автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и средства хемилюминесцентного экспресс-контроля малых концентраций веществ и соединений

На правах рукописи

Санников Дмитрий Петрович

МЕТОД И СРЕДСТВА ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЕЩЕСТВ И СОЕДИНЕНИЙ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЙ 2012

Орел-2012

005015954

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Лисичкин Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты: Сайтов Игорь Акрамович,

доктор технических наук, доцент, Академия ФСО России, начальник факультета

Мишин Владислав Владимирович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», доцент кафедры «Приборостроение, метрология и сертификация»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо-

вательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт (Технический университет)»

Зашита состоится 22 мая 2012 г. в 15 часов 30 мин на заседании диссертационного совета Д212.182.01 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК».

Автореферат разослан 20 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.182.01 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Экспресс-контроль состава веществ необходим для повы-иения безопасности жизнедеятельности работников, связанных с производством хими-[еской и фармакологической продукции, для сотрудников текстильных предприятий, >аботников торговли и сельского хозяйства. Особый вред здоровью составляют ток-ичные органические хлор- и серосодержащие соединения, присутствующие в воздухе [ в составе производимой продукции, которые постепенно накапливаются в организме [ли на спецодежде и приводят к повышению уровня заболеваемости персонала.

Применяемые в настоящее время лабораторные и химические методы контроля остава газообразных и жидких веществ характеризуются высокой разрешающей спо-обностью, однако применяются только выборочно из-за большой длительности анализа, ;остигающей нескольких часов. Более универсальными являются методы высокоэф->ективной жидкостной хроматографии, масс-спектрометрии и инверсионной вольтам-ерометрии, которые отличаются высокой чувствительностью и имеют аттестованные [етодики применения. Однако такие методы анализа состава веществ характеризуются ысокой стоимостью аппаратуры, сложностью ее эксплуатации и пробоподготовки. (следствие этого необходима разработка портативных автоматизированных приборов кспрессного контроля, обеспечивающих высокую чувствительность для определения остава газообразных и жидких веществ малой и сверхмалой концентрации.

Для экспрессного контроля физико-химического состава веществ перспективно ис-ользовать эффект хемилюминесценции - слабого свечения, возникающего в результате нешнего воздействия, в частности, при химических реакциях или ультрафиолетовом блучении. Измерение интенсивности хемилюминесцентного свечения позволяет опре-елять состав газообразных и жидких веществ и смесей с относительно низкой концен-рацией, что необходимо, в частности, при мониторинге окружающей среды. В процес-е хемилюминесцентного контроля требуется реализовать высокочувствительное пре-бразование слабого и сверхслабого оптического излучения в эквивалентную электри-ескую величину и автоматизировать обработку полученных сигналов с учетом интен-ивности и спектра излучения контролируемых соединений. Вследствие этого в прибо-ах экспресс-контроля для регистрации хемилюминесцентного свечения газообразных и силких веществ необходимо обеспечивать высокую чувствительность, ослаблять влия-ие внешней фоновой засветки и инструментальных погрешностей преобразования, а акже автоматизировать процессы измерений и обработки получаемых данных.

Улучшение характеристик аппаратуры, предназначенной для хемилюминесцент-ого контроля слабой концентрации веществ и соединений, возможно при комплексом решении нескольких взаимосвязанных научно-технических задач. В частности, не-бходимо исследовать способы повышения интенсивности хемилюминесценции контро-ируемых веществ, провести оценку наиболее эффективных воздействий, вызывающих емилюминесценцию, обеспечить повышение чувствительности фотоэлектрических реобразователей оптического излучения с компенсацией влияния фоновой засветки и величить разрешающую способность приборов автоматизированного экспрессного онтроля структурно-алгоритмическими или схемотехническими методами.

Исследования в области хемилюминесцентного контроля базируются на фунда-[ентальных работах Г. Р. Герца, открывшего в 1887 г. явление фотоэффекта, и совре-[енных результатах исследований Ю. А. Золотова, С. И. Муравьевой, С. Д. Варфоло-

меева, а также научных трудах Владимирова Ю. А., Алешина Н. Е., Раковского Я. П., Аветиньша Ю. 3. и других ученых, которые эмпирически выявили взаимосвязь между интенсивностью хемилюминесцентного свечения и составом различных веществ.

Основная сложность хемилюминесцентного контроля исследуемых газообразных и жидких веществ с низкой концентрацией заключается в необходимости измерения слабого и сверхслабого светового излучения при наличии фоновой засветки, характерной для контроля в производственных условиях. Вследствие этого требуется повышать чувствительность и разрешающую способность контролирующей аппаратуры с одновременным расширением динамического диапазона и автоматизацией процессов хемилю-минесцентных измерений. Этим и характеризуется актуальность темы исследований.

Объектом исследования являются процессы и приборы хемилюминесцентного экспрессного контроля состава газообразных и жидких веществ.

Предмет исследования - принципы построения приборов и методы контроля слабого излучения на основе кинетической хемилюминесцентной спектроскопии.

Целью диссертационной работы является повышение чувствительности и расширение динамического диапазона приборов хемилюминесцентного контроля при слабой и сверхслабой концентрации исследуемых веществ.

Основные задачи исследований:

- провести сравнительный анализ методов и средств хемилюминесцентного контроля веществ с низкой концентрацией при различных внешних воздействиях;

- исследовать возможности и пути модификации метода хемилюминесцентного контроля при низкой концентрации исследуемых веществ;

- усовершенствовать метод хемилюминесцентного контроля для повышения чувствительности и расширения динамического диапазона приборов контроля;

- предложить и обосновать алгоритмы хемилюминесцентных измерений с компенсацией факторов, влияющих на достоверность результатов контроля;

- разработать и исследовать способы улучшения параметров функциональных узлов, позволяющие повысить чувствительность и расширить динамический диапазон приборов хемилюминесцентного контроля;

- провести экспериментальную проверку усовершенствованных приборов хемилюминесцентного экспресс-контроля веществ и соединений при их низкой концентрации в исследуемых образцах с автоматическим изменением режимов работы фотодатчиков и алгоритмов работы приборов в зависимости от интенсивности свечения.

