Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние приборов анализа химического состава веществ методом ВЭЖХ 14
1.1 Состав и структура микроколоночного жидкостного хроматографа 14
1.2 Анализ функционирования и классификация фотометрических детекторов используемых для ВЭЖХ 22
1.3 Спектрофотометрические детекторы используемые для ВЭЖХ 30
1.4 Формулировка цели и постановка задач исследования 42
1.5 Выводы 44
2 Исследование и разработка Математической модели формирования хроматографической информации ЭК СФД 45
2.1 Анализ и выбор обобщенной структуры формирования хроматографической информации ЭК СФД. 45
2.2 Определение требований к шумовым параметрам блоков ЭК СФД 53
2.3 Анализ и выбор средств фильтрации наложения спектров 56
2.4 Выбор способа и определение требований к аналого-цифровому преобразованию хроматографической информации. 62
2.5 Выбор методов и средств подавления неинформативной составляющей сигнала. 70
2.6 Выбор математической модели и разработка методики выделения информативной составляющей хроматографического сигнала 76
2.7 Выводы 80
3 Методика определения параметров функциональных узлов и блоков ЭК СФД 83
3.1 Разработка последовательности выбора и расчета узлов и блоков ЭК СФД 83
3.2 Выбор типа и параметров ЕД-АЦП 86
3.3 Выбор параметров фильтра наложения спектров. 92
3.4 Выбор весовых функций для подавления сетевой помехи 96
3.5 Выбор разрядности целочисленного представления коэффициентов ВФ фильтра сетевой помехи 100
3.6 Выбор эквивалентных длительностей ВФ усредняющих КИХ-фильтров 104
3.7 Выбор типа и параметров гальванической развязки 106
3.8 Выводы
4 Практическая реализация ЭК СФД 112
4.1 Разработка алгоритмов функционирования ЦВУУ ЭК СФД. 112
4.2 Определение параметров макетного образца ЭК СФД и результаты испытаний 124
4.3 Программная реализация методики расчета параметров информативных хроматографических пиков 130
4.4 Выводы 139
Заключение 141
Список использованных источников 142
Приложения 154
- Анализ функционирования и классификация фотометрических детекторов используемых для ВЭЖХ
- Определение требований к шумовым параметрам блоков ЭК СФД
- Выбор типа и параметров ЕД-АЦП
- Определение параметров макетного образца ЭК СФД и результаты испытаний
Введение к работе
Хроматография представляет собой физико-химический метод анализа состава многокомпонентных веществ основанный на разделении исходного вещества на составляющие компоненты. Определение качественного и количественного состава пробы осуществляют, используя специальные методики и оборудование. Одним из хроматографических методов является высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ). Ее основным преимуществом является возможность исследования практически любых объектов без каких-либо ограничений по их физико-химическим свойствам, например, по температурам кипения или молекулярной массе [56]. При этом ВЭЖХ обладает универсальностью, возможностью автоматизации разделения и анализа сложных смесей органических и неорганических веществ, экспрессивностью и высокой чувствительностью [71]. ВЭЖХ широко применяется в промышленности, криминалистике, экологических и медицинских исследованиях. На основании полученных с ее помощью данных производится управление технологическими процессами и контроль качества выпускаемой продукции, в том числе и при производстве продуктов питания [2, 11, 40, 78, 87, 95, 100].
В ВЭЖХ разделение пробы на компоненты происходит при прохождении растворителя (элюента), содержащего исследуемое вещество -подвижной фазы через неподвижную фазу - хроматографическую колонку, представляющую собой трубку, заполненную сорбентом. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента компоненты пробы перемещаются вдоль колонки с разной скоростью. Обнаружение разделенных компонентов пробы на выходе колонки осуществляют при помощи специального устройства - детектора, контролирующего какое-либо свойство подвижной фазы, функционально связанное с концентрацией компонента [56].
Детектор формирует кривую отражающую зависимость концентрации компонентов выходящих из колонки с потоком подвижной фазы от времени прошедшего с момента начала разделения, которую называют хроматограммой [55]. Она состоит из базовой линии и пиков. Базовая линия соответствует величине сигнала детектора, когда он регистрирует только сигнал растворителя, не содержащего компонентов исследуемого вещества. Пик - кривая, описывающая постепенное изменение концентрации компонента на выходе колонки. В идеальном случае кривая, описывающая пик, приближается к кривой нормального распределения Гаусса [76].
