ЦИФРОВОЙ АНАЛИТИЧЕСКИЙ БЛОК ДЛЯ РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ

Полезная модель относится к области рентгеновского приборостроения и может быть использована в приборах для экспрессного анализа состава различных веществ.
Известен анализатор, позволяющий измерять интенсивность и качественно определять спектральный состав люминесценции исследуемого объекта [Бердников С.Л. Зеликин Я.М. Трушин В.М. Портативный люминесцентный анализатор ЛИГА-ЭФ, Приборы и техника эксперимента, 1982, №1, с. 265]. Прибор содержит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с выходным усилителем, сигнал от которого поступает на микроамперметр, измеряющий относительную величину сигнала. Элементный состав исследуемого образца определяется посредством сравнения показаний микроамперметра с эталонной люминесцирующей пластинкой.
В известном анализаторе диапазон контроля и точность измерения количественного состава ограничиваются разрешающей способностью и пределами измерения микроамперметра. Кроме того, для получения достоверных результатов контроля необходим набор люминесцирующих пластинок-эталонов, имеющих близкий элементный состав с исследуемым объектом, что ограничивает функциональные возможности прибора при проведении люминесцентного анализа различных образцов.
Известен также люминесцентный анализатор, содержащий оптическую систему для регистрации люминесценции, фотоприемник на основе ФЭУ, умножитель напряжения питания ФЭУ, усилитель выходного сигнала ФЭУ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и источники питания [Бердников С.Л., Бобкова И.С, Зеликин Я.М., Трушин В.М. Портативный люминесцентный анализатор. Патент РФ №2085911, МПК G01N 9/04, G01N 21/64].
В процессе контроля люминесцентное излучение от образца проходит через оптическую систему с набором светофильтров на ФЭУ, для питания которого применяется умножитель напряжения питания. Электрический сигнал с выхода ФЭУ поступает на вход усилителя, выходное напряжение которого кодируется с помощью АЦП, а полученный код поступает на цифровой индикатор. Для получения сопоставимых результатов контроля в данном анализаторе также применяется люминесцирующая пластинка-эталон.
На точность данного устройства оказывают влияние внешняя засветка образца и нестабильность напряжения смещения усилителя. Кроме того, при постоянном коэффициенте усиления усилителя и напряжении питания ФЭУ диапазон преобразования излучения ограничивается в пределах 40 дБ, что не позволяет точно определять состав веществ с относительно низкой или высокой концентрацией элементов. Практически для контроля разных примесей нужно иметь соответствующие люминесцирующие элементы на пластинке-эталоне, имеющие близкий элементный состав с исследуемым объектом, что ограничивает функциональные возможности устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототипом) является люминесцентный анализатор, содержащий фотоприемник на основе ФЭУ, подключенный к преобразователю фототока в напряжение, генератор импульсов, мультиплексор, блок сравнения, источник опорного напряжения, блок масштабирования, блок управления, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, высоковольтный модуль, блок регулировки высоковольтного модуля, блок контроля высокого напряжения и блок интерфейса [Санников Д.П., Иванов Ю.Б., Зенин А.Ю., Люминесцентный анализатор. Патент РФ №153469, МПК G01J 1/32, G01N 21/64].
Х
X
X
ПОР1
X
ПОР2
В процессе работы данного устройства импульсы люминесцентного потока излучения Ф поступают на вход фотоэлектронного умножителя, который формирует импульсы фототока I, из которых преобразователем фототока в напряжение формируются импульсы напряжения U. Эти импульсы проходят через мультиплексор, усиливаются блоком масштабирования и сравниваются блоком сравнения с выходным напряжением цифроаналогового преобразователя. Блок сравнения формирует на выходе уровень "Лог. 1" только при выполнении условия U≤U≤U. Блок управления 9 на основе микропроцессора задает длительность цикла измерения, в течение которого выполняется счет количества срабатываний блока сравнения, которое прямо пропорционально процентному содержанию исследуемых элементов в контролируемом образце.
Основным недостатком такого устройства является наличие ложных срабатываний при регистрации искаженных и спаренных импульсов. Данный недостаток был выявлен в результате испытаний на спектрометре СРМ-35 НПАО «Научприбор».
Задачей полезной модели является повышение точности результатов измерений путем обнаружения и предотвращения регистрации искаженного сигнала, а также путем повышения отношения «сигнал/шум» при контроле количественного и качественного элементного состава веществ.
