hirdetés
hirdetés

Műszaki diagnosztika

A spektrometria alapjai

Az optikai emissziós spektrométeres vizsgálat elengedhetetlen a korszerű öntödék és hőkezelők számára, de ma már nagy számban használják általános minőség-ellenőrzésre is. Ehhez képest sok érdeklődő és akár felhasználó sincs tisztában a vizsgálat alapjaival. Ezen kívánunk segíteni alábbi hiánypótló cikkünkkel.

hirdetés

A spektroszkópia, magyarul színképelemzés tudománya az 1850-es évekig nyúlik vissza. Előtte, a XVII. században Isaac Newton kezdett tudományosan foglalkozni azzal a felismeréssel, hogy egy megfelelő üvegen áteresztett fény a szivárvány színeiben jelenik meg a szoba falán. A XIX. században Gustav Kirchhoff és Robert Bunsen jöttek rá, hogy ha egy lángba különböző sókat juttatnak, akkor a láng színe a beleinjektált anyagokhoz képest változik. A különböző anyagok, kémiai elemek meghatározott karakterisztikájú fényt emittáltak, amelynek fő hullámhosszait az általuk fejlesztett spektrográffal meg tudták határozni.

Így alakult ki a színképelemzés tudománya. A spektrometria ma már nagyon széles tudományág, mivel nemcsak a látható fény, hanem az elektromágneses sugárzások teljes tartományát is felöleli. Ennek csak egy kis szelete a gépiparban használt optikai emissziós spektrométeres vizsgálat, habár ez áll legközelebb Bunsenék spektrográfjához. 

Amit a kémiaórákról tudni kell

Az optikai emissziós spektrométerek szilárd halmazállapotú fémek kémiai összetételének pár másodperc alatt történő százalékos meghatározására szolgálnak. A vizsgált kémiai elemek mindegyikére több hullámhosszúságú fény is (spektrumvonal) jellemző, azok atomszerkezeti tulajdonságaikból fakadóan. Ahogy első esetben a Bunsen-égő lángjában voltak láthatók a különböző színek, hasonlóan a spektrométer is egy nagy energiájú és frekvenciájú szikrát közöl a vizsgálandó anyaggal. A közölt energia megváltoztatja az atomok szerkezetét. A középiskolai kémiaórákról ismeretes, hogy elektronok keringenek különböző elektronpályákon az atommag körül. 

Borh-féle atommodell az elektronpályákkal
Bohr-féle atommodell az elektronpályákkal

Az energia közlésekor az elektronok magasabb energiaszintű elektronpályára kényszerülnek ugrani. Viszont ezt a magasabb energiaszintet nem tudják megtartani, ezért visszaugranak eredeti állapotukra. Ahogy ez megtörténik, az elektron leadja magasabb energiáját, ami elektromágneses sugárzásban jelentkezik, ez sok esetben szemmel is látható fény. A kibocsátott fény hullámhossza a leadott energia mértékétől (vagyis az elektronpályák távolságától) függ, így egyértelműen meghatározza, hogy mely kémiai elemtől származik. Ez az adott elem „ujjlenyomata”.

A vizsgálati folyamat

A spektrométer ezt a jelenséget használja föl. A vizsgálathoz tehát szükség van energiaközlésre, fényre, fénybontó eszközre, valamint a felbontott fény regisztrálására és kiértékelésére. Az energia közlése általában egy volfrámelektródán keresztül történik, amelynek gerjesztéséről modern, digitális elektronikai rendszer gondoskodik. Ez azért szükséges, mert anyagminőségtől függően különböző frekvenciákkal és áramerősségekkel kell megfelelő ideig szikráztatni a vizsgált felületet. A szikráztatáskor anyagleválasztás történik, és az anyag plazmaállapotba kerül. A pontos méréshez elengedhetetlen az argon védőgázos közegben történő szikráztatás, mivel levegőn nem lehet előállítani a kívánt plazmaállapotot, valamint több ötvöző kiég, mint például a vas legmeghatározóbb ötvözője, a karbon. Egy mintán több mérést kell végezni, többek között az anyag inhomogenitása miatt. 

