Сысоев Информационные технологии в физических исследованиях Лабораторный практикум 2009

… X17. Пять каналов управления являются идентичными. Исключением является канал управления шлюзом, который включает в себя дополнительную ветвь управления штоком шлюзового устройства. Каждый канал управления содержит следующие элементы: цепочку логических элементов (инверторов)и твердотельное или механическое реле. Каждый канал имеет обратную связь, по которой сигналы от включенных узлов поступают на приборную панель. Разъемы XN имеют следующее назначение. Через разъем XP1 на входы каналов поступают сигналы с контроллера. Разъем XP4 обеспечивает подачу сигналов с концевиков шлюза, сигнализирующих о крайних его положениях. Через разъем XP2 поступают управляющие сигналы с блока ручного управления. Разъемы X8X13 являются сильноточными, так как через них питающие напряжения подаются на соответствующие узлы прибора.

Рассмотрим работу БАУ на примере канала включения клапана шлюзового устройства. При управлении от компьютера команда подается на контроллер К, который, в свою очередь, вырабатывает логические сигналы («1»), обеспечивающие включение, либо выключение выбранного устройства. Для устранения помех по электрическим цепям предусмотрены оптопары TLP521. При выборе соответствующей команды в программе управления прибором на выходе контроллера К вырабатывается логический сигнал («1»), который поступает на вход логического элемента И-НЕ (D1.2). На его выходе вырабатывается инвертированный сигнал («0»), который поступает на вход логического элемента И-НЕ (D2.1). Указанные элементы фактически выполняют функцию усиления мощности. Инвертированный в элементе D2.1 сигнал («1») поступает на ключ D3.1. При входе на ключ D3.1 сигнала («1») на выходе генерируется земля. На другом конце канала +5В, следовательно, ключ К2.1 замыкается. При этом сетевое напряжение поступает на сильноточные канал Х10, что обеспечивает открытие клапана шлюзового устройства. Если на вход ключа D3.1 подается («0»), то цепь разорвана и замыкание ключа не происходит.

Открытие клапана шлюзового устройства в случае управления при помощи блока ручного управления осуществляется нажатием соответствующей кнопки на приборной панели. Ручное управление устройством аналогично управлению, происходящему в автоматизированном режиме. Различие заключаются лишь в подаче им-

90

пульсного сигнала через разъем X2. В этом случае, при замыкании на панели управления кнопки «Клап. Шлюз» на контакте XP2-11 генерируется сигнал («1 Дальнейший ход сигналов в канале полностью аналогичен случаю, как при автоматизированном управлении.

Вотличие от других пяти каналов управления, канал управления шлюзом имеет некоторые особенности. При управлении от компьютера команда включение/выключение подается на контролер К, который, в свою очередь, вырабатывает логический сигнал «1», обеспечивающий включение, либо выключение выбранного устройства. Данный сигнал через контакт 12 разъема X2 поступает на вход логического элемента И-НЕ (D5.1). На выходе данного логического элемента этот сигнал инвертируется, и инвертированный сигнал («0») поступает на вход ключа D7.1 и далее на вход ключа D3.6. Один конец канала подключен к питанию + 5 В, и при подаче «земли» замыкается ключ К6 и приводит к подаче на двигатель шлюза напряжения.

Вмомент начала движения штока шлюза контакты одного из концевых выключателей размыкаются. При достижении штоком шлюза другого крайнего положения замыкаются контакты второго концевого выключателя. Для идентификации положения штока шлюза по состояниям его концевых выключателей предусмотрены дополнительные элементы D5.2 и D5.3. При подаче на на эти элементы 0 или 1 сигнал инвертируется и подается на вход канала А, который посылает сигнал на вход АЦП, которое задействовано как логический элемент.

