Некоторые тенденции развития спектрофотометрического приборостроения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые тенденции развития спектрофотометрического приборостроения

Э.В. Кувалдин

ОАО «ГОИ им. С.И. Вавилова»

Рассмотрено состояние дел в разработке фотометрических и спектрофотометрических приборов. Показаны пути преодоления трудностей, возникающих при разработке приборов. Описаны новые структурные схемы приборов.

На притяжении последних 60-70 лет оптические схемы фотометров и спектро фотометров изменялись мало. Зато электронные схемы получения и обработки сигналов изменились существенно в основном благодаря внедрению компьютерной техники. Каждые несколько лет обновлялся парк компьютеров, в том числе и входящих в состав фотометрических и спектрофотометрических приборов. Это привело к тому, что приборы очень быстро устаревают морально, особенно двухканальные, в которых применяются электромеханические узлы, управляемые программно с компью тера. Замена компьютеров на новые модели приводит к тому, что приборы оказываются не ремонтно-способными и работают до первой поломки. При этом наиболее дорогая в производстве оптико-механичевкая часть приборов оказывается непригодной для даль нейшей модернизации. [1]. Приборы с минимальным количеством электронных компонентов оказались наиболее живущими. Примером могут служить концентрационные колориметры ЗОМЗа, такие как ФЭК 56, ФЭК60 и нефелометры, в которых из электронных узлов имеется только лампа накаливания с понижающим трансформатором и фотоэлемент с гальванометром нулевого отсчета. Эти приборы в ряде лабораторий используются до сих пор. Более поздние модели с электронными усилителями и синхронными детекторами постепенно перестали выпускаться из-за смены электронной элементной базы.

По функциональной схеме спектрофотометрические приборы разделяются на одноканальные и двухканальные. Одноканальные (Рис. 1) обычно приборы прямого измерения. В них отсчет пропорционален измеряемому коэффициенту. Сравнение с эталонным образцом производится при повторном измерении. Для хорошей повторяемости отсчетов в этих приборах предъявляются повышенные требования к стабильности всех узлов прибора. Типичный пример такого прибора - спектрофотометр СФ26 производства ЛОМО.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Функциональная схема одноканального прибора

1 - Источник излучения, 2 - оптическая схема с измеряемым образцом, 3 - фотоприемное устройство, 4 - устройство обработки измеряемой информации, 5 -внешнее устройство (компьютер, принтер)

Двухканальные приборы (Рис.2) содержат две однотипные оптические системы В одной размещается измеряемый образец, - в другой образец сравнения (эталонный). Излучение источника через модулятор поочередно попадает в каждый канал и затем на общий приемник излучения. Возможен вариант и с отдельными приемниками излучения в каждом канале, при этом сложение сигналов производится в блоке обработки информации.

В приборах, работающих по нулевому принципу, устройство обработки сигналов управляет аттенюаторами, выравнивая сигналы в каналах. В приборах прямого измерения аттенюаторы используются для переключения пределов измерения. фотометрический спектрофотометрический прибор

В двухканальных приборах не предъявляется жестких требований с стабильности применяемых элементов. Типичный пример двухканального прибора - спектрофотометр СФ20 производства ЛОМО.

Во многих лабораториях и производственных фирмах имеется уникальное спектрофотометрическое оборудование выпуска 60 - 80 годов. В нем имеются хорошо сконструированные и изготовленные оптико-механические блоки и узлы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Функциональная схема двухканального прибора

1 - Источник излучения, 2 - модулятор, 3 - управляемый аттенюатор, 4 - оптическая схема с измеряемым образцом, 4а - оптическая схема с образцом сравнения, 5 - фотоприемное устройство, 6 - устройство обработки измеряемой информации, 7 -внешнее устройство (компьютер, принтер)

Автоматизация обработки результатов измерения в них либо морально устарела, либо отсутствует вовсе. По основным характеристикам эти приборы, как правило, превосходят современные аналоги, в которых основное внимание при разра ботке было обращено на снижение себестоимости и повышение производительности работы на приборе. Дорогие механические узлы заменялись простыми и дешевыми автома тическими блоками и устройствами. При этом во многих случаях точность прибора уменьшалась, а иногда и сокращались пределы измерения и возможности прибора.

