RU190128U1

RU190128U1 - FURIER SPECTROMETER SIMULATOR

Info

Publication number: RU190128U1
Application number: RU2019103579U
Authority: RU
Inventors: Вадим Аскерович Вагапов; Владимир Витальевич Рыбалко
Original assignee: Автономная некоммерческая организация высшего образования "Российский новый университет" (АНО ВО "РосНОУ")
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2019-06-21

Abstract

Полезная модель относится к учебной технике и предназначена для приобретения компетенций в области изучения химического и элементного состава материалов методом ИК спектроскопии. Тренажер фурье-спектрометра содержит программную компоненту, устройство вывода и блок данных, выполненный с возможностью занесения, хранения и извлечения данных, позволяющий с помощью ПК производить анализ спектров, также содержит трехсекционный корпус с полупрозрачными крышками каждой секции, три светодиодные ленты, размещенные по одной в нижней части каждой из секций, три полупрозрачных пленки, несущие изображения внутреннего устройства секций и размещенные каждая в своей секции параллельно плоскостям полупрозрачных крышек в промежутке между соответствующей крышкой и светодиодной лентой, модуль эмуляции юстировки неподвижного зеркала, двухуровневый датчик давления, узел размещения держателя образца с контактным датчиком наличия держателя образца и контроллер, при этом первый вход контроллера электрически связан с выходом модуля эмуляции юстировки неподвижного зеркала, второй вход контроллера - с первым выходом датчика давления, а третий вход - со вторым выходом датчика давления, также четвертый вход контроллера электрически связан с контактным датчиком наличия держателя образца узла размещения держателя образца, кроме того, первый, второй и третий выходы контроллера электрически связаны, соответственно, с первой, второй и третей светодиодными лентами, с компьютером контроллер связан посредством USB-порта. Техническй результат заключается в создании устройства, позволяющего эмулировать процедуру и режимы спектральных исследований в отсутствии реальных образцов. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.The utility model relates to educational technology and is designed to acquire competencies in the field of studying the chemical and elemental composition of materials by the method of IR spectroscopy. The Fourier spectrometer simulator contains a software component, an output device and a data block, which is capable of recording, storing and extracting data, allowing a PC to analyze the spectra, also contains a three-section case with translucent covers of each section, three LED strips placed one the bottom of each section, three semi-transparent films that carry images of the internal structure of the sections and placed each in its section parallel to the planes of the semi-transparent covers in industrial to the eel between the corresponding cover and the LED strip, stationary mirror adjustment emulation module, two-level pressure sensor, sample holder placement unit with contact sensor sample presence sensor and controller, the first controller input is electrically connected to the output of the stationary mirror adjustment emulation module, the second controller input - with the first output of the pressure sensor, and the third input - with the second output of the pressure sensor, also the fourth input of the controller is electrically connected to the contact sensor In addition to the sample holder of the sample holder placement unit, in addition, the first, second and third outputs of the controller are electrically connected to the first, second and third LED strips, respectively, the controller is connected to the computer via a USB port. The technical result is to create a device that allows to emulate the procedure and modes of spectral studies in the absence of real samples. 2 hp ff, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области технических средств обучения и предназначена для проведения лабораторных работ и приобретения студентами практических навыков работы с ИК-спектрометрами, принцип работы которых основан на интерферометрии с преобразованием Фурье.The utility model relates to the field of technical teaching aids and is intended for laboratory work and the acquisition by students of practical skills in working with IR spectrometers, the principle of which is based on interferometry with Fourier transform.

Аналогом заявленного устройства является ИК-спектрометр ФСМ (http://specs.nt-rt.ru/images/manuals/TH_infr_spect.pdf; http://techob.ru/katalog/katalog-priborov/spektralnyie-analizatoryi/4.6.-ik-fure-spektrometryi.html), состоящий из 3-х секционного корпуса, генератора ИК-излучения, набора отражающих полупрозрачных зеркал, узла юстировки неподвижного зеркала, электромеханического привода, держателя образцов, преобразователя ИК-излучения и программного обеспечения, загруженного в ПК.The analogue of the claimed device is an infrared spectrometer FSM (http://specs.nt-rt.ru/images/manuals/TH_infr_spect.pdf; http://techob.ru/katalog/katalog-priborov/spektralnyie-analizatoryi/4.6.- ik-fure-spektrometryi.html), consisting of a 3-section body, an IR radiation generator, a set of reflective translucent mirrors, a stationary mirror adjustment unit, an electromechanical drive, a sample holder, an IR radiation converter and software loaded into a PC.

