ТРЕНАЖЁР ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРА

Полезная модель относится к области технических средств обучения и предназначена для проведения лабораторных работ и приобретения студентами практических навыков работы с ИК-спектрометрами, принцип работы которых основан на интерферометрии с преобразованием Фурье.
Аналогом заявленного устройства является ИК-спектрометр ФСМ (http://specs.nt-rt.ru/images/manuals/TH_infr_spect.pdf; http://techob.ru/katalog/katalog-priborov/spektralnyie-analizatoryi/4.6.-ik-fure-spektrometryi.html), состоящий из 3-х секционного корпуса, генератора ИК-излучения, набора отражающих полупрозрачных зеркал, узла юстировки неподвижного зеркала, электромеханического привода, держателя образцов, преобразователя ИК-излучения и программного обеспечения, загруженного в ПК.
Недостатком аналога является его низкая устойчивость к неквалифицированной эксплуатации, что снижает эффективность использования устройства в учебном процессе, где низкая квалификация студентов и отсутствие навыков работы с прецизионным спектроскопическим оборудованием, неминуемо приводят к быстрому выходу из строя этого самого оборудования. Кроме того, конструктивные особенности спектрометрической схемы затрудняют демонстрацию внутреннего устройства прибора студентам, что в свою очередь снижает эффективность процесса подготовки студентов и усложняет его.
Другим аналогом является Аппаратно-программный учебный комплекс (Пат. РФ 70 394 от 24.08.2007 г., G09B 5/00), включающий набор информационно-коммутационных элементов, обеспечивающих расширение функциональных возможностей интерактивного учебного процесса.
Недостатком аналога является отсутствие возможности реализовывать процессы исследования свойств учебных образцов.
Прототипом заявленного технического решения, лишенным недостатков аналога, является эмулированный анализатор оптического спектра (Пат. РФ 117178, приор. 23.11.2011 г., G01J 3/30), который включает образец исследуемого вещества, корпус, программную компоненту, устройство вывода и блок данных, выполненный с возможностью занесения, хранения и извлечения данных, позволяющий с помощью ПК производить на устройстве вывода сравнение спектрограмм исследуемого вещества с эталонной спектрограммой.
Недостатком прототипа является невозможность обеспечить высокую эффективность и простоту обучения студентов работе на спектрометре из-за отсутствия возможности имитировать режимы фурье-спектральных исследований в отсутствии реальных образцов, кроме того, ознакомить обучающихся с внутренним устройством аппарата без его демонтажа, а также фиксировать методические ошибки студентов в процессе выполнения лабораторных работ.
Задачей данной полезной модели является создание устройства, позволяющего эмулировать процедуру и режимы спектральных исследований в отсутствии реальных образцов, ознакомить обучающихся с внутренним устройством аппарата без его демонтажа, фиксировать методические ошибки обучающихся в процессе выполнения лабораторных работ.
Ожидаемым техническим результатом использования заявленной полезной модели является повышение эффективности и упрощение процесса подготовки студентов. Тренажер фурье-спектрометра имеет высокую эффективность при его использовании в процессе обучения студентов благодаря тому, что программно-аппаратная часть делает возможным проводить исследования виртуальных образцов, относящихся к самым разнообразным направлениям подготовки специалистов (материаловедение, химия, криминалистика, медицина и т.д.) и при этом фиксировать ошибки, допущенные обучающимися в процессе выполнения лабораторных (учебных) работ. При этом конструктив тренажера позволяет просто демонстрировать внутреннее устройство спектрометра, не подвергая тренажер риску быть выведенным из строя.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, включающее программную компоненту, устройство вывода и блок данных, выполненный с возможностью занесения, хранения и извлечения данных, позволяющий с помощью ПК производить анализ спектров, введены трех-секционный корпус с полупрозрачными крышками каждой секции, три светодиодные ленты, размещенные по одной в нижней части каждой из секций, три полупрозрачных пленки, несущие изображения внутреннего устройства секций и размещенные каждая в своей секции параллельно плоскостям полупрозрачных крышек в промежутке между соответствующей крышкой и светодиодной лентой, модуль эмуляции юстировки неподвижного зеркала, двухуровневый датчик давления, узел размещения держателя образца с контактным датчиком наличия держателя образца и контроллер, при этом первый вход контроллера электрически связан с выходом модуля эмуляции юстировки неподвижного зеркала, второй вход контроллера с первым выходом датчика давления, а третий вход со вторым выходом датчика давления, также четвертый вход контроллера электрически связан с контактным датчиком наличия держателя образца узла размещения держателя образца, кроме того, первый, второй и третий выходы контроллера электрически связаны, соответственно, с первой, второй и третей светодиодными лентами, с компьютером контроллер связан посредством USB-порта; кроме того, по п. 2 устройство вывода и блок данных выполнены в виде монитора и винчестера компьютера, соответственно; также по п. 3 модуль эмуляции юстировки неподвижного зеркала выполнен в виде соосно расположенных сильфона, ИК излучающего диода на подвижной платформе и фототранзистора на неподвижной платформе, механически соединенных шаровой опорой, упирающейся в гнездо, и регулировочных стоек с регулировочными винтами, причем выходом узла, электрически соединенным с входом контроллера, являются контакты фототранзистора.
