Принцип действия и виды
Портативный анализатор химического состава металлов может иметь самую разнообразную конструкцию. К примеру, выполняться в формате прибора, предназначенного для установки на рабочем месте и подключаемому к сети 220В, источникам инертного газа, вспомогательному оборудованию.
Анализаторы выпускаются в формате походной лаборатории, подразумевающей проведение исследования в спокойных условиях. Есть и модели, выполненные в виде компактных ручных приборов, позволяющие определить тип металла и составы сплавов буквально на ходу, за считанные секунды.
Несмотря на разнообразие форм и предлагаемого функционала, каждый прибор для исследования работает на одном из ряда принципов, которые показали свою результативность и точность.
Оптико-эмиссионные
Анализатор металлов и сплавов оптико-эмиссионного класса работает на механике исследования излучения из области, заполненной частицами испаренного образца.
Кратко схему работы можно описать так:
на исследуемый объект или его часть производится высокотемпературное воздействие;
небольшая масса металла испаряется;
излучение, испускаемое разнообразными компонентами сплава, регистрируется чувствительным сенсором прибора;
данные обрабатываются, химический состав образца по стандартизированным полосам излучения – выводится на дисплей.
Работать с прибором достаточно просто, в розничной продаже есть модели крайне малого размера для проведения анализа в походных условиях. Чтобы минимизировать влияние окружающей среды на результаты исследования – воздействие на образец производится в камере, заполненной аргоном.
По механике воздействия оптико-эмиссионные анализаторы металлов делятся на искровые и дуговые. В первых – не требуется мощного источника питания, воздействие на образец резкое и быстрое. В свою очередь, воздействие электрической дуги позволяет работать с тугоплавкими сплавами для точного определения их состава.
Лазерные анализаторы химического состава металлов и сплавов
Видео на английском — тест лазерного анализатора Sciaps Laser-Z300
Данные приборы появились сравнительно недавно. Они используют принцип глубинного сканирования образца, используя квантовое лазерное излучение. Поскольку спектр излучения лазера может быть настроен значительно более тонко, чем спектр рентгеновского излучения, то подобного типа анализаторы имеют ряд эксплуатационных преимуществ:
Существенно возрастает количество определяемых химических элементов (до 90, в связи с чем такие установки рекомендуется использовать для определения химического состава сложных многокомпонентных сплавов);
Повышается точность фиксирования того или иного химического элемента, что позволяет идентифицировать сплав даже с процентным содержанием элемента менее 0,0005%;
Прибор пригоден для количественного определении я радиоактивного компонента, что особенно важно для радиационной безопасности оборудования и работающих. Отсекается возможность поступления лома, «грязного» в радиоактивном отношении;
Приборы лазерного типа потребляют значительно меньше энергии, что позволяет длительное время применять их без подзарядки аккумуляторов;
Приборы лазерного типа потребляют значительно меньше энергии, что позволяет длительное время применять их без подзарядки аккумуляторов;
Поскольку скорость лазерного сканирования весьма велика, то процесс выяснения химического состава даже многокомпонентного сплава занимает доли секунды.
Отображение результатов лазерного анализатора на экране смартфона Android
Результат работы лазерного анализатора может выводиться на экран монитора, а может фиксироваться встроенной видеокамерой или выводиться через специальное приложение на экран смартфона.
Описание работы портативного рентгеновского анализатора
Рентгеновские анализаторы химического состава состоят из флюоресцирующей рентгеновской трубки, детектора, регистрирующего устройства и блока управления. Детекторы адаптированы под твердотельный режим функционирования, в связи с чем очень удобны для использования на крупных пунктах приёма лома чёрных и цветных металлов.
Портативный рентгеновский спектрометр металлов
Технологические возможности рентгеновских анализаторов:
Метод определения – многокомпонентный (одновременно устанавливается процентное содержание нескольких химических элементов);
Радиоизотопные источники – отсутствуют;
Количество одновременно определяемых параметров – до 33 (независимо от атомной массы элемента);
Вид исходного образца для анализа – любой, в том числе шлако- и пылеобразные фракции до 50 мкм (может быть использовано для определения редких и редкоземельных элементов в отходах производства, стружке и пр.);
Визуализация результатов исследования – цветной дисплей и регистрация в базовый файл специального компьютера (возможно и подключение к обычному компьютеру через разъём USB).
