ГЕНЕРАТОР ДУГОВОГО РАЗРЯДА Российский патент 2004 года по МПК G01J3/10 H05B41/14 

Изобретение относится к области спектрального приборостроения и предназначено для возбуждения спектров при проведении спектрального анализа.

Известен традиционный метод генерации и стабилизации дугового тока, на котором основаны различные устройства. Между электродами аналитического промежутка генерируется импульсный высоковольтный разряд, способный пробить разрядный промежуток. Для стабилизации дугового тока в разрядную цепь, подключенную к источнику питания, включено сопротивление, много большее, чем сопротивление дуговой плазмы. Тогда ток в цепи будет определяться не нестабильным сопротивлением дуги, а стабильным внешним сопротивлением, много большим дугового (Петров А.А., Пушкарева Е.А. Корреляционный спектральный анализ веществ, Кн. 2: Анализ конденсированной фазы. СПб: Химия, 1993, с. 23-33).

Такой способ стабилизации дугового тока имеет ряд существенных недостатков. Он характеризуется низким (около 10%) КПД преобразования потребляемой энергии, поскольку основная мощность выделяется на внешнем сопротивлении, а не на дуге; низкой стабильностью дугового тока; невозможностью предсказать до генерации дугового разряда значение дугового тока, который можно установить лишь после того, как дуга зажглась. Это ведет к удорожанию анализа (например, при анализе драгметаллов, спектрально чистых изотопов и т.п.), поскольку результаты сжигания первой пробы непригодны для использования.

Для этого способа характерна долговременная нестабильность дугового тока из-за выгорания пробы и увеличения расстояния между электродами при выгорании электродов. Дело в том, что сопротивление дуги, в частности, определяется сортом и количеством пробы в разрядном промежутке. Это значит, что по мере выгорания пробы сопротивление плазмы, как правило, растет и, следовательно, падает разрядный ток. К аналогичному эффекту приводит увеличение межэлектродного расстояния при неизбежном выгорании электродов в процессе сжигания пробы. Генераторы, реализующие такой способ формирования дугового тока, обладают крайне низкими габаритно-весовыми показателями. Этот недостаток традиционных дуговых генераторов является принципиальным, поскольку связан с низким КПД и необходимостью применения мощных (тысячи ватт) реостатов, использующихся в качестве внешнего сопротивления; для них характерен высокий уровень электромагнитных помех, особенно при генерации дуговых разрядов переменной полярности. Это связано с тем, что в традиционных генераторах ток проходит через нулевое значение с частотой 100 Гц, соответственно с этой частотой необходимо осуществлять пробой разрядного промежутка мощным высоковольтным импульсом, который и является источником электромагнитных помех.

Так как дуговой разряд является так называемым термодинамически равновесным разрядом, его свойства определяются только температурой в разрядном промежутке, которая одинакова у всех компонент плазмы: атомов, ионов, электронов. Эта температура зависит от количества тепла, выделяющегося в дуге, которое, в свою очередь, пропорционально среднеквадратичному значению тока. Как известно, в зависимости от временной формы тока при одном и том же значении среднего или средневыпрямленного тока его среднеквадратичное значение может заметно различаться, а, значит, будут отличаться и интенсивности спектральных линий, которые определяются температурой дуги.

Известна схема электронного балласта и стабилизации высокочастотного (несколько МГц) дугового тока в маломощных (до 20 Вт) металлогалоидных лампах, которая содержит цепь питания, схему формирования дугового тока, включающую L-C контур, электроды, подключенные параллельно конденсатору L-C контура, ключевые транзисторы, токочувствительное сопротивление, к которому подсоединен операционный усилитель, блок формирования высоковольтного импульса поджига дугового тока, блок управления, в которой решается задача стабилизации мощности лампы на основе принципа сравнения амплитуды напряжения на токочувствительном сопротивлении с опорным напряжением таким образом, что разностный сигнал смещает частоту L-C контура от его резонансной частоты (ЕР 1128709, Н 05 В 41/292, опубл. 29.08.2001).

Недостатком этого изобретения является его непригодность для построения генераторов дуги постоянного тока. Также следует отметить, что вследствие стабилизации амплитуды тока дуги (как и при использовании балластного сопротивления), а не его среднеквадратичного значения, которое в конечном итоге и определяет температуру дуги, невозможно точно поддерживать интенсивность спектральных линий.

В основу изобретения положена задача создания универсального как для переменного, так и для постоянного тока дугового источника возбуждения спектра, в котором значительно повышен КПД преобразования потребляемой энергии, в котором достигается высокая стабильность разрядного тока независимо от состава, количества пробы, напряжения питания и изменения межэлектродного расстояния из-за выгорания электродов, в котором возможно точно установить требуемое значение дугового тока до поджига дуги; в котором значительно снижен уровень электромагнитных помех и акустического шума, стабилизирована интенсивность спектральных линий за счет стабилизации температуры плазмы независимо от временной формы разрядного тока, снижены габаритно-весовые показатели.

Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что в генераторе дугового разряда, содержащем цепь питания, цепь формирования дугового тока, включающую ключевые транзисторы, токочувствительное сопротивление, к которому подсоединен операционный усилитель, и L-C контур с подключенными к ним электродами, блок формирования высоковольтного импульса поджига дугового тока, блок управления, при этом в схему формирования дугового тока дополнительно включены многоуровневый компаратор и спецпроцессор, конденсатор и индуктивность включены последовательно с электродами, а многоуровневый компаратор подключен через операционные усилители к резистору и спецпроцессору, вычисляющему среднеквадратичное значение падения напряжения на резисторе, при этом параллельно конденсатору подключен дополнительный ключ.

