Spectrometers voor elementair testen en analyseren

Het analyseren van de samenstelling en kwaliteit van gieterijmetaal

Spectrochemische analyse is een soort chemische analyse die wordt gebruikt om de rangschikking van atomen en elektronen in moleculen van chemische verbindingen te bepalen. Het observeert de hoeveelheid energie die wordt geabsorbeerd tijdens veranderingen in beweging of structuur. De golflengte en intensiteit van elektromagnetische straling worden gemeten om kwantificeerbare resultaten te produceren die voornamelijk worden gebruikt voor kwaliteitsbeoordeling.

Spectroscopie en de spectrometer

Spectroscopie en spectrometer zijn termen die vaak voorkomen bij het bespreken van spectrochemische analyse. Simpel gezegd, spectroscopie is de studie van energie in relatie tot een monstermateriaal en een spectrometer is het instrument dat wordt gebruikt tijdens spectrometrie , de handeling van spectroscopie.

Spectroscopie

Spectroscopie is de studie van de interactie tussen uitgestraalde energie en een monstermateriaal. Deze interactie produceert elektromagnetische golven in de vorm van zichtbaar licht, meestal gezien als vonken. Spectroscopie werd geïntroduceerd in de 17 ^de eeuw, toen Sir Isaac Newton ontdekte dat wit licht met behulp van een prisma kon worden gescheiden in componentkleuren en deze componenten opnieuw konden worden gecombineerd om wit licht te vormen. Hij realiseerde zich dat het niet het prisma is dat de kleuren creëert, maar in plaats daarvan werkt om de samenstellende kleuren van wit licht te scheiden. In het begin van de 19e eeuw voerde Joseph von Fraunhofer experimenten uit die spectroscopie verder ontwikkelden tot een meer nauwkeurige en kwantitatieve wetenschappelijke techniek. Het duurde echter tot de 19e ^de eeuw dat de kwantitatieve meting van verstrooid licht werd gestandaardiseerd en erkend als een degelijke testmethode.

Spectrometer

Een spectrometer is het instrument dat bij spectroscopie wordt gebruikt en dat spectraallijnen produceert en hun golflengten en intensiteiten meet. Het is een wetenschappelijk apparaat dat deeltjes, atomen en moleculen scheidt op basis van hun massa, momentum of energie. Spectrometers zijn een integraal onderdeel van chemische analyse en deeltjesfysica. Er zijn twee soorten spectrometers:optische en massaspectrometers.

Optische spectrometer

Een optische spectrometer, of gewoon "spectrometer", is in staat om wit licht te scheiden en individuele smalle kleurbanden (spectrum) te meten. Het toont de intensiteit van licht als een functie van golflengte of frequentie en de afbuiging wordt gecreëerd door breking in een prisma, of door diffractie in een diffractierooster. Optische spectrometers gebruiken het concept van optische dispersie - en aangezien elk element in een monster een unieke spectrale signatuur achterlaat, kan spectrale analyse de samenstelling van het monster zelf bepalen. Optische spectrometers zijn gebruikelijk in de astronomie, metaalproductie, zonne-energie en halfgeleiderindustrieën.

Massaspectrometer

Een massaspectrometer meet het spectrum van de massa's van atomen of moleculen die in een vaste stof, vloeistof of gas voorkomen. Het bereikt dit door de massa-tot-ladingverhouding en de hoeveelheid gasfase-ionen te meten. Massaspectrometers worden gebruikt op het gebied van farmaceutische wetenschap, biotechnologie en geologie.

Waarom is spectrometrie nodig?

Spectroscopische technieken zijn in de voorhoede van vele technische gebieden. Spectrometrie is nodig voor zijn rol in onderzoek en ontwikkeling, maar ook voor zijn meer praktische rol bij materiaalanalyse voor verschillende industrieën. Wetenschap en technologie hebben altijd op spectrometrie vertrouwd, van vroege studies tot geavanceerde technologieën die modern onderzoek voeden.

Radiofrequentiespectroscopie leidde tot magnetische resonantie beeldvorming (MRI), een baanbrekend, medisch instrument dat wordt gebruikt om het inwendige zachte weefsel van het lichaam te visualiseren. Radio- en röntgenspectroscopie maakten de weg vrij voor astronomisch onderzoek naar verre sterren en intergalactische moleculen. Optische spectroscopie wordt routinematig gebruikt in industriële en omgevingsomgevingen om de chemische samenstelling van materie te identificeren. Zonder deze toepassing in spectrometrie zou de huidige snelle en effectieve methode voor identificatie van legeringen en materiaalinspectie niet bestaan.

