CC BY
74
УДК 53.087.4
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА С ПОМОЩЬЮ УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА RL-88AC
В.А. Бессонова, В.Л. Кузнецов, Д.С. Скоморохов, А.С. Чепусов
AUTOMATIZATION OF EXPERIMENTS BY MEANS OF INPUT-OUTPUT DEVICE RL-88AC
V.A. Bessonova, V.L. Kuznetsov, D.S. Skomorokhov, A.S. Chepusov
Рассмотрено применение устройства ввода-вывода RL-88AC для автоматизации физических экспериментов. Реализована возможность формирования необходимых сигналов управления и записи данных в ПК по 8 каналам. Осуществлена автоматизация экспериментов по регистрации спектра масс, вольт-амперных характеристик, предпробойных процессов на поверхности изоляторов. Реализована система автоматизации измерений рентгеновского фотоэлектронного спектрометра. Оригинальное программное обеспечение для каждой задачи написано на языке VBA в среде MS Excel.
Ключевые слова: физический эксперимент, регистрация данных, сбор информации, программа управления, многоканальный режим.
Applications of input-output device RL-88AC for physical experiments automation are considered. This device allows the formation of necessary control signals and provides data registration by PC up to 8 channels. The automation of experiments with registration of mass-spectra, volt-ampere characteristics and pre-breakdown insulator surface processes has been carried out. The measurement system for X-ray photoelectron spectrometer has been realized. The original software using VBA for MS Excel has been developed for every task.
Keywords: physical experiment, data registration, information acquisition, control program, multichannel mode.
Введение
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 эксперимента.
В настоящей статье описана автоматизация масс-спектрометрии газового состава отпаиваемых рентгеновских источников, измерений автоэмис-сионных характеристик углеродных материалов, исследований предпробойных процессов на по-
Бессонова Валентина Анатольевна - мл. науч. сотрудник, Институт электрофизики УрО РАН; valentina. bessonova@gmail. com
Кузнецов Вадим Львович - д-р техн. наук, зав. лабораторией импульсных источников излучения, Институт электрофизики УрО РАН; kuznetsov@iep.uran.ru
Скоморохов Денис Сергеевич - мл. науч. сотрудник, Институт электрофизики УрО РАН; denis@iep.uran.ru
Чепусов Александр Сергеевич - мл. науч. сотрудник, Институт электрофизики УрО РАН; chepusov@iep.uran.ru
Bessonova Valentina Anatolevna - Junior Researcher of Institute of Electrophysics of the Ural Division of the Russian Academy of Science (IEP UD RAS); valentina.bessonova @gmail.com
Kuznetsov Vadim Lvovich - Doctor of Science (Engineering), Head of Laboratory of Pulsed Irradiation Sources of IEP UD RAS; kuznetsov@iep.uran.ru
Skomorokhov Denis Sergeevich - Junior Researcher of IEP UD RAS; denis@iep.uran.ru
Chepusov Alexander Sergeevich - junior researcher of IEP UD RAS; chepusov@iep.uran.ru
Аналоговые выходы Рис. 1. Функциональная схема RL-88AC
верхности изоляторов, развертки и сбора данных при регистрации фотоэлектронных спектров на базе устройства ввода-вывода RL-88AC [1].
Устройство ввода-вывода данных
Система ввода-вывода данных RL-88AC использует 12-разрядные цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и имеет 8 входных и 8 выходных каналов. Упрощенная функциональная схема устройства представлена на рис. 1. Переключение между каналами осуществляется аналоговыми коммутаторами. Для получения многоканального режима выходных сигналов используется аналоговое запоминающее устройство.
Время преобразования АЦП - 246,4 мкс, ЦАП -15 мкс. Уровни входного и выходного напряжения от -10 до +10 В, входное сопротивление - 1 МОм. Питание устройства осуществляется от выносного блока с напряжением 24 В и мощностью 3 Вт.
Масс-спектрометр
Для исследования газового состава в объеме вакуумной камеры при кондиционировании отпаиваемых рентгеновских трубок применяется масс-спектрометр МХ-7403 (диапазон регистрации M|e = 1 +300, скорость развертки до 10 м/с) [2]. Для непрерывного контроля газового состава откачиваемого изделия в процессе кондиционирования разработан аппаратно-программный комплекс на основе RL-88AC. Блок-схема подключения масс-спектрометра к персональному компьютеру (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|є . 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.
масс-спектрометр
I і
ЦАП1 АЦП1
О
К1_-88АС
Рис. 2. Блок-схема подключения масс-спектрометра
Для всех реализованных измерительных комплексов использовано общее уравнение измерений:
А = кЫ + С,
где А - измеряемая величина; N - число отсчетов АЦП; к, С - 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 используется ПО, позволяющее программно изменять высокое напряжение на аноде. На рис. 4 приведена блок-схема установки для регистрации вольт-амперных характеристик.
При регистрации вольт-амперных характеристик ЦАП ЯЬ-88АС формирует управляющий сигнал генератора развертки напряжения. Напряжение источника в диапазоне 0^10 кВ подается на анод измерительной ячейки через балластное сопротивление (Яь). 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 1ГОА200. 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
4 6 8
Напряженность поля, кВ/мм
Рис. 5. Серия вольт-амперных характеристик вакуумного диода
режимы работы рентгеновского источника с вращающимся анодом [4]. В ходе эксперимента необходимо фиксировать 4 параметра и масс-спектр.
Установка состоит из двух сверхвысоковакуумных объемов. Вакуумный пост, снабженный форвакуумным и паромасляным насосом с остаточным давлением 10-8 Торр для комплексных испытаний рентгеновского источника, а также вакуумный пост, оснащенный криогенными и магниторазрядными средствами откачки с остаточным давлением менее 10-9 Торр, для изучения электрической прочности катодных изоляторов.
Блок-схема измерительной системы приведена 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 ЯЪ-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
Текущее время регистрации 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
= Еэа + ит + Есв ^с^ (1)
где Еэа - энергия настройки энергоанализатора; ит - потенциал торможения; Есв - энергия связи; Фсп - работа выхода спектрометра.
Из (1) легко получается уравнение измерений для спектрометра:
Есв = (Еэа + ит + фсп ) . (2)
Фотоэлектроны, возбуждаемые характеристическим излучением образца, попадают в энергоанализатор, настроенный на заданную энергию
пропускания Еэа, определяемую током фокусировки 1ф . Развертка спектра осуществляется изменением потенциала торможения ит 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 у = (Л/Хы) -100 (%) и определяемая верхним пределом измерения - Хы, составляет 0,05 %. Здесь Д - 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 ЯЬ-88АС 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.
Литература
1. Денисенко, В.В. Серия модулей ввода-вывода «RealLab!» для автоматизации эксперимента /В.В. Денисенко, Р.С. Кильметов, О.Е. Тру-бачев // Приборы и техника эксперимента. - 2009. -№ 1. - С. 171-173.
2. Масс-спектрометр МХ-7304. Техническое описание. SELMI, г. Сумы.
3. Установка для измерения вольт-амперных характеристик углеродных материалов / Е.А. Кис-лов и др. // Альтернативная энергетика и экология. - 2010. - № 3. - С. 40-43.
4. Отчет по контракту ИЭФ №2/05. Руководитель: А.Л. Филатов. Исполнители: В.Л. Кузнецов, С.Р. Корженевский, Д.С. Скоморохов и др.
5. Прецизионный безжелезный магнитный спектрометр ЭС ИФМ-4 / В.М. Гольдберг и др. // Электронная промышленность. - 1984. - № 2. -С. 84-89.
Поступила в редакцию 26 ноября 2012 г.