Spektrométerrel vizsgált acél-, alumínium- és rézminta felülete
Spektrométerrel vizsgált acél-, alumínium- és rézminta felülete

A szikráztatáskor létrejövő fény egy optikai kábelen keresztül jut be a spektrométerbe, ahol egy homorú, prizmatikus felületre esik, amely azt alkotó színeire bontja. Ennek felületén általában 1200–3600 holografikus barázda található milliméterenként, amelyekről a fény a meghatározott hullámhosszokra bomlik, és a megfelelő irányba vetül.

Ez a felbontott fény körívben elhelyezkedő érzékelőkre jut. A prizmát és az érzékelőket magába foglaló kört Rowland-körnek nevezik. Minél nagyobb átmérőjű ez a kör, annál nagyobb lesz a spektrométer optikai felbontása, így többek között ettől is függ a készülék pontossága. A mobil spektrométerekben ez kisebb, megközelítően 300 mm, az asztaliakban nagyobb, mintegy 350 mm átmérőjű rendszer található, míg a laboratóriumi berendezésekben ez 750 mm vagy akár ennél is nagyobb lehet. 

Kétféle érzékelő használható

A felbontott fény mérésére a mai spektrométerekben CCD (charge-coupled device) lapkákat vagy hagyományos fotoelektron-sokszorozókat (photomultiplier tube, PMT) használnak. A fotoelektron-sokszorozókat régebbi típusú, illetve laboratóriumi spektrométerekben használják. Ekkor a rendszerben annyi ilyen csövet kell elhelyeznie a gyártónak, ahány elemet vizsgálni kíván a felhasználó.

CCD lapkás optikai érzékelő
CCD lapkás optikai érzékelő

Ebben az esetben az érzékelőket a Rowland-körben a megfelelő helyeken kell elhelyezni, és egy szűk nyíláson keresztül érkezik rájuk az adott hullámhosszúságú fény. E rendszer előnye a nagyobb pontosság, míg hátránya a nagyobb méret, illetve az, hogy csak a kiválasztott elemek vizsgálhatók egy meghatározott alapfémben. 

A CCD lapkák előnye, hogy használatukkal a spektrométer optikai rendszere kisebb lehet, és nincs megkötés a vizsgált elemek, valamint a kalibrált, egy spektrométerrel vizsgálható alapfémek számában sem. A CCD rendszerrel az egész fényspektrum látható és kielemezhető. Sok elem vizsgálata esetén problémát jelent a különböző elemekhez tartozó adott hullámhosszokon jelentkező csúcsok egymást fedése. Ezért van szükség nagy felbontású CCD elemekre, illetve meg kell találni a legmegfelelőbb hullámhosszokat, amelyeken a legkönnyebben vizsgálható egy adott elem.

PMT csöves optikai rendszer
PMT csöves optikai rendszer

Ma már léteznek kombinált optikai rendszerrel rendelkező laboratóriumi spektrométerek, amelyek egyesítik a két technológia előnyeit. A spektrométeres anyagösszetétel-meghatározásnál problémát jelent, hogy a vizsgálandó elemekhez tartozó hullámhosszok csak kis részben vannak a látható fény spektrumában, nagyobb részben a nem látható ultraibolya (UV) vagy vákuum-ultraibolya (VUV) tartományokba esnek.

