GBS-307C型硅、錳、磷、鉻、鎳、銅等多元素自動(dòng)分析儀的研制

汪本林,韓功如

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥科英化學(xué)技術(shù)有限公司，合肥 230022）

童中祥

(合肥三益江海泵業(yè)有限公司，合肥 231131)

GBS-307C型硅、錳、磷、鉻、鎳、銅等多元素自動(dòng)分析儀的研制

汪本林,韓功如

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥科英化學(xué)技術(shù)有限公司，合肥 230022）

童中祥

(合肥三益江海泵業(yè)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）的自動(dòng)分析，設(shè)計(jì)了GBS-307C型多元素自動(dòng)分析儀。該儀器根據(jù)流體力學(xué)原理自動(dòng)定量加入和分取試液，常溫顯色法進(jìn)行被測(cè)元素的化學(xué)反應(yīng)，計(jì)算機(jī)完成儀器程序控制及工作曲線建立和數(shù)據(jù)處理等。用研制的分析儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相符合。

元素自動(dòng)分析；常溫顯色；流體氣壓式定量分液和加液；程序控制；數(shù)據(jù)處理

測(cè)試鋼鐵中硅、錳、磷、鉻、鎳、銅、鉬、稀土、鎂、鈦等元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的方法有很多，常見(jiàn)的有直接光譜法和化學(xué)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(zhì)不同（如生鐵、球鐵、灰鐵等），有些光譜儀不能準(zhǔn)確地測(cè)定有關(guān)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，特別是其中的非金屬元素如硅、磷、稀土測(cè)定時(shí)偏差較大?；瘜W(xué)分析法因操作程序繁瑣，對(duì)人員操作熟練程度要求高，許多實(shí)驗(yàn)室在分析時(shí)存在一定困難，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度難以保證。為此，筆者依據(jù)化學(xué)光度法原理設(shè)計(jì)了GBS-307C型多元素自動(dòng)分析儀，用于測(cè)定鋼鐵中硅、錳、磷、鉻、鎳、銅、鉬、稀土、鎂、鈦等元素。該儀器自動(dòng)化程度高，經(jīng)50多個(gè)單位使用證明，具有測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠、操作簡(jiǎn)便、節(jié)省樣品、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。以下對(duì)該儀器的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等的研制過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)

1.1 化學(xué)反應(yīng)流程結(jié)構(gòu)

以往的元素自動(dòng)分析儀反應(yīng)系統(tǒng)大致包括機(jī)內(nèi)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(chǎn)生酸霧（氣）多等問(wèn)題，使儀器不能正常工作，普通元素分析儀反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

筆者根據(jù)流體力學(xué)原理，設(shè)及了新型的GBS-307C型分析儀，運(yùn)用氣壓式方法定量加液，能做到不漏液，且快速、準(zhǔn)確，反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。樣品溶解采用機(jī)外溶解的方式，完全避免因溶解產(chǎn)生酸氣（霧）等對(duì)電子器件的侵蝕，降低了儀器故障率。

1.2 化學(xué)反應(yīng)顯色條件和方法的選擇

圖1 普通的元素自動(dòng)分析儀反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

化學(xué)光度法分析時(shí)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(shè)備，導(dǎo)致儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若溫度控制不穩(wěn)，則顯色不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。如錳在加熱顯色時(shí)，氧化率降低，錳的測(cè)量結(jié)果偏低，原因是在酸性溶液中過(guò)硫酸銨高溫加熱會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧化氫，過(guò)氧化氫能還原高錳酸，使過(guò)氧化錳總量降低。加熱溫度不一致時(shí)，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性則不好。此外有些元素要求在65～85℃反應(yīng)，產(chǎn)生的酸氣（霧）對(duì)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(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

GBS-307C型儀器采用的是室溫顯色方法，即當(dāng)室內(nèi)溫度在20～40℃之間時(shí)，90 s左右完成所有元素的顯色反應(yīng)；當(dāng)室溫降至20℃以下時(shí)儀器自備的暖風(fēng)設(shè)備自動(dòng)打開(kāi)，使儀器內(nèi)的溫度恒溫在25℃左右；或開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)室空調(diào)使環(huán)境溫度升至20℃以上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。從顯色穩(wěn)定和對(duì)儀器不侵蝕等方面考慮，采用室溫顯色較為科學(xué)。