Недостатком аналога является его низкая устойчивость к неквалифицированной эксплуатации, что снижает эффективность использования устройства в учебном процессе, где низкая квалификация студентов и отсутствие навыков работы с прецизионным спектроскопическим оборудованием, неминуемо приводят к быстрому выходу из строя этого самого оборудования. Кроме того, конструктивные особенности спектрометрической схемы затрудняют демонстрацию внутреннего устройства прибора студентам, что в свою очередь снижает эффективность процесса подготовки студентов и усложняет его.The disadvantage of the analog is its low resistance to unskilled operation, which reduces the efficiency of using the device in the educational process, where the low qualification of students and the lack of skills to work with precision spectroscopic equipment inevitably lead to a rapid failure of this equipment. In addition, the design features of the spectrometric scheme make it difficult to demonstrate the internal structure of the device to students, which in turn reduces the efficiency of the student preparation process and complicates it.

Другим аналогом является Аппаратно-программный учебный комплекс (Пат. РФ 70 394 от 24.08.2007 г., G09B 5/00), включающий набор информационно-коммутационных элементов, обеспечивающих расширение функциональных возможностей интерактивного учебного процесса.Another analogue is the hardware-software training complex (US Pat. RF 70 394 of August 24, 2007, G09B 5/00), which includes a set of information and switching elements that extend the functionality of the interactive educational process.

Недостатком аналога является отсутствие возможности реализовывать процессы исследования свойств учебных образцов.The disadvantage of analog is the lack of ability to implement the processes of research of the properties of educational samples.

Прототипом заявленного технического решения, лишенным недостатков аналога, является эмулированный анализатор оптического спектра (Пат. РФ 117178, приор. 23.11.2011 г., G01J 3/30), который включает образец исследуемого вещества, корпус, программную компоненту, устройство вывода и блок данных, выполненный с возможностью занесения, хранения и извлечения данных, позволяющий с помощью ПК производить на устройстве вывода сравнение спектрограмм исследуемого вещества с эталонной спектрограммой.The prototype of the claimed technical solution, devoid of the shortcomings of the analogue, is an emulated optical spectrum analyzer (US Pat. 117178, prior. November 23, 2011, G01J 3/30), which includes a sample of the analyte, the housing, the software component, the output device and the data block , made with the possibility of recording, storing and extracting data, allowing using a PC to make on the output device a comparison of the spectrograms of the analyte with the reference spectrogram.

Недостатком прототипа является невозможность обеспечить высокую эффективность и простоту обучения студентов работе на спектрометре из-за отсутствия возможности имитировать режимы фурье-спектральных исследований в отсутствии реальных образцов, кроме того, ознакомить обучающихся с внутренним устройством аппарата без его демонтажа, а также фиксировать методические ошибки студентов в процессе выполнения лабораторных работ.The disadvantage of the prototype is the inability to ensure high efficiency and ease of teaching students to work on the spectrometer due to the lack of ability to simulate the modes of Fourier-spectral studies in the absence of real samples, in addition, to familiarize students with the internal structure of the device without dismantling it, as well as to fix methodological errors of students in the process of performing laboratory work.

Задачей данной полезной модели является создание устройства, позволяющего эмулировать процедуру и режимы спектральных исследований в отсутствии реальных образцов, ознакомить обучающихся с внутренним устройством аппарата без его демонтажа, фиксировать методические ошибки обучающихся в процессе выполнения лабораторных работ.The task of this utility model is to create a device that allows to emulate the procedure and modes of spectral studies in the absence of real samples, to familiarize students with the internal device of the device without dismantling it, to fix the methodological errors of students in the process of performing laboratory work.

