CN103412583A - 一种新型石墨炉法原子吸收电源模块 - Google Patents
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Abstract
一种新型石墨炉法原子吸收电源模块，包括超级电容电源模块，DC/DC变压器，MCU控制模块，温度反馈。超级电容模块一端直接与石墨炉的一端连接，另一端经由DC/DC变压器在连接到石墨炉，石墨炉上配置温度反馈，反馈的温度直接发送到微机MCU控制模块，MCU控制模块经过计算，以控制PWM波频率的形式控制送电形式，从而达到控制加热目的。该电源模块利用超级电容器的特点，结合石墨炉法原子吸收光谱仪的需求，提供更加安全稳定的电源模块，具有使用安全简便，体积大大减小，成本低廉的优点，可广泛用于国内外石墨炉法原子吸收光谱仪的电源配置。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学分析仪器的电源控制模块，该模块利用超级电容器的特性来完成石墨炉法原子吸收光谱仪对于电源特殊性要求，尤其适合用于国内外石墨炉法的各种应用的原子吸收光谱仪上，可广泛应用于环境保护、教育科研，医药卫生、冶金地质、石油化工领域。
背景技术
自1953年澳大利亚物理学家A.Walsh首先在实验室研制成功了原子吸收光谱仪，创立了原子吸收光谱分析以来，1959年B.V.L’vov提出石墨炉原子吸收光谱法，经过不断的改进和发展，至今已经成为一种非常成熟的仪器分析手段。原子吸收光谱法是基于气态的基态原子外层电子对紫外光或可见光范围的相对原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法，是一种测量特定气态原子对光辐射的吸收方法。该法主要适用样品中微量及恒量组分分析。其特点有：灵敏度高，火焰原子吸收分光光度法测定大多数金属元素相对灵敏度为10-8-10-10g/ml，非火焰原子吸收分光光度法的绝对灵敏度为10-12-10-14g/ml；精密度高，由于温度的变化对测定影响较小，该法具有良好的稳定性和重现性，精密度好，一般仪器的相对标准偏差为1％-2％，性能好的仪器可以达到0.1％-0.5％；选择性好，方法简便，由光源发出特征型入射光很简单，且基态原子是窄频吸收，元素之间的干扰较小，可不经分离在同一溶液中直接测定多种元素，操作简便；准确度高，分析速度快，测定微、恒量元素的相对误差可达0.1％-0.5％，分析一个元素只需数十秒至数分钟；可直接测定岩矿、土壤、大气飘尘、水、植物、食品、生物组织等式样中70多种微量金属元素，还能用间接法测定硫、氮、卤素等非金属元素及其化合物。
原子吸收光谱仪的常见组成包括光源、原子化器、单色器和检测器。常用的非火焰原子化器是管式石墨炉原子化器，管式石墨炉是用石墨管做成，是将样品用进样器定量注入到石墨管中，并以石墨管作为电阻发热体，通电后迅速升温，使试样达到原子化的目的。它由加热电源、保护器控制系统和石墨管状炉组成。外电源加于石墨管两端，供给原子化器能量，电流通过石墨管产生最高可达3000℃的温度，使置于石墨管中被测元素变为基态原子蒸汽。保护气控制系统在仪器启动时同Ar气，空烧完毕，切断Ar气。外气路中的Ar气沿石墨管外壁流动，以保护石墨管不被烧蚀，内路的Ar气从管两端流向管中心，由管中心孔流出，以有效的除去在干燥和灰化过程中产生的基体蒸汽，同时保护已经原子化的原子不再被氧化。
超级电容器，又名电化学电容器、双层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，但其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正是因此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其他种类的双电层电容一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。突出的优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，是世界上已投入量产的双层电容器中容量最大的一种。基于其特殊的性能，利用在石墨炉电源上有了其突出的优势。
目前市场上的石墨炉原子吸收光谱仪或者火焰-石墨炉一体化原子吸收光谱仪通常需要配置特别的电源系统，这是由于石墨炉本身特殊性能决定的。一个完整的石墨炉电源必须包括一个由时间程序控制的代表石墨炉设置温度的模拟 信号源。模拟信号变化的时间间隔相对于各个升温阶段，而模拟电压信号可以用来控制施加于石墨炉的电压、电流或者功率。其变化可以是脉冲的或是连续的，即相应于脉冲升温方式和斜坡升温方式。现代的石墨炉电源这一部分通常由微机实现，基本的控制原理类似于图一，控制一个数模转换器产生模拟信号，即给出不同升温阶段对应于不同温度的模拟电压的额定值。由于这一信号被作为石墨炉主控制回路中的比较参比信号，通过主回路中的比较调整实现了反馈控制，则有效地控制了安装在主功率变压器初级的双向可控硅，从而达到了加热参数的恒定。为实现这一控制原理，石墨炉电源必须要输出低电压高电流的电，必须配置大功率的变压器和单独的控制电路，而这与原子吸收的主机要求就不同了，因此石墨炉电源通常作为单独的配置整合到原子吸收光谱仪的整体中。这不但使得原子吸收光谱仪的价格进一步提高，而且单独的为石墨炉电源提供三相电变向提高了电路负荷，增加了安全隐患。综上所述，开发新型的安全可靠石墨炉电源成为石墨炉原子吸收光谱仪在进步上急需完成的课题之一。