Методы и средства исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории фотоэлектрического преобразования; математического и схемотехнического моделирования; математической статистики при обработке данных экспериментальных исследований функциональных узлов приборов контроля.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- усовершенствован метод хемилюминесцентного контроля состава веществ, отличающийся повышением чувствительности за счет конденсации паров воздушной смеси на охлаждающей поверхности и применения электронно-счетного режима работы фотоэлектронного умножителя при контроле смесей с низкой концентрацией исследуемых веществ и соединений;

- предложен и опробован алгоритм улучшения метрологических характеристик приборов хемилюминесцентного контроля веществ, отличающийся улучшением

линейности световой характеристики и расширением динамического диапазона работы фотоэлектронного умножителя за счет автоматической регулировки его световой чувствительности и высоковольтного напряжения питания;

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- на основе проведенных научных исследований предложены новые конструкции хемилюминесцентных реакторов малых объёмов с низкотемпературным термостатирующим блоком для высокочувствительных приборов контроля газообразных и жидких соединений;

- разработаны приборы экспрессного контроля состава веществ, основанные на преобразовании хемилюминесцентного свечения в напряжение и в частоту импульсов, которые обеспечивают высокую чувствительность и автоматическую компенсацию влияния фоновой засветки на результаты преобразования;

- разработаны и экспериментально исследованы фотодатчики на основе фотоэлектронных умножителей и фотодиодов, которые характеризуются высокой чувствительностью и обеспечивают достоверность результатов хемилюминесиентного контроля в производственных условиях.

Реализация и внедрение результатов исследований

В результате исследований внедрены на ЗАО "Научприбор", (г. Орел) опытный образец оптоэлектронного датчика, применяемого в рентгеновском спектрометре, стабилизированный высоковольтный источник питания ФЭУ и экспериментальный макет дозиметра рентгеновского излучения с высокочувствительным полупроводниковым датчиком. Разработана и внедрена в ЦНИИСК (г. Москва) установка для контроля плотности дыма. Разработаны и внедрены в ЗАО "Медикант", (г. Орел) структура и алгоритм преобразования высокочувствительного спектрофотометрического детектора типа СФД-УФ. Результаты диссертационных исследований используются в учебном процессе на кафедре "Информационные системы" Государственного университета - УНПК (г. Орел).

Апробация и публикации результатов работы

Апробация работы состоялась в рамках госзадания Минобрнауки России № 7.2285.2011 «Моделирование и прогнозирование экологической безопасности территорий на основе ИКТ систем».

Основные результаты диссертационных исследований обсуждались на XII Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2007" (2007, г. Рязань), на I Всероссийской научно-технической конференции "Информтех-2008" (г. Курск), на XV Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях НИТ-2010" (г. Рязань).

По результатам исследований опубликовано 13 научных работ, из них 3 статьи в изданиях из перечня ВАК, новизна подтверждена двумя патентами.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков, список литературы из 77 наименований и 6 приложений.

На защиту выносятся следующие положения:

- усовершенствованный метод контроля низкой концентрации веществ, основанный на повышении интенсивности хемилюминесцентного свечения за счет конденсации контролируемой смеси на охлаждающей поверхности и обеспечивающий увеличение чувствительности посредством измерения частоты импульсов ФЭУ при слабом излучении и измерении его фототока при большой интенсивности исследуемого излучения^

- алгоритм хемилюминесцентных измерений, позволяющий расширить динамический диапазон приборов контроля за счет аппроксимации световой характеристики и автоматического регулирования напряжения питания фотоэлектронных умножителей с переключением коэффициентов усиления фототока в зависимости от интенсивности излучения и реализующий компенсацию фоновой засветки и цифровую коррекцию инструментальных погрешностей преобразования;

— разработанные модели, структуры и алгоритмы работы приборов экспрессного контроля веществ и соединений с преобразованием оптического излучения в напряжение и в частоту импульсов, защищенные двумя патентами на изобретение и полезную модель.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика научной работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи, показаны направления исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзор и проведена сравнительная оценка методов хемилюминесцентного контроля веществ и соединений.

Установлено, что для измерения слабого и сверхслабого хемилюминесцентного свечения при низкой концентрации контролируемых веществ необходимо использовать высокочувствительные фотоэлектронные умножители, выполняющие функцию преобразования светового излучения в электрический ток.

Показана необходимость применения активаторов хемилюминесцентного свечения для обнаружения и контроля состава веществ с низкой концентрацией в газовой и паровоздушной смесях. Активированная люминесценция возникает при воздействии ряда внешних факторов: при химических реакциях, облучении веществ ионизирующим или ультрафиолетовым излучением, при пропускании тока и воздействии ультразвуком.

Среди различных видов активированной люминесценции практический интерес представляют электро- и фотохемилюминесценция, регистрируемые высокочувствительными фотодатчиками оптического излучения. Слабое излучение измеряют детекторами на основе счетчика фотонов с кварцевым окном, приборами с фотоэлектронными умножителями или специальными цифровыми приборами — хемилюминометрами.

Калибровка хемилюминесцентной аппаратуры выполняется по эталону яркости -источнику излучения с интенсивностью до 104... 105 фотонов в секунду. В качестве излучателей используют растворы дифенил- или трифенилоксазола в толуоле с добавлением раствора уксусной кислоты с атомами изотопа углерода С<14). Спектр излучения в таком растворе достаточно стабилен и соответствует видимому свету.

В приборах хемилюминесцентного контроля, как правило, выполняется фотоэлектрическое преобразование, усиление, детектирование и аналого-цифровое преобразование сигналов с защитой от фоновой засветки. Для автоматизации процессов и повышения производительности измерений при хемилюминесцентном контроле состава газообразных и жидких веществ необходимо реализовать сложную обработку данных с учетом спектральной чувствительности фотоэлектронных умножителей (ФЭУ).

Решение поставленных задач возможно в двухканальных приборах контроля хе-милюминесценции, содержащих ФЭУ, сопряженные через усилители с блоками аналого-цифрового преобразования (АЦП) и микропроцессорной обработки данных. Алгоритм обработки данных должен обеспечивать определение длины волны спектрального максимума хемилюминесценции без дополнительных светофильтров, а также регистрировать изменения спектра свечения. Такая обработка сигналов позволяет контроли-

ровать хемилюминесценцию веществ с изменяющимся спектром свечения и автоматически корректировать результаты контроля с учетом спектральных характеристик ФЭУ.

Для повышения чувствительности и расширения диапазона хемилюминесцентного контроля необходимо не только улучшать параметры преобразователей оптического излучения, но и совершенствовать алгоритмы обработки данных для компенсации влияния мешающих факторов, автоматизации процесса и сокращения цикла контроля.

Структурная схема универсального прибора хемилюминесцентного контроля состава веществ содержит оптический излучатель, преобразователь светового сигнала в электрический сигнал и цифровой блок обработки результатов контроля и формирования управляющих команд, подаваемых на исполнительные устройства (рис. 1).

