دستگاه آنالیز پرتابل یا PMI چگونه کار می‌کند؟

استفاده از آزمون‌های غیرمخرب (NDT) برای بازرسی مواد اولیه، راهکاری سریع و مقرون‌به‌صرفه جهت اطمینان از کیفیت محصولات نهایی است. در بسیاری از صنایع، پیش از صرف هزینه برای ساخت قطعات، تأیید اصالت و آنالیز دقیق متریال اهمیت حیاتی دارد؛ برای مثال، خریداران و تولیدکنندگان پیش از آنکه ورق استیل را در خط تولید وارد کنند، نیاز دارند تا از تطابق ترکیب شیمیایی آن با استانداردهای درخواستی اطمینان حاصل کنند.

دستگاه‌های آنالیز پرتابل PMI، ابزارهای تخصصی برای همین هدف هستند که بدون نیاز به نمونه‌برداری مخرب، ترکیب شیمیایی فلزات را در لحظه گزارش می‌دهند. این دستگاه‌ها نه تنها امکان بررسی دقیق را فراهم می‌کنند، بلکه با ویژگی غیرمخرب بودن، از آسیب رسیدن به ورق‌ها یا قطعات نهایی جلوگیری می‌کنند. در این مطلب قصد داریم شما را با تکنولوژی و نحوه عملکرد دستگاه‌های پرتابل آنالیز فلزات آشنا کنیم.

دستگاه آنالیز پرتابل چیست؟

PMI مخفف عبارت Positive Material Identification است. دستگاه آنالیز پرتابل معمولاً برای تایید ترکیب شیمیایی فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیش از این تست اولتراسونیک برای بازرسی قطعات فلزی را توضیح دادیم که می‌توانید مطالعه کنید. ویژگی اصلی این دستگاه قابل حمل بودن و غیر مخرب بودن آن است. دستگاه PMI از 3 تکنیک برای آنالیز استفاده می‌کند که هر کدام از این روش‌ها ویژگی‌های خاص خود را دارند. در ادامه به بررسی این روش‌‌ها می‌پردازیم.

معرفی دستگاه PMI به روش XRF

دستگاه آنالیز پرتابل به تکنولوژی XFR از پرتو اشعه ایکس برای تعیین ترکیب شیمیایی استفاده می‌کند. XRF یا X-RAY Fluorescence روشی رایج برای تعیین ترکیب شیمیایی مواد است. XRF یکی از روش‌های آنالیز عناصر فولاد آلیاژی است که مقادیر کمی را گزارش می‌کند.

در این روش تابش پرتو اشعه ایکس به سطح مواد و برانگیختن اتم‌ها، سبب انتقال الکترون در لایه‌های مختلف اتمی می‌شود. بخشی از پرتو ایکس جذب نمونه می‌شود و بخشی دیگر سبب خارج شدن الکترون‌ها از مدار خود می‌شود. در اثر خروج این الکترون‌ها، الکترون‌هایی از مدار بالاتر جایگزین آن‌ها می‌شوند که این پدیده باعث به وجود آمدن پرتوی ایکس مشخصه می‌شود. پرتوهای خروجی از بلور مواد و عناصر مختلف، هریک دارای طول موج خاصی هستند که برای هر عنصر منحصر به فرد است. آشکار سازهای موجود در دستگاه PMI این پرتوها را آشکار می‌کنند و سپس با تعیین طول موج این امواج می‌تواند به ترکیب شیمیایی فلزات دست یابد.

معرفی دستگاه PMI به روش OES

فناوری دیگری که در دستگاه آنالیز پرتابل مورد استفاده می‌گیرد، اسپکترومتری نشر نوری (Optical Emission Spectroscopy) است که به کمک آن می‌توان عناصر مختلف، از هیدروژن تا اورانیوم را شناسایی کرد. در این بازه، عنصر کربن که تشخیص آن نیازمند دقت بالایی است، به خوبی توسط دستگاه آنالیز پرتابل شناسایی می‌شود.

کوانتومتری به روش OES در دستگاه آنالیز پرتابل به این صورت است که ابتدا یک پالس ولتاژ بالا سبب یونیزه شدن اتمسفر بین سطح نمونه و دستگاه می‌شود. این اتفاق سبب می‌شود تا این محل دمای بالایی را تجربه کند و ماده تبخیر، اتمیزه و یونیزه شود. پس از آن دستگاه اوپتیک می‌تواند نور بازتاب شده را ثبت کند و آن را به صورت خطوط طیفی، طبقه بندی و اندازه گیری کند. شدت و طول موج نور ساطع شده برای هر عنصر منحصر به فرد است. در نهایت با تحلیل شدت نورها می‌توان میزان عناصر موجود در ترکیب شیمیایی فلزات را محاسبه کرد.

