авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Построение малогабаритной аппаратуры для анализа металлических сплавов на основе эмиссионного спектрального анализа

-- [ Страница 1 ] --

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ

__________________________________________________________

На правах рукописи

Горский Евгений Вячеславович

Построение малогабаритной аппаратуры для анализа металлических сплавов на основе эмиссионного спектрального анализа

Специальность 01.04.01 - «Приборы и методы экспериментальной физики»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-Троицк 2007

Работа выполнена в Институте спектроскопии Российской Академии наук.

Научный руководитель: кандидат технических наук

Лившиц Александр Маркович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Никитин Алексей Константинович

кандидат технических наук

Силькис Эммануил Гершович

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ)

Защита состоится 14 ноября 2007 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д 002.135.01 при Научно-технологическом центре уникального приборостроения Российской Академии наук по адресу: 117342 Москва, ул. Бутлерова д. 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТЦ уникального приборостроения РАН или получить электронную версию, сделав запрос по адресу: gorsky@sp-pribor.ru

Автореферат разослан « 10 » октября 2007 г.

Отзывы в 2-х экземплярах, заверенные печатью просим присылать по адресу: 117342, Москва, ул. Бутлерова д. 15, Диссертационный совет НТЦ УП РАН

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 002.135.01 к.ф-м.н. / Отливанчик Е.А./

Общая характеристика работы

Эмиссионный спектральный анализ в настоящее время является наиболее распространенным методом экспресс-анализа состава металлических сплавов. Благодаря значительному прогрессу в области электроники, вычислительной техники и математических методов обработки данных в настоящее время существует возможность создавать компактные и надежные эмиссионные спектрометры, отвечающие современным требованиям по точности измерений.

В последние годы в нашей стране, наряду со стабилизацией экономики в целом, активно развиваются предприятия металлургической и металлообработывающей отраслей. При постоянном ужесточении требований к качеству металла возникает необходимость проводить анализы не только в специализированных лабораториях, но и непосредственно на производственных участках: в плавильных и литейных цехах, шихтовых дворах и складах металлолома. При этом измерения должны осуществляться за минимальное время и желательно с незначительной подготовкой образцов. Приборы, способные выполнять такие анализы должны быть достаточно малогабаритными, чтобы их пользователь имел возможность легко менять место проведения анализа, способными работать в неблагоприятных условиях окружающей среды и, что также очень важно, быть доступными по цене для средних и малых металлургических предприятий.



Проведенный анализ характеристик зарубежных и отечественных эмиссионных спектрометров, представленных на российском рынке, показал, что в настоящее время отсутствуют приборы, полностью отвечающие перечисленным выше требованиям. Сказанное выше определяет актуальность тематики и приводит к основной цели настоящей диссертации, которой стала разработка простых и надежных малогабаритных эмиссионных спектрометров для анализа металлических сплавов, способных работать непосредственно в цехах металлургических предприятий в изменяющихся условиях окружающей среды. Также значительная часть данной работы посвящена исследованию характеристик созданных приборов и разработке физико-математических методов, позволяющих повысить точность анализов.

В основу разработок был положен следующий принцип: максимально упростить аппаратную часть прибора, повысив тем самым ее надежность и уменьшив стоимость, а реализацию большинства функций перенести в программное обеспечение - возросшая вычислительная мощность современных компьютеров позволяет с успехом решить эту задачу.

Исторически начало подобных разработок было положено еще в середине 80-х годов прошлого столетия в Институте спектроскопии АН СССР под руководством чл. корр. С.Л. Мандельштама. Результатом этих работ явилось создание первых моделей простых спектрометров, в которых спектр излучения регистрировался одним многоканальным приемником излучения, путем последовательного вывода на него разных областей этого спектра. Дальнейшие разработки продолжились в ООО «Спектроприбор», образованном учениками С.Л. Мандельштама. В этой организации был создан, сертифицирован и запущен в производство спектрометр ПАПУАС-4. (Параллельно-Последовательный Универсальный Анализатор Сплавов) В то же время, совместно с Институтом спектроскопии велись исследования характеристик созданного прибора и новых методов работы на нем. Однако быстрое развитие оптики и электроники дало возможность существенно улучшить характеристики приборов ПАПУАС. Являясь сотрудником ООО «Спектроприбор», автор настоящей работы использовал опыт разработки и эксплуатации предыдущих моделей спектрометров семейства «ПАПУАС», при этом полностью пересмотрев как общую компоновку, так и все основные узлы спектрометра: источник возбуждения, оптическую систему и систему регистрации спектра. Значительным доработкам подверглось и программное обеспечение. Были изучены особенности работы прибора в изменяющихся внешних условиях и созданы соответствующие программные методики компенсации дрейфа положения спектральных линий (калибровка по длинам волн) и их относительной интенсивности (рекалибровка аналитических методик). Поскольку параметры источника возбуждения спектра существенно влияют на точность и сходимость измерений, было рассмотрено влияние этих параметров на результаты анализов и выбраны оптимальные условия возбуждения для разных типов сплавов.

