一種基於安全工作模式的脈衝直流離子棒的製作方法
2024-03-04 20:10:15
本發明屬於靜電消除領域，尤其涉及一種主動式靜電消除裝置。
背景技術：
靜電離子棒是一種主動式靜電消除裝置。
靜電離子棒中有效用的部分，是通過把高壓施加在發射針(亦稱放電針或電極、電極針)上，發射針尖端放電，電離空氣，所產生大量的離子流，離子流快速衝擊帶靜電的物料，快速地中和靜電。
靜電離子棒通常大致可分為兩種：一是採用交流供電模式的交流式離子棒(簡稱交流離子棒)，交流式離子棒的輸出電壓通常在數千伏左右，工頻與市電相同；這類靜電消除器多用在分切、印刷、製藥等行業，或和氣刀裝配成離子氣刀，用在汽車噴塗等行業。二是採用直流供電模式的直流式離子棒(簡稱直流離子棒)，這類離子棒通常用於大範圍靜電消除，在印刷薄膜行業、塑料瓶，模塑件等塑料製造行業應用較普遍。
現有直流離子棒存在正、負高壓輸出幅值不可調，正、負高壓放電頻率固定，正、負高壓脈衝的佔空比不可調的局限，不能適應複雜的靜電環境；並且離子棒的電極針直接通過高壓導線與高壓電源實現電連接，放電能量過大，也容易造成以下問題：
1、導致電極針損耗過快；
2、棒體容易電蝕燒損；
3、操作人員不小心觸碰電極針，被電擊，產生疼痛感。
如何延長電極針的使用壽命，避免絕緣塑料被電蝕燒損，進而延長整個直流離子棒的整體使用壽命，避免操作人員遭受電擊及其導致的二次傷害，是實際工作中迫切需要解決的問題。
技術實現要素：
本發明的技術方案是：提供一種基於安全工作模式的脈衝直流離子棒，包括直流電源、高壓驅動單元、單片機程序處理電路、高壓組件、正負高壓反饋單元、放電極和顯示單元，其特徵是：
在直流電源的輸出端，設置高壓驅動單元和工作模式選擇開關；
高壓驅動單元的輸出端，經高壓輸出撥碼裝置，與高壓組件的控制端連接；
工作模式選擇開關的輸出端，與單片機程序處理電路的I/O埠連接；
設置正負高壓輸出頻率撥碼裝置和正負高壓佔空比編碼裝置，所述正負高壓輸出頻率撥碼裝置和正負高壓佔空比撥碼裝置的輸出端，與單片機程序處理電路的I/O埠連接；
單片機程序處理電路的I/O埠，分別與第一光電開關和第二光電開關連接；
所述的高壓組件，由串接的正電壓升壓模塊及正壓防反擊過電壓模塊和串接的負電壓升壓模塊及負壓防反擊過電壓模塊構成；
單片機程序處理電路的I/O埠經過第一光電開關與正電壓升壓模塊及正壓防反擊過電壓模塊對應連接；
單片機程序處理電路的I/O埠經過第二光電開關與負電壓升壓模塊及負壓防反擊過電壓模塊對應連接；
在正壓防反擊過電壓模塊的輸出端，設置正高壓反饋模塊，正高壓反饋模塊的輸出端與單片機程序處理電路的I/O埠對應連接；
在負高壓防反擊過壓模塊的輸出端，設置負高壓反饋模塊，負高壓反饋模塊的輸出端與單片機程序處理電路的I/O埠對應連接；
正壓防反擊過電壓模塊的輸出端，經高壓陶瓷片式電阻與正排電極針連接；
負壓防反擊過電壓模塊的輸出端，經高壓陶瓷片式電阻與負排電極針連接；
單片機程序處理電路的I/O埠還與顯示單元連接；
其中，
所述的高壓輸出撥碼裝置對高壓驅動單元輸出的低電壓信號進行調製，將調製後的低電壓信號輸入到高壓組件中的正、負電壓升壓模塊的輸入端，用低電壓控制高電壓的方式實現輸出正、負高壓高低可調；
所述的正、負高壓輸出頻率編碼裝置將選定好的撥碼信號傳輸到單片機程序處理電路，經由單片機程序處理電路對撥碼信號進行分析處理後，隨即對光電開關發出相應的動作指令，對高壓組件中的正、負電壓升壓模塊的各輸入端進行同步間斷或異步交替合、斷動作，實現輸出不同的正、負同步高壓脈衝或正、負異步高壓脈衝；
