CN115420792A - 一种趋近式调节icp-ms功率的方法 - Google Patents

一种趋近式调节icp-ms功率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种趋近式调节ICP‑MS功率的方法，在ICP‑MS的射频控制部分设有调节系统，所述调节系统包括：控制器；电源模块，用于将控制电压放大，为射频模块提供电压；射频模块，将电压加在等离子体上；DAC模块，用以调节输出电压；ADC采集模块，反馈实际功率Pc；控制器通过ADC采集模块的反馈反复调解DAC模块控制电压，使得实际功率Pc趋近目标功率Pt。本发明通过调节系统的控制，逐步反复的调节输出电压，趋近式缩小功率偏差，防止功率过冲的同时兼顾了功率调节的稳定性，提高调节效率。

Description

一种趋近式调节ICP-MS功率的方法
技术领域
本发明涉及ICP-MS设备的工作方法，尤其是涉及一种趋近式调节ICP-MS功率的方法。
背景技术
ICP-MS是以电感耦合等离子体作为离子源，以质谱进行检测的无机多元素分析技术。在使用过程中被分析样品通常以水溶液的气溶胶形式引入氩气流中，然后进入由射频能量激发的处于大气压下的氩等离子体中心区，等离子的高温使样品去溶剂化、汽化解离和电离；部分等离子体经过不同的压力区进入真空系统，在真空系统内，正离子被拉出并按其质荷比分离。
正常工作中，等离子是由外部气体带入设备，使得等离子容易收到外部因素影响，从而会出现波动，具有不稳定性，导致等离子产生的电流改变，使得功率的控制也不稳定。
发明内容
本发明是为了克服ICP-MS功率控制不稳定的不足之处，提供了一种趋近式调节ICP-MS功率的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种趋近式调节ICP-MS功率的方法，在ICP-MS的射频控制部分设有调节系统，所述调节系统包括：
控制器；
电源模块，用于将控制电压放大，为射频模块提供电压；
射频模块，将电压加在等离子体上；
DAC模块，用以调节输出电压；
ADC采集模块，反馈实际功率Pc；
控制器通过ADC采集模块的反馈反复调解DAC模块控制电压，使得实际功率Pc趋近目标功率Pt，所述反复调解DAC模块控制电压的方法包括：
(1)调节前，采集DAC模块控制电压和输出功率对应表，存储；
(2)粗调，目标功率Pt确定后，通过查表法设置接近的DAC模块控制电压，缩小功率偏差Pd，Pd＝Pt-Pc；
(3)微调，进一步比例调节DAC模块控制电压，使得|Pd/Pt|<0.01％，判断为稳定；
(4)ADC采集模块持续监测，若出现波动，自动按上述方法动态调节至稳定。
ICP-MS射频激发时，射频电压经过等离子产生电流，通过电压和电流可以计算出射频功率。本发明中，采用控制输出电压来调节射频频率。但在调节电压时，还存在一个问题，直接调节电压，调节幅度很难掌控，控制过程中容易超调，影响安全。
本发明在射频控制部分，增加了一套调节系统，通过调节系统的控制，逐步反复的调节输出电压，趋近式缩小功率偏差，防止功率过冲的同时兼顾了功率调节的稳定性，提高调节效率。
作为优选，
DAC模块中，DAC模块控制电压，经过转换为DO值，反复调解DAC模块控制电压的方法，以功率偏差Pd的绝对值为调节条件，以DO值为调节参数，方法如下：
若|Pd|大于400W，通过查表法，找出最接近目标功率Pt的DO值；
若|Pd|大于60W且小于等于400W，比例调节DO值，调节公式为DO＝DO′+(Pd*10)/2；
若|Pd|小于等于60W，比例调节DO值，调节公式为DO＝DO′+(Pd*10)/8；
DO′为调整前的DO值。
DAC模块控制电压数据变化幅度小，不利于直接作为控制的调节参数，改用DAC模块转换的DO值。粗调时，直接查表，可快速定位缩小功率偏差。之后的比例微调，利用DO值和功率的正比例关系，针对不同的偏差范围设置不同的调节比例，防止功率有比较大的过冲造成测试值出现不稳。
作为优选，粗调时，设置减去固定DOX值作为安全调节措施，调节公式为DO＝DO'-DOX。
作为优选，DOX值设为5000。
在偏差较大时采用查表法，同时减去一部分值，防止初次调节功率过大，损坏仪器或者造成安全事故。
作为优选，对DO值的调节设置安全范围，DAC设置电压上限Dmx，上述所有调节过程若DO值调节后超过Dmax，则DO＝Dmx。
作为优选，ADC采集模块包括ADC1采集模块，用于采集射频电压；ADC2采集模块，用于采集射频电流所在电路电压，转换后得到射频电流；射频电压和射频电流计算得出实际功率Pc。
作为优选，DAC模块和ADC采集模块集成在控制器上，控制器为微控制单元MCU。
作为优选，DAC模块控制电压和输出功率对应表的采集方法如下：
(1)PC电脑和MCU通过串口交互；
(2)PC电脑指令调整DAC模块控制电压，并经过线性关系转换为DO值，记录；
(3)ADC1采集模块采集射频电压，记录；ADC2采集模块采集射频电流所在电路电压，转换后得到射频电流，记录；