Рис. 1 - Структурная схема прибора хемилюминесцентного контроля

Блок обработки с системой обратной связи позволяют расширить диапазон контроля жидких и газообразных веществ посредством автоматического переключении пределов измерения прибора в зависимости от уровня исследуемого излучения.

В результате сравнительного анализа методов и средств хемилюминесцентного контроля обоснована необходимость первоочередного улучшения двух параметров — интенсивности хемилюминесцентного свечения и предельной чувствительности фотоприемников излучения, существенно влияющих на характеристики приборов контроля.

Вторая глава посвящена вопросам совершенствования метода хемилюминесцентного контроля и разработки алгоритмов компенсации внешних факторов, снижающих достоверность результатов контроля состава веществ с малой концентрацией.

С целью повышения чувствительности контроля состава веществ и соединений хемилюминесцентным методом была выдвинуто предположение о возможности увеличения их относительной концентрации посредством конденсации паров исследуемой смеси на охлаждающей поверхности. Для проверки данной гипотезы была разработана и создана экспериментальная установка, обеспечивающая регистрацию соединений, люминесцирующих в серной кислоте, насыщенной озоном. В этой установке применено барбатирование воздушной смеси в индикаторном растворе, содержащем ионы уранила, с последующей конденсацией паров воздушной смеси на охлаждающей поверхности стабильной температуры (-15...-20 °С) для повышения интенсивности хемилюминес-ценции.

При контроле воздух с исследуемого образца отсасывается компрессором через шланг воздуховода и подается на газоразрядный озонатор. После озонирования воздушная смесь через стеклянную трубку поступает в кювету из кварцевого стекла, наполненную индикаторным раствором - смесью серной кислоты и перекиси водорода.

Воздушно-озоновая смесь барбатируется в индикаторном растворе и конденсируется на поверхности элемента Пельтье, а хемилюминесценгное свечение преобразуется ФЭУ в напряжение, кодируется АЦП и запоминается в блоке регистрации (рис. 2).

Воздушный Стеклянная Элемент

^¿Возду- Озонатор \ховод S.

Свето-

Объект непроницаемая Кювета контроля камера ФЭУ |

Блок питания ФЭУ АЦП и блок регистрации сигнала

Воздушная

смесь

i Начало i Подача

i бар бати- < исследуемой

J^^-рования ! 1 1 1 1 1 ^ смеси i i i i i *

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 Рис. 2 - Схема экспериментальной установки и результаты исследований

При контроле состава веществ на экспериментальной установке нужно сначала барбатировать в индикаторном растворе чистый воздух, чтобы исключить его влияние на результаты измерений, а затем подавать в раствор исследуемую смесь и оценивать концентрацию соединений по максимуму хемилюминесцентного свечения (рис. 2).

При постоянной скорости барбатирования КБЛРБ = const интенсивность хемилюми-несценции Jxл ~ VKAFS ЛТвг|Хл ■ Кх прямо пропорциональна концентрации исследуемого вещества Кх и зависит от его объемной концентрации Кв в воздушной смеси и коэффициента концентрации г|Хл-

Оценка эффективности конденсации паров воздушной смеси для повышения интенсивности хемилюминесценции проведена при трех стабильных значениях температуры: -10, -15 и -20 °С на поверхности элемента Пельтье. В частности, реакция взаимодействия окиси урана с дифторидом ксенона характеризуется сверхслабым свечением, и при отключенном элементе Пельтье выходной код АЦП составляет N = 18 ± 7 (рис. 3). При стабилизации температуры элемента Пельтье на уровне Т = — 15 "С выходной код АЦП увеличивается до значения Л' = 120 ± 8 за время / = ( 15 ... 18) с, т. е. интенсивность хемилюминесценции за счет конденсации увеличивается примерно на порядок.

Экспериментально установлено, что разброс значений выходного кода АЦП связан с нестабильностью (мерцанием) хемилюминесцентного свечения, и для получения достоверных результатов контроля необходимо реализовать операцию усреднения.

охлажзоаст

Рис. 3 - Зависимости интенсивности хемилюминесценции при разных температурах

Предложено для повышения чувствительности хемилюминесцентного метода контроля при малой концентрации веществ применять ФЭУ в электронно-счетном режиме работы. При исследованиях на экспериментальной установке к выходу ФЭУ вместо АЦП подключался цифровой осциллограф, которым регистрировались одиночные пики напряжения (рис. 4). Затем выполнялся расчет энергии получаемых импульсов 1¥к = Кфзу ■ е ■ N -Цй с учетом заряда электрона е да 1,6-10~19 Кл, количества фотонов излучения N и коэффициента умножения ФЭУ-85, составляющего КФЗУ да 2 • 106.

В результате расчетов установлено, что появление одиночных фотонов на входе ФЭУ-85 позволяет получать выходные импульсы напряжения с амплитудой 110 « 28 мВ на нагрузке Ян = 1 МОм. Такие пики напряжения на выходе ФЭУ появляются со скважностью да 103 ... 104, а их частичное наложение друг на друга не превышает нескольких единиц за 15 минутное время наблюдения (рис. 4).

На основании проведенных расчетов и экспериментов доказано, что использование электронно-счетного режима работы

ОД Л. •Асчиотр^е м Рм: глгОгт Ме^иге 1

1* ЬР 1 Г * 5ошсе сад

Туре ЙШЯ

[»11 *. .... >11

Уа!ие -28,ЗппУ

2 : Васк

ао- »»ту М50Ы

Рис. 4 - Графики сигнала на выходе ФЭУ в электронно-счетном режиме работы

ФЭУ позволяет значительно - примерно на три порядка - повысить чувствительность хемилюминесцентных приборов контроля смесей с очень малой концентрацией.

При оценке предельной чувствительности усовершенствованного метода хемилюминесцентного контроля были проведены экспериментальные исследования с применением элемента Пельтье для конденсации паров исследуемых смесей и использованием ФЭУ в электронно-счетном режиме работы. В результате экспериментов установлено, что такой метод позволяет устойчиво обнаруживать содержание веществ в газовой и конденсированной фазе с минимальной концентрацией, составляющей: озона -10-9 моль/литр, соединений серы - 10 11 моль/литр, солей урана - 1(Г16 моль/литр. Это на 3 - 4 порядка превышает максимальную чувствительность современных приборов, применяемых для контроля состава газообразных и жидких веществ и соединений.

Конденсация паров влаги на элементах Пельтье позволяет также повысить чувствительность приборов контроля с ультрафиолетовым возбуждением люминесценции. Для проведения исследований были созданы установки для допускового контроля органических вещества по интенсивности ультрафиолетовой фотолюминесценции (рис. 5).

