Mi az a spektrális elemzés, hol alkalmazzák. A
A modern tudomány és technológia elképzelhetetlen az emberi tevékenység tárgyát képező anyagok kémiai összetételének ismerete nélkül. A geológusok által talált ásványokat és a vegyészek által megszerzett új anyagokat elsősorban kémiai összetételük jellemzi. Mert helyes gazdálkodás technológiai folyamatok sokféle iparágban nemzetgazdaság az alapanyag, a köztes és késztermékek kémiai összetételének pontos ismerete szükséges.
A technológia rohamos fejlődése egyre új követelményeket támaszt az anyagok elemzési módszereivel szemben. Újabban lehetőség nyílt a 10-2-10-3%-os koncentrációban jelenlévő szennyeződések meghatározására szorítkozni. A háború utáni években az atomanyag-ipar, valamint a kemény, hőálló és egyéb speciális acélok és ötvözetek gyártása megjelenése és gyors fejlődése megkövetelte az analitikai módszerek érzékenységének növelését a 10-4-10- 6%, mivel kiderült, hogy a szennyeződések jelenléte már ilyen kis koncentrációban is jelentősen befolyásolja az anyagok tulajdonságait és egyes technológiai folyamatok lefolyását.
Az utóbbi időben a félvezető anyagok iparának fejlődése kapcsán még magasabb követelményeket támasztanak az anyagok tisztaságával, így az analitikai módszerek érzékenységével szemben is - olyan szennyeződések meghatározására van szükség, amelyek tartalma abszolút elhanyagolható (10- 7-10-9%). Természetesen ilyen ultranagy tisztaságú anyagokra csak egyedi esetekben van szükség, de ilyen vagy olyan mértékben az elemzés érzékenységének növelése a tudomány és a technika szinte minden területén szükséges követelménysé vált.
A polimer anyagok gyártása során a szennyeződések koncentrációja a kiindulási anyagokban (monomerekben) nagyon magas volt - gyakran tized, vagy akár egész számú százalék. Nemrég felfedezték, hogy sok kész polimer minősége nagymértékben függ a tisztaságuktól. Ezért jelenleg a kezdeti telítetlen vegyületeket és néhány más monomert ellenőrizzük szennyeződések jelenlétére, amelyek tartalma nem haladhatja meg a 10-2-10-4%-ot. A geológiában egyre gyakrabban alkalmazzák az érctelepek kutatásának hidrokémiai módszereit. Sikeres alkalmazásuk érdekében szükséges a fémsók meghatározása természetes vizekben 10-4-10-8 g / l és még ennél is kisebb koncentrációban.
Ma már nemcsak az elemzés érzékenységét támasztják fokozott követelményekkel. Az új technológiai folyamatok termelésbe való bevezetése általában szorosan összefügg olyan módszerek kidolgozásával, amelyek kellően nagy sebességet és pontosságot biztosítanak az elemzésnek. Ezzel együtt analitikai módszerekre is szükség van nagy teljesítményű valamint az egyes műveletek vagy a teljes elemzés automatizálásának képessége. A kémiai elemzési módszerek nem mindig felelnek meg a modern tudomány és technológia követelményeinek. Ezért a kémiai összetétel meghatározására szolgáló fiziko-kémiai és fizikai módszereket egyre inkább bevezetik a gyakorlatba, amelyek számos értékes tulajdonsággal rendelkeznek. E módszerek között az egyik fő helyet jogosan foglalják el spektrális elemzés.
A spektrális analízis nagy szelektivitása miatt lehetséges, hogy ugyanazzal a sematikus diagrammal, ugyanazon műszerekkel sokféle anyagot elemezhetünk, minden esetben csak a legkedvezőbb feltételeket választva a maximális sebesség, érzékenység és pontosság eléréséhez. elemzés. Ezért a különféle objektumok elemzésére kidolgozott analitikai technikák hatalmas száma ellenére ezek mindegyike egy általános sematikus diagramon alapul.
A spektrális elemzés az analit által kibocsátott vagy elnyelt fény szerkezetének vizsgálatán alapul. A spektrális elemzési módszereket a kibocsátás (emisszió - emisszió) és abszorpció (felszívódás - felszívódás).
Tekintsük az emissziós spektrális elemzés sémáját (6.8a ábra). Ahhoz, hogy egy anyag fényt bocsáthasson ki, további energiát kell átadnia neki. Az analit atomjai és molekulái ezután gerjesztett állapotba kerülnek. Visszatérve normál állapotukba, felesleges energiát bocsátanak ki fény formájában. A szilárd vagy folyadékok által kibocsátott fény természete általában nagyon kevéssé függ a kémiai összetételtől, ezért nem használható elemzésre. A gázok kibocsátása egészen más jellegű. Ezt az elemzett minta összetétele határozza meg. Ebben a tekintetben az emisszióanalízis során az anyagot gerjesztés előtt el kell párologtatni.
Rizs. 6.8.
a - kibocsátás: b - felszívódás: 1 - Fényforrás; 2 – világító kondenzátor; 3 – küvetta az elemzett mintához; 4 - spektrális berendezés; 5 - spektrum regisztráció; 6 - spektrális vonalak vagy sávok hullámhosszának meghatározása; 7 - a minta kvalitatív elemzése táblázatok és atlaszok segítségével; 8 - vonalak vagy csíkok intenzitásának meghatározása; 9 – a minta kvantitatív elemzése a kalibrációs grafikon szerint; λ a hullámhossz; J a sávok intenzitása
A párologtatást és a gerjesztést bennük hajtják végre fényforrások, amelybe az elemzett mintát bevisszük. Magas hőmérsékletű láng ill Különféle típusok elektromos kisülés gázokban: ív, szikra stb. generátorok.
A magas hőmérséklet (több ezer és több tízezer fok) a fényforrásokban a legtöbb anyag molekuláinak atomokká való széteséséhez vezet. Ezért az emissziós módszereket általában atomanalízisre, és csak nagyon ritkán molekuláris elemzésre alkalmazzák.
A fényforrás sugárzása a mintában jelenlévő összes elem atomjaiból származó sugárzás összege. Az elemzéshez el kell különíteni az egyes elemek sugárzását. Ez optikai eszközökkel történik - spektrális eszközök, amelyben térben különböző hullámhosszú fénysugarak válnak el egymástól. A fényforrás hullámhosszokra bontott sugárzását spektrumnak nevezzük.
A spektrális eszközöket úgy tervezték meg, hogy az egyes hullámhosszúságú fényrezgések, amelyek a készülékbe jutnak, egy sort alkotjanak. Hány különböző hullám volt jelen a fényforrás sugárzásában, annyi vonalat kapunk a spektrális berendezésben.
Az elemek atomspektruma külön vonalakból áll, mivel az atomok sugárzásában csak néhány meghatározott hullám van jelen (6.9a. ábra). Az izzó szilárd vagy folyadékok sugárzása bármilyen hullámhosszú fényt tartalmaz. A spektrális berendezés egyes vonalai egyesülnek egymással. Az ilyen sugárzásnak folytonos spektruma van (6.9f ábra). Az atomok vonalspektrumától eltérően a magas hőmérsékleten nem bomló anyagok molekuláris emissziós spektruma csíkos (6.96. ábra). Minden csíkot nagyszámú egymáshoz közel elhelyezkedő vonal alkot.
