Сысоев Информационные технологии в физических исследованиях Лабораторный практикум 2009

Для решения перечисленных задач лазерный масс-спектрометр оснащается специальным программным обеспечением, при помощи которого реализуется выполнение соответствующих функций. Вычислительные и управляющие операции возможны с помощью компьютера с микропроцессором типа Intel Pentium IV. Кроме того, для выполнения некоторых управляющих и контрольных операций, используются специализированные контроллеры.

3.1.1. Задачи, решаемые при автоматизации работы масс-спектрометров

Современные времяпролетные масс-спектрометры являются высокоавтоматизированными приборами. Потребительские свойства лазерного времяпролетного масс-спектрометра резко возрастают при использовании в нем измерительно-управляющей вычислительной системы (ИУВС).

Важнейшими задачами, возложенными на ИУВС, в лазерном времяпролетном масс-спектрометре ЛАМАС-10-2 являются:

включение узлов и блоков прибора;

управление узлами и блоками масс-спектрометра;

вывод прибора на рабочий режим;

контроль параметров масс-спектрометра;

запись и визуализация масс-спектров;

обработка масс-спектров;

автоматическое выключение прибора.

Стартовое включение прибора обеспечивается общим сетевым тумблером, при включении которого сетевое питание подается на общие блоки питания (рис. 3.1). При этом блок питания крейта и два других низковольтных блока питания переходят в рабочее состояние. Непосредственно питаемый от одного из низковольтных источников узел контроля вакуума также переходит в рабочее состояние, а линейка светодиодов, предназначенная для контроля вакуума, будет отражать давление на входе форвакуумного насоса.

Кроме того, сетевое напряжение подается на компьютер и автоматизированное устройство управления (АУУ). Напряжение +5 В с одного из общих блоков питания поступает на АУУ и блок ручного управления (БРУ). Включение высоковольтных блоков осу-

70

ществляется через программный интерфейс. Включение блока питания лазера дополнительно дублируется через программный интерфейс этого блока.

Рис. 3.1. Структурная схема масс-спектрометра и его электрической части: УВ – устройство ввода образца; ШУ – шлюзовое устройство; ОКГ – оптический квантовый генератор; ПД – прободержатель; О – образец; ТМН1, ТМН2 – турбомолекулярные насосы; МИД – магнитно-ионизационный датчик; ТПД – термопарный датчик; ДД – датчик абсолютного давления; АСА – аксиальносимметричный анализатор; ВЭУ – вторично электронный умножитель; ПУ – предварительный усилитель; БАУ – блок автоматизированного управления; БРУ – блок ручного управления; КПЛ – канал питания лазера; К – общий контроллер; КПИ – канал питания источника; КПА – канал питания анализатора; КПД – канал питания детектора; КПМИД – канал питания магнитно-ионизационного датчика; ПУ – предварительный усилитель; ККВ – канал контроля вакуума; ПК – персональный компьютер; БПТМН – блоки питания турбомолекулярных насосов; ИП1, ИП2, ИП3 – источники питания

71

3.1.2. Одноуровневые и многоуровневые устройства автоматизации

В основу автоматизированного управления элементами массспектрометра положена двухуровневая система (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Структурная схема системы управления:

ПК – персональный компьютер; ПО – программное обеспечение; СР – система регистрации; К1, К2 – контроллеры; БПЛ – блок питании лазера; Кв – квантрон; ДД – датчик абсолютного давления; АУУ – автоматизированное устройство управления; БРУ – блок ручного управления; ФН – форвакуумный насос; ТМН1 и ТМН2 – турбомолекулярные насосы; Ш – шлюз; С – узел сканирования; Л – лазер; Кл1 и Кл2 – вакуумные клапанs; У1… УJ и БлN… БлN – управляемые узлы и блоки, “speeed” – контакт, предназначенный для регулировки скорости вращения насосов ТМН

На верхнем уровне – персональный компьютер (ПК), на нижнем – контроллеры, управляемые ПК. Контроллеры управляют блоками питания масс-спектрометра, такими как высоковольтные модули напряжения (ВМН), форнасосом (ФН), турбомолекулярными насосами (ТМН), вакуумными клапанами (Кл), приводом шлюза (Ш) и системой сканирования (СК), блоком питания лазера (БПЛ). Персональный компьютер (ПК) предназначен для управле-

72

ния процессом анализа, а так же для регулировки различных параметров узлов прибора. Функции, возложенные на ПК, реализуются благодаря использованию программного обеспечения, специально разработанного для настоящего масс-спектрометра. Программный пакет включает четыре комплекса программ, каждый и которых содержит целый ряд программ, выполняющих самостоятельные функции.

