CN204302168U - 用于石墨炉原子吸收光谱仪的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于石墨炉原子吸收光谱仪的冷却系统，其包括待冷却的石墨炉作为热源，冷却系统包括冷却剂泵、冷却剂储罐以及制冷单元，以在冷却系统与石墨炉之间形成冷却循环回路，在该回路中还布置有冷却剂温度传感器，石墨炉原子吸收光谱仪还包括石墨炉侧控制电路，冷却系统还包括冷却系统侧控制电路，石墨炉侧控制电路由冷却剂温度传感器获得冷却剂温度信号、将冷却剂温度信号与第一温度阈值比较，冷却系统响应于冷却剂温度信号高于第一温度阈值而启动制冷。该冷却系统可自动开启循环冷却剂泵，特别是在石墨炉自检之前不需要冷却剂流。另外，该冷却系统的制冷功能的自动开启与冷却剂是否流动无关，由此提高制冷效率。

Description

用于石墨炉原子吸收光谱仪的冷却系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于石墨炉原子吸收光谱仪的冷却系统。

背景技术

原子吸收光谱法(又称原子吸收分光光度法)是一种根据特定物质基态原子蒸气对特征辐射的吸收来对元素进行定量分析的方法。自1953年澳大利亚物理学家A.Walsh在实验室研制成功了原子吸收光谱仪以来，因原子吸收光谱仪的灵敏、准确、简便等特点，现已广泛用于冶金、地质、采矿、石油、轻工、农业、医药、卫生、食品及环境监测等方面的常量及微痕量元素分析。

1959年苏联物理学家利沃夫首先将原子发射光谱法中石墨炉蒸发的原理用于原子吸收光谱法中，开创了无焰原子化方式。经过不断的改进和发展，至今已经成为一种非常成熟的仪器分析手段。

原子吸收光谱仪的常见组成包括光源、原子化器、单色器和检测器。一种常见的无焰原子化器是石墨炉原子化器，将样品用进样器定量注入到石墨管中，并以石墨管作为电阻发热体，通电后迅速升温，使试样达到原子化的目的。外电源加于石墨管两端，供给原子化器能量，电流通过石墨管产生最高超过3000℃的温度，使置于石墨管中被测元素变为基态原子蒸气。保护气控制系统在仪器启动时同氩气，空烧完毕，切断氩气。外气路中的氩气沿石墨管外壁流动，以保护石墨管不被烧蚀，内路的氩气从管两端流向管中心，由管中心孔流出，以有效的除去在干燥和灰化过程中产生的基体蒸气，同时保护已经原子化的原子不再被氧化。

由于石墨炉原子吸收光谱仪中的石墨炉是一种用于测量样品中痕量元素的仪器，在测试过程中需要高温，而在下一次进样时又需要将石墨炉冷却接近至室温，因此，需要一种有效的冷却系统。

然而，目前的用于石墨炉原子吸收光谱仪的冷却系统与石墨炉之间没有通讯，用户在石墨炉初始化之前需要手动开启循环冷却剂泵和冷却机，冷却系统的输出温度也须由用户手动设置，用户在操作时要兼顾的任务过多，因而处于一种不便和低效的工作状态。

特别是，在传统的用于石墨炉原子吸收光谱仪的冷却系统中，输出温度的设定与环境温度无关，从而导致制冷效率低下，或者当输出温度比环境温度低一定数值时，还会导致物体表面结露等问题，例如，在环境条件为20℃，40％湿度时，物体表面温度低于15℃会有结露现象。

另外，由于石墨炉初始化过程中需要探测冷却剂的流量，因此用户需要在石墨炉初始化之前开启冷却系统，然而，石墨炉并不是在所有初始化过程中都需要探测冷却剂流量，这会造成功率不必要的消耗。

再者，目前的冷却系统目前仍较多采用压缩机制冷，噪音大且运行效率低。更重要的是，由于压缩机制冷与冷却剂的流动是紧密相关的，即一旦冷却剂开始流动压缩机就开始制冷工作，因此，在石墨炉自检时冷却剂开始流动之后，制冷功能同时也须开启，这与石墨炉的冷却需求可能不相符，造成冷却系统的能量损失。

