Метод и средства хемилюминесцентного экспресс-контроля малых концентраций веществ и соединений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Метод и средства хемилюминесцентного экспресс-контроля малых концентраций веществ и соединений

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

кандидата технических наук

Санников Дмитрий Петрович

Орел - 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Лисичкин Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты: Саитов Игорь Акрамович, доктор технических наук, доцент, Академия ФСО России, начальник факультета

Мишин Владислав Владимирович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», доцент кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт (Технический университет)»

Защита состоится 22 мая 2012 г. в 15 часов 30 мин на заседании диссертационного совета Д212.182.01 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК».

Автореферат разослан 20 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.182.01

кандидат технических наук, доцент Волков В. Н.

хемилюминесцентный контроль вещество

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Экспресс-контроль состава веществ необходим для повышения безопасности жизнедеятельности работников, связанных с производством химической и фармакологической продукции, для сотрудников текстильных предприятий, работников торговли и сельского хозяйства. Особый вред здоровью составляют токсичные органические хлор- и серосодержащие соединения, присутствующие в воздухе и в составе производимой продукции, которые постепенно накапливаются в организме или на спецодежде и приводят к повышению уровня заболеваемости персонала.

Применяемые в настоящее время лабораторные и химические методы контроля состава газообразных и жидких веществ характеризуются высокой разрешающей способностью, однако применяются только выборочно из-за большой длительности анализа, достигающей нескольких часов. Более универсальными являются методы высокоэффективной жидкостной хроматографии, масс-спектрометрии и инверсионной вольтамперометрии, которые отличаются высокой чувствительностью и имеют аттестованные методики применения. Однако такие методы анализа состава веществ характеризуются высокой стоимостью аппаратуры, сложностью ее эксплуатации и пробоподготовки. Вследствие этого необходима разработка портативных автоматизированных приборов экспрессного контроля, обеспечивающих высокую чувствительность для определения состава газообразных и жидких веществ малой и сверхмалой концентрации.

Для экспрессного контроля физико-химического состава веществ перспективно использовать эффект хемилюминесценции - слабого свечения, возникающего в результате внешнего воздействия, в частности, при химических реакциях или ультрафиолетовом облучении. Измерение интенсивности хемилюминесцентного свечения позволяет определять состав газообразных и жидких веществ и смесей с относительно низкой концентрацией, что необходимо, в частности, при мониторинге окружающей среды. В процессе хемилюминесцентного контроля требуется реализовать высокочувствительное преобразование слабого и сверхслабого оптического излучения в эквивалентную электрическую величину и автоматизировать обработку полученных сигналов с учетом интенсивности и спектра излучения контролируемых соединений. Вследствие этого в приборах экспресс-контроля для регистрации хемилюминесцентного свечения газообразных и жидких веществ необходимо обеспечивать высокую чувствительность, ослаблять влияние внешней фоновой засветки и инструментальных погрешностей преобразования, а также автоматизировать процессы измерений и обработки получаемых данных.

Улучшение характеристик аппаратуры, предназначенной для хемилюминесцентного контроля слабой концентрации веществ и соединений, возможно при комплексном решении нескольких взаимосвязанных научно-технических задач. В частности, необходимо исследовать способы повышения интенсивности хемилюминесценции контролируемых веществ, провести оценку наиболее эффективных воздействий, вызывающих хемилюминесценцию, обеспечить повышение чувствительности фотоэлектрических преобразователей оптического излучения с компенсацией влияния фоновой засветки и увеличить разрешающую способность приборов автоматизированного экспрессного контроля структурно-алгоритмическими или схемотехническими методами.

Исследования в области хемилюминесцентного контроля базируются на фундаментальных работах Г. Р. Герца, открывшего в 1887 г. явление фотоэффекта, и современных результатах исследований Ю. А. Золотова, С. И. Муравьевой, С. Д. Варфоломеева, а также научных трудах Владимирова Ю. А., Алешина Н. Е., Раковского Я. П., Аветиньша Ю. З. и других ученых, которые эмпирически выявили взаимосвязь между интенсивностью хемилюминесцентного свечения и составом различных веществ.

Основная сложность хемилюминесцентного контроля исследуемых газообразных и жидких веществ с низкой концентрацией заключается в необходимости измерения слабого и сверхслабого светового излучения при наличии фоновой засветки, характерной для контроля в производственных условиях. Вследствие этого требуется повышать чувствительность и разрешающую способность контролирующей аппаратуры с одновременным расширением динамического диапазона и автоматизацией процессов хемилюминесцентных измерений. Этим и характеризуется актуальность темы исследований.