Такие характеристики позволяют применять анализаторы при определении сорта металла, идентификации марки цветного сплава, технологическом контроле в процессе плавки металлов и т.д.
Рентгеновские анализаторы работают достаточно быстро, поскольку не нуждаются в предварительной настройке прибора. Калибровка выполнятся только при решении специальных задач исследовательского характера.
Принцип работы анализатора состава металла
Первым появился анализатор металлов и сплавов, который действовал на основе рентгеновской флуоресцентной спектрометрии. В дальнейшем появились устройства, которые использовали лазерно-индуцированную спектрометрию.
Несмотря на это до сих ежегодно по всему миру продается более 5000 рентгеновских анализаторов для сортировки металлолома и положительной идентификации материалов. Лазерные устройства могут применяться как отдельно, так и дополнять приборы РФА при анализе сплавов. Особенно эти анализаторы нужны при работе со сплавами с низким атомным номером или легкими элементами, такими как бериллий, литий, магний, алюминий и кремний.
Рентгенофлуоресцентный анализатор металлов
Спектральный анализатор металлов или РФА характеризуется высокой точностью определения их состава.
Принцип действия этих устройств основан на энергодисперсионном методе, при котором излучение, создаваемое миниатюрной рентгеновской трубкой, попадает на поверхность образца и вызывает ионизацию внутренней оболочки атомов, составляющих образец. Получающиеся пустоты во внутренней оболочке атома заполнены электронами из более высоких оболочек, и, таким образом, фотоны, специфичные для элемента, испускаются и обнаруживаются с помощью кремниевого детектора.
РФА может работать одновременно для определения элементов от титана до свинца в течение нескольких секунд. Когда необходимо, второе условие луча используется для определения легких элементов, что приводит к более длительным измерениям, обычно от 10 до 60 секунд.
Лазерные анализаторы металлов
ЛАМ используют метод оптической эмиссионной спектрометрии, но, в отличие от искровой оптической эмиссионной спектрометрии, это излучение следует за генерацией плазмы, индуцированной лазером. Лазерный импульс попадает на поверхность образца и удаляет количество материала в диапазоне 1 нанограмм, генерирует плазменный шлейф (частично ионизированный газ) в диапазоне температур от 5 до 20 тысяч Кельвин (К). Энергия лазера мала, но она фокусируется на микроскопической точке в образце для генерации плазмы.
В типичных портативных системах лазерных анализаторах дисперсионная мощность спектрометра часто ограничена его размером, поэтому их возможности требуется дополнить другими устройствами. Для охвата всего спектрального диапазона от 180 до 800 нанометров (нм) может потребоваться несколько спектрометров. Кроме того, длины волн менее 200 нм (например, углерод, 193,09 нм или сера, 180,73 нм) сильно поглощаются воздухом и требуют продувки аргоном оптического пути.
С помощью ЛАМ можно обнаружить практически любой элемент, обычно содержащийся в металлах. Особенности этих анализаторов:
- Очень высокая чувствительность к щелочным (литий, натрий и т. Д.) и щелочноземельным металлам (бериллий, магний и т. д.);
- Хорошая чувствительность к переходным металлам, за исключением огнеупорных элементов (таких как ниобий, молибден, вольфрам или тантал), их трудно определить;
- Чувствительность к углероду, фосфору и сере обычно недостаточна для анализа этих элементов в сплавах.
Несмотря на внедрение передовых лазерных технологий, для более тяжелых сплавов, таких как супер сплавы, медные сплавы (кроме алюминия и бериллиевой бронзы), припои, свинцовые сплавы или сплавы драгоценных металлов, РФА обеспечивает лучшую чувствительность и точность анализа, чем лазерные устройства. Поэтому, как анализатор драгоценных металлов он подходит лучше.
Кроме того, измерение элементов в отходах может быть затруднено для ЛАМ. Например, обнаружение свинца и олова в сплавах из нержавеющей стали при невысокой концентрации будет затруднено при использовании лазерных анализаторов.