因此，在现代的石墨炉原子吸收光谱仪中需要一种能与石墨炉通讯的全自动控制的冷却系统。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于石墨炉原子吸收光谱仪的冷却系统，其包括待冷却的石墨炉作为热源，而冷却系统包括用于泵送冷却剂的冷却剂泵、提供冷却剂的冷却剂储罐以及制冷单元，以在冷却系统与石墨炉之间形成冷却循环回路，在冷却循环回路中还布置有冷却剂温度传感器，石墨炉原子吸收光谱仪还包括石墨炉侧控制电路，而冷却系统还包括冷却系统侧控制电路，石墨炉侧控制电路由冷却剂温度传感器获得冷却剂温度信号、将冷却剂温度信号与第一温度阈值比较，冷却系统响应于冷却剂温度信号高于第一温度阈值而启动制冷。特别是，通过内置于石墨炉内的接口电路在石墨炉侧控制电路与冷却系统侧控制电路之间建立通信。

此外，冷却系统还包括室温传感器，冷却系统侧控制电路通过室温传感器获得室温信号。例如，室温传感器设置在制冷单元的进风口处。同样，在冷却循环回路中还布置有冷却剂流量传感器，石墨炉侧控制电路由冷却剂流量传感器获得冷却剂流量信号。

较佳地，制冷单元采用半导体制冷。例如，该半导体制冷采用采用液体对气体的帕尔帖制冷单元，冷却剂在帕尔帖制冷单元的冷端流过，并利用冷却风扇对帕尔帖制冷单元的热端吹风，由此进行散热。

特别是，第一温度阈值设置成比由室温传感器测得的室温高出4℃。

另一方面，冷却系统的冷却系统侧控制电路响应于石墨炉侧控制电路发出的自检信号而启动冷却系统的冷却剂泵。在自检过程中，石墨炉侧控制电路响应于冷却剂温度低于第二温度阈值且冷却剂流量高于流量阈值来发出自检信号。该第二温度阈值例如设置成40℃，所述流量阈值例如设置成1.2升/分钟。

又一方面，冷却系统的输出温度由石墨炉中的升温温度来确定，输出温度响应于升温温度超过第三阈值温度而比由室温传感器测得的室温高出4℃，否则输出温度等于室温。例如，第三阈值温度设置在2500℃或以上。

根据本实用新型的冷却系统可自动开启循环冷却剂泵，特别是在石墨炉自检之前不需要冷却剂流，等到接收到来自石墨路控制电路的信号之后再启动冷却剂泵。另外，根据本实用新型的冷却系统的制冷功能可自动开启，并且与冷却剂是否流动无关，由此大大提高制冷效率。此外，根据本实用新型的冷却系统还可根据室温以及升温程序等自动设置输出温度，无须用户操作。

特别是，当石墨炉升温超出一定较高的范围时，将冷却系统的输出温度调整为高于室温某一数值，从而能够扩大冷却系统或者制冷单元与环境之间的温度差，从而进一步提高制冷功率。

附图说明

图1示意地示出根据本实用新型的用于石墨炉原子吸收光谱仪的冷却系统，其中，该冷却系统与石墨炉之间存在冷却循环回路；

图2示意地示出根据本实用新型的冷却系统的半导体制冷单元。

具体实施方式

在以下描述中，参照构成本说明书一部分的附图，其中通过图示示出了至少一个特定实施例。下述说明提供附加的特定实施例。应当理解的是，可构想和作出其它实施例而不背离本实用新型内容的范围或精神。因此，以下详细描述不应具有限制的意义。虽然本实用新型不限于此，但通过对下文提供的示例的讨论将获得对本实用新型内容的各个方面的清晰理解。

如图1中所示，石墨炉10包括待冷却的石墨炉热源12和石墨炉侧控制电路14，而石墨炉冷却系统20包括用于泵送冷却剂的冷却剂泵24、冷却系统侧控制电路22、制冷单元28，从而在制冷单元28与石墨炉热源12之间建立冷却循环回路32。此外，在该冷却循环回路32中还接入提供冷却剂的冷却剂储罐26或者其它合适的冷却剂补偿容器。此外，可在该冷却循环回路32中还可选地布置有冷却剂温度传感器2、冷却剂流量传感器3以及调压阀1。

较佳地，如图1中清楚所示，冷却剂温度传感器2、调压阀1、冷却剂流量传感器3均设置在冷却循环回路的位于石墨炉内的部分中。石墨炉侧控制电路14可接收来自冷却剂温度传感器2、冷却剂流量传感器3的信号，并且通过例如为内置的接口电路16与冷却系统侧控制电路22建立双向通信。