Поставленная задача решается тем, что в упомянутый выше люминесцентный анализатор дополнительно введены пропорциональный счетчик, предварительный усилитель-формирователь, стабилизированный источник питания для предварительного усилителя-формирователя и блок блокировки искаженных импульсов. Пропорциональный счетчик подключен к предварительному усилителю-формирователю. Усилитель-формирователь подключен к первому входу мультиплексора, выход которого через блок масштабирования соединен с входом аналого-цифрового преобразователя и с первым входом блока сравнения, второй вход блока сравнения подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого соединен с источником опорного напряжения. Выход блока сравнения через блок блокировки искаженных импульсов подключен к первому входу блока управления, второй вход блока управления соединен с информационным выходом аналого-цифрового преобразователя, а третий вход блока управления через блок контроля высокого напряжения соединен с выходом высоковольтного модуля, вход которого через блок регулировки высоковольтного модуля подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого через генератор импульсов и блок самодиагностики соединен со вторым входом мультиплексора. Кроме того, третий, четвертый, пятый шестой, седьмой и восьмой выходы блока управления подключены соответственно к управляющим входам цифроаналогового преобразователя, блока самодиагностики, мультиплексора, блока масштабирования, блока сравнения и аналого-цифрового преобразователя, а девятый выход блока управления через интерфейсный блок RS-485 соединен непосредственно с внешней ПЭВМ.
На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.
Цифровой аналитический блок для рентгенофлуоресцентных спектрометров (далее: аналитический блок) содержит: пропорциональный счетчик 1, который через предварительный усилитель-формирователь 2 соединен с первым входом мультиплексора 3, второй вход которого подключен к блоку самодиагностики 4. Выход мультиплексора 3 через блок масштабирования 5 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6 и первым входом блока сравнения 7, второй вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 8, а выход блока сравнения 7 через блок блокировки искаженных импульсов 16 подключен к первому входу блока управления 9, второй вход которого подключен к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя 6. Первый выход блока управления 9 через блок регулировки высоковольтного модуля 10 подключен к управляющему входу высоковольтного модуля 11, первый выход которого соединен с входом питания пропорционального счетчика 1, а второй выход через блок контроля высокого напряжения 12 подключен к третьему входу блока управления 9. Второй выход блока управления 9 через генератор импульсов 13 соединен с блоком самодиагностики 4. Третий выход блока управления 9 подключен к управляющему входу цифроаналогового преобразователя 8, аналоговый вход которого соединен с источником опорного напряжения 14. Четвертый выход блока управления 9 подключен к управляющему входу блока самодиагностики 4, пятый выход блока управления 9 соединен с управляющим входом мультиплексора 3, шестой выход блока управления 9 подключен к управляющему входу блока масштабирования 5, седьмой выход блока управления 9 соединен с управляющим входом блока сравнения 7, а восьмой выход блока управления 9 подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 6. Информационный девятый выход блока управления 9 через интерфейсный блок 15 соединен с выходом устройства. Выход стабилизированного источника питания 17 для предварительного усилителя формирователя соединен с входом предварительного усилителя-формирователя.
Х
X
X
ЦАП
ПОР1
ПОР2
ЦАП
ПОР1
ПОР2
ПОР1
X
ПОР2
X
ПОР1
ПОР2
Принцип работы аналитического блока основан на возбуждении рентгеновским излучением исследуемых образцов и измерении энергии импульсов характеристического излучения, амплитудой которых определяется элементный состав вещества. В процессе работы импульсы характеристического рентгеновского излучения Ф через кристалл-дифракционную систему спектрометра поступают на вход пропорционального счетчика 1, который формирует импульсы тока I, из которых предварительный усилитель-формирователь 2 формирует импульсы напряжения U. Эти импульсы проходят через мультиплексор 3, усиливаются блоком масштабирования 5 и сравниваются блоком сравнения 7 с выходным напряжением U цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 8. Блок сравнения 7 содержит два аналоговых компаратора, имеющих два пороговых уровня напряжения срабатывания U и U, разность которых ΔU=U-U равна ступени квантования ЦАП 8. При этом блок сравнения 7 формирует на выходе уровень "Лог. 1" только при выполнении условия U≤U≤U, т.е. когда амплитуда импульсов напряжения U превышает нижний пороговый уровень U и находится ниже верхнего порогового уровня U. Блок блокировки искаженных импульсов 16 предотвращает ложные срабатывания блока сравнения, вызванные эффектом наложения импульсов. Блок управления 9 на основе микропроцессора задает длительность цикла измерения в пределах 0,1 с - 10 мин, в течение которого выполняется счет количества срабатываний блока сравнения 7, которое прямо пропорционально процентному содержанию исследуемых элементов в контролируемом образце.
