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标题:光谱分析基本原理简介(八)

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光谱分析基本原理简介(八)

第八章  光电直读光谱分析的误差
在前几章中,我们介绍了光电直读光谱分析的理论,仪器性能,分析方法。实践证明,为了保证分析结果的准确,在日常工作中,应选择最佳的分析条件。
    1.选择最佳的室内温度条件、湿度条件和最好的氩气纯度。
    2.选择予冲洗、予燃、积分时间。
    3.选择光源的放电参数。
    4.辅助电极的加工和清理。
    5.日常的标准化工作。标准样品工作。
    6.最后的测光精度。
通过以上工作条件的选择以后,用标准样品的含量百分数和激发分析元素谱线信号强度,绘制工作线,对测量数据进行整理,求出分析误差。没有误差统计的数据是不科学的,下面简要介绍光谱分析的误差。

§8—1  分析误差及其分类
应用光电直读光谱分析方法测定试样中元素含量时,所得结果与真实含量通常是不一致,总是存在着一定的误差和偏差。这里所讲的误差是指每次测量的数值与真值之间的差值。而偏差是指每次测得的数值与多次测量平均值之差。
根据误差的性质及其产生原因,误差可分为:系统误差(恒定误差)、偶然误差(随机误差)和过失误差三种。
1.系统误差:是指在一定试验条件下由某个或某些因素按照某一确定的规律起作用而形成误差,它决定了测试结果的准确度,系统误差的大小和符号在同一试验中是恒定的,改变试验条件时按照确定的规律变化。重复测定不能发现和减少系统误差,只有改变试验条件才能发现系统误差。
测定结果与真实值偏离的程度越小,测定结果越正确,系统误差就越小,一旦发现系统误差,定要找出原因,设法避免和校正。
2.偶然误差是指由于在测试过程中,一系列的有关因素微小的随机波动而形成的具有相互抵偿性的误差、它决定了测定结果的精密度。在多次分析结果与真实含量比较,是向两个不同方向偏离,这时的误差称偶然误差。偶然误差有时大,有时小,有时正,有时负,但正负的出现的机率基本相等,并且服从高斯分布定律。随着测定次数的增加,正负误差相互抵偿,误差平均值趋向于零。
产生偶然误差的原因很多,要完全清除偶然误差是不可能的。但是通过误差分析,找出产生大误差的环节、采取措施,改进分析方法,缩小偶然误差是可能的。
3.过失误差:这种误差也可以称差错,显然与事实不相符的误差,没有一定的规律性,是由操作不细心、不正确所造成。
不管造成过失误差的具体原因如何,只要确知存在过失误差,就将会在一组测定值数据中以异常值舍弃之。
在光电直读光谱分析过程中,从取样开始到打印出分析数据,是由若干个操作环节组成的,每一环节都产生一定的误差。当无过失误差时(亦即正常操作中),光谱分析的总误差主要是系统误差和偶然误差的总和,便决定了光电直读光谱分析方法的正确度。
分析正确度包含二方面内容:即正确性和再现性。正确性表示分析结果与真实含量的接近程度。系统误差小,正确性高。再现性(精密度)表示多次分析结果的离散程度。当没有系统误差时或系统误差比偶然误差小得多时,精密度就等于正确度。

§8—2  系统误差的来源
1.分析试样和标准样品的性质不同
在做钢铁和合金分析时,分析试样和标准样品的性质不同是经常存在;浇注状态的钢样与经过退火、淬火、回火、热轧、锻压状态的钢样金属组织结构是不相同的;在光电直读光谱分析中的某些元素测定的结果也不相同,从而引入了系统误差。
2.试样中除基体元素和分析元素以外的其他元素。若标样和试样中的第三元素的含量和化学组成不完全相同,亦有可能引起基体线和分析线的强度改变,从而引入误差。
3.光谱标样在化学分析定值时带来的系统误差。
4.未知元素谱线的重叠干扰。例如C193.0nm受铝元素谱线的重叠干扰。在取样时为了脱氧效果好,往往插入少量铝。铝的存在引入系统误差。
5.分析过程中,工作条件的变化没有觉察出来,分析人员的习惯性偏向,读数经常性偏高或偏低,也会产生系统误差。
    以上例举了一些造成系统误差的原因,在实际工作中原因是多方面的。要消除系统误差,必须严格按照标准样品制备规定要求。为了检查系统误差,就需要由化学分析多次校对结果。也可以用同一方法来进行随机抽样检查,找出系统误差的原因和采取措施。


