Устройство для спектрального анализа

 

Использование: эмиссионный спектральный анализ различных материалов. Сущность изобретения: устройство содержит микрофотометр, механизм перемешивания держателя фотопластины, блок памяти спектра эталонов, блок управления, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти спектра пробы, блок вычисления концентрации и регистратор. Для достижения цели введены счетчик, задатчик опорных напряжений, компаратор, регулятор скорости, датчик линейного перемещения, формирователь импульсов выборки. В устройстве достигаеися изменение частоты выборки и скорости перемещения держателя фотопластины взависимости от интенсивности спектральной линии: увеличение ее интенсивности приводит к увеличению частоты выборки сигнала с выхода микрофотометра и уменьшению скорости движения держателя фотопластины. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство относится к эмиссионному спектральному анализу и предназначено для автоматического анализа материалов и сплавов.

Известен фотоэлектрический спектроанализатор [1], содержащий оптическую систему, в которой установлен контрольный источник света, фотоприемник, регистрирующий основной поток, и второй фотоприемник, регистрирующий поток сравнения. Выход первого фотоприемника через первый усилитель подключен к входу первого ключа, а выход второго фотоприемника через второй усилитель подключен на вход второго ключа. Один выход первого ключа подключен к первому цифроаналоговому преобразователю (ЦАП), второй выход этого ключа соединен с первым выходом первого нуль-органа, второй вход которого соединен с выходом первого ЦАП. Один выход второго ключа соединен со вторым ЦАП. Второй выход второго ключа соединен с третьим ЦАП, а выходы второго и третьего ЦАП подключены соответственно на первый и второй входы второго нуль-органа.

Генератор импульсов через импульсный ключ подключен к пересчетному устройству и через второй импульсный ключ - к второму пересчетному устройству. Выход первого пересчетного устройства подключен к первому и второму ЦАП, а выход второго пересчетного устройства - к третьему ЦАП и индикатору. Управление генератором возбуждения спектра пробы осуществляется синхронизатором.

Работа устройства при определении концентрации элемента в пробе при эмиссионном спектральном анализе заключается в следующем. В промежутки между цугами искры или дуги вводятся световые импульсы и производится временное разделение электрических сигналов. Излучение контрольного источника света подается на те же фотоприемники, что и сигналы основного источника. В результате обработки сигнала с фотоприемника результат измерения, поступающий на индикатор, определяется только величиной светового потока, характеризующего концентрацию анализируемых элементов в пробе, и не зависит от колебаний интенсивностей основного и контрольного источников света, от колебаний чувствительности фотоприемников и колебаний коэффициентов усиления усилителей.

Недостатком спектроанализатора является невозможность оперативного измерения концентрации нескольких элементов, так как нет механизма сканирования спектра.

Известно устройство для спектрального анализа, содержащее источник эмиссионного спектра, монохроматор с развертывающим устройством, фотоприемник с усилителем фототоков и визуальное устройство для отображения спектра, причем визуальное устройство выполнено на запоминающей электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) и снабжено закрепляемыми около ЭЛТ фотопластинками с эталонными спектрами по числу одновременно определяемых элементов, системой механической развертки, фотоканалами, содержащими фотоприемники, схемы сравнения и регистрирующие ячейки для преобразования спектров в электрические сигналы, и регистраторами содержаний элементов анализируемой пробы, а фотоприемники фотоканалов соединены через схемы сравнения и интегрирующие ячейки с индикаторами содержания элементов в анализируемой пробе [2].

Работа устройства заключается в том, что линии эмиссионного спектра, которые сканируются относительно выходной щели монохроматора, поступают на фотоприемник. Сигнал с выхода фотоприемника поступает на модулятор и вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Благодаря синхронной развертке луча ЭЛТ на ее маске формируется "изображение" эмиссионного спектра пробы. После сжигания пробы осуществляется сканирование изображений исследуемого и эталонного спектров. В момент совпадений спектральных линий на выходе соответствующих схем сравнения появляются сигналы, которые регистрируются индикатором, шкала которого проградуирована в значениях концентрации химических элементов.