Ожидаемым техническим результатом использования заявленной полезной модели является повышение эффективности и упрощение процесса подготовки студентов. Тренажер фурье-спектрометра имеет высокую эффективность при его использовании в процессе обучения студентов благодаря тому, что программно-аппаратная часть делает возможным проводить исследования виртуальных образцов, относящихся к самым разнообразным направлениям подготовки специалистов (материаловедение, химия, криминалистика, медицина и т.д.) и при этом фиксировать ошибки, допущенные обучающимися в процессе выполнения лабораторных (учебных) работ. При этом конструктив тренажера позволяет просто демонстрировать внутреннее устройство спектрометра, не подвергая тренажер риску быть выведенным из строя.The expected technical result of using the claimed utility model is to increase the efficiency and simplify the process of preparing students. The simulator of the Fourier spectrometer has high efficiency when used in the process of teaching students due to the fact that the hardware-software part makes it possible to conduct studies of virtual samples relating to the most diverse areas of specialist training (materials science, chemistry, criminology, medicine, etc.) and at the same time record the mistakes made by students in the process of performing laboratory (training) work. In this case, the constructor of the simulator allows you to simply demonstrate the internal structure of the spectrometer, without exposing the simulator to the risk of being disabled.

Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, включающее программную компоненту, устройство вывода и блок данных, выполненный с возможностью занесения, хранения и извлечения данных, позволяющий с помощью ПК производить анализ спектров, введены трех-секционный корпус с полупрозрачными крышками каждой секции, три светодиодные ленты, размещенные по одной в нижней части каждой из секций, три полупрозрачных пленки, несущие изображения внутреннего устройства секций и размещенные каждая в своей секции параллельно плоскостям полупрозрачных крышек в промежутке между соответствующей крышкой и светодиодной лентой, модуль эмуляции юстировки неподвижного зеркала, двухуровневый датчик давления, узел размещения держателя образца с контактным датчиком наличия держателя образца и контроллер, при этом первый вход контроллера электрически связан с выходом модуля эмуляции юстировки неподвижного зеркала, второй вход контроллера с первым выходом датчика давления, а третий вход со вторым выходом датчика давления, также четвертый вход контроллера электрически связан с контактным датчиком наличия держателя образца узла размещения держателя образца, кроме того, первый, второй и третий выходы контроллера электрически связаны, соответственно, с первой, второй и третей светодиодными лентами, с компьютером контроллер связан посредством USB-порта; кроме того, по п. 2 устройство вывода и блок данных выполнены в виде монитора и винчестера компьютера, соответственно; также по п. 3 модуль эмуляции юстировки неподвижного зеркала выполнен в виде соосно расположенных сильфона, ИК излучающего диода на подвижной платформе и фототранзистора на неподвижной платформе, механически соединенных шаровой опорой, упирающейся в гнездо, и регулировочных стоек с регулировочными винтами, причем выходом узла, электрически соединенным с входом контроллера, являются контакты фототранзистора.The technical result is achieved due to the fact that in a known device, including a software component, an output device and a data block, made with the possibility of recording, storing and retrieving data, allowing using a PC to analyze the spectra, a three-sectional housing with translucent covers of each section is inserted , three LED strips placed one in the lower part of each of the sections, three translucent films carrying images of the internal device of the sections and placed parallel in each section on the planes of translucent covers in the gap between the corresponding cover and the LED strip, the stationary mirror adjustment emulation module, two-level pressure sensor, sample holder placement unit with contact sensor sample presence sensor and controller, the first controller input is electrically connected to the stationary mirror adjustment emulsion output , the second input of the controller with the first output of the pressure sensor, and the third input with the second output of the pressure sensor, also the fourth input of the controller electric It is connected with the contact sensor of the sample holder of the sample holder housing; in addition, the first, second and third outputs of the controller are electrically connected to the first, second and third LED strips, respectively; the controller is connected to the computer via a USB port; in addition, according to claim 2, the output device and the data block are made in the form of a monitor and a computer hard drive, respectively; Also according to p. 3, the stationary mirror adjustment emulation module is made in the form of coaxially arranged bellows, an infrared emitting diode on a movable platform and a phototransistor on a stationary platform, mechanically connected by a spherical support abutting the socket, and adjustment racks with adjusting screws, the node output electrically connected to the controller input, are the contacts of the phototransistor.

Совокупность заявляемых признаков позволяет повысить эффективность процесса подготовки студентов при одновременном упрощении этого процесса.The combination of the claimed features allows to increase the efficiency of the process of preparing students while simplifying this process.

Заявляемое техническое решение обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, и обеспечивает достижение заявленного технического результата.The claimed technical solution has a novelty, differing from the prototype of the above listed features, and ensures the achievement of the stated technical result.