Управление шлюзовым устройством при помощи блока ручного управления осуществляется нажатием соответствующей кнопки «Шлюз» на приборной панели управления. Ручное управление устройствами аналогично управлению, происходящему в автоматизированном режиме. Различия заключаются лишь в подаче управляющих сигналов через разъем X2. На примере канала включения шлюзового устройства ручное управление осуществляется следующим образом. При замыкании кнопки «Шлюз» на панели управления возникает единичный сигнал, который сразу подается на ключи D7.1 и далее на D3.6. Дальнейший ход сигналов полностью аналогичен случаю, имеющему место при автоматизированном управлении.

91

92

Рис. 3.5. Принципиальная схема автоматизированного устройства управления

Контрольные вопросы

1.Какие задачи решаются при автоматизации массспектрометра?

2.В чем различия одноуровневых и многоуровневых систем автоматизации и причины использования многоуровневых систем?

3.Приведите структурную схему лазерного времяпролетного масс-спектрометра и назначение его элементов.

4.Приведите структурную схему ИУВС лазерного времяпролетного масс-спектрометра.

5.Какое значение контроллеров в ИУВС?

6.В чем состоит принцип работы автоматизированного устройства управления?

7.Приведите алгоритм работы ИУВС.

8.Какие основные действия в алгоритме записи массспектров?

9.Какие основные этапы алгоритма настройки масс-спектров?

Список рекомендуемой литературы

1.Сысоев А.А. Физика и техника масс-спектрометрических приборов

иэлектромагнитных установок. – М.: Энергоатомиздат, 1983.

2.Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. – М.: Постмаркет, 2000.

93

Лабораторная работа 4

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ЛАЗЕРНОГО ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ЛАМАС 10

Цель: изучение программных средств для автоматизации лазерного времяпролетного масс-спектрометра и выполняемых ими функций.

4.1КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДЕТЕКТИРУЮЩЕЙ

ИРЕГИСТРИРУЮЩЕЙ ЧАСТИ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

Всвязи с интенсивным развитием компьютерной и микропроцессорной техники, в последнее время практически во всех отраслях науки и промышленности наблюдается стремление к максимальной автоматизации приборов и установок. При их автоматизации можно решать многочисленные задачи, в частности: а) вычислительные; б) управленческие; в) информационные. При этом можно обеспечить управление как объектами, так и технологическими процессами. В случае автоматизации объектов возможно как управление ими, так и получение информации об объектах, либо его элементах, в том числе и обработка этой информации.

Вданной работе рассматривается автоматизация измерений и обработки масс-спектров в лазерном времяпролетном массспектрометре ЛАМАС-10. При автоматизации таких процессов, как правило, решаются следующие задачи:

сбор и накопление масс-спектральной информации;

первичная обработка масс-спектров (подавление шума, сжатие информации, вычисление интенсивностей пиков и т.п.);

вторичная обработка масс-спектров (получение конечного

результата, например, определение состава образца).

Для решения перечисленных задач лазерный массспектрометр оснащается специальным программным обеспечением, при помощи которого реализуется выполнение соответствующих функций. Аппаратная часть масс-спектрометра включает

94

средства преобразования аналоговой информации в цифровую, записи и регистрации, персональный компьютер. Автоматизация минимизирует работу оператора при работе с масс-спектрометром и позволяет выполнять такие задачи, которые находятся за пределами его возможностей. Вследствие этого улучшается экспрессность и воспроизводимость результатов измерений, на порядки повышается точность.

4.1.1.Структурная схема устройства

Кканалу записи масс-спектров (каналу регистрации) в лазерной времяпролетной масс-спектрометрии предъявляются достаточно высокие требования, в частности:

высокое быстродействие, связанное с необходимостью записывать короткие импульсы в наносекундном диапазоне длительностей,

большой динамический диапазон регистрируемых сигналов (~105) как по интенсивности, так и по времени,

уровень шумов должен быть не более одного бита наиболее чувствительного аналогово-цифрового преобразователя,

высокая частота дискретизации (~1 ГГц).