Acélminta spektrumának kezdeti szakasza, csúcsonként különböző elemekkel. Kék színnel látható a megfelelő fényspektrum, piros színnel ugyanaz a minta karbantartást igénylő optikai elemekkel. Látható, hogy a mattult fényvezető alkatrészeken alacsonyabb intenzitású fény jut be
Acélminta spektrumának kezdeti szakasza, csúcsonként különböző elemekkel. Kék színnel látható a megfelelő fényspektrum, piros színnel ugyanaz a minta karbantartást igénylő optikai elemekkel. Látható, hogy a mattult fényvezető alkatrészeken alacsonyabb intenzitású fény jut be

Az emberi szem által látható fény nagyjából 400-750 nm hullámhosszúságon jelentkezik, az UV jó közelítéssel a 200-400 nm tartományban, míg a VUV 120-200 nm között. A fontosabb mérendő elemek közül a kén (S), a foszfor (P) és a bór (B) színképvonala esik az UV tartományba, míg az acélokban különlegesen nehezen vizsgálható elem, a nitrogén (N) és az oxigén (O) a VUV tartományba.

Ezért általában az optikai rendszert egy vákuumkamrában helyezik el asztali és laboratóriumi spektrométereknél. Érdekesség, hogy a vákuumkamra kiváltható az optikai elemek folyamatosan argonnal történő öblítésével, illetve fúvatásával. Így válnak alkalmassá például a mobil spektrométerek is S, P vagy akár N mérésére, de ez az asztali spektrométereknél természetesen jelentősen megnöveli az argonfelhasználást. Sok esetben az optikai rendszert belső fűtéssel vagy hűtéssel stabilizálják az eredmények jobb reprodukálhatósága érdekében, de ez kiváltható megfelelő matematikai algoritmusokkal történő korrekcióval is.

Digitális jelek kiértékelése

Az érzékelők a felfogott fényt villamos jellé alakítják, amelyet egy A/D átalakító digitális jellé formál. A számítógépes kiértékelőrendszer a gyártáskor bevitt kalibrációval hasonlítja össze a vizsgálatból érkező adatokat. Minden egyes spektrométert egyedileg kalibrál a gyártó hitelesített referenciaanyagok (CRM-ek) segítségével. Ezen bevizsgált etalonok révén kalibrációs görbéket alakít ki. Egy görbe egy adott hullámhosszhoz tartozik úgy, hogy a vízszintes tengelyen az adott hullámhossz intenzitása szerepel, míg a függőleges tengelyen az elem koncentrációja. Minél nagyobb az érkező fény intenzitása, annál nagyobb koncentráció tartozik hozzá. Minden ilyen görbét több, akár harminc hitelesített etalon bemérésével vesznek fel, és egy adott alapfémhez tartozó kalibrációban (mátrixban) minden elemhez több, akár 4-5 görbe is tartozik koncentrációtól függően. Így csak egy vasalapú ötvözetek vizsgálatára felkészített spektrométer szoftvere is 80–100 ilyen kalibrációs görbét tartalmaz. 

Optikai emissziós spektrométer kalibrációs görbéje
Optikai emissziós spektrométer kalibrációs görbéje

A következő probléma itt adódik, hiszen a CRM etalonok hitelesített összetételi értékei sem egzaktak, hanem több akkreditált anyavizsgáló laboratórium mérési eredményeinek átlagai. Így sok esetben előfordul, hogy két azonos, hitelesített összetételű etalon mérési eredményei nem esnek egy pontba. Ezért a kalibrációs görbék az etalonok pontjaihoz felvett közelítő görbék. Ezért megeshet, hogy egy hitelesített etalon spektrométeres vizsgálati eredményei nem felelnek meg a hitelesített értékeknek, miközben a készülék hibátlanul üzemel.

Az időszakos utánkalibrálás elengedhetetlen

Minden optikai emissziós spektrométernél szükség van időszakosan a kalibráció utánállítására, amit rekalibrációnak nevezünk. Ezt a gyártó által biztosított, sorszámozott rekalibrációs etalonok segítségével lehet elvégezni, amelyek gyakorlatilag a kalibráció részei, elvesztésük esetén mással nem helyettesíthetők. A rekalibráció ezen etalonok mérésével jár. Ekkor a spektrométer szoftvere összeveti a kalibrációs görbékhez tartozó referenciapontok referencia-fényintenzitását az aktuálisan mért, bejutó intenzitásokkal. Ezzel lehetséges kiküszöbölni a koszolódó, tompuló fényvezető kábelek és lencsék okozta analitikai változásokat. A rekalibráció odafigyelést igényel, a felhasználási körülményektől és a spektrométer típusától is függ elvégzésének szükséges sűrűsége.