Время от момента ввода анализируемой пробы до регистрации максимума пика называют временем удерживания tR, его можно представить в виде суммы двух составляющих - времени пребывания компонента в подвижной фазе tm и времени пребывания в неподвижной фазе t$ [71]. Значение tm равно времени прохождения через колонку несорбируемого компонента. Значение tR зависит от природы вещества и сорбента, но не зависит от количества пробы. Величина tR может быть различной для одного и того же вещества при различных условиях проведения анализа. Для характеристики удержания используют понятие удерживаемого объема Vr -объема подвижной фазы, который нужно пропустить через колонку с определенной скоростью, что бы элюировать вещество [71]. При постоянных условиях хроматографирования, таких как скорость потока, давление, температура, состав фаз значения tR и Vr строго воспроизводимы и могут быть использованы для идентификации веществ. Количество вещества, вымываемого из колонки, может быть найдено по площади под кривой элюирования [56].
Определение качественного и количественного состава вещества в ВЭЖХ основано на том, что положение хроматографического пика на хроматограмме для данной хроматографической системы характеризует природу вещества, а площадь ограниченная этой кривой и базовой линией есть некоторая функция от количества данного вещества, прошедшего через детектор. Точность и достоверность результатов анализа состава вещества методом ВЭЖХ существенно зависят не только от качества разделения исходного вещества, но и от параметров используемых технических средств регистрации и формирования хроматографической информации, а также примененных алгоритмов ее обработки [71].
Одним из наиболее широко применяемых детекторов в ВЭЖХ является спектрофотометрический детектор (СФД). По применяемости для различных типов анализов он занимает второе место среди детекторов для ВЭЖХ [100]. Принцип действия СФД основан на сравнении поглощения света определенной длины волны в видимой или ультрафиолетовой области чистым элюентом и элюентом содержащем в своем составе компоненты исследуемой смеси. Физической основой определения концентрации веществ с использованием СФД является закон светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера [86, 99]. Основными областями применения СФД являются научные исследования, экологический мониторинг, криминалистика, химическая, нефтяная, фармацевтическая и пищевая промышленности. [2, 11,70,78].
Достоверность результатов анализа определяется двумя основными факторами: уровнем флуктуационных шумов выходного сигнала СФД и степенью разделения компонентов [56]. Уровень флуктуационных шумов выходного сигнала ЭК СФД определяет минимальные обнаруживаемые концентрации (предел детектирования), что является одной из важнейших потребительских характеристик системы ВЭЖХ, особенно при экомониторинге и контроле качества продукции в пищевой и фармацевтической промышленности. Величина уровня флуктуационных шумов прибора зависит от условий проведения анализа, параметров чувствительного элемента детектора, примененных методик и технических средств формирования и обработки сигнала [71, 85]. Неполное разделение компонентов пробы в хроматографической колонке вызывает появление на хроматограмме частично наложившихся пиков. Определение площадей подобных пиков затруднено, что в свою очередь осложняет определение концентраций соответствующих им веществ. Некорректное выделение пиков на фоне наложений может привести к пропуску или ошибочной идентификации компонентов с малыми концентрациями [75, 73, 78].
Проведенный анализ показал, что существующие спектрофотометры не вполне соответствуют совокупности предъявляемых к ним требований по величине предела детектирования и достоверности результатов анализа [78, 96], повышение которых возможно тремя способами. Первый основан на совершенствовании методик подготовки пробы и проведения анализа. Второй заключается в совершенствовании оптико-механической схемы и повышении точности изготовления оптико-механического блока прибора. Третий предполагает совершенствование методик, алгоритмов и технических средств формирования и предварительной обработки хроматографической информации. Указанной проблеме посвящено большое количество работ-., отечественных и зарубежных ученых, например, Коломбета Ю.А., Будникова К.Г., Сакодынского К.И., Бражникова С.А., Сычева С.Н., Яшина А.И., Долана М., Фоли Дж., Киселева А.В., Лайе Ж., Ковача Е., Унгера К.К., однако в настоящее время третий способ исследован недостаточно [60, 72, 100].
Достигнутые в настоящее время успехи в области аналого-цифровых методов и средств обработки сигналов создали предпосылки для значительного улучшения характеристик СФД за счет модернизации технических средств формирования и предварительной обработки хроматографической информации. Таким образом, актуальным является проведение комплексного исследования особенностей формирования и обработки хроматографического сигнала СФД, и на основе полученных результатов совершенствование аппаратно-программных средств электронного канала (ЭК) прибора, выполняющего формирование и предварительную обработку хроматографической информации, что позволит повысить точность и достоверность результатов анализа состава вещества методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с использованием СФД.