3.1.3. Контроль, управление, запись масс-спектров, обработка результатов

В масс-спектрометре предусмотрена периодическая диагностика состояния узлов и блоков. Результаты диагностики записываются в протокол рабочего состояния прибора. Алгоритм диагностики предусматривает периодический контроль как аналоговых параметров так и дискретных состояний узлов. К аналоговым параметрам относятся, в первую очередь, 5 аналоговых величин, определяю их:

o давление на входе форвакуумного насоса,

o давление в камере анализатора (по термопарному датчику), o давление в камере анализатора (по магнитно-

ионизационному датчику), o температуру квантрона;

o скорости вращения турбомолекулярных насосов.

Кроме того, предусмотрено измерение и контроль 18-ти регулируемых высоковольтных потенциалов, вырабатываемых модулями крейта. Предусмотрен также контроль напряжения разрядной емкости и длительности задержки модулирующего импульса, формируемых блоком питания лазера.

Что касается напряжений, вырабатываемых двумя блоками общего (низковольтного) питания, здесь использован иной подход. Каждый из низковольтных выпрямителей имеет электронный узел, формирующий высокий уровень («1»), когда напряжение находится в пределах «нормы», и низкий уровень («0») – в противном случае. Информация о состоянии каждого выпрямителя подается на цифровой вход контроллера и далее обрабатывается соответствующей программой с целью идентификации состояния блоков питания.

73

Дискретные состояния узлов и блоков контролируются и устанавливаются с помощью контроллера, который имеет соответствующие цифровые входы и выходы. Через цифровые входы контролируются дискретные состояния следующих узлов и блоков:

клапан шлюза,

клапан насосов,

информация о подаче напряжения на блок питания лазера,

подача напряжения на насосы ТМН и форвакуумный насос. Наряду с диагностикой аналоговых параметров программное

обеспечение в отдельных случаях позволяет производить их коррекцию. С этой целью в контроллере установлены 6 ЦАП, которые формируют выходные аналоговые сигналы в соответствии с поданными на их входы цифровыми значениями. Эти значения определяются соответствующими программами коррекции параметров.

Так, аналоговый сигнал с термодатчика, установленного на квантроне, подается на АЦП, и далее с помощью компьютера происходит сравнивание полученных данных со штатными. При их рассогласовании вырабатывается цифровой код, преобразуемый ЦАП в аналоговый сигнал обратной связи, который обеспечивает с помощью соответствующего устройства восстановление штатной температуры квантрона. По аналогичной схеме корректируются и другие аналоговые параметры.

Контроллер К1 управляет блоком питания лазера, а также выполняет контроль следующих элементов:

времени задержки импульса,

напряжения накачки,

частоты генерации лазерного импульса,

вентиляторов.

В целом, при выполнении контроля узлов прибора, алгоритм предусматривает следующие операции:

-последовательный опрос выходных напряжений, вырабатываемых разными блоками;

-запись контролируемых напряжений в протокол состояния прибора;

-анализ зафиксированных значений и сравнение их с параметрами типового режима;

74

-выдача информации на экран монитора в случае экстремальных различий;

-построение зависимостей основных параметров от времени. При управлении узлами и блоками масс-спектрометра можно

выделить три уровня сложности управленческих операций. Наиболее простой является операция включение/выключение какоголибо узла или блока. В этом случае контроллер выставляет на соответствующем цифровом входе логическую «1» (высокий уровень), которая поступает на автоматизированное устройство управления и вызывает срабатывание в нем соответствующих реле, обеспечивающих подключение рабочего напряжения к управляемому узлу или блоку (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схематическое представление автоматизированного устройства управления:

БПН – блоки питания насосов; БПК1 – блок питания клапана 1; БПК2 – блок питания клапана 2; ДШ – двигатель шлюзовой заслонки; ДС – двигатель сканирования; БПЛ – блок питания лазера

Во втором случае производится управление режимом работы узла или блока. Здесь с помощью АЦП, программного обеспечения и ЦАП управляемый параметр измеряется, обрабатывается и корректируется в процессе эксперимента по заданному закону. В частности, например, это производится в процессе развертки массспектров по энергиям путем автоматического изменения потенциалов на электродах анализатора. Подобная задача решается также, если в процессе накопления масс-спектров необходимо автомати-

75

чески менять коэффициент усиления ВЭУ или режим питания лазера.

Третий уровень сложности управленческих операций связан с автоматической коррекцией масс-спектров в режиме накопления. Здесь решаются задачи селекции масс-спектров, их коррекции при накоплении масс-спектральной информации. По существу, на этом уровне синтезируются задачи сбора масс-спектров и их первичной обработки.

Запись масс-спектров включает следующие операции: 1) вызов программы записи; 2) установка необходимых для записи спектров параметров. При вызове программы записи масс-спектров на экране монитора появляется «Окно эксперимента» (рис. 3.4), в котором необходимо записать характеристики режима записи массспектров.

Рис. 3.4. Интерфейсное окно программы записи масс-спектров

По окончании этапа записи масс-спектра производится его обработка. Конечной целью обработки является получение информации о составе вещества. Характер обработки определяется решаемой задачей и возможностями программного комплекса. Обработка осуществляется в два этапа – первичная и вторичная. Первичная обработка масс-спектров предполагает калибровку масс-спектра,

76

подавление шумов, вычитание постоянной составляющей массспектра (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.