Tehát a spektrométer néhány másodpercig gerjesztett, vezérelt szikra fényéből kapott spektrum csúcsainak intenzitásából számított átlagértéket vet össze olyan kalibrációs görbékkel, amelyek szintén különböző mérések átlagértékeiből számított közelítő pontokból állnak. Ebből látható, hogy a mérés igen összetett matematikai-statisztikai számításokon alapul, és nem összehasonlítható például egy egyszerű hosszmérési metódussal.

Mérési teljesítmény értelmezése

Így jutunk el a spektrométeres vizsgálat mérési pontosságának megközelítéséhez. Alapvetően kétféle analitikai teljesítményről beszélhetünk. Egyik a pontosság (accuracy), amely a mérési eredmény eltérését jelzi a várt vagy hitelesített eredménytől, a másik pedig a reprodukálhatóság (precision, reproducibility), amely az eredmények egymás utáni szórását jelöli. A lehető legegzaktabb eredményekhez való hozzájutáshoz különösen fontos több, akár 5-10 mérést is végezni egymás után. 

Mérési pontosság (accuracy) és reprodukálhatóság (precision)
Mérési pontosság (accuracy) és reprodukálhatóság (precision)

A pontosság a gyári kalibráción múlik és egyedileg elállítható vagy egy adott etalonhoz hozzáállítható. A reprodukálhatóságon egy adott spektrométernél nehéz javítani, de vannak lehetőségek, amelyeket sokan alábecsülnek. Ezek a következők:

A vizsgált minta felületi előkészítése Ez az egyik legmeghatározóbb emberi tényező. A pontos méréshez elengedhetetlenül szükséges a vizsgált felület síkbelisége, megfelelő érdessége, valamint oxidáció-, zsír- és koszmentessége. Ebbe beletartozik a tiszta, megfelelő összetételű csiszolópapír használata is.

A spektrométer optikai rendszerének karbantartása A készülékekben található lencsék, ablakok és fénykábelek az idő múlásával mattulnak és koszolódnak, így a megfelelő teljesítmény érdekében mindenképpen szükségszerű azok időszakos cseréje.

Megfelelő argonvédőgáz-minőség A spektrometriai vizsgálathoz nagy tisztaságú Ar gázra van szükség, mivel a gáz szennyezői befolyásolhatják a vizsgálat eredményét. Klasszikusan spektrométer-argongáznak a 4.8-as minőségűt tartják (99,998 százalék Ar), de az 5.0 minőségű (99,999 százalék Ar) a leginkább javasolt tisztaság. Különleges esetekben, például acélokban alacsony nitrogéntartalom vizsgálata esetén szükség lehet 6.0 (99,9999 százalék Ar) argon védőgázra is, mivel 1 ppm (0,0001 százalék) nitrogéntartalom a gázban akár 20-30 ppm-mel (0,002–0,003 százalék) is eltolhatja a mérési eredményt, ami sok esetben nem megengedhető.

A fentiek alapján látható, hogy az optikai emissziós spektrométer rendkívül összetett vizsgálógép, és csak sok tapasztalattal lehetséges igazán pontos és megbízható spektrométert gyártani. Ezen túl a pontos mérések elvégzéséhez is elengedhetetlen a felhasználói tapasztalat ugyanúgy, mint a vizsgálati eredmények megítéléséhez is.

hirdetés

kapcsolódó linkek

Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
hirdetés
hirdetés
hirdetés

Kiadónk társoldalai

hirdetés