CN104359752A - 电热消解仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分析仪器领域，特别是一种电热消解仪，包括加热体，所述加热体通过加热主电路与交流电源连接形成加热回路，所述加热主电路包括依次串接的空气断路器、单相全桥整流滤波单元和Buck主电路；还包括设置在加热体上的温度传感器，所述温度传感器通过滤波放大单元分别与单片机和PWM控制驱动单元，所述单片机与PWM控制驱动单元相连接，所述PWM控制驱动单元通过隔离驱动单元与Buck主电路相连接；PWM控制驱动单元通过采样电阻对加热回路中电流采样；所述单片机的输出端连接有显示温度的输出设备，输入端连接有参数设定的输入设备。采用上述结构后，本发明的电热消解仪采用功率开关管，实现输出功率的精确调节，继而可以实现加热过程的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及分析仪器领域，特别是一种电热消解仪。
背景技术
消解仪是专用于对各类分析样品作加热预处理的恒温装置，配合原子吸收光谱仪、原子荧光光谱仪、IC P原子发射光谱仪以及IC P质谱仪等光谱仪器使用，是样品分析测试中十分重要的前处理仪器设备。目前大多数实验室进行无机样品分析测试时，样品前处理的时间约占整个分析时间的70％，因此研发新一代消解仪是提高样品分析测试效率的关键。
在现有技术中，传统的电热套、电炉等只能使样品容器的局部受热，样品受热不均匀，样品各部位存在一定的温度差，且敞开式加热方式热量散失极大，导致样品温度和加热器的表面温度存在较大的差距，消解效果差，电能耗费量大。再有近几年，国外的高端消解仪产品都改用石墨作为加热体，利用高纯石墨优良的导热性和可加工性，可提高加热的均匀性，但是石墨比较硬脆，在加工、运输和装配过程中容易损坏，并且材料成本和加工成本相对较高。
另一方面，消解仪用于对待测试剂进行加热预处理，所以开发消解仪的重点和难点在于加热的快速性、稳定性以及温度的精确控制。目前既有的电加热方式如变压器调压直接加热、固态继电器加热、晶闸管控制加热等，具有加热效率低、控制精度差等缺点，温度控制超调大，温度控制精度低。
发明内容
本发明需要解决的技术问题提供一种加热均匀且温控精确的电热消解仪。
为解决上述的技术问题，本发明的电热消解仪包括加热体，所述加热体通过加热主电路与交流电源连接形成加热回路，所述加热主电路包括依次串接的空气断路器、单相全桥整流滤波单元和Buck主电路；
还包括设置在加热体上的温度传感器，所述温度传感器通过滤波放大单元分别与单片机和PWM控制驱动单元，所述单片机与PWM控制驱动单元相连接，所述PWM控制驱动单元通过隔离驱动单元与Buck主电路相连接；PWM控制驱动单元通过采样电阻对加热回路中电流采样；
所述单片机的输出端连接有显示温度的输出设备，输入端连接有参数设定的输入设备。
进一步的，所述BUCK主电路包括功率开关管T1和二极管D5，所述功率开关管T1的漏极与单相全桥整流滤波单元输出端相连接，所述功率开关管T1的栅极与隔离驱动单元相连接，所述功率开关管T1的源极与加热体相连接，所述二极管D5反向并联在加热体两端。
进一步的，所述PWM控制驱动单元包括电流检测单元，脉宽输出调制单元和保护单元；所述采样电阻的电流采样信号通过电流检测单元与脉宽输出调制单元相连接，所述滤波放大单元通过保护单元与脉宽输出调制单元相连接，所述脉宽输出调制单元与隔离驱动单元相连接。
进一步的，所述滤波放大电路包括级联的差动放大电路和电压滤波放大电路，所述差动放大电路的基准为0℃时标准电阻的分压值。
进一步的，所述温度传感器为两个，同步采样加热器温度信号，分别通过滤波放大电路与单片机相连接。
更进一步的，所述温度传感器为PT100温度传感器。
进一步的，所述加热体为铸铝加热体。
采用上述结构后，本发明的电热消解仪采用功率开关管，选择Buck电路作为主电路拓扑，通过逆变调功改变输出脉宽，从而实现输出功率的精确调节，继而可以实现加热过程的精确控制。
附图说明
下面将结合附图和具体实施方式对本作进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明加热主电路的电路原理图。