Объектом исследования являются процессы и приборы хемилюминесцентного экспрессного контроля состава газообразных и жидких веществ.

Предмет исследования - принципы построения приборов и методы контроля слабого излучения на основе кинетической хемилюминесцентной спектроскопии.

Целью диссертационной работы является повышение чувствительности и расширение динамического диапазона приборов хемилюминесцентного контроля при слабой и сверхслабой концентрации исследуемых веществ.

Основные задачи исследований:

- провести сравнительный анализ методов и средств хемилюминесцентного контроля веществ с низкой концентрацией при различных внешних воздействиях;

- исследовать возможности и пути модификации метода хемилюминесцентного контроля при низкой концентрации исследуемых веществ;

- усовершенствовать метод хемилюминесцентного контроля для повышения чувствительности и расширения динамического диапазона приборов контроля;

- предложить и обосновать алгоритмы хемилюминесцентных измерений с компенсацией факторов, влияющих на достоверность результатов контроля;

- разработать и исследовать способы улучшения параметров функциональных узлов, позволяющие повысить чувствительность и расширить динамический диапазон приборов хемилюминесцентного контроля;

- провести экспериментальную проверку усовершенствованных приборов хемилюминесцентного экспресс-контроля веществ и соединений при их низкой концентрации в исследуемых образцах с автоматическим изменением режимов работы фотодатчиков и алгоритмов работы приборов в зависимости от интенсивности свечения.

Методы и средства исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории фотоэлектрического преобразования; математического и схемотехнического моделирования; математической статистики при обработке данных экспериментальных исследований функциональных узлов приборов контроля.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- усовершенствован метод хемилюминесцентного контроля состава веществ, отличающийся повышением чувствительности за счет конденсации паров воздушной смеси на охлаждающей поверхности и применения электронно-счетного режима работы фотоэлектронного умножителя при контроле смесей с низкой концентрацией исследуемых веществ и соединений;

- предложен и опробован алгоритм улучшения метрологических характеристик приборов хемилюминесцентного контроля веществ, отличающийся улучшением линейности световой характеристики и расширением динамического диапазона работы фотоэлектронного умножителя за счет автоматической регулировки его световой чувствительности и высоковольтного напряжения питания;

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- на основе проведенных научных исследований предложены новые конструкции хемилюминесцентных реакторов малых объёмов с низкотемпературным термостатирующим блоком для высокочувствительных приборов контроля газообразных и жидких соединений;

- разработаны приборы экспрессного контроля состава веществ, основанные на преобразовании хемилюминесцентного свечения в напряжение и в частоту импульсов, которые обеспечивают высокую чувствительность и автоматическую компенсацию влияния фоновой засветки на результаты преобразования;

- разработаны и экспериментально исследованы фотодатчики на основе фотоэлектронных умножителей и фотодиодов, которые характеризуются высокой чувствительностью и обеспечивают достоверность результатов хемилюминесцентного контроля в производственных условиях.

Реализация и внедрение результатов исследований

В результате исследований внедрены на ЗАО "Научприбор", (г. Орел) опытный образец оптоэлектронного датчика, применяемого в рентгеновском спектрометре, стабилизированный высоковольтный источник питания ФЭУ и экспериментальный макет дозиметра рентгеновского излучения с высокочувствительным полупроводниковым датчиком. Разработана и внедрена в ЦНИИСК (г. Москва) установка для контроля плотности дыма. Разработаны и внедрены в ЗАО "Медикант", (г. Орел) структура и алгоритм преобразования высокочувствительного спектрофотометрического детектора типа СФД-УФ. Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе на кафедре "Информационные системы" Государственного университета - УНПК (г. Орел).

Апробация и публикации результатов работы

Апробация работы состоялась в рамках госзадания Минобрнауки России № 7.2285.2011 «Моделирование и прогнозирование экологической безопасности территорий на основе ИКТ систем».

Основные результаты диссертационных исследований обсуждались на ХII Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2007" (2007, г. Рязань), на I Всероссийской научно-технической конференции "Информтех-2008" (г. Курск), на ХV Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях НИТ-2010" (г. Рязань).

По результатам исследований опубликовано 13 научных работ, из них 3 статьи в изданиях из перечня ВАК, новизна подтверждена двумя патентами.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, список литературы из 77 наименований и 6 приложений.

