汪本林,韩功如

（中国科学技术大学合肥科英化学技术有限公司，合肥 230022）

童中祥

(合肥三益江海泵业有限公司，合肥 231131)

GBS-307C型硅、锰、磷、铬、镍、铜等多元素自动分析仪的研制

汪本林,韩功如

（中国科学技术大学合肥科英化学技术有限公司，合肥 230022）

童中祥

(合肥三益江海泵业有限公司，合肥 231131)

为解决黑色金属材料中硅、锰、磷、铬、镍、铜、钼、钛、稀土、镁等元素含量（质量分数）的自动分析，设计了GBS-307C型多元素自动分析仪。该仪器根据流体力学原理自动定量加入和分取试液，常温显色法进行被测元素的化学反应，计算机完成仪器程序控制及工作曲线建立和数据处理等。用研制的分析仪对标准样品进行测定，测定结果与标准值相符合。

元素自动分析；常温显色；流体气压式定量分液和加液；程序控制；数据处理

测试钢铁中硅、锰、磷、铬、镍、铜、钼、稀土、镁、钛等元素含量（质量分数）的方法有很多，常见的有直接光谱法和化学法显色分光光度法等。由于元素存在于钢铁的形式和试样的材质不同（如生铁、球铁、灰铁等），有些光谱仪不能准确地测定有关元素的质量分数，特别是其中的非金属元素如硅、磷、稀土测定时偏差较大。化学分析法因操作程序繁琐，对人员操作熟练程度要求高，许多实验室在分析时存在一定困难，测试结果准确度难以保证。为此，笔者依据化学光度法原理设计了GBS-307C型多元素自动分析仪，用于测定钢铁中硅、锰、磷、铬、镍、铜、钼、稀土、镁、钛等元素。该仪器自动化程度高，经50多个单位使用证明，具有测试结果准确可靠、操作简便、节省样品、故障率低等优点。以下对该仪器的化学反应系统、自动控制系统、数据处理系统等的研制过程进行简单介绍。

1 化学反应系统

1.1 化学反应流程结构

以往的元素自动分析仪反应系统大致包括机内样品溶解、分液、定量加液、显色、比色几部分，这些部分均采用玻璃电磁阀控制，存在易碎（漏液）、加热器件易损、加热产生酸雾（气）多等问题，使仪器不能正常工作，普通元素分析仪反应系统结构图见图1。

笔者根据流体力学原理，设及了新型的GBS-307C型分析仪，运用气压式方法定量加液，能做到不漏液，且快速、准确，反应系统结构图见图2。样品溶解采用机外溶解的方式，完全避免因溶解产生酸气（雾）等对电子器件的侵蚀，降低了仪器故障率。

1.2 化学反应显色条件和方法的选择

图1 普通的元素自动分析仪反应系统结构图

化学光度法分析时的显色方法一般分为热显色和室温显色两种。热显色需要加热，不同元素显色温度不同，因此需要较多的温度控制辅助设备，导致仪器结构复杂。若温度控制不稳，则显色不稳定，数据产生偏差。如锰在加热显色时，氧化率降低，锰的测量结果偏低，原因是在酸性溶液中过硫酸铵高温加热会产生过氧化氢，过氧化氢能还原高锰酸，使过氧化锰总量降低。加热温度不一致时，测量结果的重复性则不好。此外有些元素要求在65～85℃反应，产生的酸气（雾）对仪器有侵蚀、损坏作用，使仪器故障率高。

图2 GBS-307C型分析仪反应系统结构图

GBS-307C型仪器采用的是室温显色方法，即当室内温度在20～40℃之间时，90 s左右完成所有元素的显色反应；当室温降至20℃以下时仪器自备的暖风设备自动打开，使仪器内的温度恒温在25℃左右；或开启实验室空调使环境温度升至20℃以上进行化学反应。从显色稳定和对仪器不侵蚀等方面考虑，采用室温显色较为科学。

1.3 试剂用量

GBS-307C型仪器设计时从反应的完全程度和使用成本综合考虑实行小剂量分析。以测试硅、锰、磷元素为例，表1列出了3种方法的显色液用量。

表1 种方法显色液用量对比

由表1数据可知，新型的GBS-307C型仪器试剂用量最少，这样降低了实验成本和实验人员的劳动强度。

2 自动控制系统

2.1 自动分析程序控制

由于仪器整个化学反应是在一个全密封的管道和玻璃器件中进行，而化学反应过程由分液、加液、搅拌、显色、比色的若干个步骤完成，这需要可靠的控制来完成整个分析过程。

（1）程序设置框图

GBS-307C型仪器应用计算机进行逐个程序控制，并由计算机指令通过标准IC控制板控制管气阀、气泵、光源等器件；程序设置框图内多项参数可以人机对话，方便操作人员根据实际分析需要进行相关调整。例如测定Mn13样品时由于锰的含量较高，需要搅拌时间较长，可以将程序框内“搅拌”输入20 s或更长时间，使反应完全；又如，一个样品分析结束时，用气压冲净管道内溶液，操作者可根据自己的设置调整冲气时间，使分析管道干净无积液，确保数据准确。程序设置框图如图3所示。

图3 仪器参数设置对话框

（2）元素符号设置

从菜单中选择“设置＞＞元素符号”，或者在工具条中单击“元”，都会打开图4所示的元素设置对话框，在各个栏目中选择相应的元素符号即可。

图4 元素设置对话框

2.2 光电转换系统

采用光度法分析时，对光电转换要求很高，当显色反应完全且稳定后，要求有良好的光电转换来完成对有色溶液的分辨，使光学信号转换成电子信号，再由计算机内标准工作曲线自动测定出元素的质量分数，由此可见，光电转换至关重要。