Контроли- Насос Капиллярная Элемент руемый / .трубка _ Пельтье

Опти-

Источник /"ЧУ фильтр

ультра- ^у /ЛО^фэу фиолетового С / Ч^А-дПП и излучения ^ блокобработки

Источник ультра- N4 фиолетового излучения

Исследуемый образец

АЦП и блок обработки данных

Оптический фильтр

Блок охлаждения

Рис. 5 — Схемы установок для исследования фотолюминесценции

В схеме экспериментальной установки (рис. 5, а) с помощью насоса и капиллярной трубки из жидкости формируется парообразная взвесь, осаждаемая на элементе Пельтье. Наличие исследуемых веществ на поверхности загрязненного материала приводит к фотолюминесценции, интенсивность которой преобразуется ФЭУ в электрический сигнал и кодируется с помошью АЦП, а после масштабирования в блоке обработки данных результат выводится на цифровой индикатор (рис. 5, а).

Разработана схема малогабаритного прибора с автономным питанием и ультрафиолетовым светодиодом, позволяющего по яркости фотолюминесценции визуально определять концентрацию органических веществ на поверхности материала (рис. 5, б).

Применение в приборе микропроцессорного блока обработки данных позволило автоматизировать допусковый контроль анализируемых веществ путем сравнения результатов измерений с пороговыми значениями, записанными в ПЗУ микропроцессора.

Выявлена зависимость нестабильности показаний при хемилюминесцентном контроле от временного и температурного дрейфа источника и приемника излучения. Например, при подаче на ФЭУ стабильного светового излучения на уровне порядка 20 % от предела преобразования 16-ти разрядного АЦП, показания существенно изменяются во времени, причем такая нестабильность носит случайный характер и наблюдается в течение нескольких десятков минут (рис. 6).

N

14000-

13500 13000 12500 12000

1 I I 1 ! i ......\

i ! i : ^^нй*0* 1

¡ j i

I i i i i

i . i .. i 1 i i i 1 . . i 1 i . . 1 i . . 1 i i i 1 . . . 1 . . i 1

Í,

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 С

Рис. 6 - Пример временного дрейфа выходного сигнала ФЭУ-85

Для повышения стабильности результатов хемилюминесцентного контроля разработана структурная схема цифрового прибора с ультрафиолетовым излучателем VD\, в которой микроконтроллер автоматически компенсирует влияние внешней засветки и реализует коррекцию погрешностей в двухтактном цикле преобразования (рис. 7).

Генератор импульсов тока

Л

м VD\

-

Исследуемый \\

АЦП Nx Микро-

^CM контроллер

|Элемент Пельтье!

Рис. 7 - Схема прибора с цифровой компенсацией влияния внешней засветки

В процессе контроля АЦП сначала кодирует напряжение начального смещения ;усм ФЭУ при выключенном ультрафиолетовом светодиоде К01, а после его зажигания кодирует сумму напряжения смещения исм и напряжения {/х, зависящего от потока фотолюминесценции Фх (рис. 7). После вычитания этих двух кодов микроконтроллер формирует результат, пропорциональный световой чувствительности 5Ф ФЭУ и потоку Фх фотолюминесценции исследуемого вещества: ЛГХ = Л^ — Лгсм = АГДЦП5'<1>2Л0СФХ .

Для автоматизации процесса компенсации внешней засветки в приборе контроля разработан специальный алгоритм, реализующий вычитание кодов - Л^ - Л'см* и получение скорректированного результата к-го измерения, а также вычисление среднего

и

значения кода за время одного цикла контроля = ^ А^ //г.

к= 1

Согласно графикам выходного сигнала ФЭУ (рис. 8), при измерениях в течение 88 секунд без цифровой коррекции погрешностей разброс результатов преобразования составлял около ЛЛгх ~ ±100 квантов. После включения цифровой коррекции разброс показаний уменьшается до уровня Шх к ~ ±2 кванта при среднем значении интенсивности излучения Л'х сР ~ 2400, т. е. нестабильность показаний за счет применения автоматической цифровой коррекции иотрешности уменьшается примерно в 50 раз.

-+-

О 10 20 30 40 60 60 70 80 90 100 110 120 130 С

Рис. 8 - График выходного сигнала ФЭУ до и после цифровой коррекции

Для аналогичных цифровых приборов с модуляцией потока ультрафиолетового излучения разработаны алгоритмы проведения хемшпоминесцентного контроля поверхностного загрязнения образцов хлор- или серосодержащими органическими соединениями с автоматической коррекцией инструментальных погрешностей преобразования.

Благодаря высокой чувствительности предложенный усовершенствованный метод можно использовать не только для исследования хемилюминесцентного свечения веществ, но и для контроля их радиоактивного загрязнения, так как наличие заряженных аир частиц приводит к появлению импульсов напряжения на выходе ФЭУ. Метод позволяет оценивать наличие энергии, соответствующей одному химическому акту, и обеспечить высокую разрешающую способность аппаратуры путем перевода ФЭУ в режим счета фотонов излучения с дискриминацией сигнала по амплитуде импульсов.

При контроле состава веществ хемилюминесцентным методом, выполняемом в режиме измерения фототока ФЭУ, целесообразно реализовать автоматическую коррекцию аддитивной составляющей погрешности для компенсации влияния внешней засветки и темнового тока фотоприемника излучения на результаты измерений.

Третья глава посвящена разработке высокочувствительных и широкодиапазонных фотодатчиков для приборов хемилюминесцентного контроля.

Для уменьшения влияния анодного фототока /фа на линейность характеристики ФЭУ предложен регулятор на транзисторе VT с усилителем DAX в высоковольтном делителе напряжения питания ФЭУ (рис. 9).

При моделировании данного устройства доказано, что применение регулятора позволяет в 5 - 8 раз улучшить температурную стабильность ФЭУ за счет увеличения сопротивлений Рнс. 9 -Схема ФЭУ с регулятором резисх0р0в в высоковольтном делителе напря-

высоковольтного напряжения жения и снижения рассеиваемой мощности.

Для повышения точности хемилюминесцентных приборов предложено компенсировать нестабильность оптического излучателя дополнительным фотодатчиком с

подведением светового потока Ф0 через световод для исключения нагрева. При напряжении фотодатчика £/0, пропорциональном опорному потоку излучения Ф0, можно реализовать контроль по отношению измеряемого потока излучения Фх к исходному Ф0. Этим уменьшается влияние нестабильности источника оптического излучения на результаты хемилюминесцентного контроля, что приводит к повышению точности.

