電熱消解儀的製作方法
2023-11-01 17:35:17
電熱消解儀的製作方法
【專利摘要】本發明涉及分析儀器領域，特別是一種電熱消解儀，包括加熱體，所述加熱體通過加熱主電路與交流電源連接形成加熱迴路，所述加熱主電路包括依次串接的空氣斷路器、單相全橋整流濾波單元和Buck主電路；還包括設置在加熱體上的溫度傳感器，所述溫度傳感器通過濾波放大單元分別與單片機和PWM控制驅動單元，所述單片機與PWM控制驅動單元相連接，所述PWM控制驅動單元通過隔離驅動單元與Buck主電路相連接；PWM控制驅動單元通過採樣電阻對加熱迴路中電流採樣；所述單片機的輸出端連接有顯示溫度的輸出設備，輸入端連接有參數設定的輸入設備。採用上述結構後，本發明的電熱消解儀採用功率開關管，實現輸出功率的精確調節，繼而可以實現加熱過程的精確控制。
【專利說明】電熱消解儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及分析儀器領域，特別是一種電熱消解儀。
【背景技術】
[0002]消解儀是專用於對各類分析樣品作加熱預處理的恆溫裝置，配合原子吸收光譜儀、原子螢光光譜儀、IC P原子發射光譜儀以及IC P質譜儀等光譜儀器使用，是樣品分析測試中十分重要的前處理儀器設備。目前大多數實驗室進行無機樣品分析測試時，樣品前處理的時間約佔整個分析時間的70%，因此研發新一代消解儀是提高樣品分析測試效率的關鍵。
[0003]在現有技術中，傳統的電熱套、電爐等只能使樣品容器的局部受熱，樣品受熱不均勻，樣品各部位存在一定的溫度差，且敞開式加熱方式熱量散失極大，導致樣品溫度和加熱器的表面溫度存在較大的差距，消解效果差，電能耗費量大。再有近幾年，國外的高端消解儀產品都改用石墨作為加熱體，利用高純石墨優良的導熱性和可加工性，可提高加熱的均勻性，但是石墨比較硬脆，在加工、運輸和裝配過程中容易損壞，並且材料成本和加工成本相對較高。
[0004]另一方面，消解儀用於對待測試劑進行加熱預處理，所以開發消解儀的重點和難點在於加熱的快速性、穩定性以及溫度的精確控制。目前既有的電加熱方式如變壓器調壓直接加熱、固態繼電器加熱、晶閘管控制加熱等，具有加熱效率低、控制精度差等缺點，溫度控制超調大，溫度控制精度低。
【發明內容】
[0005]本發明需要解決的技術問題提供一種加熱均勻且溫控精確的電熱消解儀。
[0006]為解決上述的技術問題，本發明的電熱消解儀包括加熱體，所述加熱體通過加熱主電路與交流電源連接形成加熱迴路，所述加熱主電路包括依次串接的空氣斷路器、單相全橋整流濾波單元和Buck主電路；
[0007]還包括設置在加熱體上的溫度傳感器，所述溫度傳感器通過濾波放大單元分別與單片機和PWM控制驅動單元，所述單片機與PWM控制驅動單元相連接，所述PWM控制驅動單元通過隔離驅動單元與Buck主電路相連接；PWM控制驅動單元通過採樣電阻對加熱迴路中電流採樣；
[0008]所述單片機的輸出端連接有顯示溫度的輸出設備，輸入端連接有參數設定的輸入設備。
[0009]進一步的，所述BUCK主電路包括功率開關管Tl和二極體D5，所述功率開關管Tl的漏極與單相全橋整流濾波單元輸出端相連接，所述功率開關管Tl的柵極與隔離驅動單元相連接，所述功率開關管Tl的源極與加熱體相連接，所述二極體D5反向並聯在加熱體兩端。
[0010]進一步的，所述PWM控制驅動單元包括電流檢測單元，脈寬輸出調製單元和保護單元；所述採樣電阻的電流採樣信號通過電流檢測單元與脈寬輸出調製單元相連接，所述濾波放大單元通過保護單元與脈寬輸出調製單元相連接，所述脈寬輸出調製單元與隔離驅動單元相連接。
[0011]進一步的，所述濾波放大電路包括級聯的差動放大電路和電壓濾波放大電路，所述差動放大電路的基準為o°c時標準電阻的分壓值。
[0012]進一步的，所述溫度傳感器為兩個，同步採樣加熱器溫度信號，分別通過濾波放大電路與單片機相連接。
[0013]更進一步的，所述溫度傳感器為PT100溫度傳感器。
[0014]進一步的，所述加熱體為鑄鋁加熱體。
[0015]採用上述結構後，本發明的電熱消解儀採用功率開關管，選擇Buck電路作為主電路拓撲，通過逆變調功改變輸出脈寬，從而實現輸出功率的精確調節，繼而可以實現加熱過程的精確控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]下面將結合附圖和【具體實施方式】對本作進一步詳細的說明。
[0017]圖1為本發明的結構示意圖。
