Методика повышения точности ирасширения функционального назначенияатомно-эмиссионного спектрального анализаметаллов и сплавов

На правах рукописи

ПИМШИН Дмитрий Александрович

МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И
РАСШИРЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
АТОМНО-ЭМИССИОННОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Специальность 05.11.13 – «Приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий (технические науки)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КУЗНЕЦОВ Андрей Альбертович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор
Черемисин Александр Алексеевич

кандидат технических наук, доцент
Михайлов Александр Владимирович

Ведущее предприятие: ОАО «Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта» (г. Омск)

Защита диссертации состоится 22 января 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.05 при Сибирском федеральном университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Ак. Киренского, 26, ауд. УЛК 115.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского федерального университета по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Ак. Киренского, 26, ауд. Г 2-74.

Автореферат разослан 16 декабря 2008 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук, профессор Е. А. Вейсов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Одной из основных тенденций развития машиностроительной отрасли и железнодорожного транспорта является повышение качества и безопасности. Для этого необходимо исключение появления некачественных деталей. Поэтому важно иметь возможность контроля состояния узлов и агрегатов при производстве, ремонте, эксплуатации. Актуальность вопросов контроля подчеркивается в таких документах, как федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России на 2002 – 2010 годы» (утвержденная постановлением правительства РФ № 848 от 05.12.2001), распоряжение президента ОАО «РЖД» № 181 от 13.01.2006 «Дополнительные меры по повышению уровня обеспечения безопасности движения в локомотивном хозяйстве», а также Стратегия развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 г. В этих документах говорится о необходимости разработки и внедрения инновационных технологий в машиностроительном комплексе и смежных отраслях, модернизации и обновления железнодорожного транспорта. Одним из направлений обеспечения качества продукции является развитие функциональных систем контроля. При этом важнейшими остаются вопросы диагностики химического состава и физико-механических свойств металлов.

Народнохозяйственная (техническая) проблема. В современных системах количественного атомно-эмиссионного спектрального анализа (АЭСА) используются традиционные (регрессионные) методики обработки данных. Что требует постоянного использования большого числа стандартных образцов и регулярной корректировки градуировочных графиков.

Научная проблема. На результаты АЭСА большое влияние оказывают условия проведения эксперимента (анализа) и несоответствия структурного состояния стандартного образца (СО) и пробы.

Цель работы – расширение функционального назначения автоматизированных систем спектрального анализа для повышения точности определения химического состава и возможности контроля физико-механических свойств металлов и сплавов, используемых на транспорте и в промышленности.

Для достижения поставленной цели решены задачи:

разработаны критерии разделения количественной и структурной составляющих метода АЭСА, основанные на изменениях интенсивностей излучений спектральных линий пробы относительно эталона;

исследована возможность применения многопараметрических зависимостей для контроля физико-механических свойств на основе измеренных интенсивностей;

разработана методика определения химического состава контролируемых объектов путем использования эталонов с расчетными параметрами (виртуальные эталоны);

разработана методика и алгоритм повышения точности и достоверности получаемых результатов в системах аналитического контроля на основе виртуальных эталонов;

предложены пути развития методического и программного обеспечения автоматизированных систем для реализации комплексного контроля материалов и сплавов.

Объект исследования – автоматизированные системы аналитического контроля как составная часть технического контроля химического состава и физико-механических свойств металлов и сплавов.

Методы исследования. Исследования, выполненные в работе, базируются на следующих методах:

моделирование нелинейных термодинамических систем, состояние которых определяется процессами поступления вещества с поверхности материалов в облако газового разряда;

численные методы решения линейных и нелинейных алгебраических уравнений;

создание многопараметровых моделей взаимосвязи отображения интенсивностей и определяемых параметров.

Обработка теоретико-экспериментальных данных выполнялась на основе применения математического аппарата прикладной статистики с использованием теории электрических, магнитных и оптических измерений, вычислительной математики, молекулярной физики и термодинамики.

Научная новизна.

1. Разработаны методика создания равновесных изолированных систем «эталон – проба» и методика автоматизированного поиска спектральных линий, повышающие точность определения химического состава материалов средствами атомно-эмиссионного спектрального анализа за счет уменьшения погрешности, обусловленной изменением внешних условий.
2. Разработана методика оценки физико-механических свойств металлов и сплавов по изменению интенсивностей излучений спектральных линий пробы относительно эталона, что расширяет традиционное использование атомно-эмиссионного спектрального анализа.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Способ создания равновесных и неравновесных изолированных систем «эталон – проба» с использованием одного стандартного образца, позволяющий упростить создание систем входного контроля.
2. Алгоритм приведения условий эксперимента исследуемой пробы к условиям стандартного образца с использованием соотношений для изолированных систем «эталон – проба».
3. Алгоритм оценки физико-механических свойств по изменению интенсивностей излучений спектральных линий пробы относительно эталона.
4. Методика раздельного контроля состава и свойств материала.
5. Методика и алгоритм поиска спектральных линий в автоматизированных системах контроля и диагностики.

