REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38, No. 4, 2006

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MONOCROMADOR CONTROLADO CON LABVIEW

J. Acosta1, S. Oliveros1, N. L. Forero1

1 Licenciatura en Física, Gr. Instrumentación Científica y Didáctica, Universidad Distrital, Línea de investigación en Instrumentación Analítica y Fisicoquímica

(Recibido 30 de Sep.2005; Aceptado 25 de May. 2006; Publicado 16 de Jun. 2006)

RESUMEN Se ha diseñado un monocromador tipo Zerny-Turner cuyo barrido espectral se obtiene a partir del movimiento angular de una red de difracción por reflexión, que actúa como selector de longitudes de onda de la radiación incidente. La rotación controlada de la red se genera mediante un motor de paso acoplado al soporte de la misma y la radiación dispersada en cada paso del motor, se enfoca sobre un sensor de radiación tipo fotodiodo con una respuesta espectral conocida. El control del ángulo de giro de la red y la medida de la intensidad de la radiación dispersada por el monocromador en función de la longitud de onda, se obtienen por medio de un sistema de adquisición de datos desarrollado e instrumentos virtuales diseñados con el lenguaje de programación gráfica LabVIEW.

Palabras Claves: Monocromador, Labview, red de difracción.

ABSTRACT A Zerny-Turner type monochromator has been designed, whose spectral sweep is obtained from the rotation of a diffraction grating which selects the wavelengths by reflection of the incident beam. The rotation of the grating is controlled with a step motor. The scattered radiation is focused on a photodiode type sensor with a known spectral response. The wavelengths and intensities are collected through a home made data acquisition system and virtual instruments developed with the graphic programming language LabVIEW.

Keywords: Monochromator, LabVIEW, diffraction grating.

1. Introducción Uno de los componentes básicos de los espectrofotómetros, además de la fuente y el

detector, es el monocromador [1]. Este tiene como función, además de dispersar la radiación incidente en sus diferentes longitudes de onda, la de discriminar y seleccionar una banda de longitudes de onda, que luego se hace incidir sobre un sensor de radiación. Se ha hecho tradicional en los monocromadores utilizar como elemento dispersor una red de difracción por reflexión que se hace girar controladamente, para cambiar el ángulo con el cual incide la radiación y de esta forma se selecciona el intervalo espectral que incidirá sobre el sensor.

Mediante instrumentos virtuales desarrollados con el lenguaje de programación grafica LabVIEW, se ejerce control de todo el sistema del monocromador, se hace adquisición de datos y la presentación de los resultados en forma gráfica y numérica.

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2. Diseño y desarrollo experimental. Las funciones principales que ejecuta el sistema diseñado a partir del Instrumento

Virtual (VI) desarrollado con LabVIEW, son las de control, adquisición, análisis y presentación de resultados. Un diagrama de bloques general de los componentes físicos empleados, se muestran en la figura 1. El sistema consta de tres componentes: una fuente de radiación, el sistema del monocromador y el sistema de detección. El sistema del monocromador tipo Czerny-Turner [2] consiste básicamente en una rendija de entrada, un primer espejo colimador, una red de difracción, un segundo espejo colimador y la rendija de salida.

Una descripción de la operación del sistema del monocromador muestra que la radiación que incide a través de la rendija de entrada proporciona una imagen óptica de la fuente de radiación, cuya radiación se hace incidir mediante el primer espejo colimador como un haz paralelo sobre la red de difracción. Esta dispersa la radiación en sus diferentes longitudes de onda y mediante el segundo espejo colimador se selecciona y se enfoca una banda de longitudes de onda sobre la rendija de salida, la cual aísla a su vez, la banda espectral deseada y bloquea el resto de radiación dispersada.

3. Instrumentos virtuales y sistema de control y adquisición.

Figura No.1. Diagrama de bloques de los componentes físicos del monocromador y montaje experimental.

Sistema de Control. Un Instrumento Virtual controla y sincroniza las funciones que ejecutan otros diversos subinstrumentos virtuales [3]. Uno de los subVI desarrollados, permite mediante el control de un motor de paso, el posicionamiento angular de la red de difracción. Este posicionamiento, define el intervalo de longitudes de onda que incide sobre el sensor de radiación. El motor de paso por su parte, requiere de una secuencia de pulsos producidos mediante instrucciones generadas con el subVI sobre el estator del motor a través del puerto paralelo del PC, para ejecutar y controlar cada paso, así como el sentido de giro del motor y el tiempo de retardo entre paso y paso, esto es, el tiempo de adquisición de datos. Para proteger el puerto paralelo del PC y mejorar las prestaciones de corriente requerida por el motor, se ha utilizado un circuito integrado (CI) 74373 que reproduce la señal generada en el puerto y el CI ULN2003 que contiene 8 puentes darlington integrados, que controlan una corriente de colector hasta de 1 Amp. Para conseguir un barrido espectral de mayor resolución, estable, fino y coincidente con la dispersión reciproca del monocromador se diseñó y construyó un sistema mecánico de piñonearía que reduce el ángulo barrido por la red de difracción en cada paso del

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motor. Otro subVI, controla a través de un circuito electrónico diseñado, la tensión generada por la fuente de potencia que alimenta la fuente de radiación.