Рентгенофлуоресцентные варианты
Анализатор металлов этого типа представляют собой чувствительные к свету элементы, способные определить более 40 веществ. Отзывы специалистов отмечают быструю работу данных приборов, а также проведение контроля без нарушения целостности анализируемого объекта.
Благодаря компактности и небольшой массе, рассматриваемые приспособления удобны в работе, оснащены корпусом, защищенным от влаги. Программное обеспечение дает возможность устанавливать эталоны пользователя, вводить требуемые параметры и подключать принтер с последующей распечаткой полученной информации.
Особенностью таких анализаторов является отсутствие возможности фиксирования элементов с атомным номером ниже 11. Следовательно, они не подходят для выявления углерода в чугуне или стали.
Этап 1: определение марки стали
Отобрав отслужившие свой век инструменты (надфили, напильники, рашпили, косы и т. п.), прежде всего следует определить, из какой марки стали они изготовлены. Чтобы круг поисков был как можно более ограниченным, следует знать, из каких видов стали изготавливается тот или иной инструмент. Так, напильники могут быть изготовлены как из инструментальной углеродистой стали (У10, У11, У12, У13), так и из легированной (ШХ6, ШХ9, ШХ15). Об этом можно узнать из перечня инструментов, приведенного ниже. Напильники, представленные в ассортименте КовкаПРО, изготовлены из высоколегированной стали твердостью 64-66HRC
Изделия из инструментальной и легированной стали:
Напильники — У10, У11, У12, У13, ШХ6, ШХ9, ШХ15 Надфили — У10, У11, У12 Рашпили — У7, У7А Шаберы — У10, У12 Стамески, долота — У7, У8 Метчики — У10, У11, У12, Р9, 9ХС, Р18 Сверла по дереву — 9ХС Сверла по металлу -Р9, Р18 Развертки – Р9, Р18, 9ХС Фрезы – Р9, Р18 Зубила, отвертк – У7А, У8А, 7ХФ, 8ХФ Пробойники – У8, У8А Кернеры – У7А, 7ХФ, 8ХФ Швейные иглы- У7А, У8А Пилы-ножовки – У8ГА Полотна лучковой пилы – У8ГА, У10 Ножовочные полотна – У8, У8А, У9, У9А, У10, У10А, У11, У12 Ножницы по металлу – У12А Молотки и кувалды – У7, У8 Топоры – У7 Косы, серпы – У7, У8 Вилы, зубья (клевцы) – У7, У8 грабель Кузнечные инструменты – У7, У8
Области применения портативного анализатора металлов
Из описанного выше можно сделать выводы о том, где могут применяться портативные анализаторы разных типов.
Краткий список можно сформулировать так:
ювелирные мастерские, лаборатории заводов, применяющих драгметаллы в производственном цикле;
металлургические комбинаты, для контроля марок выпускаемой стали и сертификации продукции;
в горнодобывающей промышленности для анализа породы, почвы и руд;
при создании металлоконструкций, в том числе – при контроле сварных швов;
в учреждениях и компаниях, занятых приемом вторичного сырья, в том числе – скупкой изделий из драгметаллов;
в пунктах приема и сортировки металлического лома.
Пригодится портативный прибор и работникам правоохранительных органов, в частности, при определении контрафакта, подделок, ценности изъятых вещей.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
| Диапазон измерения концентраций, % | от 0.0001 до десятков* | |
| Относительная случайная погрешность (в зависимости от элемента, значения массовой доли и качества ГСО), % | менее 0.5 – 40 | |
| Источник возбуждения спектра | Тип разряда | низковольтная униполярная искра в аргоне |
| Напряжение, В | 200 – 500 | |
| Частота, Гц | 100; 200; 300; 400 | |
| Емкость, мкФ | 2.2; 4.4; 6.6 | |
| Индуктивность, мкГн | 40; 270; 600 | |
| Сопротивление, Ом | 0.3; 0.99; 3.3 | |
| Рабочий спектральный диапазон, нм | 174 – 441 | |
| Среднее спектральное разрешение, нм | 0.03 – 0.04 | |
| Средняя обратная линейная дисперсия, нм/мм | 1.44 | |
| Фотоприемники (линейные ПЗС-детекторы TCD1304DG, TOSHIBA), шт | 7 | |
| Длительность одного кадра, с | 0.004 – 60 | |
| Число кадров | 1 – 500 | |
| Интерфейс | USB2.0 | |
| Режим передачи кадров | все кадры | есть |
| среднее по всем кадрам | есть | |
| Электрическое питание | (220+22-33) В, (50±2) Гц | |
| Потребляемая мощность, не более, Вт | без искры | 500 |
| при горении искры | 900 | |
| Масса, не более, кг | 60 |
* – максимальные определяемые на спектрометрах Искролайн концентрации примесных элементов практически не ограничены, т.к. содержание элементов определяется сразу на нескольких аналитических линиях определяемого элемента большой и малой интенсивности (т.е. на “сильных” и “слабых” линиях). Применение “слабых” линий как раз и расширяет динамический диапазон измерений вверх по концентрациям в сотни и тысячи раз.
