CN115842399A - 一种氦质谱检漏仪的供电装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氦质谱检漏仪的供电装置和控制方法，本发明属于电源设备技术领域，该供电装置包括检漏仪电源板，还包括：能效利用板、散热风扇A、DCDC芯片A、超级电容组、DCDC芯片B、MCU控制芯片、放气阀和散热风扇B；该供电装置利用分子泵的断电，反向发电的原理，将分子泵的动能转化为电能，利用该电能，驱动风扇散热，风扇作为负载，加快分子泵停转速度，极大地缩短了分子泵停转时间，便于移动；同时根据系统设定来决定是否开启放气阀，使质谱室内部真空度降低，便于拆卸和维修。

Description

一种氦质谱检漏仪的供电装置和控制方法

技术领域

本发明属于电源设备技术领域，具体涉及一种氦质谱检漏仪的供电装置和控制方法。

背景技术

传统氦质谱检漏仪往往采用如图1所示的供电方式，将市电220V交流电通过开关电源转化为24V，再将24V为电路板、电磁阀、分子泵等器件提供工作电源。启动检漏仪时，只需打开220V开关即可开启检漏仪，关闭检漏仪时，只需关闭220V开关，分子泵靠阻力自减速。

但是在关闭仪器后，为保证分子泵叶片安全，需要等待分子泵完全停转后才可以对氦质谱检漏仪进行移动，但是由于仪器关闭后分子泵前级真空度较高，分子泵需要10-20分钟才能完全停转，对于某些需要频繁移动检漏仪的应用场景造成了困扰与不便，另外，在技术人员在对氦质谱检漏仪维修或者内部检查时，由于质谱室处于较高的真空环境中，在大气压强的作用下，拆卸灯丝组件和放大器十分困难，靠外力硬拔又容易造成灯丝形变断裂。

发明内容

为了解决现有氦质谱检漏仪供电方式不适用于需要频繁移动的应用场景等问题，本发明提供了一种氦质谱检漏仪的供电装置和控制方法。本发明利用分子泵的断电，反向发电的原理，将分子泵的动能转化为电能，利用该电能，驱动风扇散热，风扇作为负载，加快分子泵停转速度，极大地缩短了分子泵停转时间，便于移动。