(4)MCU通过串口将射频电压和射频电流上传给PC电脑，PC电脑计算输出功率，然后整合控制电压、DO值、射频电压、射频电流、输出功率的数据得到DAC模块控制电压和输出功率对应表。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过调节系统的控制，逐步反复的调节输出电压，趋近式缩小功率偏差，防止功率过冲的同时兼顾了功率调节的稳定性，提高调节效率。
(2)本发明提前将控制电压和输出功率对应表存储在MCU中，功率偏差较大时，可以更快的靠近目标值，减小调节时间。
(3)本发明设置了各项调节的安全措施，防止超调过冲，调节方式更加安全。
附图说明
图1是本发明调节系统的结构框架图。
图2是本发明的流程框架图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示，在ICP-MS的射频控制部分设有调节系统，所述调节系统包括：
控制器，微控制单元MCU；控制器自带DAC模块和ADC采集模块。
DAC模块，用以调节输出电压。
ADC采集模块，包括ADC1采集模块，用于采集射频电压；ADC2采集模块，用于采集射频电流所在电路电压，转换后得到射频电流；射频电压和射频电流计算得出实际功率Pc。
射频模块，将电压加在等离子体上。
电源模块，用于将控制电压放大，为射频模块提供电压。
上述调节系统，通过如下方法趋近式调节ICP-MS功率。
调节前，采集DAC模块控制电压和输出功率对应表，存储。
(1)PC电脑和MCU通过串口交互；
(2)PC电脑指令调整DAC模块控制电压，并经过线性关系转换为DO值，记录；
(3)ADC1采集模块采集射频电压，记录；ADC2采集模块采集射频电流所在电路电压，转换后得到射频电流，记录；
(4)MCU通过串口将射频电压和射频电流上传给PC电脑，PC电脑计算输出功率，然后整合控制电压、DO值、射频电压、射频电流、输出功率的数据得到DAC模块控制电压和输出功率对应表，如表1所示。
表1 DAC模块控制电压和输出功率对应表
Figure BDA0003689437980000041
Figure BDA0003689437980000051
调节时，目标功率Pt确定后，以粗调起始，通过查表法设置接近的DAC模块控制电压，缩小功率偏差Pd，Pd＝Pt-Pc。
然后进一步微调，控制器通过ADC采集模块的反馈反复调解DAC模块控制电压，使得实际功率Pc趋近目标功率Pt，通过比例调节DAC模块控制电压，使得|Pd/Pt|<0.01％，判断为稳定。
比例调节时，以功率偏差Pd的绝对值为调节条件，以DO值为调节参数：
若|Pd|大于400W，通过查表法，粗调；粗调时，设置减去固定DOX值作为安全调节措施，调节公式为DO＝DO′-DOX，DOX值设为5000。
若|Pd|大于60W且小于等于400W，比例调节DO值，调节公式为DO＝DO′+(Pd*10)/2；
若|Pd|小于等于60W，比例调节DO值，调节公式为DO＝DO′+(Pd*10)/8；DO'为调整前的DO值。
对DO值的调节设置安全范围，DAC设置电压上限Dmx，上述所有调节过程若DO值调节后超过Dmax，则DO＝Dmx。
综上，具体调节方法的流程以及设计的逻辑判断如图2所示：
初始逻辑判断：|Pd/Pt|<0.01％？是，则调节完毕，功率稳定。否，则进入逻辑判断一。
逻辑判断一：|Pd|大于400W？是，则通过查表法，找出最接近目标功率Pt的DO值；安全判断，若DO>Dmx，DO＝Dmx；若DO<Dmx，DO＝DO′-5000；运行得到反馈输出的实际功率Pc；继续进入初始逻辑判断。否，则进入逻辑判断二。
逻辑判断二：|Pd|大于60W且小于等于400W？是，比例调节DO值，调节公式为DO＝DO′+(Pd*10)/2；安全判断，若DO>Dmx，DO＝Dmx；运行得到反馈输出的实际功率Pc；继续进入初始逻辑判断。否，则进入逻辑判断三。
逻辑判断三：|Pd|小于等于60W？是，比例调节DO值，调节公式为DO＝DO′+(Pd*10)/8；安全判断，若DO>Dmx，DO＝Dmx；运行得到反馈输出的实际功率Pc；继续进入初始逻辑判断。
如此，循环不断的调节，使得实际功率Pc趋近目标功率Pt，使得|Pd/Pt|<0.01％，维持在稳定状态。ADC采集模块持续监测，若出现波动，自动按上述方法动态调节至稳定。
实施例1，将目标功率设置为1875w，点火后设备默认功率为1000w。按照上述方法调节，得到测试数据如表2。
表2实施例1测试数据
Figure BDA0003689437980000061
Figure BDA0003689437980000071
上述100组数据中，
第1次，点火后设备默认功率为1000w，符合逻辑判断一，查表粗调；
第2次至第6次，符合逻辑判断二，相应比例调节；
第7次至第95次，符合逻辑判断三，相应比例调节；
第96次后，符合初始逻辑判断，|Pd/Pt|＝0.00005<0.01％趋于稳定，不再调解，但持续监控。

