CN107302234B - 预浓缩管快速加热电路及其方法 - Google Patents

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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices

Abstract

本发明涉及一种预浓缩管快速加热电路及其方法，该电路在工作状态下从直流电源中吸取电能，并存贮在电容(30)中；待充电完成后终止充电过程并启动放电过程，通过电容(30)放电对预浓缩管(70)进行加热。本发明能够减少预浓缩管加热的时间，以及提高预浓缩管加热的温度和提高仪器灵敏度。

Description

预浓缩管快速加热电路及其方法
技术领域
本发明涉及一种便携式气相色谱仪，特别是涉及便携式气相色谱仪预浓缩管加热电路及其方法。
背景技术
气相色谱法(GC)是常见类型的色谱法，它用于分离并分析能够蒸发而高温下不分解的化合物，在分析化学中用来对混合物进行分析。使用过程中，载气将进样口中已经气化的样品推入到预浓缩管进行冷凝富集后，在短时间内将预浓缩管快速加热，进行热解吸附。快速加热可以降低样品在预浓缩管中残留，保证仪器分析结果稳定。
中国科学院大连化学物理研究所在专利申请号201310419737.2中公开了一种热解吸附装置，由加热管，内衬管，密封圈，内衬管压帽，内衬管底座，内衬管底座绝热环，解吸器底座，样品传输管，解吸吹扫器气路，解吸分流气路，以及加热丝和温控元件组成。样品的加热通过加热管和气相色谱仪进样口共同完成，加热时间1.5分钟，加热温度250℃，并恒温3分钟。该发明存在两个问题：首先，该发明所公开的装置庞大且在便携式气相色谱仪中难以集成；其次，气相色谱仪是精密仪器，对系统的清洁程度要求很高，由于该装置结构复杂且需要现场连接气路，容易对系统造成污染。最后，单次升温加热时间太长不利于快速定量分析且该装置只适用于实验室环境的使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携式气相色谱仪预浓缩管加热电路，它在不影响气相色谱仪其他电路的状态下，可以减少预浓缩管加热的时间，提高预浓缩管加热的温度，提高仪器灵敏度。
为了实现上述目的，一方面本发明提供一种预浓缩管加热电路，该电路在工作状态下首先从直流电源取电，并存贮在电容中，充电驱动电路充电完成后终止充电过程并启动放电驱动电路，通过电容放电对预浓缩管进行加热。
优选地，预浓缩管加热电路包括预浓缩管、充电驱动电路、放电驱动电路、电容、第一开关、第二开关和电感；其中，充电驱动电路导通第一开关，从电源上获取能量并存储在电容中；在充电驱动电路充电过程结束后断开第一开关；同时，放电驱动电路导通第二开关，电容通过电感进行放电，并对预浓缩管进行加热。
优选地，预浓缩管加热电路还包括二极管。电容通过电感进行放电，并对预浓缩管进行加热后，同时存储部分能量在所述电感中；当电驱动电路放电过程结束后，断开第二开关；在电容和电感断开后，电感通过续流二极管继续预浓缩管进行加热。
优选地，预浓缩管加热电路还包括主控制器为所述电路提供充电驱动信号和放电驱动信号。
优选地，预浓缩管加热电路的主控制器由单片机、现场可编程门阵列和数字信号处理器中的一种实现。
优选地，预浓缩管加热电路的第一开关和所述第二开关为NMOS场效应管开关；第一开关和第二开关的第一端为源极，第一开关和第二开关的第二端为栅极，第一开关和第二开关的第三端为漏极。
优选地，预浓缩管加热电路的充电驱动电路和所述放电驱动电路采用自举升压控制开关。
优选地，预浓缩管加热电路中电感和二极管组成的续流回路在充电过程中继续对预浓缩管进行加热和在放电过程抑制电流尖峰。
优选地，预浓缩管加热电路对预浓缩管的加热方式为多次循环加热。
另一方面，本发明提供了一种预浓缩管快速加热方法，该方法包括以下步骤：在工作状态下从直流电源中吸取电能，并存贮在电容中；待充电完成后终止充电过程并启动放电过程，通过电容放电对预浓缩管进行加热。
本发明能够减少预浓缩管加热的时间，以及提高预浓缩管加热的温度和提高仪器灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种预浓缩管快速加热电路的结构示意图；
图2是图1所示预浓缩管快速加热电路的原理图；
图3是本发明一个实施例中关键信号在一个充放电周期的波形示意图；
图4是本发明一个实施例中预浓缩管电压变化的实测波形图；