本发明通过下述技术方案实现：

一种氦质谱检漏仪的供电装置，包括检漏仪电源板，还包括：能效利用板、散热风扇A、DCDC芯片A、超级电容组、DCDC芯片B、MCU控制芯片、放气阀和散热风扇B；

其中，所述检漏仪电源板的输出端与所述能效利用板的输入端连接，通过所述能效利用板为所述氦质谱检漏仪的分子泵提供电源；

所述分子泵在电源断电后为所述能效利用板反向供电；

所述能效利用板分别为所述散热风扇A和DCDC芯片A供电；

所述DCDC芯片A对所述能效利用板输出电源进行降压转换输出，为所述超级电容组进行充电；

所述超级电容组输出端分别通过开关A和开关B连接所述放气阀和散热风扇B；

所述DCDC芯片B对所述超级电容组输出电源进行降压转换输出，为所述MCU控制芯片提供电源；

所述MCU控制芯片用于检测所述检漏仪电源板电源、超级电容组电压和分子泵转速，并根据检索结果控制所述放气阀和散热风扇B的开关的开闭。

作为优选实施方式，本发明的检漏仪电源板的输出端和所述能效利用板的输入端之间接一个正向肖特基二极管，防止所述分子泵反向供电给所述检漏仪电源板。

作为优选实施方式，本发明的放气阀采用电磁阀。

作为优选实施方式，本发明的DCDC芯片A和DCDC芯片B均采用SGM6132芯片进行降压转换。

作为优选实施方式，本发明的超级电容组采用多个超级电容串联形成，每个所述超级电容配备BW6101充电芯片防止过充。

作为优选实施方式，本发明的开关A和开关B均采用晶体管。

作为优选实施方式，本发明采用TLP521光耦检漏所述检漏仪电源板是否提供24V直流电源。

作为优选实施方式，本发明通过分压和运算放大器的跟随器和钳位形成MCU控制芯片AD的前级电路，分别检测所述超级电容组电压大小和分子泵转速大小。

另一方面，本发明还提出了基于上述供电装置的控制方法，该方法包括：

检测所述检漏仪电源板，如果所述检漏仪电源板提供电源，则控制所述开关A和开关B关闭，从而关闭所述放气阀和散热风扇B；

否则检测所述超级电容组电压，如果所述超级电容组电压大于电压阈值，则检测分子泵转速；

如果分子泵转速小于转速阈值，且需要维修则控制打开放气阀的开关，从而放气阀工作，降低质谱室内真空度，便于拆卸维修；

如果分子泵转速小于转速阈值，且不需要维修则控制打开散热风扇B的开关，从而散热风扇B工作，将所述超级电容组储存的电能释放掉。

作为优选实施方式，本发明的转速阈值为5Hz。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用新的供电方式，在氦质谱检漏仪完全启动后，关闭电源，此时分子泵的动能转化为电能，带动仪器散热风扇工作，风扇作为负载，加快分子泵停转速度，极大缩短了分子泵停转时间，便于移动，扩大了氦质谱检漏仪的应用范围。

2、本发明还采用超级电容存储部分电能，并根据系统设定来决定是否开启放气阀，使质谱室内部真空度降低，便于拆卸和维修。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为传统的氦质谱检漏仪供电原理框图。

图2为本发明实施例的氦质谱检漏仪的供电装置原理框图。

图3为本发明实施例的电源接口电路原理图。

图4为本发明实施例的DCDC24V转12V电路原理图。

图5为本发明实施例的DCDC12V转3.3V电路原理图。

图6为本发明实施例的超级电容组充放电电路原理图。

图7为本发明实施例的供电接口电路原理图。

图8为本发明实施例的检漏仪电源板供电检测电路原理图。

图9为本发明实施例的超级电容组电压检测电路原理图。

图10为本发明实施例的分子泵转速测量电路原理图。

图11为本发明实施例的控制方法流程图。

图12为分别采用传统氦质谱检漏仪供电方式和本发明的供电方式分子泵停转速度随时间变化曲线示意图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

由于传统检漏仪在仪器关闭后分子泵前级真空度较高，分子泵需要10-20分钟才能完全停转，因此传统检漏仪供电方式不适用于某些需要频繁移动检漏仪的应用场景，基于此，本实施例提出了一种氦质谱检漏仪的供电装置，本实施例提出的的供电装置通过将分子泵的动能转化为电能，带动仪器散热风扇，风扇作为负载，加快分子泵停转时间，便于移动。

具体如图2所示，本实施例提出的供电装置包括检漏仪电源板、能效利用板、DCDC芯片A、DCDC芯片B、超级电容组、MCU控制芯片、开关和放气阀等。

其中，检漏仪电源板的输出端与能效利用板的输入端连接，用于为能效利用板提供24V 直流电源；能效利用板的输出端分别与风扇A、DCDC芯片A和分子泵的输入端连接，用于分别为风扇A、DCDC芯片A和分子泵提供24V 直流电源；分子泵的输出端与能效利用板的输入端连接，用于为能效利用板反向提供直流电源；DCDC芯片A将输入电源转换为12V直流电源输出，DCDC芯片A的输出端与超级电容组的输入端连接，用于为超级电容组提供充电电源；超级电容组的输出端与DCDC芯片B的输入端连接，用于为DCDC芯片B提供直流电源；DCDC芯片B将输入电源转换为3.3V直流电源输出，DCDC芯片B的输出端与MCU控制芯片的输入端连接，用于为MCU控制芯片提供直流电源；超级电容组的输出端还分别通过一个开关（即开关A和开关B）与放气阀和风扇的输入端连接，用于为放气阀和风扇提供直流电源；MCU控制芯片用于对超级电容组电压、分子泵转速和检测液电源板工作情况进行检测，并根据检测结果控制放气阀和风扇的开关的打开和关闭，从而控制放气阀和风扇是否工作。

