CN104470184A - 可自调谐的微波等离子体炬及其自调谐装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可自调谐的微波等离子体炬及其自调谐装置，微波等离子体炬（4）包括耦合天线（5）、调节件（6）。装置包括微波源，控制模块（2），传动装置（3）。所述微波源与所述耦合天线（5）相连，调节件（6）与所述传动装置（3）相连，传动装置（3）与控制模块（2）相连，控制模块（2）与所述微波源相连。其中，所述微波源产生微波电磁场为微波等离子体炬（4）提供微波能，同时从耦合天线（5）获取微波等离子体炬（4）的反馈信息，微波源将反馈信息中的反射功率值提取出来并反馈给控制模块（2），控制模块依据反射功率值以及预设的参数关系曲线向所述传动装置（3）发出控制信号，传动装置（3）带动调节件（6）移动。
Description
技术领域
本发明涉及化学测量技术领域，具体地，涉及一种可自调谐的微波等离子体炬及其自调谐装置。
背景技术
微波等离子体炬（MPT）为金钦汉教授于1985年所发明，对应申请专利号为CN 94205428.8。目前微波等离子体炬（MPT）已经商业化应用于顺序扫描型光谱仪、全谱直读型光谱仪等。然而，在这些MPT光谱仪的使用过程中，一旦系统的参数发生变化，就需要对炬管反射端面进行调节。如工作气体的变化、分析物成分和浓度的变化、流量的变化、功率的变化等等，或系统阻抗无法匹配，均使得工作状态下的MPT的反射功率处于非最优状态，能量得不到有效的利用，因此需要对炬管反射端面的位置进行调节，以便使其工作在最优状态下。
传统的MPT炬管是以手动调节实现的，属于开环控制，有以下不足：（1）需要操作者的经验；（2）为调节炬管频繁开关MPT光谱仪，操作繁琐，不利于仪器保护；（3）人工调节时仪器处于不封闭状态，易造成微波泄漏；（4）在一些非最佳工作状态时，MPT炬管自身发热给操作者带来了不便。
基于上述原因，亟需一种能够实现微波等离子体炬自调谐的装置和方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可自调谐的微波等离子体炬及其自调谐装置。
根据本发明提供的一种微波等离子体炬自调谐装置，所述微波等离子体炬（4）包括耦合天线（5）、调节件（6），其特征在于，所述装置包括微波源，控制模块（2），传动装置（3）；
所述微波源与所述耦合天线（5）相连，所述调节件（6）与所述传动装置（3）相连，所述传动装置（3）与所述控制模块（2）相连，所述控制模块（2）与所述微波源相连；
其中，所述微波源用以：
产生微波电磁场，从而为微波等离子体炬（4）提供微波能；
从耦合天线（5）获取微波等离子体炬（4）的反馈信息，将反馈信息中的反射功率值提取出来并反馈给控制模块（2）；
所述控制模块用以依据所述反射功率值以及预设的参数关系曲线向所述传动装置（3）发出控制信号，
所述传动装置（3）用以根据所述控制信号带动调节件（6）移动。
作为优化方案，所述微波源为全固态微波源。
作为优化方案，所述微波源为磁控管微波源；其中包含磁控管（8）、激励波导（9）、衰减器（12）、检波器（13）、转接模块（15）；所述磁控管（8）、激励波导（9）、转接模块（15）、耦合天线（5）依次相连；所述转接模块（15）、衰减器（12）、检波器（13）、控制模块（2）也依次相连；所述磁控管（8）发射的微波电磁场经由激励波导（9）、转接模块（15）、耦合天线（5）依次传输，从而为所述微波等离子体炬（4）提供微波能；所述反馈信息经耦合天线（5）、转接模块（15）衰减器（12）、检波器（13）依次传输，所述检波器（13）用以提取该反射功率值并反馈给控制模块（2）。
作为优化方案，所述转接模块（15）包含定向耦合器（10）和波导同轴转接器（11）；所述定向耦合器（10）分别与所述激励波导（9）、波导同轴转接器（11）、衰减器（12）连接；所述波导同轴转接器（11）与耦合天线（5）连接，所述波导同轴转接器（11）用以将定向耦合器（10）的矩形场微波能转换成同轴电磁场模式；
所述磁控管（8）发射的微波电磁场经由激励波导（9）、定向耦合器（10）、波导同轴转接器（11）、耦合天线（5）依次传输；所述反馈信息经由耦合天线（5）、波导同轴转接器（11）、定向耦合器（10）、衰减器（12）、检波器（13）依次传输。
