Спектрометры для элементного тестирования и анализа

Анализ состава и марки литейного металла

Спектрохимический анализ — это тип химического анализа, используемый для определения расположения атомов и электронов в молекулах химических соединений. Он наблюдает за количеством энергии, поглощаемой во время изменений в движении или структуре. Длина волны и интенсивность электромагнитного излучения измеряются для получения количественных результатов, которые в основном используются для оценки качества.

Спектроскопия и спектрометр

Термины «спектроскопия» и «спектрометр» часто встречаются при обсуждении спектрохимического анализа. Проще говоря, спектроскопия - это изучение энергии по отношению к материалу образца, а спектрометр инструмент, используемый во время спектрометрии , акт спектроскопии.

Спектроскопия

Спектроскопия — это исследование взаимодействия между излучаемой энергией и материалом образца. Это взаимодействие создает электромагнитные волны в виде видимого света, обычно видимого как искры. Спектроскопия была введена в 17 ^th века, когда сэр Исаак Ньютон открыл, что белый свет можно разделить на составляющие цвета с помощью призмы, и эти составляющие можно рекомбинировать, образуя белый свет. Он понял, что призма не создает цвета, а разделяет составляющие цвета белого света. В начале 1800-х годов Йозеф фон Фраунгофер провел эксперименты, которые в дальнейшем превратили спектроскопию в более точную и количественную научную технику. Однако только 19 ^го века, что количественное измерение рассеянного света было стандартизировано и признано надежным методом тестирования.

Спектрометр

Спектрометр — это прибор, используемый в спектроскопии, который производит спектральные линии и измеряет их длины волн и интенсивности. Это научное устройство, которое разделяет частицы, атомы и молекулы по их массе, импульсу или энергии. Спектрометры являются неотъемлемой частью химического анализа и физики элементарных частиц. Существует два типа спектрометров:оптические и масс-спектрометры.

Оптический спектрометр

Оптический спектрометр, или просто «спектрометр», способен разделять белый свет и измерять отдельные узкие полосы цвета (спектр). Он показывает интенсивность света как функцию длины волны или частоты, а отклонение создается за счет преломления в призме или за счет дифракции на дифракционной решетке. В оптических спектрометрах используется концепция оптической дисперсии, а поскольку каждый элемент в образце оставляет уникальную спектральную характеристику, спектральный анализ может определить состав самого образца. Оптические спектрометры широко используются в астрономии, производстве металлов, солнечной энергии и полупроводниковой промышленности.

Масс-спектрометр

Масс-спектрометр измеряет спектр масс атомов или молекул, существующих в твердом теле, жидкости или газе. Это достигается путем измерения отношения массы к заряду и содержания ионов в газовой фазе. Масс-спектрометры используются в области фармацевтики, биотехнологии и геологии.

Зачем нужна спектрометрия?

Спектроскопические методы находятся в авангарде многих технических областей. Спектрометрия необходима из-за ее роли в исследованиях и разработках, а также из-за ее более практической роли в анализе материалов для различных отраслей промышленности. Наука и техника всегда полагались на спектрометрию — от ранних исследований до передовых технологий, которые стимулируют современные исследования.

Радиочастотная спектроскопия привела к магнитно-резонансной томографии (МРТ), новаторскому медицинскому инструменту, используемому для визуализации внутренних мягких тканей тела. Радио- и рентгеновская спектроскопия проложили путь астрономическим исследованиям далеких звезд и межгалактических молекул. Оптическая спектроскопия обычно используется в промышленных и экологических условиях для определения химического состава вещества. Без этого приложения в спектрометрии не существовало бы современного быстрого и эффективного метода идентификации сплавов и проверки материалов.

Оптическая эмиссионная спектроскопия

Оптическая эмиссионная спектроскопия (ОЭС) — это распространенная форма спектроскопии, используемая для определения элементных компонентов в твердых металлических образцах. Он широко используется в литейных цехах и на предприятиях по производству металлов, поскольку он может анализировать широкий спектр элементов с высокой точностью и аккуратностью. Образцы металлов, используемые в OES, могут быть из расплава при производстве первичного и вторичного металла или из обработанных металлов, таких как стержни, пластины, проволока и болты.