В разработанной схеме прибора (рис. 10) исследуемое вещество помещается в кювету и с помощью дифракционной решетки просвечивается на разной длине X. световой волны. ФЭУ преобразует поток излучения Фх в фототек /ФА, который затем преобразуется в частоту^, измеряемую микропроцессором, а вычисление отношения двух потоков излучения выполняется в преобразователе фототока в частоту импульсов

Теплозащитный Дифракционная

световод

Рис. 10 - Схема прибора с автоматической компенсацией нестабильности излучателя

Для формирования опорного напряжения {/о используется часть светового потока Фо излучателя, подаваемая на фотодатчик через световод (рис. 10). Изменения светового потока Ф0 ± ДФо приводят к изменению анодного фототока /ФА ± Л/ФА ФЭУ и опорного напряжения £/0± АЬ'0, поэтому их отношение не влияет на результаты контроля.

Уравнение преобразования прибора (рис. 10) определяется выражением

и зависит от коэффициента умножения Кр ФЭУ, чувствительности 5® фотодиода ИО, коэффициента пропускания КСв световода и коэффициента пропускания вещества А"Пр, а также от соотношения резисторов Яг/в схеме преобразователя фототока в частоту.

Применение дополнительного фотодатчика для формирования опорного напряжения Ь0, пропорционального потоку излучения Ф0, упрощает процесс допускового контроля состава веществ. При этом можно запоминать в микропроцессоре образцовые коэффициенты оптического поглощения исследуемых веществ и затем сравнивать их с результатами измерений. Это позволяет вдвое сократить длительность цикла хемилюминесцентного контроля, так как в данном случае не нужно измерять состав образцовых веществ, а только измерять коэффициенты оптического поглощения или пропускания исследуемых смесей и автоматически сравнивать их с образцовыми данными.

Совместное применение в приборах хемилюминесцентного контроля состава веществ двух предложенных решений - регулирования напряжения питания ФЭУ и автоматической компенсации нестабильности излучателя позволяют значительно - более чем на порядок — расширить динамический диапазон работы таких устройств.

Для проведения хемилюминесцентных измерений с цифровой коррекцией инструментальных погрешностей разработан универсальный алгоритм процесса преобразования, содержащий следующие операции:

1) формирование цикла контроля заданной длительности Ts = Л',, / /0 = const или установка числа п отдельных измерений в цикле контроля;

2) выделение фронта и среза каждого к-то импульса модулирующей частоты для синхронизации аналого-цифрового преобразования в к-том цикле;

3) формирование времени задержки работы АЦП на время установления напряжения на выходе фотодатчика;

4) считывание информации Nz, NCM с выходов АЦП после окончания кодирования и запись полученных данных в оперативное ЗУ микропроцессора;

5) выполнение операции вычитания двух кодов для получения и запоминания скорректированного к-го результата измерения: Л'Х1. = Лгн. - Л'"см к;

6) вычисление среднего значения результата за цикл контроля Мхср = Л'х* In",

Ы1

7) запись среднего значения кода в оперативное запоминающее устройство;

9) умножение полученного результата на масштабирующий коэффициент для представления результата контроля в размерности оптического излучения;

10) преобразование кода ЛгХср в код jVjq для вывода результата на индикатор;

11) формирование импульса для установки АЦП и таймера в исходное состояние.

В преобразователях слабого хемилюми-

несцентного свечения в частоту импульсов предложено на выходе ФЭУ применять интегратор на усилителе с дополнительной цепью положительной обратной связи, выходное напряжение которого (Ух = /фа+ Л2)/Л2Си име-Рнс. 11-Схема ФЭУ с высокочувст- ет большую скорость нарастания в микроам-вительным интегратором фототока перном диапазоне фототока /ФЛ (рис. 11).

Применение интегратора на операционном усилителе с резисторами Ль Я2 в цепи положительной обратной связи позволяет в десятки раз повысить чувствительность приборов с ФЭУ при выполнении неравенства № + Л2)/7?2 » 1 и, кроме того, обеспечить высокую линейность преобразования анодного фототока ФЭУ, работающего в электронно-счетном режиме, в частоту прямоугольных импульсов, измеряемых микропроцессором при хемилюминесцентном контроле. В этом случае реализуется преобразование измеряемого потока излучения Фх или интенсивности люминесценции в частоту импульсов, при цифровом измерении которой автоматически вычисляется среднее значение исследуемой оптической величины за длительность цикла измерения при одновременном ослаблении влияния случайных помех.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию характеристик основных функциональных узлов аппаратуры хемилюминесцентного и фотоэлектрического контроля состава веществ, включая контроль спектральных характеристик излучения.

Проведена разработка малогабаритного спектрофотометрического детектора с микропроцессорной обработкой данных СФД-УФ для экспрессной диагностики состава жидких растворов в ультрафиолетовой области спектра (рис. 12).

Для данного прибора разработаны алгоритмы и программы автоматизации процесса измерения с компенсацией влияния начального фототока ФЭУ на результаты контроля состава жидких веществ и соединений.

Разработана и внедрена установка для контроля качества электрических кабелей, реализуемого в процессе горения изоляции с вычислением относительных коэффици-

ентов оптического поглощения. При проведении измерений в этой установке поток излучения преобразуется в частоту импульсов, измеряемую цифровым способом. В составе установки используется высокочувствительный приемник светового излучения с импульсной обратной связью, который характеризуется наноамперным уровнем темпового тока фотодиода при максимальном значении фототока, составляющем 20 мкА.

Рис. 12 - Структурная схема спектрофотометра СФД-УФ

Разработаны схемы высокочувствительных фотодатчиков для малогабаритных цифровых приборов хемилюминесцентного контроля с автономным питанием, используемых при экологическом мониторинге окружающей среды. Показана универсальность применения предложенных научно-технических решений, обеспечивающих повышение чувствительности при минимальных аппаратурных затратах, что практически использовано при разработке малогабаритного цифрового дозиметра с автономным питанием.

Предложены высокоточные преобразователи фототока напряжение и в частоту импульсов, работающие в нано- и микроамперном диапазонах, использование которых позволяет повысить предельную чувствительность устройств хемилюминесцентного контроля до уровня, сравнимого со световой чувствительностью ФЭУ, и применять их в малогабаритных приборах для контроля слабого оптического и радиационного излучения.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1 Проведенный сравнительный анализ различных методов показал превосходство метода хемилюминесцентного экспресс-контроля веществ с малой концентрацией.