De esta forma, los datos que vienen en forma de arreglo al terminar los pasos del motor, son convertidos en un arreglo bidimensional donde se relaciona la longitud de onda de cada paso calculada por Labview, con el valor de voltaje medido en cada paso en un archivo de texto. La primera parte del instrumento es la encargada de abrir el archivo guardado. Se creó con ella un subVI que realiza toda la operación y entrega la gráfica de los datos realizando el cálculo de la potencia que capta el fotodiodo

Sistema de adquisición. El OPT101 opera como sensor de radiación tipo fotodiodo y cuenta con amplificación interna que genera una diferencia de potencial proporcional a la intensidad de la radiación incidente sobre la superficie de su apertura. La señal de voltaje generada por el sensor, es a su vez, amplificada y acondicionada mediante un circuito electrónico diseñado, para luego digitalizarla mediante el conversor análogo-digital AD0804 que posee una resolución de 8 bits y brinda una sensibilidad de 20 mV y un tiempo de respuesta inferior a 100µs en su conjunto [4]. Las señales digitales generadas por el CAD se registran a través del puerto paralelo del PC mediante otro subVI, que convierte cada dato leído en su equivalente en voltios, generando un reporte en formato texto o .xls, a conveniencia del usuario, que se guarda en el disco duro del PC para su posterior análisis. Otra componente del subVI en mención, se encarga simultáneamente a la adquisición de cada dato, de hacer su presentación numérica en pantalla e ir construyendo gráficamente la adquisición.

El Instrumento Virtual general desarrollado, consta de dos módulos que se presentan en el monitor del PC, uno de ellos corresponde al panel frontal en el que se encuentran los controles de ejecución, adquisición y se visualizan los resultados del experimento grafica y numéricamente en cada instante. El otro módulo, corresponde al diagrama de bloques, el cual muestra las secuencias y características de programación del VI. En la figura 2, se presentan el panel frontal a la izquierda y a la derecha el diagrama de bloques del instrumento virtual desarrollado con el cual se ejecutan todas las funciones del sistema del monocromador.

Figura No.2. Panel frontal y diagrama de bloques del Instrumento Virtual desarrollado, para control, adquisición de datos del monocromador y presentación grafica.

El algoritmo que ejecuta el Instrumento Virtual general desarrollado y que controla los subVI para cada una de sus funciones, consiste en dos secuencias. La primera de ellas, se encarga de inicializar todo el sistema y de ubicar la red de difracción en el ángulo de inicio para

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el barrido espectral. Esta secuencia hace que el motor realice el número de pasos requeridos y establece el tiempo de relajación del sensor y la sincronización de todo el sistema. La segunda secuencia, sincroniza y ejecuta la adquisición de datos, acorde con el número de muestras (datos) solicitadas por el usuario en cada paso. En esta secuencia, otro subVI realiza la conversión de cada dato de voltaje medido, a su equivalente en potencia de radiación de la radiación incidente sobre la superficie de la apertura del fotodiodo, conforme a la calibración hecha. 4. Resultados y discusión.

Una prueba del funcionamiento del monocromador desarrollado, es la obtención de la curva característica de radiación térmica de un filamento de tungsteno a una temperatura dada. La temperatura de la fuente, se obtiene en forma indirecta a partir de la dependencia de la resistividad del filamento con la temperatura. Los rangos de longitudes de onda medidos se calibran por métodos ópticos. La resolución de las medidas de las longitudes de onda correspondientes, da como resultado ±3,1nm. La figura 3, presenta la curva espectral entre 400nm y 1000nm, obtenida para un filamento de tungsteno a 3100K de temperatura de operación.

Figura No.3. Distribución espectral de de la radiación emitida por un filamento de tungsteno a una temperatura aproximada de 3100K y ajuste teórico de la misma.

5. Conclusiones Se ha diseñado y construido un monocromador tipo Czerny-Turner controlado a partir

de un PC mediante LabVIEW, para el que se desarrolló un sistema de adquisición de datos, que permite automáticamente hacer barridos espectrales entre 400 y 1000nm. El usuario además, tiene la posibilidad de definir intervalos de longitudes de onda menores, establecer el número de muestras ha adquirir (velocidad de adquisición) y fijar el tiempo de adquisición.

El sistema desarrollado es una herramienta óptima y de gran utilidad para diversas aplicaciones en investigación y docencia, dada su fácil operación y calibración.

Referencias [1] A. N. Zaidel, et al. Técnica y Práctica de Espectroscopia, Ed. MIR. 1976 [2] R. Pallas, Transductores y acondicionadores de señal. Barcelona: Marcombo, 1989. 393 p. [3] Lazaro A. LabVIEW. Programación gráfica para el control de instrumentación. Paraninfo. [4] J. Diefenderfer, Instrumentación electrónica. México: Interamericana, 1978.