本实施例的装置还包括在检漏仪电源板的输出端和分子泵电源的输入端之间接入的一个正向肖特基二极管，防止总电源关闭时，分子泵反向供电给检漏仪电源板。

本实施例的风扇A和风扇B均可为仪器本身自带的散热风扇。

本实施例的放气阀可采用电磁阀，安装在质谱室上，电磁阀工作时，能够降低质谱室真空度。

本实施例提出的供电装置的工作原理为：

检漏仪工作时（即检漏仪电源板供电），通过能效利用板为分子泵和仪器中的风扇A提供24V直流电源，同时能效利用板输出的24V直流电源经DCDC芯片A转换为12V直流电源输出，DCDC芯片A输出的12V直流电源用于对超级电容组进行充电，超级电容组输出的电源经DCDC芯片B转换为3.3V直流电源，用于为MCU控制芯片供电，此时，MCU控制芯片检测到检漏仪电源板供电，控制放气阀和风扇的开关关闭，超级电容组不对放气阀和风扇供电，放气阀和风扇不工作；检漏仪断电后（即检漏仪电源板断电），分子泵停转过程产生电能反向提供给能效利用板，具体的，分子泵能够为能效利用板反向提供20V左右的直流电源；MCU控制芯片检测到检漏仪电源板断电，然后检测到超级电容组电压大于12V，之后检测到分子泵转速符合预设条件时，格局是否需要维修，控制放气阀或风扇的开关的打开，则超级电容组为放气阀或风扇供电，放气阀或风扇工作，放气阀工作时，使质谱室内部真空度变低，便于拆卸维修；风扇工作时，则将超级电容组储存带能释放掉。

一种可选的实施方式，如图3所示，P1为风扇电源接口，J2为检漏仪电源板电源接口，为分子泵提供24V直流电源。当关闭总电源时，J2不再提供24V输入，分子泵停转过程产生电能反向提供给能效利用板，肖特基二极管D1是为了防止反向供电给检漏仪电源板。

一种可选的实施方式，DCDC芯片A电路原理图和DCDC芯片B电路原理图分别如图4和图5所示，其中，DCDC芯片A和DCDC芯片B均采用SGM6132芯片进行降压转换，SGM6132的电压输入范围为4.5~28.5V，输出电压可调幅度为0.1~22V，输出最大持续电流可达3A（4.2A关断保护），关断静态电流小于18μA，电源转换效率高达91%以上。

DCDC芯片A电路和DCDC芯片B电路结构相同，SGM6132芯片的IN端接输入电源、并通过两个并联电容接地；SGM6132芯片的SS端通过一个电容接地；SGM6132芯片的GND端接地；SGM6132芯片的COMP端通过依次串联的电容和电阻接地；SGM6132芯片的FB端通过一个电阻接地；SGM6132芯片的SW端通过一个电容接SGM6132芯片的BS端，SGM6132芯片的SW端与电感的一端连接，电感的另一端作为转换电源输出端，电感的另一端分别通过串联的两个电阻连接SGM6132芯片的FB端、通过并联的两个电容接地；SGM6132芯片的EN端通过串联的两个电阻接地，且SGM6132芯片的EN端的两个串联电阻的公共连接端与SGM6132芯片的IN端连接。

当电源由检漏仪电源板提供时，U6将检漏仪电源板24V转为12V输出，U10将12V转换为3.3V输出，分别提供12V和3.3V两种稳定电源。

一种可选的实施方式，超级电容组充放电电路原理图如图6所示，电磁阀最高工作电压为12V，最低工作电压为6V，需要持续开启10s左右，根据超级电容计算公式：

持续期间所需电能=1/2I(Vwork+ Vmin)t

超级电容减少电能=1/2C(Vwork² -Vmin²)

C=(Vwork+ Vmin)It/( Vwork² -Vmin²)

