恒压变频直流电弧发生器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种恒压变频直流电弧发生器，包括控制电路模块、电压转换模块、一级升压模块、整流电路模块、二级升压模块、脉冲激励模块和分析间隙；分析间隙的电弧产生分为引弧和电弧激励两个过程；所述的电压转换模块将交流电压转换为激发电弧所需的稳定直流电压和控制电路所需的直流电压；一级升压模块采用现代PWM直流升压技术，经过高压整流堆和RC积分电路以反激励方式输出高压直流电，其输出平均值灵活可调；二级升压模块采用小电感量的脉冲升压模式，输出11?15kV脉冲高电压，在分析间隙瞬间引发电弧；脉冲电弧激励模块由储能电容和二级升压模块的次级线圈电感构成，以LC谐振方式激励电弧并调整储能电容容量使得电弧达到合适的强度。
【专利说明】
恒压变频直流电弧发生器
技术领域
[0001] 本发明属于原子发射光谱分析领域，特别设及一种恒压变频直流电弧发生器装 置。
【背景技术】
[0002] 原子发射光谱法作为一种相对比较古老的光谱分析技术，随着科学技术的不断发 展也经历了漫长的发展过程，并在当前的原子光谱分析中仍占据着较为重要的地位。其中 电弧激发原子发射光谱法广泛应用于冶金、地质、环境、生物和食品等常见的样品检测分析 领域。此外，在溶液样品分析领域，电弧激发原子发射光谱法也被作为其样品光谱的引入方 法而与其它分析仪器联用。
[0003] 对于原子发射光谱分析的技术发展，激发电源的改进往往起着关键性的作用。普 遍采用的是交流电弧发生器和直流电弧发生器。交流电弧发生器激发产生的原子发射光谱 由交流电压直接激发，光谱强度随交流电压的高低而变化，稳定性较差，在元素分析中背景 噪声较大，给元素分析造成了困难。直流电弧发生器W其装置简单、操作简便、低消耗及高 灵敏度等特点，曾广泛应用于痕量元素的分析，但由于它所激发的原子发射光谱存在着可 控性差、不稳定且自吸强的缺点，导致分析结果精密度差、基体效应严重及线性动态范围 窄，限制了直流电弧发生器在原子发射光谱分析领域的发展和应用。随着大功率高电压半 导体器件的发展及其控制技术的成熟，使得探索研制一种新型的程控直流电弧发生器成为 可能。该类电源将为电弧激发原子发射光谱分析起到重要的促进作用，具有重要的实际意 义。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述现有技术的不足，本发明提供基于220V市电输入，电弧脉冲电流为 10-50A且电弧频率可调整的直流电弧发生器装置，结构新颖灵活，性能良好，激发光谱稳 定。
[0005] 本发明采取的技术方案是:恒压变频直流电弧发生器，包括控制电路模块、电压转 换模块、一级升压模块、整流电路模块、二级升压模块、脉冲电弧激励模块和分析间隙;所述 的电压转换模块输出端分别与所述的一级升压模块和所述的控制电路模块输入端相连，所 述的一级升压模块输出端与所述的整流电路模块输入端相连，所述的整流电路模块输出端 和所述的二级升压模块的输入端相连，所述的二级升压模块的输出端与所述的分析间隙两 端电极相连，所述的控制电路模块的输出端与所述的一级升压模块输入端相连，所述的脉 冲电弧激励模块输出端与所述的分析间隙两端电极相连。
[0006] 所述的控制电路模块由SG3525忍片控制开关频率，并由MOSFET管激励升压变压 器，产生的脉冲频率由SG3525忍片的5、6、巧I脚之间的电阻Rs、1?和电容Cs值决定。
[0007] 所述的电压转换模块将220V交流电转换成激发电弧所需的150-200V连续可调整 的稳定直流电压和控制电路模块所需的± 12V定值直流电压。
[000引所述的一级升压模块由第一级升压变压器T2组成，线圈绕数比为33:900,变压器 的磁忍规格为YU16型，初级线圈绕制33应，采取副绕组输出电压反馈至输入电源来限制反 激励电压值，反激励绕组也绕制33应，输出绕组绕制800-900应，变压器能够输出4.0-5.化V 电压。
[0009] 所述的整流电路模块由8个1N4007整流二极管串联组成，反向耐压达到IOkVW上， 同时提供0.5A的瞬时电流。
[0010] 所述的二级升压模块由升压变压器T3和储能电容Csa组成，T3的线圈绕数比为8: 40,储能电容采用高压大电流型的电容，如采用谐振电容、能量吸收电容等。
[0011] 所述的脉冲电弧激励模块由储能电容ClOaXlla和所述的二级升压模块中T3变压器 的次级线圈电感构成。