A spektrális berendezésben spektrumra bontott fény vizuálisan megtekinthető, illetve fényképezés vagy fotoelektromos eszközök segítségével regisztrálható. A spektrális berendezés kialakítása a spektrum felvételének módjától függ. A spektrumok vizuális megfigyelésére szolgálnak spektroszkópok – acéloszkópok és stylométerek. A spektrumok fényképezése segítségével történik spektrográfok. Spektrális eszközök - monokromátorok - lehetővé teszi egy hullámhosszú fény kibocsátását, amely után fotocella vagy más elektromos fényvevő segítségével regisztrálható.
Rizs. 6.9.
a - uralkodott; 6 - csíkos; láthatók a csíkot alkotó egyes vonalak; v - szilárd. A spektrum legsötétebb helyei a legnagyobb fényintenzitásnak felelnek meg (negatív kép); λ - hullámhossz
A kvalitatív elemzés során meg kell határozni, hogy a vizsgált minta spektrumában ez vagy az a vonal melyik elemhez tartozik. Ehhez meg kell találni a vonal hullámhosszát a spektrumban elfoglalt helyzete alapján, majd táblázatok segítségével meg kell határozni az egyik vagy másik elemhez való tartozását. A spektrum felnagyított képének fotólemezen történő vizsgálatához és a hullámhossz meghatározásához használja mérőmikroszkópok , spektroprojektorok és egyéb segédeszközök.
A spektrumvonalak intenzitása növekszik az elem koncentrációjának növekedésével a mintában. Ezért a kvantitatív elemzés elvégzéséhez meg kell találni a meghatározandó elem egy spektrális vonalának intenzitását. A vonal intenzitását vagy a spektrumfotó elsötétedésével mérjük ( spektrogram ) vagy közvetlenül a spektrális berendezést elhagyó fényáram nagyságával. A spektrogramon lévő vonalak elfeketedésének mértékét a mikrofotométerek.
A spektrum vonalintenzitása és az elemzett mintában lévő elem koncentrációja közötti összefüggést a segítségével állapítjuk meg szabványok - az elemzett mintákhoz hasonló, de pontosan ismert kémiai összetételű minták. Ezt az összefüggést általában kalibrációs görbék formájában fejezik ki.
Az abszorpciós spektrális elemzés végrehajtásának sémája (6.8b. ábra) csak a kezdeti részében tér el a már vizsgált sémától. A fényforrás fűtött szilárd anyag vagy más folyamatos sugárzásforrás, pl. bármilyen hullámhosszú sugárzás. Az elemzett mintát a fényforrás és a spektrális berendezés közé kell helyezni. Egy anyag spektrumát mc hullámhosszak alkotják, amelyek intenzitása lecsökkent, amikor folyamatos fény halad át ezen az anyagon (6.10. ábra). Célszerű grafikusan ábrázolni az anyagok abszorpciós spektrumát, az abszcisszán ábrázolva a hullámhosszt és az anyag által elnyelt fény mennyiségét az ordináta mentén.
Rizs. 6.10.
a - fényképészeti; b - grafika; I egy szilárd fényforrás spektruma; II - ugyanazon sugárzás spektruma a vizsgált mintán való áthaladás után
Az abszorpciós spektrumokat spektrális eszközökkel kapjuk - spektrofotométerek, amelyek tartalmaznak egy folyamatos fényforrást, egy monokromátort és egy rögzítő eszközt.
A séma többi része abszorpciós és kibocsátási elemzés mérkőzés.
Az emissziós vagy abszorpciós spektrumon alapuló spektrális elemzés a következő műveleteket tartalmazza.
- 1. Az elemzett minta spektrumának megszerzése.
- 2. Spektrális vonalak vagy sávok hullámhosszának meghatározása. Ezt követően táblázatok vagy atlaszok segítségével megállapítják azok egyes elemekhez vagy vegyületekhez való tartozását, pl. keresse meg a minta minőségi összetételét.
- 3. Egyes elemekhez, vegyületekhez tartozó spektrumvonalak vagy sávok intenzitásának mérése, amely lehetővé teszi azok koncentrációjának meghatározását a vizsgált mintában a standardok felhasználásával előzetesen megszerkesztett kalibrációs görbék szerint, pl. keresse meg a minta mennyiségi összetételét.
A spektrális elemzés végrehajtásának teljes folyamata, amint láttuk, több szakaszból áll. Ezeket a szakaszokat egymás után, egymástól függetlenül lehet tanulmányozni, majd megvizsgálni a kapcsolatukat.
A spektrális elemzés segítségével meghatározható az anyag atomi (elemi) és molekuláris összetétele is. A spektrális analízis lehetővé teszi a vizsgált minta egyes komponenseinek minőségi feltárását és koncentrációjuk mennyiségi meghatározását.
A nagyon hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkező, kémiai módszerekkel nehezen, sőt egyáltalán nem elemezhető anyagok spektrálisan könnyen meghatározhatók. Például viszonylag könnyű elemezni ritkaföldfém elemek keverékét vagy inert gázok keverékét. A spektrális analízissel nagyon hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkező izomer szerves vegyületek határozhatók meg.
A kvalitatív és kvantitatív atomspektrális analízis módszerei ma már sokkal fejlettebbek, mint a molekulárisak, és szélesebb gyakorlati alkalmazási körük van. Atomspektrális analízis sokféle objektum elemzésére szolgálnak. Hatásköre igen széles: vas- és színesfémkohászat, gépészet, geológia, kémia, biológia, asztrofizika és számos más tudomány és ipar ága.
Bosszúvá kell tenni, hogy a molekuláris spektrális elemzés gyakorlati alkalmazási köre, különösen az elmúlt években, gyorsan és folyamatosan növekszik. Ez elsősorban az ehhez a módszerhez szükséges spektrális-analitikai berendezések fejlesztésének és kiadásának köszönhető.
A molekuláris spektrális elemzés alkalmazási területe elsősorban szerves anyag, bár lehetséges a szervetlen vegyületek sikeres elemzése. Molekuláris spektrális analízis főként a vegyiparban, az olajfinomítóban és a vegyi-gyógyszeriparban vezetik be.
A spektrális elemzés érzékenysége nagyon magas. A spektrális módszerekkel kimutatható és mérhető analit minimális koncentrációja az anyag tulajdonságaitól és az elemzett minta összetételétől függően széles skálán mozog. Közvetlen analízissel a legtöbb fém és számos más elem meghatározásánál viszonylag könnyű elérni a 10-3-as, egyes anyagoknál akár 10-5-1-6%-os érzékenységet is. És csak különösen kedvezőtlen esetekben csökken az érzékenység 10-1-10-2%-ra. A szennyeződések minta alapról történő előzetes leválasztása nagymértékben (gyakran ezerszeresére) növelheti az analízis érzékenységét. Az atomi spektrális elemzést nagy érzékenysége miatt széles körben alkalmazzák tiszta és nagy tisztaságú fémek elemzésére, a geokémiában és a talajtudományban különféle elemek mikrokoncentrációinak meghatározására, beleértve a ritka és szórt elemeket is, az atomi és félvezető anyagok iparában.
A molekuláris spektrális analízis érzékenysége különböző anyagokra még szélesebb tartományban változik. Számos esetben nehéz meghatározni azokat az anyagokat, amelyek a vizsgált mintában százalékos és tizedszázalékos, de példaként említhető a 10-7-10-es molekulaelemzés igen magas érzékenysége is. 8%. Az atomi spektrális elemzés pontossága az elemzett objektumok összetételétől és szerkezetétől függ. Szerkezetében és összetételében hasonló minták elemzésekor könnyen elérhető nagy pontosság. A hiba ebben az esetben nem haladja meg a ± 1-3%-ot a meghatározott értékhez képest. Ezért például a fémek és ötvözetek soros spektrális elemzése pontos. A kohászatban és a gépészetben mára a spektrális elemzés vált a fő analitikai módszerré.