C（F）：超电容的标称容量；

Vwork（V）：正常工作电压；

Vmin（V）：截止工作电压；

t（s）：在电路中要求持续工作时间；

I（A）：负载电流。

计算得出电容取值为12V 2F比较适合，所以采用5个2.7V 10F的超级电容串联形成电容组（即C2、C5、C8、C15和C18），每一个超级电容都配备BW6101充电芯片防止过充，保护电容，延长电容寿命。具体如图6所示，超级电容C2、C5、C8、C15和C18依次串联连接，C2的正极作为供电电源，C2的正极通过电阻R1和二极管D3与输入电源连接，C2的正极通过二极管D2与充电电源连接，C2的正极与U1的VDD端连接，C2的正极通过电阻R3与U1的SEL端连接，C2的负极与C5的正极连接，C2的负极与U1的GND端连接，C2的负极通过发光二极管D5和电阻R9与U1的LED端连接，C2的负极通过电阻R8与U1的Iout端连接；C5的正极与U3的VDD端连接，C5的正极通过电阻R10与U3的SEL端连接，C5的负极与U3的GND端连接，C5的负极与C8的正极连接，C5的负极通过发光二级管D6和电阻R14与U3的LED端连接，C5的负极通过电阻R12与U3的Iout端连接；C8的正极与U4的VDD端连接，C8的正极通过电阻R15与U4的SEL端连接，C8的负极与U4的GND端连接，C8的负极与C15的正极连接，C8的负极通过发光二极管D7和电阻R24与U4的LED端连接，C8的负极通过电阻R18与U4的Iout端连接；C15的正极与U7的VDD端连接，C15的正极通过电阻R25与U7的SEL端连接，C15的负极与U7的GND连接，C15的负极通过发光二极管D10和电阻R30与U7的LED端连接，C15的负极通过电阻R29与U7的Iout端连接，C15的负极与C18的正极连接；C18的正极与U8的VDD端连接，C18的正极通过电阻R31与U8的SEL端连接，C18的负极与U8的GND端连接，C18的负极通过发光二级管D12和电阻R36与U8的LED端连接，C18的负极通过电阻R34与U8的Iout端连接，C18的负极接地。

其中D3和R1为电容充电限流，用于保护DCDC芯片B，D2当分子泵反向发电电能不够时，由超级电容提供给DCDC芯片B，由DCDC芯片B降压至3.3V提供给MCU控制芯片，保证MCU控制芯片正常工作。由MCU控制芯片决定是否开启放气阀，若不需要开启则超级电容通过12V风扇放电。

一种可选的实施方式，放气阀（电磁阀）供电接口和风扇B供电接口原理图如图7所示，其中，超级电容组输出电源通过开关Q1与电磁阀供电接口连接，开关Q1的S端通过电阻R2与G端连接，开关G端与三极管T1的C端连接，三极管T1的E端接地，三极管T1的B端通过电阻R5接MCU控制芯片的控制信号；超级电容组输出电源还通过开关Q2与风扇B供电接口连接，开关Q2的S端通过电阻R11与G端连接，开关Q2的G端与三极管T2的C端连接，三极管T2的E端接地，三极管T2的B端通过电阻R14接MCU控制芯片的控制信号。

当需要维修时，控制Q1打开，Q2关闭，则电磁阀开始工作，降低质谱室内真空度，便于拆卸维修；当不需要维修时，控制Q2打开，Q1关闭，则风扇开始工作，将超级电容组储能的电能释放掉。

一种可选的实施方式，检漏仪电源板供电检测电路原理图如图8所示，利用TLP521光耦，检测检漏仪电源板是否提供24V电源，R35为限流电阻。

一种可选的实施方式，超级电容组电压检测电路原理图和分子泵转速检测电路原理图分别如图9和图10所示，两个检测电路均通过分压和运算放大器的跟随器和钳位形成MCU控制芯片AD的前级电路，分别测量超级电容组电压大小和分子泵转速大小，以提供给MCU控制芯片进行处理。