Объектом исследования является электронный канал СФД.
Предметом исследования являются модели, методики, алгоритмы и технические средства формирования хроматографической информации ЭК СФД.
Цель диссертационной работы состоит в повышении достоверности результатов контроля состава веществ методом высокоэффективной жидкостной хроматографии при применении спектрофотометрических детекторов.
К основным задачам исследования относятся:
Проведение системного анализа функциональных требований к формированию хроматографической информации техническими средствами электронного канала спектрофотометрического детектора;
Разработка математической модели и алгоритмов формирования хроматографической информации аппаратно-программными средствами электронного канала;
Разработка методики расчета параметров информативных хроматографических пиков на фоне искажений и частичных наложений;
Разработка методик и алгоритмов определения параметров основных функциональных узлов и блоков аппаратно-программных средств электронного канала;
Экспериментальные исследования с целью проверки правильности и эффективности предложенных теоретических положений.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического, имитационного и физического моделирования, теоретические основы информационно-измерительной техники и цифровой обработки сигналов. Применялся математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, численных методов, системного анализа. Обработка данных выполнена на ЭВМ по оригинальным алгоритмам с использованием языка программирования Object Pascal в среде Borland Delphi, пакетов математического моделирования VisSim и MATLAB, а так же табличного процессора MS Excel. Научая новизна работы заключается в следующем:
Предложена математическая модель формирования хроматографической информации, основанная на базовых физико-технических принципах фотометрии, позволяющая создавать аппаратно-программные средства электронных каналов спектрофотометрических детекторов с повышенной достоверностью результатов контроля химического состава веществ;
Разработана методика расчета параметров информативных хроматографических пиков, основанная на модифицированном методе Савицкого-Голея и нелинейной оптимизации, использующая разбиение пиков на эквипараметрические участки;
Разработаны методика и алгоритмы определения параметров технических средств формирования информативных сигналов электронного канала, обеспечивающих заданный уровень флуктуационных шумов и искажений формируемой информации.
Практическая ценность работы заключается в том, что использование предложенных математических моделей, структурных схем, методик и алгоритмов при разработке аппаратно-программных средств ЭК СФД позволяет повысить достоверность формируемой хроматографической информации за счет снижения уровня флуктуационных шумов и выделения пиков на фоне частичных наложений.
На защиту выносятся следующие основные положения: 1. Математическая модель формирования хроматографической информации, основанная на базовых физико-технических принципах фотометрии, позволяющая создавать аппаратно-программные средства электронных каналов спектрофотометрических детекторов с повышенной достоверностью результатов контроля химического состава веществ;
Методика расчета параметров информативных хроматографических пиков, основанная на модифицированном методе Савицкого-Голея и нелинейной оптимизации, использующая разбиение пиков на эквипараметрические участки;
Методика и алгоритмы определения параметров технических средств формирования информативных сигналов электронного канала, основанных на предложенной математической модели, обеспечивающих заданный уровень флуктуационных шумов и искажений формируемой информации.
Реализация и внедрение результатов исследований. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан макетный образец ЭК СФД и проведены его испытания в составе серийного хроматографа «Милихром», по результатам которых рекомендовано внедрение преложенного ЭК СФД при модернизации существующих СФД. Методика расчета параметров информативных пиков хроматограммы, реализована в программе «Х-Моделист», которая по результатам испытаний рекомендована для включения в состав программного обеспечения хроматографов «Милихром», выпускаемых ЗАО Научприбор. Макетный образец ЭК СФД и программа «Х-Моделист» также используются в учебном процессе кафедры ПТЭиВС ОрелГТУ.
Апробация и публикации результатов работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 6 научно-технических конференциях:
Международная научно-практическая конференция "Компьютеры. Программы. Интернет. 2003", - Киев, 2003 г.; VII, VIII, X Всероссийские научно-технические конференции "Методы и средства измерений физических величин", Нижний Новгород, 2003, 2004 г.;
I и II Всероссийская научно-техническая конференция "Современные промышленные технологии", Нижний Новгород, 2004 г.;
По содержанию и результатам работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 5 статей в центральных журналах. Одна статья принята в печать.
Получен патент на изобретение № 2229124 МІЖ G01N30/86. Получено решение о выдаче патента.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержание которых изложено на 153 страницах, содержит 34 рисунка, 16 таблиц, список литературы, включающий 123 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, а также приложения.