Optische emissiespectroscopie

Optische emissiespectroscopie (OES) is een veel voorkomende vorm van spectroscopie die wordt gebruikt om elementaire componenten in vaste metalen monsters te bepalen. Het wordt veel gebruikt in gieterijen en metaalproductiefaciliteiten omdat het een breed scala aan elementen met hoge precisie en nauwkeurigheid kan analyseren. De metaalmonsters die in OES worden gebruikt, kunnen afkomstig zijn uit de smelt bij de productie van primaire en secundaire metalen, of bewerkte metalen zoals staven, platen, draden en bouten.

Hoe werkt optische emissiespectroscopie?

OES biedt kwantitatieve analyse met behulp van drie belangrijke componenten:een elektrische bron, een optisch systeem en een computersysteem.

1) Elektrische bron

Er is een elektrische bron nodig om atomen in een metaalmonster in een actieve toestand te brengen. Een klein deel van het monster wordt verwarmd tot duizenden graden Celsius met behulp van een elektrische hoogspanningsbron in de spectrometer via een elektrode. Er wordt een elektrische ontlading geproduceerd vanwege het verschil in elektrische potentiaal tussen de elektrode en het monstermetaal. Deze elektrische ontlading zorgt ervoor dat het metaalmonster opwarmt en aan het oppervlak verdampt.

Tijdens dit proces produceren de geactiveerde atomen emissielijnen die voor elk element verschillend zijn. Er zijn twee soorten elektrische ontladingen:een elektrische boog of vonk. Een elektrische boog produceert een voortdurende elektrische ontlading, net als bliksem. Een elektrische vonk is meer een abrupte elektrische ontlading - een korte lichtuitstraling die vaak gepaard gaat met een scherp klikkend geluid.

2) Optisch systeem

Het optische systeem brengt de emissielijnen van het verdampte monster, bekend als plasma, over naar de spectrometer. Het diffractierooster in de spectrometer scheidt het binnenkomende licht in elementspecifieke golflengten. De intensiteit van het licht van elke golflengte wordt vervolgens gemeten door een overeenkomstige detector. De tijdens dit proces gemeten intensiteit is evenredig met de concentratie van het element in het te testen metaalmonster. Aangezien elk element een specifieke reeks golflengten uitzendt op basis van zijn elektronische structuur, kan de elementaire samenstelling worden bepaald door deze golflengten te observeren.

3) Computersysteem

Ten slotte is er een computersysteem nodig om de gegevens te verwerken. De gemeten intensiteiten worden verwerkt via een vooraf gedefinieerde kalibratie om elementaire concentraties te produceren. Moderne technologie heeft de gebruikersinterface verbeterd om duidelijke resultaten te bieden met minimale tussenkomst van de operator.

OES is gebruiksvriendelijk en breed geaccepteerd in de metaalverwerkende industrie. Hoewel het een populair instrument is, heeft het toch enkele beperkingen, waaronder kleine oppervlakteschade aan het monstermateriaal en de noodzaak van constant onderhoud.

OPTISCHE EMISSIESPECTROSCOPIE
Voordelen
Nadelen

• Snelle kwantitatieve bepaling van elementen (meestal minder dan een minuut).
• Lage investerings- en bedrijfskosten.
• Eenvoudige monstervoorbereiding.
• Snelle analyse van koolstof, stikstof, zuurstof, fosfor en zwavel in staal.
• Berekent het koolstofgehalte (%) van roestvrij staal of laaggelegeerd staal.
• Onderscheidt tussen 304/316 en 304L/316L roestvast staal.
• Geeft invoergegevens voor de berekening van de koolstofequivalentie.

• Niet volledig "niet-destructief" (lichte oppervlakteschade kan worden verwacht).
• Kan geen kleine onderdelen testen (minder dan een dubbeltje).
• Moeilijk te testen in krappe ruimtes.
• Vereist constante kalibratie en onderhoud.
• Routine certificering van resultaten door derden kan vereist zijn.

Spectrometers in gieterijen

Optische emissiespectroscopie kan worden toegepast op een reeks materialen, van zuivere tot gelegeerde metalen. Gieterijen, maar ook de luchtvaart-, automobiel- en huishoudelijke apparatenindustrie profiteren van spectrometers voor proces- en kwaliteitscontrole.

Spectrometers zijn vaak het favoriete instrument voor de analyse van metaalgieterijen, omdat ze slechts minimale tussenkomst van gieterijoperators vereisen wanneer ze worden gebruikt voor inspectie, kwaliteitscontrole en identificatie van legeringen. Er bestaan ​​stationaire en draagbare versies, beide met een hoge mate van nauwkeurigheid. Routinematige kalibratie en onderhoud is vereist, en certificering van resultaten door derden is vaak nodig om spectrometerresultaten hun geldigheid te laten behouden. Spectrometers maken metaalanalyse mogelijk gedurende de hele levenscyclus van het metaal, van metaalproductie tot verwerking, en ook aan het einde van de levensduur in recyclingfabrieken.