作为优化方案，所述转接模块（15）包含三端口环形器（14）；所述三端口环形器（14）的第一端口与所述激励波导（9）相连，所述三端口环形器（14）的第二端口与所述耦合天线（5）相连，所述三端口环形器（14）的第三端口与所述衰减器（12）相连；
所述磁控管（8）发射的微波电磁场经由所述激励波导（9）、三端口环形器（14）的第一端口、三端口环形器（14）的第二端口、耦合天线（5）依次传输；所述反馈信息经由耦合天线（5）、三端口环形器（14）的第二端口、三端口环形器（14）的第三端口、衰减器（12）、检波器（13）依次传输。
作为优化方案，所述传动装置（3）包括电机和联动装置，所述电机分别与所述控制模块（2）和联动装置连接，所述联动装置与所述调节件连接；
所述电机用以根据控制模块（2）输出的控制信号转动，并通过联动装置带动调节件（6）移动。
作为优化方案，所述联动装置为导轨结构。
作为优化方案，所述联动装置为齿轮转动结构。
作为优化方案，所述控制模块（2）为单片机。
一种可自调谐的微波等离子体炬，其特征在于，包括上述微波等离子体炬自调谐装置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明用于控制MPT光谱仪中的微波等离子体炬，本发明可有效实现微波等离子体炬的自调谐，无需进行人工调谐，从而降低了对MPT光谱仪使用者的经验要求，且在仪器自调谐过程中仪器一直处于闭环状态，无需频繁开关MPT光谱仪就能自调节，有利于仪器的保护，也有效避免微波的泄漏，提高MPT光谱仪的可操作性及使用寿命。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一种可自调谐的微波等离子体炬示意图；
图2为一种全固态微波源MPT自调谐装置示意图；
图3为一种包含定向耦合器的磁控管微波源MPT自调谐装置示意图；
图4为一种包含三端口环形器的磁控管微波源MPT自调谐装置示意图；
图5为反射功率系数与反射端面距离的关系拟合曲线；
图6为一种微波等离子体炬自调谐控制方法（试探法）的流程图；
图7为另一种微波等离子体炬自调谐控制方法（初始定位法）的流程图。
上图中序号为：1-微波源；2-控制模块；3-传动装置；4-微波等离子体炬；5-耦合天线；6-调节件；7-反射端面；8-磁控管；9-激励波导；10-定向耦合器；11-波导同轴转接器；12-衰减器；13-检波器；14-三端口环形器；15-转接模块。
具体实施方式
下面结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示一种微波等离子体炬自调谐装置，所述微波等离子体炬（4）包括耦合天线（5）、调节件（6），其特征在于，所述装置包括微波源（1），控制模块（2），传动装置（3）；
所述微波源与所述耦合天线（5）相连，所述调节件（6）与所述传动装置（3）相连，所述传动装置（3）与所述控制模块（2）相连，所述控制模块（2）与所述微波源相连；
其中，所述微波源产生微波电磁场为微波等离子体炬（4）提供微波能，同时从耦合天线（5）获取微波等离子体炬（4）的反馈信息，微波源将反馈信息中的反射功率值提取出来并反馈给控制模块（2），控制模块依据所述反射功率值以及预设的参数关系曲线向所述传动装置（3）发出控制信号，传动装置（3）根据所述控制信号带动调节件（6）移动。
本实施例中微波源用于为微波等离子体炬（4）提供微波能，以及提取微波等离子体炬（4）的反馈信息中的反射功率值，反馈给控制模块（2）。控制模块（2）用于通过传动装置（3）控制所述调节件（6）的位置。所述调节件（6）用于调节所述反射端面（7）的位置。如图1所示，反射端面（7）沿外管（16）到耦合天线（5）的距离为反射端面距离L1，通过对L1的控制可以实现对所述微波等离子体炬（4）的调谐。
本实施例如图2所示，所述微波源为全固态微波源，用于为微波等离子体炬（4）提供微波能，以及从耦合天线（5）获得反馈信息，提取所述反馈信息中的反射功率值，反馈给控制模块（2）。由控制模块（2）进行分析判断后控制所述传动装置（3）工作，所述传动装置（3）带动所述调节件（6）沿图1中所示外管（16）移动。通过控制调节件（6）的移动速度和位置实现对微波等离子体炬的调谐。
本实施例所述传动装置（3）包括电机和联动装置，所述电机分别与所述控制模块（2）和联动装置连接，所述联动装置与所述调节件连接。所述电机用以根据控制模块（2）输出的控制信号转动，并通过联动装置带动调节件（6）移动,。
本发明所述控制模块（2）可以是计算机，也可以是单片机，只要能满足本发明所需要的比较判断功能即可，不局限于本实施例。