此外，在根据本实用新型的冷却系统20内还设有用于获取室内空气温度信息的室温传感器4。冷却系统侧控制电路通过室温传感器4获得室温信号。例如可设想石墨炉端从制冷单元端获取上述室温信号，然后确定第一温度阈值。而冷却系统响应于冷却剂温度信号高于第一温度阈值而自动开启制冷。

另外，石墨炉侧控制电路14也会在石墨炉运行过程中向冷却系统侧控制电路22发送状态询问信号，以由冷却系统侧控制电路22返回其运行状态是否正常的信息。

制冷单元28可采用半导体制冷单元来代替压缩机制冷，例如是帕尔帖(Peltier)制冷单元。在此情况下，石墨炉冷却系统20还包括冷却风扇30。基于帕尔帖效应的半导体制冷的工作原理是，当N型半导体材料和P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量成为冷端，而由P型元件流向N型元件的接头释放热量成为热端。由于半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

图2示出帕尔帖制冷单元的示意性结构。根据本实用新型的帕尔帖制冷单元采用液体对气体的制冷方式。输入例如为220V交流电，其中，例如为水的冷却剂在帕尔帖制冷器冷端流过，利用冷却风扇30对帕尔帖制冷器热端吹风由此进行散热。例如，制冷端可将冷却剂冷却，以经由冷却循环回路对石墨炉进行冷却，与此同时，空气在热端从室温(例如，约20度)加热，并通过风扇排出热量。较佳地，室温传感器设置在制冷单元的进风口处或附近。

根据本实用新型的石墨炉的工作过程如下：用户仅需要点击控制面板选择“开始分析”，光谱仪即开始进行自检，其中，石墨炉也开始进行自检。较佳地，在石墨炉开始自检之前不需要开启冷却剂泵24，而是在控制电路收到石墨炉自检信号之后才开始自动开启冷却剂泵24，以保证有冷却剂流经石墨炉10。然后，控制电路获取冷却循环回路32中的冷却剂流量传感器3和冷却剂温度传感器2的信息，从而基于这些信息在控制电路内进行石墨炉的自检分析。

较佳地，自检分析可如下进行：石墨炉侧控制电路14由冷却剂温度传感器2获得冷却剂温度信号，并且由冷却剂流量传感器3的信号获得流量信号，然后将这些信号与第二温度阈值和流量阈值分别相比较。对于温度来说，如果冷却剂温度高于第二温度阈值，则自检不通过。对于流量来说，如果流量低于该流量阈值，则自检不通过。例如，可将第二温度阈值设置为40℃,流量阈值设置为1.2升/分钟。上述自检包括将光谱仪光路调整归零、保护气压力、初始化自动进样器及检查电路板电流电压是否过载等等各方面内容。

由于采用了如上所述半导体制冷单元来代替传统压缩机制冷，因此，制冷过程与冷却剂是否流动无关，从而冷却剂虽然流动，但并未启动制冷功能。待石墨炉自检通过，在需要制冷时(下面将进一步描述)向石墨炉侧控制电路14发出信号，以按需自动开启制冷功能。

在自检完成之后，石墨炉侧控制电路14将由冷却剂温度传感器2获得的冷却剂温度信号与第一温度阈值进行比较，并响应于冷却剂温度信号高于第一温度阈值(即，当石墨炉开始升温时)的比较结果而向冷却系统侧控制电路22发出信号，以使石墨炉冷却系统20开启制冷。特别是，第一温度阈值设置成比由室温传感器测得的室温高出4℃。当然，也可以选择其它温度差值，但最好不超过15℃。

此外，根据本实用新型的石墨炉冷却系统20还能根据由室温传感器4所测得的空气温度值和由冷却剂温度传感器2所测得的冷却剂温度以及用户设置的石墨炉具体升温过程来确定冷却系统20的输出温度，并由石墨炉侧控制电路14直接发送至冷却系统侧控制电路22，而无须用户手动进行操作。