Структурная схема канала регистрации приведена в лабораторной работе 2. Канал регистрации масс-спектров построен на базе цифрового осциллографа TDS-5034B. Аналоговый сигнал в виде масс-спектра поступает с выхода вторично-электронного умножителя на вход предварительного усилителя импульсов, в качестве которого используется эмиттерный повторитель ЭП1. Далее сигнал по кабелю поступает на распределитель сигналов (РС), который имеет 3 равнозначных выхода, подключенных к трем каналам (АЦП) цифрового осциллографа (К1 – К3). На четвертый канал цифрового осциллографа подается сигнал с выхода датчика мощности лазерного излучения. С фотодиода, размещенного в лазере, на вход синхронизации подается синхронизирующий импульс для запуска развертки осциллографа. Каждый из первых трех каналов осциллографа имеет отличный от других коэффициент усиления. Коэффициенты усиления каналов выбраны с таким расчетом, чтобы обеспечить регистрацию массовых пиков в динамическом диапазоне 4-5 порядков.

95

Каналы содержат 8-разрядные АЦП. Диапазон преобразования 1-го АЦП (АЦП1) выбран равным 0,004 1 В; диапазон преобразования АЦП2 равен 0,04 5 В; диапазон АЦП3 устанавливается равным 0.4 10 В. Коэффициенты усиления каналов усилителя взяты с таким расчетом, чтобы сигнал, соответствующий для АЦП1 7-му биту, регистрировался бы во втором бите АЦП2, сигнал, соответствующий 7-му биту АЦП2, регистрировался бы во втором бите АЦП3. Это реализовано с целью обеспечить стыковку оцифрованных сигналов с трех АЦП. После записи масс-спектров с каждого АЦП они преобразуются с помощью специальной программы в единый масс-спектр с динамическим диапазоном интенсивностей равным 104-105. Один из каналов осциллографа предусматривает также запись сигнала, характеризующего мощность излучения лазера. Для этой цели служит усилитель сигнала с датчика мощности излучения лазера, с выхода которого импульс подается на вход предварительного усилителя. Усиленный сигнал с датчика мощности излучения лазера оцифровывается с помощью АЦП4 и записывается в ОЗУ, а далее считывается в память компьютера. В массспектре этот сигнал находится в самом начале и не интерферирует с массовыми пиками масс-спектра.

4.1.2. Функции, выполняемые каналом регистрации

Основные функции, выполняемые каналом регистрации, следующие:

запись и визуализация масс-спектров;

обработка масс-спектров.

Запись и визуализация масс-спектров включает следующие операции: 1) вызов программы записи; 2) установку необходимых для записи спектров параметров. При вызове программы записи масс-спектров на экране монитора появляется «Окно эксперимента», в котором необходимо записать характеристики режима записи масс-спектров. В окне эксперимента выбирается один из следующих четырех режимов работы программы:

1)с дискриминацией шума, с выравниванием пиков;

2)без дискриминации шума, без порога, 5 нс;

3)с дискриминацией шума < 4, с порогом, каждый спектр;

4)без дискриминации шума с показом каждого спектра.

96

Также в этом окне устанавливается количество накапливаемых спектров и выставляется настройка уровня шумов, имеющая два параметра:

1)смещение 0-го уровня (0-ой канал четный);

2)смещение 0-го уровня (1-ый канал нечетный). Дискриминация шума означает отсечение сигналов меньше од-

ного бита разрядности, т.е. такие сигналы не записываются в спектр. Однако при использовании режима работы программы с прорисовкой каждого спектра, на накопление масс-спектров затрачивается несколько большее количество время, чем в режиме без прорисовки. Выравнивание пиков делается для избегания эффекта уширения пиков. На детектор приходят ионные пакеты, которым соответствуют импульсы в масс-спектре. Положение импульсов зависит от времени прихода пиков. А поскольку ионные пакеты приходят с вариациями времени от масс-спектра к масс-спектру, то соответственно возникает некоторый сдвиг. Этот сдвиг приводит к нежелательному последствию - расширению суммарного пика, соответствующего данной массе. Чтобы этого избежать принимают в качестве времени прихода пиков некоторое среднее значение. И все последующие пики при их сложении корректируются таким образом, чтобы их положение также стало средним.