На защиту выносятся следующие положения:

- усовершенствованный метод контроля низкой концентрации веществ, основанный на повышении интенсивности хемилюминесцентного свечения за счет конденсации контролируемой смеси на охлаждающей поверхности и обеспечивающий увеличение чувствительности посредством измерения частоты импульсов ФЭУ при слабом излучении и измерении его фототока при большой интенсивности исследуемого излучения;

- алгоритм хемилюминесцентных измерений, позволяющий расширить динамический диапазон приборов контроля за счет аппроксимации световой характеристики и автоматического регулирования напряжения питания фотоэлектронных умножителей с переключением коэффициентов усиления фототока в зависимости от интенсивности излучения и реализующий компенсацию фоновой засветки и цифровую коррекцию инструментальных погрешностей преобразования;

- разработанные модели, структуры и алгоритмы работы приборов экспрессного контроля веществ и соединений с преобразованием оптического излучения в напряжение и в частоту импульсов, защищенные двумя патентами на изобретение и полезную модель.

Основное содержание работы

Во введении дана общая характеристика научной работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи, показаны направления исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзор и проведена сравнительная оценка методов хемилюминесцентного контроля веществ и соединений.

Установлено, что для измерения слабого и сверхслабого хемилюминесцентного свечения при низкой концентрации контролируемых веществ необходимо использовать высокочувствительные фотоэлектронные умножители, выполняющие функцию преобразования светового излучения в электрический ток.

Показана необходимость применения активаторов хемилюминесцентного свечения для обнаружения и контроля состава веществ с низкой концентрацией в газовой и паровоздушной смесях. Активированная люминесценция возникает при воздействии ряда внешних факторов: при химических реакциях, облучении веществ ионизирующим или ультрафиолетовым излучением, при пропускании тока и воздействии ультразвуком.

Среди различных видов активированной люминесценции практический интерес представляют электро- и фотохемилюминесценция, регистрируемые высокочувствительными фотодатчиками оптического излучения. Слабое излучение измеряют детекторами на основе счетчика фотонов с кварцевым окном, приборами с фотоэлектронными умножителями или специальными цифровыми приборами - хемилюминометрами.

Калибровка хемилюминесцентной аппаратуры выполняется по эталону яркости - источнику излучения с интенсивностью до 10⁴…10⁵ фотонов в секунду. В качестве излучателей используют растворы дифенил- или трифенилоксазола в толуоле с добавлением раствора уксусной кислоты с атомами изотопа углерода С⁽¹⁴⁾. Спектр излучения в таком растворе достаточно стабилен и соответствует видимому свету.

В приборах хемилюминесцентного контроля, как правило, выполняется фотоэлектрическое преобразование, усиление, детектирование и аналого-цифровое преобразование сигналов с защитой от фоновой засветки. Для автоматизации процессов и повышения производительности измерений при хемилюминесцентном контроле состава газообразных и жидких веществ необходимо реализовать сложную обработку данных с учетом спектральной чувствительности фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

Решение поставленных задач возможно в двухканальных приборах контроля хемилюминесценции, содержащих ФЭУ, сопряженные через усилители с блоками аналого-цифрового преобразования (АЦП) и микропроцессорной обработки данных. Алгоритм обработки данных должен обеспечивать определение длины волны спектрального максимума хемилюминесценции без дополнительных светофильтров, а также регистрировать изменения спектра свечения. Такая обработка сигналов позволяет контролировать хемилюминесценцию веществ с изменяющимся спектром свечения и автоматически корректировать результаты контроля с учетом спектральных характеристик ФЭУ.

Для повышения чувствительности и расширения диапазона хемилюминесцентного контроля необходимо не только улучшать параметры преобразователей оптического излучения, но и совершенствовать алгоритмы обработки данных для компенсации влияния мешающих факторов, автоматизации процесса и сокращения цикла контроля.

Структурная схема универсального прибора хемилюминесцентного контроля состава веществ содержит оптический излучатель, преобразователь светового сигнала в электрический сигнал и цифровой блок обработки результатов контроля и формирования управляющих команд, подаваемых на исполнительные устройства (рис. 1).

Рис. 1 - Структурная схема прибора хемилюминесцентного контроля

Блок обработки с системой обратной связи позволяют расширить диапазон контроля жидких и газообразных веществ посредством автоматического переключении пределов измерения прибора в зависимости от уровня исследуемого излучения.

В результате сравнительного анализа методов и средств хемилюминесцентного контроля обоснована необходимость первоочередного улучшения двух параметров -- интенсивности хемилюминесцентного свечения и предельной чувствительности фотоприемников излучения, существенно влияющих на характеристики приборов контроля.

Вторая глава посвящена вопросам совершенствования метода хемилюминесцентного контроля и разработки алгоритмов компенсации внешних факторов, снижающих достоверность результатов контроля состава веществ с малой концентрацией.

