Автоматизация эксперимента с помощью устройства ввода-вывода RL-88AC

Введение1

Существующая материальная база большей части отечественных физических лабораторий создавалась во второй половине прошлого века. Используемое оборудование нередко актуально с точки зрения применяемых аналитических методов, но не удовлетворяет современным требованиям по полноте, точности и достоверности получаемых результатов. Одним из возможных путей решения этой проблемы может быть модернизация систем сбора данных существующей аппаратуры на базе современных устройств ЦАП/АЦП.

Запись быстроизменяющихся зависимостей, возможность регистрации нескольких параллель- ных процессов, снижение нагрузки на оператора – далеко не полный перечень достоинств систем с автоматизацией сбора информации. Программа управления в среде Visual Basic пакета Microsoft Office может быть написана и запущена практически на любом персональном компьютере, что позволяет в короткое время адаптировать систему сбора информации для автоматизации нового экс-перимента.2

В настоящей статье описана автоматизация масс-спектрометрии газового состава отпаиваемых рентгеновских источников, измерений автоэмис-сионных характеристик углеродных материалов, исследований предпробойных процессов на по-

Рис. 1. Функциональная схема RL-88AC

ве рхности изолято ро в , развертки и сбора д анных п р и рег и страц и и ф о тоэ л ект р он н ых сп ек т ро в н а базе устройства ввода-вывода RL- 8 8 AC [ 1].

Устройство ввода-вывода данных

Система ввода-вывода дан н ых R L-88AC использует 12- разр яд ны е ц ифроанал ог о в ые п ре об р азователи (ЦАП) и аналого- цифров ы е преобразо ва тел и (А ЦП ) и и м е ет 8 входн ых и 8 в ых одны х к а н а лов. У п рощенн а я фун к циональная с хем а ус тройства представлена на ри с. 1. П е рек л ючен и е между каналами осу щ ес тв л яется ан а логовыми ко м мутатор ам и. Д л я получени я м ногокан а льно г о режим а выход н ых сигнал о в и с п о ль з уется ан а лог овое запоминающее устройство.

Время преобразования АЦП – 24 6 ,4 мкс, Ц А П – 15 мкс. У р ов н и входного и вых о д н ого напряж е ния от –10 до +10 В, входно е со п ро тивление – 1 МОм. Питани е у стр о йств а о с у щ е с т вляетс я от в ы н осн ого бло к а с напря жен ием 24 В и мощност ью 3 В т.

Масс-спектрометр

Для иссл едо в ан ия газов о г о состав а в объеме в а куу м ной к а м ер ы при к он д и ционировании о т п а иваемых ре нтг ен овск и х т р убок при м еняется масс-спектрометр МХ- 7403 (ди а п азон р ег истрации M/e = 1 ^ 300 , ско ро сть ра зв ер т ки до 1 0 м/с) [2]. Для не п р ер ыв н ого контроля газовог о соста в а о ткачиваемого изделия в процессе к он дициони ро в ания разработан аппаратно- пр ог р а ммный комп л екс на основе RL-88AC. Блок- схема п од ключени я масс-сп ектромет р а к персо н альному компь ют еру (ПК) приведена на рис. 2.

Формирование сигнала управления производится по первому каналу цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Развертка спектра определяется напряжением с выхода ЦАП. Калибровка спектра выполняется по реперным массам (водород, вода, азот, кислород, тяжелые углеводороды). По значениям реперных масс рассчитаны коэффициенты отношения M e . Измерительный комплекс обеспечивает выбор диапазона масс в выводимых на запись спектрах. Запись данных производится с выхода масс-спектрометра на пишущий прибор и через первый канал аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в ПК.

Рис. 2. Блок-схема подключения масс-спектрометра

Для всех реализованных измерительных комплексов использовано общее уравнение измерений:

A = kN + C, где A – измеряемая величина; N – число отсчетов АЦП; k, C – константы пересчета, вычисляемые по реперным точкам.

Один из получаемых масс-спектров приведен на рис. 3.

Регистрация вольт-амперных характеристик

При исследовании автоэмиссионных свойств углеродных материалов проводится регистрация вольт-амперных характеристик, давления остаточных газов в камере и температуры образца [3]. Для

Рис. 3. Спектр масс, полученный при контроле герметичности рентгеновского источника

снятия вольт- амперных характеристик используе тся ПО, позволяющее программно изменять выс окое напряжение на аноде . На рис. 4 приведена блок- схема установки для регистрации вольт -амперных характеристик.

При регистрации вольт-амперных характеристик ЦАП RL-88AC формирует управляющий сигнал генератора развертки напряжения. Напряжение источника в диапазоне 0÷10 кВ подается на анод измерительной ячейки через балластное сопротивление (Rb). По каналам АЦП регистрируются напряжение на электродах измерительной ячейки, ток эмиссии, давление в вакуумном объеме, температура образца. Данные с вакуумметра (ВИТ-3) и термопары (ТП) предварительно усиливаются операционными усилителями 1IDA200. Управление процессами и регистрация данных осуществляется ПК через интерфейс RS-232.

В качестве примера на рис. 5 приведена серия вольт-амперных характеристик вакуумного диода.