Тренажер фурье-спектрометра может найти широкое применение в средних и высших учебных заведениях технического профиля в качестве учебно-лабораторного оборудования для изучения физико-химических методов исследования состава газо-, жидко- и твердофазных материалов применительно к различным направлениям подготовки специалистов (материаловеды, технологи, механики, химики-аналитики, биологи, криминалисты и проч.). При подготовке специалистов использование тренажера наиболее оправданно, так как резко упрощает процедуры знакомства с конструктивными особенностями устройства фурье-спектрометра и освоение методик работы на нем при исследовании различных по фазовому и химическому составу образцов. Отсутствие необходимости иметь большой набор физических образцов увеличивает эффективность предлагаемой полезной модели, позволяя готовить специалистов в различных областях деятельности.A Fourier spectrometer simulator can be widely used in secondary and higher technical education institutions as teaching and laboratory equipment for studying physico-chemical methods for studying the composition of gas, liquid and solid-phase materials in relation to various areas of specialist training (materials scientists, technologists, , analytical chemists, biologists, criminologists, etc.). When training specialists, the use of a simulator is most justified, since it dramatically simplifies the procedures for familiarizing with the design features of a Fourier spectrometer device and mastering the methods of work on it in the study of samples of different phase and chemical composition. No need to have a large set of physical samples increases the effectiveness of the proposed utility model, allowing you to train specialists in various fields of activity.

Полезная модель поясняется эскизами, на которых представлено:The utility model is illustrated with sketches, which represent:

Фиг. 1. - Общая схема корпуса;FIG. 1. - General scheme of the case;

Фиг. 2. - Структурная схема тренажера;FIG. 2. - Block diagram of the simulator;

Фиг. 3. - Схема по примеру реализации модуля эмуляции юстировки неподвижного зеркала.FIG. 3. - Scheme according to the example of the implementation of the fixed mirror adjustment emulation module.

На фигурах отмечены:On the figures marked:

1 - трех секционный корпус, 2 - полупрозрачная крышка, 3 - светодиодная лента, 4 - полупрозрачная пленка с изображением внутреннего устройства соответствующей секции, 5 - модуль эмуляции юстировки неподвижного зеркала, 6 - двухуровневый датчик давления, 7 - узел размещения держателя образца с контактным датчиком наличия держателя образца в узле, 8 - контроллер, 9 - персональный компьютер (ПК), 10 - неподвижная платформа, 11 - подвижная платформа, 12 - стойка шаровой опоры, 13 - гнездо шаровой опоры, 14 - регулировочные стойки, 15 - регулировочные винты, 16 - сильфон, 17 - ИК излучающий диод, 18 - фототранзистор.1 - three sectional housing, 2 - translucent cover, 3 - LED strip, 4 - translucent film with the image of the internal device of the corresponding section, 5 - stationary mirror adjustment emulation module, 6 - two-level pressure sensor, 7 - sample holder placement unit with contact sensor the presence of the sample holder in the assembly, 8 is the controller, 9 is a personal computer (PC), 10 is a fixed platform, 11 is a movable platform, 12 is a ball stand, 13 is a ball socket, 14 is an adjusting stand, 15 is an adjusting screw, 16 - Sylph n 17 - IR emitting diode 18 - phototransistor.