Повышение точности измерения в предлагаемом аналитическом блоке обеспечивается за счет автоматической коррекции погрешностей, реализуемой по командам блока управления 9 перед началом цикла измерений, введение блока блокировки искаженных импульсов, а также за счет снижения общей длины линий связи - введения концепции моноблока. Процесс коррекции выполняется для компенсации начального уровня интенсивности шумовых импульсов перед подачей рентгеновского излучения на контролируемый образец. Данное значение хранится в памяти блока управления 9 и используется для введения поправки в результаты дальнейших измерений. Блок блокировки искаженных импульсов детектирует импульсы напряжения, фронт нарастания которых начинается выше линии «условного нуля». При наличии таких импульсов автоматически блокируется работа счетчиков импульсов (составная часть блока управления). Размещение всех систем аналитического блока на шасси пропорционального счетчика позволило исключить из конструкции кабельные линии связи, тем самым улучшив параметры электромагнитной совместимости и повысив отношение «сигнал/шум».
X
ЦАП
Расширение диапазона измерения в аналитическом блоке достигается за счет регулирования и стабилизации высоковольтного напряжения питания фотоприемника излучения, которое выполняется блоком регулировки высоковольтного модуля 10 и блоком контроля высокого напряжения 12 по команде блока управления 9. Предварительная установка уровня высокого напряжения производится по командам программного обеспечения ПЭВМ. Повышением напряжения на выходе высоковольтного модуля И увеличивается коэффициент газового усиления пропорционального счетчика 1 при исследовании характеристического рентгеновского излучения с низкой энергией квантов, а при исследовании характеристического рентгеновского излучения с высокой энергией квантов коэффициент газового усиления пропорционального счетчика 1 ослабляется путем понижения напряжения на выходе высоковольтного модуля 11. Одновременно с изменением коэффициента газового усиления пропорционального счетчика 1 блок управления 9 переключает коэффициент усиления блока масштабирования 5, чтобы обеспечить сравнение исследуемого U и порогового U напряжений в вольтовом диапазоне. Этим ослабляется влияние температурной нестабильности уровней срабатывания компараторов в блоке сравнения 7 на достоверность результатов контроля.
Применение интерфейсного блока RS-485 15 в предлагаемом цифровом аналитическом блоке для рентгенофлуоресцентных спектрометров позволяет реализовать дистанционное управление и перепрограммирование памяти блока управления 9 для решения различных исследовательских задач и анализа состава сложных веществ, а также позволило объединить несколько аналогичных блоков в одну сеть.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на его соответствие условию патентоспособности "новизна".
Промышленная применимость предлагаемого анализатора обусловлена наличием современной элементной базы: предварительный усилитель-формирователь, блок масштабирования и блок самодиагностики реализованы на микросхемах усилителей AD8031ART и NE5539D с резисторами с низким ТКС в обратной связи, мультиплексор - на микросхеме ADG1219, источник опорного напряжения - на микросхеме ADR530B, блок контроля высокого напряжения - на резистивном делителе напряжения с компаратором встроенном в микроконтроллер, блок регулировки высокого напряжения и высоковольтный модуль - на микросхеме UC3845D, высоковольтных чип-конденсаторах и диодах, блок управления и блок интерфейса - на микроконтроллере ATXmega256A3U.
В предложенном аналитическом блоке обеспечивается выигрыш в точности за счет автоматической коррекции результатов контроля, предотвращения регистрации спаренных и искаженных импульсов, а также снижения длины электрических линий связи при расширении диапазона контроля регулировкой коэффициента газового усиления пропорционального счетчика и коэффициента усиления блока масштабирования. В процессе предварительных испытаний на спектрометре СРМ-35-16 зав. №1 (НПАО «Научприбор») установлено, что применение указанных алгоритмов работы и примененной компоновки позволяет повысить энергетическое разрешение пропорционального счетчика до уровня менее 22% (для канала Mn Kα), а также выполнять исследования состава веществ с погрешностью не более ±0,2% (основная погрешность СИ СРМ-35). Кроме того, предусмотрена возможность изменения алгоритмов работы по командам внешней ПЭВМ, что позволяет повысить универсальность применения предлагаемого цифрового аналитического блока. Все это подтверждает решение поставленной технической задачи с достижением указанного в полезной модели назначения.