一般来说，石墨炉升温过程大致分为四个阶段：干燥、灰化、原子化、清洗，其中，干燥为将样品溶液中的溶剂如水等蒸发掉，一般不大于溶剂的沸点，如水为不超过100℃；灰化为200至1800摄氏度不等，目的是将样品中除分析目标元素以外的基质蒸发掉；原子化为900-2900摄氏度，根据元素不同而不同，目的为将待测元素加热为基态原子；清洗的温度一般比上一步的原子化温度高50-100摄氏度，目的是将样品残留通过加热清除。石墨炉散发的热量与其石墨炉升温温度正相关。

可设想，冷却系统的输出温度一般约等于室温。但当石墨炉升温程序中如有超过2500℃(也可以设定为其它较高温度值)的温度时,冷却温度输出温度等于室温加上4℃。

这样设计的优点在于，一方面，当室温变化大时，避免因恒定的输出温度而与室温温差较大而产生结露(已知一定的室温和湿度下，当室温比物体温度高于一定数值时，物体表面会结露。例如，在环境条件为20℃，40％湿度时，物体表面温度低于15℃会有结露现象)。另一方面，当石墨炉升温超出2500℃时，将冷却系统的输出温度调整为高于室温4℃，则能够扩大冷却系统/制冷单元与环境之间的温度差，从而进一步提高制冷功率。当然，输出温度与室温的差值还可根据具体情况而定，但例如最好不超过15℃。

换言之，通过根据本实用新型的冷却系统，石墨炉的加热温度随分析物变化，冷却系统的散热功率随冷却剂和环境的温度变化，即该功能可以根据石墨炉加热温度和环境温度的变化自动调节制冷效率，从而可以显著提高制冷效率。

此外，根据本实用新型的管路接口由不能重复插拔的宝塔形接口改为快速接口，以方便用户拆卸安装，增强用户体验。

Claims (13)

1.一种用于石墨炉原子吸收光谱仪的冷却系统，所述石墨炉原子吸收光谱仪包括待冷却的石墨炉作为热源，而所述冷却系统包括用于泵送冷却剂的冷却剂泵、提供冷却剂的冷却剂储罐以及制冷单元，以在所述冷却系统与所述石墨炉之间形成冷却循环回路，其特征在于，在所述冷却循环回路中还布置有冷却剂温度传感器，所述石墨炉原子吸收光谱仪还包括石墨炉侧控制电路，而所述冷却系统还包括冷却系统侧控制电路，所述石墨炉侧控制电路由所述冷却剂温度传感器获得冷却剂温度信号、将所述冷却剂温度信号与第一温度阈值比较，所述冷却系统响应于所述冷却剂温度信号高于所述第一温度阈值而启动制冷。

2.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包括室温传感器，所述冷却系统侧控制电路通过所述室温传感器获得室温信号。

3.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述制冷单元采用半导体制冷。

4.如权利要求3所述的冷却系统，其特征在于，所述半导体制冷采用采用液体对气体的帕尔帖制冷单元，所述冷却剂在所述帕尔帖制冷单元的冷端流过，并利用冷却风扇对所述帕尔帖制冷单元的热端吹风，由此进行散热。

5.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，所述室温传感器设置在所述制冷单元的进风口处。

6.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，所述第一温度阈值设置成比由所述室温传感器测得的室温高出4℃。

7.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统的所述冷却系统侧控制电路响应于所述石墨炉侧控制电路发出的自检信号而启动所述冷却系统的所述冷却剂泵。

8.如权利要求2所述的冷却系统，其特征在于，在所述冷却循环回路中还布置有冷却剂流量传感器，所述石墨炉侧控制电路由所述冷却剂流量传感器获得冷却剂流量信号。

9.如权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，通过内置于所述石墨炉内的接口电路在所述石墨炉侧控制电路与所述冷却系统侧控制电路之间建立通信。

10.如权利要求8所述的冷却系统，其特征在于，在自检过程中，所述石墨炉侧控制电路响应于冷却剂温度低于第二温度阈值且冷却剂流量高于流量阈值来发出所述自检信号。

11.如权利要求10所述的冷却系统，其特征在于，所述第二温度阈值设置成40℃，所述流量阈值设置成1.2升/分钟。

12.如权利要求8所述的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统的输出温度由所述石墨炉中的升温温度来确定，其中，所述输出温度响应于所述升温温度超过第三阈值温度而比由所述室温传感器测得的室温高出4℃，否则所述输出温度等于室温。

13.如权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，所述第三阈值温度设置在2500℃或以上。