2 Усовершенствован метод хемилюминесцентного экспрессного контроля малой концентрации веществ, позволяющий повысить интенсивность свечения за счет конденсации паров исследуемых соединений на охлаждающей поверхности стабильной температуры.

3 Экспериментально доказана эффективность применения электронно-счетного режима работы ФЭУ при хемилюминесцентном контроле состава смесей с низкой концентрацией исследуемых веществ, обеспечивающего предельное - на два-три порядка - повышение чувствительности контролирующих приборов, вплоть до регистрации отдельных квантов светового потока.

4 Разработаны алгоритмы проведения хемилюминесцентного контроля с компенсацией внешней засветки и нестабильности источника оптического излучения за счет применения автоматической коррекции систематических погрешностей в двухтактном цикле измерения хемилюминесцентного свечения исследуемых веществ.

5 Подтверждена возможность 10-кратного расширения динамического диапазона ФЭУ посредством автоматической регулировки высоковольтного напряжения питания и световой чувствительности в зависимости от уровня анодного фототока.

6 Предложены структурные схемы автоматизированных установок и приборов хе-милюминеспентного контроля, позволяющие выполнять исследования состава газообразных и жидких веществ с низкой концентрацией в материале за счет автоматизации режимов измерения и коррекции инструментальных погрешностей, новизна которых защищена патентами на изобретение и полезную модель.

7 Установлено, что применение предложенного метода, алгоритмов и структур построения хемилюминесцентных приборов кош-роля позволяет выявлять содержание веществ в газовой и конденсированной фазе с концентрацией: озона - 10 моль/литр, соединений серы - Ю-11 моль/литр, солей урана - 10"16 моль/литр, что на 3 - 4 порядка превышает максимальную чувствительность современных приборов, применяемых для контроля состава газообразных и жидких веществ и соединений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в ведуи(ихрецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК

1. Санников, Д. П. Прибор фотоэлектрического контроля с автоматической компенсацией нестабильности источника светового излучения. [Текст] / Д. П. Санников, Ю. Б. Иванов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 4-2, 2010. - С. 107 - 111. (личное участие 60 %)

2. Санников, Д. П. Расширение динамического диапазона фотоэлектронных умножителей. [Текст] / Д. П. Санников // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, № 3,2010. - С. 78 - 82.

3. Санников, Д. П. Способ повышения чувствительности фотоэлектрических преобразователей. [Текст] / Н. Г. Богданов, Д. П. Санников, Ю. Б. Иванов. // Телекоммуникации, № 2, 2007. - С. 35 - 38. (личное участие 30 %)

Прочие публикации

4. Санников, Д. П. Обобщенная модель эффективности системы контроля [Текст] / С. П. Богданов, В. Г. Лисичкин, Д. П. Санников // Новые информационные технологии в научных исследованиях "НИТ-2010": Материалы XV Всероссийской научно-технической конф., Рязанский ГРТУ, 2010. - С. 62 - 64, (личное участие 30 %).

5. Санников, Д. П. Выбор критерия оптимизации приборов контроля [Текст] / С. П. Богданов, В. Г. Лисичкин, Д. П. Санников // Новые информационные технологии в научных исследованиях "НИТ-2010": Материалы XV Всероссийской научно-технической конф., Рязанский ГРТУ, 2010. - С. 64 - 66, (личное участие 40 %).

6. Санников Д. П. Повышение точности измерений фазочастотных параметров при контроле / С. П. Богданов, В. Г. Лисичкин, Д. П. Санников // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, ОрелГТУ, № 4, 2010. - С. 96 - 102, (личное участие 40 %).

7. Санников, Д. П. Двухтактные фотопреобразователи с коррекцией аддитивных погрешностей [Текст] / М. А. Волков, Д. П. Санников // Материалы 33-й Всероссийской научно-технической конференции "Сети, системы связи и телекоммуникации". - Рязань, 2008. - С. 173 - 174, (личное участие 50 %).

8. Санников, Д. П. Высокочувствительные фотоприемные устройства для систем телекоммуникаций [Текст] / Н. Г. Богданов, Д. П. Санников /У Материалы I Всероссий-

ской научно-технической конференции "Информтех-2008". - Курск, 2008. - С. 184 -185, (личное участие 50 %).

9. Санников, Д. П. Перспективы разработки спецодежды для защиты от пыли [Текст] / Ашихина, Л. А., Павликова А. В., Санников Д. П. // Межвузовский сб. науч. трудов "Техника и технологии".- М.: МГУДТ, 2006. - С. 60 - 63, (личное участие 40 %).

10. Санников, Д. П. Контроль лечебной спецодежды для работников торговли [Текст] / Е. Е. Добычина, А. В. Павликова, Д. П. Санников // Межвузовский сб. науч. трудов "Техника и технологии". - М.: МГУДТ, 2006. - С. 89 - 95, (личное участие 40%).

11. Санников, Д. П. Обогащение воздушной среды пододежного пространства средств индивидуальной защиты физиологически-активными компонентами [Текст]/ Л. А. Ашихина, А. В. Павликова, Д. П. Санников // Межвузовский сб. науч. трудов "Техника и технологии",- М.: МГУДТ, 2006. - С. 47 - 51, (личное участие 30 %).

12. Санников, Д. П. Фотометр. Патент на полезную модель № 99160 от

10.11.2010. МПК ООП 1/44 [Текст] / Д. П. Санников, Ю. Б. Иванов (личное участие 50 %).

13. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2005115517/28 от

27.04.2011. Хемилюминесцентный детектор токсичных веществ в воздухе рабочей зоны [Текст] / Гальянов И. В., Санников Д. П., Тюриков Б. М. (личное участие 40 %).

ЛР ИД №0067 от 05.01.2000 г. Подписано к печати 05.03.2012 г. Формат 69x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 148

Полиграфический отдел ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» 302030, г. Орел, ул. Московская, 65

61 12-5/2837

ФГБОУ ВПО "Госуниверситет - УНПК"

С

На правах рукописи

Санников Дмитрий Петрович

МЕТОД И СРЕДСТВА ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЕЩЕСТВ И СОЕДИНЕНИЙ

Специальность 05.11.13 - "Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Лисичкин В. Г.