С целью повышения чувствительности контроля состава веществ и соединений хемилюминесцентным методом была выдвинуто предположение о возможности увеличения их относительной концентрации посредством конденсации паров исследуемой смеси на охлаждающей поверхности. Для проверки данной гипотезы была разработана и создана экспериментальная установка, обеспечивающая регистрацию соединений, люминесцирующих в серной кислоте, насыщенной озоном. В этой установке применено барбатирование воздушной смеси в индикаторном растворе, содержащем ионы уранила, с последующей конденсацией паров воздушной смеси на охлаждающей поверхности стабильной температуры (-15…-20 ^оС) для повышения интенсивности хемилюминесценции.

При контроле воздух с исследуемого образца отсасывается компрессором через шланг воздуховода и подается на газоразрядный озонатор. После озонирования воздушная смесь через стеклянную трубку поступает в кювету из кварцевого стекла, наполненную индикаторным раствором - смесью серной кислоты и перекиси водорода.

Воздушно-озоновая смесь барбатируется в индикаторном растворе и конденсируется на поверхности элемента Пельтье, а хемилюминесцентное свечение преобразуется ФЭУ в напряжение, кодируется АЦП и запоминается в блоке регистрации (рис. 2).

Рис. 2 - Схема экспериментальной установки и результаты исследований

При контроле состава веществ на экспериментальной установке нужно сначала барбатировать в индикаторном растворе чистый воздух, чтобы исключить его влияние на результаты измерений, а затем подавать в раствор исследуемую смесь и оценивать концентрацию соединений по максимуму хемилюминесцентного свечения (рис. 2).

При постоянной скорости барбатирования V_БАРБ = const интенсивность хемилюминесценции J_ХЛ V_БАРБ K_ВХЛ K_Х прямо пропорциональна концентрации исследуемого вещества K_Х и зависит от его объемной концентрации K_В в воздушной смеси и коэффициента концентрации _ХЛ.

Оценка эффективности конденсации паров воздушной смеси для повышения интенсивности хемилюминесценции проведена при трех стабильных значениях температуры: -10, -15 и -20 ^оС на поверхности элемента Пельтье. В частности, реакция взаимодействия окиси урана с дифторидом ксенона характеризуется сверхслабым свечением, и при отключенном элементе Пельтье выходной код АЦП составляет N = 18 7 (рис. 3). При стабилизации температуры элемента Пельтье на уровне Т = - 15 ^оС выходной код АЦП увеличивается до значения N = 120 8 за время t = (15 …18) с, т. е. интенсивность хемилюминесценции за счет конденсации увеличивается примерно на порядок.

Экспериментально установлено, что разброс значений выходного кода АЦП связан с нестабильностью (мерцанием) хемилюминесцентного свечения, и для получения достоверных результатов контроля необходимо реализовать операцию усреднения.



Рис. 3 - Зависимости интенсивности хемилюминесценции при разных температурах

Предложено для повышения чувствительности хемилюминесцентного метода контроля при малой концентрации веществ применять ФЭУ в электронно-счетном режиме работы. При исследованиях на экспериментальной установке к выходу ФЭУ вместо АЦП подключался цифровой осциллограф, которым регистрировались одиночные пики напряжения (рис. 4). Затем выполнялся расчет энергии получаемых импульсов с учетом заряда электрона е 1,610-¹⁹ Кл, количества фотонов излучения N и коэффициента умножения ФЭУ-85, составляющего .

В результате расчетов установлено, что появление одиночных фотонов на входе ФЭУ-85 позволяет получать выходные импульсы напряжения с амплитудой U₀ 28 мВ на нагрузке R_Н = 1 МОм. Такие пики напряжения на выходе ФЭУ появляются со скважностью Q 10³ …10⁴, а их частичное наложение друг на друга не превышает нескольких единиц за 15 минутное время наблюдения (рис. 4).



Рис. 4 - Графики сигнала на выходе ФЭУ в электронно-счетном режиме работы

На основании проведенных расчетов и экспериментов доказано, что использование электронно-счетного режима работы ФЭУ позволяет значительно - примерно на три порядка - повысить чувствительность хемилюминесцентных приборов контроля смесей с очень малой концентрацией.

При оценке предельной чувствительности усовершенствованного метода хемилюминесцентного контроля были проведены экспериментальные исследования с применением элемента Пельтье для конденсации паров исследуемых смесей и использованием ФЭУ в электронно-счетном режиме работы. В результате экспериментов установлено, что такой метод позволяет устойчиво обнаруживать содержание веществ в газовой и конденсированной фазе с минимальной концентрацией, составляющей: озона - 10-⁹ моль/литр, соединений серы - 10-¹¹ моль/литр, солей урана - 10-¹⁶ моль/литр. Это на 3 - 4 порядка превышает максимальную чувствительность современных приборов, применяемых для контроля состава газообразных и жидких веществ и соединений.

