ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована в приборах для экспрессного люминесцентного анализа состава различных веществ и контроля качества сельхозпродукции.
Известен люминесцентный анализатор, позволяющий измерять интенсивность и качественно определять спектральный состав люминесценции исследуемого объекта. 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 (см. Бердников С.Л. Зеликин Я.М. Трушин В.М. Портативный люминесцентный анализатор ЛИГА-ЭФ, Приборы и техника эксперимента, 1982, №1, с. 265).
Недостатком является то, что 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 (см. Патент РФ №2085911, МПК G01N 9/04, G01N 21/64, опубликован 1997 г.).
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.
Недостатком данного устройства является то, что на точность 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 является люминесцентный анализатор, содержащий фотоприемник на основе ФЭУ, подключенный к преобразователю фототока в напряжение, генератор импульсов, мультиплексор, блок сравнения, источник опорного напряжения, блок масштабирования и блок управления, а также аналоговые интеграторы и блок выборки-хранения напряжения (см. патент РФ №2094777, МПК G01N 21/64, G01J 3/443, G01J 3/42, публ. 1997 г.).
В процессе работы этого устройства люминесцентное излучение регистрируется ФЭУ, и его выходной сигнал в виде импульсов тока поступает на преобразователь тока в напряжение, затем проходит через мультиплексор и блок масштабирования на блок сравнения с опорным напряжением. При этом основные функциональные преобразования сигнала выполняются с помощью коммутации интеграторов и аналогового блока выборки-хранения. Настройку анализатора проводят на холостой и эталонной пробе: на холостой пробе компенсируют влияние напряжения начального смещения путем его запоминания в блоке выборки-хранения, а на эталонной пробе регулируют коэффициент усиления сигнала - интегратором выделяют вольт-секундную площадь импульсов люминесценции и сравнивают ее с опорным напряжением. Блок управления и генератор импульсов служат для формирования управляющих воздействий, подаваемых на функциональные узлы прибора.
К недостаткам такого устройства относится сравнительно низкая точность преобразования, так как для компенсации влияния внешнего фона и напряжения смещения усилительных элементов используется аналоговая коррекция погрешности, реализуемая блоком выборки-хранения, на работу которого влияют коммутационные выбросы ключевых элементов в моменты выборок и разряд накопительного конденсатора в процессе хранения зафиксированного значения напряжения. Кроме того, отсутствие регулировки чувствительности фотоприемника не позволяет реализовать люминесцентный контроль процентного состава веществ в широком динамическом диапазоне.
Технической задачей полезной модели является создание люминесцентного анализатора, с повышенной точностью и расширенным динамическим диапазоном контроля количественного элементного состава веществ.
Техническая задача решается тем, что в люминесцентный анализатор, содержащий фотоприемник, подключенный к преобразователю тока в напряжение, генератор импульсов, мультиплексор, блок сравнения, источник опорного напряжения, блок масштабирования и блок управления, дополнительно введены блок самодиагностики, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, высоковольтный модуль, блок регулировки высоковольтного модуля, блок контроля высокого напряжения и блок интерфейса. При этом фотоприемник через преобразователь тока в напряжение подключен к первому входу мультиплексора, выход которого через блок масштабирования соединен с входом аналого-цифрового преобразователя и с первым входом блока сравнения, второй вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, аналоговый вход которого соединен с источником опорного напряжения. Выход блока сравнения подключен к первому входу блока управления, второй вход которого соединен с информационным выходом аналого-цифрового преобразователя, а третий вход блока управления через блок контроля высокого напряжения соединен с входом питания фотоприемника и 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 блок интерфейса соединен с выходом устройства для связи с внешней ПЭВМ.
На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.