[0012] 所述的分析间隙的电弧产生分作引弧和电弧激励两个过程:装置通入220V交流电 后，电压转换模块输出150-200V基础电压，分作两路输送，一路电阻限流将150-200V基础电 压加至储能电容Csa，施加于分析间隙的电极上，但因电压较低，不能在分析间隙处产生电 弧，需要用高频高压电来引燃；另一路经过两级升压获得11-1化V的引弧高压，由脉冲变压 器的次级线圈施加于分析间隙上，当引弧电压送达，即产生电弧;储能电容ClOaXlla上所储 存的电压激励电弧，并达到一定强度，电容Cl日a、Clla上所储存的电荷基本释放尽后电弧焰 灭，结束本次电弧的作用；电弧产生的热电子在通过分析间隙飞向阳极的过程中被加速，当 其撞击在阳极上，形成识热的阳极斑，溫度可达3800K，使试样蒸发和原子化，电子流过分析 间隙时，使蒸气中的气体分子和原子电离，产生的正离子撞击阴极又使阴极发射电子，运个 过程反复进行，原子与电弧中其它粒子碰撞受到激发而发射光谱。
[0013] 本发明的有益效果为：
[0014] 1.设计一级升压和二级升压模块，二级升压模块采用小电感量的脉冲升压模式， 能够输出Il-ISkV脉冲高电压，足W击穿分析间隙的气体，在分析间隙瞬间引发电弧。
[0015] 2.设计电压转换模块的作用是获得150-200V激发电弧所需的基础电压，可W由 220V交流电压转换而来，也可由其它电压转换而来。为了提高电压转换模块的工作效率，采 用了开关电源的结构，相对于其它模块独立设置，W便于灵活更换。
[0016] 3.设计控制电路模块可方便地改变脉冲电弧频率，脉冲电弧频率的改变依靠一级 升压模块输出电压平均值的改变。一级升压模块采用现代PWM直流升压技术，通过控制电路 模块中的SG3525忍片实现脉冲宽度调制，并通过副绕组反馈错制反激励电压脉冲幅度，使 得经过整流电路模块后的直流电压平均值随开关脉冲的宽度而改变，造成RC积分电路中积 分电容电压上升速率发生变化，达到电容Csa放电的时间间隔也就发生变化，最终造成脉冲 电弧频率的改变，运种处理方式可W很方便地与程序控制的要求相配合。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明各电路模块之间的连接框图
[0018] 图2是本发明控制电路模块原理图
[0019] 图3是本发明一级升压模块电路图
[0020] 图4是本发明整流电路模块、二级升压模块和脉冲电弧激励模块电路图
[0021] 图5是本发明电路图
[0022] 主要符号说明如下：
[0023] 1-控制电路模块;2-电压转换模块;3--级升压模块;4-整流电路模块;5-二级升 压模块;6-脉冲电弧激励模块;7-分析间隙
【具体实施方式】
[0024] 本发明提供基于恒压变频技术的直流电弧发生器，下面结合附图对其进行一步说 明。
[0025] 如附图1所示，恒压变频直流电弧发生器提供一个电弧频率可控的直流电弧，包括 控制电路模块1、电压转换模块2、一级升压模块3、整流电路模块4、二级升压模块5、脉冲激 励模块6和分析间隙7。
[0026] 如附图2所示，所述的控制电路模块1工作电压由P3a的引脚5接入，其开关频率由 563525忍片的5、6、7引脚之间的电阻1?53=100〇、1?4 = 9.化〇和电容〔6=100〇9。值决定，计 算公式：
[0027]
[00巧]根据W上公式计算得:时SG=ISO曲Z，在该频率的驱动信号作用下实现MOSFET管的 开关动作。
[0029] 所述的电压转换模块2提供150-200V基础电压和控制电路模块工作所需要的12V 直流电压，输出功率在200WW上。为了方便调试、安装和维修，基础电压的产生电路制作成 一个独立的模块，也可W购置符合要求的成品电源。
[0030] 如附图3所示，所述的一级升压模块3电路结构它比较复杂，适宜单独设计成一个 模块。150-200V基础电压由Pl的引脚1接入，T2是第一级升压变压器，本身并不需要很大功 率，但考虑到变压器绕组应数不宜太高，且变压器的激励电流不宜过大，变压器的磁忍规格 选择YU16型为宜。变压器初级线圈绕制33应，反激励绕组也绕制33应，输出绕组绕制800- 900应，确保变压器能够输出4.0-5.5kV电压幅度，T2升压所需的P歷脉冲电压由P3b中的引 脚4接入。
[0031] 如附图4所示，经T2次级线圈后的基础电压和高频高压输入至所述的整流电路模 块4,其反向耐压应该达到IOkVW上，同时能够提供0.5A的瞬时电流，因而采用8个1N4007整 流二极管串联而成。RC积分电路的限流电阻Rfe的功率应该在6W W上，同时要能够承受化V 的高电压，因而采用多个电阻串并联而成。
[0032] 所述的二级升压电路模块5结构比较简单，但是耐压要求较高，其中的储能电容Csa 应该采用高压大电流型的，如采用谐振电容、能量吸收电容等。在安装时接线点之间必须留 出足够的空间，防止高压击穿。对于升压变压器T3的要求是具有尽量大的磁禪合能力，但是 其绕组电感量尽可能小，在两者的矛盾中折中处理。