一种可选的实施方式，MCU控制芯片的控制逻辑如图11所示，具体包括如下步骤：

检测检漏仪电源板，如果检漏仪电源板提供24V电源，则关闭电磁阀和风扇B；

如果检漏仪电源板未提供24V电源，则检漏超级电容组电压，如果超级电容组电压大于12V，则检测分子泵转速，如果分子泵转速小于预设值（例如可以将预设值设置为5Hz），根据是否需要维修控制打开电磁阀或打开风扇B，如果需要维修，则打开电磁阀降低质谱室内真空度，便于拆卸维修，如果不需要维修，则打开风扇B将超级电容组电压释放掉。

为了验证本实施例提出的供电装置的效果，分别测试常规检漏仪供电方式下和本实施例提出的上述供电方式下，分子泵完全停下所需要时间，得到如图12的测量结果。根据测量结果，可发现常规方法分子泵完全停转用时1638秒（约27分钟），采用本发明方法分子泵停转171秒（约3分钟），大幅度缩短了分子泵停转所需时间，给检漏提供方便。

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 (10)

1.一种氦质谱检漏仪的供电装置，包括检漏仪电源板，其特征在于，还包括：能效利用板、散热风扇A、DCDC芯片A、超级电容组、DCDC芯片B、MCU控制芯片、放气阀和散热风扇B；

其中，所述检漏仪电源板的输出端与所述能效利用板的输入端连接，通过所述能效利用板为所述氦质谱检漏仪的分子泵提供电源；

所述分子泵在电源断电后为所述能效利用板反向供电；

所述能效利用板分别为所述散热风扇A和DCDC芯片A供电；

所述DCDC芯片A对所述能效利用板输出电源进行降压转换输出，为所述超级电容组进行充电；

所述超级电容组输出端分别通过开关A和开关B连接所述放气阀和散热风扇B；

所述DCDC芯片B对所述超级电容组输出电源进行降压转换输出，为所述MCU控制芯片提供电源；

所述MCU控制芯片用于检测所述检漏仪电源板电源、超级电容组电压和分子泵转速，并根据检索结果控制所述放气阀和散热风扇B的开关的开闭。

2.根据权利要求1所述的一种氦质谱检漏仪的供电装置，其特征在于，所述检漏仪电源板的输出端和所述能效利用板的输入端之间接一个正向肖特基二极管，防止所述分子泵反向供电给所述检漏仪电源板。

3.根据权利要求1所述的一种氦质谱检漏仪的供电装置，其特征在于，所述放气阀采用电磁阀。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种氦质谱检漏仪的供电装置，其特征在于，所述DCDC芯片A和DCDC芯片B均采用SGM6132芯片进行降压转换。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种氦质谱检漏仪的供电装置，其特征在于，所述超级电容组采用多个超级电容串联形成，每个所述超级电容配备BW6101充电芯片防止过充。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种氦质谱检漏仪的供电装置，其特征在于，所述开关A和开关B均采用晶体管。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种氦质谱检漏仪的供电装置，其特征在于，采用TLP521光耦检漏所述检漏仪电源板是否提供24V直流电源。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种氦质谱检漏仪的供电装置，其特征在于，通过分压和运算放大器的跟随器和钳位形成MCU控制芯片AD的前级电路，分别检测所述超级电容组电压大小和分子泵转速大小。

9.基于权利要求1-8任一项所述的供电装置的控制方法，其特征在于，该方法包括：

检测所述检漏仪电源板，如果所述检漏仪电源板提供电源，则控制所述开关A和开关B关闭，从而关闭所述放气阀和散热风扇B；

否则检测所述超级电容组电压，如果所述超级电容组电压大于电压阈值，则检测分子泵转速；

如果分子泵转速小于转速阈值，且需要维修则控制打开放气阀的开关，从而放气阀工作，降低质谱室内真空度，便于拆卸维修；

如果分子泵转速小于转速阈值，且不需要维修则控制打开散热风扇B的开关，从而散热风扇B工作，将所述超级电容组储存的电能释放掉。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述转速阈值为5Hz。

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