Недостатком устройства является низкая точность измерения концентрации элементов за счет ограниченной разрешающей способности ЭЛТ, нелинейности при отклонении электронного луча ЭЛТ. Трудоемким является процесс определения достоверности полученных результатов, т.к. нет механизма для измерения положения каретки относительно реперной точки, что позволило бы определить длины волн спектральных линий.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, осуществляющее автоматическую обработку спектрограмм, полученных при эмиссионном спектральном анализе, и содержащее механизм перемещения фотопластинки, расположенной на предметном столике, блок памяти спектра эталонов (область запоминающего устройства (ЗУ) ЭВМ), блок управления, первый выход которого соединен с входом блока памяти спектра эталонов, и связанные между собой фотоприемник, (масштабирующий) усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок памяти спектра пробы (область ЗУ ЭВМ), второй вход которого подключен к второму выходу блока управления, блок вычисления концентрации (процессор ЭВМ), второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом блока памяти спектра эталонов и третьим выходом блока управления, и регистратор.

В устройстве осуществляется сканирование всего спектра или его части, измерения производятся в два этапа. На этапе обучения оператор выбирает реперную линию и задает подлежащие фотометрированию интервалы спектра, включающие аналитические линии. Этап измерения начинают с вывода на максимум реперной линии, затем фотометрируют только заданные интервалы, содержащие аналитические линии. Аналоговый сигнал с выхода фотоприемника, несущий информацию о степени почернения аналитических линий, поступает через усилитель на АЦП, в котором преобразуется в цифровую форму. Движение предметного столика с укрепленной на ней фотопластинкой осуществляется с помощью механизма перемещения фотопластинки. В состав механизма входит шаговый двигатель, связанный со столиком посредством червячной передачи. До расчета концентрации вводят начальные данные: число стандартных образцов, количество проб, количество спектрограмм для стандартного образца или пробы, определяемые элементы, длины волн аналитических линий и линий сравнения, концентрации элементов в стандартных образцах, используемый в блоке вычисления концентрации аналитический метод. По сигналам блока управления находятся концентрации определяемых элементов в пробах и выводятся окончательные результаты анализа на экран монитора (регистратор).

Недостаток этого устройства состоит в низкой точности измерения параметров аналитических линий, т.е. оптической плотности (почернения) заданных спектральных линий химических элементов, максимальных и минимальных значений почернений в зоне фотометрируемой спектральной линии, длин волн, соответствующих максимумам значений почернений, что приводит к снижению точности вычисления концентраций в пробах; усложнению алгоритма вычисления концентрации (необходимость, например, корреляционных методов сравнения спектров эталонов и пробы); сложности анализа спектрограмм неизвестной пробы, так как не известно точное значение длин волн аналитических линий; резкому увеличению объема оперативной памяти ЭВМ при необходимости запоминания большого количества спектров проб; снижению точности при определении формы спектральной линии.

Цель изобретения - повышение точности измерения параметров аналитических линий спектрограмм за счет изменения частоты выборки сигнала с выхода микрофотометра в зависимости от интенсивности спектральной линии.