Конденсация паров влаги на элементах Пельтье позволяет также повысить чувствительность приборов контроля с ультрафиолетовым возбуждением люминесценции. Для проведения исследований были созданы установки для допускового контроля органических вещества по интенсивности ультрафиолетовой фотолюминесценции (рис. 5).

Рис. 5 - Схемы установок для исследования фотолюминесценции

В схеме экспериментальной установки (рис. 5, а) с помощью насоса и капиллярной трубки из жидкости формируется парообразная взвесь, осаждаемая на элементе Пельтье. Наличие исследуемых веществ на поверхности загрязненного материала приводит к фотолюминесценции, интенсивность которой преобразуется ФЭУ в электрический сигнал и кодируется с помощью АЦП, а после масштабирования в блоке обработки данных результат выводится на цифровой индикатор (рис. 5, а).

Разработана схема малогабаритного прибора с автономным питанием и ультрафиолетовым светодиодом, позволяющего по яркости фотолюминесценции визуально определять концентрацию органических веществ на поверхности материала (рис. 5, б).

Применение в приборе микропроцессорного блока обработки данных позволило автоматизировать допусковый контроль анализируемых веществ путем сравнения результатов измерений с пороговыми значениями, записанными в ПЗУ микропроцессора.

Выявлена зависимость нестабильности показаний при хемилюминесцентном контроле от временного и температурного дрейфа источника и приемника излучения. Например, при подаче на ФЭУ стабильного светового излучения на уровне порядка 20 % от предела преобразования 16-ти разрядного АЦП, показания существенно изменяются во времени, причем такая нестабильность носит случайный характер и наблюдается в течение нескольких десятков минут (рис. 6).

Рис. 6 - Пример временного дрейфа выходного сигнала ФЭУ-85

Для повышения стабильности результатов хемилюминесцентного контроля разработана структурная схема цифрового прибора с ультрафиолетовым излучателем VD1, в которой микроконтроллер автоматически компенсирует влияние внешней засветки и реализует коррекцию погрешностей в двухтактном цикле преобразования (рис. 7).

Рис. 7 - Схема прибора с цифровой компенсацией влияния внешней засветки

В процессе контроля АЦП сначала кодирует напряжение начального смещения U_СМ ФЭУ при выключенном ультрафиолетовом светодиоде VD1, а после его зажигания кодирует сумму напряжения смещения U_СМ и напряжения U_Х, зависящего от потока фотолюминесценции Ф_Х (рис. 7). После вычитания этих двух кодов микроконтроллер формирует результат, пропорциональный световой чувствительности S_Ф ФЭУ и потоку Ф_Х фотолюминесценции исследуемого вещества:

.

Для автоматизации процесса компенсации внешней засветки в приборе контроля разработан специальный алгоритм, реализующий вычитание кодов N_Xk = N_k - N_CMk и получение скорректированного результата k-го измерения, а также вычисление среднего значения кода за время одного цикла контроля

.

Согласно графикам выходного сигнала ФЭУ (рис. 8), при измерениях в течение 88 секунд без цифровой коррекции погрешностей разброс результатов преобразования составлял около N_Х 100 квантов. После включения цифровой коррекции разброс показаний уменьшается до уровня N_Х.К 2 кванта при среднем значении интенсивности излучения N_Х.ср 2400, т. е. нестабильность показаний за счет применения автоматической цифровой коррекции погрешности уменьшается примерно в 50 раз.

Рис. 8 - График выходного сигнала ФЭУ до и после цифровой коррекции

Для аналогичных цифровых приборов с модуляцией потока ультрафиолетового излучения разработаны алгоритмы проведения хемилюминесцентного контроля поверхностного загрязнения образцов хлор- или серосодержащими органическими соединениями с автоматической коррекцией инструментальных погрешностей преобразования.

Благодаря высокой чувствительности предложенный усовершенствованный метод можно использовать не только для исследования хемилюминесцентного свечения веществ, но и для контроля их радиоактивного загрязнения, так как наличие заряженных и частиц приводит к появлению импульсов напряжения на выходе ФЭУ. Метод позволяет оценивать наличие энергии, соответствующей одному химическому акту, и обеспечить высокую разрешающую способность аппаратуры путем перевода ФЭУ в режим счета фотонов излучения с дискриминацией сигнала по амплитуде импульсов.