Содержание работы.
В первой главе проведен анализ состава, структуры, режимов работы технических средств формирования и обработки информации современного жидкостного хроматографа оснащенного спектрофотометрическим детектором, на основании которого выбраны пути совершенствования спектрофотометрических детекторов и сформулированы решаемые в работе задачи.
Во второй главе диссертационной работы проанализированы варианты формирования и предварительной обработки хроматографической информации средствами ЭК СФД, систематизированы предъявляемые к ним требования, проведена разработка математической модели формирования хроматографической информации и методики выделения информативных хроматографических пиков. Получены базовые расчетные выражения.
В третьей главе проведена разработка методики определения параметров узлов и блоков ЭК СФД, включающей в себя рекомендуемую последовательность их расчета, структурные схемы ЭК СФД с одним и двумя приемниками оптического излучения, а так же формулы и алгоритмы определения параметров и режимов работы основных функциональных узлов прибора.
В четвертой главе рассмотрены вопросы практической реализации электронного канала СФД. Разработаны алгоритмы формирования и предварительной обработки хроматографической информации средствами ЭК СФД в одно- и многоволновом режиме для детекторов с одним и двумя
ПОИ, схемы технических средств, алгоритмы основной управляющей программы и необходимых подпрограмм. Для предложенных алгоритмов определены требования к производительности вычислительно-управляющего устройства детектора и необходимому объему оперативной памяти. Разработан макетный образец ЭК СФД примененный для модернизации микроколоночного жидкостного хроматографа «Милихром-4» и проведены его испытания. Приведена программная реализация предложенной методики расчета параметров информативных хроматографических пиков. Полученные результаты, отраженные в актах испытаний, подтвердили эффективность и работоспособность предложенных теоретических положений.
Заключение содержит результаты диссертационной работы.
В приложениях представлены акты испытаний разработанного на базе результатов исследования макетного образца ЭК СФД и программы предварительной обработки хроматографической информации «Х-Моделист v.2.0», а также документы, подтверждающие внедрение основных результатов работы.
Анализ функционирования и классификация фотометрических детекторов используемых для ВЭЖХ
Принцип действия фотометрических детекторов основан на сравнении поглощения света определенной длины волны в видимой или ультрафиолетовой области чистым элюентом и элюентом содержащем в своем составе компоненты исследуемой смеси. Физической основой детектирования является закон светопоглощения Ламберта-Бугера-Бера, описывающий поглощение света в проточной ячейке в зависимости от концентрации вещества [73].
На разных длинах волн вещество имеет различную оптическую плотность, что обусловлено особенностями его строения. Зависимость оптической плотности вещества от длины волны падающего светового потока называют спектром поглощения, который выражается через изменение величины молярного коэффициента экстинкции на разных длинах волн. Спектры поглощения индивидуальны для каждого вещества, так как каждый атом и молекула имеет свой уникальный спектр. Ультрафиолетовые спектры поглощения растворов сглажены и имеют широкие полосы поглощения, однако их получение необходимо с целью определения оптимальной длины волны для проведения анализа. Так же в ряде методик анализа состава веществ методом ВЭЖХ спектры поглощения используют в качестве дополнительной информации, на основании которой производиться подтверждение идентификации компонентов смеси.
Приведенные на рисунке 1.3 примеры спектров поглощения показывают, что для любого вещества, поглощающего в определенной области спектра, существует длина волны, при которой оно имеет максимальное поглощение, а так же длины волн, на которых его оптическая плотность практически не отличается от оптической плотности подвижной фазы. При проведении анализа на длине волны, соответствующей максимальному поглощению компонента, прибор имеет наименьший предел детектирования, поэтому во многих случаях для достоверного определения различных компонентов вещества необходимо проводить анализ на нескольких длинах волн — многоволновое детектирование.
В качестве приемника излучения в фотометрических детекторах используют фотоэлектронные умножители (ФЭУ), одиночные фотодиоды и фотодиодные матрицы. Фотоэлектронный умножитель - электровакуумный прибор, преобразующий оптическое излучение в электрический сигнал, с последующим его усилением [1]. Фотодиод - полупроводниковый прибор, содержащий две области с различными типами проводимости, образующие область объемного заряда, в которых преобразование оптического излучения в электрический сигнал основано на внутреннем фотоэффекте. Фотодиодная матрица представляет собой набор комплиментарных фотодиодов, выполненных на общей подложке в едином технологическом цикле [57]. Применение фотодиодных матриц позволят производить регистрацию интенсивности светового потока одновременно на нескольких длинах волн.