Цель достигается тем, что в устройство для спектрального анализа, содержащее микрофотометр, механизм перемещения держателя фотопластины, связанный с микрофотометром, блок памяти спектра эталонов, блок управления, первый выход которого соединен с входом блока памяти спектра эталонов, и, связанный между собой, усилитель, связанный с фотоприемником микрофотометра, АЦП, блок памяти спектра пробы, второй вход которого подключен ко второму входу блока управления, блок вычисления концентрации, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами блока памяти спектра эталонов и третьим выходом блока управления, четвертый выход которого подключен к первому входу механизма перемещения держателя фотопластины, и регистратор, введены счетчик, задатчик опорных напряжений, компаратор, регулятор скорости и цепь из последовательно соединенных датчика линейных перемещений, связанного с держателем фотопластины, формирователя импульсов и формирователя импульсов выборки, выход которого соединен с вторым входом АЦП и входом блока управления, задатчик опорных напряжений соединен через компаратор с входом регулятора скорости, вторым входом формирователя импульсов выборки и третьим входом блока памяти спектра пробы, четвертый вход которого соединен с выходом счетчика, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом формирователя импульсов и пятым выходом блока управления, выход регулятора скорости соединен с вторым входом механизма перемещения держателя фотопластины, второй вход компаратора соединен с выходом усилителя, а формирователь импульсов выборки содержит последовательно соединенные в кольцо фазовый компаратор, фильтр нижних частот (ФНЧ), генератор управляемый напряжением (ГУН), делитель частоты, причем входом формирователя импульсов выборки являются связанные между собой второй вход фазового компаратора, третий вход делителя частоты, а выходом формирователя импульсов выборки является выход ГУН.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с другими решениями позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для спектрального анализа; на фиг.2 - зависимость интенсивности спектральной линии U_ф и частоты выборки F_г сигнала с выхода микрофотометра от времени.

Устройство для спектрального анализа содержит микрофотометр 1, механизм 2 перемещения держателя фотопластины, связанный с микрофотометром, блок 3 памяти спектра эталонов, блок 4 управления, первый выход которого соединен с входом блока 3, усилитель 5, связанный с фотоприемником микрофотометра 1, АЦП 6, блок 7 памяти спектра пробы, второй вход которого подключен к второму выходу блока 4 управления, блок 8 вычисления концентрации, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами блока 3 памяти спектра эталонов и третьим выходом блока 4 управления, четвертый выход которого подключен к первому входу механизма 2 перемещения держателя фотопластин, и регистратор 9, счетчик 10, задатчик 11 опорных напряжений, компаратор 12, регулятор 13 скорости и цепь из последовательно соединенных датчика 14 линейных перемещений, связанного с держателем фотопластины, формирователя 15 импульсов и формирователя 16 импульсов выборки, выход которого соединен с вторым входом АЦП 6 и входом блока 4 управления, задатчик 11 опорных напряжений соединен через компаратор 12 с входом регулятора 13 скорости, вторым входом формирователя 16 импульсов выборки и третьим входом блока 7 памяти спектра пробы, четвертый вход которого соединен с выходом счетчика 10, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом формирователя 15 импульсов и пятым выходом блока 4 управления, выход регулятора 13 скорости соединен с вторым входом механизма 2 перемещения держателя фотопластины, а второй вход компаратора 12 соединен с выходом усилителя 5. Формирователь 16 импульсов выборки содержат последовательно соединенные в кольцо фазовый компаратор 17, ФНЧ 18, ГУН 19, делитель 20 частоты, причем входом формирователя 16 импульсов выборки являются связанные между собой второй вход фазового компаратора 17 и третий вход делителя 20 частоты, а выходом формирователя 16 импульсов выборки является выход ГУН 19. Датчик 14 линейного перемещения содержит фотодиод 21, червячную передачу 22, кодированный диск 23, связанный с червячной передачей 22, и блок 24 облучения. Микрофотометр 1 содержит держатель 25 фотопластины, связанный через червячную передачу 22 с механизмом 2 перемещения держателя фотопластины, источник 26 света, оптическую систему 27, фотопластину 28 и фотоприемник 29.

Узлы устройства для спектрального анализа выполнены следующим образом.

Микрофотометр 1 представляет собой прибор МФ-2; блок 3 памяти спектра эталонов построен на базе репрограммируемых ПЗУ К573РФ3, информационная емкость одной микросхемы 64 кбит, организация слов 4096х16; блоки 4 и 8 реализованы на микроЭВМ "Электроника-60М"; аналого-цифровой преобразователь 6 - АЦП последовательного приближения К1108ПВ1 (число разрядов 10, время преобразования 1 мкс).

Датчик 14 линейного перемещения - фотоэлектрический преобразователь считывания, в его состав входят кодированный диск 23, блок 24 облучения и фотодиод 21 типа Фд-3. Формирователь 15 импульсов выполнен по типовой схеме.