Совокупность заявляемых признаков позволяет повысить эффективность процесса подготовки студентов при одновременном упрощении этого процесса.
Заявляемое техническое решение обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, и обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Тренажер фурье-спектрометра может найти широкое применение в средних и высших учебных заведениях технического профиля в качестве учебно-лабораторного оборудования для изучения физико-химических методов исследования состава газо-, жидко- и твердофазных материалов применительно к различным направлениям подготовки специалистов (материаловеды, технологи, механики, химики-аналитики, биологи, криминалисты и проч.). При подготовке специалистов использование тренажера наиболее оправданно, так как резко упрощает процедуры знакомства с конструктивными особенностями устройства фурье-спектрометра и освоение методик работы на нем при исследовании различных по фазовому и химическому составу образцов. Отсутствие необходимости иметь большой набор физических образцов увеличивает эффективность предлагаемой полезной модели, позволяя готовить специалистов в различных областях деятельности.
Полезная модель поясняется эскизами, на которых представлено:
Фиг. 1. - Общая схема корпуса;
Фиг. 2. - Структурная схема тренажера;
Фиг. 3. - Схема по примеру реализации модуля эмуляции юстировки неподвижного зеркала.
На фигурах отмечены:
1 - трех секционный корпус, 2 - полупрозрачная крышка, 3 - светодиодная лента, 4 - полупрозрачная пленка с изображением внутреннего устройства соответствующей секции, 5 - модуль эмуляции юстировки неподвижного зеркала, 6 - двухуровневый датчик давления, 7 - узел размещения держателя образца с контактным датчиком наличия держателя образца в узле, 8 - контроллер, 9 - персональный компьютер (ПК), 10 - неподвижная платформа, 11 - подвижная платформа, 12 - стойка шаровой опоры, 13 - гнездо шаровой опоры, 14 - регулировочные стойки, 15 - регулировочные винты, 16 - сильфон, 17 - ИК излучающий диод, 18 - фототранзистор.
Тренажер работает следующим образом: для предварительного ознакомления студентов с устройством тренажера на расположенные в секциях корпуса 1 полупрозрачные крышки 2 проецируются с помощью светодиодных лент 3 изображения конструктивов секций, нанесенных, например, фотографическим способом, на полупрозрачные пленки 4. Для этого на входы лент 3 подается питание с выходов 1, 2 и 3 контроллера 8, инициирующее свечение лент 3. Далее осуществляется настройка тренажера, которая начинается с операции юстировки неподвижного зеркала. С этой целью с помощью регулировочных винтов 15 добиваются максимума выходного сигнала на выходе модуля 5 эмуляции юстировки неподвижного зеркала. Этот сигнал поступает на вход 1 контроллера 8. Анализ амплитуды указанного сигнала, поступающего через USB-порт контроллера 8, осуществляется с помощью ПК 9, например, в виде графика, выводимого на монитор, входящий в состав ПК 9. Если амплитуда полученного сигнала менее заранее заданного в программе ПК уровня, это фиксируется, как ошибка студента, допущенная при выполнении лабораторной работы. Далее начинают продувку внутренних пространств корпуса 1 рабочим газом, например, азотом, который поступает в корпус через двухуровневый датчик давления 6. При штатном давлении с выхода 1 датчика 6 на вход 2 контроллера 8 подается разрешающий сигнал. При превышении давления сверх нормы, на выходе 2 датчика 6 генерируется тревожный сигнал, поступающий на вход 3 контроллера 8. Этот сигнал поступает в ПК и фиксируется как ошибка студента, допущенная при выполнении лабораторной работы. Следующий этап предусматривает снятие спектра образца.
Для этого в узел 7 размещения держателя образца с контактным датчиком наличия держателя образца вставляют учебный образец. Если последний был вставлен не корректно, контактный датчик наличия держателя образца не сработает (не будет замкнут или разомкнут) и это состояние фиксируется как ошибка студента, допущенная при выполнении лабораторной работы. После того, как образец будет установлен правильно, с помощью программы, загруженной в ПК 9, начинают процедуру эмуляции спектральных исследований.