恒壓變頻直流電弧發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，包括控制電路模塊、電壓轉換模塊、一級升壓模塊、整流電路模塊、二級升壓模塊、脈沖激勵模塊和分析間隙；分析間隙的電弧產生分為引弧和電弧激勵兩個過程；所述的電壓轉換模塊將交流電壓轉換為激發(fā)電弧所需的穩(wěn)定直流電壓和控制電路所需的直流電壓；一級升壓模塊采用現代PWM直流升壓技術，經過高壓整流堆和RC積分電路以反激勵方式輸出高壓直流電，其輸出平均值靈活可調；二級升壓模塊采用小電感量的脈沖升壓模式，輸出11?15kV脈沖高電壓，在分析間隙瞬間引發(fā)電??；脈沖電弧激勵模塊由儲能電容和二級升壓模塊的次級線圈電感構成，以LC諧振方式激勵電弧并調整儲能電容容量使得電弧達到合適的強度。
【專利說明】
恒壓變頻直流電弧發(fā)生器
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于原子發(fā)射光譜分析領域，特別設及一種恒壓變頻直流電弧發(fā)生器裝 置。
【背景技術】
[0002] 原子發(fā)射光譜法作為一種相對比較古老的光譜分析技術，隨著科學技術的不斷發(fā) 展也經歷了漫長的發(fā)展過程，并在當前的原子光譜分析中仍占據著較為重要的地位。其中 電弧激發(fā)原子發(fā)射光譜法廣泛應用于冶金、地質、環(huán)境、生物和食品等常見的樣品檢測分析 領域。此外，在溶液樣品分析領域，電弧激發(fā)原子發(fā)射光譜法也被作為其樣品光譜的引入方 法而與其它分析儀器聯用。
[0003] 對于原子發(fā)射光譜分析的技術發(fā)展，激發(fā)電源的改進往往起著關鍵性的作用。普 遍采用的是交流電弧發(fā)生器和直流電弧發(fā)生器。交流電弧發(fā)生器激發(fā)產生的原子發(fā)射光譜 由交流電壓直接激發(fā)，光譜強度隨交流電壓的高低而變化，穩(wěn)定性較差，在元素分析中背景 噪聲較大，給元素分析造成了困難。直流電弧發(fā)生器W其裝置簡單、操作簡便、低消耗及高 靈敏度等特點，曾廣泛應用于痕量元素的分析，但由于它所激發(fā)的原子發(fā)射光譜存在著可 控性差、不穩(wěn)定且自吸強的缺點，導致分析結果精密度差、基體效應嚴重及線性動態(tài)范圍 窄，限制了直流電弧發(fā)生器在原子發(fā)射光譜分析領域的發(fā)展和應用。隨著大功率高電壓半 導體器件的發(fā)展及其控制技術的成熟，使得探索研制一種新型的程控直流電弧發(fā)生器成為 可能。該類電源將為電弧激發(fā)原子發(fā)射光譜分析起到重要的促進作用，具有重要的實際意 義。

【發(fā)明內容】

[0004] 為了解決上述現有技術的不足，本發(fā)明提供基于220V市電輸入，電弧脈沖電流為 10-50A且電弧頻率可調整的直流電弧發(fā)生器裝置，結構新穎靈活，性能良好，激發(fā)光譜穩(wěn) 定。
[0005] 本發(fā)明采取的技術方案是:恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，包括控制電路模塊、電壓轉 換模塊、一級升壓模塊、整流電路模塊、二級升壓模塊、脈沖電弧激勵模塊和分析間隙;所述 的電壓轉換模塊輸出端分別與所述的一級升壓模塊和所述的控制電路模塊輸入端相連，所 述的一級升壓模塊輸出端與所述的整流電路模塊輸入端相連，所述的整流電路模塊輸出端 和所述的二級升壓模塊的輸入端相連，所述的二級升壓模塊的輸出端與所述的分析間隙兩 端電極相連，所述的控制電路模塊的輸出端與所述的一級升壓模塊輸入端相連，所述的脈 沖電弧激勵模塊輸出端與所述的分析間隙兩端電極相連。
[0006] 所述的控制電路模塊由SG3525忍片控制開關頻率，并由MOSFET管激勵升壓變壓 器，產生的脈沖頻率由SG3525忍片的5、6、巧I腳之間的電阻Rs、1?和電容Cs值決定。