Люминесцентный анализатор содержит фотоприемник 1, который через преобразователь 2 тока в напряжение соединен с первым входом мультиплексора 3, второй вход которого подключен к блоку 4 самодиагностики. Выход мультиплексора 3 через блок 5 масштабирования соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 6 и первым входом блока 7 сравнения, второй вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя 8, а выход блока 7 сравнения подключен к первому входу блока 9 управления, второй вход которого подключен к информационному выходу аналого-цифрового преобразователя 6. Первый выход блока 9 управления через блок 10 регулировки высоковольтного модуля подключен к управляющему входу высоковольтного модуля 11, выход которого соединен с входом питания фотоприемника 1, а также через блок 12 контроля высокого напряжения подключен к третьему входу блока 9 управления. Второй выход блока 9 управления через генератор 13 импульсов соединен с блоком 4 самодиагностики. Третий выход блока 9 управления подключен к управляющему входу цифроаналогового преобразователя 8, аналоговый вход которого соединен с источником 14 опорного напряжения. Четвертый выход блока 9 управления подключен к управляющему входу блока 4 самодиагностики, пятый выход блока 9 управления соединен с управляющим входом мультиплексора 3, шестой выход блока 9 управления подключен к управляющему входу блока 5 масштабирования, седьмой выход блока 9 управления соединен с управляющим входом блока 7 сравнения, а восьмой выход блока 9 управления подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя 6. Информационный девятый выход блока 9 управления через блок 15 интерфейса соединен с выходом устройства.
Х
Х
Х
ЦАП
ПОР1
ПОР2
ЦАП
ПОР1
ПОР2
ПОР1
Х
ПОР2
Х
ПОР1
ПОР2
Принцип работы люминесцентного анализатора основан на возбуждении рентгеновским излучением исследуемых образцов и измерении энергии импульсов люминесценции, амплитудой которых определяется элементный состав вещества. В процессе работы импульсы люминесцентного потока излучения Ф поступают на вход фотоприемника 1, содержащего фотоэлектронный умножитель или пропорциональную камеру, который формирует импульсы тока I, из которых преобразователем тока 2 в напряжение формируются импульсы напряжения U. Эти импульсы проходят через мультиплексор 3, усиливаются блоком 5 масштабирования и сравниваются блоком 7 сравнения с выходным напряжением U цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 8. Блок 7 сравнения 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 7 сравнения 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 9 управления на основе микропроцессора задает длительность цикла измерения в пределах 0,1 с - 10 мин, в течение которого выполняется счет количества срабатываний блока 7 сравнения, которое прямо пропорционально процентному содержанию исследуемых элементов в контролируемом образце.
СМ
СМ
ЦАП
ЦАП
Х
Х
Повышение точности контроля в предлагаемом люминесцентном анализаторе обеспечивается за счет автоматической коррекции погрешностей, реализуемой по командам блока 9 управления перед началом цикла измерений. Процесс коррекции выполняется, во-первых, для компенсации начального уровня засветки фотоприемника перед подачей рентгеновского излучения на контролируемый образец. При этом выходное напряжение смещения U преобразователя 2 тока в напряжение подается через мультиплексор 3 и блок 5 масштабирования на вход аналого-цифрового преобразователя 6 для формирования начального кода N, который хранится в памяти блока 9 управления и используется для введения поправки в результаты дальнейших измерений. В следующем такте коррекции блок 9 управления подключает блок 4 самодиагностики через мультиплексор 3 к входу блока 5 масштабирования, запускает генератор 13 импульсов и устанавливает в нем заданную длительность и частоту импульсов. Амплитуда этих импульсов регулируется в блоке 4 самодиагностики и устанавливается аналогичной амплитуде импульсов люминесценции исследуемого вещества. После этого по командам блока 9 управления начинают увеличиваться значения кода, подаваемого на ЦАП 8, что приводит к ступенчатому нарастанию его выходного напряжения U до момента срабатывания блока 7 сравнения, т.е. до появления уровня “Лог. 1” на его выходе. После срабатывания блока 7 сравнения прекращается изменение напряжения U на выходе ЦАП 8, которое в дальнейшем используется в качестве порогового напряжения - уставки блока 7 сравнения. На этом режим калибровки заканчивается, и выполняется цикл измерения выходного напряжения U преобразователя 2 тока в напряжение, пропорционального импульсам потока люминесценции Ф исследуемого вещества.