[0018]圖2為本發明加熱主電路的電路原理圖。
[0019]圖3為本發明濾波放大單元的電路原理圖。
[0020]圖4為本發明PWM控制單元的結構示意圖。
[0021]圖5為本發明脈寬調製單元的電路原理圖。
[0022]圖6為本發明保護單元的電路原理圖。
[0023]圖中:1為加熱主電路，2為加熱體，3為PWM控制驅動單元，4為採樣電阻，5為溫度傳感器，6為液晶顯示器，7為鍵盤
[0024]101為空氣斷路器，102為單相全橋整流濾波單元，103為BUCK主電路
[0025]301為隔離驅動單元，302為PWM控制驅動單元，303為單片機，304為濾波放大單元，305為脈寬輸出調製單元，306為電流檢測單元，307為保護單元
【具體實施方式】
[0026]如圖1所示，本發明的電熱消解儀包括加熱體2，本發明的加熱體2為鑄鋁加熱體，利用鑄鋁優良的導熱性、可加工性等物理性能，以及較低的成本，不僅提高了消解儀加熱的均勻性，而且可降低成本、改善性能。所述加熱體2通過加熱主電路I與交流電源連接形成加熱迴路，所述加熱主電路包括依次串接的空氣斷路器101、單相全橋整流濾波單元102和Buck主電路103，交流電源與空氣斷路器101輸入端相連、空氣斷路器101輸出端與單相全橋整流濾波單元102輸入端相連，單相全橋整流濾波單元102輸出端連接至Buck主電路103輸入端。空氣斷路器101為帶漏電保護的空氣斷路器，當主電路發生漏電或絕緣破壞時，空氣斷路器101斷開，保護人身和設備安全。
[0027]本實施例還包括設置在加熱體上的溫度傳感器5，本實施例中溫度傳感器為PT100溫度傳感器。所述溫度傳感器通過濾波放大單元分別304與單片機303和PWM控制驅動單元302，本實施例中單片機採用MC9S08DZ60CLC，所述單片機303與PWM控制驅動單元302相連接,所述PWM控制驅動單元通過隔離驅動單元301與Buck主電路103相連接；PWM控制驅動單元302通過採樣電阻4對加熱迴路中電流採樣，本實施例中採樣電阻4為0.5Ω。
[0028]所述單片機的輸出端連接有顯示溫度的輸出設備，輸入端連接有參數設定的輸入設備。本實施例中，輸出設備為液晶顯不器6,輸入設備為鍵盤7。
[0029]電熱消解儀加熱主電路的輸入為AC220V/50HZ動力電，輸出連接至加熱體2，主電路的電流採樣信號輸入至PWM控制驅動單元302，加熱體內嵌的溫度傳感器5將溫度信號分別傳送至單片機和PWM控制驅動單元302，單片機控制電路為PWM控制驅動單元提供啟動信號和功率給定信號，PWM控制驅動單元302經隔離驅動電路連接至加熱主電路中的功率開關管的門極，鍵盤7將加熱參數設定信號傳送至單片機控制電路，單片機將加熱溫度顯示信號輸入至液晶顯示器6。
[0030]其中，如圖2所示，本發明加熱主電路中的BUCK主電路包括功率開關管Tl和二極體D5，所述功率開關管Tl的漏極與單相全橋整流濾波單元102輸出端相連接，所述功率開關管Tl的柵極與隔離驅動單元相連接，所述功率開關管Tl的源極與加熱體相連接，所述二極體D5反向並聯在加熱體兩端。工頻單相220V/50HZ交流電經單相全橋整流濾波單元102整流濾波後，經IGBT功率開關管Tl構成的Buck主電路產生開關頻率為18kHz的輸出電壓，可以實現加熱板輸入功率精確控制，從而可以提高加熱溫度控制的精度。
[0031]如圖3所示，所述濾波放大電路包括級聯的差動放大電路和電壓濾波放大電路，所述差動放大電路的基準為o°c時標準電阻的分壓值。本實施例中差動放大電路部分的放大器和電壓濾波放大電路中的放大器分別採用運算放大器Ul的兩個放大器，本實施例中運算放大器為LM258。溫度信號濾波放大電路採用TL431A作為2.5V電壓基準源，PT100熱敏電阻反饋的電壓信號通過LM258與0°C時的標準電阻(100Ω)的分壓值進行差動放大，LM258的5、6、7腳的放大器為差動放大器，溫度傳感器輸出信號PTl+與LM258的5腳相連接，PTl-與LM258的6腳相連接。經過差動放大後，再經過由LM258的2、3、7腳的放大器及其外圍電路組成的放大電路，進行電壓信號的放大濾波，最後得到與實測溫度相對應的電壓信號。為了防止傳感器失效而導致加熱溫度失控，採用兩個溫度傳感器及其溫度信號濾波放大電路對溫度信號進行實時同步採樣。對兩個溫度探頭採集的溫度進行比較，一旦兩個溫度採樣值相差30°C，則認為溫度探頭出現故障，則系統自動停止加熱，同時進行聲音報警，這樣就有效避免了傳感器失效而導致的加熱失控，大大提高了消解儀的溫度控制的可靠性。
