Спектрометр с блоком обработки данных влияющих факторов

Спектрометр, содержащий герметичный оптический блок, находящийся под избыточным давлением инертного газа, с окном пропускающим излучение от анализируемого образца, на выходе которого расположены приемники излучения соединенные с блоком управления в виде микроконтроллера и управляющего компьютера, спектральное излучение в котором создается электрическим генератором, камера разряда которого продувается инертным газом. В спектрометре дополнительно установлены семь датчиков предназначенных для измерения температуры, влажности, давления, расхода, электрических параметров, изображения облака разряда и поверхности анализируемого образца, подключенных к микроконтроллеру. Также введен блок обработки данных изменения влияющих факторов, выполняющий корректировку параметров измеряемого спектрального излучения. В результате дополнительно введенных датчиков, микроконтроллера и блока обработки данных на выходе получают градуировочную характеристику, устойчивую к изменению внешних влияющих факторов, что, в конечном счете, приводит к повышению точности измерений.

Полезная модель относится к информационно-измерительной технике и может быть использована при проведении атомно-эмиссионного спектрального анализа металлов и сплавов в спектрометрах с электрическими детекторами излучения.

Целью полезной модели является увеличение стабильности и воспроизводимости результатов при проведении атомно-эмиссионного спектрального анализа за счет измерения влияющих факторов, корректирования измеренных значений интенсивностей излучения, и как следствие - повышения стабильности градуировочной зависимости прибора.

Известно влияние различных факторов на изменение интенсивностей спектральных линий, приводящих к изменениям параметров градуировочных графиков при испытаниях одинаковых комплектов стандартных образцов, описанное в работе [1]. Стабилизация градуировочных зависимостей возможна путем стабилизации влияющих факторов.

В работе [2] описано устройство и блок обработки данных, позволяющие устранить влияние третьих элементов при градуировании приборов спектрального анализа материалов. Обработка данных производится на основании данных зарегистрированных спектров стандартных образцов. Результатом обработки данных является получение градуировочной характеристики, устраняющей влияние «третьих» элементов, возникающее из за различного состава или технологии изготовления стандартных образцов.

В стандартах [3, 4] предписывается фиксировать условия в методиках проведения измерений, а так же учитывать дополнительные погрешности, если известны влияния различных факторов. В приведенных примерах рассчитываются границы изменения дополнительных погрешностей в условиях воздействия нескольких факторов. Сложность заключается в применении такой методики к косвенным измерениям, выполняемых на основе градуировочных зависимостей, к которым относится спектральный анализ металлов и сплавов.

В приборах, описанных в работе [5], реализована возможность сохранения изображения электродов и разряда между ними в процессе выполнения анализа. Представлена возможность, управления рабочим процессом, путем сохранения кадров, снятых с камеры, в спектры, которые сохраняются в файле анализа в формате SPD. В ходе анализа на установке выставляются различные параметры прибора (зазор между электродами, скорость горения, параметры усреднения, временные паузы и пр.), изображение разряда визуально показывает изменение параметров анализа.

Использование видеокамер стало информативным инструментом в приборах спектрального анализа. Использование видеокамер позволяет производить визуализацию и анализ процесса горения в штативе, следить за состоянием оборудования, снимать изображение пробы, сохранять информацию от аналоговых приборов и привязывать ее ко времени относительно старта каждого измерения.

Недостатком является отсутствие блока обработки полученных данных для корректировки интенсивностей спектральных линий при наличии воздействия влияющих факторов.

Влияние температуры на изменение параметров измерительных блоков спектрометра приведено в работе [6]. Рассмотрены статистические методы обработки спектров для выявления смещения длин волн от влияния температуры.

Наиболее близким аналогом для решения поставленной задачи является патент на полезную модель спектрометра [7].

Спектрометр, содержащий корпус с входным окном, внутри которого установлена оптическая система, на выходе которой установлен многоэлементный фотодетектор, соединенный с электронным блоком его управления и обработки выходных сигналов, отличающийся тем, что корпус выполнен герметичным, а установленный в нем многоэлементный фотодетектор - в безкорпусном исполнении, при этом корпус спектрометра вакуумирован или заполнен инертным газом.

Давление инертного газа внутри корпуса превышает атмосферное на 0,1-2 атм, а для его контроля устанавливается датчик давления, например манометр.

Уровень вакуума составляет не более 0,5 атм., а для его контроля так же устанавливается датчик давления, например манометр.

Спектрометр отличается тем, что многоэлементный фотодетектор установлен на охлаждаемую поверхность термоэлектрического холодильника Пельтье, нагреваемая поверхность которого установлена в тепловом контакте с корпусом спектрометра.

Входное окно выполнено в виде пластины из прозрачного в рабочем спектральном диапазоне материала и загерметизировано по периметру.

Электрические контакты многоэлементного фотодетектора через соединительный кабель и вакуумноплотный разъем, установленный в стенке корпуса, соединены с блоком управления и обработки выходных сигналов

Недостатками приведенных аналогов является то, что во всех устройствах отсутствует блок обработки влияющих факторов, информация о которых передается с первичных преобразователей (датчиков) различных физических величин.