Х
ЦАП
Расширение динамического диапазона измерения в предлагаемом люминесцентном анализаторе достигается за счет регулирования и стабилизации высоковольтного напряжения питания фотоприемника излучения, которое выполняется блоком регулировки высоковольтного модуля 10 и блоком 12 контроля высокого напряжения по команде блока 9 управления. Повышением напряжения на выходе высоковольтного модуля 11 увеличивается чувствительность фотоприемника 1 на основе ФЭУ при исследовании образцов с малой концентрацией исследуемых элементов, а при анализе веществ с большой концентрацией чувствительность фотоприемника 1 ослабляется путем понижения напряжения на выходе высоковольтного модуля 11. Одновременно с изменением чувствительности фотоприемника 1 блок 9 управления переключает коэффициент усиления блока 5 масштабирования, чтобы обеспечить сравнение исследуемого U и порогового U напряжений в вольтовом диапазоне. Этим ослабляется влияние температурной нестабильности уровней срабатывания компараторов в блоке 7 сравнения на достоверность результатов контроля.
Для расширения функциональных возможностей в предлагаемом люминесцентном анализаторе предусмотрены два режима работы, которые задаются оператором через блок 15 интерфейса от внешней ПЭВМ.
ЦАП
Первый режим работы предназначен для исследования элементного состава контролируемых образцов. При этом по командам блока 9 управления, поступающим на управляющие входы ЦАП 8, формируются ступенчато нарастающие ступени напряжения U в диапазоне измерения. При наличии нескольких элементов в исследуемом веществе блок 7 сравнения срабатывает несколько раз и формирует выходной сигнал “Лог. 1” при разных уровнях выходного напряжения ЦАП 8, значения которых определяются потоками люминесцентного излучения отдельных элементов, входящих в состав контролируемого образца.
Второй режим работы предназначен для количественной оценки содержания конкретных элементов в образцах. При этом устанавливается расчетное постоянное значение напряжения на выходе ЦАП 8, которое не изменяется в течение длительности цикла контроля, и по числу срабатываний блока 7 сравнения можно судить о количественном или процентном содержании конкретного элемента в составе исследуемого вещества.
Применение блока 15 интерфейса в предлагаемом люминесцентном анализаторе позволяет реализовать дистанционное управление и перепрограммирование памяти блока 9 управления для решения различных исследовательских задач и анализа состава сложных веществ.
Промышленная применимость предлагаемого анализатора обусловлена наличием современной элементной базы: в фотоприемнике можно использовать ФЭУ-85; преобразователь тока в напряжение, блок масштабирования и блок самодиагностики реализовать на микросхемах усилителей AD8031ART с резисторами в обратной связи, мультиплексор - на микросхеме ADG1219, АЦП - на микросхеме AD1175, цифроаналоговый преобразователь - на микросхеме AD8400AR, 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 высоковольтном источнике питания типа 2М12-Р0.8, блок управления и блок интерфейса - на микроконтроллере ATXmega256A3U.
В предложенном анализаторе обеспечивается выигрыш в точности за счет автоматической коррекции результатов контроля и ослабления внешней засветки при расширении диапазона контроля регулировкой чувствительности ФЭУ и коэффициента усиления блока масштабирования. Экспериментально установлено, что применение 12-разрядного ЦАП позволяет скомпенсировать влияние внешней засветки и начального напряжения смещения до уровня менее ±0,25 мВ, а также выполнять исследования состава веществ с относительной погрешностью не более 0,03% при расширении диапазона контроля до 72 дБ за счет регулировки чувствительности ФЭУ-85 автоматическим изменением его напряжения питания. Кроме того, предусмотрена возможность изменения алгоритмов работы по командам внешней ПЭВМ, что позволяет повысить универсальность применения предлагаемого люминесцентного анализатора. Все это подтверждает решение поставленной технической задачи создания люминесцентного анализатора с повышенной точностью и расширенным динамическим диапазоном контроля количественного элементного состава веществ.