脈沖分布法的應(yīng)用

1、脈沖分布法的應(yīng)用李丹戈 張東明 張劍北京瑞利分析儀器公司發(fā)射事業(yè)部一、引言在煉鋼過程中，為了除去鋼水中的氧氣，會添加一些鋁，脫氧后，出爐時(shí)有一部分鋁變成氧化鋁（酸不溶鋁）殘留于鐵種，還有一部分鋁固溶在鐵中（酸溶鋁），酸不溶鋁的多少對鋼質(zhì)量的好壞很有影響，由于鋼鐵中殘余酸不溶鋁的原電池效應(yīng)，使鋼鐵表面易受氧化，對于合金鋼板材、型材質(zhì)量的影響更為嚴(yán)重，所以必須分析鋼中的酸溶鋁和酸不溶鋁的含量。酸溶鋁和酸不溶鋁的定量分析，將使鋼鐵制造廠家生產(chǎn)出更好的優(yōu)質(zhì)鋼材，目前，國外光譜制造廠家經(jīng)過長期實(shí)驗(yàn)，在各自生產(chǎn)的儀器上都能為用戶提供酸溶鋁和酸不溶鋁的分析方法?，F(xiàn)在，酸溶鋁和酸不溶鋁的分析一般有兩種方法：（

2、1） SIMA法（Shimadzu Integration Metallurgic Analysis）;（2） PDA法（Pulse Distribution Analysis Method）.其中脈沖分布（PDA）是目前較為先進(jìn)的酸溶鋁和酸不溶鋁的分析方法，我們之論述PDA法。目前，國產(chǎn)光電直讀光譜儀尚不具備酸溶鋁和酸不溶鋁的分析方法，本文論述了再國產(chǎn)光電直讀光譜儀實(shí)現(xiàn)酸溶鋁和酸不溶鋁的分析方法，硬件電路，并對由PDA法引出的一些新內(nèi)標(biāo)方法進(jìn)行了論述。二、PDA方法與常規(guī)分析方法的區(qū)別常規(guī)分析方法是在儀器的曝光階段，對采集的每一次光強(qiáng)值進(jìn)行累加，累加的結(jié)果作為元素通道的絕對光強(qiáng)。元素通道的絕

3、對光強(qiáng)與元素含量的函數(shù)關(guān)系，建立二次工作曲線，并利用曲線求解未知樣品的含量，常規(guī)分析發(fā)見圖1.其中，I：絕對光強(qiáng) En：單次積分的光強(qiáng)與常規(guī)分析方法不同，PDA（脈沖分布法）法師由日本島津公司最早提出的一種分析方法，發(fā)展目的是為了提高儀器的分析精度和分析合金鋼中的鋁元素，這種分析方法是：用每個(gè)火花激發(fā)光強(qiáng)得到的分析數(shù)據(jù)來進(jìn)行處理，火花的激發(fā)次數(shù)是由計(jì)算機(jī)設(shè)定的，脈沖分步法見圖2.三、PDA的硬件支持電路實(shí)現(xiàn)PDA脈沖分布法的關(guān)鍵是：計(jì)算機(jī)能夠采集光源每次激發(fā)的火花光強(qiáng)值。這就需要計(jì)算機(jī)的采集工作頻率與光源的工作頻率同步，同步后計(jì)算機(jī)可以控制光源的激發(fā)及接口電路的數(shù)據(jù)采集。波形圖見圖3.現(xiàn)在我們

4、新研制的光源的動力驅(qū)動部分采用現(xiàn)代電力電子器件絕緣門極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transister 簡稱IGBT）。IGBT器件具有集成化，高頻率化，全控化，控制電路弱電化，控制數(shù)字化，多功能化等特點(diǎn)，IGBT是80年代以來，隨著微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合而產(chǎn)生的功率繼承器件，是一種很有前途的混合型全控器件。光源采用IGBT后，計(jì)算機(jī)輸出的5V方波可以直接控制光源的工作頻率，計(jì)算機(jī)接口板的PC口輸出一5V方波，方波經(jīng)一級光耦隔離后加到光源的觸發(fā)板上，方波高電平時(shí)，IGBT導(dǎo)通，光源內(nèi)電容充電，此時(shí)，光遠(yuǎn)不及發(fā)，沒有高頻干擾，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各

5、道積分電容的充電電壓并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，方波低電平，IGBT關(guān)斷，光源內(nèi)不電路進(jìn)行100us延時(shí)（為了保護(hù)IGBT），光源產(chǎn)生一次火花放電，此時(shí)光源干擾最大，如果在此時(shí)采集數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生計(jì)算機(jī)“死機(jī)”現(xiàn)象，所以此階段計(jì)算機(jī)的采集工作停止，這時(shí)積分電容充電，采集所激發(fā)出的光信號，到方波的下一個(gè)上升沿，光源停止激發(fā)，計(jì)算機(jī)采集積分器上的幾分電壓，這樣，計(jì)算機(jī)就能夠采集到每次火花的激發(fā)光強(qiáng)值。采用這種頻率控制方法，可以實(shí)現(xiàn)光源的高頻預(yù)燃，低頻曝光，轉(zhuǎn)換過程無需轉(zhuǎn)換電路，由于激發(fā)階段與數(shù)據(jù)采集階段完全分開，降低了光源對計(jì)算機(jī)的干擾。四、PDA的軟件流程圖五、內(nèi)標(biāo)方法1、 比例內(nèi)標(biāo)法內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)法師光譜定量分析的

