A Parameter Standardization-based Single Sample Calibration Method and Quantitative Analysis of Cement Based on Microwave Plasma Torch

doi:10.7503/cjcu20240157

Abstract

Abstract:

Owing to the stringent requirements for low latency， safety， reliability and cost-effectiveness， there is no suitable technical approach available for online detection of industrial components currently. However， microwave plasma torch（MPT） has the advantages of direct injection， low cost， safety and reliability， which qualify for becoming an essential technique for industrial product online detection. Consequently， we designed experiments on cement composition analysis based on MPT. Meanwhile， as to limited standard samples we use single sample calibration（SSC） for quantitative analysis. However， the simple linear assumption underlying SSC is susceptible to fluctuations in plasma parameters leading to reduced accuracy. To address this issue， we propose an improved SSC algorithm based on parameter standardization（PS-SSC）， which enhances the accuracy of SSC by modifying spectral line intensity through excitation temperature and electron number density adjustments. To evaluate the effectiveness of MPT-based rapid analysis combined with PS-SSC for cement composition analysis， we directly introduced GSB 08-2985-2013 standard cement powder aerosol into MPT and contrasted the effects of different methods. Compared to traditional SSC methodology， the PS-SSC method exhibited significant improvements： the determination coefficient R² of the PS-SSC method was increased from ‒0.81—0.81 to 0.39—0.88， and the average relative error was increased from 4.39%—10.33% to 1.55%—5.83%. The average relative standard deviation increased from 2.89%—9.40% to 2.28%—6.50%， thus demonstrating its potential for online cement component detection.

Key words: Microwave plasma torch, Particulate mass direct injection, Single-sample calibration, Parameter standardization

CLC Number:

O657

TrendMD:

SHAO Yibo, YU Dengjie, LI Yarui, WEI Haoze, JIN Wei, YU Bingwen. A Parameter Standardization-based Single Sample Calibration Method and Quantitative Analysis of Cement Based on Microwave Plasma Torch[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(8): 20240157.

Figures/Tables 9

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Sample	Mass fraction（%）
Sample	Fe₂O₃	MgO	Al₂O₃	SiO₂	CaO
S1	3.31	3.94	6.96	25.49	51.18
S2	3.20	3.70	6.93	24.10	53.59
S3	3.19	3.47	6.56	23.78	54.14
S4	3.05	3.28	6.33	23.30	55.50
S5	3.00	3.13	6.10	23.13	57.08
S6	2.91	2.93	5.82	22.80	58.14
S7	2.83	2.66	5.55	22.56	59.44
S8	2.74	2.47	5.32	22.27	60.63
S9	2.69	2.26	5.09	22.02	61.50
S10	2.58	2.07	4.78	21.81	62.65
S11	2.49	1.85	4.46	21.45	64.01

Sample	Mass fraction（%）
Sample	Fe₂O₃	MgO	Al₂O₃	SiO₂	CaO
S1	3.31	3.94	6.96	25.49	51.18
S2	3.20	3.70	6.93	24.10	53.59
S3	3.19	3.47	6.56	23.78	54.14
S4	3.05	3.28	6.33	23.30	55.50
S5	3.00	3.13	6.10	23.13	57.08
S6	2.91	2.93	5.82	22.80	58.14
S7	2.83	2.66	5.55	22.56	59.44
S8	2.74	2.47	5.32	22.27	60.63
S9	2.69	2.26	5.09	22.02	61.50
S10	2.58	2.07	4.78	21.81	62.65
S11	2.49	1.85	4.46	21.45	64.01

Element	Wavelength of spectral lines^*/nm
Fe	356.538（I）， 357.010（I）， 358.119（I）， 360.886（I）， 361.877（I）， 367.991（I）， 370.557（I）， 372.256（I）， 373.332（I）， 373.486（I）， 373.713（I）， 374.556（I）， 374.826（I）， 374.949（I）， 375.823（I）， 376.379（I）， 381.584（I）， 382.042（I）， 382.444（I）， 382.588（I）， 382.782（I）， 383.422（I）， 385.637（I）， 385.991（I）， 388.628（I）， 392.291（I）， 392.792（I）， 393.030（I）， 404.581（I）， 406.359（I）， 407.174（I）， 427.176（I）， 432.576（I）， 438.354（I）， 440.475（I），
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Si	250.69（I）， 251.432（I）， 251.611（I）， 251.920（I）， 252.851（I）， 288.158（I）
Ca	397.371（I）， 428.301（I）， 428.936（I）， 429.899（I）， 430.253（I）， 430.774（I）， 431.865（I）， 442.544（I）， 443.496（I）， 445.478（I）， 458.587（I）， 487.813（I）， 518.885（I）， 534.947（I）， 558.197（I）， 558.876（I）， 559.447（I）， 559.849（I）， 560.129（I）， 585.745（I）

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Performance index	Component	Origin	OPC	SSC	PS⁃SSC	Performance index	Component	Origin	OPC	SSC	PS⁃SSC
R²	Fe₂O₃	-1.23	0.40	0.67	0.86	ARE（%）	SiO₂	12.80	11.09	9.20	5.83
	MgO	0.61	0.69	0.72	0.85		CaO	11.15	6.82	3.53	1.55
	Al₂O₃	-0.64	-0.17	0.66	0.80	ARSD（%）	Fe₂O₃	8.32	4.69	5.56	4.36
	SiO₂	-5.97	-6.08	-0.81	0.39		MgO	15.24	5.10	9.41	4.49
	CaO	-4.04	0.24	0.81	0.88		Al₂O₃	12.50	7.59	6.22	6.50
ARE（%）	Fe₂O₃	11.48	7.13	4.39	2.81		SiO₂	11.07	2.98	5.16	3.63
	MgO	12.68	8.26	10.33	5.29		CaO	7.67	3.45	2.89	2.28
	Al₂O₃	17.52	14.29	10.15	5.14