[0007] 所述的電壓轉換模塊將220V交流電轉換成激發(fā)電弧所需的150-200V連續(xù)可調整 的穩(wěn)定直流電壓和控制電路模塊所需的± 12V定值直流電壓。
[000引所述的一級升壓模塊由第一級升壓變壓器T2組成，線圈繞數比為33:900,變壓器 的磁忍規(guī)格為YU16型，初級線圈繞制33應，采取副繞組輸出電壓反饋至輸入電源來限制反 激勵電壓值，反激勵繞組也繞制33應，輸出繞組繞制800-900應，變壓器能夠輸出4.0-5.化V 電壓。
[0009] 所述的整流電路模塊由8個1N4007整流二極管串聯組成，反向耐壓達到IOkVW上， 同時提供0.5A的瞬時電流。
[0010] 所述的二級升壓模塊由升壓變壓器T3和儲能電容Csa組成，T3的線圈繞數比為8: 40,儲能電容采用高壓大電流型的電容，如采用諧振電容、能量吸收電容等。
[0011] 所述的脈沖電弧激勵模塊由儲能電容ClOaXlla和所述的二級升壓模塊中T3變壓器 的次級線圈電感構成。
[0012] 所述的分析間隙的電弧產生分作引弧和電弧激勵兩個過程:裝置通入220V交流電 后，電壓轉換模塊輸出150-200V基礎電壓，分作兩路輸送，一路電阻限流將150-200V基礎電 壓加至儲能電容Csa，施加于分析間隙的電極上，但因電壓較低，不能在分析間隙處產生電 弧，需要用高頻高壓電來引燃；另一路經過兩級升壓獲得11-1化V的引弧高壓，由脈沖變壓 器的次級線圈施加于分析間隙上，當引弧電壓送達，即產生電弧;儲能電容ClOaXlla上所儲 存的電壓激勵電弧，并達到一定強度，電容Cl日a、Clla上所儲存的電荷基本釋放盡后電弧焰 滅，結束本次電弧的作用；電弧產生的熱電子在通過分析間隙飛向陽極的過程中被加速，當 其撞擊在陽極上，形成識熱的陽極斑，溫度可達3800K，使試樣蒸發(fā)和原子化，電子流過分析 間隙時，使蒸氣中的氣體分子和原子電離，產生的正離子撞擊陰極又使陰極發(fā)射電子，運個 過程反復進行，原子與電弧中其它粒子碰撞受到激發(fā)而發(fā)射光譜。
[0013] 本發(fā)明的有益效果為：
[0014] 1.設計一級升壓和二級升壓模塊，二級升壓模塊采用小電感量的脈沖升壓模式， 能夠輸出Il-ISkV脈沖高電壓，足W擊穿分析間隙的氣體，在分析間隙瞬間引發(fā)電弧。
[0015] 2.設計電壓轉換模塊的作用是獲得150-200V激發(fā)電弧所需的基礎電壓，可W由 220V交流電壓轉換而來，也可由其它電壓轉換而來。為了提高電壓轉換模塊的工作效率，采 用了開關電源的結構，相對于其它模塊獨立設置，W便于靈活更換。
[0016] 3.設計控制電路模塊可方便地改變脈沖電弧頻率，脈沖電弧頻率的改變依靠一級 升壓模塊輸出電壓平均值的改變。一級升壓模塊采用現代PWM直流升壓技術，通過控制電路 模塊中的SG3525忍片實現脈沖寬度調制，并通過副繞組反饋錯制反激勵電壓脈沖幅度，使 得經過整流電路模塊后的直流電壓平均值隨開關脈沖的寬度而改變，造成RC積分電路中積 分電容電壓上升速率發(fā)生變化，達到電容Csa放電的時間間隔也就發(fā)生變化，最終造成脈沖 電弧頻率的改變，運種處理方式可W很方便地與程序控制的要求相配合。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明各電路模塊之間的連接框圖
[0018] 圖2是本發(fā)明控制電路模塊原理圖
[0019] 圖3是本發(fā)明一級升壓模塊電路圖
[0020] 圖4是本發(fā)明整流電路模塊、二級升壓模塊和脈沖電弧激勵模塊電路圖
[0021] 圖5是本發(fā)明電路圖
[0022] 主要符號說明如下：
[0023] 1-控制電路模塊;2-電壓轉換模塊;3--級升壓模塊;4-整流電路模塊;5-二級升 壓模塊;6-脈沖電弧激勵模塊;7-分析間隙