所述的正、負高壓佔空比撥碼裝置將選定好的撥碼信號傳輸到單片機程序處理電路，經由單片機程序處理電路對撥碼信號進行分析處理後，隨即對光電開關發出相應的動作指令，對高壓組件中的正、負電壓升壓模塊的各輸入端作用相應的時間佔比，實現輸出不同的正、負高壓佔空比；
所述的第一光電開關實現對正電壓升壓模塊的電連接及關斷；
所述的第二光電開關實現對負電壓升壓模塊的電連接及關斷；
所述的脈衝直流離子棒，通過第一、第二光電開關控制高壓組件，來實現正、負排電極針同時連續或同步間斷或異步交替輸出正、負直流高壓；
所述的脈衝直流離子棒，通過高壓輸出撥碼裝置控制輸入到高壓組件的電壓，實現輸出不同電壓值的正、負高壓；其通過正、負高壓輸出頻率撥碼裝置控制第一、第二光電開關對正、負電壓升壓模塊各輸入端的合、斷動作，實現輸出不同的異步正、負高壓脈衝或同步正、負高壓脈衝；
所述的脈衝直流離子棒，通過正、負高壓佔空比撥碼裝置控制第一、第二光電開關對正、負電壓升壓模塊各輸入端的作用時間，實現輸出不同的正、負高壓佔空比。
具體的，所述的脈衝直流離子棒有直流工作模式、同步脈衝直流工作模式和異步脈衝直流工作模式三種工作模式，通過對工作模式開關的選擇，及與工作模式開關對應的單片機程序處理電路對第一、第二光電開關的控制來實現：
直流工作模式：將工作模式選擇開關選擇到直流模式，單片機程序處理電路對第一光電開關和第二光電開關同時發出連續閉合指令，則正、負高壓組件同時接通電源，同時輸出正、負高壓；
同步脈衝直流工作模式：將工作模式選擇開關選擇到同步脈衝直流模式，單片機程序處理電路對第一光電開關和第二光電開關同時發出「閉合—關斷—閉合—關斷……」的控制指令，則正、負高壓組件同時接通或關斷電源，同時階段性地輸出正、負高壓；
異步脈衝直流工作模式：將工作模式選擇開關選擇到異步脈衝直流模式，單片機程序處理電路對第一光電開關和第二光電開關交替發出「第一光電開關閉合—第二光電開關關斷—第二光電開關閉合—第一光電開關關斷—第一光電開關閉合—第二光電開關關斷……」的控制指令，則正、負高壓組件交替「接通」或「關斷」電源，實現異步交替輸出正、負高壓。
進一步的，所述防電擊直流離子棒所輸出的正、負高壓電壓的高低，防電擊直流離子棒所輸出正、負高壓異步脈衝頻率或同步脈衝頻率，防電擊直流離子棒所輸出正、負高壓的佔空比參數指標，可同時同步調節，亦可單獨分別調節。
進一步的，所述的正壓防反擊過電壓模塊、負壓防反擊過電壓模塊輸出端，分別電連接串有正、負排電極針的高壓陶瓷片式電阻。
進一步的，所述高壓組件所包含的正電壓升壓模塊與正壓防反擊過電壓模塊，負電壓升壓模塊與負壓防反擊過電壓模塊，各自用高壓電子灌封膠分別灌封。
進一步的，所述的正、負排電極針，每一根電極針均串聯一個100MΩ至200MΩ的電阻後，再分別與正、負電壓防反擊模塊的輸出端對應電連接。
具體的，所述的高壓陶瓷片式電阻，經過電極套與正、負排電極針連接。
具體的，所述的脈衝直流離子棒，在正排電極針與正壓防反擊過電壓模塊之間，以及負排電極針與負壓防反擊過電壓模塊輸出端之間，採用電阻耦合的連接結構，實現放電極與高壓電源之間的電連接。
與現有技術比較，本發明的優點是：
1.直流離子棒的輸出電壓特性可根據靜電控制要求人為設置，更滿足各種複雜工況的要求；
2.在放電極與高壓電源(防反擊過電壓模塊)之間，採用電阻耦合的電連接結構，放電極的放電能量得到限制，電極針的損耗大幅降低，電極針的壽命可延長1至2倍；
3.採用絕緣側板結構和高壓電子灌封膠灌封，使得電極針對棒體的沿面放電現象基本消失，不易造成電蝕燒損；
4.放電極的放電能量降低後，操作人員觸碰電極針時，不會產生電擊疼痛感，安全生產效率提高。
附圖說明
圖1是本發明輸出電壓特性設置電路的原理框圖；
圖2是本發明直流離子棒工作模式的示意圖；