Ювелирные сплавы.
Универсальный рентгенофлуоресцентный энергодисперсионный спектрометр БРА-135F
Применение РФА для анализа ювелирных сплавов и изделия из них на энергодисперсионном рентгеновском спектрометре Shimadzu, аналогичном БРА-135, описано в Application Note сайта фирмы. Определялись Co, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt, Au. Содержания благородных металлов в исследованных изделиях составляли от 7 до 85%. Измерения выполнялись с циркониевым фильтром при коллимации первичного излучения 1 мм. Погрешность анализа составляла от 0.7 до 0.25%. В работе А.В.Фесенко и Н.Г.Миловзорова
Рос. хим. ж., 2002, т. XLVI, №4, с.81-87. сопоставлены возможности существующих методов анализа сплавов золота, включая РФА. Общие требования к анализу благородных металлов и их сплавов изложены в стандарте[ГОСТ Р 52599-2006 . Драгоценные металлы и их сплавы. Общие требования к методам анализа .
В чем разница между спектроскопом, спектрографом и спектрометром?
В способе регистрации спектра.
Спектроскоп – прибор с визуальной регистрацией спектра. Частный случай спектроскопа – стилоскоп – применяется для анализа сталей. Спектроскоп работает так: посмотрел в прибор – увидел спектр.
Но чтобы эту картинку правильно оценить и, хотя бы приблизительно определить концентрацию того или иного химического элемента в сплаве, нужен большой опыт. Поскольку надо помнить множество спектральных линий и правильно интерпретировать соотношение яркостей этих линий. Обучиться этому можно, но это слишком долго и дорого. Поэтому на таких приборах нормально работают только люди, которые на стилоскопах проработали не один десяток лет.
Но на современном производстве такие приборы уже малоприменимы из-за сложности работы. Также этот метод не дает хоть сколько-нибудь приемлемой точности. Он, скорее, качественный или полуколичественный. Это значит, что такой анализ позволяет только обнаружить наличие каких-либо химических элементов в сплаве. Оценить концентрацию того или иного элемента в сплаве с помощью этого прибора можно только на уровне «много-мало». При этом нельзя отрицать ценность спектроскопа (стилоскопа) как учебного пособия.
Спектрограф регистрирует спектр на фотопластинку. Фотопластинка регистрирует одновременно большие участки спектра со всеми находящимися там спектральными линиями.
Но, чтобы этот спектр увидеть, надо пластинку проявить, промыть и высушить, а, чтобы что-то измерить, нужен отдельный прибор – спектрофотометр. С помощью спектрографа концентрации элементов можно определить точнее, чем с помощью стилоскопа. Но надо помнить о том, что это достаточно долго и трудоемко. Поэтому сейчас на производстве спектрографы уже практически не используются.
Спектрометр – это прибор, который позволяет в реальном времени производить измерения расположения и интенсивности спектральных линий. Поначалу для измерения интенсивности использовались специальные лампы – фотоэлектронные умножители, на каждый из которых направлялось излучение одной заранее выбранной спектральной линии, выделенной из спектра механически – при помощи выходной щели. Такие приборы называют квантометрами. В дальнейшем появилась возможность регистрации протяженных участков спектра при помощи твердотельных фотодиодных детекторов или так называемых приборов с зарядовой связью (ПЗC). Такой способ регистрации соединяет в себе универсальность фотопластинки и анализ в реальном времени.
Стилоскоп
Спектрометр
Какие бывают анализаторы химического состава металла?