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明提供基于恒壓變頻技術的直流電弧發(fā)生器，下面結合附圖對其進行一步說 明。
[0025] 如附圖1所示，恒壓變頻直流電弧發(fā)生器提供一個電弧頻率可控的直流電弧，包括 控制電路模塊1、電壓轉換模塊2、一級升壓模塊3、整流電路模塊4、二級升壓模塊5、脈沖激 勵模塊6和分析間隙7。
[0026] 如附圖2所示，所述的控制電路模塊1工作電壓由P3a的引腳5接入，其開關頻率由 563525忍片的5、6、7引腳之間的電阻1?53=100〇、1?4 = 9.化〇和電容〔6=100〇9。值決定，計 算公式：
[0027]
[00巧]根據W上公式計算得:時SG=ISO曲Z，在該頻率的驅動信號作用下實現MOSFET管的 開關動作。
[0029] 所述的電壓轉換模塊2提供150-200V基礎電壓和控制電路模塊工作所需要的12V 直流電壓，輸出功率在200WW上。為了方便調試、安裝和維修，基礎電壓的產生電路制作成 一個獨立的模塊，也可W購置符合要求的成品電源。
[0030] 如附圖3所示，所述的一級升壓模塊3電路結構它比較復雜，適宜單獨設計成一個 模塊。150-200V基礎電壓由Pl的引腳1接入，T2是第一級升壓變壓器，本身并不需要很大功 率，但考慮到變壓器繞組應數不宜太高，且變壓器的激勵電流不宜過大，變壓器的磁忍規(guī)格 選擇YU16型為宜。變壓器初級線圈繞制33應，反激勵繞組也繞制33應，輸出繞組繞制800- 900應，確保變壓器能夠輸出4.0-5.5kV電壓幅度，T2升壓所需的P歷脈沖電壓由P3b中的引 腳4接入。
[0031] 如附圖4所示，經T2次級線圈后的基礎電壓和高頻高壓輸入至所述的整流電路模 塊4,其反向耐壓應該達到IOkVW上，同時能夠提供0.5A的瞬時電流，因而采用8個1N4007整 流二極管串聯而成。RC積分電路的限流電阻Rfe的功率應該在6W W上，同時要能夠承受化V 的高電壓，因而采用多個電阻串并聯而成。
[0032] 所述的二級升壓電路模塊5結構比較簡單，但是耐壓要求較高，其中的儲能電容Csa 應該采用高壓大電流型的，如采用諧振電容、能量吸收電容等。在安裝時接線點之間必須留 出足夠的空間，防止高壓擊穿。對于升壓變壓器T3的要求是具有盡量大的磁禪合能力，但是 其繞組電感量盡可能小，在兩者的矛盾中折中處理。
[0033] 所述的脈沖電弧激勵模塊6由儲能電容ClOaXlla和升壓變壓器T3的次級線圈電感 構成，WLC諧振方式在分析間隙激勵電弧，當電弧開關JKl閉合時，儲能電容開始充電，調整 儲能電容容量使得電弧達到合適的強度。
[0034] 為了使得分析間隙電弧激發(fā)的能量足夠大，起到有效引弧作用，采用脈沖變壓器 高壓激勵方式，將高壓電容Csa、間隙放電器Gi、二級升壓變壓器T3初級=者串聯成一個回 路，如附圖4所示。先在高壓電容Csa上存儲電荷，等電容Csa電壓達到間隙放電器的擊穿電壓 時，電容向二級升壓變壓器初級快速放電。因此，引弧的條件是積分電容Csa上的電壓達到一 定值。
[0035]恒壓變頻直流電弧發(fā)生器最好將總電源開關和電弧開關JKl分開設置。使用時，先 打開總電源開關，W便讓電路各部件有足夠的時間進入穩(wěn)定狀態(tài)，并一直處于工作之中；需 要激發(fā)電弧時再開啟電弧開關JK1，焰滅電弧時單獨關閉電弧開關JK1。
【主權項】