圖3是本發明高壓組件電路的原理圖；
圖4是本發明離子棒內部的結構示意圖。
圖中1為放電極，2為絕緣棒芯，3為電極套，4為高壓陶瓷片式電阻，5為正、負高壓電子線路板，6為高壓電子灌封膠，7為氧化鋁棒體。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
圖1中，本發明的技術方案提供了一種基於安全工作模式的脈衝直流離子棒，包括直流電源、高壓驅動單元、單片機程序處理電路、高壓組件、正負高壓反饋單元、放電極和顯示單元，其發明點在於：
在直流電源的輸出端，設置高壓驅動單元和工作模式選擇開關；
高壓驅動單元的輸出端，經高壓輸出撥碼裝置，與高壓組件的控制端連接；
工作模式選擇開關的輸出端，與單片機程序處理電路的I/O埠連接；
設置正負高壓輸出頻率撥碼裝置和正負高壓佔空比撥碼裝置，所述正負高壓輸出頻率撥碼裝置和正負高壓佔空比撥碼裝置的輸出端，與單片機程序處理電路的I/O埠連接；
單片機程序處理電路的I/O埠，分別與第一光電開關和第二光電開關連接；
所述的高壓組件，由串接的正電壓升壓模塊及正壓防反擊過電壓模塊和串接的負電壓升壓模塊及負壓防反擊過電壓模塊構成；
單片機程序處理電路的I/O埠經過第一光電開關與正電壓升壓模塊及正壓防反擊過電壓模塊對應連接；
單片機程序處理電路的I/O埠經過第二光電開關與負電壓升壓模塊及負壓防反擊過電壓模塊對應連接；
在正壓防反擊過電壓模塊的輸出端，設置正高壓反饋模塊，正高壓反饋模塊的輸出端與單片機程序處理電路的I/O埠對應連接；
在負高壓防反擊過壓模塊的輸出端，設置負高壓反饋模塊，負高壓反饋模塊的輸出端與單片機程序處理電路的I/O埠對應連接；
正壓防反擊過電壓模塊的輸出端，經高壓陶瓷片式電阻與正排電極針連接；
負壓防反擊過電壓模塊的輸出端，經高壓陶瓷片式電阻與負排電極針連接；
單片機程序處理電路的I/O埠還與顯示單元連接；
其中，
所述的高壓輸出撥碼裝置對高壓驅動單元輸出的低電壓信號進行調製，將調製後的低電壓信號輸入到高壓組件中的正、負電壓升壓模塊的輸入端，用低電壓控制高電壓的方式實現輸出正、負高壓高低可調；
所述的正、負高壓輸出頻率撥碼裝置將選定好的撥碼信號傳輸到單片機程序處理電路，經由單片機程序處理電路對撥碼信號進行分析處理後，隨即對光電開關發出相應的動作指令，對高壓組件中的正、負電壓升壓模塊的各輸入端進行同步間斷或異步交替合、斷動作，實現輸出不同頻率的正、負同步高壓脈衝或正、負異步高壓脈衝；
所述的正、負高壓佔空比撥碼裝置將選定好的撥碼信號傳輸到單片機程序處理電路，經由單片機程序處理電路對撥碼信號進行分析處理後，隨即對光電開關發出相應的動作指令，對高壓組件中的正、負電壓升壓模塊的各輸入端作用相應的時間佔比，實現輸出不同的正、負高壓佔空比；
所述的第一光電開關實現對正電壓升壓模塊的電連接及關斷；
所述的第二光電開關實現對負電壓升壓模塊的電連接及關斷；
所述的脈衝直流離子棒，通過第一、第二光電開關控制高壓組件，來實現正、負排電極針同時連續或同步間斷或異步交替輸出正、負直流高壓；
所述的脈衝直流離子棒，通過高壓輸出撥碼裝置控制輸入到高壓組件的電壓，實現輸出不同電壓值的正、負高壓；其通過正、負高壓輸出頻率撥碼裝置控制第一、第二光電開關對正、負電壓升壓模塊各輸入端的合、斷動作，實現輸出不同的異步正、負高壓脈衝或同步正、負高壓脈衝；
所述的脈衝直流離子棒，通過正、負高壓佔空比撥碼裝置控制第一、第二光電開關對正、負電壓升壓模塊各輸入端的作用時間，實現輸出不同的正、負高壓佔空比。
第一、第二光電開關在圖中分別以光電開關1、光電開關2來表示，為了簡潔起見，亦可用光電開關1，2來表示。