معرفی دستگاه آنالیز پرتابل به روش LIBS

طیف سنجی فروشکست القایی لیزری (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) یکی از روش‌های آنالیز و شناسایی مواد است که از پلاسمای ایجاد شده در سطح استیل برای شناسایی عناصر استفاده می‌کند. این پلاسما از اتم‌ و یون‌های برانگیخته شده سطح استیل ساطع می‌شود که توسط اشعه لیزر القا می‌شوند. در انتهای پالس لیزر دما را تا نزدیک به 30000 کلوین نیز بالا می‌رود.

با پایین آمدن دما و خنک شدن پلاسما اتم‌ها به حالت پایدار خود باز می‌گردند. این امر سبب ساطع شدن نوری با طیف‌های مختلف می‌شود. آشکار ساز تعبیه شده در دستگاه آنالیز پرتابل LIBS این طیف‌ها را آشکار می‌کند. هر عنصر طیف خاص و منحصر به فرد خود را دارد و با تطبیق این طیف‌ها با طیف‌های استاندارد برای هر عنصر می‌توان ترکیب شیمیایی دقیق فلزات را مشخص کرد.

نکاتی در خصوص استفاده از دستگاه آنالیز پرتابل

برای دقت و سرعت بالاتر آنالیز با این دستگاه‌ها، باید مواردی را رعایت کرد. در این بخش برخی از نکات مهم در استفاده از دستگاه PMI را بررسی می‌کنیم:

• به حداقل رساندن ارتعاشات: ثابت نگه داشتن پروب آنالیز کننده روی قطعات و جلوگیری از تکان خوردن آن سبب کاهش خطای اندازه گیری می‌شود.
• تنظیم تراز پروب: با تنظیم درست پروب روی نمونه مورد آزمایش خطای اندازه گیری کاهش می‌یابد
• کالیبراسیون: یکی از راهکارهایی که سبب کاهش خطا در آنالیزها می‌شود، کالیبراسیون به موقع دستگاه است.
• تکرار پذیری نتایج: برای دستیابی به دقت بالاتر بهتر است از چند نقطه از قطعه آنالیز گرفته شود و تکرار پذیری نتایج بررسی شود.
• نگهداری تجهیزات: با بازرسی و رعایت نکات نگهداری دوره‌ای تجهیزات طبق دستور سازنده دستگاه آنالیز پرتابل می‌توان خطای آنالیز را کاهش داد.

محدودیت‌های دستگاه PMI

• تمیز بودن سطح محل مورد بررسی اهمیت زیادی دارد و اگر محل انتخاب شده برای آنالیز تمیز نباشد، دستگاه آنالیز پرتابل نمی‌تواند مقادیر درستی را گزارش کند.
• روش XRF نمی‌تواند میزان فسفر، گوگرد و کربن را به درستی اعلام کند. همچنین این دستگاه نمی‌تواند مواد غیر فلزی را آنالیز کند.
• هنگامی که ابزار اندازه گیری به درستی روی قطعه قرار نگیرد و یا دچار آسیب شده باشد، در حین اندازه گیری مقادیر گزارش شده با مقادیر واقعی متفاوت هستند.

کدام روش PMI برای چه کاربردی مناسب‌تر است؟

یکی از مهم‌ترین سوالات در زمان انتخاب دستگاه آنالیز پرتابل این است که بین روش‌های XRF، OES و LIBS کدام گزینه مناسب‌تر است. پاسخ این سوال به نوع قطعه، عناصر مورد نیاز برای اندازه‌گیری، دقت مورد انتظار و شرایط محیط بازرسی بستگی دارد.

اگر هدف، شناسایی سریع گرید فلزات و تفکیک آلیاژها در انبار، خطوط تولید یا هنگام خرید مواد اولیه باشد، دستگاه‌های XRF معمولاً انتخاب رایج‌تری هستند. این دستگاه‌ها سرعت بالایی دارند، استفاده از آن‌ها ساده‌تر است و برای شناسایی بسیاری از عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، مولیبدن، مس و منگنز عملکرد مناسبی ارائه می‌دهند. به همین دلیل در بازرسی سریع فولادهای زنگ‌نزن، سوپرآلیاژها و آلیاژهای غیرآهنی بسیار پرکاربرد هستند.