Орел-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................4

ГЛАВА 1 Аналитический обзор методов хемилюминесцентного экспресс-контроля состава веществ..............................................11

1.1 Основные свойства и параметры хемилюминесценции...............11

1.2 Особенности хемилюминесцентного контроля состава веществ......21

1.3 Тестовые методы контроля сложных соединений,

применяемые при экологическом мониторинге............................31

1.4 Классификация и структура приборов хемилюминесцентного контроля............................................................................40

Выводы по первой главе.............................................................49

ГЛАВА 2 Исследование и усовершенствование метода и алгоритмов

хемилюминесцентного контроля состава веществ..................50

2.1 Исследование возможности применения электрохемилюминесценции для контроля серосодержащих веществ в материале.......................50

2.2 Усовершенствование метода хемилюминесцентного контроля............57

2.3 Исследование и разработка приборов хемилюминесцентного

контроля с автоматической коррекцией результатов измерений...........78

Выводы по второй главе.............................................................91

ГЛАВА 3 Разработка и исследование способов улучшения параметров фотодатчиков для приборов хемилюминесцентного контроля.............92

3.1 Расширение динамического диапазона преобразования фотоэлектронных умножителей..............................................92

3.2 Построение прибора фотоэлектрического контроля с компенсацией нестабильности источника светового излучения.........................100

3.3 Разработка и анализ высокочувствительных преобразователей оптического излучения в частоту импульсов..............................111

3.4 Разработка методики автоматической калибровки и регулировки световой характеристики фотоэлектронного умножителя...............120

Выводы по третьей главе...........................................................126

ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование характеристик функциональных узлов аппаратуры хемилюминесцентного контроля.........................................................................127

4.1 Исследование прибора для контроля задымленности помещений......127

4.2 Разработка спектрофотометрического детектора для экспресс-диагностики жидкостей в ультрафиолетовой области спектра........138

4.3 Повышение чувствительности фотодатчиков

в приборах контроля радиационного излучения...........................147

Выводы по четвертой главе........................................................152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................153

Список использованных источников...............................................155

Приложение 1..........................................................................162

Приложение 2..........................................................................163

Приложение 3..........................................................................164

Приложение 4..........................................................................165

Приложение 5..........................................................................166

Приложение 6..........................................................................167

Приложение 7..........................................................................168

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Экспресс-контроль состава сложных смесей газообразных и жидких веществ и соединений необходим для повышения безопасности жизнедеятельности работников, связанных с производством различной химической и фармакологической продукции, а также для сотрудников текстильных предприятий, работников торговли и сельского хозяйства. Особый вред здоровью трудящихся составляют хлор- и серосодержащие соединения, присутствующие в воздухе или в составе производимой продукции, которые постепенно накапливаются в организме или на спецодежде и приводят к повышению уровня заболеваемости.

Например, в сельском хозяйстве при использовании пестицидов, гербицидов и других ядохимикатов, уровень заболеваемости, обусловленной накоплением их в рабочей зоне, достигает 10 % от общего числа заболеваемости, вызванной травмирующими условиями производства.

Применяемые в настоящее время лабораторно-химические методы контроля состава сложных веществ характеризуются высокой разрешающей способностью, однако используются только выборочно вследствие большой длительности анализа, достигающей 8-24 часов для одного вида вещества. Наиболее универсальными в этом плане являются методы высокоэффективной жидкостной хроматографии, масс-спектрометрии и инверсионной вольтампе-рометрии, которые отличаются высокой чувствительностью и имеют большое число аттестованных и стандартизованных методик применения. Однако такие методы анализа имеют ряд существенных недостатков, среди которых следует отметить высокую стоимость контролирующей аппаратуры, сложность ее эксплуатации и пробоподготовки, а также влияние фона, ограничивающего нижние пределы определения концентрации исследуемых элементов. Вследствие этого необходима разработка портативных автоматизированных приборов экспрессного контроля, обеспечивающих высокую чувствительность при определении состава газообразных и жидких веществ малой и сверхмалой концентрации при минимальной длительности измерительных процессов.

В настоящее время нет универсального метода, удовлетворяющего всем требованиям экспрессного контроля сложных неорганических соединений и органических загрязнений. Эти требования включают в себя необходимость определения тяжелых металлов (мышьяка, свинца, меди, хрома, кобальта и никеля) в различных сочетаниях; точность и экспрессность анализа; простоту применения аппаратуры с необходимым программным и методическим сопровождением и достоверность получаемых результатов исследований.

Наиболее перспективным для экспрессного контроля физико-химического состава веществ малой концентрации является хемилюминесцентный метод, который основан на измерении интенсивности свечения, возникающего при химических реакциях или в результате ультрафиолетового облучения. На практике интенсивность хемилюминесценции оценивают по показаниям фотоэлектрических микроспектрофотометров, в которых за счет эффекта хемилюминесценции можно значительно повысить разрешающую способность обнаружения веществ и газовых смесей малой концентрации. На основе эффекта хемилюминесценции целесообразно реализовать приборы для проведения мониторинга окружающей среды с объективным выделением хлор- и серосодержащих органических и неорганических веществ как в воздушной, так и в водной средах даже при их низкой и сверхнизкой концентрации. Такие приборы особенно необходимы для мониторинга окружающей среды и выборочного контроля степени загрязнения различных водоемов.

Обработка сигналов в хемилюминесцентных устройствах контроля основана на фотоэлектрическом преобразовании, усилении, детектировании, вычитании фоновой засветки и аналого-цифровом преобразовании, что в совокупности позволяет получить достаточно полную информацию о составе исследуемых веществ. Кроме преобразования слабого оптического излучения в эквивалентную электрическую величину необходимо автоматизировать обработку полученных данных с учетом интенсивности и спектра излучения контролируемых соединений. С учетом этого в приборах для регистрации хемилюминесцентного свечения газообразных и жидких веществ необходимо обеспечивать высокую

чувствительность, ослаблять влияние внешней фоновой засветки и инструментальных погрешностей преобразования, а также автоматизировать процессы измерений и цифровой обработки получаемых данных.

Для повышения информативности хемилюминесцентного контроля необходимо реализовать обработку сигналов с учетом неравномерности спектральной чувствительности фотоэлектронных умножителей и фотодатчиков с дифференцированием получаемых результатов не только по интенсивности свечения, но и по спектральному распределению хемилюминесценции.

Исследования в области хемилюминесцентного контроля базируются на фундаментальных работах Г. Р. Герца, открывшего в 1887 г. явление фотоэффекта, и современных результатах исследований Ю. А. Золотова, С. И. Муравьевой, С. Д. Варфоломеева, а также научных трудах Владимирова Ю. А., Алешина Н. Е., Раковского Я. П., Аветинына Ю. 3. и других ученых, которые эмпирически выявили взаимосвязь между интенсивностью хемилюминесцентного свечения и составом различных веществ.