本发明所述联动装置可采用导轨、齿轮传动（蜗轮蜗杆结构、伞形齿轮结构等）、皮带轮等结构，只要能满足本发明所需要的机械传动功能即可，不局限于本实施例。
本实施例中微波源采用全固态微波源，控制模块（2）采用计算机，传动装置（3）采用齿轮传动。
本实施例中的全固态微波源作为功率源为微波等离子体炬（4）提供微波能，在供能的同时也会获得微波等离子体炬（4）的反馈信息，反馈信息中包含有反射功率值，反射功率值与反射端面距离L1的关系如图5所示。全固态微波源具有提取反射功率值的功能，将提取获得的反射功率值反馈给计算机，计算机根据反射功率值和图5所示的关系曲线作出分析判断，给电机发送动作电信号，电机根据接收的电信号带动齿轮转动，齿轮机械连动调节件（6）沿外管（16）上下移动。调节件（6）移动导致反射端面距离L1的变化，反馈信息也发生变化，计算机根据接收到的反馈信息对微波等离子体炬（4）的工作状态进行实时控制，实现微波等离子体炬的自调谐。
本发明还提供一种可自调谐的微波等离子体炬，包括实施例1或2或3所述微波等离子体炬自调谐装置和微波等离子体炬（4）。
实施例2：
如图3所示，本实施例中微波源采用的是一种包含定向耦合器的磁控管微波源，其中包含磁控管（8）、激励波导（9）、衰减器（12）、检波器（13）、转接模块（15）。所述磁控管（8）顺序与激励波导（9）、转接模块（15）、耦合天线（5）相连，为微波等离子体炬（4）提供微波能的同时接收微波等离子体炬（4）的反馈信息；同时，转接模块（15）顺序与衰减器（12）、检波器（13）相连，用于将反馈信息的衰减和传输；检波器（13）与所述控制模块（2）相连，用于对所述反馈信息提取反射功率值传输给控制模块（2）。
本实施例所述转接模块（15）包含定向耦合器（10）和波导同轴转接器（11）；所述定向耦合器（10）分别与所述激励波导（9）、波导同轴转接器（11）、衰减器（12）连接，在为微波等离子体炬（4）提供微波能的同时，将反馈信息传输给衰减器（12）；波导同轴转接器（11）通过所述耦合天线（5）与所述微波等离子体炬（4）相连，所述波导同轴转接器（11）用以将定向耦合器（10）的矩形场微波能转换成同轴电磁场模式。
本实施例中微波源采用包含定向耦合器的磁控管微波源，控制模块（2）采用单片机，传动装置（3）采用导轨传动。
本实施例中磁控管（8）通过与激励波导（9）连接输出微波电磁场，经由顺序连接的定向耦合器（10）、波导同轴转接器（11）、耦合天线（5）向微波等离子体炬（4）提供微波能。同时。从耦合天线（5）处可获得一微波等离子体炬（4）的反馈信息，该反馈信息经由波导同轴转接器（11）、定向耦合器（10）传输给衰减器（12）。衰减后的反馈信息传输给检波器（13），由检波器（13）提取出所需的反射功率值，将反射功率值传输给作为控制模块（2）的单片机。本实施例中的单片机与与实施例1中的计算机具有同样的功能，单片机根据反射功率值和图5所示的关系曲线作出分析判断，给电机发送动作电信号，电机根据接收的电信号带动导轨工作，导轨机械连动调节件（6）沿外管（16）上下移动。调节件（6）移动导致反射端面距离L1的变化，反馈信息也发生变化，单片机根据接收到的反馈信息对微波等离子体炬（4）的工作状态进行实时控制，实现微波等离子体炬的自调谐。
实施例3：
如图4所示，本实施例中微波源采用的是一种包含三端口环形器的磁控管微波源，其中包含磁控管（8）、激励波导（9）、衰减器（12）、检波器（13）、三端口环形器（14）。所述磁控管（8）顺序与激励波导（9）、三端口环形器（14）、耦合天线（5）相连，为微波等离子体炬（4）提供微波能的同时接收微波等离子体炬（4）的反馈信息；同时，三端口环形器（14）顺序与衰减器（12）、检波器（13）相连，用于将反馈信息的衰减和传输；检波器（13）与所述控制模块（2）相连，用于对所述反馈信息提取反射功率值传输给控制模块（2）。
所述三端口环形器（14）的1端口与所述激励波导（9）相连，用于微波能输入所述三端口环形器（14）；所述三端口环形器（14）的2端口与所述耦合天线（5）相连，用于所述三端口环形器（14）微波能的输出端口，为微波等离子体炬（4）提供微波能；所述三端口环形器（14）的3端口与所述衰减器（12）相连，用于将微波等离子体炬（4）的反馈信息输出给衰减器（12）。
本实施例中微波源采用包含三端口环形器的磁控管微波源，控制模块（2）采用单片机，传动装置（3）采用皮带轮结构。