При контроле состава веществ хемилюминесцентным методом, выполняемом в режиме измерения фототока ФЭУ, целесообразно реализовать автоматическую коррекцию аддитивной составляющей погрешности для компенсации влияния внешней засветки и темнового тока фотоприемника излучения на результаты измерений.

Третья глава посвящена разработке высокочувствительных и широкодиапазонных фотодатчиков для приборов хемилюминесцентного контроля.

Для уменьшения влияния анодного фототока I_ФА на линейность характеристики ФЭУ предложен регулятор на транзисторе VT с усилителем DA1 в высоковольтном делителе напряжения питания ФЭУ (рис. 9).

При моделировании данного устройства доказано, что применение регулятора позволяет в 5 - 8 раз улучшить температурную стабильность ФЭУ за счет увеличения сопротивлений резисторов в высоковольтном делителе напряжения и снижения рассеиваемой мощности.

Для повышения точности хемилюминесцентных приборов предложено компенсировать нестабильность оптического излучателя дополнительным фотодатчиком с подведением светового потока Ф_О через световод для исключения нагрева. При напряжении фотодатчика U_О, пропорциональном опорному потоку излучения Ф_О, можно реализовать контроль по отношению измеряемого потока излучения Ф_Х к исходному Ф_О. Этим уменьшается влияние нестабильности источника оптического излучения на результаты хемилюминесцентного контроля, что приводит к повышению точности.

В разработанной схеме прибора (рис. 10) исследуемое вещество помещается в кювету и с помощью дифракционной решетки просвечивается на разной длине световой волны. ФЭУ преобразует поток излучения Ф_Х в фототок I_ФА, который затем преобразуется в частоту f_Х, измеряемую микропроцессором, а вычисление отношения двух потоков излучения выполняется в преобразователе фототока в частоту импульсов

Рис. 10 - Схема прибора с автоматической компенсацией нестабильности излучателя

Для формирования опорного напряжения U_О используется часть светового потока Ф_О излучателя, подаваемая на фотодатчик через световод (рис. 10). Изменения светового потока Ф_О ± Ф_О приводят к изменению анодного фототока I_ФА ± I_ФА ФЭУ и опорного напряжения U_О ± U_О, поэтому их отношение не влияет на результаты контроля.

Уравнение преобразования прибора (рис. 10) определяется выражением

и зависит от коэффициента умножения ФЭУ, чувствительности S_Ф фотодиода VD, коэффициента пропускания K_СВ световода и коэффициента пропускания вещества K_ПР, а также от соотношения резисторов R₃ / R₁ в схеме преобразователя фототока в частоту.

Применение дополнительного фотодатчика для формирования опорного напряжения U_О, пропорционального потоку излучения Ф_О, упрощает процесс допускового контроля состава веществ. При этом можно запоминать в микропроцессоре образцовые коэффициенты оптического поглощения исследуемых веществ и затем сравнивать их с результатами измерений. Это позволяет вдвое сократить длительность цикла хемилюминесцентного контроля, так как в данном случае не нужно измерять состав образцовых веществ, а только измерять коэффициенты оптического поглощения или пропускания исследуемых смесей и автоматически сравнивать их с образцовыми данными.

Совместное применение в приборах хемилюминесцентного контроля состава веществ двух предложенных решений - регулирования напряжения питания ФЭУ и автоматической компенсации нестабильности излучателя позволяют значительно - более чем на порядок - расширить динамический диапазон работы таких устройств.

Для проведения хемилюминесцентных измерений с цифровой коррекцией инструментальных погрешностей разработан универсальный алгоритм процесса преобразования, содержащий следующие операции:

1) формирование цикла контроля заданной длительности = const или установка числа n отдельных измерений в цикле контроля;

2) выделение фронта и среза каждого k-го импульса модулирующей частоты для синхронизации аналого-цифрового преобразования в k-том цикле;

3) формирование времени задержки работы АЦП на время установления напряжения на выходе фотодатчика;

4) считывание информации с выходов АЦП после окончания кодирования и запись полученных данных в оперативное ЗУ микропроцессора;

5) выполнение операции вычитания двух кодов для получения и запоминания скорректированного k-го результата измерения:

;

6) вычисление среднего значения результата за цикл контроля

;

7) запись среднего значения кода в оперативное запоминающее устройство;

9) умножение полученного результата на масштабирующий коэффициент для представления результата контроля в размерности оптического излучения;

10) преобразование кода в код для вывода результата на индикатор;

11) формирование импульса для установки АЦП и таймера в исходное состояние.