Это объясняется тем, что в процессе работы с неавтоматизи рованными приборами были выра ботаны различные методические приемы, позволяющие вво дить поправки в результат измерения в зави симости от различ ных мешающих факторов. К ним относятся внешняя засветка, разный рассеянный свет в приборе в различных спектральных интервалах, медлен ное сползание нулевого отсчета за счет темнового тока прием ников излучения, влияния температуры окружающей среды и т.д. Методические приемы очень трудно поддаются автоматизации и в большинстве случаев такая автоматизация технически и экономически не оправдана.

Одна из основных тенденций развития приборостроения - снижение себестоимости приборов. Это достигается применением новых материалов, а также тем, что целый ряд функций посте пенно переходит от дорогой оптической к дешевой электронной части прибора. Приборы становятся более электронными. Это касается, прежде всего, переключений пределов измерений и чувствительности спектрофотометрических приборов. Если раньше это достигалось введением в оптическую схему дорогих оптических поглотителей, то теперь эти операции производятся в аналоговой электронной схеме прибора или в схеме включения приемника излучения. Сложные осветители, с выделением требуемого спектрального интервала, заменяются набором светодиодов, излучающей в требуемой области спектра. Вместо оптических схем формирования пучков, близких к паралельным, применяются лазеры и т.д.

В последние два десятилетия наметилась тенденция выпуска оптических приборов электронными фирмами, а оптические узлы используются в этом случае как комплектующие. Такой подход хорошо себя заре комендовал, так как окончательная сборка и настройка происходит именно с электронными узлами. Тоже касается и ремонта. Приборы 60 - 80 годов прошлого столетия рассчитывались на индивидуальный ремонт специалистами высокой квалификации Начиная с 90 годов, в электронной и радиопромыш ленности постепенно перешли на поузловой ремонт, т.е. при ремонте прибора заменялись целиком отдельные узлы и платы, которые вначале ремонтировались хорошо оснащен ными специализированными мастерскими и постепенно вообще перестали ремонти роваться. Эта тенденция проследуется в производстве компьютеров. Оптико-электронные приборы постепенно переходят на этот путь. Такой способ позволяет производить ремонт и обслуживание приборов силами малоквалифицированных специалистов. Для дорогих оптико-электронных приборов такой путь неприемлем. Необходима поузловая замена вышедших из строя электронных узлов.

Объем выпуска большинства фотометрических приборов по сравнению с электронными приборами очень небольшой. Разработка и изготовление специализированных узлов и микросхем для них экономически неоправданно. Поэтому в них приходится применять комплектующие изделия крупносерийного производства из других отраслей промышленности. При этом не всегда удается достичь желаемых параметров. Наиболее целесообразно в этом случае применять готовые узлы и устройства, широко распространенные в измерительной технике, такие, как цифровые вольтметры и осциллографы. Такие осциллографы могут быть легко заменены на новые модели, что продлит жизнь спектрофотометрическим приборам. Осциллографы, как правило, имеют два и более измерительных каналов, что позволяет строить фотометрический прибор по двухканальной схеме. В этих случаях существенно упрощается разработка фотометрического прибора и имеется возможность применить стандартные методы обработки сигналов и программное обеспечение. Такой подход целесообразен при разработке единичных уникальных приборов. Разработку и выпуск серийных приборов в настоящее время чаще всего ведут электронные фирмы, при этом оптические узлы и блоки покупают как комплектующие. Типичный пример фотоаппарат электронной фирмы Panasonic с объективом фирмы Lumex.

Следует отметить, что компьютерное управление узлами оптических приборов целесообразно только в приборах, предназначенных для автоматизированного контроля серийной продукции. В большинстве случаях в лабораторных приборах время на пробоподготовку существенно превышает время измерения на приборе, поэтому не только компьютеризация, но и автоматизация в таких приборах не имеет смысла. Например, для того, чтобы измерить показатель преломления оптического стекла, нужно их него изготовить довольно точную призму. Изготовление призмы требует минимум несколько дней. Перед измерением призму юстируют по автоколлимационному блику. Эта операция занимает больше времени, чем само измерение. Автоматизация процесса измерения в таком приборе в принципе не нужна, так как усложняет его и не дает никаких преимуществ.

