בקר הספק חכם לבקרת זרם אמיסייה בספקטרומטר מסות סופר-סוני

מאת: פרופסור אלי פלקסר

GC-MS היא טכנולוגיה המשלבת את התכונות של כרומטוגרפיה גזית וספקטרומטריית מסות לזיהוי חומרים שונים מתוך מדגם מורכב. יישומים של מערכת זו יכולים להיות: ניתוח אקולוגי, איתור סמים, חקר תרופות, וכן זיהוי של דגימות בלתי ידועות. ניתן להגדיל את הרגישות של המערכת, בסדר גודל, ע”י הוספת מרכיב סופר-סוני. המרכיב הסופר סוני דורש בקר אלקטרוני מורכב, רב תכליתי ומדויק. הבקר כולל מספר מרכיבים בהם: מקורות מתח גבוה מתוכנתים, בקרי טמפרטורה ועוד; אך החלק הקריטי ביותר במערכת הוא בקר ההספק לחוט הלהט (Filament) המייצב את זרם הפליטה (Emission) שקובע את קצב היינון. אנו נראה פיתוח של בקר חדשני לזרם פליטה המבוסס על בקר DSP ומגברי הספק, המספק בנוסף לייצוב מעולה, גם הגנות לחוט הלהט מפני נזקים אפשריים.

מבוא
ינון אלקטרוני הוא שיטה ידועה שבה אלקטרונים אנרגטיים מתנגשים במולקולות במטרה ליצור יונים. אחת האפליקציות הנפוצות העושות שימוש בשיטה זו ליינון היא ספקטרוסקופיית מסות מסוג GCMS. במערכות אלו, החומר העומד בפני אנליזה, מועבר דרך צינורית דקה וארוכה מאד (Column), המוצבת בתוך תנור ומחוממת לטמפרטורה הגבוהה מטמפרטורת האידוי של החומרים הנבחנים. בתוך הצינורית, החומר מוזרם בלחץ ע”י גז אינרטי, בקצב קבוע, ועובר תהליך אידוי שבמהלכו מתבצעת ההפרדה. החומר המופרד במוצא הצינורית, מופצץ ע”י אלקטרונים המפרקים את המולקולות לשברים מיוננים המועברים לספקטרומטר מסות. הספקטרומטר מזהה את השברים ומספק גרף התפלגות של השכיחות כפונקציה של המסה. לכל חומר יש “טביעת אצבע” של התפלגות שכיחויות השברים שממנה ניתן לזהות את חומר המקור. בהליך המתואר, רוב רובן של המולקולות המקוריות מתפרק בתהליך היינון ואינו מגיע לספקטרומטר. דבר זה מקטין את יעילות הזיהוי ואת הרגישות. ניתן להוסיף למערכת מנגנון סופר-סוני שבו המולקולות במוצא הצינורית מקוררות לטמפרטורה נמוכה מאד, לפני תהליך היינון והמעבר לספקטרומטר. במערכת הסופר-סונית חלק ניכר מהמולקולות המקוריות מיונן ללא התפרקות לשברים ומגיע לספקטרומטר יחד עם השברים. צירוף כזה, של מולקולת המקור בתוספת השברים, נותנת טביעת אצבע טובה בהרבה, ומאפשרת שיפור ברגישות ובהפרדה של המערכת. אחד הפרמטרים החשובים במערכת, המאפשר השגת רגישות ורזולוציה גבוהים, הוא זרם הפליטה שבין חוט הלהט לקתודה, הקובע את קצב היינון.
מקורות היינון במערכות אלה, הם אלקטרונים הנוצרים ע”י חימום חשמלי של חוט להט המחומם לטמפרטורה שמעל 1000 מעלות. במטרה להשיג רגישות גבוהה במערכת, אנו נדרשים לייצב את קצב היינון ומכאן את זרם הפליטה, לערך קבוע מראש. קצב הפליטה של חוט הלהט תלוי באופן חזק בטמפרטורה שלו, ולכן אנו מבקרים את זרם הפליטה ע”י ויסות זרם החימום בחוט הלהט. היות שחוט הלהט במערכת רגיש מאד ועלותו גבוהה (מאות דולרים), אנו חייבים לבקר אותו בצורה חכמה שבאופן מעשי אינה ליניארית. מחד, אנו רוצים תגובה מהירה בכדי לייצב את זרם הפליטה לערך קבוע ככול האפשר, ומאידך, אנו צריכים להגן על חוט הלהט מנזקים הנגרמים ע”י שינויים גדולים בזרם החימום, או ע”י חימום יתר. לבקרת חוט הלהט תכננו ובנינו מערכת מבוססת DSP העובדת במספר אופני פעולה. למערכת אלגוריתם חכם, בעל תגובה מהירה לסיגנל קטן ותגובה איטית לסיגנל גדול. בנוסף, האלגוריתם מבצע בדיקות המונעות מהמערכת להגיע לערכים קריטיים בעלי פוטנציאל הרס.