本实施例中磁控管（8）通过与激励波导（9）连接输出微波电磁场，进入三端口环形器（14）的1端口，由所述三端口环形器（14）的2端口输出给耦合天线（5）向微波等离子体炬（4）提供微波能。从耦合天线（5）处可获得一微波等离子体炬（4）的反馈信息，该反馈信息经由三端口环形器（14）的2端口进入三端口环形器（14），从所述三端口环形器（14）的3端口输出给衰减器（12）。后续步骤与实施例2类似，衰减后的反馈信息传输给检波器（13），由检波器（13）提取出所需的反射功率值，将反射功率值传输给作为控制模块（2）的单片机。本实施例中的单片机与与实施例1中的计算机具有同样的功能，单片机根据反射功率值和图5所示的关系曲线作出分析判断，给电机发送动作电信号，电机根据接收的电信号带动皮带轮结构工作，皮带轮结构机械连动调节件（6）沿外管（16）上下移动。调节件（6）移动导致反射端面距离L1的变化，反馈信息也发生变化，单片机根据接收到的反馈信息对微波等离子体炬（4）的工作状态进行实时控制，实现微波等离子体炬的自调谐。
实施例4：
基于实施例1或2或3所述的微波等离子体炬自调谐装置，本实施例提供一种微波等离子体炬自调谐控制方法。本实施例所述的自调谐控制方法为试探法。
如图6所示，一种微波等离子体炬自调谐控制方法，其特征在于，基于上述的一种可自调谐的微波等离子体炬，所述控制模块（2）中的自调谐控制方法包含以下步骤：
S1：设置反射功率系数的阈值；
S2：读取实时反射功率作为第一反射功率值，对所述实时反射功率值求取第一反射功率系数；
S3：判断所述第一反射功率系数是否大于所述阈值，是，则进入步骤S4，否,则返回步骤S2；
S4：发送控制信号增大反射端面距离；
S5：读取实时反射功率作为第二反射功率值，判断第二反射功率值是否大于第一反射功率值，是，则发送控制信号减小反射端面距离后返回步骤S2，否，则返回步骤S2。
其中读取实时反射功率的步骤具体为：读取预设次数的反射功率后取平均值作为实时反射功率。
实施例5：
如图7所示，一种微波等离子体炬自调谐控制方法，其特征在于，基于上述实施例1-3的一种可自调谐的微波等离子体炬，所述控制模块（2）预先获取反射端面距离和反射功率系数的关系曲线后。所述控制模块（2）中的自调谐控制方法包含以下步骤：
S1：设置反射功率系数的阈值；
S2：获取实时反射端面距离；
S3：读取实时反射功率作为第一反射功率值，对所述实时反射功率值求取第一反射功率系数；
S4：判断所述第一反射功率系数是否大于所述阈值，是，则进入步骤S5，否,则返回步骤S3；
S5：根据所述预先获取的反射端面距离和反射功率系数的关系曲线和所述实时反射功率系数确定反射端面的移动方向；
S6：根据所述移动方向发送控制信号增大或减小反射端面距离，返回步骤S2。
其中步骤S6具体为：
S601：根据电机转速、联动装置参数计算出反射端面距离与所述传动装置（3）的传动距离之间的机械移位关系；
S602：根据所述机械移位关系、步骤S2中的实时反射端面距离、预先获取反射端面距离和反射功率系数的关系曲线、阈值，计算出将所述第一反射功率系数降低到阈值所需要的所述传动距离；
S603：根据所述传动距离发送控制信号增大或减小反射端面距离；
S604：返回步骤S2。
本实施例所述预先获取反射端面距离和反射功率系数的关系曲线的实验获取方法和步骤如下：
步骤1：在启动前设定反射端面距离L1为某一常值，然后启动等离子体，在等离子体稳定状态下，通过软件读取6次的反射功率值，取平均值记下此次获取的反射端面距离和反射功率值作为一个坐标点。
步骤2：关闭电源熄灭等离子体，调节反射端面，即修改L1值，再次重复步骤1进行测量，如此反复在L1可调量程内共取样18个点，最终得到不同反射端面距离L1处反射功率系数的大小。
步骤3：采用最小二乘法对上述18个点进行拟合，并将计算曲线与实验数据进行比对、修正后获得所述反射端面距离和反射功率系数的关系曲线。
定义反射功率系数为工作状态下反射功率P R 相对于入射功率的比值P 1 。图5中“+”表示根据实验测量数据进行计算得到的对应的反射功率系数，曲线表示基于等效模型采用最小二乘法得到的拟合曲线，两条平行于x轴的虚线中上面的线表示假设实验中所测反射功率系数为20%对应的直线，该直线与拟合曲线所交的点用圆圈标出，本实施例中将反射功率系数为10%所对应的直线作为控制方法中设定的反射功率系数阈值。本实施例启动MPT全谱仪，控制微波功率、载气、维持气和屏蔽气流量。保持微波入射功率为 100 W，载气与维持气流量均为0.9 L/min，屏蔽气流量1.6 L/min，L2固定为13.5mm。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种微波等离子体炬自调谐装置，所述微波等离子体炬（4）包括耦合天线（5）、调节件（6），其特征在于，所述装置包括微波源，控制模块（2），传动装置（3）；