Программный комплекс содержит ряд программ, которые обеспечивают автоматизированное управление записью массспектров. При этом реализована возможность проводить запись масс-спектров в различных режимах. Большой динамический диапазон измерения достигается путем регистрации масс-спектров одновременно с разных каналов цифрового осциллографа с разными усилениями и последующей сшивки записанных масс-спектров. При формировании итогового масс-спектра производится учет коэффициентов усиления, и все пики результирующего масс-спектра представляются в едином масштабе.

Режим записи масс-спектров устанавливается при помощи интерфейсного окна, вызываемого пользователем на экран монитора. В окне устанавливаются параметры, обусловливающие режим записи масс-спектров, и записываются необходимые комментарии к спектру.

Обработка масс-спектров. По окончании этапа записи массспектра производится его обработка. Конечной целью обработки

97

является получение информации о составе вещества. Характер обработки определяется решаемой задачей и возможностями программного комплекса. Обработка осуществляется в два этапа. Первичная обработка масс-спектров предполагает калибровку массспектра, подавление шумов, вычитание постоянной составляющей масс-спектра (если в этом есть необходимость), сглаживание пиков, расчет интенсивностей массовых пиков, коррекция дискриминаций. Обычно все эти операции закладываются в программное обеспечение и производятся автоматически или по командам пользователя. Вторичная обработка масс-спектров включает учет коэффициентов относительной чувствительности и имеет целью расчет концентраций элементов анализируемой пробы по масс-спектрам.

В лазерном времяпролетном масс-спектрометре предусмотрены три этапа обработки масс-спектров:

в режим on-line;

первичная обработка масс-спектров;

вторичная обработка масс-спектров.

On-line обработка производится в режиме накопления спектров. Она предполагает корректировку масс-спектров. Это делается с целью улучшения воспроизводимости записываемых массспектров. После записи масс-спектров выполняется первичная их обработка. Первичная обработка включает следующие этапы: 1) калибровку масс-спектра, 2) сглаживание пиков, 3) определение интенсивностей пиков, 4) подавление шумов, 5) корректировку некоторых дискриминаций.

Вторичная обработка предполагает определение по интенсивностям пиков, которые получены в цифровой форме, концентраций элементов в анализируемом образце. Это делается либо с помощью известных коэффициентов относительной чувствительности (КОЧ), или полученных из анализа стандартных образцов, либо путем вычисления с использованием соответствующих теоретических моделей. На конечном этапе обработки масс-спектр представляется в виде таблицы, в которой указаны концентрация, масса и заряд иона.

Алгоритм обработки масс-спектров. Обработка масс-

спектров в режиме «on-line» предполагает корректировку масс-

98

спектров в процессе их накопления. Это делается с целью улучшения воспроизводимости записываемых масс-спектров. Первичная обработка предполагает калибровку масс-спектров, подавление шумов, вычитание постоянной составляющей масс-спектра (если в этом есть необходимость), сглаживание пиков, расчет интенсивностей массовых пиков, коррекция дискриминаций. Обычно все эти операции закладываются в первичное программное обеспечение и производятся автоматически или по командам пользователя. Вторичная обработка масс-спектров имеет целью расчет концентраций элементов анализируемой пробы по масс-спектрам. Такой расчет включает как собственно вычисление концентраций с учетом коэффициентов относительной чувствительности, так и расчет самих коэффициентов в случае необходимости.

4.2. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

4.2.1. Структурная схема программного обеспечения

Назначение программного обеспечения. Программный ком-

плекс предназначен для автоматизации лазерного времяпролетного масс-спектрометра и программной поддержки методик элементного и молекулярного анализа. С его помощью решаются следующие основные задачи:

автоматизация записи масс-спектров в процессе анализа,

автоматизированная обработка масс-спектров,

определение элементного состава твердых образцов по масс-спектрам,

автоматизация и управление элементами прибора.

Состав программного обеспечения. Полное программное обеспечение включает четыре программных комплекса. Каждый из них содержит ряд отдельных программ, выполняющих самостоятельные функции. На рис. 4.1 приведена полная структурная схема программного обеспечения. Там же указано обозначение программных комплексов.

99