[0033] 所述的脉冲电弧激励模块6由储能电容ClOaXlla和升压变压器T3的次级线圈电感 构成，WLC谐振方式在分析间隙激励电弧，当电弧开关JKl闭合时，储能电容开始充电，调整 储能电容容量使得电弧达到合适的强度。
[0034] 为了使得分析间隙电弧激发的能量足够大，起到有效引弧作用，采用脉冲变压器 高压激励方式，将高压电容Csa、间隙放电器Gi、二级升压变压器T3初级=者串联成一个回 路，如附图4所示。先在高压电容Csa上存储电荷，等电容Csa电压达到间隙放电器的击穿电压 时，电容向二级升压变压器初级快速放电。因此，引弧的条件是积分电容Csa上的电压达到一 定值。
[0035]恒压变频直流电弧发生器最好将总电源开关和电弧开关JKl分开设置。使用时，先 打开总电源开关，W便让电路各部件有足够的时间进入稳定状态，并一直处于工作之中；需 要激发电弧时再开启电弧开关JK1，焰灭电弧时单独关闭电弧开关JK1。
【主权项】
1. 恒压变频直流电弧发生器，包括控制电路模块、电压转换模块、一级升压模块、整流 电路模块、二级升压模块、脉冲电弧激励模块和分析间隙；其特征在于:所述的电压转换模 块输出端分别与所述的一级升压模块和所述的控制电路模块输入端相连，所述的一级升压 模块输出端与所述的整流电路模块输入端相连，所述的整流电路模块输出端和所述的二级 升压模块的输入端相连，所述的二级升压模块的输出端与所述的分析间隙两端电极相连， 所述的控制电路模块的输出端与所述的一级升压模块输入端相连，所述的脉冲电弧激励模 块输出端与所述的分析间隙两端电极相连。2. 根据权利要求1所述的恒压变频直流电弧发生器，其特征在于，所述的控制电路模块 由SG3525芯片控制开关频率，并由MOSFET管激励升压变压器，产生的脉冲频率由SG3525芯 片的5、6、7引脚之间的电阻R 5、R6和电容C6值决定。3. 根据权利要求1所述的恒压变频直流电弧发生器，其特征在于，所述的电压转换模块 将220V交流电转换成激发电弧所需的150-200V连续可调整的稳定直流电压和控制电路模 块所需的± 12 V定值直流电压。4. 根据权利要求1所述的恒压变频直流电弧发生器，其特征在于，所述的一级升压模块 由第一级升压变压器T2组成，线圈绕数比为33:900，变压器的磁芯规格为YU16型，初级线圈 绕制33匝，采取副绕组输出电压反馈至输入电源来限制反激励电压值，反激励绕组也绕制 33匝，输出绕组绕制800-900匝，变压器能够输出4.0-5.5KV的电压。5. 根据权利要求1所述的恒压变频直流电弧发生器，其特征在于，所述的整流电路模块 由8个1Ν4007整流二极管串联组成，反向耐压达到10KV以上，同时提供0.5Α的瞬时电流。6. 根据权利要求1所述的恒压变频直流电弧发生器，其特征在于，所述的二级升压模块 由升压变压器Τ3和储能电容C 8a组成，Τ3的线圈绕数比为8:40,储能电容采用高压大电流型 的电容，如采用谐振电容、能量吸收电容等。7. 根据权利要求1所述的恒压变频直流电弧发生器，其特征在于，所述的脉冲电弧激励 模块由储能电容Ci〇a、C lla和所述的二级升压模块中Τ3变压器的次级线圈电感构成。8. 根据权利要求1所述的恒压变频直流电弧发生器，其特征在于，所述的分析间隙的电 弧产生分为引弧和电弧激励两个过程：装置通入220V交流电后，电压转换模块输出150-200V基础电压，分作两路输送，一路电阻限流将150-200V基础电压加至储能电容C 8a，施加于 分析间隙的电极上，但因电压较低，不能在分析间隙处产生电弧，需要用高频高压电来引 燃;另一路经过两级升压获得ll-15kV的引弧高压，由脉冲变压器的次级线圈施加于分析间 隙上，当引弧电压送达，即产生电弧;储能电容C 1Qa、Clla上所储存的电压激励电弧，并达到一 定强度，电容Ci〇a、C lla上所储存的电荷基本释放尽后电弧熄灭，结束本次电弧的作用；电弧 产生的热电子在通过分析间隙飞向阳极的过程中被加速，当其撞击在阳极上，形成炽热的 阳极斑，温度可达3800K，使试样蒸发和原子化，电子流过分析间隙时，使蒸气中的气体分子 和原子电离，产生的正离子撞击阴极又使阴极发射电子，这个过程反复进行，原子与电弧中 其它粒子碰撞受到激发而发射光谱。
【文档编号】H02M9/02GK105978391SQ201610231811
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】史霁翔
【申请人】成都以太航空保障工程技术有限责任公司