图5是是本发明实施例提供的一种预浓缩管快速加热电路方法的流程图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种预浓缩管快速加热电路的结构示意图。如图1所示，预浓缩管快速加热电路包括、充电驱动电路10、放电驱动电路20、电容30、第一开关51、第二开关52、电感60和预浓缩管70；其中，充电驱动电路10导通第一开关51，从电源上获取能量并存储在电容30中；在充电驱动电路10充电过程结束后断开所述第一开关51；放电驱动电路20导通第二开关52，电容30通过电感60进行放电，并对预浓缩管70进行加热。
本发明能够减少预浓缩管加热的时间，以及提高预浓缩管加热的温度和提高仪器灵敏度。
图2是图1所示预浓缩管快速加热电路的原理图。下面结合图2具体介绍本发明实施例提供的预浓缩管快速加热电路的工作原理。
充电驱动电路10包括电解电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R3、电阻R4和集成电路IC1。
放电驱动电路20包括电容C3、电容C5、电阻R2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D1、NMOS管Q3和集成电路IC2。
集成电路IC1和集成电路IC2为NMOS管的驱动芯片，当输入信号为低电平时，输出低电平；当输入信号为高电平时，输出高电平。
如图2所示，集成电路IC1的1脚接电源，并且连接电解电容C1的正极，电解电容C1的负极接地；充电控制信号S1通过电阻R3和R4分压后连接到集成电路IC1的2脚；集成电路IC1的3脚悬空；集成电路IC1的4脚接地；集成电路IC1的5脚、6脚连接，同时连接NMOS管Q1的源极、电阻R1、电容C3、NMOS管Q2的漏极和电解电容C4的正极，电解电容C4的负极接地；集成电路IC1的7脚接NMOS管Q1的栅极；集成电路IC1的8脚接电容C2，电容C2的另一端接电源，NMOS管Q1的漏极和电阻R1的一端接电源。
如图2所示，集成电路IC2的1脚与5脚和6脚相连，同时接电容C5的一端、二极管D2的阴极、电感L1的一端和NMOS管Q2的源极，二极管D2的阳极接地；集成电路IC2的2脚接NMOS管Q3的漏极，同时接电阻R5的一端；集成电路IC2的3脚接R5的一端，同时接二极管D1的阴极和电容C5的一端，同时二极管D1的阳极接15V电源；放电控制信号通过电阻R6和电阻R7分压后接到NMOS管Q3的栅极，NMOS管Q3的源极接到电阻R8的一端，电阻R8的另一端接地；集成电路IC2的4脚接电容C3；集成电路IC2的7脚接电阻R2的一端，同时接NMOS管Q2的栅极；集成电路IC2的8脚接电阻R8的一端；预浓缩管的一端接电感L1，另一端接地。
S1和S2为主控制器提供的两路控制信号，主控制器可以是单片机、现场可编程门阵列和数字信号处理器等。
28V电源从电容C1两端输入。
NMOS管Q1、NMOS管Q2和NMOS管Q3工作在开关状态是当栅极为低电平时，开关NMOS管Q1、NMOS管Q2和NMOS管Q3断开；当栅极为高电平时，开关NMOS管Q1、NMOS管Q2和NMOS管Q3导通。浓缩管快速加热电路的电路工作可分为三个过程：启动过程、充电过程和放电过程。
图3是本发明一个实施例中关键信号在一个充放电周期的波形示意图，图4是本发明一个实施例中预浓缩管电压变化的实测波形图。
如图3和图4所示，电路上电后进入启动过程，主控制器将充电驱动信号S1设置为低电平，通过电阻R3与充电驱动信号S1相连的集成电路IC1的2脚为低电平，集成电路IC1将7脚设置为低电平，与集成电路IC1的7脚相连的NMOS管Q1的栅极为低电平，因此开关NMOS管Q1断开。同时，由NMOS管Q1控制的充电电路不工作。电源通过电阻R1对电解电容C4充电，使电解电容C4两端电压达到28V。
预浓缩管加热流程启动后首先进入放电过程。主控制器将放电驱动信号S2设置为低电平，通过电阻R6与放电驱动信号S2相连的NMOS管Q3的栅极为低电平，NMOS管Q3断开，则电阻R5和电阻R8断开，集成电路IC2的2脚通过二极管D1和电阻R5连接到电源，电阻R5远小于集成电路IC2的2脚的输入阻抗，则集成电路IC2的2脚为高电平并且将7脚设置为高电平，与集成电路IC2的7脚相连的NMOS管Q2的栅极为高电平，开关NMOS管Q2导通。电解电容C4通过开关NMOS管Q2和电感L1开始放电，放电电流经过预浓缩管并使预浓缩管开始升温。
放电过程结束后，主控制器将放电驱动信号S2设置为高电平，通过电阻R6与放电驱动信号S2相连的NMOS管Q3的栅极为高电平，则NMOS管Q3导通，集成电路IC2的2脚电压由电阻R5和电阻R8分压提供。由于电阻R5远大于电阻R8，集成电路IC2的2脚为低电平并且将7脚设置为低电平，与集成电路IC2的7脚相连的NMOS管Q2的栅极为低电平，开关NMOS管Q2断开。电感L1通过二极管D2继续放电加热预浓缩管。