Claims (8)

1.一种趋近式调节ICP-MS功率的方法，其特征在于，在ICP-MS的射频控制部分设有调节系统，所述调节系统包括：
控制器；
电源模块，用于将控制电压放大，为射频模块提供电压；
射频模块，将电压加在等离子体上；
DAC模块，用以调节输出电压；
ADC采集模块，反馈实际功率Pc；
控制器通过ADC采集模块的反馈反复调解DAC模块控制电压，使得实际功率Pc趋近目标功率Pt，所述反复调解DAC模块控制电压的方法包括：
(1)调节前，采集DAC模块控制电压和输出功率对应表，存储；
(2)粗调，目标功率Pt确定后，通过查表法设置接近的DAC模块控制电压，缩小功率偏差Pd，Pd＝Pt-Pc；
(3)微调，进一步比例调节DAC模块控制电压，使得|Pd/Pt|<0.01％，判断为稳定；
(4)ADC采集模块持续监测，若出现波动，自动按上述方法动态调节至稳定。
2.根据权利要求1所述的一种趋近式调节ICP-MS功率的方法，其特征在于，DAC模块中，DAC模块控制电压，经过转换为DO值，反复调解DAC模块控制电压的方法，以功率偏差Pd的绝对值为调节条件，以DO值为调节参数，方法如下：
若|Pd|大于400W，通过查表法，找出最接近目标功率Pt的DO值；
若|Pd|大于60W且小于等于400W，比例调节DO值，调节公式为DO＝DO'+(Pd*10)/2；
若|Pd|小于等于60W，比例调节DO值，调节公式为DO＝DO'+(Pd*10)/8；
DO'为调整前的DO值。
3.根据权利要求2所述的一种趋近式调节ICP-MS功率的方法，其特征在于，粗调时，设置减去固定DOX值作为安全调节措施，调节公式为DO＝DO'-DOX。
4.根据权利要求3所述的一种趋近式调节ICP-MS功率的方法，其特征在于，DOX值设为5000。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种趋近式调节ICP-MS功率的方法，其特征在于，对DO值的调节设置安全范围，DAC设置电压上限Dmx，上述所有调节过程若DO值调节后超过Dmax，则DO＝Dmx。
6.根据权利要求5所述的一种趋近式调节ICP-MS功率的方法，其特征在于，ADC采集模块包括ADC1采集模块，用于采集射频电压；ADC2采集模块，用于采集射频电流所在电路电压，转换后得到射频电流；射频电压和射频电流计算得出实际功率Pc。
7.根据权利要求6所述的一种趋近式调节ICP-MS功率的方法，其特征在于，DAC模块和ADC采集模块集成在控制器上，控制器为微控制单元MCU。
8.根据权利要求7所述的一种趋近式调节ICP-MS功率的方法，其特征在于，DAC模块控制电压和输出功率对应表的采集方法如下：
(1)PC电脑和MCU通过串口交互；
(2)PC电脑指令调整DAC模块控制电压，并经过线性关系转换为DO值，记录；
(3)ADC1采集模块采集射频电压，记录；ADC2采集模块采集射频电流所在电路电压，转换后得到射频电流，记录；
(4)MCU通过串口将射频电压和射频电流上传给PC电脑，PC电脑计算输出功率，然后整合控制电压、DO值、射频电压、射频电流、输出功率的数据得到DAC模块控制电压和输出功率对应表。
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