Принцип работы фотоэлектрического преобразователя заключается в следующем. На червячной передаче 22 жестко закреплен кодированный диск 23, который представляет собой стеклянное основание с нанесенной маской - кодовой дорожкой с равнорасположенными прозрачными и непрозрачными для лучистого потока сегмента. В процессе вращения червячной передачи луч света, проходя от блока 24 облучения через прозрачные сегменты кодовой дорожки диска, освещает фотодиод 21, связанный с формирователем 15 импульсов, на выходе которого формируются синхроимпульсы частотой F. Эти импульсы поступают на счетный вход счетчика 10, построенного на базе микросхем 564ИЕ16.

Основой механизма 2 является шаговый двигатель, связанный через червячную передачу 22 с держателем 25 фотопластины, включение 2 осуществляется блоком 4 управления.

Формирователь 16 импульсов выборки представляет собой следящий умножитель частоты, выполненный по типовой схеме. На вход формирователя 16 импульсов выборки поступают сигналы с частотой F, на выходе присутствует сигнал с частотой F_г = =N˙F, где N - коэффициент умножения. Выходные импульсы равномерно распределены между импульсами входного сигнала. Умножение частоты обеспечивается следующим образом, фазовый компаратор 17 формирует такой управляющий сигнал, поступающий на вход ГУН 19, чтобы частоты сигналов, которые подаются на оба входа фазового компаратора 17 были одинаковыми. Равенство частот сигналов на входах фазового компаратора 17 достигается после захвата. Так как частота F_г сигнала с выхода ГУН 19 делится делителем 20 частоты на число N, то после захвата обеспечивается режим умножения частоты.

Формирователь 16 импульса выборки обеспечивает умножение медленно меняющейся входной частоты, т.е. при медленном изменении частоты F, что является следствием неравномерного перемещения держателя фотопластины 25, ГУН 19 формирует сигнал частотой F˙N с равномерно распределенными по периоду T = 1/F импульсами. Это приводит к повышению точности измерения параметров аналитических линий спектрограмм, так как компенсируется нелинейность перемещения держателя 25 фотопластины. Формирователь 16 импульса выборки - микросхема фазовой автоподстройки, в состав которой входят ГУН и два фазовых компаратора. Фильтр нижних частот выполнен на Р-, С-элементах, делитель 20 частоты - на базе микросхем К155ИЕ9. Вторым входом делителя 20 является информационный вход Т, а третьим входом - вход V1 ввода в счетчик информации с входов D. Микросхемы К155ИЕ9 выполнены по схеме программируемого делителя, коэффициент N деления которого определяются формулой N = 10-S, где S - число в двоично-десятичном коде, записанное в счетчик через входы D_i. Запись чисел, поступающих с выхода компаратора 12, осуществляется в момент прихода на третий вход делителя 20 частоты импульсов с частотой F, поступающих с формирователя 15 импульсов. Этим обеспечивается соответствие между длинами волн аналитических линий спектрограмм и импульсами на выходе формирователя 16 импульсов выборки. Кроме того, изменение частоты сигнала на выходе ГУН 19 осуществляется только в момент перехода импульса с выхода формирователя 15 импульсов.

Усилитель 5 - прецизионный усилитель постоянного тока выполнен на базе ОУ, блок 7 памяти спектра пробы - на базе от микросхем ОЗУ КР537РУЗА, информационная емкость одной микросхемы 4096 бит, организация 4096 слов х 1 разряд, время выборки адреса не более 320 нм.

Компаратор 12 содержит микросхемы К554СА2, количество которых определяется числом опорных уровней U_o, U₁,... (фиг.2).

Задатчик 11 опорных напряжений выполнен на базе стабилизаторов напряжения КР142ЕН1А и формирует опорные уровни U_o, U₁...