放电过程结束1微秒后启动充电过程，主控制器将充电驱动信号S1设置为高电平，通过电阻R3与放充电驱动信号S1相连的集成电路IC1的2脚为高电平。集成电路IC1将7脚设置为高电平，与集成电路IC1的7脚相连的NMOS管Q1的栅极为高电平，因此开关NMOS管Q1导通。电源通过NMOS管Q1给电解电容C4充电。充电过程结束2微秒后启动放电过程。
以上描述了预浓缩管快速加热电路工作过程，循环该过程可加热预浓缩管，通过调节循环次数使预浓缩管达到设定温度。
图5是是本发明实施例提供的一种预浓缩管快速加热电路方法的流程图。如图5所示，预浓缩管的加热通过以下步骤完成：充电驱动电路导通第一开关，从电源上获取能量并存储在电容中；充电过程结束后断开第一开关，延时2微秒后，通过放电驱动电路导通第二开关；电容通过电感放电，并对预浓缩管加热，同时存储部分能量在电感中；放电过程结束后断开第二开关，同时断开电感和电容，电感通过续流二极管对预浓缩管继续加热。预浓缩管快速加热电路充放电控制信号频率为50kHz，占空比2：3，预浓缩管加热时间为60ms，预浓缩管温度可达250℃。
本发明实施例解决了现有的热解吸附装置体积庞大，在便携式气相色谱仪中难以集成，容易对系统造成污染，以及单次升温加热时间太长不利于快速定量分析等问题。同时，本发明能够减少预浓缩管加热的时间，以及提高预浓缩管加热的温度和提高仪器灵敏度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种预浓缩管快速加热电路，其特征在于，所述电路在工作状态下从直流电源中吸取电能，并存贮在电容(30)中；待充电完成后终止充电过程并启动放电过程，通过电容(30)放电对预浓缩管(70)进行加热；
包括预浓缩管(70)，充电驱动电路(10)、放电驱动电路(20)、电容(30)、二极管(40)、第一开关(51)、第二开关(52)和电感(60)；其中，
所述充电驱动电路(10)导通所述第一开关(51)，从电源上获取能量并存储在所述电容(30)中；在所述充电驱动电路(10)充电过程结束后断开所述第一开关(51)；
所述放电驱动电路(20)导通所述第二开关(52)，所述电容(30)通过所述电感(60)进行放电，并对所述预浓缩管(70)进行加热；
所述电容(30)通过所述电感(60)进行放电，并对所述预浓缩管(70)进行加热后，同时存储部分能量在所述电感(60)中；当所述放电驱动电路(20)放电过程结束后，断开所述第二开关(52)；在所述电容(30)和所述电感(60)断开后，所述电感(60)一端连接二极管(40)阴极，另一端连接预浓缩管(70)，通过二极管(40)继续对所述预浓缩管(70)进行加热。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，还包括：主控制器(80)，所述主控制器(80)为所述电路提供充电驱动信号(S1)和放电驱动信号(S2)。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述主控制器(80)由单片机、现场可编程门阵列和数字信号处理器中的一种实现。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一开关(51)和所述第二开关(52)为NMOS场效应管开关；所述第一开关(51)和所述第二开关(52)的第一端为源极，第一开关(51)和所述第二开关(52)的第二端为栅极，第一开关(51)和所述第二开关(52)的第三端为漏极。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述充电驱动电路(10)和所述放电驱动电路(20)采用自举升压控制开关。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：电感(60)和二极管(40)组成的续流回路在充电过程中继续对预浓缩管(70)进行加热和在放电过程抑制电流尖峰。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述预浓缩管(70)的加热方式为多次循环加热。
8.一种预浓缩管快速加热方法，应用于如权利要求1-7所述的电路，其特征在于，在工作状态下从直流电源中吸取电能，并存贮在电容(30)中；待充电完成后终止充电过程并启动放电过程，通过电容(30)放电对预浓缩管(70)进行加热。
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