Электронный канал фотометрического детектора предназначен для формирования хроматографической информации на основании сравнения интенсивности световых потоков рабочего и опорного каналов. Основными блоками электронного канала в общем случае являются - усилитель сигнала ПОИ, фильтр и устройство преобразования сигнала в форму пригодную для дальнейшей обработки. Требования к узлам электронного канала определяются исходя из общих требований к детектору и особенностей используемой оптико-механической схемы.
Детекторы с фиксированной длиной волны являются наиболее простыми и дешевыми фотометрическими детекторами. Они широко применяются в составе приборов предназначенных для массовых анализов. Длина волны, на которой производится измерение, определяется физическими свойствами лампы используемой в источнике излучения. Большинство УФД в качестве источника излучения используют ртутные лампы низкого давления. В этом случае детектирование производится на длине волны 254 нм, которой соответствует 90% излучения источника[73]. Основным недостатком УДФ является невозможность проведения анализа на длинах волн, отличных от длины волны источника излучения. Для проведения анализов на разных длинах волн требуется замена источника излучения [71, 73].
В фильтровых фотометрах для задания длины волны, на которой производится анализ, применяются светофильтры, пропускающие свет источника только в определенной спектральной полосе. Ширина полосы зависит от типа применяемого светофильтра. В фильтровых фотометрах применяют как широкополосные интерференционные светофильтры с шириной полосы пропускания около 10 нм, так и узкополосные светофильтры, ширина полосы пропускания которых составляет 1...2 нм. В качестве источника излучения в ФУФД могут использоваться как источники линейчатого спектра (ртутные, цинковые, кадмиевые лампы), так и источники излучения, дающие непрерывный спектр, например дейтериевая лампа. Выбор длины волны, на которой проводится анализ, осуществляется путем смены светофильтров. Она может выполняться как оператором вручную, так и автоматически. В последнем случае существует возможность производить многоволновую запись хроматограмм, но только на длинах волн соответствующих полосам пропускания используемых светофильтров, что сокращает область применения подобного прибора. Получение спектра анализируемого вещества на ФУФД невозможно [71, 73].
Определение требований к шумовым параметрам блоков ЭК СФД
Одной из основных характеристик СФД является уровень флуктуационных шумов нулевого сигнала в определенном диапазоне значений оптической плотности. На его основе могут быть сформулированы требования к максимально допустимому уровню флуктуационных шумов и параметрам функциональных узлов и блоков ЭК СФД.
Математической основой формирования хроматографической информации средствами ЭК СФД является закон Ламберта-Бугера-Бера. С учетом представления входного сигнала ЭК в виде суммы информационной и шумовой составляющих, на основе выражений (1.3) и (2.6), значение оптической плотности может быть представлено в виде: где U0 - значение полезного сигнала опорной кюветы; иош - амплитуда шумов сигнала опорной кюветы; Up - значение полезного сигнала рабочей кюветы; иРШ - амплитуда шумов сигнала рабочей кюветы; Так как в СФД используется либо один, либо два комплиментарных ПОИ [73], следовательно, можно считать максимальные амплитудные значения шумового сигнала для опорной и рабочей кювет одинаковыми, максимально возможный уровень шумов выходного сигнала будет в случае, если: иош=-иРШ=иш (2.10)
Для получения достоверного результата при использовании цифровых методов обработки информации необходимо исходный аналоговый сигнал преобразовать в цифровую форму без искажения информационной составляющей сигнала. Минимально допустимое значение частоты дискретизации аналогово-цифрового преобразования определяется по теореме Котельникова, из условия, что для точного восстановления непрерывного по времени сигнала по его отсчетам, частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше максимальной частоты данного сигнала [23, 30]. В хроматографии информативная составляющая сигнала поступающего с ПОИ является инфранизкочастотной, поэтому, необходимая частота дискретизации АЦП обычно выбирается исходя из выполнения требований к частоте дискретизации электронного канала, при условии выполнения требований теоремы Котельникова - /и /д/2, где /„ - частота информативной составляющей сигнала, /д - частота дискретизации.
Спектр сигнала, дискретизированного с использованием идеализированной модели аналого-цифрового преобразования, равен сумме бесконечного числа спектров исходного непрерывного сигнала (отражений), сдвинутых относительно друг друга на частоту дискретизации. Отражения появляются на частотах равных [45]: f = \±K-fs±fa\ (2.20), где К = 1,2,3...; fs - частота дискретизации; fa - частота исходного сигнала.