图3为本发明滤波放大单元的电路原理图。
图4为本发明PWM控制单元的结构示意图。
图5为本发明脉宽调制单元的电路原理图。
图6为本发明保护单元的电路原理图。
图中：1为加热主电路，2为加热体，3为PWM控制驱动单元，4为采样电阻，5为温度传感器，6为液晶显示器，7为键盘
101为空气断路器，102为单相全桥整流滤波单元，103为BUCK主电路
301为隔离驱动单元，302为PWM控制驱动单元，303为单片机，304为滤波放大单元，305为脉宽输出调制单元，306为电流检测单元，307为保护单元
具体实施方式
如图1所示，本发明的电热消解仪包括加热体2，本发明的加热体2为铸铝加热体，利用铸铝优良的导热性、可加工性等物理性能，以及较低的成本，不仅提高了消解仪加热的均匀性，而且可降低成本、改善性能。所述加热体2通过加热主电路1与交流电源连接形成加热回路，所述加热主电路包括依次串接的空气断路器101、单相全桥整流滤波单元102和Buck主电路103，交流电源与空气断路器101输入端相连、空气断路器101输出端与单相全桥整流滤波单元102输入端相连，单相全桥整流滤波单元102输出端连接至Buck主电路103输入端。空气断路器101为带漏电保护的空气断路器，当主电路发生漏电或绝缘破坏时，空气断路器101断开，保护人身和设备安全。
本实施例还包括设置在加热体上的温度传感器5，本实施例中温度传感器为PT100温度传感器。所述温度传感器通过滤波放大单元分别304与单片机303和PWM控制驱动单元302，本实施例中单片机采用MC9S08DZ60CLC，所述单片机303与PWM控制驱动单元302相连接，所述PWM控制驱动单元通过隔离驱动单元301与Buck主电路103相连接；PWM控制驱动单元302通过采样电阻4对加热回路中电流采样，本实施例中采样电阻4为0.5Ω。
所述单片机的输出端连接有显示温度的输出设备，输入端连接有参数设定的输入设备。本实施例中，输出设备为液晶显示器6，输入设备为键盘7。
电热消解仪加热主电路的输入为AC220V/50Hz动力电，输出连接至加热体2，主电路的电流采样信号输入至PWM控制驱动单元302，加热体内嵌的温度传感器5将温度信号分别传送至单片机和PWM控制驱动单元302，单片机控制电路为PWM控制驱动单元提供启动信号和功率给定信号，PWM控制驱动单元302经隔离驱动电路连接至加热主电路中的功率开关管的门极，键盘7将加热参数设定信号传送至单片机控制电路，单片机将加热温度显示信号输入至液晶显示器6。
其中，如图2所示，本发明加热主电路中的BUCK主电路包括功率开关管T1和二极管D5，所述功率开关管T1的漏极与单相全桥整流滤波单元102输出端相连接，所述功率开关管T1的栅极与隔离驱动单元相连接，所述功率开关管T1的源极与加热体相连接，所述二极管D5反向并联在加热体两端。工频单相220V/50Hz交流电经单相全桥整流滤波单元102整流滤波后，经IGBT功率开关管T1构成的Buck主电路产生开关频率为18kHz的输出电压，可以实现加热板输入功率精确控制，从而可以提高加热温度控制的精度。
如图3所示，所述滤波放大电路包括级联的差动放大电路和电压滤波放大电路，所述差动放大电路的基准为0℃时标准电阻的分压值。本实施例中差动放大电路部分的放大器和电压滤波放大电路中的放大器分别采用运算放大器U1的两个放大器，本实施例中运算放大器为LM258。温度信号滤波放大电路采用TL431A作为2.5V电压基准源，PT100热敏电阻反馈的电压信号通过LM258与0℃时的标准电阻(100Ω)的分压值进行差动放大，LM258的5、6、7脚的放大器为差动放大器，温度传感器输出信号PT1+与LM258的5脚相连接，PT1-与LM258的6脚相连接。经过差动放大后，再经过由LM258的2、3、7脚的放大器及其外围电路组成的放大电路，进行电压信号的放大滤波，最后得到与实测温度相对应的电压信号。为了防止传感器失效而导致加热温度失控，采用两个温度传感器及其温度信号滤波放大电路对温度信号进行实时同步采样。对两个温度探头采集的温度进行比较，一旦两个温度采样值相差30℃，则认为温度探头出现故障，则系统自动停止加热，同时进行声音报警，这样就有效避免了传感器失效而导致的加热失控，大大提高了消解仪的温度控制的可靠性。