Установка для исследования предпробойных процессов на поверхности изоляторов Установка предназначена для исследования электрических характеристик высоковольтных изоляторов в условиях, имитирующих различные

Рис. 4. Блок-схема подключения RL-88AC для регистрации вольт-амперных характеристик углеродных материалов

Рис. 5. Серия вольт-амперных характеристик вакуумного диода

режимы работы рентгеновского источника с вр а щающимся анодом [4]. В ходе эксперимента нео б ходимо фиксировать 4 параметра и масс -спектр.

Установка состоит из двух сверхвысоковак у умных объемов. Вакуумный пост, снабженный форвакуумным и паромасляным насосом с ост аточным давлением 10^–8 Торр для комплексных испытаний рентгеновского источника, а также в акуумны й пост, оснащенный криогенными и ма г ниторазрядными средствами откачки с остато чным давлением менее 10^–9 Торр, для изучения электрической прочности катодных изоляторов.

Блок- схема измерительной системы привед ена на рис. 6.

Сигнал управляющего напряжения с ЦАП подается на источник высокого напряжения. Высокое напряжение, изменяющееся в диапазоне 0÷160 кВ, подается на изолятор. Производится регистрация нескольких потоков данных по каналам АЦП: общий ток, ток на фланец изолятора, ток на корпус, уровень вакуума, спектр масс. Масс-спектрометр работает в режиме временной развертки.

Получаемые при регистрации данных зависимости приведены на рис. 7.

Рентгеновский фотоэлектронный спектрометр

Устройство RL-88АС использовано для автоматизации измерений магнитного энергоанализатора рентгеновского фотоэлектронного спектрометра ЭС ИФМ-4 [5]. Электронно-оптическая схема спектрометра приведена на рис. 8.

Под действием характеристического излучения рентгеновской трубки происходит возбужде-

Рис. 6. Блок-схема подключения RL-88AC для исследования пробоя изолятора

Рис. 7. Предпробойные процессы при поднятии напряжения

Рис. 8. Функциональная схема рентгеновского фотоэлектронного спектрометра с магнитной фокусировкой

ние фотоэлектронов в анализируемом образце. Энергия рентгеновского кванта расходуется в соответствии с уравнением h V = Eэа + Uт + Eсв + фсп, (1) где Eэа – энергия настройки энергоанализатора; Uт – потенциал торможения; Eсв – энергия связи; Фсп - работа выхода спектрометра.

И з (1) л е гко полу ча е тся урав нение из м е ре ни й для спектрометра:

E св = h ^V- ( ^Е эа ⁺ U т ⁺ Ф сп ) . (2)

Фотоэлектроны, возбуждаемые характеристическим излучением образца, попадают в энергоанализатор, настроенный на заданную энергию пропускания Eэа , определяемую током фокусировки Iф . Развертка спектра осуществляется изменением потенциала торможения Uт на входе в энергоанализатор. Сигнал, снимаемый с детектора, проходит через амплитудный дискриминатор и поступает в канал регистрации. Скорость счета характеризует интенсивность данной спектральной линии. Возможность многократного сканирования заданного энергетического интервала с последующим суммированием спектров обеспечивает необходимую статистику измерений.

Формирование сигнала управления спектрометра производится с помощью нескольких каналов ЦАП/АЦП. Блок-схема приведена на рис. 9.

Рис. 9. Блок-схема для записи данных РФЭС

Рис. 10. Спектры поверхности углеродного катода, рабочая и нерабочая стороны

По первому каналу ЦАП задается дискретный диапазон регулировки напряжения развертки (шаг 2 В). Внутри этого диапазона через делитель формируется сигнал для плавной регулировки по второму каналу ЦАП (минимальный шаг развертки 2 мВ). Суммирование производится на операцион- ном усилителе ОУ1. На третьем ЦАП и АЦП 1, 2 для повышения точности определения значения напряжения развертки формируется последовательно-параллельный АЦП. Формирование сигнала тока фокусировки производится по четвертому каналу ЦАП. По третьему каналу АЦП регистри- руется ток, определяющий энергию настройки энергоанализатора.

Точность измерений обусловлена временем хранения выборки ЦАП3, временем срабатывания ОУ2 и АЦП2 (время измерения ~1 мс).

На рис. 10 приведены получаемые спектры с поверхности катода из искусственных углеродных материалов (рабочая и нерабочая стороны).

Метрологические характеристики

Приведенная погрешность АЦП представленных измерительных комплексов, вычисляемая как Y = ( A/ X N ) - 100 (%) и определяемая верхним пределом измерения – X_N , составляет 0,05 %. Здесь Δ – ошибка квантования. Относительная погрешность определяется в процессе измерений физических величин и обусловлена в основном классом точности используемых делителей и шунтов.

Заключение

Разработан аппаратно-программный комплекс для автоматизации процесса управления и регистрации данных в различных физических экспериментах. При использовании устройства ввода-вывода RL-88AC возможно формирование управляющего сигнала по нескольким каналам, а также регистрация потоков данных по 8 каналам.

Для повышения точности измерений на базе устройства ввода-вывода RL-88AC возможно формирование последовательно-параллельных АЦП.

Управление процессами производится из среды MS Excel, что позволяет использовать для проведения эксперимента и обработки результатов измерений общий пакет программ.