3.2. О ПИСАНИЕ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ЛАМАС-10

3.2.1. Структурная схема автоматизируемых узлов

Структурная схема системы управления масс-спектрометром приведена на рис. 3.2. На схеме приведены как управляющие элементы (ПК, К1, К2, АУУ, БРУ), так и все блоки и узлы массспектрометра, которые подлежат управлению и контролю. Управление элементами прибора может производиться автоматизировано, при помощи блока автоматизированного управления (АУУ), либо вручную, применяя блок ручного управления (БРУ). Включение и выключение любого устройства может осуществляться либо нажатием соответствующей кнопки на приборной панели, либо программно.

3.2.2.Средства автоматизации узлов масс-спектрометра

Вкачестве средств автоматизации узлов и блоков прибора выступают персональный компьютер, основанный на базе цифрового осциллографа TDS5034B, контроллеры (общий, управляющий блоками питания масс-спектрометра и предназначенный для управления блоком питания лазера) и автоматизированное устройство управления (АУУ), предназначенное для распределения сигналов, поступающих с выходов контроллеров на входы автоматизируемых модулей. Кроме того, в каждом из турбомолекулярных насосов предусмотрены свои контроллеры управления.

77

3.2.3. Функции контроллера и персонального компьютера

Принцип работы АУУ заключается в следующем. При подаче логической единицы с цифрового выхода контроллера на цифровой вход одного из каналов этого блока реле, на выходе канала соответствующий узел переходит в другое дискретное состояние (из выключенного во включенное или наоборот). Соответственно, управляемый элемент включается (или выключается). Повторная подача логической «1» на этот канал переводит узел или блок в противоположное состояние.

Блоком питания лазера управляет отдельный контроллер (К1). С его помощью выставляются требуемые для питания лазера разрядное напряжение и задержка срабатывания затвора. А также производится мониторинг как стабильности питающего напряжения, так и некоторых других параметров и элементов блока.

Управление масс-спектрометром с помощью ПК может производиться в двух режимах:

в автоматическом режиме компьютер управляет процессом анализа с помощью специального программного обеспечения. Этот режим удобен для реализации стандартного хода анализа,

для выполнения каких-либо нестандартных операций во время анализа предусмотрен режим on-line, позволяющий оператору с помощью ПК изменять различные параметры узлов и блоков прибора в реальном времени.

При необходимости включить какой-либо из управляемых элементов в интерфейсном окне программы управления массспектрометром нажимается соответствующая выбранному элементу кнопка. При этом с ПК вырабатываются команды, идущие на контроллер К2. Контроллер, в свою очередь, вырабатывает на соответствующем цифровом выходе логические сигналы («1»), и посылает их на АУУ. На АУУ подается сетевое напряжения 220 В, которое с помощью реле может быть транспортировано на выход. Схематически АУУ представлено на рис.3.5. При подаче логической «1» на АУУ происходит замыкание соответствующего реле. Реле имеет ТТЛ-вход, на который подается 5 В. Реле имеют также ключи, которые замыкаются, когда входное напряжение 220 В необходимо подать на его выход; в этом случае напряжение 220 В поступает на вход соответствующего блока или узла.

78

3.2.4. Алгоритмы работы устройств автоматизации

Автоматизированное функционирование системы управления прибором осуществляется в соответствии со следующими алгоритмами:

вывода вакуумной системы на рабочий режим;

включения электронных блоков;

вывода регистрирующей системы на рабочий режим;

настройки прибора;

обработки масс-спектров;

диагностики.

Алгоритм вывода вакуумной системы на рабочий режим предполагает включение вакуумных средств откачки и средств контроля вакуума:

включение насосов,

отслеживание предварительного разряжения,

автоматическое включение высоковакуумного датчика,

контроль над достижением рабочего давления.

Алгоритм включения электронных блоков. В масс-

спектрометре предусмотрено 18 модулей высокого напряжения. Один модуль для датчика МИД, 16 модулей – для питания элементов электрической системы, и еще один – резервный. Каждый модуль – это автоматизированный источник питания, управляемый от компьютера. Алгоритм включения электронных блоков осуществляется в следующем порядке:

включение всех блоков,

установка заданного напряжения с помощью ЦАП,

контроль установленного напряжения,

повторение первых трех пунктов 16 раз,

выход из программы включения блоков.

Включение 16 модулей производится последовательно следующим образом. Для того чтобы заработал каждый блок питания, на него нужно подать соответствующее низковольтное питание. В данном случае 27 В. Компьютер подает команду включить блоки питания на контроллер. С цифрового выхода контроллера вырабатывается логическая «1», которая подается на ключ, находящийся в данном модуле. И этот ключ открывает общее питание 27 В к схе-

79