Azon anyagok elemzésének pontossága, amelyek összetétele és szerkezete mintánként nagyon eltérő, lényegesen kisebb, de az utóbbi időben ezen a téren is érezhetően javult a helyzet. Lehetővé vált ércek, ásványok, kőzetek, salakok és hasonló objektumok kvantitatív spektrális elemzése. Bár a probléma még nem teljesen megoldott, a nemfémes minták kvantitatív elemzését ma már számos iparágban széles körben alkalmazzák - a kohászatban, a geológiában, a tűzálló anyagok, üvegek és más típusú termékek gyártásában.
Az atomspektrális analízis relatív meghatározási hibája kevéssé függ a koncentrációtól. Szinte állandó marad mind a kis szennyeződések és adalékok elemzésénél, mind a minta főbb komponenseinek meghatározásánál. Pontosság kémiai módszerek az elemzés jelentősen csökken a szennyeződések meghatározására való áttéréssel. Ezért az atomi spektrális analízis pontosabb, mint a kémiai elemzés az alacsony koncentrációk tartományában. A meghatározott anyagok közepes koncentrációinál (0,1-1%) mindkét módszer pontossága megközelítőleg azonos, de a nagy koncentrációk tartományában a kémiai elemzés pontossága általában nagyobb. A molekuláris spektrális elemzés általában többet ad nagy pontosságú definíciók, mint az atomi, és pontossága nem rosszabb, mint a kémiai, még nagy koncentrációk esetén sem.
A spektrális analízis sebessége lényegesen meghaladja a más módszerekkel végzett elemzés sebességét. A spektrális elemzés ugyanis nem igényli a minta előzetes szétválasztását az egyes komponensekre. Ráadásul maga az elemzés is nagyon gyors. Tehát jelentkezéskor modern módszerek Spektrális analízis Egy összetett mintában több komponens pontos mennyiségi meghatározása a minta laboratóriumba szállításától az elemzési eredményekig mindössze percekbe telik. Az elemzési idő természetesen megnő, ha a minta előkezelésére van szükség a pontosság vagy érzékenység javítása érdekében.
A spektrális analízis nagy sebessége szorosan összefügg a nagy teljesítményével, ami nagyon fontos a tömegelemzéseknél. A magas termelékenység, valamint a reagensek és egyéb anyagok alacsony fogyasztása miatt egy elemzés költsége spektrális módszerekkel általában alacsony, annak ellenére, hogy a spektrális analitikai berendezések beszerzése kezdeti jelentős költségekkel jár. RáadásulÁltalánosságban elmondható, hogy minél magasabbak a kezdeti költségek és minél bonyolultabb az analitikai eljárás előzetes előkészítése, annál gyorsabban és olcsóbban lehet tömegelemzést végezni.
A spektrális elemzés lényegében egy műszeres módszer. A korszerű berendezések alkalmazásával csekély a spektroszkópiai beavatkozást igénylő műveletek száma. Megállapítást nyert, hogy ezek a fennmaradó műveletek is automatizálhatók. A spektrális elemzés tehát lehetővé teszi egy anyag kémiai összetételének meghatározásának teljes automatizálását.
A spektrális elemzés sokoldalú. Szinte bármilyen elem és vegyület meghatározására használható a legkülönfélébb szilárd, folyékony és gáznemű analitikai tárgyakban.
A spektrális analízist nagy szelektivitás jellemzi. Ez azt jelenti, hogy szinte minden anyag minőségileg és mennyiségileg meghatározható egy komplex mintában, szétválasztás nélkül.
Nem is olyan régen Makeman elvtárs leírta, hogy spektrális elemzéssel hogyan lehet egyeseket lebontani hangjelzés alkotó feljegyzésein. Elvonatkozzunk egy kicsit a hangtól, és tegyük fel, hogy van valamilyen digitalizált jelünk, amelynek spektrális összetételét szeretnénk meghatározni, mégpedig egészen pontosan.
A vágás alatt rövid áttekintés tetszőleges jelből felharmonikusok kinyerésének módszere digitális heterodinizálással, és egy kis speciális, Fourier-mágiával.
Tehát mi van.
Fájl a digitalizált jel mintáival. Ismeretes, hogy a jel szinuszok összege frekvenciájukkal, amplitúdójukkal és kezdeti fázisukkal, valamint esetleg fehér zajjal együtt.
Mit csináljunk.
Használjon spektrális elemzést a következők meghatározásához:
- a jelben lévő harmonikusok száma, és mindegyikre: amplitúdó, frekvencia (a továbbiakban a jelhosszonkénti hullámhosszok számával összefüggésben), kezdeti fázis;
- fehér zaj jelenléte/hiánya, és ha van, szórása (szórás);
- a jel állandó összetevőjének jelenléte / hiánya;
- mindezt egy szép PDF-jelentésbe, blackjack-kel és illusztrációkkal.
Ezt a problémát Java-ban fogjuk megoldani.
Anyag
Mint már mondtam, a jel szerkezete előre ismert: szinuszok és valamilyen zajkomponens összege. Történt ugyanis, hogy a mérnöki gyakorlatban a periodikus jelek elemzésére széles körben alkalmaznak egy nagy teljesítményű matematikai berendezést, amelyet általában ún. "Fourier-analízis" ... Nézzük meg gyorsan, milyen állatról van szó.Egy kicsit különleges, Fourier-mágia
Nem is olyan régen, a 19. században Jean Baptiste Joseph Fourier francia matematikus megmutatta, hogy minden bizonyos feltételeket kielégítő függvény (időfolytonosság, periodicitás, Dirichlet-feltételek kielégítése) egy sorozatban bővíthető, amely később a nevét is megkapta - Fourier sorozat .A mérnöki gyakorlatban a dekompozíció periodikus függvények a Fourier sorozatban széles körben alkalmazzák például áramkörelméleti problémákban: a nem szinuszos bemeneti műveletet a szinuszosak összegére bontják, és az áramkörök szükséges paramétereit például szuperpozíciós módszerrel számítják ki.
Több is van lehetséges opciók a Fourier-sor együtthatóit megírva csak a lényeget kell ismernünk.
A Fourier sorozat kiterjesztése lehetővé teszi, hogy egy folytonos függvényt más folytonos függvények összegére bővítsen. És általában a sorozat végtelen számú tagja lesz.
Fourier megközelítésének további finomítása nevének integrált transzformációja. Fourier transzformáció
.
Ellentétben a Fourier-sorral, a Fourier-transzformáció nem diszkrét frekvenciákra bontja a függvényt (a Fourier-sor frekvenciáinak halmaza, amelyben a felosztás történik, általában diszkrét), hanem folytonos frekvenciákon.
Nézzük meg, hogyan viszonyulnak a Fourier-sor együtthatói a Fourier-transzformáció eredményéhez, amit tulajdonképpen spektrum
.
Egy kis kitérő: a Fourier-transzformáció spektruma általános esetben egy komplex függvény, amely leírja komplex amplitúdók
megfelelő harmonikusok. Vagyis a spektrumértékek komplex számok, melynek moduljai a megfelelő frekvenciák amplitúdói, az argumentumok pedig a megfelelő kezdeti fázisok. A gyakorlatban külön mérlegelve amplitúdó spektrum
és fázisspektrum
.