1. תאור סכמאטי של המערכת

2. תרשים הזרימה של אלגוריתם הבקרה

המערכת
ניתן לממש את בקר בטכנולוגיה אנלוגית. שיטה זו מיושנת, מוגבלת, לא מדויקת ואינה מאפשרת שליטה ע”י מחשב. השיטה המועדפת למימוש בקר מודרני היא ע”י DSP ותכנות אלגוריתם דיגיטאלי המממש את חוג הבקרה הסגור. הבקר שמוצג במאמר תוכנן לעבודה במתח של עד 10 וולט וזרם של עד 10 אמפר לחוט הלהט, ומתח של עד 250 וולט וזרם של 50 מילי אמפר לזרם הפליטה. חימום ע”י פולסים בשיטת PWM לא ישימה במערכת זו – שבה לרעש משמעות קריטית, היות שפולסי המתח יגרמו לשינויים בשדה החשמלי סביב חוט הלהט, דבר שיגרום לרעש בזרם הפליטה. לכן, למרות היעילות הלא גבוהה, בחרנו לבקר את חוט הלהט בצורה ליניארית ולא ממותגת. יתר על כן, היות שמתח חוט הלהט צף ביחס לאדמה, כל האלקטרוניקה המבקרת אותו הינה מבודדת ביחס לאדמה. איור 1 מתאר את הקונצפט של המערכת המבקרת: מחשב אישי מחובר לבקר ה-  DSP מסדרת TMS320F28335 בחיבור USB לקביעת תצורת העבודה וקריאת הנתונים. הבקר מחובר לממיר DAC רב ערוצי בחיבור SPI. הממיר מספק מתחים לשלושה מגברי הספק ייעודיים, המספקים את מתחי האנודה, הקתודה וחוט הלהט.

3.ממשק המשתמש הגראפי לבקרת המערכת ע"י מחשב אישי.

4. תגובת המערכת למדרגת מתח – אופן פעולה של מתח קבוע.