发明内容
为进一步提升石墨炉原子吸收光谱仪的仪器性能，本发明提供一种新型的电源模块，该电源模块首先能为石墨炉原子化器提供足够合适的电量，这也是作为电源模块必须达到的要求；其次新型的石墨炉电源无需单独配电，整体结构更加精巧，甚至可直接与石墨炉原子吸收主机做成一体，安全性大大提高，节约生产成本和客户使用成本；再次超级电容器本身的特性决定了新型电源模块的使用寿命极高，大电流能量循环效率≥90％，而且整体的维护工作极为简单，使用、存储、拆解均无污染，是理想的绿色环保电源。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型石墨炉法原子吸收电 源模块，包括超级电容电源模块，DC/DC变压器，MCU控制模块，温度反馈。超级电容模块一端直接与石墨炉的一段连接，另一端经由DC/DC变压器在连接到石墨炉，石墨炉上配置温度反馈，反馈的温度直接发送到微机MCU控制模块，MCU控制模块经过计算，以控制PWM波频率的形式控制送电形式，从而达到控制加热目的。
所述超级电容电源模块包括充电电路、串联超级电容组、放电电路组成。充电电路可直接连接220V常用电源为串联超级电容组充电，充电完成后串联超级电容组在MCU控制模块的控制下为石墨管加热提供充足电量。
所述DC/DC变压器负责将串联超级电容组输出电压转换为石墨管额定电压。
所述温度反馈指在石墨管周围负责实时反映石墨管温度的组成部件，并将测试数据传输给MCU控制模块，可直接与常规石墨炉温度测试模块对接，直接提取数据传输MCU控制模块。
所述MCU控制模块指以单片机为核心的控制电路系统，主要根据系统下达指令比较石墨管实际温度与设定温度的差值，并利用PWM波的方式控制单位时间内电量输出的多少，从而达到控制温度的目的。
本发明的有益效果是，在石墨炉法原子吸收光谱仪应用研究上向前迈进一步，更加安全的电路控制为使用者带来的人性化的安全保护，精简的结构减小了一起整体体积，同时也减少的使用者的购买成本与维护成，为便携式原子吸收的研发提供了电源部分的明确思路。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是目前市场常用石墨炉电源控制电路图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是超级电容电源模块的结构示意简图。
其中：
超级电容电源模块1
DC/DC变压器2
温度反馈3
MCU控制模块4
石墨管5
充电电路6
串联超级电容组7
放电电路8
具体实施方式
在图3中，当整个超级电容电源模1块接入220V电源时，在MCU控制模块4的指令下，通过充电电路6的转换，串联超级电容组7在短时间内充满电量，电源模块进入准备状态。在MCU控制模块下达放电指令后，放电电路8根据指令，在指令时间放出电流，供给石墨管5加热。
在图2所示电源模块示意简图中，使用者根据使用要求，设置干燥、灰化、原子化、清洗四个阶段的温度与时间，MCU控制模块4得到要求后按照设置下达各个阶段加热指令，超级电容电源模块1开始输出电流，通过DC/DC变压器2转换成合适大小电压以PWM波形式加持于石墨炉开始加热，温度反馈3实时将温度数据传输给MCU控制模块4进行差值对比，对比结果得出后通过控制PWM波的频率形式来控制加热，从而完成各个阶段温度需求，石墨管亦在设置温度下完成实验工作。
Claims (5)
1.一种新型原子吸收石墨炉法电源模块，包括超级电容电源模块，DC/DC变压器，MCU控制模块，温度反馈。超级电容模块一端直接与石墨炉的一段连接，另一端经由DC/DC变压器在连接到石墨炉，石墨炉上配置温度反馈，反馈的温度直接发送到微机MCU控制模块，MCU控制模块经过计算，以控制PWM波频率的形式控制送电形式，从而达到控制加热目的。
2.根据权利要求1所述一种新型石墨炉法原子吸收电源模块，其特征是：所述超级电容电源模块包括充电电路、串联超级电容组、放电电路组成。充电电路可直接连接220V常用电源为串联超级电容组充电，充电完成后串联超级电容组在MCU控制模块的控制下为石墨管加热提供充足电量。
3.根据权利要求1所述一种新型石墨炉法原子吸收电源模块，其特征是：所述DC/DC变压器负责将串联超级电容组输出电压转换为石墨管额定电压。
4.根据权利要求1所述一种新型石墨炉法原子吸收电源模块，其特征是：所述温度反馈指在石墨管周围负责实时反映石墨管温度的组成部件，并将测试数据传输给MCU控制模块，可直接与常规石墨炉温度测试模块对接，直接提取数据传输MCU控制模块。
5.根据权利要求1所述一种新型石墨炉法原子吸收电源模块，其特征是：所述MCU控制模块指以单片机为核心的控制电路系统，主要根据系统下达指令比较石墨管实际温度与设定温度的差值，并利用PWM波的方式控制单位时间内电量输出的多少，从而达到控制温度的目的。
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