Таким образом, теоретическая значимость результатов работы состоит в том, что обоснована возможность расширения функционального назначения приборов АЭСА для контроля физико-механических свойств, показаны пути повышения точности определения количественного состава за счет использования изолированных систем «эталон – проба».

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют на базе существующего оборудования промышленных спектральных лабораторий разработать измерительно-вычислительные устройства для проведения комплексного анализа на основе унифицированных алгоритмов и программ обработки результатов измерений.

Достоверность научных положений и выводов обоснована теоретически и подтверждена положительными результатами экспериментальных исследований в Дорожном центре топливно-энергетических ресурсов ЗСЖД, Локомотивном ремонтном депо Белово, а так же на омских предприятиях.

Апробация и практическая ценность работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические» (Ростов, 2004); «Применение анализаторов МАЭС» (Новосибирск, 2005); «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2006).

Материалы диссертации используются на ряде омских промышленных предприятий, в подтверждение чего имеются акты внедрения. Результаты работы прошли испытания в лабораториях железнодорожных предприятий, что подтверждается актами испытаний. Программное обеспечение зарегистрировано в отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП). Получен патент на способ измерения параметров спектральных линий.

Личный вклад автора. Уточнены амплитудные и фазовые параметры модели низкотемпературной плазмы, имеющие корреляционную связь с физико-механическими свойствами металлов и сплавов. Разработаны модификации методик контрольного эталона и внутреннего стандарта на основе модели низкотемпературной плазмы для фотоэлектрических систем с использованием приборов с зарядовой связью. Для тех же систем разработана модификация методики оценки физико-механических свойств металлов и сплавов. Разработано программное обеспечение, реализующее данные методики и алгоритм поиска спектральных линий для автоматизированных систем спектрального анализа.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них одна в изданиях, определенных ВАК. Получен патент на изобретение. Центром научно-технической информации выпущено два информационных листка (2005 г.: № 5 «Автоматизированная установка для фотоэлектрического спектрального анализа с блоком регистрации на основе линейных приборов с зарядовой связью (ПЗС)», № 6 «Автоматизированный измерительный комплекс для обработки данных спектрального анализа с фотографической регистрацией»).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (133 наименования), шести приложений. Общий объем (с приложениями) составляет 158 страниц печатного текста и содержит 38 рисунков и 27 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, рассмотрены вопросы ее научной новизны и указана практическая ценность работы.

В первой главе диссертации рассмотрены основные положения метода определения химического состава средствами атомно-эмиссонной спектроскопии, его значение. АЭСА используется для контроля литейного производства, в т.ч. при изготовлении деталей и узлов подвижного состава, рельсов и стрелочных переводов. Например, на таких предприятиях как Челябинский ЭВРЗ, Уралвагонзавод, Новосибирский стрелочный завод и ряд других. Важным направлением использования АЭСА на железнодорожном транспорте является контроль продуктов износа в маслах и смазках дизелей, буксовых узлов и силовых трансформаторов, а также контроль загрязнений окружающей среды.

Свои труды по проблемам спектрального анализа публиковали представители различных направлений: Г. И. Альперович, Л. В. Арнаутов, В. В. Бродский, А. И. Володин, Л. А. Грибов, А. Г. Жиглинский, А. Н. Зайдель, Х. И. Зильберштейн, В. Н. Иоффе, Ю. Х. Йорданов, Л. П. Козлов, Е. С. Куделя, И. И. Кусельман, В. И. Малышев, Н. А. Морозов, В. Н. Музгин, В. В. Налимов, В. В. Недлер, С. М. Овчаренко, В. Р. Огнев, В. К. Прокофьев, А. А. Пупышев, А. К. Русанов, В. Н. Салмов, Е. И. Сковородников, И. Р. Шелпакова, И. Г. Юделевич и др.

В первой главе рассмотрены способы регистрации спектров (фотоэлектрический и фотографический). Приведены описания и сравнительные характеристики способов. Так фотографический способ менее подвержен влиянию внешних факторов. В то же время фотоэлектрический способ более чувствителен, более прост для автоматизации процесса проведения анализов, что значительно повышает его быстродействие.

Большая часть первой главы посвящена исследованию влияния физико-механических свойств образцов на результаты АЭСА. Изучению влияния структуры посвящен ряд исследований. Например, труды Ю. М. Буравлёва, С. В. Белынского, Н. Ф. Болховитинова, М. Е. Конторовича, С.Л. Мандельштама и др. В этих работах подробно рассмотрены теоретические положения, дано объяснение сложных физических явлений, рассмотрены способы уменьшения влияния структуры на результаты АЭСА.

В заключение первой главы приводится описание современных приборов контроля химического состава на основе АЭСА, применяемых на предприятиях железнодорожного транспорта и в промышленности. Описываются сравнительные характеристики различных комплексов. Рассмотрены приборы с зарядовой связью, поскольку они позволяют регистрировать полный спектр и получать дополнительную информацию из спектра. Однако программное обеспечение в современных фотоэлектрических системах основано на традиционных (регрессионных) методиках с постоянным использованием контрольных эталонов и государственных стандартных образцов. Это не позволяет создать качественно новые системы контроля.