1. 恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，包括控制電路模塊、電壓轉換模塊、一級升壓模塊、整流 電路模塊、二級升壓模塊、脈沖電弧激勵模塊和分析間隙；其特征在于:所述的電壓轉換模 塊輸出端分別與所述的一級升壓模塊和所述的控制電路模塊輸入端相連，所述的一級升壓 模塊輸出端與所述的整流電路模塊輸入端相連，所述的整流電路模塊輸出端和所述的二級 升壓模塊的輸入端相連，所述的二級升壓模塊的輸出端與所述的分析間隙兩端電極相連， 所述的控制電路模塊的輸出端與所述的一級升壓模塊輸入端相連，所述的脈沖電弧激勵模 塊輸出端與所述的分析間隙兩端電極相連。2. 根據權利要求1所述的恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，其特征在于，所述的控制電路模塊 由SG3525芯片控制開關頻率，并由MOSFET管激勵升壓變壓器，產生的脈沖頻率由SG3525芯 片的5、6、7引腳之間的電阻R 5、R6和電容C6值決定。3. 根據權利要求1所述的恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，其特征在于，所述的電壓轉換模塊 將220V交流電轉換成激發(fā)電弧所需的150-200V連續(xù)可調整的穩(wěn)定直流電壓和控制電路模 塊所需的± 12 V定值直流電壓。4. 根據權利要求1所述的恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，其特征在于，所述的一級升壓模塊 由第一級升壓變壓器T2組成，線圈繞數比為33:900，變壓器的磁芯規(guī)格為YU16型，初級線圈 繞制33匝，采取副繞組輸出電壓反饋至輸入電源來限制反激勵電壓值，反激勵繞組也繞制 33匝，輸出繞組繞制800-900匝，變壓器能夠輸出4.0-5.5KV的電壓。5. 根據權利要求1所述的恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，其特征在于，所述的整流電路模塊 由8個1Ν4007整流二極管串聯組成，反向耐壓達到10KV以上，同時提供0.5Α的瞬時電流。6. 根據權利要求1所述的恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，其特征在于，所述的二級升壓模塊 由升壓變壓器Τ3和儲能電容C 8a組成，Τ3的線圈繞數比為8:40,儲能電容采用高壓大電流型 的電容，如采用諧振電容、能量吸收電容等。7. 根據權利要求1所述的恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，其特征在于，所述的脈沖電弧激勵 模塊由儲能電容Ci〇a、C lla和所述的二級升壓模塊中Τ3變壓器的次級線圈電感構成。8. 根據權利要求1所述的恒壓變頻直流電弧發(fā)生器，其特征在于，所述的分析間隙的電 弧產生分為引弧和電弧激勵兩個過程：裝置通入220V交流電后，電壓轉換模塊輸出150-200V基礎電壓，分作兩路輸送，一路電阻限流將150-200V基礎電壓加至儲能電容C 8a，施加于 分析間隙的電極上，但因電壓較低，不能在分析間隙處產生電弧，需要用高頻高壓電來引 燃;另一路經過兩級升壓獲得ll-15kV的引弧高壓，由脈沖變壓器的次級線圈施加于分析間 隙上，當引弧電壓送達，即產生電弧;儲能電容C 1Qa、Clla上所儲存的電壓激勵電弧，并達到一 定強度，電容Ci〇a、C lla上所儲存的電荷基本釋放盡后電弧熄滅，結束本次電弧的作用；電弧 產生的熱電子在通過分析間隙飛向陽極的過程中被加速，當其撞擊在陽極上，形成熾熱的 陽極斑，溫度可達3800K，使試樣蒸發(fā)和原子化，電子流過分析間隙時，使蒸氣中的氣體分子 和原子電離，產生的正離子撞擊陰極又使陰極發(fā)射電子，這個過程反復進行，原子與電弧中 其它粒子碰撞受到激發(fā)而發(fā)射光譜。
【文檔編號】H02M9/02GK105978391SQ201610231811
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】史霽翔
【申請人】成都以太航空保障工程技術有限責任公司