[0032]如圖4、圖5所示，採集到的加熱主電路的電流反饋值I輸入至電流檢測電路進行信號處理後，輸入至PWM控制驅動單元，進行電流負反饋閉環控制；溫度信號經溫度信號濾波放大電路轉換為電壓信號輸入至保護電路實現過溫保護，同時保護電路中還包括欠壓保護電路及過載保護電路，一旦出現不正常工作信號，均會產生停止信號，即PWM控制電路停止產生PWM波形，以保證控制過程的安全有效，也避免了調試及使用過程中對控制板元器件的損壞。MC9S08DZ60CLC單片機輸出的啟動信號用來啟動PWM控制電路，功率給定信號用來改變PWM控制電路輸出脈衝波形的脈衝寬度，從而實現功率控制。PWM控制電路的核心由PWM發生電路晶片U3及其外圍電路組成，所述PWM發生電路晶片U3採用SG2525A，用來輸出工作頻率達20KHz的脈衝波形用來驅動隔離驅動電路，同時具有欠壓鎖定、過壓保護和軟啟動等功能。由加熱控制電路輸出的PWM脈衝波形輸入至隔離驅動電路。在圖5所示的脈寬輸出調製單元305中，調節SG2525A的9腳電壓信號PM可以改變PWM輸出信號Pl的脈衝寬度，8腳外接電容C33可以實現軟啟動功能，外部控制脈衝信號Shutdown輸入到外部控制端10腳，可以實現對軟啟動電路和輸出驅動信號的控制。
[0033]本發明電熱消解儀設計了過載過溫和欠壓保護電路，凡出現不正常工作信號，均會產生停止信號(使圖5中的Shutdown信號變為高電平)，即停止產生PWM，以保證控制過程的安全有效，也避免了調試及使用過程中對控制板元器件的損壞。過溫保護電路如圖6所示，當控制電路檢測到加熱溫度超過228°C，則產生過溫保護信號。其中，ADInl和ADIn2為兩個PT100溫度傳感器採集的溫度信號。
[0034]另外，本實施例中，隔離驅動單元301採用基於晶片M57962的IGBT驅動電路，脈寬輸出調製單元305輸出信號Pl輸入到晶片M57962，晶片M57962的輸出信號驅動IGBT功率開關管Tl，從而實現輸出功率的控制，達到精確控溫。
[0035]雖然以上描述了本發明的【具體實施方式】，但是本領域熟練技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，可以對本實施方式作出多種變更或修改，而不背離發明的原理和實質，本發明的保護範圍僅由所附權利要求書限定。
【權利要求】
1.一種電熱消解儀，包括加熱體，其特徵在於:所述加熱體通過加熱主電路與交流電源連接形成加熱迴路，所述加熱主電路包括依次串接的空氣斷路器、單相全橋整流濾波單元和Buck主電路； 還包括設置在加熱體上的溫度傳感器，所述溫度傳感器通過濾波放大單元分別與單片機和PWM控制驅動單元，所述單片機與PWM控制驅動單元相連接，所述PWM控制驅動單元通過隔離驅動單元與BUCK主電路相連接；PWM控制驅動單元通過採樣電阻對加熱迴路中電流採樣； 所述單片機的輸出端連接有顯示溫度的輸出設備，輸入端連接有參數設定的輸入設備。
2.按照權利要求1所述的電熱消解儀，其特徵在於:所述Buck主電路包括功率開關管Tl和二極體D5，所述功率開關管Tl的漏極與單相全橋整流濾波單元輸出端相連接，所述功率開關管Tl的柵極與隔離驅動單元相連接，所述功率開關管Tl的源極與加熱體相連接，所述二極體D5反向並聯在加熱體兩端。
3.按照權利要求1所述的電熱消解儀，其特徵在於:所述PWM控制驅動單元包括電流檢測單元，脈寬輸出調製單元和保護單元；所述採樣電阻的電流採樣信號通過電流檢測單元與脈寬輸出調製單元相連接，所述濾波放大單元通過保護單元與脈寬輸出調製單元相連接，所述脈寬輸出調製單元與隔離驅動單元相連接。
4.按照權利要求1所述的電熱消解儀，其特徵在於:所述濾波放大電路包括級聯的差動放大電路和電壓濾波放大電路，所述差動放大電路的基準為O V時標準電阻的分壓值。
5.按照權利要求1所述的電熱消解儀，其特徵在於:所述溫度傳感器為兩個，同步採樣加熱器溫度信號，分別通過濾波放大電路與單片機相連接。
6.按照權利要求5所述的電熱消解儀，其特徵在於:所述溫度傳感器為PTlOO溫度傳感器。
7.按照權利要求1-6中任一項所述的電熱消解儀，其特徵在於:所述加熱體為鑄鋁加熱體。
【文檔編號】G01N1/44GK104359752SQ201410718987
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月3日 優先權日:2014年12月3日
【發明者】胡國棟 申請人:北京東航科儀儀器有限公司