[ 本帖最后由 wccd 于 2010-10-5 13:43 编辑 ]
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§8—3  偶然误差
1.偶然误差的分布曲线
对某一分析样品按照一定的分析方法进行几次分析,可以得到几个不同的分析结果:x1,x2,•••xn。若其平均结果用x表示,则:



为了书写方便,有时将xl+x2+x3十……+xn记作
∑xi;于是上式写成:

测量次数愈多,则;愈接近真值xo真值是样品中某元素的真正含量。当无系统误差时,算术平均值;是真值的最佳估计量,因而是最可信的。

§8—4  误差的表示方法常有算术和均方误差
1.算术平均误差P,所有分析结果误差的绝时值之和,除以分析次数n,即得算术平均误差,亦即:





算式平均误差的缺点是不能表示出各次测量值彼此偏离的大小。因为在一组测量中误差较均匀,而在另一组测量中误差较大(有大中小三种)但各自所得的算术平均误差却可能相同。
2.均方误差(标准偏差)将各次分析结果与它们的平均值之间的误差的平方和,除以分析次数n,再开方得其平方根,称为均方误差或标准偏差。以下式表示:
在有限分析次数中,均方误差应采用

均方误差仅是各次观测值的函数,而且对测定值中的较大误差和较小误差比较灵敏。故均方误差是表示精密度(再现性)的较好参数。光电直读光谱常用含量均方误差和百分含量均方误差。把测得值σ除以含量c再乘上100%,则称之相对均方误差(或称变差系数、波动系数,用RSD表示)
                      RSD=σ/C×100%
许多时候σ也表示为SD ,则RSD为:
RSD=SD/C×100%
均方误差SD值决定误差分布的特性,SD愈小它所对应的曲线中部的峰值愈高,而SD值愈大它所对应的曲线中部变得愈平缓。如一个分析方法具有较小的均方误差,则该方法进行分析时所得数据中具有较小分析误差的次数很多。
误差曲线与通过Iε(如ε=σ,2σ,3σ)的两条垂线所包围的面积就是误差从-ε到+ε范围内出现的几率(可能性)。由误差理论可知,当分析方法的均方误差σ确定以后,每作一次分析,所得结果有68%的可能性不大于x±σ;有95%的可能性不大于x±2σ;有99.7%的可能性不大于x±3σ;

§8—5  偶然误差的来源
了解偶然误差的产生原因,从而寻找减少误差的方法,提高分析准确度,就以光电直读光谱分析而论,偶然误差的主要来源有如下:
1.与样品成分不均匀有关的误差σ1。因为光电光谱分析所消耗的样品很少,样品中元素分布的不均匀性、组织结构的不均匀性,导致不同部位的分析结果不同。不均匀性的主要原因是:
①钢冶炼过程中带人夹杂物。
②在样品熔炼过程中产生的偏析,插铝脱氧造成样品元素分布不均。
③试样加工过程中夹入的砂粒和金属元素,和磨样纹路交叉、试样研磨过热、试样磨面放置时间太长和压上指纹等因素。
④试样在取样冷却过程中的缺陷、气孔、裂纹、砂眼造成激发室气体纯度不高。
2.与激发试样的光源不稳定的误差σ2产生的主要原因是:
①电源电压的波动,光源参数的偶然变化。
②激发光点不稳,电极激发次数多造成长尖现象,改变分析间隙的距离。
③激发氩气电极架的污物清理。
3.与测光有关的误差σ3。产生的主要原因是:
①与电源电压的波动有关,与倍增管的高压电源稳压有关,与放大器的稳定有关。与元素的积分电容、元素通道的稳定有关。综合上述用测光精度指标来衡量。最好达到≤0.2%。
②与选择的分析条件有密切关系。氩气的纯度和流量压力的瞬时变动。予燃、冲洗、积分时间的选择,电学参数的选择等。
根据误差相加定律,光电光谱分析的总误差。是由上述各个单元误差叠加的结果即:

      



由此可知,光电光谱分析总误差中包含着:样品不均匀误差、测光误差、和光源误差三个大部分。除此以外应用电子计算机处理数据以后,计算误差可以忽略不计。
特别应该强调的是:在制作光谱分析标准样品时,用化学分析的结果当作标准值,也同样存在着系统误差问题,所以在制定光电直读分析的总误差时,也包含着化学分析的误差。为了降低分析误差,往往采取重复多次分析的办法来达到。当误差曲线是正态分布时,重复K次的平均结果的误差

式中σ为单次分析误差。
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§8—6  如何缩小光电光谱分析的误差
在光电光谱分析,工作曲线的斜率是很重要的,较高的斜率,对提高分析准确度是有利的。尽量降低总误差中的各个单元误差。要保持分析条件的一致,保证分析的准确度。现从以下几个方面的原因叙述如下。

§8—6—1  分析精度:
分析精度受如下因素影响。
1.光电倍增管和放大器采集系统的精度,在光栅前有一个疲劳灯作光源做试验,称灯曝光试验,可得静态测光精度要小于0.2%。
2.分光系统的信/噪比要大。
3.激发光源的激发稳定性有关。
4.试样元素的分布均匀性有关。

§8—6—2  正确性:
1.仪器本身的按装、调试的正确。
2.共存元素的差别和它们之间的干扰。
3.标样与分析试样品之间状态差别。
4.基体元素的冲淡效应。

§8—6—3  误差主要原因:
1.氩气不纯:当氩气中含有氧和水蒸汽时,使激发斑点变坏。如果氩气管道与电极架有污染物排不出去,或有浊漏时,分析结果变差。
2.试样要求表面平整,当试样放在电极架上时,不能有漏气现象。如有漏气,激发试样的声音不正常。激发斑点变白。
3.分析样品与控制标样的磨纹粗细要一致,不可有交叉纹,磨样用力不要过大,而且用力要均匀,要力求操作一致,用力过大,容易造成试料表面氧化。
4.对高镍铬钢磨样时,要使用新砂轮片磨样。磨纹操作更加要求严格。
5.试样不能有偏析、裂纹、气孔等缺陷,试料要有一定代表性。
6.W电极的顶尖应当具有一定角度使光轴不得偏离中心。放电间隙应当保持不变,否则聚焦在分光仪的谱线强度会改变。重复放电以后,W电极会长尖,改变间隙放电距离。激发产生的金属蒸汽会污染激发。所以必须激发一次后就要用刷子清理电极。
7.透镜内表面用来保持真空,常常受到来自真空泵油蒸汽的污染:外表面受到分析时产生金属蒸汽的附着。使透过率明显的降低,对≤200nm的碳、硫、磷谱线的透过率很显著降低,工作曲线的斜率降低,所以聚光镜要进行定期清理。
8.真空度不够会降低分析灵敏度,特别是≤200nm波长更明显,为此要求真空度达到5X10-2mm/Hg
9.出射狭缝的位置变化受温度的影响最大,因此保持分光室内的恒温系统32C±0.1C很重要还要求室内保持温度一致,使出射狭缝很难偏离。
10.电源电压变化容易引起激发单元的放电电压的改变,电源电压要求10%以内。
11.温度和湿度的变化。室内温度的增加会增加光电倍增管的暗电流、降低信/噪比。湿度大容易产生高压元件的漏电、放电现象,使分析结果产生不稳定。
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