Технические параметры анализаторов углерода и серы

С помощью анализаторов углерода и серы можно определять их процентное содержание посредством анализа продуктов сжигания проб металлов, сплавов и других твёрдых образцов. Иногда это сложный вопрос - как выбрать анализатор углерода и серы под конкретную задачу? Эти приборы могут отличаться методами сжигания образца, исследования продуктов горения и другими характеристиками. В этой статье мы расскажем про ключевые технические параметры таких приборов, и как они влияют на возможность исследования тех или иных образцов.

Ключевые технические параметры анализаторов углерода и серы

1. Метод сжигания

В анализаторах серы и углерода существует два метода сжигания – в индукционной печи и печи сопротивления. Какой способ лучше, зависит от исследуемого материала. Для металлов и сплавов оптимальным является индукционный метод. Рабочая температура в индукционном нагревателе более 1700 С. В комбинации с кислородной атмосферой и специальными плавнями можно изучать практически любые сплавы. Кроме того, многие российские ГОСТы и международные нормы прямо требуют индукционный нагрев или температуру сжигания более 1700 С. Например, стандарт на никелевые сплавы (ГОСТ 24018.7 – 91) и на легированные стали (ГОСТ 12345-2001, ГОСТ 12344-2003).

Для анализа органических материалов лучше подходит печь сопротивления. В этом случае максимальная температура может достигать 1500 С (на практике работают до 1400 С). Сжигание в печи сопротивления имеет медленный характер, что важно для исследования органических материалов. Если попытаться проанализировать органический образец в индукционной печи, то из-за быстрого нагрева может произойти не сгорание, а вскипания образца и выброс в систему воды (что приведет к загрязнению тракта) или образование метана (что может вызвать взрыв в анализаторе и повреждение дорогостоящих узлов). Ряд материалов можно анализировать как в печи сопротивления, так и в индукционном нагревателе. К таким материалам относятся, например, огнеупоры (ГОСТ 2642.15-2021) и ферросплавы (ГОСТ 27069-86). Стоит отметить, что согласно российским ГОСТам в печи сопротивления допускается анализировать низколегированные стали и чугуны. Однако из нашего опыта не рекомендуем этого делать, так как процесс сжигания сильно засоряет тракт анализатора с печью сопротивления. Индукционный анализатор в данном случае более удобен в работе. Кроме того, согласно международным стандартам, низколегированные стали и чугуны также надо анализировать только в анализаторе с индукционным нагревом.

2. Метод анализа

Кулонометрический метод определения доли углерода и серы предполагает пропускание продуктов сжигания исследуемого образца через специальные химические растворы и подсчет электрического заряда. Данный метод обладает высокой точностью. Классические анализаторы АН7529М, АС7932 и АН-7560 обладают низким среднеквадратичным отклонением по сравнению с многими современными приборами. Кроме того, метод дает абсолютное значение концентрации серы и углерода, а не отношение к измеренной концентрации стандартного образца. Однако этот метод уже не применяется в анализаторах углерода (за исключением упомянутых моделей) из-за сложности подготовки химических реактивов, посуды перед экспериментом, чистки анализатора.

В современных анализаторах применяется метод недисперсионной ИК спектроскопии. В данном методе исследуется содержание продуктов горения: двуокиси углерода и серы, - по спектрам их ИК-поглощения. Метод значительно проще в реализации, чем кулонометрия, и при этом даёт достаточный уровень точности для работы в соответствии со всеми актуальными ГОСТами.

3. Диапазон измерений

Каждый тип образцов для анализа может содержать углерод и серу в границах, которые определяются Государственными Стандартами для соответствующих материалов. Если диапазон измерений анализатора совпадает с заданным ГОСТом или больше – то прибор подходит для исследования данного материала. Ниже приведём примеры стандартных материалов и диапазонов процентов углерода и серы, которые должны в них выявляться в соответствии с ГОСТами.