1.3 試劑用量

GBS-307C型儀器設(shè)計(jì)時(shí)從反應(yīng)的完全程度和使用成本綜合考慮實(shí)行小劑量分析。以測(cè)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(duì)比

由表1數(shù)據(jù)可知，新型的GBS-307C型儀器試劑用量最少，這樣降低了實(shí)驗(yàn)成本和實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 自動(dòng)分析程序控制

由于儀器整個(gè)化學(xué)反應(yīng)是在一個(gè)全密封的管道和玻璃器件中進(jìn)行，而化學(xué)反應(yīng)過(guò)程由分液、加液、攪拌、顯色、比色的若干個(gè)步驟完成，這需要可靠的控制來(lái)完成整個(gè)分析過(guò)程。

（1）程序設(shè)置框圖

GBS-307C型儀器應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行逐個(gè)程序控制，并由計(jì)算機(jī)指令通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IC控制板控制管氣閥、氣泵、光源等器件；程序設(shè)置框圖內(nèi)多項(xiàng)參數(shù)可以人機(jī)對(duì)話，方便操作人員根據(jù)實(shí)際分析需要進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。例如測(cè)定Mn13樣品時(shí)由于錳的含量較高，需要攪拌時(shí)間較長(zhǎng)，可以將程序框內(nèi)“攪拌”輸入20 s或更長(zhǎng)時(shí)間，使反應(yīng)完全；又如，一個(gè)樣品分析結(jié)束時(shí)，用氣壓沖凈管道內(nèi)溶液，操作者可根據(jù)自己的設(shè)置調(diào)整沖氣時(shí)間，使分析管道干凈無(wú)積液，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。程序設(shè)置框圖如圖3所示。

圖3 儀器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

（2）元素符號(hào)設(shè)置

從菜單中選擇“設(shè)置＞＞元素符號(hào)”，或者在工具條中單擊“元”，都會(huì)打開(kāi)圖4所示的元素設(shè)置對(duì)話框，在各個(gè)欄目中選擇相應(yīng)的元素符號(hào)即可。

圖4 元素設(shè)置對(duì)話框

2.2 光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

采用光度法分析時(shí)，對(duì)光電轉(zhuǎn)換要求很高，當(dāng)顯色反應(yīng)完全且穩(wěn)定后，要求有良好的光電轉(zhuǎn)換來(lái)完成對(duì)有色溶液的分辨，使光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，再由計(jì)算機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線自動(dòng)測(cè)定出元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由此可見(jiàn)，光電轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。

2.2.1 光源選擇

GBS-307C型多元素自動(dòng)分析儀的光電轉(zhuǎn)換光源采用了冷光源作發(fā)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(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)亮自身會(huì)發(fā)熱，使光的亮度曲線發(fā)生變化，使T0或T100產(chǎn)生漂移，操作人員要不斷地去調(diào)整T0或T100，稍有疏忽即產(chǎn)生由光源變化帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差。

冷光源采用的是LED技術(shù)，光源點(diǎn)亮后自身不產(chǎn)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(zhuǎn)換器窗口，亮度高，減少后端因反饋電路放大倍數(shù)較大帶來(lái)的放大噪聲，T0或T100穩(wěn)定。

2.2.2 光電轉(zhuǎn)換器的選擇

常用光電轉(zhuǎn)換器有很多種類(lèi)，如硒光電池，硅光電池等。通常這些器件長(zhǎng)時(shí)間受光會(huì)產(chǎn)生光電疲勞，導(dǎo)致電信號(hào)失真或漂移，影響數(shù)據(jù)檢測(cè)精度。

GBS-307C型分析儀的光電轉(zhuǎn)換器件采用了軍品級(jí)單極光電轉(zhuǎn)換器，受光窗口雙層真空玻璃，開(kāi)機(jī)通電即為原始零點(diǎn)；受光后調(diào)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(jié)合使用，使儀器光電轉(zhuǎn)換的T100可在數(shù)小時(shí)內(nèi)基本穩(wěn)定而不產(chǎn)生漂移。