در مقابل، اگر اندازه‌گیری دقیق عناصر سبک به‌ویژه کربن، فسفر یا گوگرد اهمیت داشته باشد، روش OES گزینه مناسب‌تری است. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، تفاوت بین برخی گریدهای استنلس استیل یا فولادهای آلیاژی به درصد بسیار کم کربن وابسته است. برای مثال در تشخیص تفاوت بعضی گریدها، دستگاه XRF به تنهایی کافی نیست، زیرا در اندازه‌گیری کربن محدودیت دارد. در چنین شرایطی استفاده از دستگاه PMI مبتنی بر OES می‌تواند انتخاب دقیق‌تری باشد.

روش LIBS نیز در سال‌های اخیر به عنوان گزینه‌ای سریع و قابل حمل مورد توجه قرار گرفته است. این فناوری در مقایسه با XRF در شناسایی برخی عناصر سبک عملکرد بهتری دارد و برای بعضی کاربردهای میدانی می‌تواند بسیار مفید باشد. با این حال، دقت نهایی آن به شرایط سطح، نوع آلیاژ و کیفیت کالیبراسیون دستگاه وابسته است. به همین دلیل در پروژه‌های حساس، باید قابلیت‌های واقعی هر دستگاه LIBS به صورت موردی بررسی شود.

به طور کلی می‌توان گفت:

• XRF برای شناسایی سریع آلیاژها و بازرسی میدانی روزمره بسیار مناسب است.
• OES برای آنالیز دقیق‌تر و اندازه‌گیری کربن و برخی عناصر سبک انتخاب بهتری است.
• LIBS می‌تواند راهکاری سریع و منعطف برای بعضی کاربردهای پرتابل باشد، به‌ویژه زمانی که تشخیص عناصر سبک نیز مدنظر باشد.

در نتیجه، بهترین دستگاه PMI لزوماً پیشرفته‌ترین دستگاه نیست، بلکه دستگاهی است که با نیاز واقعی بازرسی، نوع آلیاژ و دقت مورد انتظار هماهنگ باشد.

مزایای دستگاه پرتابل آنالیز فلزات

• قابل حمل بودن: این ویژگی را می‌توان یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های دستگاه آنالیز پرتابل دانست. گاهی اوقات نمونه مورد آزمایش دارای ابعاد بزرگی است و یا در محلی نصب شده و قابل جابجایی نیست. در این شرایط نمی‌توان این نمونه را برای تست و آنالیز به آزمایشگاه برد. در این موارد می‌توان از دستگاه PMI استفاده کرد.
• سرعت بالا: دستگاه آنالیز پرتابل سرعت بسیار زیادی در انجام آنالیز عناصر آلیاژی دارد. این عامل سبب می‌شود تا زمان انجام این آزمایش کم شود و به راحتی آنالیز نمونه مورد نظر را به دست آورد.
• دقت بالا: دقت بالای این دستگاه سبب شده‌است تا مقادیر گزارش شده توسط آن قابل اعتماد باشند.
• غیر مخرب بودن: عامل دیگری که سبب کاربرد بسیار گسترده این دستگاه می‌شود، این است که می‌توان قطعات را بدون نیاز به تخریب آنالیز کرد. از بسیاری از قطعات صنعتی به دلیل نخریب شدن کل قطعه، نمی‌توان نمونه برداری کرد. دستگاه آنالیز PMI می‌تواند در این شرایط نقش بسیار موثری داشته باشد.

سخن آخر

دستگاه آنالیز پرتابل ابزاری کاربردی است که می‌توان از آن در کنترل کیفیت محصولات استفاده کرد و به کمک آن ترکیب شیمیایی مواد اولیه و قطعات فلزی را بررسی کرد. دقت و سرعت بالای این دستگاه در کنار قابلیت حمل آسان باعث شده است که برای تعیین ترکیب شیمیایی قطعات صنعتی با ابعاد بزرگ، مانند لولۀ استیل، بسیار مورد استفاده قرار گیرد. هرچند این دستگاه محدودیت‌هایی دارد و ممکن است برای آنالیز همه عناصر مناسب نباشد، اما در بررسی قطعات استیل، به‌ویژه لوله‌های استیل، می‌تواند ابزاری بسیار کاربردی و قابل اعتماد باشد.