CC BY
72
УДК 681.2.082:543.423 Д. Д. КУЗНЕЦОВ
В. Д. СЛЕПТЕРЕВ Д. В. ПЕЛЕЗНЕВ
Омский государственный университет путей сообщения
Институт спектроскопии РДН, г. Троицк
РЕАЛИЗАЦИЯ МОБИЛЬНЫХ ГРАДУИРОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРОВ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИРТУАЛЬНЫХ ЭТАЛОНОВ___________________________________________________
В статье содержатся данные о способах стабилизации градуировочных графиков к воздействию внешних и внутренних факторов при проведении спектрального анализа материалов. Приведены аналитические выражения, позволяющие снизить систематическую погрешность от изменения положения графиков, существенно увеличив время между проведением корректировки положения градуировочных зависимостей по рекалибровочным стандартным образцам. Разработана математическая модель виртуальных эталонов для реализации градуировочной зависимости.
Ключевые слова: градуировочный график, влияющие факторы, спектральный анализ материалов, виртуальные эталоны.
В основе автоматизированных устройств для проведения спектрального анализа продолжают использоваться модели градуировочных характеристик (ГХ), построенных на основе регрессионной обработки данных стандартных образцов с известным химическим составом. Стабилизация таких характеристик остается актуальной задачей. Возможными причинами смещения ГХ могут являться внешние факторы — изменяющиеся условия проведения эксперимента и внутренние — перенос ГХ с одного прибора на другой при их серийном производстве.
Одним из способов стабилизации условий проведения эксперимента является приведение их к эквивалентным для системы эталон-исследуемая проба [1]. Для определения содержания массовых долей элементов в материалах и сплавах производится возбуждение излучения образца в низкотемпературной плазме, регистрация эмиссионного спектра образца, измерение интенсивности аналитической линии элемента и линии сравнения, расчет содержания искомого элемента в пробе по физической модели, содержащей выражения для параметров, характеризующих устойчивое состояние низкотемпературной плазмы в стандартном образце по отношению к пробе и способность к излучению низкотемпературной плазмы относительно стандартного образца по каждому элементу. Недостатком данного способа является большое количество вычислений, положенных в основу физической модели низкотемпературной плазмы и ограниченный диапазон определения концентраций.
Также известен способ, состоящий в том, что для стабилизации положения аналитических графиков во времени используется коэффициент поглощения К линии железа, длина волны которой 1, а также
дополнительная линия железа с коэффициентом поглощения не более 0,05. Для нахождения концентрации железа используют коэффициенты поглощения аналитических линий химических элементов в формуле Бугера 1 = 10е-кй, где I — излучение, прошедшее через загрязненную линзу; 10 — излучение, прошедшее через чистую линзу; е — основание натурального логарифма; к — коэффициент поглощения, характерный для данной длины волны; й — толщина слоя загрязнения. Предлагаемый способ анализа осуществим на обоих типах квантометров с использованием в качестве приемников аналитического излучения как фотодиодных линеек, так и фотоумножителей. Этот метод признается как более надежный и достоверный, чем анализ по абсолютной интенсивности линии анализируемого элемента, пропорциональной концентрации элемента в сплаве. Недостатком способа является исследование только одного фактора — загрязнение входной оптики спектрального прибора. При воздействии других влияющих факторов данных о подтверждении точности способа не указывается [2].
Известен способ построения градуировочных графиков для анализа ферросплавов, описанный в работе [3], где для стабилизации положения градуировочных графиков предлагается использовать внутренний стандарт 1внст, состоящий из интенсивностей линий основных анализируемых элементов I. материала
П,а_с
1 внст = £ а^г , (1)
г=1
где аг^ — оптимизируемые коэффициенты; общее количество используемых линий; г, ] — порядковый
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
Таблица 1
Параметры спектральных линий, используемых для градуирования
Элемент Длина волны, нм Номер приемника Потенциал возбуждения, эВ Яркость
Линии анализируемых элементов
Си 218,172 2 5,68 130
Си 327,396 4 3,78 2500
Си 296,117 3 5,78 50
БЬ 217,581 2 5,69 850
БЬ 231,147 2 7,68 15
БЬ 287,792 3 5,36 140
Бп 249,570 2 6,03 110
Бп 365,587 5 5,52 40
Бп 211,393 1 6,07 530
Линии сравнения
РЬ 367,150 5 6,03 34
РЬ 282,319 3 5,7 410
РЬ 322,054 4 6,5 3
РЬ 247,638 2 5,98 130
РЬ 205,327 1 6,04 690
РЬ 216,999 2 5,71 480
номер элемента и обозначение принадлежности к определяемому элементу. Выполняется оптимизация весовых коэффициентов до улучшения положения градуировочного графика.