如图4、图5所示，采集到的加热主电路的电流反馈值I输入至电流检测电路进行信号处理后，输入至PWM控制驱动单元，进行电流负反馈闭环控制；温度信号经温度信号滤波放大电路转换为电压信号输入至保护电路实现过温保护，同时保护电路中还包括欠压保护电路及过载保护电路，一旦出现不正常工作信号，均会产生停止信号，即PWM控制电路停止产生PWM波形，以保证控制过程的安全有效，也避免了调试及使用过程中对控制板元器件的损坏。MC9S08DZ60CLC单片机输出的启动信号用来启动PWM控制电路，功率给定信号用来改变PWM控制电路输出脉冲波形的脉冲宽度，从而实现功率控制。PWM控制电路的核心由PWM发生电路芯片U3及其外围电路组成，所述PWM发生电路芯片U3采用SG2525A，用来输出工作频率达20KHz的脉冲波形用来驱动隔离驱动电路，同时具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。由加热控制电路输出的PWM脉冲波形输入至隔离驱动电路。在图5所示的脉宽输出调制单元305中，调节SG2525A的9脚电压信号PM可以改变PWM输出信号P1的脉冲宽度，8脚外接电容C33可以实现软启动功能，外部控制脉冲信号Shutdown输入到外部控制端10脚，可以实现对软启动电路和输出驱动信号的控制。
本发明电热消解仪设计了过载过温和欠压保护电路，凡出现不正常工作信号，均会产生停止信号(使图5中的Shutdown信号变为高电平)，即停止产生PWM，以保证控制过程的安全有效，也避免了调试及使用过程中对控制板元器件的损坏。过温保护电路如图6所示，当控制电路检测到加热温度超过228℃，则产生过温保护信号。其中，ADIn1和ADIn2为两个PT100温度传感器采集的温度信号。
另外，本实施例中，隔离驱动单元301采用基于芯片M57962的IGBT驱动电路，脉宽输出调制单元305输出信号P1输入到芯片M57962，芯片M57962的输出信号驱动IGBT功率开关管T1，从而实现输出功率的控制，达到精确控温。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式作出多种变更或修改，而不背离发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (7)
1.一种电热消解仪，包括加热体，其特征在于：所述加热体通过加热主电路与交流电源连接形成加热回路，所述加热主电路包括依次串接的空气断路器、单相全桥整流滤波单元和Buck主电路；
还包括设置在加热体上的温度传感器，所述温度传感器通过滤波放大单元分别与单片机和PWM控制驱动单元，所述单片机与PWM控制驱动单元相连接，所述PWM控制驱动单元通过隔离驱动单元与BUCK主电路相连接；PWM控制驱动单元通过采样电阻对加热回路中电流采样；
所述单片机的输出端连接有显示温度的输出设备，输入端连接有参数设定的输入设备。
2.按照权利要求1所述的电热消解仪，其特征在于：所述Buck主电路包括功率开关管T1和二极管D5，所述功率开关管T1的漏极与单相全桥整流滤波单元输出端相连接，所述功率开关管T1的栅极与隔离驱动单元相连接，所述功率开关管T1的源极与加热体相连接，所述二极管D5反向并联在加热体两端。
3.按照权利要求1所述的电热消解仪，其特征在于：所述PWM控制驱动单元包括电流检测单元，脉宽输出调制单元和保护单元；所述采样电阻的电流采样信号通过电流检测单元与脉宽输出调制单元相连接，所述滤波放大单元通过保护单元与脉宽输出调制单元相连接，所述脉宽输出调制单元与隔离驱动单元相连接。
4.按照权利要求1所述的电热消解仪，其特征在于：所述滤波放大电路包括级联的差动放大电路和电压滤波放大电路，所述差动放大电路的基准为0℃时标准电阻的分压值。
5.按照权利要求1所述的电热消解仪，其特征在于：所述温度传感器为两个，同步采样加热器温度信号，分别通过滤波放大电路与单片机相连接。
6.按照权利要求5所述的电热消解仪，其特征在于：所述温度传感器为PT100温度传感器。
7.按照权利要求1-6中任一项所述的电热消解仪，其特征在于：所述加热体为铸铝加热体。
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