Научная и техническая новизна работы

Созданный в рамках данной работы прибор «ПАПУАС4-ИМ» на момент написания диссертации стал самым малогабаритным отечественным эмиссионным спектрометром, предназначенным для анализа металлических сплавов. При разработке этого спектрометра автором были созданы новые узлы: генератор высоковольтной искры, малогабаритная оптическая система и система регистрации спектра на основе ПЗС-линеек. Также было разработано новое программное обеспечение для эмиссионного спектрального анализа на приборах ПАПУАС-4; его принципиальной особенностью стало наличие механизма автоматической калибровки шкалы длин волн и методики учета влияний «третьих» элементов. Также в ходе работы были созданы методики анализа для алюминиевых, медных, цинковых, титановых, свинцовых и других сплавов с использованием нового спектрометра, а также спектрометров, прошедших модернизацию с использованием результатов настоящей диссертации. На основе этих методик были изучены вопросы межэлементных влияний и разработаны методы их учета, также реализованные в программном обеспечении прибора.

Научно-практическая ценность

Созданный при выполнении настоящей работы прибор, получивший название «ПАПУАС-4ИМ», был внесен в Государственный реестр средств измерений под номером №21922-06. Кроме того, представленные результаты были использованы при модернизации последних моделей спектрометров типа «ПАПУАС-4И/ДИ». На момент написания работы уже была выпущена большая серия как модернизированных приборов «ПАПУАС-4И/ДИ», так и малогабаритных спектрометров «ПАПУАС-4ИМ».

Основные защищаемые положения

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Разработана и запущена в производство новая модель эмиссионного спектрометра ПАПУАС-4ИМ.
    Разработана система регистрации спектра на основе ПЗС-линеек, используемая во всех спектрометрах серии ПАПУАС-4. Разработано программное обеспечение для эмиссионного спектрального анализа сплавов на спектрометрах ПАПУАС-4.
  2. Создана методика компенсации влияния условий окружающей среды, основанная на автоматической калибровке шкалы длин волн, позволяющая повысить надежность работы спектрометра.
  3. Исследованы вопросы влияний «третьих» элементов при анализе различных сплавов на приборе ПАПУАС-4 и создана методика учета таких влияний, позволяющая повысить точность определения содержания элементов в широком диапазоне концентраций.

Достоверность результатов и выводов работы подтверждается в первую очередь тем, что более полусотни эмиссионных спектрометров типа ПАПУАС-4 в которых использованы результаты настоящей работы успешно эксплуатируются на предприятиях России и за рубежом. Эти приборы позволяют решать множество аналитических задач в широком диапазоне климатических условий: от Объединенных Арабских Эмиратов до городов Норильска и Владивостока.

Апробация работы

Основные результаты диссертации представлялись на Международном конгрессе по аналитической химии ICAS-2006 (г. Москва), конференции «Аналитические приборы» (2005, г. Санкт-Петербург), конференциях МФТИ 2004-2006г. (г. Москва), научных семинарах Института Спектроскопии РАН, Института молекулярной и атомной физики НАН Беларуси (г. Минск), Научно-технического центра уникального приборостроения РАН (г. Москва).

Результаты исследования были премированы на конкурсе молодежных научных работ Института спектроскопии РАН в 2005 году (1 место).

Список работ по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Работа включает 114 страниц текста, в том числе 75 рисунков и фотографий и 16 таблиц. Библиография включает 51 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, проведено обоснование актуальности темы, сформулированы основные цели разработок и исследований, обозначены их основные результаты.

Первая глава представляет собой обзор современного состояния рынка приборов для эмиссионного спектрального анализа сплавов. Предлагается классификация спектрального оборудования по трем группам, к которым можно отнести:

  1. Наиболее точные и производительные стационарные спектрометры (примеры: ARL3460, SPECTROLAB)
  2. Стационарные и мобильные приборы среднего уровня точности (примеры: PMI Master, QUANTADESK)
  3. Малогабаритные портативные приборы (примеры: SPECTRO iSort, RMG Minisort)

Приведены основные сведения об устройстве отечественных и зарубежных спектрометров, наиболее распространенных на российском рынке, в также их технические характеристики. На основании сравнения параметров приборов серии «ПАПУАС-4» с другими современными моделями спектрометров, делается вывод о том, что эти приборы следует отнести ко второй группе согласно предложенной классификации.

Во второй главе рассмотрено устройство созданного в результате выполнения настоящей работы эмиссионного спектрометра ПАПУАС-4ИМ. Представлена общая компоновка прибора и его основные подсистемы: источник возбуждения спектра, оптическая система, система регистрации спектра и программное обеспечение.