Данный способ устраняет только влияние третьих элементов [4] при одинаковых условиях проведения эксперимента. При изменении условий проведения эксперимента градуировочные зависимости могут не воспроизводиться [5].
Для повышения стабильности и уменьшения дрейфа градуировочных графиков предлагается способ, который заключается в измерении и математической обработке нескольких линий анализируемого элемента и нескольких линий сравнения, имеющих различные энергетические характеристики, для уменьшения влияния внешних и внутренних факторов при проведении эксперимента. Задачей данного способа является исследование точности спектрального анализа металлов и сплавов, за счет устранения дрейфа градуировочных зависимостей, в условиях воздействия мешающих факторов в течение длительного интервала времени или их перенос с одного прибора на другой.
В статье предлагается использовать понятие виртуальных эталонов, используемых при измерениях различных физических величин [6]. В случае спектрального анализа материалов виртуальными эталонами следует считать математическую обработку данных, полученных от реальных эталонов с целью снижения составляющих погрешностей от ГХ, выполненных в различных условиях, либо при переносе ГХ с одного спектрометра на другой.
Для учета различных энергетических показателей спектральных линий при построении градуировочных графиков используется функция вида:
І=1
а01 ан0 ' + а1[ ан1; + ■
' + aN^ ан^
м
£ V с і=1
Ь01 ср0 ] + Ь11 ср1' + ■■■ + ЬМ^ срМ]
(2)
где I — интенсивности спектральных линий анализируемого элемента; I — интенсивности линий сравнения, имеющие различные энергетические показатели;
а., Ъ( — коэффициенты устойчивого градуирования; N — количество линий анализируемого элемента; М — количество линий сравнения.
Эксперимент. Для построения устойчивой градуировочной зависимости были использованы данные, полученные при помощи атомно-эмиссионных спектрометров типа «АРГОН-5СФ». Эксперимент проводился с использованием стандартных образцов свинцовых баббитов (86ХР8Б1 — 86ХР884 фирмы МВН). Для сбора данных использовалось пять различных приборов «АРГОН-5СФ». С каждого спектрального анализатора были получены данные спектров одного комплекта стандартных образцов свинцовых баббитов (далее «режимы проведения эксперимента»).
Для снижения действия факторов, влияющих на положение ГХ, помимо аналитических линий было выбрано восемь дополнительных линий с различной яркостью и потенциалами возбуждения, на которые оказывают значительное влияние физические факторы, учитываемые при построении градуировочной зависимости. Параметры спектральных линий, используемых для градуировки, приведены в табл. 1.
На рис. 1 показаны интенсивности спектральных линий, используемых в модели, полученных при различных режимах проведения эксперимента (образец 86ХР8Б1).
При построении градуировочных зависимостей классическим способом, по данным, полученным в различных режимах проведения эксперимерта, отмечалось существенное расхождение между ними (рис. 2). Это определяется совокупностью внешних факторов, вызывающих временной дрейф, конструкционными и электрическими параметрами каждого спектрального анализатора и систематической погрешностью при определении количественного содержания.
И
Рис. 1. Графики интенсивностей спектральных линий, полученных в различных режимах проведения эксперимента
Рис. 2. Градуировочные зависимости, полученные в различных режимах проведения эксперимента классическим способом
Для формирования градуировочной зависимости предложенным способом требуется расчет коэффициентов, при которых корреляция между данными, полученными в разных режимах, будет максимальной. Чтобы рассчитать весовые коэффициенты а0, а1, а2, а3, ..., аМ, нужно решить систему уравнений (3).