綜合使用兩種先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換器件，使GBS-307C型多（七）元素自動(dòng)分析儀光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，保證了顯色液吸光度的準(zhǔn)確檢測(cè)，從而得到準(zhǔn)確的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

光度法分析的數(shù)據(jù)處理一般為兩種方式：（1）單點(diǎn)標(biāo)樣換算，即準(zhǔn)確地測(cè)定某一個(gè)標(biāo)樣的吸光度后計(jì)算出K值（C標(biāo)／A標(biāo)=K標(biāo)），再用K標(biāo)值換算被測(cè)試樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；（2）取3個(gè)以上的標(biāo)準(zhǔn)樣品繪制工作曲線（檢量線），再?gòu)墓ぷ髑€查得每個(gè)被測(cè)元素的測(cè)定值。GBS-307C型自動(dòng)分析儀在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)遵循上述兩種基本的數(shù)據(jù)處理方式并由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。

3.1 工作曲線的建立和修正

每個(gè)元素通道可建立n條工作曲線，即可根據(jù)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(dāng)被檢測(cè)樣品的含量在相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)時(shí)，即可由計(jì)算機(jī)完成對(duì)該樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定，標(biāo)準(zhǔn)曲線建立后即自動(dòng)存貯于儀器中。

由于試劑、水質(zhì)的變化，元素工作曲線的KB（B為截距）值會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)新的B值輸入后原標(biāo)準(zhǔn)工作曲線即自動(dòng)平移，減少反復(fù)做標(biāo)準(zhǔn)曲線的次數(shù)。

自動(dòng)建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線 通過(guò)從菜單中選擇“標(biāo)準(zhǔn)工作曲線＞＞一點(diǎn)法”或“標(biāo)準(zhǔn)工作曲線＞＞多點(diǎn)法”，或者在工具條中單擊“標(biāo)1”或“標(biāo)n”來(lái)自動(dòng)建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。圖5、圖6為兩種方法的參數(shù)對(duì)話框，分析時(shí)在各個(gè)欄目中填入相應(yīng)的值即可。

圖5 一點(diǎn)法參數(shù)對(duì)話框

圖6 多點(diǎn)法參數(shù)建立工作曲線對(duì)話框

顯示相應(yīng)通道的各個(gè)標(biāo)樣點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)C，吸光度A），各個(gè)標(biāo)樣點(diǎn)的擬合誤差、C值，以及K，B，r值，并以相應(yīng)的圖形顯示出來(lái)，如圖7、圖8所示。

表7 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線顯示對(duì)話框

4 樣品測(cè)試

利用所研制的GBS-307C型多元素自動(dòng)分析儀對(duì)合金鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品（BH96-1～BH96-4)中的硅、錳、磷、鉻、鉬、鎳、銅及球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品(QT88-1～QT88-4)中硅、錳、磷、鉻、稀土鎳、鎂進(jìn)行聯(lián)合測(cè)定，結(jié)果分別見(jiàn)表2、表3。

表8 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線報(bào)告

表2 合金鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品中硅、錳、磷、鉻、鉬、鎳、銅測(cè)定結(jié)果

表3 球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)樣品中硅、錳、磷、鉻、稀土、鎳、鎂測(cè)定結(jié)果

由表2和表3可知，GBS-307C型多元素自動(dòng)分析儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相符，說(shuō)明該儀器測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

GBS-307C型多元素自動(dòng)分析儀的研制和生產(chǎn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)采用化學(xué)分析方法自動(dòng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確方面的有效補(bǔ)充。

［1］汪本林.硅錳磷鉻鎳銅等元素自動(dòng)分析儀研制的新進(jìn)展［C］//第五屆全國(guó)高速分析學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.無(wú)錫，1993.

［2］陳玉崑.三元素自動(dòng)分析儀的回顧與多元素自動(dòng)分析儀的探討［C］//第三屆全國(guó)化學(xué)分析與光譜分析學(xué)術(shù)交流會(huì)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(lián)系人：王本林；E-mail： kedaking@163.com

2012-02-29