圖2中，本技術方案中的脈衝直流離子棒有直流工作模式、同步脈衝直流工作模式和異步脈衝直流工作模式三種工作模式，通過對工作模式開關的選擇，及與工作模式開關對應的單片機程序處理電路對第一、第二光電開關的控制來實現：
直流工作模式：將工作模式選擇開關選擇到直流模式，單片機程序處理電路對第一光電開關和第二光電開關同時發出連續閉合指令，則正、負高壓組件同時接通電源，同時輸出正、負高壓；
同步脈衝直流工作模式：將工作模式選擇開關選擇到同步脈衝直流模式，單片機程序處理電路對第一光電開關和第二光電開關同時發出「閉合—關斷—閉合—關斷……」的控制指令，則正、負高壓組件同時接通或關斷電源，同時階段性地輸出正、負高壓；
異步脈衝直流工作模式：將工作模式選擇開關選擇到異步脈衝直流模式，單片機程序處理電路對第一光電開關和第二光電開關交替發出「第一光電開關閉合—第二光電開關關斷—第二光電開關閉合—第一光電開關關斷—第一光電開關閉合—第二光電開關關斷……」的控制指令，則正、負高壓組件交替「接通」或「關斷」電源，實現異步交替輸出正、負高壓。
進一步的，所述防電擊直流離子棒所輸出的正、負高壓電壓的高低，防電擊直流離子棒所輸出正、負高壓異步脈衝頻率或同步脈衝頻率，防電擊直流離子棒所輸出正、負高壓的佔空比參數指標，可同時同步調節，亦可單獨分別調節。
由於上述圖是按照國標規定繪製的，本領域的技術人員，可以毫無異義地明確其含義，故其具體元件之間的連接關係和波形含義，在此不再敘述。
圖3中，從最左側的電源輸入端P-VCC至二極體PD10，以及電源輸入端N-VCC至二極體ND10，分別構成了高壓模塊中的正電壓升壓模塊和負電壓升壓模塊。
從上部的二極體PZ1至PZ21，和下部的二極體NZ1至NZ21，分別構成了高壓模塊中的正壓防反擊過電壓模塊和負壓防反擊過電壓模塊。
由於上述電路均採用國標規定的元件符號繪製，本領域的技術人員，可以毫無異義地明確其含義和工作原理，故其具體元件之間的連接關係和工作原理，在此不再敘述。
圖4中，正、負電壓防反擊模塊的輸出電源，經高壓導線連接至脈衝直流離子棒內的高壓連接裝置(器件)(圖中以正、負高壓電子線路板5來表示)上，再通過高壓連接裝置(器件)輸送至正、負排電極針上。
本技術方案中，高壓連接裝置(器件)採用電子線路板上的銅箔線路來實現正、負電壓防反擊模塊輸出電源的傳輸。
由圖可知，離子棒殼體包括氧化鋁棒體7和設置在棒體內的絕緣側板2。
電子線路板5和正、負排電極針(圖中用放電極1來表示)，固接設置在棒體的兩絕緣側板之間。
正、負電壓防反擊模塊的輸出電源，沿著電子線路板，經過高壓陶瓷片式電阻4、設置在高壓陶瓷片式電阻上端的電極套3，與所述的放電極1電連接。
由圖可知，電極套固接在高壓陶瓷片式電阻的上端；高壓陶瓷片式電阻的下端，與電子線路板上的銅箔線路電連接。
進一步的，電極套與放電極通過套筒插接結構固接為一體。
進一步的，高壓連接裝置(器件)可以為高壓電源多芯線、導電棒或設置於電子線路板上的銅箔電路。
進一步的，其所述高壓陶瓷片式電阻的阻值為100MΩ至200MΩ，高壓陶瓷片式電阻的電阻功率為1至3W。
進一步的，在所述的離子棒殼體以及兩側的絕緣側板之間，填充灌裝有高壓電子灌封膠，將離子棒殼體及兩側的絕緣側板、高壓連接裝置(器件)和放電極固結為一體。
在離子棒殼體的開口處，所述高壓電子灌封膠的灌裝高度，高於放電極與高壓陶瓷片式電阻的連接部位。
在實際使用過程中，首先插上電源，則本技術方案所述的防電擊脈衝直流離子棒(簡稱離子棒)處於待機狀態；在離子棒正常啟動之前，先選擇所需的工作模式，隨後調節所需的電壓輸出參數。