Из-за большого количества неизвестных, система уравнений (3) не может быть решена аналитическими методами, поэтому весовые коэффициенты, при которых корреляция градуировочных данных, полученных в различных режимах, будет максимальной, определяются численными методами. Для решения системы уравнений был использован симплекс-метод.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
Рис. 3. Алгоритм, реализующий способ устойчивого градуирования, построенный на основе системы уравнений (3)
Таблица 2
Коэффициенты устойчивого градуирования на примере олова
а1 а2 а3 Ъ1 Ъ2 Ъ3 Ъ4 Ъ5 Ъ6
0,0403 0,5902 0,0386 0,0023 0,0063 -0,0071 0,0305 0,0025 0,0202
Таблица 3
Исходные данные и расчитанные значения функции устойчивого градуирования на примере олова
Линия Режим 1 Режим 2 Режим 3 Режим 4 Режим 5 С
1ан1 (249,570) 403027 411489 248444 389449 600657
1ан2 (365,587) 44983 56880 33528 51505 60090
1^3 (211,393) 456292 702533 35677 1178250 1839759
1ср1 (367,150) 1425808 1678602 1159237 1486289 2013125
1ср2 (282,319) 3751716 3790149 2425787 3838026 4226416 4,42
1ср3 (216,999) 2435932 3524852 2151390 3903797 3447183
1ср4 (322,054) 130002 185632 92453 114037 373484
1ср5 (247,638) 2721748 2911862 2383248 2761123 3865055
1ф6 (205,327) 909574 1732547 880616 2121264 3038354
Б 1,959 1,964 1,846 1,984 1,967 -
Рис. 4. Градуировочные зависимости, полученные с использованием функции устойчивого градуирования
N
£ аг 1,
] М
£ Ъг 1,
г = 1
£ (С - С )( ¥ } - ¥ )
} = 1____________________________________
£ (С } - С )2 /£ (¥} - ¥ )2
} = 1
|а | < 1;
Ъ I < 1;
где N — количество линий анализируемого элемента; М — количество линий сравнения; К — произведение количества режимов и количества стандартных образцов для градуирования; 1ан}} — интенсивности спектральных линий анализируемого элемента в те-
кущем образце текущего режима; I — интенсивности линий сравнения в текущем образце текущего режима, имеющие различные энергетические показатели; — значение функции устойчивого граду-
ирования в текущем образце текущего режима; С. — концентрации элемента; аг, Ъг — коэффициенты устойчивого градуирования.
Алгоритм, реализующий способ устойчивого градуирования, построенный на основе системы уравнений (3) представлен на рис. 3.
Полученные коэффициенты и значения функции устойчивого градуирования на примере олова по стандартным образцам (86ХР881—86ХР884) показаны в табл. 2 и 3.
После расчета коэффициентов и значений функции устойчивого градуирования перестраиваем градуировочные графики из системы координат «Относительная интенсивность (I ) — концентрация (С)» в систему «Функция устойчивого градуирования ¥) — концентрация (С)» (рис. 4).
Результаты корреляции градуировочных графиков, полученных при изменении внешних факторов
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
Таблица 4
Результаты корреляции градуировочных графиков, полученных при изменении внешних факторов классическим и предлагаемым способами
Метод градуирования Значение Я2
Си БЬ Бп
Классический 0,824 0,719 0,887
Предлагаемый 0,998 0,980 0,998
классическим и предлагаемым способами, показаны в табл. 4.
Эксперимент, проведенный на группе стандартных образцов свинцовые баббиты, показал, что корреляция графиков, полученных в различных режимах, увеличилась для всех трех характерных элементов примесей, на которых проводились опыты: медь, олово и сурьма. Это позволило построить градуировочную зависимость, устойчивую к влиянию внешних факторов, учтенных в режимах, использованных для градуирования, снизив тем самым систематическую погрешность от изменения положения графиков.