Указанная цель в предлагаемом устройстве достигается тем, что к прибору спектрального анализа подключается семь датчиков передающих данные в блок обработки данных влияющих факторов. Подключаемые датчики измеряют следующие параметры:

Д1 - датчик, измеряющий давление аргона в оптическом блоке спектрометра;

Д2 - датчик, контролирующий расход аргона, при проведении анализа;

Д3 - датчик, измеряющий температуру воздуха в помещении при проведении анализа;

Д4 - датчик, измеряющий атмосферное давления воздуха в помещении при проведении анализа;

Д5 - датчик, измеряющий силу тока, его частоту и форму импульсов, поступающих с генератора, передающий данные на цифровой осциллограф;

Д6 - датчик, контролирующий положение электрода относительно образца и форму электрической дуги;

Д7 - датчик, контролирующий положение образца и наличие дефектов на поверхности в предполагаемом месте анализа.

На фиг.1 показана структурная схема предлагаемого устройства, состоящего из атомно-эмиссионного спектрометра и дополнительно введенных семи датчиков, микроконтроллера обработки данных и блока обработки данных для построения устойчивой градуировочной характеристики, при условии изменения внешних влияющих факторов.

Устройство работает следующим образом. После установки анализируемого образца, на экран ПК передается его изображение, с датчика Д7. При этом, в случае неправильной установки или присутствия дефектов поверхности (пятен предыдущих обжигов и др.), будет выдано соответствующее предупреждение, полученное на основе анализа изображения, получаемого с датчика Д7. При загорании электрического разряда, датчик Д6 измеряет расстояние между анализируемым образцом и электродом, дополнительно регистрируется размер облака разряда. В случае, если изображение отличается от стандартного, оператор также будет предупрежден.

На фиг.2 показана схема расположения датчиков в блоке спектрометра. Датчик давления Д1 располагается внутри герметичного оптического блока 1, в котором также находятся дифракционная решетка 6 и приемники излучения CCD1 - CCD6. Излучение от образца попадает в блок через оптическую систему ОП. Датчик расхода Д2 устанавливается на трубопровод подачи аргона в камеру разряда 2 прибора. Датчики температуры Д3 и влажности Д4 крепятся с наружной стороны спектрометра. Датчик электрических параметров разряда Д5 располагается в цепи протекания тока от электрического генератора ЭГ к вольфрамовому противоэлектроду 3. Датчики Д6 и Д7 представляют из себя технические эндоскопы, и расположены таким образом, чтобы обеспечить нужный обзор поверхности анализируемого образца, установленного на стол 4 и облака разряда 5.

На фиг.3 показана функциональная схема экспертной системы анализа данных и принятия решений. В момент непосредственного проведения анализа оператором, данные со всех датчиков поступают в микроконтроллер, а после в информационную систему обработки результатов. По окончании проведения анализа показания датчиков Д1-Д5 сравниваются с нормированными значениям и, после чего делается заключение о возможной погрешности измерения, формированию данных для построения устойчивой градуировочной характеристики, а также рекомендации по снижению влияния внешних факторов.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Кузнецов А.А., Мешкова О.Б., Слептерев В.А. Исследование факторов влияющих на результаты измерения интенсивностей при спектральном анализе материалов / Омский научный вестник. 2011. 3. С.242-245.

2. Горский Е.В., Лившиц А.М., Пелезнев А.В. Учет влияния «третьих» элементов при анализе алюминиевых сплавов на эмиссионном спектрометре ПАПУАС-4 // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 3. 2006. Т.72. С.11-15.

3. ГОСТ Р 8.563-2009 Методики (методы) измерений. М.: Стандарт-информ. 2010.

4. РД 50-453-84 Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета. М.: Издательство стандартов. 1984.

5. Семенов З.В., Неклюдов О.А., Строков И.И., Гаранин В.Г. Программа видеоконтроля процесса атомно-эмиссионного спектрального анализа / Матер. XI Междунар. симпозиума «Применение анализаторов МАЭС в промышленности». Новосибирск, Академгородок. 2011. С.70-73.

6. Temporal Sensitivity of the Wavelength Calibration of a Photodiode Array Spectrometer. P.Martinsen, V.A.McGlone, R.B.Jordan, P.Gaastra. // Applied Spectroscopy. Vol.64, 12, 2010. P.1325-1329.

7. Патент на полезную модель. Спектрометр. 81320. МПК G01J 3/00. Лабусов В.А., Зарубин И.А., Саушкин М.С. (Опубл. 10.03.2009).

1. Спектрометр, содержащий герметичный оптический блок, находящийся под избыточным давлением инертного газа, с окном, пропускающим излучение от анализируемого образца, на выходе которого расположены приемники излучения, соединенные с блоком управления в виде микроконтроллера и управляющего компьютера, спектральное излучение в котором создается электрическим генератором, камера разряда которого продувается инертным газом, отличающийся тем, что в его состав дополнительно введены семь датчиков, предназначенных для измерения температуры, влажности, давления, расхода, электрических параметров, изображения облака разряда и поверхности анализируемого образца, подключенных к микроконтроллеру, и блок обработки данных изменения влияющих факторов, выполняющий корректировку параметров измеряемого спектрального излучения.

2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что в результате дополнительно введенных датчиков, микроконтроллера и блока обработки данных на выходе получают градуировочную характеристику, устойчивую к изменению внешних влияющих факторов.