При наличии в исходном сигнале побочных составляющих (шумов и помех) с частотами выше половины частоты дискретизации их отражения попадают в первую зону Найквиста, вызывая паразитные частотные компоненты в дискретизированном сигнале. Таким образом, при дискретизации сигнала происходит свертка первоначального спектра аналогового сигнала вовнутрь полосы частот от 0 Гц до частоты Найквиста. Данное явление, называемое наложением спектра (aliasing), вызывает необходимость удаления из спектра обрабатываемого сигнала всех частот выше частоты Найквиста.
Решение этой задачи требует технических средств, минимально искажающих сигнал нижних частот, при исключении высокочастотных составляющих - фильтров нижних частот (ФНЧ) с частотой среза определяемой частотой дискретизации. Для реализации фильтров необходимо использовать LRC-цепи [88]. При этом для ФНЧ нужны большие индуктивности, которые сложны в изготовлении и обладают плохими электрическими характеристиками. Для исключения необходимости применения индуктивностей для фильтрации сигналов в низкочастотном диапазоне используют RC-схемы с активными элементами, например операционными усилителями - активные фильтры. Характеристики активных фильтров могут быть оптимизированы по различным критериям -параметрам во временной или частотной областях, качеству отработки ступенчатого сигнала и т.д. При этом для удовлетворения определенным критериям оптимизации, коэффициенты передаточной характеристики должны иметь строго определенные значения [88, 92], на основании которых можно выделить несколько основных типов ФНЧ, переходные характеристики которых приведены на рисунке 1 - фильтр с критическим затуханием, 2 - фильтр Бесселя, 3 - фильтр Баттерворта, 4 - фильтр Чебышева с неравномерностью 0,5 дБ, 5 - фильтр
Чебышева с неравномерностью 3 дБ. При обработке хроматографической информации по времени задержки и относительному перерегулированию существенными преимуществами перед другими типами фильтров обладает фильтр Бесселя, имеющий оптимальную переходную характеристику во временной области [45, 88, 90, 91]. Причиной этого является пропорциональность фазового сдвига выходного сигнала частоте входного сигнала. Переходный процесс для фильтра Бесселя практически не имеет колебаний.
Значения времени задержки и ослабления помехи для фильтров Бесселя различных порядков, приведенные в таблице 2.1 [88, 90, 92] показывают, что эффективность фильтра Бесселя растет с увеличением его порядка, однако при этом происходит увеличение времени задержки, что ухудшает динамические характеристики системы. Также увеличение порядка фильтра Бесселя, начиная с четвертого приводит к затуханию колебаний переходного процесса.
Выбор типа и параметров ЕД-АЦП
Основными исходными данными при выборе марки ЕД-АЦП являются необходимое количество входных каналов, эффективная разрядность выходного кода АЦП и частота следования отчетов. Учитывая, что физической основой детектирования при использовании СФД, является вычисление отношений световых потоков опорной и рабочей кювет, целесообразным является одновременная регистрация интенсивности световых потоков рабочего и опорного каналов, что позволяет компенсировать случайные изменения в геометрии и интенсивности светового потока источника излучения.
Структурная схема двухканального ЕА-АЦП [104] В детекторах, использующих один ПОИ, регистрация интенсивности световых потоков опорного и рабочего каналов осуществляется последовательно, при механическом перенаправлении светового потока специальным зеркалом-модулятором, поэтому в приборах данного типа достаточно одноканального ЕЛ-АЦП.
Исходными данными для выбора частоты следования отсчетов АЦП являются необходимая частота дискретизации выходного сигнала ЭК и тип используемой оптико-механической схемы. Минимально допустимые значения частот следования отсчетов для детекторов использующих один и два ПОИ могут быть определены по выражениям (2.27) и (2.28) соответственно.
При проведении исследований, результаты которых приведены в п.2.4, установлено, что в детекторах использующих отдельные приемники оптического излучения для опорного и рабочего каналов подавление сетевой помехи при формировании хроматографической информации в одноволновом режиме целесообразно производить с помощью цифрового фильтра входящего в состав ЕД-АЦП. Он обладает эффективными помехоподавляющими свойствами в диапазонах частот соответствующих ее наиболее интенсивным гармоникам, при условии кратности частоты режекции частоте питающей сети [30, 41]. Например, цифровой фильтр, входящий в состав АЦП AD7714 (производство Analog Devices, США) при частоте следования отсчетов 10, 25 или 50 Гц обеспечивает подавление сетевой помехи, не менее чем на 150 дБ [103]. Такой уровень подавления сетевой помехи является достаточным для формирования хроматографической информации с эффективной разрядностью 24 бита.
