扩散放电，分析重复性差；若冲击能力过大，易使火花产生跳动，同样造成放电不稳定，影响检测结果同时造成氩气的浪费。

3）标样的选用。由于光电直读光谱分析是用比较方法测定试样中元素含量的，所以分析结果准确度在很大程度上取决于标准样品的类型和质量的优劣，例如在分析20#钢工件时，采用了16Mn标样，势必造成分析结果的错误。

4）枪头放置方法。如果没有正确放置枪头，将在样品和枪头端部上形成一道缝隙，以至于空气流入到激发室（电极和样品之间的区域），造成漏气漏光现象，激发工件时声音沉闷，金属与氧气燃烧造成激发斑点灰白或黑灰色，严重影响检测结果；如果放置正确，激发室得到氩气较好的保护，激发声音清脆，金属熔融形成呈雪花状亮银色激发点。

5）电极与极间距。发射光谱分析用的激发电极要较好的分析精密度，电侵蚀要小，导电性要好，被分析的元素不应在激发电极材料中。如果用碳做电极分析铁基材料，容易影响碳含量的准确度，因此在分析铁基材料是一般采用银或钨。极间距的大小对分析精度是有很大影响，过大稳定性差，又难于激发，精度差。过小易激发，电极凝聚物易增加，导致间距变小，影响分析精度，所以电极间距不能过大也不能过小，一般分析间隙采用4～5mm。

6）标准化。在检测过程中由于温度、湿度、供气压力、振动、透镜污染、电极污染、电源波动等均会使校准曲线发生移动，造成检测数值产生较大误差，因此要对仪器进行定期或不定期标准化。标准化是借助已知样品重新校准光谱仪，标准化有类型标准化（对单个合金进行标准化）、本类合金标准化（对特定合金组织进行标准化）和全部标准化（对整个基体进行标准化），标准化的正确与否是直接影响分析结果精确的关键。如果标准化选择时机不合理，就容易产生数值偏差。同时还受工件稳定性与表面质量、电极、火花台、石英窗、聚光透镜等因素的影响。

2　案例及保证措施

2.1案例分析

在实际法兰检测过程中，10天未进行全部标准化以及进行全部标准化对标样20#钢检测结果见表1。

从表1看出，标准化前，P和S元素含量相对偏差分别为114.29%和70.6%，标准化后，P和S元素含量相对偏差分别为28.6%和23.5%。因此通过标准化校准后可以大大降低相对偏差（但该偏差还不能满足相关要求（GB/T4336-2002以及JJG768-2005））。

表1　标准化前后相对偏差/%

使用一周后窗口石英镜片有明显的污物，使用该镜片测得的碳含量均值为0.254%，更换镜片后测得碳含量为0.178%。从以上检测结果可知，镜片未及时清理对波长较短的非金属元素测量结果有较大影响，特别是对机械性能影响较大的碳元素更明显。

2.2保证措施

1）操作人员要具有较高综合素质：①操作人员操作之前要进行专业培训，具有一定的专业理论知识，取得上岗资格证；②设备操作人员应具有“四懂三会”的能力即对设备做到懂用途、结构、原理、性能，会使用、维护保养、排除小故障；③操作人员必须具有较强的责任心，严格按照操作规程进行操作。

2）正确使用氩气：①换氩气前，首先将瓶内气体空放一下，使瓶嘴的泥土吹干净，在使用过程中应经常检查氩气管路是否有漏气现象，如果有应及时处理；当瓶内压力降到1.5MPa以及激发斑点呈白点状需要更换新氩气；②为了保证分析结果的稳定性和准确性，氩气的纯度也是一个非常重要的因素，氩气纯度必须在99.995%以上；如果氩气纯度不能满足要求，应配置氩气净化器；氩气输入压力0.3～0.5MPa；氩气流量要求平时待机状态为0.1～0.5L/min，激发前大流量冲洗为5～8L/min，激发流量3～5L/min。

3）标准样品选用时，应选用具有生产资质和出厂合格证厂家生产；在进行检测时，标样应与被测工件钢号一致或成分接近的标样。另外用于光谱分析的标准样品应考虑其物理形状，选择足够尺寸的块状或棒状冶金标准样品，这样能有效减少误差，提高分析准确度。

4）标准化是直读光谱检测工作的重要程序和关键环节，一般来说，全部标准化1～2周做一次；类型标准化需要每个班（8 h）做一次。每次新换氩气后，工作曲线必须重新标准化。

5）经常检查电极是否损耗或增长，定期采用极距规对极间距进行检查。当更换电极时，应采用极距规将电极调整为规定要求（一般为5mm）。

6）为了确保激发枪内的清洁度，每激发一次后应用电极刷清理电极；每班或每100～200次火花激发后应对火花台进行清理，并检查石英窗镜片，如果发现脏污，应及时清理或更换；聚光透镜清理要看分析工作任务的多少，一般10～30天清理一次。

7）在对工件进行光谱分析之前，一般用砂纸将工件表面打磨去掉氧化层。不要使用碳化硅（SiC）砂纸，因为硅含量和碳含量将导致元素分析错误，推荐使用270～380μm（40～50目）的氧化铝（金刚砂）或氧化锆砂纸。打磨过程中要用力均匀，磨纹要求一致，不应有交叉纹。打磨好的样品表面不可用手摸以免造成二次污染，同时不宜放置过长，否则造成工件表面氧化，影响分析结果。

8）激发枪头的轴线要垂直于工件表面，使得激发枪端部与工件表面完全贴合，避免因倾斜造成漏光漏气，影响检测数据的准确性，用力要适当，不能过大或过小。

3　结论

在直读光谱仪的定性和定量分析中，只要按照操作规范，全部标准化1～2周做一次，类型标准化8h做一次等，操作正确，就可以做出与真实相近的结果。

［1］孙晓萍.直读光谱仪检定技术的探讨［J］.计量技术，2011（2）：46-48.

［2］韩春蕾.直读光谱仪在有色金属分析中的应用［J］.电子世界，2013（2）：88.

［3］邓斯予.试论光电直读光谱仪的工作原理及误差［J］.化学工程与装备，2013（2）：162-163.

［4］徐强，吕凌.光谱仪分析偏差的原因探讨［J］.机械工人（热加工），2007（9）：69-71.

［5］吴齐伟.光电直读光谱仪分析的误差探讨［J］.现代冶金，2006，34（6）：52-53.

［6］项小平.光电直读光谱仪对钢铁成分分析值误差的管理［J］.企业家天地，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

王春彦（1970-），女，工程师，现主要从事特种设备检验工作。

本文编辑：尉立岗2016-06-25