Во второй главе диссертации рассматривается модель низкотемпературной плазмы (НТП). Целью создания этой модели явилось совершенствование методов обработки измерительной информации для повышения точности и достоверности результата определения химического состава.

Основой модели являются процессы, происходящие в НТП. В первую очередь это вероятность излучения фотонов атомами и ионами. Суть методики заключается в создании идеальной системы, в которой не происходит теплообмена с окружающей средой, работа внешних сил равна нулю, и суммарный импульс не изменяется. Это равновесная изолированная система (РИС). По аналогии с законом сохранения энергии и законом сохранения масс для создания РИС «эталон – проба» требуется выполнение следующих условий:

; (1)

; (2)

, (3)

где Lхэ (Lэх) – энергетический параметр элемента пробы относительно СО (СО относительно пробы); Uэх (Uхэ) – коэффициент усиления спектрального излучения элемента СО относительно пробы (пробы относительно СО); Pэ (Pх), – отображение интенсивностей аналитической линии в СО (пробе); Pсрэ (Pсрх) – отображение интенсивностей линии сравнения в СО (пробе).

Основные уравнения рассматриваемой модели имеют вид:

коэффициент усиления спектрального излучения –

; (4)

параметр, характеризующий энергетическое излучение элемента –

; (5)

излучательная способность элемента СО –

, (6)

где Сэ – концентрация элемента в эталоне;

коэффициент самопоглощения элемента исследуемой пробы (СО) –

. (7)

процентное содержание элемента в пробе –

; (8)

Для выполнения условий (1) – (3) производят расчет новых значений отображений интенсивностей пробы. Полученные отображения интенсивностей используют для определения концентрации в пробе.

На основе предложенной модели рассмотрены две методики определения концентрации элементов в пробе: с контрольным эталоном и с расчетным (виртуальным) эталоном. Приведены экспериментальные подтверждения и алгоритмы программ для данных методов.

В третье главе на основании модели, описанной во второй главе, предложена методика оценки физико-механических свойств с помощью АЭСА.

В реальных системах при различных условиях эксперимента L в уравнении (1) отличается от единицы. Если L  1, то излучение преобладает над поглощением и надо уменьшить значение параметра Lхэ. Это приведет систему «эталон – проба» к равновесному состоянию:

. (9)

Как показали экспериментальные исследования на основании L, L, Pсрэ, Pсрх по алгоритму, представленному на рис. 1, можно рассчитать фазовый и амплитудный параметры, имеющие корреляционную связь со структурными параметрами Mс(Z) и физико-механическими свойствами Mм(Y) сплавов. Фазовый и амплитудный параметры рассчитываются для каждого элемента примеси.

Для определения физико-механических свойств по фазовому и амплитудному параметрам используются градуировочные графики. По комплекту эталонов с заданными свойствами и одинаковым химическим составом определяются точки. Методом наименьших квадратов строится график, по которому производится оценка исследуемых свойств и параметров проб сплавов.

Рис. 1. Алгоритм вычисления обобщенных энергетических параметров

В третьей главе приводится экспериментальная проверка методики на примере определения твердости материала.

Четвертая глава посвящена реализации системы комплексного анализа металлов с помощью АЭСА. Комплекс базируется на типовых промышленных установках (МФС-8, ИСП-30). Приборы разработаны на основе оптических полихроматоров, разлагающих излучение от испытуемого образца в линейчатый спектр. В качестве датчиков применяются линейные приборы с зарядовой связью, позволяющие регистрировать спектр материала во всем диапазоне с длинами волн от 180 до 400 нм. Диодные линейки подключаются к унифицированному блоку измерений (УБИ) на основе микроконтроллера. УБИ в свою очередь соединяется с компьютером. Структурная схема представлена на рис. 2.

Одной из задач при проведении спектрального анализа является поиск спектральных линий, поскольку линии могут «смещаться» под действием внешних факторов. Для этого предложен алгоритм (рис. 3). В реальном спектре выделяются несколько характерных линий около искомой спектральной линии. С помощью гаусиана строится модель этого участка спектра (пунктирная линия на рис. 3, а, (t)).

Рис. 2. Структурная схема унифицированного блока измерения

Рис. 3, а – измеренный спектр и модель линии Si (252,82 нм); б – взаимно корреляционная функция

При измерениях данная модель накладывается на измеренный спектр (сплошная линия на рис. 3, а, Ysm). Для распознавания нужных аналитических линий рассчитывается взаимно корреляционная функция (рис. 3, б):

, (10)

где Ysm – сглаженный массив дискретных значений спектра; (t, ) –модель участка спектра; – параметр сдвига.

Наличие максимума взаимно корреляционной функции вблизи нуля указывает на правильность поиска и присутствие нужной линии в спектре.

На описанный метод был получен патент [12] и зарегистрирована программа в отраслевом фонде алгоритмов и программ [7].