Улучшение характеристик аппаратуры, предназначенной для хемилюминесцентного контроля слабой концентрации веществ и соединений, возможно при комплексном решении нескольких взаимосвязанных научно-технических задач. В первую очередь необходимо исследовать вопросы повышения яркости хемилюминесцентного свечения контролируемых веществ и оценить наиболее эффективные воздействия, вызывающие хемилюминесценцию исследуемых хлор- и серосодержащих соединений. Вторая задача заключается в обеспечении линейности преобразования хемилюминесцентного излучения в электрический сигнал в широком динамическом диапазоне. Третья задача связана с вопросами стабилизации и регулирования параметров (мощности и длины волны) источников ультрафиолетового излучения, применяемых для возбуждения хемилюминесценции при исследовании состава веществ малой концентрации. Четвертая задача обусловлена необходимостью автоматической компенсации влияния внешней фоновой засветки на результаты контроля при исследованиях состава сложных соединений в производственных условиях.

Основная сложность хемилюминесцентного контроля газообразных и жидких веществ с низкой концентрацией исследуемых соединений заключается в необходимости измерения слабого светового излучения при наличии фоновой засветки, характерной для процесса контроля в производственных условиях. Вследствие этого требуется повышать чувствительность контролирующей аппаратуры с одновременным расширением динамического диапазона и автоматизацией процессов хемилюминесцентных измерений. Этим и характеризуется актуальность темы исследований.

Объектом исследования являются процессы и приборы хемилюминесцентного экспрессного контроля состава газообразных и жидких веществ.

Предмет исследования - методы и принципы построения приборов контроля слабого излучения на основе кинетической хемилюминесцентной спектроскопии.

Целью диссертационной работы является повышение чувствительности и расширение динамического диапазона приборов хемилюминесцентного контроля газообразных и жидких сред при слабой и сверхслабой концентрации исследуемых веществ.

Основные задачи исследований:

- провести сравнительный анализ методов и средств хемилюминесцентного контроля состава веществ с низкой концентрацией при наличии внешних воздействий;

- исследовать возможности и пути модификации метода хемилюминесцентного контроля при низкой концентрации исследуемых веществ;

- усовершенствовать метод хемилюминесцентного контроля для повышения чувствительности и расширения динамического диапазона приборов контроля;

- разработать и исследовать способы улучшения параметров основных функциональных узлов, позволяющие повысить чувствительность и расширить динамический диапазон приборов хемилюминесцентного контроля;

- предложить и обосновать алгоритмы хемилюминесцентных измерений с компенсацией факторов, влияющих на достоверность результатов контроля;

- провести экспериментальную проверку усовершенствованных приборов хемилюминесцентного экспресс-контроля веществ и соединений при их низкой концентрации в исследуемых образцах с автоматическим изменением режимов работы фотодатчиков и алгоритмов работы приборов в зависимости от интенсивности свечения.

Методы и средства исследований.

При решении поставленных научно-технических задач использовались методы теории фотоэлектрического преобразования, методы математического и схемотехнического моделирования на ПЭВМ, методы математической статистики при обработке данных, а также экспериментальные исследования основных функциональных узлов приборов хемилюминесцентного контроля состава хлор- и серосодержащих веществ в газообразных и жидких соединениях при их малой и сверхмалой концентрации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- усовершенствован метод хемилюминесцентного контроля состава веществ, отличающийся повышением чувствительности за счет конденсации паров воздушной смеси на охлаждающей поверхности и применения электронно-счетного режима работы фотоэлектронного умножителя при контроле смесей с низкой концентрацией исследуемых веществ и соединений;

- предложен и опробован алгоритм улучшения метрологических характеристик приборов хемилюминесцентного контроля веществ, отличающийся улучшением линейности световой характеристики и расширением динамического диапазона работы фотоэлектронного умножителя за счет автоматической регулировки его световой чувствительности и высоковольтного напряжения питания;

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- на основе проведенных научных исследований предложены новые конструкции хемилюминесцентных реакторов малых объёмов с низкотемператур-

ным термостатирующим блоком для высокочувствительных приборов контроля газообразных и жидких соединений;

- разработаны приборы экспрессного контроля состава веществ, основанные на преобразовании хемилюминесцентного свечения в напряжение и в частоту импульсов, которые обеспечивают высокую чувствительность и автоматическую компенсацию влияния фоновой засветки на результаты преобразования;

- разработаны и экспериментально исследованы фотодатчики на основе фотоэлектронных умножителей и фотодиодов, которые характеризуются высокой чувствительностью и обеспечивают достоверность результатов хемилюминесцентного контроля в производственных условиях.

В результате исследований внедрены на ЗАО "Научприбор", (г. Орел) опытный образец оптоэлектронного датчика, применяемого в рентгеновском спектрометре, стабилизированный высоковольтный источник питания ФЭУ и экспериментальный макет дозиметра рентгеновского излучения с высокочувствительным полупроводниковым датчиком (г. Орел).

Разработаны алгоритм и программа автоматической коррекции погрешностей, а также методика калибровки фотометрической системы, применяемой для контроля плотности дыма с линеаризацией характеристики преобразования, которые внедрены в центре сертификации и испытаний "Огнестойкость -ЦНИИСК" (г. Москва).

Разработаны и внедрены в ЗАО "Медикант", (г. Орел) структура построения и алгоритм преобразования высокочувствительного спектрофотометриче-ского детектора типа СФД-УФ.

Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре "Информационные системы" Государственного университета - УНПК при проведении занятий по дисциплине "Программирование микропроцессоров".

Основные результаты диссертационных исследований обсуждены на XII Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2007" (2007, г. Рязань), на I Всероссийской научно-технической конференции "Информтех-2008"

(г. Курск), на XV Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях НИТ-2010" (г. Рязань).

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержание которых изложено на 168 страницах, содержит 49 рисунков и список литературы из 77 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

- усовершенствованный метод контроля низкой концентрации веществ, основанный на повышении интенсивности хемилюминесцентного свечения за счет конденсации контролируемой смеси на охлаждающей поверхности и обеспечивающий увеличение чувствительности посредством измерения частоты импульсов ФЭУ при слабом излучении и измерении его фототока при большой интенсивности исследуемого излучения;

- алгоритм хемилюминесцентных измерений, позволяющий расширить динамический диапазон приборов контроля за счет аппроксимации световой характеристики и автоматического регулирования напряжения питания фотоэлектронных умножителей с переключением коэффициентов усиления фототока в зависимости от интенсивности излучения и реализующий компенсацию фоновой засветки и цифровую коррекцию инструментальных погрешностей преобразования;

- разработанные модели, структуры и алгоритмы работы приборов экспрессного контроля веществ и соединений с преобразованием оптического из