1、當撥動高壓輸出撥碼裝置時，其對圖1中所示的「高壓驅動單元」輸出的直流電壓信號進行相應調製，使其降低到某一所需直流電壓值，再將此調製後的電壓信號輸入到高壓組件中的正、負電壓升壓模塊的各輸入端，正、負電壓升壓模塊將輸出與高壓輸出撥碼裝置相匹配的正、負高壓值，最終作用到串有高壓陶瓷片式電阻的正負雙排電極針上。
2、當撥動正、負高壓輸出頻率撥碼裝置時，其對圖1中所示的「單片機程序處理電路」輸出相應信號，「單片機程序處理電路」對此頻率撥碼信號進行分析處理，對圖1中所示的「第一、第二光電開關(簡稱光電開關1,2，下同)」發出相應的動作指令，使其對高壓組件中的正、負電壓升壓模塊的各輸入端進行同步或異步合、斷動作，其動作頻率與正、負高壓輸出頻率撥碼裝置的輸出信號相對應，由此實現對高壓組件輸出同步或異步正、負電壓輸出頻率的調節。
3、當撥動正、負高壓佔空比撥碼裝置時，其對圖1中所示的「單片機程序處理電路」輸出相應信號，「單片機程序處理電路」對此佔空比撥碼信號進行分析處理，對圖1中所示的「光電開關1,2」發出相應的動作指令，使其對高壓組件中的正、負電壓升壓模塊的各輸入端作用相應的時間佔比，其佔空比率與正、負高壓佔空比撥碼裝置的輸出信號相對應，由此實現對高壓組件輸出正、負高壓佔空比的調節。
4、當圖1所示的「高壓組件」出現故障時，「正、負高壓反饋單元」將故障信號反饋到「單片機程序處理電路」，「單片機程序處理電路」經分析處理，發出報警信號，輸出到顯示單元。
5、高壓組件電路原理見圖3所示，低壓直流信號經LC多諧振蕩器輸出一交流高壓，此交流高壓再分別經PC、PD，NC、ND多個高壓電容及高壓二極體進行倍壓整流輸出正、負直流高壓——此為正、負電壓升壓模塊。
6、經正、負電壓升壓模塊輸出的正、負直流高壓再分別經過PZ、NZ多個穩壓二極體進行降壓處理——此為正、負壓防反擊過電壓模塊。
7、雙排放電極上各自輸出的正、負直流高壓，其電壓值分別不高於PZ、NZ多個穩壓二極體串聯的總穩壓值；即正、負電壓升壓模塊輸出的正、負直流高壓，分別不高於PZ、NZ多個穩壓二極體串聯的總穩壓值的2倍。
8、正壓防反擊過電壓模塊，是將正電壓升壓模塊所輸出的正高壓進行降壓處理，最終輸出某一所需高壓值；此模塊在負高壓工作狀態(負排針工作)下，亦能削減負高壓；使負排電極針對正排電極針火花放電擊穿時(外界因素導致的意外情況)，無法作用於正電壓升壓模塊，防止因電壓反擊損毀正電壓升壓模塊。
9、負壓防反擊過電壓模塊，是將負電壓升壓模塊所輸出的負高壓進行降壓處理，最終輸出某一所需高壓值；此模塊在正高壓工作狀態(正排針工作)下，亦能削減正高壓，使正排電極針對負排電極針火花放電擊穿時(外界因素導致的意外情況)，無法作用於負電壓升壓模塊，防止因電壓反擊損毀負電壓升壓模塊。
10、鎢合金電極套在銅質金屬套筒中，金屬套筒焊接在高壓陶瓷片式電阻一側的焊盤上(見圖4中所示)
11、高壓陶瓷片式電阻的阻值為100MΩ至200MΩ之間，電阻功率在1至3W之間
12、高壓陶瓷片式電阻另一側的焊盤，焊接在高壓電路板上；正、負高壓電路板與正、負電壓防反擊模塊的輸出端各自通過高壓導線電連接。
13、用高壓電子灌封膠將正、負高壓電子線路板，高壓陶瓷片式電阻，金屬套筒膠封(見圖4)。
本技術方案實施例與現有技術的實測數據對比：
通過上述表格可知：採用本技術方案的直流離子棒，消電性能沒有任何減弱。由於在放電極與高壓電源之間採用了電阻耦合式的電連接模式，限制了電極針的放電能量，不會使操作人員產生電擊感，避免了二次傷害；提升了產品可靠性與安全性，且離子棒的除靜電功能也得到了增加，可根據消電對象的運動狀態和所帶靜電荷狀況調整頻率、佔空比，進而改變高壓輸出特性，使離子輸出更針對被消電物體實際情況，由此提高了消電效率，改善了消電效果。
本發明可廣泛用於各種規格直流離子棒的設計和製造領域。