Еще одна тенденция развития спектрофотометрического приборостроения - это переход на импульсные методы измерения, что приводит к изменению функци ональных схем приборов.. Компьютеризация приборов приводит к необходимости применения аналого-цифровых преобразователей (АЦП) сигналов, которые работают в течение определенного времени выборки сигнала. Все остальное время аналоговый сигнал с приемника излучения не анализируется, т.е. АЦП работает принципиально в импульсном режиме. Отсюда напрашивается вывод о том, что и источнику излучения нет необходимости работать непрерывно, а лучше в импульсном режиме только в моменты выборок АЦП. Импульсный режим работы источников излучения легко реализуется со светодиодными и лазерными излучателями. Однако существенного повышения яркости излучения в импульсном режиме по сравнению с непрерывным режимом эти источники не дают. Для них в этом случае существенно снижение средней потребляемой мощности и, следовательно, более легкий тепловой режим. Большую яркость в импульсном режиме работы удается получить от газоразрядных импульсных ламп. При этом получается плохая воспроизводимость энергии излучения от импульса к импульсу, что накладывает дополнительные требования на систему обработки сигналов с фотоприемного устройства. Другие достоинства импульсного режима работы прибора реализуются в фотоприемном устройстве. Фотоприемник в импульсном режиме может работать при большем темновом токе, что позволяет снизить пороговую энергию фотоприемного устройства. Темновой ток приводит к смещению нуля на выходе усилителя в фотоприемном устройстве и его запиранию напряжением смещения за счет темнового тока. Работа системы источник излучения - приемник излучения при больших сигналах в импульсном режиме по сравнению с непрерывным режимом обеспечивает лучшую помехозащищенность системы. В этом случае также можно уменьшить сопротивление нагрузки в цепи фотоприемника, что позволит работать при еще большем темновом токе приемника излучения или же улучшит стабильность работы системы в целом. Снижение нестабильности работы приборов в импульсном режиме достигается в основном двумя способами. Первый заключается в применении двухканальной схемы измерения, второй в усреднении результатов измерения по большому числу отсчетов.

С учетом перечисленных выше тенденций развития фотометрического и спектрофотометрического приборостроения целесообразно приборы разделить на две основные группы: автоматизированные и не требующие автоматизации. В обоих случаях предусматривается связь с внешними устройствами через компьютер или микропроцессор для передачи данных во внешние устройства. Автоматизированные приборы рассчитываются в основном на узкое специализированное применение для тех или иных производственных процессов. Эти приборы могут быть построены как по одноканальной, так и по двухканальной схеме. Как правило, в них используются управляемые микропроцессором механизмы перемещения оптических элементов и держателей образцов, позволяющие встроить прибор в производственный процесс. Здесь производительность измерений один из главных показателей прибора. С учетом вышеизложенного, автоматизированные приборы следует строить на базе стандартных функциональных узлов из других областей применения, так как объем выпуска таких приборов обычно невелик.

Приборы универсального применения целесообразно делать не автоматизированными. В этом случае они строятся по одноканальной схеме прямого измерения (Рис. 1) с применением стандартных узлов обработки сигналов, таких, как АЦП с микропроцессорами или компьютерами. Чтобы приборы были долгоживущими, необходимо их составлять из законченных функциональных узлов, которые могут быть независимо заменяться на аналогичные при модернизации или замене элементной базы. Особенно это относится к электронным и компьютерным узлам. Так, например, за последние 20 лет сменилось несколько поколений микропроцессорных устройств вместе с программным обеспечением и устройствами отладки. По этой причине были сняты с производства концентрационные колориметры ПО ЗОМЗ, хотя оптико-механическая часть этих приборов полностью удовлетворяла потребителей и не требовала модернизации.

Не следует сбрасывать со счета возможность модернизации ранее выпускавшихся приборов с хорошо отработанными оптико-механическими блоками. Для такой модернизации наиболее подходящие приборы выпуска 60-70 годов, в которых автоматизация отсутствует: и самое главное они в основном работают по принципу прямого измерения, т.е. без обратных связей по измеряемому информативному параметру. В приборах более поздних годов выпуска, особенно с микропроцессорным управлением, возникают сложности с их модернизацией. В этом случае предлагаемой модернизации поддаются приборы, в которых нет микропроцессорного управления механизмами перемещения отдельных узлов прибора (измерительные диафрагмы, фотометрический клин и т.д.) Если таковые имеются, то помимо предлагаемой измерительной системы приходится вводить контроллер управления механизмами перемещения, который должен брать все функции управления прибором на себя, в том числе и запуск АЦП измерительной системы. По существу это уже новая разработка и в каждом отдельном случае приходится рассматривать вопрос о целесообразности применения узлов старого прибора.

Литература:

1. Кувалдин Э.В. Полуавтоматическая система регистрации данных оптико-электронных приборов. Международная конференция " Прикладная оптика" С. Петербург 20-24 октября 2008г., том 1 стр. 282-285. CD-disk (1-74.pdf)

Размещено на Allbest.ru