所述微波源与所述耦合天线（5）相连，所述调节件（6）与所述传动装置（3）相连，所述传动装置（3）与所述控制模块（2）相连，所述控制模块（2）与所述微波源相连；
其中，所述微波源用以：
产生微波电磁场，从而为微波等离子体炬（4）提供微波能，
从耦合天线（5）获取微波等离子体炬（4）的反馈信息，将反馈信息中的反射功率值提取出来并反馈给控制模块（2）；
所述控制模块用以依据所述反射功率值以及预设的参数关系曲线向所述传动装置（3）发出控制信号；
所述传动装置（3）用以根据所述控制信号带动调节件（6）移动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微波源为全固态微波源。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微波源为磁控管微波源；其中包含磁控管（8）、激励波导（9）、衰减器（12）、检波器（13）、转接模块（15）；所述磁控管（8）、激励波导（9）、转接模块（15）、耦合天线（5）依次相连；所述转接模块（15）、衰减器（12）、检波器（13）、控制模块（2）也依次相连；所述磁控管（8）发射的微波电磁场经由激励波导（9）、转接模块（15）、耦合天线（5）依次传输，从而为所述微波等离子体炬（4）提供微波能；所述反馈信息经耦合天线（5）、转接模块（15）衰减器（12）、检波器（13）依次传输，所述检波器（13）用以提取该反射功率值并反馈给控制模块（2）。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述转接模块（15）包含定向耦合器（10）和波导同轴转接器（11）；所述定向耦合器（10）分别与所述激励波导（9）、波导同轴转接器（11）、衰减器（12）连接；所述波导同轴转接器（11）与耦合天线（5）连接，所述波导同轴转接器（11）用以将定向耦合器（10）的矩形场微波能转换成同轴电磁场模式；
所述磁控管（8）发射的微波电磁场经由激励波导（9）、定向耦合器（10）、波导同轴转接器（11）、耦合天线（5）依次传输；所述反馈信息经由耦合天线（5）、波导同轴转接器（11）、定向耦合器（10）、衰减器（12）、检波器（13）依次传输。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述转接模块（15）包含三端口环形器（14）；所述三端口环形器（14）的第一端口与所述激励波导（9）相连，所述三端口环形器（14）的第二端口与所述耦合天线（5）相连，所述三端口环形器（14）的第三端口与所述衰减器（12）相连；
所述磁控管（8）发射的微波电磁场经由所述激励波导（9）、三端口环形器（14）的第一端口、三端口环形器（14）的第二端口、耦合天线（5）依次传输；所述反馈信息经由耦合天线（5）、三端口环形器（14）的第二端口、三端口环形器（14）的第三端口、衰减器（12）、检波器（13）依次传输。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传动装置（3）包括电机和联动装置，所述电机分别与所述控制模块（2）和联动装置连接，所述联动装置与所述调节件连接；
所述电机用以根据控制模块（2）输出的控制信号转动，并通过联动装置带动调节件（6）移动。
7.根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于，所述联动装置为导轨结构。
8.根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于，所述联动装置为齿轮转动结构。
9.根据权利要求1或6所述的装置，其特征在于，所述控制模块（2）为单片机。
10.一种可自调谐的微波等离子体炬，其特征在于，包括权利要求1-6任意之一所述微波等离子体炬自调谐装置和微波等离子体炬（4）。
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