Rizs. 1. A Fourier-sor és a Fourier-transzformáció megfeleltetése az amplitúdóspektrum példáján.
Könnyen belátható, hogy a Fourier-sor együtthatói nem mások, mint a Fourier-transzformáció értékei diszkrét időpontokban.
A Fourier-transzformáció azonban egy időben folytonos, végtelen függvényt társít egy másik, frekvenciájú folytonos, végtelen függvénnyel - a spektrummal. Mi van akkor, ha nincs időben végtelen függvényünk, hanem csak egy része van időben diszkréten felírva? Erre a kérdésre a választ a Fourier-transzformáció továbbfejlesztése adja - diszkrét Fourier transzformáció (DFT) .
A diszkrét Fourier-transzformáció a jel folytonosságának és időbeli végtelenségének szükségességének problémáját hivatott megoldani. Valójában úgy gondoljuk, hogy kivágtuk a végtelen jel egy részét, és ezt a jelet nullának tekintjük az időtartomány hátralévő részében.
Matematikailag ez azt jelenti, hogy mivel a vizsgált f (t) függvény időben végtelen, megszorozzuk valamilyen w (t) ablakfüggvénnyel, amely mindenhol eltűnik, kivéve a számunkra érdekes időintervallumot.
Ha a klasszikus Fourier-transzformáció „kimenete” egy spektrum-függvény, akkor a diszkrét Fourier-transzformáció „kimenete” egy diszkrét spektrum. És egy diszkrét jel mintái is betáplálódnak a bemenetre.
A Fourier-transzformáció többi tulajdonsága nem változik: ezekről a megfelelő szakirodalomban olvashat.
Csak egy szinuszos jel Fourier-transzformációjáról kell tudnunk, amit megpróbálunk megtalálni a spektrumunkban. Általában ez egy delta függvénypár, amely szimmetrikus a frekvenciatartomány nulla frekvenciájára.
Rizs. 2. Szinuszos jel amplitúdóspektruma.
Említettem már, hogy általában véve nem az eredeti funkciót vesszük figyelembe, hanem annak egy részét az ablak funkcióval. Ekkor, ha az eredeti függvény spektruma F (w), az ablakfüggvényé pedig W (w), akkor a szorzat spektruma olyan kellemetlen művelet lesz, mint ennek a két spektrumnak a konvolúciója (F * W) ( w) (Konvolúciós tétel).
A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a delta függvény helyett valami ilyesmit fogunk látni a spektrumban:
Rizs. 3. Spektrumterítő hatás.
Ezt a hatást más néven terjedő spektrum
(angol spectral leekage). És a spektrumterjedés következtében megjelenő zaj, ill. oldallebenyek
(angol sidelobes).
Más, nem téglalap alakú ablakfunkciókat használnak az oldallebenyek leküzdésére. Az ablak funkció "hatékonyságának" fő jellemzője az oldallebeny szint
(dB). Az alábbiakban egy összefoglaló táblázat látható néhány gyakran használt ablakozási függvény oldalsó szintjéről.
Feladatunkban az a fő probléma, hogy az oldallebenyek más, a közelben fekvő harmonikusokat is elfedhetnek.
Rizs. 4. Kiválasztott harmonikus spektrumok.
Látható, hogy a fenti spektrumok összeadásakor a gyengébb harmonikusok feloldódni látszanak az erősebbben.
Rizs. 5. Csak egy harmonikus látható jól. Nem jó.
A spektrumterjedés elleni küzdelem másik megközelítése az, hogy kivonjuk a harmonikusokat abból a jelből, amely ezt a terjedést létrehozza.
Vagyis a harmonikus amplitúdójának, frekvenciájának és kezdeti fázisának beállítása után kivonhatjuk a jelből, miközben eltávolítjuk a hozzá tartozó „delta függvényt”, és ezzel együtt az általa generált oldallebenyeket. Más kérdés, hogy hogyan lehet pontosan megtudni a szükséges harmonikus paramétereit. Nem elég egyszerűen kivenni a kívánt adatokat a komplex amplitúdóból. A spektrum komplex amplitúdói egész frekvenciákon alakulnak ki, azonban semmi sem akadályozza meg, hogy a harmonikusnak törtfrekvenciája legyen. Ebben az esetben a komplex amplitúdó mintegy szétszóródik két szomszédos frekvencia között, és ennek pontos frekvenciája, mint más paraméterek, nem állapítható meg.
A kívánt harmonikus pontos frekvenciájának és komplex amplitúdójának meghatározásához a mérnöki gyakorlat számos ágában széles körben használt technikát alkalmazunk - heterodinizálás .
Nézzük meg, mi történik, ha a bemeneti jelet megszorozzuk az Exp (I * w * t) komplex harmonikussal. A jel spektruma w-vel jobbra tolódik el.
Ezt a tulajdonságot a jelünk spektrumának jobbra tolásával fogjuk használni, amíg a harmonikus még inkább deltafüggvényhez fog hasonlítani (vagyis amíg valamilyen helyi jel-zaj viszony el nem éri a maximumot). Ekkor kiszámolhatjuk a kívánt felharmonikus pontos frekvenciáját, mivel w 0 - w kap, és kivonjuk az eredeti jelből, hogy elnyomjuk a spektrumszórás hatását.
Az alábbiakban bemutatjuk a spektrum változását az LO frekvenciával szemben.
Rizs. 6. Az amplitúdóspektrum nézete a helyi oszcillátor frekvenciájától függően.
Addig ismételjük a leírt eljárásokat, amíg az összes jelenlévő harmonikust ki nem vágjuk, és a spektrum nem fog a fehér zaj spektrumára emlékeztetni.
Ezután meg kell becsülni a fehér zaj RMSD értékét. Itt nincsenek trükkök: egyszerűen használhatja a képletet az RMSD kiszámításához:
Automatizáld
Itt az ideje automatizálni a harmonikus extrakciót. Ismételjük meg még egyszer az algoritmust:1. Az amplitúdóspektrum globális csúcsát keressük, egy bizonyos k küszöb felett.
1.1 Ha nem található, fejezze be
2. A lokális oszcillátor frekvenciájának változtatásával olyan frekvenciaértéket keresünk, amelynél a csúcs adott közelében egy adott helyi jel-zaj arány maximuma érhető el.
3. Ha szükséges, kerekítse le az amplitúdó- és fázisértékeket.
4. Vonjuk le a jelből a talált frekvenciájú harmonikust, amplitúdót és fázist, mínusz a helyi oszcillátor frekvenciája.
5. Folytassa az 1. lépéssel.
Az algoritmus nem bonyolult, és csak az a kérdés merül fel, hogy honnan szerezzük be a küszöbértékeket, amelyek felett felharmonikusokat keresünk?
A kérdés megválaszolásához meg kell becsülni a zajszintet a harmonikusok kivágása előtt.
Készítsünk eloszlásfüggvényt (hello, mat. Statisztika), ahol az abszcissza a felharmonikusok amplitúdója, az ordináta pedig azoknak a harmonikusoknak a száma, amelyek nem haladják meg az argumentumnak ezt az amplitúdóértékét. Példa egy ilyen szerkesztett függvényre:
Rizs. 7. A harmonikusok eloszlásának függvénye.
Most egy függvényt is megszerkesztünk - az eloszlássűrűséget. Vagyis a véges eltérések értékei az eloszlásfüggvénytől.
Rizs. 8. A harmonikus eloszlási függvény sűrűsége.