Как работает оптическая эмиссионная спектроскопия?

OES обеспечивает количественный анализ, используя три ключевых компонента:электрический источник, оптическую систему и компьютерную систему.

1) Источник электроэнергии

Для перевода атомов в активное состояние в металлическом образце требуется электрический источник. Небольшая часть образца нагревается до тысяч градусов Цельсия с помощью высоковольтного электрического источника в спектрометре через электрод. Электрический разряд возникает из-за разницы электрических потенциалов между электродом и металлом образца. Этот электрический разряд заставляет металл образца нагреваться и испаряться на поверхности.

Во время этого процесса активированные атомы производят эмиссионные линии, которые различны для каждого элемента. Существуют два типа электрических разрядов:электрическая дуга или искра. Электрическая дуга производит непрерывный электрический разряд, очень похожий на молнию. Электрическая искра больше похожа на внезапный электрический разряд — кратковременное испускание света, часто сопровождаемое резким щелкающим звуком.

2) Оптическая система

Оптическая система передает линии излучения испаряемого образца, известного как плазма, в спектрометр. Дифракционная решетка в спектрометре разделяет входящий свет на длины волн, характерные для отдельных элементов. Интенсивность света каждой длины волны затем измеряется соответствующим детектором. Интенсивность, измеренная во время этого процесса, пропорциональна концентрации элемента в тестируемом металле образца. Поскольку каждый элемент излучает определенный набор длин волн в зависимости от его электронной структуры, элементный состав можно определить, наблюдая за этими длинами волн.

3) Компьютерная система

Наконец, для обработки данных требуется компьютерная система. Измеренные интенсивности обрабатываются с помощью предопределенной калибровки для получения концентрации элементов. Современные технологии усовершенствовали пользовательский интерфейс, чтобы предлагать четкие результаты с минимальным вмешательством оператора.

OES удобен в использовании и широко используется в металлообрабатывающей промышленности. Несмотря на то, что это популярный инструмент, он все же имеет несколько ограничений, включая незначительное повреждение поверхности материала образца и необходимость постоянного обслуживания.

ОПТИЧЕСКАЯ ЭМИССИЙНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Преимущества
Недостатки

• Быстрое количественное определение элементов (обычно менее одной минуты).
• Низкие капиталовложения и эксплуатационные расходы.
• Простая подготовка образцов.
• Быстрый анализ углерода, азота, кислорода, фосфора и серы в стали.
• Рассчитывает содержание углерода (%) в нержавеющей или низколегированной стали.
• Различает нержавеющие стали 304/316 и 304L/316L.
• Предоставляет входные данные для расчета углеродного эквивалента.

• Не полностью «неразрушающий» (можно ожидать легкого повреждения поверхности).
• Нельзя тестировать мелкие детали (размером меньше десятицентовой монеты).
• Трудно тестировать в тесном замкнутом пространстве.
• Требуется постоянная калибровка и обслуживание.
• Может потребоваться стандартная сертификация результатов третьей стороной.

Спектрометры в литейных цехах

Оптико-эмиссионная спектроскопия может использоваться для анализа различных материалов, от чистых до легированных металлов. На литейных предприятиях, а также в авиационной, автомобильной и бытовой промышленности спектрометры используются для контроля процессов и качества.

Спектрометры часто являются предпочтительным инструментом для анализа металла в литейном производстве, поскольку они требуют минимального вмешательства со стороны операторов литейного производства при использовании для проверки, контроля качества и идентификации сплава. Существуют стационарные и переносные версии, обе с высоким уровнем точности. Требуется регулярная калибровка и техническое обслуживание, а также сертификация результатов третьей стороной, чтобы результаты спектрометра сохраняли свою достоверность. Спектрометры позволяют проводить анализ металла на протяжении всего жизненного цикла металла от производства металла до переработки, а также по окончании срока его службы на перерабатывающих предприятиях.