איור 2 מראה את תרשים הזרימה למימוש החוג הסגור של מערכת הבקרה. למערכת שלושה אופני פעולה לבקרה: מתח קבוע (חוג פתוח), זרם חוט להט קבוע, וזרם פליטה קבוע. האלגוריתם מממש בקרת PID עבור שני האופנים האחרונים ובקרת חוג פתוח עבור האופן הראשון. תוצאת החישוב מועברת לפונקציה הבודקת את השינוי הרגעי כנגד השינוי הממוצע הגלובלי. במידה והשינוי הגלובלי קטן מסף מוגדר, אזי השינוי הרגעי מאופשר ללא הגבלה, אחרת השינוי הרגעי מוגבל ע”י ערך מוגדר מראש. במקביל, הזרם הרגעי נמדד; במידה והוא עובר ערך קריטי המתח מוקטן במידת הצורך. דגימת המתחים והזרמים נעשית על ידי הממרים הפנימיים (ADC) של הבקר ברזולוציה של 12 ביט. זמן ההמרה של ממירי האנלוג לדיגיטל הוא 80 ננו שנייה – זמן המאפשר קצב דגימה יחסית גבוה. קצב דגימה של 100 קילו דגימות בשנייה, מאפשר למעבד לבצע סינון דיגיטאלי בזמן אמת של האותות הנדגמים, ובכך להפחית את סיפרת הרעש במידה ניכרת. היות ולמעבד יחידת עיבוד בנקודה צפה (FPU) של 32 ביט, מימוש של מסנן מסוג IIR הינו פשוט ומהיר ביותר.
באיור 3 מוצג חלון ממשק המשתמש של תוכנת הבקרה לבחינת המערכת. כפי שרואים, החלון כולל בקרים לקביעת: אופן הפעולה, זרם חוט הלהט, זרם הפליטה, מתח הקתודה, מתח האנודה, ערך ההגבלה לסיגנל גדול, גבול הסיגנל הקטן, הגבלת הזרם הכללית, מקדמי בקרת PID וקריאות שונות. תוכנת הבקר של ה-DSP נכתבה בשפת C על מערכת הפיתוח Code Composer Studio של טקסס אינסטרומנטס. תוכנת הבקרה של המחשב האישי נכתבה בשפת C על מערכת הפיתוח LabWindows/CVI של נשיונל אינסטרומנטס.

5.תגובת המערכת למדרגת זרם פליטה – אופן פעולה של זרם פליטה קבוע.

6. תגובת המערכת להפרעה חיצונית – אופן פעולה של מתח קבוע.

7.תגובת המערכת להפרעה חיצונית - אופן פעולה של זרם פליטה קבוע.

תוצאות
השתמשנו בתוכנה המוצגת למעלה לבחינת המערכת בתפקודים שונים. איור 4 מתאר את תגובת המערכת למדרגת מתח, מערך של 3 וולט לערך של 7 וולט. כאשר מתח האנודה הוא 4+ וולט, מתח הקתודה הוא 66- וולט, אופן הפעולה הוא – מתח קבוע, קצב העלייה חסום ל 1 וולט לשנייה, ותחום הסיגנל הקטן הוא 0.2 וולט. אנו רואים שבנקודת ההתחלה, בו המתח הנדרש קופץ ב 4 וולט, השינוי המהיר חסום ל 0.2 וולט כפי שהבקר מאפשר. לאחר מכן המתח עולה בקצב נמוך, כפי שנקבע ע”י התוכנה. איור 5 מתאר ניסוי דומה בו המדרגה היא בזרם הפליטה, מערך של 1 מילי אמפר לערך של 5 מילי אמפר. שוב אנו רואים את אותו האפקט של שינוי מהיר לסיגנל קטן ושינוי איטי לסיגנל גדול. לבסוף בחנו את המערכת כנגד הפרעה חיצונית. איור 6 מתאר את פעולת הבקר באופן פעולה של מתח קבוע, כאשר הפרעה חיצונית של קירור חוט הלהט מתרחשת. אנו רואים שמתח וזרם חוט הלהט נשארים קבועים בעוד זרם הפליטה קטן ב-25 אחוז, כתוצאה מקירור המקור. איור 7 מתאר ניסוי זהה באופן פעולה של זרם פליטה קבוע. כאן אנו רואים שכתוצאה מהקירור החיצוני  זרם הפליטה לא משתנה ונשאר מיוצב על ערכו ההתחלתי. לעומת זאת, מתח וזרם חוט הלהט עולים כדי לפצות על הקירור החיצוני.

אודות הכותב
אלי פלקסר הוא פרופסור באפקה – המכללה האקדמית להנדסה בת”א. הוא שימש כראש המחלקה לאלקטרוניקה עם הקמתה של המכללה. פרופסור פלקסר מייעץ במחקר ופיתוח לחברות בתעשיית ההייטק ולמכוני מחקר, בתחומים של פיסיקה שימושית, אלקטרוניקה ותוכנה. בשנים האחרונות משמש כמדען ראשי במספר חברות בתעשיית ההיטק.
flaxer@afeka.ac.il