Az eloszlási sűrűségmaximum abszcisszája annak a harmonikusnak az amplitúdója, amelyik a spektrumban a legtöbbször előfordul. Távolodjunk el a csúcstól egy bizonyos távolságra jobbra, és ennek a pontnak az abszcisszáját tekintjük spektrumunk zajszintjének becslésének. Most már automatizálhatja.
Nézd meg azt a kódrészletet, amely érzékeli a jel harmonikusait
nyilvános ArrayList
Gyakorlati rész
Nem állítom magam Java-szakértőnek, és a bemutatott megoldás megkérdőjelezhető lehet mind a teljesítmény, mind a memóriafogyasztás, mind általában a Java filozófia és az OOP filozófia tekintetében, bármennyire is igyekszem jobbá tenni. Pár este alatt íródott, mint a koncepció bizonyítéka. Az érdeklődők a forráskódot a címen tekinthetik megA "spektrális elemzés" felfedezése óta sok vita övezi ezt a kifejezést. Először fizikai elv spektrális elemzés A minta elemi összetételének a megfigyelt spektrum alapján történő azonosítására szolgáló módszert jelentett, amelyet valamilyen magas hőmérsékletű lángforrásban, szikrában vagy ívben gerjesztettek.
A jövőben a spektrális elemzést az analitikai vizsgálat és a spektrumok gerjesztésének más módszereiként kezdték érteni:
- Raman módszerek,
- abszorpciós és lumineszcencia módszerek.
Végül felfedezték a röntgen- és gamma-spektrumokat. Ezért helyes, ha spektrális elemzésről beszélünk, mindennek összességét érteni meglévő módszereket... Gyakrabban alkalmazzák azonban a spektrum szerinti azonosítás jelenségét, megértve az emissziós módszereket.
Osztályozási módszerek
Egy másik osztályozási lehetőség a spektrumok molekuláris (a minta molekulaösszetételének meghatározása) és elemi (atomösszetétel meghatározása) felosztása.
A molekuláris módszer az abszorpciós spektrumok, a Raman-szórás és a lumineszcencia vizsgálatán alapul; az atomi összetételt a hőforrások gerjesztési spektrumaiból (főleg a molekulák pusztulnak el) vagy a röntgen spektrális vizsgálatok adataiból határozzák meg. De egy ilyen besorolás nem lehet szigorú, mert néha mindkét módszer ugyanaz.
A spektrális elemzési módszerek osztályozása
A fenti módszerekkel megoldandó feladatok alapján a spektrumvizsgálatot ötvözetek, gázok, ércek és ásványok vizsgálatára használt módszerekre bontjuk, elkészült termékek, tiszta fémek stb. Minden vizsgált objektumnak megvannak a maga sajátosságai és szabványai. A spektrumelemzésnek két fő területe van:
- Minőség
- Mennyiségi
A végrehajtásuk során tanulmányozottakat tovább fogjuk vizsgálni.
Spektrális elemzési módszerek diagramja
Kvalitatív spektrális elemzés
A kvalitatív elemzés annak meghatározására szolgál, hogy az elemzett minta milyen elemekből áll. Meg kell kapni a minta bármely forrásban gerjesztett spektrumát, és a detektált spektrumvonalakból meg kell határozni, hogy melyik elemhez tartoznak. Így világossá válik, hogy miből áll a minta. A kvalitatív elemzés összetettsége az nagyszámú spektrális vonalak az analitikai spektrogramon, amelyek dekódolása és azonosítása túl fáradságos és pontatlan.Kvantitatív spektrális elemzés
A kvantitatív spektrális elemzés módszere azon a tényen alapul, hogy az analitikai vonal intenzitása a mintában a meghatározott elem tartalmának növekedésével nő. Ez a függőség számos olyan tényezőre épül, amelyeket nehéz számszerűen kiszámítani. Ezért gyakorlatilag lehetetlen elméletileg kapcsolatot megállapítani a vonal intenzitása és az elem koncentrációja között.
Ezért ugyanazon spektrumvonal intenzitásának relatív mérését a meghatározandó elem koncentrációjának változásával kell elvégezni. Tehát, ha a gerjesztés és a spektrumok regisztrálásának feltételei változatlanok maradnak, a mért sugárzási energia arányos az intenzitással. Ennek az energiának (vagy attól függően egy mennyiségnek) a mérése megadja azt az empirikus összefüggést, amelyre szükségünk van a mért mennyiség és a mintában lévő elem koncentrációja között.
A spektrális elemzés több független módszerre oszlik. Ezek közé tartozik: infravörös és ultraibolya spektroszkópia, atomabszorpció, lumineszcencia és fluoreszcencia analízis, reflexiós és Raman spektroszkópia, spektrofotometria, röntgenspektroszkópia és számos egyéb módszer.
Az abszorpciós spektrális elemzés az elektromágneses sugárzás abszorpciós spektrumainak vizsgálatán alapul. Az emissziós spektrális analízist különböző módon gerjesztett atomok, molekulák vagy ionok emissziós spektrumain végezzük.
Atomemissziós spektrális elemzés
A spektrális elemzést gyakran csak atomemissziós spektrális elemzésnek nevezik, amely a gázfázisban lévő szabad atomok és ionok emissziós spektrumának vizsgálatán alapul. 150-800 nm hullámhossz-tartományban hajtják végre. A vizsgált anyagból egy mintát juttatunk a sugárforrásba, ami után megtörténik benne a molekulák párolgása, disszociációja, valamint a képződött ionok gerjesztése. Sugárzást bocsátanak ki, amelyet a spektrális műszer rögzítőkészüléke rögzít.
Munka spektrumokkal
A minták spektrumait összehasonlítjuk ismert elemek spektrumával, amelyek a megfelelő spektrális vonaltáblázatokban találhatók. Így ismerhető fel az analit összetétele. A kvantitatív elemzés koncentrációt foglal magában ennek az elemnek az analitban. Ezt a jel nagysága alapján ismeri fel, például a fényképészeti lemezen lévő vonalak elfeketedésének mértéke vagy optikai sűrűsége, vagy a fényáram intenzitása egy fotoelektromos detektornál.
A spektrumok típusai
Folyamatos sugárzási spektrumot adnak szilárd vagy folyékony halmazállapotú anyagok, valamint sűrű gázok. Ebben a spektrumban nincsenek megszakadások, bármilyen hosszúságú hullámok jelennek meg benne. A karaktere nemcsak az egyes atomok tulajdonságaitól függ, hanem azok egymás közötti kölcsönhatásától is.
A sugárzás lineáris spektruma a gáz halmazállapotú anyagokra jellemző, míg az atomok alig lépnek kölcsönhatásba egymással. A lényeg az, hogy az egyik izolált atomjai kémiai elem szigorúan meghatározott hullámhosszú hullámokat bocsátanak ki.
A gázsűrűség növekedésével a spektrumvonalak kiszélesedni kezdenek. Egy ilyen spektrum megfigyeléséhez a csőben lévő gázkisülés izzását vagy egy lángban lévő anyag gőzének izzását használják. Ha fehér fényt nem kibocsátó gázon vezetünk át, az abszorpciós spektrum sötét vonalai jelennek meg a forrás folytonos spektrumának hátterében. Egy gáz a legintenzívebben nyeli el azon hullámhosszúságú fényt, amelyet hevítéskor bocsát ki.