Применение виртуальных эталонов позволило существенно увеличить время между проведением корректировки положения градуировочных зависимостей по рекалибровочным стандартным образцам, а также получить математическую модель, обеспечивающую минимальные погрешности при переносе ГХ с одного спектрометра на другой.
Библиографический список
1. Кузнецов, А. А. Комплексные методы диагностирования промышленных изделий и узлов подвижного состава средствами атомно-эмиссионной спектроскопии / А. А. Кузнецов. — М. : Спутник + , 2005. — 198 с.
2. Пат. 2189030 Российская Федерация, МПК7 в 01 N 21/
67. Способ анализа химического состава чугуна и стали различной степени легирования / Лазарев А. В. ; заявитель и патентообладатель Лазарев А. В. — № 2001103006/28 ; заявл.
01.02.01 ; опубл. 10.09.02, Бюл. № 23 (П ч.). — 5 с.
3. Пупышев, А. А. Атомно-эмиссионный спектральный анализ ферросплавов: моногр. / А. А. Пупышев, А. Г. Змитре-вич. — Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2009. — С. 134 — 143.
4. Горский, Е. В. Учет влияния «третьих» элементов при анализе алюминиевых сплавов на эмиссионном спектрометре ПАПУАС-4 / Е. В. Горский, А. М. Лившиц, А. В. Пелезнев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2006. — № 3. Т. 72. — С. 11 — 15.
5. Кузнецов, А. А. Способ достижения инвариантности градуировочных графиков при определении количественного состава металлов и сплавов автоматизированными системами АЭСА материалов / А. А. Кузнецов, О. Б. Мешкова, Д. Е. За-чатейский // Омский научный вестник. — 2010. — № 2 (90). — С. 169 — 172.
6. Ермишин, С. М. Виртуальные эталоны — новый класс
виртуальных приборов / С. М. Ермишин, П. Г. Шабанов // Автоматизация в промышленности. — 2004. — № 10. —
С. 26 — 30.
КУЗНЕЦОВ Андрей Альбертович, доктор технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС). СЛЕПТЕРЕВ Виталий Александрович, инженер кафедры «Теоретическая электротехника» ОмГУПС. ПЕЛЕЗНЕВ Александр Викторович, инженер Института спектроскопии РАН, г. Троицк.
Адрес для переписки: : wedal@mail.ru
Статья поступила в редакцию 30.09.2013 г.
© А. А. Кузнецов, В. А. Слептерев, А. В. Пелезнев
Книжная полка
Лукинов, А. П. Проектирование мехатронных и робототехнических устройств : учеб. пособие / А. П. Лукинов. - СПб. [и др.] : Лань, 2012. - 605 с.
Учебное пособие ориентировано на подготовку специалистов в области проектирования мехатронных и робототехнических систем. Книга охватывает широкий круг вопросов, связанных с деятельностью разработчика изделий мехатроники и робототехники и с организацией проектных работ; содержит краткие характеристики часто используемых комплектующих узлов и блоков, методику оптимального выбора комплектующих, методы расчета и оптимизации, модели основных элементов мехатронных машин, рекомендации по проектированию. Учебное пособие сопровождается СБ-диском, на котором размещены примеры из компьютерной расчетно-обучающей системы «Мехатроника и робототехника», КРОС МиР. База расчетных примеров содержит интерактивные процедуры расчета мехатронных узлов и элементов, модели формирования процессов, методики отыскания проектных решений и другие практически полезные инструменты проектирования.
Метрология, стандартизация, сертификация : учеб. пособие для вузов по специальностям подгот. «Транспортные машины и транспортно-технологические комплексы» и «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования» / А. И. Аристов [и др.]. - М. : ИНФРА-М, 2012. - 255 с.
Рассмотрены основы нормирования точности геометрических параметров типовых деталей машин и сборочных единиц, определяющих качество автомобилей и дорожных машин; основные понятия метрологии и метрологического обеспечения производства, методы и средства контроля геометрических параметров, эталоны основных единиц системы СИ и передача размера единиц образцовым и рабочим средствам измерений. Предназначено для студентов втузов.