Регулятор 13 скорости содержит мультивибратор на микросхемах К155АГ3, связанный с программируемым счетчиком-делителем с программируемым коэффициентом деления на основе микросхем К155ИЕ9, на информационные входы D которых поступает код S с выхода компаратора 12. В зависимости от частоты импульсов, поступающих с выхода счетчика-делителя на второй вход шагового двигателя, меняется скорость его вращения и, следовательно, скорость перемещения держателя 25 фотопластины.

Устройство работает следующим образом.

Спектральный анализ с фотографической регистрацией находит широкое применение при исследовании многокомпонентных и разнообразных по составу проб. Фотометрирование и обработка данных измерений является самым трудоемким этапом анализа и сопровождается наличием субъективных ошибок. Замена большей части ручных операций при обработке спектрограмм на автоматическую приводит к повышению достоверности получаемой информации, улучшению условий труда в спектральной лаборатории.

В предлагаемом устройстве обеспечивается контролируемое перемещение держателя 25 фотопластины (предметного столика) микрофотометра 1 с закрепленной на нем фотопластиной 28. В процессе перемещения фотопластины 28 аналоговый сигнал на выходе усилителя 5, несущий информацию об оптической плотности (почернении) аналитических линий всего спектра или заданных его участков преобразуется АЦП 6 в цифровой код I и запоминается блоком 7 памяти спектра пробы.

Одновременно в блоке 7 запоминается информация о положении измеренной аналитической линии относительно выбранной реперной линии. Известно, что при использовании спектрографа определенного типа расстояние между линиями элементов в различных спектрах всегда одинаково. Это означает, что расстояние между максимумами почернений одной предварительно выбранной (реперной) линии и максимумами почернения аналитических линий во всех спектрах будет постоянным. Поэтому при измерении почернений этих линий в различных спектрах держатель 25 фотопластины необходимо передвигать на одно и то же расстояние относительно реперной линии.

Если необходимо осуществить сканирование большого числа спектров и занести параметры аналитических линий в память ЭВМ, необходимо исключить ненужную информацию в интервалах между линиями при сохранении заданной точности измерения. В противном случае будет потеряно время и потребуется ЭВМ со значительной оперативной памятью. В предлагаемом устройстве частота выборки аналогового сигнала на выходе усилителя 5 и скорость перемещения держателя 25 фотопластины определяется амплитудой U этого сигнала. Чем больше аналоговый сигнал, тем выше частота F_г выборки и ниже скорость v перемещения держателя 25 фотопластины. Это обеспечивает повышение точности определения параметров аналитических линий, так как наибольшее количество выборок соответствует максимумам фотометрируемых линий, и уменьшение времени сканирования за счет того, что в интервалах между аналитическими линиями повышена скорость перемещения держателя 25 фотопластины.

В процессе фотометрирования формирователь 15 импульсов при перемещении держателя 25 фотопластины формирует сигналы с частотой F, которые поступают на первый вход формирователя 16 импульсов выборки. Одновременно на второй вход формирователя 16 поступает с выхода компаратора 12 код S, который зависит от амплитуды U аналогового сигнала на выходе усилителя 5. Возможны следующие случаи (см. фиг.2): U ≅ U_о - сигнал на выходе усилителя 5 соизмерим с уровнем помех, частота выборки F_г устанавливается равной частоте сигнала на выходе датчика линейного перемещения (F_г = F), а скорость v перемещения фотопластины максимальна (v = v_mах); U_o < U ≅ U₁ - устанавливаются F_г = F_o, v = v₁; U₁ < U ≅ U₂ - устанавливаются F_г = F₁, v = v₂; U₂ < U - устанавливаются F_г = F₂, v = =v_min, причем F₂ > F₁ > F_o > F, a v_max > v₁ > v₂ > v_min.

Установка заданной скорости перемещения фотопластины 28 осуществляется регулятором 13 скорости, на вход которого поступает с выхода компаратора 12 код S.