Ступенчатое изменение входного сигнала АЦП, возникающее при смене длины волны в многоволновом режиме и перенаправлении светового потока в детекторах с одним ПОИ, вызывает переходные процессы в узлах и блоках ЭК. Частоту смены длин волн и модуляции светового потока выбирают исходя из указанной в задании на проектирование частоты дискретизации хроматографического сигнала и технических параметров оптико-механического блока.
Для узлов ЭК СФД время установления выходного сигнала с допустимой погрешностью может быть определено на основе анализа их передаточных функций. При выполнении теоретических исследований в рамках второй главы был проведен подобный анализ для фильтра Бесселя, который по результатам проведенных теоретических исследований рекомендовано использовать для устранения эффекта наложения спектров. Данные, позволяющие определить время установления выходного сигнала фильтра Бесселя 2-8 порядков с заданной погрешностью, приведены в п. 2.3 (рисунок 2.5). Как отмечалось выше, особенностью SA-АЦП является непрерывность аналого-цифрового преобразования, поэтому для получения достоверной хроматографической информации, необходимо исключить из дальнейшей обработки отсчеты АЦП, соответствующие моментам смены длин волн (переключения модулятора) и вызываемыми им переходным процессам. Длительность переходных процессов цифрового фильтра ПА-АЦП при скачкообразном изменении входного сигнала составляет 4 периода частоты следования отчетов (3 при начальном обнулении фильтра) [43, 103].
1. Исходя из заданной в техническом задании на проектирование ЭК СФД частоты дискретизации хроматографической информации и технических параметров оптико-механического блока необходимо определить частоту смены длин волны/переключения модулятора;
2. На основании анализа передаточных функций ПОИ, усилителя и ФНС определить максимальную суммарную длительность tm переходных процессов данных блоков при ступенчатом изменении освещенности ПОИ;
На основании проведенного анализа установлено, что в СФД, использующем отдельные ПОИ для рабочего и опорного каналов, необходим двухканальный ЕД-АЦП с независимыми SA-модуляторами и цифровыми фильтрами для каждого из каналов, а детекторах с одним ПОИ -одноканальный ЕД-АЦП. Определены требования к разрядности АЦП и частоте следования отсчетов при работе СФД в одно- и многоволновом режиме. 3.3 Выбор параметров фильтра наложения спектров.
При проведении исследований методов и средств фильтрации наложения спектров установлено, что наиболее подходящим устройством для устранения эффекта наложения спектров в информации формируемой ЭК СФД является активный фильтр с передаточной характеристикой Бесселя. При этом обеспечиваемое им ослабление высокочастотной составляющей на половине частоте дискретизации АЦП должно быть не менее 20-1( (1/2 ) дБ, где N - эффективная разрядность выходного сигнала электронного канала определяемая по выражению (2.25).
Выбор порядка и частоты среза фильтра наложения спектров осуществляется исходя из динамических характеристик ЭК СФД, эффективной разрядности выходного сигнала ЭК и параметров АЦП. Проведенные исследования показали целесообразность использовать ZA-АЦП для преобразования сигнала ПОИ в цифровой код. АЦП данного типа использует более высокую частоту дискретизации входного сигнала, что позволяет снизить требования к уровню подавления высокочастотной составляющей средствами фильтра наложения спектров.
Анализ вариантов схемотехнической и конструкторской реализации показал, что ФНС входящий в состав ЭК СФД может быть реализован как на дискретных элементах, так и с использованием интегральных схем (ИС) [16]. Для реализации фильтров высокого порядка на дискретных элементах необходимо большое количество прецизионных компонентов, которые занимают существенную площадь на печатной плате, что снижает помехоустойчивость схемы. Следовательно, для исключения снижения помехоустойчивости ЭК СФД, целесообразно реализовать ФНС с использованием интегральных схем.
Определение параметров макетного образца ЭК СФД и результаты испытаний
На базе результатов исследования, используя предложенные методики, разработан макетный образец ЭК СФД, примененный для модернизации микроколоночного жидкостного хроматографа «Милихром-4», заводской номер № 1309, эксплуатируемого на кафедре ПТЭиВС. Электрическая принципиальная схема разработанного макетного образца ЭК СФД приведена на рисунке 4.9, основные расчетные характеристики в таблице 4.1 [103,105,106,116].