A spektrális elemzési módszerek az optikai emissziós vagy abszorpciós spektrumok vizsgálatán alapulnak. Különbséget kell tenni az atomabszorpciós spektrális analízis (analízis abszorpciós spektrum alapján) és az emissziós spektrális elemzés (elemzés emissziós spektrummal) között. A spektrális elemzést széles körben használják különféle anyagok minőségi és mennyiségi elemzésére. A spektrum karakterisztikus vonalai segítségével meghatározható az anyag elemi összetétele, a spektrumvonal intenzitása pedig a mintában lévő anyag koncentrációjának mértéke.
Emissziós spektroszkópia
Az elemek gerjesztett állapotú atomjai szigorúan meghatározott hullámhosszú sugárzást bocsátanak ki. Az egyes elemek emissziós spektrumai (emissziós spektrumai) egyediek, egy bizonyos karakterisztikus vonalkészletből állnak, amelyek segítségével meghatározható egy anyag elemi összetétele és koncentrációja.
Az emissziós spektrális analízis során a vizsgált mintát elpárologtatják vagy elégetik, ha folyékony vagy szilárd anyagról van szó, akkor magas hőmérsékletnek vagy elektromos töltésnek teszik ki, hogy az atomokat gerjesztett állapotba vigyék, és a spektrumot rögzítik. A kvalitatív emisszióanalízis az elemzett minta spektrumában lévő vonalak megfejtésére redukálódik. A kvantitatív elemzés a minta spektrumvonalainak intenzitásának összehasonlításán alapul egy standard minta spektrumában lévő vonalak intenzitásával, amelyben a meghatározandó elem tartalma ismert.
Az izgalom forrása lehet a láng, elektromos ív, szikra-, impulzus- vagy elektromos vákuumkisülés. Az ívkisülés 5000-7000 ° C hőmérsékletet ad, amelynél a legtöbb elem atomja gerjesztett állapotba kerül. A 7000-15000 ° C hőmérsékletű nagyfeszültségű szikrában nagy gerjesztési potenciállal rendelkező elemek atomjai gerjesztődnek. Az impulzus- és vákuumkisüléseket inert gázok gerjesztésére használják.
A spektrumregisztráció módszere szerint többféle emissziós spektrális elemzés létezik. A vizuális elemzés során a minőségi összetételt a látható spektrum közvetlen megfigyelése határozza meg. Pontosabb a fotográfiai elemzés, amely szerint a spektrumot egy fényképezőlapra fényképezzük, majd spektroprojektorral vizsgáljuk minőségi meghatározások vagy fotometriai úton, mikrofotométer segítségével mennyiségi meghatározásokhoz. A vizsgált minta spektrumvonalainak megfelelő fix vonalsort kapunk egy fényképezőlapon, amelynek feketedésének mértéke arányos e vonalak intenzitásával.
A spektrogramok dekódolásához spektroprojektorokat használnak. A hazai ipar PS-18 spektroprojektort gyárt, amely lehetővé teszi a 20-szoros nagyítású vászonra kerülést kis területek spektrumot, megkönnyítve azok értelmezését kifejezett kvalitatív vagy szemikvantitatív elemzésben.
A fényképezőlapon lévő vonalak elfeketedésének sűrűségét mikrofotométerekkel mérjük. A fényáramot a fotólemez nem feketedett részén vezetik át, majd galvanométerrel egy fotocellába irányítják. A galvanométer nyíl eltérését a skálán fel kell jegyezni. Ezután a fényáramot átvezetjük a lemez megfeketedett részén, és ismét megjegyezzük a galvanométer tűjének elhajlását. A feketedés sűrűségét a következő egyenlet határozza meg:
ahol I0 a fényképészeti lemez feketetlen részén áthaladó fény intenzitása; Az I a fényképezőlap megfeketedett részén áthaladó fény intenzitása.
Mivel a feketedés sűrűsége arányos az elem koncentrációjával, a galvanométer leolvasása alapján a feketedés koncentrációtól való függésének kalibrációs grafikonját ábrázoljuk. Ebből a grafikonból azután meghatározzuk az elem tartalmát. A spektrogramon lévő vonalak elfeketedésének sűrűségének meghatározásához MF-2 (vagy MF-4) mikrofotométert és IFO-451 kétsugaras mikrofotométert használnak.
A fotoelektromos emissziós elemzés során az analitikai vonalakat fotocellák segítségével rögzítik. Az elemzés eredménye a skálán látható mérőeszköz vagy önfelvevő készülék szalagjára rögzítve.
Kvarc spektrográf ISP-28. Az ISP-28 spektrográf a 200-600 nm hullámhossz-tartományban lévő spektrumok felvételére szolgál. Fémek, ötvözetek, ércek, ásványok és egyéb anyagok minőségi és mennyiségi elemzését végzi. ábrán. A 126. ábra a műszer optikai elrendezését mutatja. Az 1. forrásból származó fény (ív vagy szikra) egy háromlencsés 3-5 kondenzátoron keresztül, amelyet kvarclemez 2 véd a fém fröccsenésétől, a 6 nyílásba irányul, amely fókuszban van. tükör lencse 8. Az erről az objektívről visszavert párhuzamos fénysugarat egy 9 kvarcprizmára irányítjuk. A 10 kvarclencse által szórt fényt a 11 fényképezőlap emulziójára fókuszáljuk.
Egyéb spektrográfok. Kvarc laboratóriumi spektrográf ISP-30 táblázat típusa fémek, ötvözetek és ércek minőségi elemzésére használják; Az ISP-51 üveg háromprizmás spektrográf kis számú spektrumvonallal rendelkező elemeket tartalmazó anyagok elemzésére szolgál. A különösen összetett spektrumú elemeket tartalmazó anyagok elemzésére az STE-1 spektrográfot használjuk. Fémek, ércek, ásványok stb. kvalitatív és kvantitatív elemzéséhez DFS-8 hosszú fókuszú spektrográfot (három módosítás) diffrakciós ráccsal és DFS-452 diffrakciós spektrográfot használnak.
Lángfotometria
A lángfotometria az emissziós spektrális elemzés egyik legpontosabb módszere. Ezt a módszert széles körben alkalmazzák alkáli- és alkáliföldfémek meghatározására. A lángfotometriás módszer lényege a következő.
Az analit oldatát sűrített levegővel permetezzük a lángzónába gázégő, amelyben acetilén, hidrogén, világító vagy bármilyen más gáz ég el. Az égő lángja energiaforrásként is szolgál az atomok gerjesztésére. Az optikai eszköz elválasztja a meghatározandó elem spektrális vonalát, és fotocella segítségével méri annak intenzitását. A spektrumvonal intenzitása arányos az oldat sókoncentrációjával (bizonyos határokon belül). Az elem koncentrációját a kalibrációs grafikon határozza meg. Az alábbiakban bemutatjuk néhány éghető gázkeverék összetételét és az égésük során kapott átlagos hőmérsékletet (°C-ban):
Hordozható PPF-UNIZ lángfotométer. A PPF-UNIZ fotométer sematikus diagramja az ábrán látható. 127. A palackból (vagy városi hálózatból) származó éghető gáz áthalad a 2 manosztaton, a 3 pufferpalackon, a 4 szűrőn, és az 5 mikrocsapon keresztül a 7 keverőbe jut, amely egyidejűleg cseppfogóként is szolgál. A gáznyomást a manosztát után egy mikrocsappal 5 állandó értéken tartjuk, és U-alakú folyadék manométerrel 6 mérjük. A felesleges gáz kimegy az 1 laboratóriumi égőbe és elégetik.