Блок схема спектрометра представлена на рис. 1. Измеряемый образец 1 помещается на столик 2, к которому подводится напряжение от источника возбуждения 4, в качестве которого используется генератор высоковольтной конденсированной искры. Второй полюс генератора подсоединен к держателю подставного электрода 3. При включении генератора, между образцом и электродом загорается искровой разряд. Излучение разряда с помощью линзовой системы 5 фокусируется на торец оптоволоконного световода 6 и с его помощью передается в оптический блок 7. Там излучение разлагается в спектр и регистрируется пятью фотодиодными линейками ПЗС 8. Электрические сигналы с выходов линеек обрабатываются в блоке электроники 9, преобразуются в цифровую форму и передаются на внешний компьютер с помощью интерфейса USB 10. Управление работой прибора (выбор параметров ПЗС, запуск генератора) также осуществляется блоком электроники 9, в соответствии с командами, получаемыми от компьютера. Программное обеспечение прибора, выполняемое на компьютере, использует полученные спектральные данные для определения интенсивностей аналитических спектральных линий, а затем, и для расчета концентраций химических элементов в образце 1. Рассчитанные концентрации отображаются пользователю на экране дисплея вместе с названием ближайшей марки сплава, которая автоматически выбирается из базы данных.





Прибор размещается в едином корпусе с размерами 380*320*130 мм; его вес не превышает 12 кг. Внешней вид спектрометра ПАПУАС-4ИМ представлен на рис. 2. Благодаря использованию стандартного в настоящее время интерфейса USB, прибор может работать как под управлением обычного настольного компьютера, так и переносного типа Notebook.

В настоящее время в эмиссионном спектральном анализе применяется множество различных источников возбуждения. В нашей работе выбор был сделан в пользу высоковольтного искрового разряда. Основными причинами по которым был выбран именно этот источник стали его универсальность т.е. возможность анализировать широкую номенклатуру марок сплавов с широкими диапазонами концентраций легирующих элементов и достаточно высокая стабильность результатов анализов при работе в воздушной среде. В результате выполнения ряда экспериментов с различными типами генераторов высоковольтной искры, мы выбрали т.н. простую схему (без дополнительного разрядника), т.к. использование более сложных схем в наших условиях практически не давало выигрыша по точности и воспроизводимости результатов измерений.

Основу разработанного генератора составляет высокочастотный импульсный преобразователь напряжения, построенный по обратноходовой схеме с контролем тока первичной обмотки высоковольтного трансформатора. Напряжение с выхода преобразователя используется для зарядки батареи высоковольтных конденсаторов, которая вместе с катушкой индуктивности и аналитическим промежутком образует разрядный контур.

Схемотехнические решения, использованные при разработке генератора позволили создать малогабаритный модуль с достаточно высоким (для данного класса устройств) КПД порядка 75%. Основные параметры генератора приведены в таблице 2.

Таблица 1 Параметры искрового генератора спектрометра ПАПУАС-4ИМ

Напряжение разряда до 12кВ
Частота импульсов искры 300 Гц
при межэлектродном расстоянии 2,5мм
Ёмкость разрядного контура 6000 пФ
Индуктивность разрядного контура 10 мкГн
Выходная мощность (средняя) 45 Вт
Габаритные размеры 110*175*100мм
Напряжение питания =24В, ~220В

При разработке оптического блока спектрометра за основу была взята классическая схема Пашена-Рунге, где входная щель, сферическая дифракционная решетка и приемники излучения располагаются на круге Роуланда. Для уменьшения габаритов спектрометра, эта оптическая схема была модифицирована следующим образом: было добавлено плоское зеркало, расположенное перпендикулярно плоскости круга Роуланда и проходящее через его центр, которое фактически меняет местами дифракционную решетку и ее отражение в зеркале. Несмотря на некоторое усложнение оптической схемы и связанное с этим усложнение ее настройки, данное решение дает возможность значительно уменьшить габариты оптического блока.

На основании расчетов геометрических параметров оптического блока, угол падения света на дифракционную решетку был выбран равным 6°. Благодаря наличию астигматизма, изображение входной щели является уширенным относительно геометрического изображения и величина этого уширения увеличивается по мере возрастания угла дифракции, составляя от 10 до 27мкм для различных ПЗС-линеек. На основании этих значений, ширина входной щели спектрометра была выбрана равной 20мкм. Средняя дифракционная ширина щели в нашем случае составляет величину порядка 2мкм, т.е. разрешающая способность прибора ограничивается главным образом эффектом астигматизма. Основные параметры оптического блока спектрометра ПАПУАС-4ИМ представлены в таблице 3.

Таблица 2 Параметры оптического блока спектрометра ПАПУАС-4ИМ

Рабочий спектральный диапазон 185 - 410 нм
Спектральное разрешение не хуже 0.07 нм
Рабочий порядок спектра первый
Дифракционная решётка вогнутая, 1800 штрихов/мм
Обратная линейная дисперсия 1.5 нм/мм
Диаметр круга Роуланда 330 мм
Относительное отверстие 1:8
Ширина входной щели 20 мкм
Фотоприёмники 5 фотодиодных ПЗС
Число фоточувствительных элементов ПЗС 3724
Размер одного фоточувствительного элемента ПЗС 8х200 мкм
Минимальное время накопления спектра 55мс
Габариты 250*250*100 мм


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.