6、一個(gè)重要到額成就，沒有內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)法，光譜定量分析很難達(dá)到定量分析要求的精度。1925年，蓋拉赫提出的內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)法，推動了光譜定量分析前進(jìn)了一大步，采用內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)消除了一起波動對分析的影響。但是，內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)是以分析元素光強(qiáng)的累加總和，與同次內(nèi)標(biāo)元素光強(qiáng)累加總和的比值作為相對光強(qiáng)，這種內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)法不考慮單次激發(fā)火花的光強(qiáng)值，分析結(jié)果容易受到樣品缺陷的影響。比例內(nèi)標(biāo)法，是將每次火花激發(fā)的光強(qiáng)值都與同次內(nèi)標(biāo)光強(qiáng)值相比，得到相對光強(qiáng)，然后對相對光強(qiáng)進(jìn)行處理，比例內(nèi)標(biāo)法的圖示說明見圖4.其中，圖4-1 為分析元素的每次火花光強(qiáng) 圖4-2 圖4-3 為內(nèi)標(biāo)元素的每次火花光強(qiáng)由圖4-2可見，比例內(nèi)標(biāo)法可以對每次火花激發(fā)的光強(qiáng)

7、進(jìn)行修正，使相對光強(qiáng)變得平穩(wěn)，將各次相對光強(qiáng)累加，得到一次分析的光強(qiáng)值，泳衣參加區(qū)縣擬合及樣品分析。必須強(qiáng)調(diào)，使用比例內(nèi)標(biāo)法所選用的內(nèi)表現(xiàn)必須與鎖孔元素譜線性質(zhì)相同。2、 追蹤內(nèi)標(biāo)法如果將內(nèi)標(biāo)元素光強(qiáng)有選擇的選取，也就是首先將每次火花激發(fā)的內(nèi)標(biāo)光強(qiáng)進(jìn)行排序，如圖5.其中只取10%*N到80%*N（N為總的激發(fā)火花次數(shù)，選擇的取值范圍可根據(jù)實(shí)際情況來定）之間的火花激發(fā)光強(qiáng)數(shù)值作為元素光強(qiáng)來處理，其他火花激發(fā)光強(qiáng)數(shù)值作為火花激發(fā)的異常點(diǎn)，其他元素根據(jù)內(nèi)標(biāo)元素的選取值也有條件的加以選取，并使用比例內(nèi)標(biāo)的方法，對單詞火花激發(fā)光強(qiáng)數(shù)值進(jìn)行處理。這種方法，不是平均值法而是概率統(tǒng)計(jì)法，統(tǒng)計(jì)出各光強(qiáng)段的概率分

8、布，取其中一段光強(qiáng)，將偏離點(diǎn)作為火花激發(fā)壞點(diǎn)濾除。這樣，即使樣品表面有缺陷，如氣孔、沙眼及偏析等，也能保證分析的精度。六、固溶元素及非固溶元素的PDA分析方法由于合金表面的固溶元素和非固溶元素在每個(gè)單火花激發(fā)面積內(nèi)（每個(gè)火花激發(fā)點(diǎn)的直徑約為0.1mm），都可以代表一種固溶元素或非固溶元素的光強(qiáng)值，如榮元素及非固溶元素光強(qiáng)值的出現(xiàn)次序是隨機(jī)的，示意圖見圖6.圖6中，火花光強(qiáng)的高值點(diǎn)為固溶元素的光強(qiáng)，低值點(diǎn)為非固溶元素的光強(qiáng)?？梢杂酶怕史植紙D來表示，見圖7.固溶元素光強(qiáng): 非固溶元素光強(qiáng)：為總光強(qiáng)為低點(diǎn)的次數(shù)為高點(diǎn)的次數(shù)N為總的采集次數(shù)首先，將歌詞火花激發(fā)的光強(qiáng)計(jì)算出平均光強(qiáng)，每次火花激發(fā)光強(qiáng)與平均光強(qiáng)進(jìn)行比較，高出的點(diǎn)記為，低的點(diǎn)記為。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的高點(diǎn)次數(shù)及低點(diǎn)次數(shù)來確定固溶元素及非固溶元素的含量。結(jié)束語由于采用上述的控制方法，使控制靈活方便，硬件控制單向性，簡化了硬件電路，提高了抗干擾能力。擴(kuò)充了儀器的