В преобразователях слабого хемилюминесцентного свечения в частоту импульсов предложено на выходе ФЭУ применять интегратор на усилителе с дополнительной цепью положительной обратной связи, выходное напряжение которого U_X = I_ФАt(R₁ + R₂)/R₂C_И имеет большую скорость нарастания в микроамперном диапазоне фототока I_ФА (рис. 11).

Применение интегратора на операционном усилителе с резисторами R₁, R₂ в цепи положительной обратной связи позволяет в десятки раз повысить чувствительность приборов с ФЭУ при выполнении неравенства (R₁ + R₂)/R₂ >> 1 и, кроме того, обеспечить высокую линейность преобразования анодного фототока ФЭУ, работающего в электронно-счетном режиме, в частоту прямоугольных импульсов, измеряемых микропроцессором при хемилюминесцентном контроле. В этом случае реализуется преобразование измеряемого потока излучения Ф_Х или интенсивности люминесценции в частоту импульсов, при цифровом измерении которой автоматически вычисляется среднее значение исследуемой оптической величины за длительность цикла измерения при одновременном ослаблении влияния случайных помех.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию характеристик основных функциональных узлов аппаратуры хемилюминесцентного и фотоэлектрического контроля состава веществ, включая контроль спектральных характеристик излучения.

Проведена разработка малогабаритного спектрофотометрического детектора с микропроцессорной обработкой данных СФД-УФ для экспрессной диагностики состава жидких растворов в ультрафиолетовой области спектра (рис. 12).

Для данного прибора разработаны алгоритмы и программы автоматизации процесса измерения с компенсацией влияния начального фототока ФЭУ на результаты контроля состава жидких веществ и соединений.

Разработана и внедрена установка для контроля качества электрических кабелей, реализуемого в процессе горения изоляции c вычислением относительных коэффициентов оптического поглощения. При проведении измерений в этой установке поток излучения преобразуется в частоту импульсов, измеряемую цифровым способом. В составе установки используется высокочувствительный приемник светового излучения с импульсной обратной связью, который характеризуется наноамперным уровнем темнового тока фотодиода при максимальном значении фототока, составляющем 20 мкА.

Рис. 12 - Структурная схема спектрофотометра СФД-УФ

Разработаны схемы высокочувствительных фотодатчиков для малогабаритных цифровых приборов хемилюминесцентного контроля с автономным питанием, используемых при экологическом мониторинге окружающей среды. Показана универсальность применения предложенных научно-технических решений, обеспечивающих повышение чувствительности при минимальных аппаратурных затратах, что практически использовано при разработке малогабаритного цифрового дозиметра с автономным питанием.

Предложены высокоточные преобразователи фототока напряжение и в частоту импульсов, работающие в нано- и микроамперном диапазонах, использование которых позволяет повысить предельную чувствительность устройств хемилюминесцентного контроля до уровня, сравнимого со световой чувствительностью ФЭУ, и применять их в малогабаритных приборах для контроля слабого оптического и радиационного излучения.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Результаты работы

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1 Проведенный сравнительный анализ различных методов показал превосходство метода хемилюминесцентного экспресс-контроля веществ с малой концентрацией.

2 Усовершенствован метод хемилюминесцентного экспрессного контроля малой концентрации веществ, позволяющий повысить интенсивность свечения за счет конденсации паров исследуемых соединений на охлаждающей поверхности стабильной температуры.

3 Экспериментально доказана эффективность применения электронно-счетного режима работы ФЭУ при хемилюминесцентном контроле состава смесей с низкой концентрацией исследуемых веществ, обеспечивающего предельное - на два-три порядка - повышение чувствительности контролирующих приборов, вплоть до регистрации отдельных квантов светового потока.

4 Разработаны алгоритмы проведения хемилюминесцентного контроля с компенсацией внешней засветки и нестабильности источника оптического излучения за счет применения автоматической коррекции систематических погрешностей в двухтактном цикле измерения хемилюминесцентного свечения исследуемых веществ.

5 Подтверждена возможность 10-кратного расширения динамического диапазона ФЭУ посредством автоматической регулировки высоковольтного напряжения питания и световой чувствительности в зависимости от уровня анодного фототока.

6 Предложены структурные схемы автоматизированных установок и приборов хемилюминесцентного контроля, позволяющие выполнять исследования состава газообразных и жидких веществ с низкой концентрацией в материале за счет автоматизации режимов измерения и коррекции инструментальных погрешностей, новизна которых защищена патентами на изобретение и полезную модель.