2.2.1 光源选择

GBS-307C型多元素自动分析仪的光电转换光源采用了冷光源作发光器件。常用的光源一般采用热光源，如钨灯或灯泡，这些器件长时间点亮自身会发热，使光的亮度曲线发生变化，使T0或T100产生漂移，操作人员要不断地去调整T0或T100，稍有疏忽即产生由光源变化带来的数据误差。

冷光源采用的是LED技术，光源点亮后自身不产生热量，亮度曲线恒定，并且在光源的顶端有聚光凸镜，使光线聚光后照射到光电转换器窗口，亮度高，减少后端因反馈电路放大倍数较大带来的放大噪声，T0或T100稳定。

2.2.2 光电转换器的选择

常用光电转换器有很多种类，如硒光电池，硅光电池等。通常这些器件长时间受光会产生光电疲劳，导致电信号失真或漂移，影响数据检测精度。

GBS-307C型分析仪的光电转换器件采用了军品级单极光电转换器，受光窗口双层真空玻璃，开机通电即为原始零点；受光后调整至T100；双层真空玻璃隔热效果好，不易使硅电池板受热升温，再与冷光源相结合使用，使仪器光电转换的T100可在数小时内基本稳定而不产生漂移。

综合使用两种先进的光电转换器件，使GBS-307C型多（七）元素自动分析仪光电转换系统达到了国际先进水平，保证了显色液吸光度的准确检测，从而得到准确的元素质量分数。

3 数据处理系统

光度法分析的数据处理一般为两种方式：（1）单点标样换算，即准确地测定某一个标样的吸光度后计算出K值（C标／A标=K标），再用K标值换算被测试样的质量分数；（2）取3个以上的标准样品绘制工作曲线（检量线），再从工作曲线查得每个被测元素的测定值。GBS-307C型自动分析仪在进行数据处理时遵循上述两种基本的数据处理方式并由计算机自动完成。

3.1 工作曲线的建立和修正

每个元素通道可建立n条工作曲线，即可根据试样含量的高低分为n段，如锰的工作曲线可 分 为 0.05%～0.5%，0.4%～0.8%，0.7%～1.0%，1.0%～1.5%，1.5%～2.0%等。当被检测样品的含量在相对应的范围内时，即可由计算机完成对该样品质量分数的确定，标准曲线建立后即自动存贮于仪器中。

由于试剂、水质的变化，元素工作曲线的KB（B为截距）值会发生变化；当新的B值输入后原标准工作曲线即自动平移，减少反复做标准曲线的次数。

自动建立标准工作曲线 通过从菜单中选择“标准工作曲线＞＞一点法”或“标准工作曲线＞＞多点法”，或者在工具条中单击“标1”或“标n”来自动建立标准工作曲线。图5、图6为两种方法的参数对话框，分析时在各个栏目中填入相应的值即可。

图5 一点法参数对话框

图6 多点法参数建立工作曲线对话框

显示相应通道的各个标样点的原始数据（质量分数C，吸光度A），各个标样点的拟合误差、C值，以及K，B，r值，并以相应的图形显示出来，如图7、图8所示。

表7 标准工作曲线显示对话框

4 样品测试

利用所研制的GBS-307C型多元素自动分析仪对合金铸铁标准样品（BH96-1～BH96-4)中的硅、锰、磷、铬、钼、镍、铜及球墨铸铁标准样品(QT88-1～QT88-4)中硅、锰、磷、铬、稀土镍、镁进行联合测定，结果分别见表2、表3。

表8 标准工作曲线报告

表2 合金铸铁标准样品中硅、锰、磷、铬、钼、镍、铜测定结果

表3 球墨铸铁标准样品中硅、锰、磷、铬、稀土、镍、镁测定结果

由表2和表3可知，GBS-307C型多元素自动分析仪对标准样品的测定结果与标准值相符，说明该仪器测定结果准确可靠。

5 结语

GBS-307C型多元素自动分析仪的研制和生产，填补了国内采用化学分析方法自动分析钢铁中硅、锰、磷、铬、镍、铜、钼、稀土、镁、钛等元素的空白。它将替代繁琐的手工分析，并且是直读光谱仪在分析某些材料中有些元素质量分数数据不准确方面的有效补充。

［1］汪本林.硅锰磷铬镍铜等元素自动分析仪研制的新进展［C］//第五届全国高速分析学术交流会论文集.无锡，1993.

［2］陈玉崑.三元素自动分析仪的回顾与多元素自动分析仪的探讨［C］//第三届全国化学分析与光谱分析学术交流会论文集.苏州，2001.

Development of GBS-307C Type Muti-Elements Automatic Analyzer for Determination of Si, Mn, P, Cr, Ni, Cu etc.

Wang Benlin， Han Gongru
(Hefei Keying Chemical Technology Co.， Ltd.of China Science & Technology University， Hefei 230022， China)

Tong Zhongxiang
(Hefei Samick Jianghai Pump Industry Limited Company， Hefei 231131， China)

GBS-307C type muti-elements auomatic analyzer for determination of Si, Mn, P, Ni, Cu, etc. in ferrous metal materials was designed. Automatic quantative add and divide of test solution were carried out according to fluid machanics principle. Chemical reaction of detection element was carried out by normal coloration method. Program control and working curve establishment were completed by computer. The reference materials were detected by the analyzer and the results were accordance with standard values.

element auomatic analyzer; normal coloration; fluid pneumatic-typed quantative liquid and liquid;program control; data processing

O652.9

A

1008-6145(2012)04-0077-04

10.3969／j.issn.1008-6145.2012.04.024

联系人：王本林；E-mail： kedaking@163.com

2012-02-29