Для жаропрочных сплавов на никелевой основе

углерод: 0.001% - 0.1%

сера: 0.001% - 0.02%

Для легированных и высоколегированных сталей (метод ИК-спектрометрии)

углерод: 0.001% - 2%

сера: 0.001% - 0.5%

Для железа прямого восстановления

углерод: 0.05% – 2.5%

сера: 0.001% - 0.055%

Для углеродистой стали и чугуна нелегированного

углерод: 0.01% - 5%

сера: 0.002% - 0.3%

Для ферросплавов, хрома и марганца металлических

углерод: 0.01% - 10%

сера: 0.002% - 0.6%

Для огнеупоров и огнеупорного сырья

углерод: 0.03% - 20%

сера: 0.002% - 0.6%

Если заявленный диапазон измерений выбранного анализатора углерода и серы равен или больше, чем указанный здесь для интересующего материала, - то прибор для измерений подходит.

4. Предельное значение среднеквадратического отклонения измерений

Каждый государственный стандарт содержит таблицу возможных погрешностей результатов измерений. Например, в ГОСТ 22536.1-88 (сталь углеродистая и чугун нелегированный, определение углерода и графита) погрешность результатов анализа (при доверительной вероятности 0.95) не должна превышать предела Δ, приведённого в соответствующей таблице:

Чтобы понять, подходит ли наш прибор для работы с указанными в ГОСТе материалами, сначала надо определить наименьшую допускаемую в таблице относительную погрешность. Проверяя максимумы в каждой строке, заметим, что наименьшей она будет для диапазона 2.0 – 5.0. Для него она равна 0.08 / 5 = 0.016 или 1.6%.

Эта относительная погрешность будет складываться из погрешности измерений прибора + погрешности в точности стандартного образца. Но при выборе анализатора углерода и серы мы можем проверить только его возможности, поэтому для упрощения на данном этапе пренебрежём другими отклонениями.

Если мы знаем среднеквадратичное отклонение, то доверительные границы случайной погрешности результата серии измерений мы можем найти по формулам:

В этой формуле t – это коэффициент Стьюдента при количестве измерений n. Для доверительной вероятности 0.95 и количества измерений, скажем, 5, коэффициент Стьюдента будет равен 2.8. Соответственно, погрешность результата будет равна среднеквадратичному отклонению, помноженному на коэффициент 2.8/√5, что примерно равно 1.25.

Тогда, чтобы получилась ранее найденная из таблицы погрешность 0.016 или 1.6%, среднеквадратичное отклонение результатов измерений у прибора должно быть не более, чем 0.016 / 1.25 = 0.0128 или 1.28%.

Этот же метод можно использовать для проверки точности анализатора углерода и серы на соответствие требованиям других ГОСТов. В принципе, там всё похоже. Если среднеквадратическое отклонение измерений прибора где-то в районе 1% или меньше, то его результаты будут соответствовать требованиям большинства стандартов. А если от 2% и выше – то уже не всегда, что мы видели на примере сталей и чугуна.

5. Объем пробы

Максимальный объем образца, который может быть обработан за один цикл анализа. Иногда этот параметр тоже может иметь значение. Больший объем пробы может потребоваться для анализа крупнозернистых или неоднородных материалов, чтобы обеспечить репрезентативность результатов.

Однако в большинстве стандартов на часто исследуемые материалы указывается вес пробы около 0.5 г. Или не указывается вообще с пометкой «в соответствии с инструкцией прибора». Поэтому если выбранный анализатор позволяет взять пробу весом до 1 г – в подавляющем большинстве случаев этого с запасом хватит для получения достоверных данных.

Заключение

Есть у газовых анализаторов и другие параметры.

Например, низкое энергопотребление способствует снижению эксплуатационных затрат и экологической нагрузки.

Компактные и легкие анализаторы удобны для установки в ограниченных пространствах и мобильных лабораториях.

Малое минимальное время анализа повышает производительность лаборатории и снижает затраты времени на исследование больших партий образцов.

А современные интерфейсы связи обеспечивают быструю передачу данных и интеграцию с автоматизированными системами управления качеством.

Но все эти моменты очень важны для удобства работы с прибором. А вот шесть параметров, перечисленных в предыдущем разделе, являются ключевыми, т.к. они будут принципиально ограничивать возможность получить достоверные результаты для тех или иных образцов. Надеемся, наша статья будет вам полезна при необходимости купить анализатор углерода и серы! Если будут вопросы или замечания по данному материалу, будем рады видеть ваши заметки на почте: info@chermeta.ru.

Удачных измерений, коллеги!