Точный химический состав лома является неопределенным.
Принимаемый в пункт приема или на производство металл может включать загрязняющие вещества или опасные элементы. Соответственно, качество, безопасность и соответствие нормативным требованиям как конечной продукции, так и производства находятся под угрозой.
Чтобы не допустить нежелательные последствия, обеспечить целостность продукции, соответствие ее заявленным характеристикам, операции с металлоломом проводятся с использованием:
- Рентгеновских флуоресцентных анализаторах (РФА);
- Лазерных аналогичных приборов (лазерный анализатор металлов – ЛАМ).
Они представлены как ручными устройствами, так и мобильными, а также стационарными установками. Анализаторы могут проверять элементы, представляющие интерес практически во всех типах металлических сплавов, вплоть до коммерчески чистых металлов, и способны различать марки сплавов, которые по составу практически идентичны друг другу. Кроме того, эти устройства:
- Положительно идентифицирует многочисленные сплавы в пунктах приема и передачи материала, гарантируют качество продукции;
- Определяют состав металла для точной сортировки;
- Выдают анализ за считанные секунды, практически без необходимости подготовки и разрушения образца;
- Увеличивают скорость обработки металла.
Проверка или идентификация металлов на основе определенного химического состава (марки) в настоящее время является стандартом в процессе контроля качества для производства и переработки металлолома. Использование анализатора металла «в полевых условиях» является надежным способом предотвращения любого смешивания поступающих материалов для производства, отгрузки или сортировки металлов в процессе переработки. Они необходимы, если требуется высокая производительность, особенно когда требуется тщательный анализ, когда материалы трудно идентифицировать или когда тестируется большое количество образцов.
Промышленные анализаторы для быстрой идентификации и точного анализа металла устанавливаются на производственной линии. Надежен при контроле качества поставок и готовой продукции. Анализы, сделанные с помощью этого спектрометра, имеют высочайшее качество.
Популярные модели портативных анализаторов
В зависимости от стоящих перед приборов задач и планируемых условий производства исследований, на розничном рынке можно приобрести одну из моделей устройств для тестирования.
X-MET 7500
Устройство от отечественных производителей. Работает на рентгенофлуоресцентном принципе, выполнен в форм-факторе компактного ручного прибора.
К особенностям модели относятся:
работа с широким спектром образцов сталей, в том числе – специальных, ферросплавов;
может оперировать с проволокой, стружкой, порошками;
позволяет исследовать сварные швы;
работает до 12 часов от одного заряда батареи;
имеет IP54 класс влаго и пылезащиты.
Прибор не требует специальных знаний оператора. Анализ состава неразрушающий, никаких следов в процессе тестирования – не образуется.
OLYMPUS Innov-X DELTA
Изделие от компании, давно и положительно зарекомендовавшей себя на мировом рынке. Анализатор выполнен в компактном корпусе, подразумевает оперативное ручное тестирование объектов.
К особенностям устройства относятся:
возможность тестировать нагретые объекты, в том числе из высоколегированной стали;
луч излучения можно фокусировать, изменяя диаметр пятна от 3 до 10 мм;
в ходе исследования делается фото зоны, куда направлен луч;
определяется более 25 химических элементов.
Прибор относится к рентгенофлуоресцентному классу, может использоваться для тестирования сварных швов.
Olympus Vanta
Данный представитель высокотехнологичных и защищенных приборов рассчитан не только на эксплуатацию в жестких условиях, но и использование современных систем обмена информацией.
К особенностям устройства относятся:
возможность установки соединения с ПК или иным устройством сбора данных по Bluetooth или WiFi;
опция работы с облачными сервисами для передачи результатов тестов;
встроенное ПО для обработки и статистического анализа результатов;
высокая степень защиты от воды и пыли по стандарту IP65;
крайне низкий собственный уровень электромагнитного излучения;
настраиваемая интенсивность и частота вспышек излучения.
Olympus Vanta относится к рентгенофлуоресцентному классу приборов, выполнен в компактном прочном корпусе, может эксплуатироваться при температуре от -10 до 50 градусов Цельсия.
ЛИС-01
Данное изделие отечественной промышленности предназначено как для быстрого оперативного тестирования металлов и сплавов, так и для проведения исследований в условиях лаборатории.