7 Установлено, что применение предложенного метода, алгоритмов и структур построения хемилюминесцентных приборов контроля позволяет выявлять содержание веществ в газовой и конденсированной фазе с концентрацией: озона - 10-⁹ моль/литр, соединений серы - 10-¹¹ моль/литр, солей урана - 10-¹⁶ моль/литр, что на 3 - 4 порядка превышает максимальную чувствительность современных приборов, применяемых для контроля состава газообразных и жидких веществ и соединений.

Публикации по теме диссертации

Публикации в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК

1. Санников, Д. П. Прибор фотоэлектрического контроля с автоматической компенсацией нестабильности источника светового излучения. [Текст] / Д. П. Санников, Ю. Б. Иванов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 4-2, 2010. - С. 107 - 111. (личное участие 60 %)

2. Санников, Д. П. Расширение динамического диапазона фотоэлектронных умножителей. [Текст] / Д. П. Санников // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 3, 2010. - С. 78 - 82.

3. Санников, Д. П. Способ повышения чувствительности фотоэлектрических преобразователей. [Текст] / Н. Г. Богданов, Д. П. Санников, Ю. Б. Иванов. // Телекоммуникации, № 2, 2007. - С. 35 - 38. (личное участие 30 %)

Прочие публикации

4. Санников, Д. П. Обобщенная модель эффективности системы контроля [Текст] / С. П. Богданов, В. Г. Лисичкин, Д. П. Санников // Новые информационные технологии в научных исследованиях "НИТ-2010": Материалы ХV Всероссийской научно-технической конф., Рязанский ГРТУ, 2010. - С. 62 - 64, (личное участие 30 %).

5. Санников, Д. П. Выбор критерия оптимизации приборов контроля [Текст] / С. П. Богданов, В. Г. Лисичкин, Д. П. Санников // Новые информационные технологии в научных исследованиях "НИТ-2010": Материалы ХV Всероссийской научно-технической конф., Рязанский ГРТУ, 2010. - С. 64 - 66, (личное участие 40 %).

6. Санников Д. П. Повышение точности измерений фазочастотных параметров при контроле / С. П. Богданов, В. Г. Лисичкин, Д. П. Санников // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, ОрелГТУ, № 4, 2010. - С. 96 - 102, (личное участие 40 %).

7. Санников, Д. П. Двухтактные фотопреобразователи с коррекцией аддитивных погрешностей [Текст] / М. А. Волков, Д. П. Санников // Материалы 33-й Всероссийской научно-технической конференции "Сети, системы связи и телекоммуникации". - Рязань, 2008. - С. 173 - 174, (личное участие 50 %).

8. Санников, Д. П. Высокочувствительные фотоприемные устройства для систем телекоммуникаций [Текст] / Н. Г. Богданов, Д. П. Санников // Материалы I Всероссийской научно-технической конференции "Информтех-2008". - Курск, 2008. - С. 184 - 185, (личное участие 50 %).

9. Санников, Д. П. Перспективы разработки спецодежды для защиты от пыли [Текст] / Ашихина, Л. А., Павликова А. В., Санников Д. П. // Межвузовский сб. науч. трудов "Техника и технологии".- М.: МГУДТ, 2006. - С. 60 - 63, (личное участие 40 %).

10. Санников, Д. П. Контроль лечебной спецодежды для работников торговли [Текст] / Е. Е. Добычина, А. В. Павликова, Д. П. Санников // Межвузовский сб. науч. трудов "Техника и технологии". - М.: МГУДТ, 2006. - С. 89 - 95, (личное участие 40%).

11. Санников, Д. П. Обогащение воздушной среды пододежного пространства средств индивидуальной защиты физиологически-активными компонентами [Текст]/ Л. А. Ашихина, А. В. Павликова, Д. П. Санников // Межвузовский сб. науч. трудов "Техника и технологии".- М.: МГУДТ, 2006. - С. 47 - 51, (личное участие 30 %).

12. Санников, Д. П. Фотометр. Патент на полезную модель № 99160 от 10.11.2010. МПК G01J 1/44 [Текст] / Д. П. Санников, Ю. Б. Иванов (личное участие 50 %).

13. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2005115517/28 от 27.04.2011. Хемилюминесцентный детектор токсичных веществ в воздухе рабочей зоны [Текст] / Гальянов И. В., Санников Д. П., Тюриков Б. М. (личное участие 40 %).

ЛР ИД №0067 от 05.01.2000 г.

Подписано к печати 05.03.2012 г. Формат 6984/16. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 148

Полиграфический отдел ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

302030, г. Орел, ул. Московская, 65

Размещено на Allbest.ru

...