При проведении анализа параметров детекторов ВЭЖХ было установлено, что основными параметрами детектора являются: чувствительность, предел детектирования, линейность, воспроизводимость и стабильность работы. Чувствительность СФД зависит от свойств и режима работы ПОИ, уровня флуктуационных шумов и величины младшего значащего разряда АЦП ЭК. Расчетный уровень флуктуационных шумов составляет 5-Ю"5, чему соответствует 21 разряд АЦП. Примененное АЦП AD7714 имеет запас по величине младшего значащего разряда, следовательно, чувствительность ЭК СФД определяется параметрами ПОИ и уровнем флуктуационных шумов.
Проведен анализ линейности разработанного макетного образца ЭК СФД. Основными элементами, которые могут оказать существенное влияние на линейность электронного канала являются фильтр наложения спектров и АЦП.
Микросхема фильтра наложения спектров МАХ274 благодаря ее аналоговой структуре является полностью линейной [116]. Алгоритмы, применяемые для дальнейшей обработки преобразованного в цифровую форму сигнала ПОИ, также линейны. Таким образом, общая нелинейность характеристики аппаратно-программных средств, разработанного ЭК СФД, равна нелинейности характеристики аналого-цифрового преобразователя. Воспроизводимость результатов при вводе серии одинаковых проб в хроматограф зависит от работы многих блоков хроматографа — системы подачи подвижной фазы, хроматографической колонки, ПОИ, ЭК и т.д. Стабильность работы прибора может быть оценена по относительному среднеквадратичному отклонению результатов в различных условиях.
Оценку параметров электронного канала СФД целесообразно производить в первую очередь по уровню флуктуационных шумов, так как их величина влияет на основные параметры детектора в целом — чувствительность и предел детектирования. Методика испытаний разработанного макетного образца с целью определения основных параметров приведена в приложении Б, результаты испытаний макетного образца - в таблице 4.2. Приведенные в таблице 4.2 результаты подтверждены актом испытаний (Приложение Б).
На основе проведенного сравнительного анализа параметров отечественных и зарубежных спектрофотометров установлено, что по уровню флуктуационных шумов разработанный ЭК СФД приблизительно в 4 раза превосходит существующие приборы, использующие 1 приемник оптического излучения, а при работе без модуляции световых потоков он обеспечивает уровень флуктуационных шумов меньший, чем отечественные и зарубежные аналоги. В целом, приведенные в таблице 4.3 данные показывают, что детектор, использующий разработанный на базе результатов исследования макетный образец электронного канала по основным параметрам не уступает отечественным и зарубежным аналогам, при этом обеспечивая меньший уровень флуктуационных шумов и дрейфа.
Проведены испытания на чувствительность прибора (проба антрацен в ацетонитриле, концентрация 10"9), которые подтвердили, что реализация в аппаратно-программных средствах ЭК СФД предложенных в рамках диссертационного исследования методик и алгоритмов обеспечивает повышение предела детектирования прибора (рисунок 4.10), что позволяет сделать вывод о повышении достоверности результатов анализа в целом.
Данные, полученные по результатам испытаний, позволяют сделать вывод, что модернизация используемого на кафедре ПТЭиВС микроколоночного жидкостного хроматографа «Милихром-4» макетным образцом ЭК СФД, разработанным на основе положений диссертационного исследования, позволяет повысить предел детектирования, за счет снижения в 4 раза уровня флуктуационных шумов.
Разработанная при проведении диссертационного исследования методика расчета параметров информативных хроматографических пиков на фоне шумов, наложений и частичных искажений реализована в программе предварительной обработке хроматограмм "Х-Моделист v.2.0" [61]. Данная программа позволяет разделять группы наложившихся пиков и определять их информативные параметры путем построения математической модели каждого из них.
Основой используемого в программе алгоритма, является предложенная в рамках диссертационного исследования методика расчета информативных параметров хроматографических пиков. При этом решение составляемой при определении параметров математической модели системы уравнений осуществляется комбинацией методов Ньютона-Канторовича [10] и Хука-Дживса [5]. Начальные приближения вычисляются исходя из времен удерживания и высот пиков.
Одной из особенностей данной программы является возможность использования "комбинированного режима", для повышения точности воспроизведения расчетной кривой формы экспериментальной кривой. В этом режиме на основании математического моделирования определяются отсчеты мгновенных значений каждого из пиков на всех участках группы неразделенных пиков, кроме внешних (рисунок 3.7, участки IB, 2Н).