A kompresszorból (olajkenés nélkül) vagy a hengerből sűrített levegő belép a 3"-os pufferpalackba, majd a 13 szűrőbe. A légnyomást egy 12 mikrodaru segítségével állandó értéken tartják, és a 11 nyomásmérővel mérik. Levegő belép a 8 porlasztóba, ahol a vizsgált oldatot kiszívják a 10 üvegből. Az oldat finoman porlasztott aeroszol formájában a 7 keverőbe kerül, ahol keveredik az éghető gázzal. a vizsgált elemet permetezett állapotban tartalmazza, a 14 cseppleválasztón keresztül belép a 20 égőbe.
A nátriumláng sárga vonalának hullámhossza 589 ± 5 mikron, a kalcium vörös vonala 615 ± 5 mikron, a kálium infravörös vonala 766 ± 5 mikron. E vonalak intenzitását egy 16 fotocella rögzíti, amely 17 cserélhető interferenciaszűrőkkel és 18 nyílásokkal van felszerelve. A nátrium és kalcium meghatározásához AFI-5 típusú szelén fotocellákat használnak, amelyek érzékenysége 460-500 μA / lm. a kálium meghatározása - FESS-UZ típusú ezüst-szulfid fotocella 6000-9000 μA / lm érzékenységgel. A fotocellákat és fényszűrőket a láng közvetlen hősugárzásától 19 üvegernyő védi. A keletkező fotoáramot egy M-95 típusú magnetoelektromos mikroampermérő 21 rögzíti, amelyhez a három fotocella közül kettő kompenzációs áramkör szerint van csatlakoztatva. keresztül elektromos kapcsoló 15.
Mielőtt elkezdené a munkát a készülékkel, nyissa ki a 10-es ajtót (128. ábra), és rögzítse egy retesszel. A 12 porlasztó 14 leeresztő csövéhez gumicsövet csatlakoztatunk és egy 20-25 cm magas blokkoló folyadékot tartalmazó edénybe engedjük, a szívócső alá egy 25-30 ml-es, desztillált vízzel feltöltött poharat helyezünk. 13 a porlasztó. Az ajtóra 11 védőeszköz (ellenző) van felszerelve, és a készülék a hálózatra csatlakozik váltakozó áram 220 V-on (50 Hz). Kapcsolja be a kompresszort a levegőellátáshoz, és a mikrocsap „levegő” fogantyúját lassan 4 forgatva az óramutató járásával ellentétes irányba, érje el jó porlasztás desztillált víz, azaz erősen diszpergált aeroszol képződése. Optimális nyomás levegő (4-8) * 10000 Pa (0,4-0,8 atm) nem változhat a mérés teljes ideje alatt.
Az 5 mikrocsaptelep fogantyújának lassan forgatásával az égőbe gáz kerül, és 10-20 másodperc múlva meggyullad az égő bejáratánál és a manosztát kimeneténél. A gázellátást úgy állítsa be, hogy a láng belső kúpja színezett legyen zöld szín a külső pedig kékeskék. A 9 fogantyúval állítsa az égőt olyan helyzetbe, hogy a belső lángkúp 5-6 cm-rel a membrán bemenetének széle alá süllyedjen.
A mérés 20 perccel a fotometriai cella felmelegítése után kezdődik. A felmelegedés ideje alatt a cella membránjának teljesen nyitva kell lennie, a mikroampermérőt alacsony érzékenységgel (1,0 μA) kell bekapcsolni, és desztillált vizet vezetni az égő lángjába. A fotocella felmelegítése után a membránt lezárjuk, a 6 mikroampermérő fogantyúját a legnagyobb érzékenységre (0,1 μA) kapcsoljuk és a készülék jobb oldalán található korrektorfej elforgatásával a mikroampermérő mutatóját nullára állítjuk.
Egy sor standard megoldást készítenek a kalibrációs grafikon felépítéséhez. A kiindulási oldat elkészítéséhez 2,385 g kálium-klorid KCl-t (reagens minőségű) oldunk fel egy 500 ml-es mérőlombikban, és vízzel jelig hígítjuk. Ebből az oldatból 5,00 ml-t pipettával egy 500 ml-es mérőlombikba vegyünk, és desztillált vízzel jelig hígítjuk (100-szoros hígítás). A kapott oldat 25 mg káliumot tartalmaz 1 ml-ben, ebből 5, 10, 15 és 20 mg káliumot tartalmazó oldatokat készítünk 1 ml-ben. Ehhez 20, 40, 60 és 80 ml 25 mg / ml káliumtartalmú oldatot pipettázunk 100 ml-es mérőlombikokba, és a térfogatot vízzel a jelig hígítjuk.
Ezeket az oldatokat egymás után vezetjük be az égő lángjába, és rögzítjük a mikroampermérő leolvasásait. Amikor az egyik oldatból a másikba megy át, a porlasztót desztillált vízzel mossuk, amíg a mikroampermérő nyíl nullára nem tér. A kapott adatok alapján kalibrációs grafikont ábrázolunk: a mikroampermérő leolvasásait (az abszcissza mentén) - a meghatározandó elem koncentrációját (az ordináta mentén) (mg / ml-ben).
A vizsgálati oldatban lévő elem koncentrációjának meghatározásához az égő lángjába vezetjük, és a mikroampermérő leolvasásait rögzítjük, amely szerint a kalibrációs grafikon segítségével megállapítjuk a meghatározandó elem koncentrációját. A teljes elemzési folyamat során állandó levegő- és gáznyomást kell fenntartani.
A kalibrációs grafikon szerinti koncentráció-meghatározási módszer mellett a limitáló oldatok módszerét alkalmazzák, pl. mérje le a mikroampermérőt a vizsgálati oldat elemzésekor, és ezzel párhuzamosan a készülék leolvasását a standard elemzésekor: egyre nagyobb koncentrációjú oldatokat. A káliumtartalmat (mg / l-ben) a képlet alapján számítják ki
ahol c1 egy töményebb standard oldat káliumtartalma; c2 - káliumtartalom kevésbé tömény standard oldatban; I1 - egy mikroampermérő leolvasása magasabb koncentrációjú standard oldat elemzésekor; I2 - mikroampermérő leolvasások alacsonyabb koncentrációjú standard oldat elemzésekor; Ix - a mikroampermérő leolvasása a vizsgálati oldat elemzésekor.
Lángfotométer Flapho-4. Kétcsatornás műszer nátrium, kálium, kalcium, lítium és ólom nagy érzékenységű sorozatos meghatározásához. Az NDK-ban gyártották.
A minta vizsgálati oldata átáramlik; a porlasztó sűrített levegő, és aeroszollá alakul. Az aeroszol egy speciális tartályba kerül, ahol éghető gázt (acetilént vagy propánt) kevernek hozzá, és a keletkező keveréket tisztított levegővel körülvéve az égőbe juttatják. Gázlángban a vizsgált anyag elpárolog és atomjai gerjesztődnek. A fémezett interferenciaszűrő elválasztja a sugárzás monokromatikus komponensét a láng általános spektrumától, amely a szelén fotocellára esik. A keletkező szakaszos fotoáramot felerősítik és egy mérő- vagy felvevőkészülékhez vezetik. A készülék diagramja az ábrán látható. 129.
Egyéb lángfotométerek: FP-101 háromcsatornás lángfotométer Na, K, Ca és Li koncentrációjának meghatározására; PFM lángfotométer alkáli- és alkáliföldfém-elemek, valamint magnézium, bór, króm és mangán koncentrációjának mennyiségi meghatározására; PAZH-1 és BIAN-140 lángfotometriás folyadékanalizátorok K, Na, Ca és Li nyomokban történő meghatározására oldatokban, lángfotométer Na és K meghatározására biológiai folyadékokban.