Тренажер работает следующим образом: для предварительного ознакомления студентов с устройством тренажера на расположенные в секциях корпуса 1 полупрозрачные крышки 2 проецируются с помощью светодиодных лент 3 изображения конструктивов секций, нанесенных, например, фотографическим способом, на полупрозрачные пленки 4. Для этого на входы лент 3 подается питание с выходов 1, 2 и 3 контроллера 8, инициирующее свечение лент 3. Далее осуществляется настройка тренажера, которая начинается с операции юстировки неподвижного зеркала. С этой целью с помощью регулировочных винтов 15 добиваются максимума выходного сигнала на выходе модуля 5 эмуляции юстировки неподвижного зеркала. Этот сигнал поступает на вход 1 контроллера 8. Анализ амплитуды указанного сигнала, поступающего через USB-порт контроллера 8, осуществляется с помощью ПК 9, например, в виде графика, выводимого на монитор, входящий в состав ПК 9. Если амплитуда полученного сигнала менее заранее заданного в программе ПК уровня, это фиксируется, как ошибка студента, допущенная при выполнении лабораторной работы. Далее начинают продувку внутренних пространств корпуса 1 рабочим газом, например, азотом, который поступает в корпус через двухуровневый датчик давления 6. При штатном давлении с выхода 1 датчика 6 на вход 2 контроллера 8 подается разрешающий сигнал. При превышении давления сверх нормы, на выходе 2 датчика 6 генерируется тревожный сигнал, поступающий на вход 3 контроллера 8. Этот сигнал поступает в ПК и фиксируется как ошибка студента, допущенная при выполнении лабораторной работы. Следующий этап предусматривает снятие спектра образца.The simulator works as follows: to preview students with the device of the simulator, translucent covers 2 located in body sections 1 are projected using LED strips 3 images of section constructions applied, for example, in a photographic way, onto translucent films 4. power from the outputs 1, 2 and 3 of the controller 8, initiating the glow of the ribbons 3. Next, the simulator is set up, which begins with the operation of aligning the fixed mirror. For this purpose, using adjustment screws 15, the output signal is output at the output of the stationary mirror adjustment emulation module 5. This signal is fed to the input 1 of the controller 8. Analysis of the amplitude of the specified signal coming through the USB port of the controller 8 is performed using PC 9, for example, in the form of a graph displayed on a monitor included in PC 9. If the amplitude of the received signal is less in advance specified in the PC program level, it is fixed, as a student error, made during the performance of laboratory work. Next, start purging the internal spaces of the housing 1 with a working gas, for example, nitrogen, which enters the housing through a two-level pressure sensor 6. When the pressure from output 1 of sensor 6 to input 2 of controller 8 is supplied, the enabling signal is given. When excess pressure is exceeded, at the output 2 of the sensor 6 an alarm signal is generated, which is fed to the input 3 of the controller 8. This signal enters the PC and is recorded as a student error made during the performance of laboratory work. The next stage involves the removal of the spectrum of the sample.

Для этого в узел 7 размещения держателя образца с контактным датчиком наличия держателя образца вставляют учебный образец. Если последний был вставлен не корректно, контактный датчик наличия держателя образца не сработает (не будет замкнут или разомкнут) и это состояние фиксируется как ошибка студента, допущенная при выполнении лабораторной работы. После того, как образец будет установлен правильно, с помощью программы, загруженной в ПК 9, начинают процедуру эмуляции спектральных исследований.For this purpose, an educational sample is inserted into the sample holder placement unit 7 with a contact sensor for the presence of the sample holder. If the latter was inserted incorrectly, the contact sensor of the sample holder will not work (will not be closed or open) and this state is fixed as a student error made during the performance of laboratory work. After the sample is installed correctly, using the program loaded in PC 9, the emulation procedure of the spectral studies is started.

Claims

1. The Fourier spectrometer simulator, which includes a software component, an output device, and a data block, which is capable of recording, storing and retrieving data, allowing a PC to analyze spectra, also contains a three-section case with translucent covers of each section, three LED strips placed one in the lower part of each of the sections, three translucent films that carry images of the internal device of the sections and placed each in its section parallel to the planes of the translucent covers in between the corresponding cover and the LED strip, the stationary mirror adjustment emulation module, a two-level pressure sensor, the sample holder placement unit with the contact sensor sample presence sensor and controller, the first controller input electrically connected to the output of the stationary mirror emulation module, the second controller input with the first output of the pressure sensor, and the third input - with the second output of the pressure sensor, also the fourth input of the controller is electrically connected to the contact sensor n The sample holder location of the sample holder, in addition, the first, second, and third outputs of the controller are electrically connected to the first, second, and third LED strips, respectively; the controller is connected to the computer via a USB port.

2. The Fourier spectrometer simulator according to claim 1, wherein the output device and the data block are made in the form of a monitor and a computer hard drive, respectively.

3. The Fourier spectrometer simulator according to claim 1, wherein the emulation module for adjusting the fixed mirror is designed as coaxially arranged bellows, an infrared emitting diode on a movable platform and a phototransistor on a fixed platform, mechanically connected by a ball bearing resting on the socket, and adjusting posts with adjusting screws, and the output of the node, electrically connected to the input of the controller, are the contacts of the phototransistor.