К особенностям прибора относится высокая передаваемая лазером мощность (до 2 ГВт на кв.см при пятне в 50 мкм), а также:
защита от случайного облучения;
класс безопасности 3В;
длительность импульса 0,8 нс;
собственный источник питания;
до 200 тестирований с одного заряда батареи;
работа с металлопрокатом, высокая точность определения содержания углерода, марганца, меди и других элементов сплавов.
Прибор может быть интегрирован в существующие структуры контроля, использоваться для сортировки металлолома, а также в процедурах сертификации сталей и другой продукции. Масса устройства – 4 кг, ЛИС-01 сертифицирован, находится в Государственном реестре средств измерений Российской Федерации.
MIX5 FPI
Данный анализатор является самым удобным вариантом оснащения персонала, занятого проверкой готовой продукции. В памяти прибора занесены более 1600 марок стали и сплавов, что позволяет за секунды выносить вердикт о соответствии образца эталонным показателям.
К другим особенностям модели относятся:
высокая скорость тестирования;
до 12 часов работы на одном аккумуляторе;
оптимизированная форма для легкой работы;
класс защиты от воды и пыли IP54;
система охлаждения для проведения анализа при высокой температуре.
При помощи данного анализатора легко ускорить процедуры выходного контроля, а также проведения анализов на разных стадиях технологического процесса. Прибор относится к рентгенофлуоресцентному классу, имеет малые габариты и массу 1.5 кг.
Среднерыночные цены на анализаторы металлов и сплавов
Искровые оптико-эмиссионные спектрометры, пожалуй, самые дорогие, цена на такие анализаторы могут доходить до 50 000$.
Портативные рентгеновские анализаторы металлов — стоят немного меньше, но цена тоже немаленькая — порядка 20 000 — 30 000 $.
Лазерные спектрометры — это анализаторы последнего поколения, набирающие все большую популярность, со временем цена будет падать, сейчас стоимость примерно — 30 000- 40 000 $.
В интернете даже у фирм продавцов на сайте не всегда стоит цена. Т.е. есть товар, есть описание анализатора, представлен большой выбор устройств, но в поле цена стоит «Сделать запрос» или «Узнать цену». Где вы оставляете свои контактные данные и ждете ответа с ценой. Это можно объяснить так — анализатор металлов устройство дорогое, позволить себе может не каждая металлоприемка. Чтобы не потерять клиента и довести продажу до конца — менеджеры предпочитают вести диалог напрямую с клиентом, варьируя ценой и прочими бонусами при покупке анализатора у них. Иначе говоря — это маркетинговый ход, сближающий продавца и покупателя, что делает продажу анализатора металлов проще.
Преимущества
Работают портативные модели по той же схеме, что и стационарные аналоги. Средний вес прибора составляет от 1,5 до 2 килограмм. Судя по отзывам пользователей, в определенных сферах такой аппарат становится оптимальным вариантом. Устройство оснащается жидкокристаллическим экраном, на который выводятся сведения о составе исследуемого объекта.
Агрегат способен накапливать и хранить информацию, включая результаты исследований и фотографии. Погрешность анализатора составляет около 0,1%, чего вполне хватит для использования в отрасли вторичной переработки.
При помощи портативной модели можно провести анализ конструкций большой и сложной формы, труб, слитков, мелких деталей, а также заготовок, электродов либо стружки.
Программное обеспечение
Анализаторы оснащены программным обеспечением, позволяющим проводить контроль процесса измерений, осуществлять сбор экспериментальных данных, обрабатывать и сохранять полученные результаты, передавать результаты измерений на персональный компьютер или на принтер.
Таблица 1 – Идентификационные данные программного обеспечения
Идентификационные данные (признаки) | Значение |
Идентификационное наименование ПО | М5000 |
Номер версии ПО (идентификационный номер ПО) | не ниже М5000.Р004.У.04А.007 |
Цифровой идентификатор ПО | A724A7C9 |
Другие идентификационные данные (алгоритм вычисления цифрового идентификатора ПО) | CRC32 |
Уровень защиты программного обеспечения от непреднамеренных и преднамеренных изменений соответствует уровню «высокий» в соответствии с Р 50.2.077-2014.