Atomabszorpciós spektrofotometria
A gerjesztetlen állapotban lévő szabad atomok, amelyek az alacsony hőmérsékletű láng zónájában helyezkednek el, képesek szelektíven elnyelni a fényt. Egy elem atomjai által elnyelt fény hullámhossza megegyezik az adott elem atomjai által kibocsátott fény hullámhosszával. Ebből következően az abszorpciós spektrum karakterisztikus vonalai és azok intenzitása felhasználható anyagok elemzésére, összetételük és alkotóelemeik koncentrációjának meghatározására.
Az atomabszorpciós elemzés elvégzéséhez a vizsgált anyagot az alacsony hőmérsékletű lángzónába betáplálva elpárologtatják. Az elpárolgott anyag molekulái atomokká disszociálnak. Az ezen a lángon áthaladó fényáram, amelynek spektrumában az anyag által elnyelt fényvonal található, gyengül, és minél több, annál nagyobb az analit koncentrációja.
ábrán. 130 bemutatva kördiagramm berendezések atomabszorpciós elemzéshez. Az 1 kisülőcső (üreges katód) fénye áthalad a 2 égő lángján, és a 3 monokromátor hasítékára fókuszál. Ezután a sugárzás a fotosokszorozóra, vagyis a 4 fotocellára esik. A monokromátor elválik a teljes fényáramtól. a vizsgált elem által elnyelt hullámhosszú sugárzás. Az áramot az 5. blokkban felerősítjük és rögzítjük mérőeszköz 6.
A meghatározás abból áll, hogy megmérjük a lángon áteresztett fény intenzitásának arányát analittal és anélkül. Mivel az égő lángjában a vizsgált elem spektrális vonalának intenzitása nagyobb, mint az üreges katód sugárzási intenzitása, az utóbbi sugárzása modulált. A sugárzási modulációt (a rezgések amplitúdójának és frekvenciájának megváltoztatását) az üreges katód és a láng között elhelyezkedő forgó tárcsával (7. modulátor) hajtják végre. Az 5 erősítőnek ugyanazon a frekvencián kell maximális erősítéssel rendelkeznie, amellyel az üreges katódsugárzást modulálják.
Atomabszorpciós spektrofotométer AAS-1. Abszorpciós és emissziós spektrális elemzésre tervezték. 65 elem meghatározását teszi lehetővé.
Működési elve. A folyékony mintát oxidáló gázzal permetezzük, éghető gázzal (acetilén vagy propán) összekeverjük és az égő lángjában elégetjük. Az üreges katódlámpa sugárzása áthalad az égő lángján. A megfelelő vonal diffrakciós monokromátorral történő kiválasztása után a sugárzást egy fotosokszorozó csőbe irányítják. A saját sugárzása által okozott állandó áramkomponens elnyomódik. A fénysokszorozó jelét felerősítik, egy érzékeny egyenirányító egyenirányítja és rögzíti. A készülék beállítása és vezérlése standard megoldásokkal történik.
ábrán. A 131. ábra egy AAS-1 atomabszorpciós spektrofotométer diagramját mutatja.
Készülék eszköz. A készülékben van egy armatúra komplexum a gázok ellátására, egy permetező és égető rendszer, egy cserélhető eszköz üreges katódú lámpákhoz, egy optikai rendszer és egy vevőkészülék erősítővel és indikátorral.
Az égő lángját acetilén vagy propán és sűrített levegő keveréke hajtja. A gázok a hagyományos, szabályozott (elsődleges) nyomáscsökkentővel ellátott palackokból jutnak az égésrendszerbe. Az olajmentes levegő ellátását membránkompresszor biztosítja (16 l / perc 3 * 100 000 Pa (3 atm) nyomáson). A készülék szelepkomplexuma állítható (másodlagos) reduktorokkal és áramlásmérőkkel rendelkezik az egyes gázok áramlási sebességének szabályozására, valamint kerámia szinterezett porszűrőkés egy palack az acetilénnel történő további öblítéshez. Biztonsági szelep automatikusan leállítja az éghető gáz hozzáférését, ha a sűrített levegő üzemi nyomása lecsökken (például az ellátó tömlő megtörése vagy törése miatt); a szelep kiküszöböli a gázellátás rossz sorrendjét a láng meggyújtásakor.
A permetező és égető rendszer egy kivehető laminált üvegablak mögött található, amely lehetővé teszi a rendszer működésének nyomon követését. A gyűrű alakú fúvókás porlasztó nagy porlasztási arányú és alacsony folyadékáramlási sebességgel rendelkezik (3,4 ml / perc vagy 0,5 ml a teljes elemzés alatt). Az égő cserélhető fúvókafejekkel van felszerelve - egy nyílás az abszorpciós elemzéshez (132. ábra, a) és két többlyukú (Rácsos Meker-égők) a kibocsátási elemzéshez (132.6. ábra).
A négy üregkatódos lámpa állítható foglalatai egy gyors lámpaváltó berendezésben találhatók. Az egyik lámpa cseréje után a tartókat nem kell beállítani.
Az optikai rendszer a lámpa fényét keskeny sugár formájában a lángra irányítja. A csőnek a képalkotó rendszerrel történő oldalirányú elmozdulása miatt a lángon keresztüli sugárzás egy- vagy háromszorosát érik el az elemzés érzékenységének növelése érdekében. Egy nagy apertúrájú diffrakciós monokromátor választja el a kívánt rezonanciavonalat egy adott üregkatódos lámpa vonalspektrumától. A monokromátor rés szélessége 0 és 2 mm között állítható.
A precíziós diffrakciós rács 1300 vonal per 1 mm és szögdiszperzió 1,5 nm / mm nagy felbontású. A rács spektrális tartománya 190-820 nm.
A sugárzás vevő egy 12 fokozatú fotosokszorozó cső. A műszererősítő, az üreges katódcsöves tápegység és a fotosokszorozók tranzisztorokon működnek, és képesek kompenzálni a hálózati feszültség +10 és -15% közötti ingadozásait.
A készülék leolvasását egy mutató számlálása végzi, amelynek három skálája van: a törlesztési együttható logaritmikus skálája 0-tól 1,5-ig; lineáris skála 0-tól 100-ig és üzemi feszültség skála 0-tól 16 mV-ig. A készülék a koncentráció meghatározásához vagy adatfeldolgozáshoz rögzítő vagy számító készülékhez köthető. A meghatározások érzékenysége (mg/l-ben):
A készülék AC 220 V, 50 Hz feszültségről működik. Az NDK-ban gyártották.
Egyéb hazai atomabszorpciós spektrofotométerek: S-302 atomabszorpciós spektrofotométer vas, réz, cink, kobalt, nikkel, bizmut, kalcium és egyéb elemek nyomokban történő meghatározására; automata atomabszorpciós spektrofotométer AA-A kalcium és réz fokozott érzékenységű meghatározásához; "Saturn" - láng atomabszorpciós félautomata felvételi spektrofotométer 32 elem meghatározására; A Spectrum-1 egy atomabszorpciós spektrofotométer, több mint 40 elem gyors meghatározására, körülbelül 0,2 μg/ml érzékenységgel.
Angliában gyártják a 603-as modellű Perkin-Elmer atomabszorpciós spektrofotométert, amely kétsugaras séma szerint épül fel, mikroszámítógéppel kombinálva. Nagy pontosságot és gyors meghatározást biztosít. A láng meggyújtásához használja éghető keverék oxigén-acetilén.