Сигнал с выхода фотоприемника 29 микрофотометра 1 усиливается (масштабирующим) усилителем 5 и поступает на вход АЦП 6. Цифровой код I с выхода АЦП 6 поступает на первый вход блока 7 памяти спектра пробы. Запуск АЦП 6 осуществляется сигналом с частотой F_г, поступающим с выхода формирователя 16 импульсов выборки. Одновременно с кодом I в блоке 7 памяти спектра пробы запоминается код S с выхода компаратора 12, значение которого определяет количество импульсов, равномерно распределенных в интервале 1/F между двумя сигналами с выхода формирователя 15 импульсов. Блок 4 управления синхронизируется импульсами частотой F_г и формирует сигналы, поступающие по шине Р, которые разрешают запись кодов I и S в заданную область блока 7 памяти спектра пробы.

После записи информации об аналитических линиях заданных диапазонов длин волн блок 4 управления формирует сигналы на вычисление концентрации элементов пробы. Эти сигналы поступают по шинам управления P, R и В соответственно блоков 7, 3 и 8 памяти спектра пробы, памяти спектра эталонов и вычисления концентрации. В блок 3 памяти спектра эталонов на основании атласа дисперсионных линий занесена информация о плотности спектральных линий эталонных химических элементов и их длинах волн (т.е. почернения основной линии и линии сравнения элемента эталона). Эта информация поступает с блока 3 памяти спектра эталонов на вход блока 8 вычисления концентрации. На второй вход блока 8 поступает код, соответствующий интенсивности тех же спектральных линий неизвестной пробы. В блоке 8 вычисления концентрации сравниваются поступившие сигналы и результат вычисления передается на регистратор 9.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства для спектрального анализа заключается в повышении точности измерения параметров аналитических линий спектрограмм. Становится возможным определение форм спектральной линии и разделение двух наложенных спектральных линий. Это приводит к повышению точности определения концентрации элемента неизвестной пробы. Благодаря использованию предлагаемого устройства возможно перемещение держателя фотопластины на заданное расстояние, считывание информации об интенсивности аналитических линий, определение длин волн каждой из линий, запоминание параметров спектра пробы и расчет концентрации элементов пробы. При этом повышается экономичность, экспрессивность и качество проводимых анализов. Устройство обеспечивает необходимые точность и достоверность получаемых результатов в соответствии с требованиями ГОСТ, так как становится возможным сравнение спектра неизвестной пробы с данными атласа дисперсионных линий.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА, содержащее микрофотометр, механизм перемещения держателя фотопластины, связанный с микрофотометром, блок памяти спектра эталонов, блок управления, первый выход которого соединен с входом блока памяти спектра эталонов, и соединенные между собой усилитель, соединенный с фотоприемником микрофотометра, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок памяти спектра пробы, второй вход которого подключен к второму выходу блока управления, блок вычисления концентрации, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами блока памяти спектра эталонов и третьим выходом блока управления, четвертый выход которого подключен к первому входу механизма перемещения держателя фотопластины, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения параметров аналитических линий спектрограмм за счет изменения частоты выборки сигнала с выхода микрофотометра в зависимости от интенсивности спектральной линии, устройство дополнительно содержит счетчик, задатчик опорных напряжений, компаратор, регулятор скорости и цепь из последовательно соединенных датчика линейных перемещений, связанного с держателем фотопластины, формирователя импульсов и формирователя импульсов выборки, выход которого соединен с вторым входом АЦП и входом блока управления, задатчик опорных напряжений соединен через компаратор с входом регулятора скорости, вторым входом формирователя импульсов выборки и третьим входом блока памяти спектра пробы, четвертый вход которого соединен с выходом счетчика, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом формирователя импульсов и пятым выходом блока управления, выход регулятора скорости соединен с вторым входом механизма перемещения держателя фотопластины, а второй вход компаратора соединен с выходом усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь импульсов выборки содержит последовательно соединенные в кольцо фазовый компаратор, фильтр нижних частот, генератор, управляемый напряжением, делитель частоты, причем входом формирователя импульсов выборки являются соединенные между собой второй вход фазового компаратора и третий вход делителя частоты, а выходом формирователя импульсов выборки является выход генератора, управляемого напряжением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2