Вместо спецпроцессора может быть использован выпрямитель, содержащий прецизионный диод и интегрирующую цепь.

К выходу спецпроцессора и потенциометру опорного напряжения через аналоговый ключ подключена схема индикации.

За счет устранения из дугового источника возбуждения спектра балластного сопротивления значительно повышается КПД преобразования потребляемой энергии вследствие использования электронного балласта, в котором L, С и дуговой промежуток включены последовательно и составляют контур с резонансной частотой около 25 кГц.

За счет стабилизации среднеквадратичного значения разрядного тока на неизменной частоте достигается высокая стабильность температуры дуги независимо от состава, количества пробы, напряжения питания и изменения межэлектродного расстояния из-за выгорания электродов.

Представленное устройство отличается тем, что оно обеспечивает функцию предустановки тока. Наличие в устройстве, обеспечивающем стабилизацию среднеквадратичного значения разрядного тока, схемы индикации и установки опорного напряжения, подключенной к операционному усилителю, позволяет установить среднеквадратичное значение тока дуги до ее зажигания.

Низкий уровень электромагнитных помех в предлагаемом решении связан с тем, что при генерации униполярной дуги в генераторе пробой используется однократно и далее отключается. Аналогично это происходит и при генерации дуги переменного тока. Последнее возможно, так как в данном генераторе реализован особый вид разряда - дуга переменного тока на частоте в десятки кГц (а не 50 Гц, как в традиционных генераторах). Таким образом, при переходе разрядного тока через нулевое значение (при смене полярности) дуга не гаснет и, следовательно, не требует пробойного импульса.

Применение дуги переменного тока на повышенной частоте, кроме низкого уровня электромагнитных помех, обуславливает следующие преимущества генератора перед аналогами: бесшумность работы (частоту 25 кГц человек не слышит), увеличение отношения сигнал-шум за счет того, что анализируемое вещество не успевает покинуть зону разряда за время перехода тока через нулевое значение.

Стабилизация дугового тока по среднеквадратичному значению обуславливает независимость температуры плазмы от изменения временной формы разрядного тока.

Отказ от использования балластного сопротивления обеспечивает высокие габаритно-весовые показатели генератора.

Дополнительно решается задача удешевления устройства путем замены дорогостоящего спецпроцессора выпрямителем с интегрирующей цепью, обеспечивающим режим работы, близкий к режиму работы спецпроцессора с точки зрения получения усредненного значения тока в цепи.

Наличие ключа, установленного параллельно конденсатору, позволяет решить проблему универсальности генератора, т.е. его применимости в качестве источника как переменного, так и постоянного тока.

Изобретение поясняется фиг.1, 2. На фиг.1 показана блок-схема всего устройства, на фиг.2 - схема, поясняющая включение спецпроцессора и схемы индикации и установки опорного напряжения.

Генератор содержит блок питания а (источник переменного тока 1, сетевой выпрямитель 10 и конденсатор 2). Блок формирования дугового тока b включает блок высоковольтного импульса поджига дуги, ключевые транзисторы 3 и 4, индуктивность 5, конденсатор 6, токочувствительное сопротивление 7, электроды 8 и 9 с аналитическим промежутком между ними, блок управления ключевыми транзисторами 11, ключ 12. Блок управления показан на фиг 2 и он содержит спецпроцессор 15, многоуровневый компаратор 16, блок логики 18, драйвер 17, выходы которого подключены к затворам ключевых транзисторов, операционные усилители 18, 20, потенциометр 22, задающий опорное напряжение на входе операционного усилителя 20, аналоговый ключ 23, цифровой четырехразрядный индикатор тока 21 и кнопку 24, управляющую аналоговым ключом 23. Вместо спецпроцессора 15 может быть использован выпрямитель, приближенно выполняющий его функции, содержащий прецизионный диод и интегрирующую цепь.

Генератор, схема которого показана на фиг.1 и 2, работает следующим образом. Вращением ручки потенциометра 22 при нажатой кнопке 24 оператор по показаниям индикатора 21 устанавливает уровень опорного напряжения Uoп, задающий среднеквадратичное значение тока дуги. Затем включается режим генерации дугового тока. В момент включения открывается транзистор 3 и 14, формирует высоковольтный импульс между электродами 8 и 9, вслед за которым начинается дуговой разряд через транзистор 3, индуктивность 5 и конденсатор 6 (в режиме дуги постоянного тока конденсатор 6 закорочен ключом 12). Операционные усилители 19, 20, спецпроцессор 15, многоуровневый компаратор 16, блок логики 18 и драйвер 17 формируют последовательность импульсов, управляющих транзисторами 3 и 4 так, что среднеквадратичное значение дугового тока определяется значением опорного напряжения Uoп, приложенного к входу операционного усилителя 20, который используется для сравнения опорного напряжения с напряжением, формируемым спецпроцессором 15.

В режиме дуги переменного тока реализуется синусоидальная форма тока между электродами 8 и 9 с частотой около 25 кГц, в режиме постоянного тока - пилообразная форма с регулируемой глубиной модуляции.

Расширение аналитических возможностей, улучшение аналитических характеристик спектроаналитических комплексов при замене в них традиционных дуговых генераторов на предлагаемый генератор обусловлено улучшением воспроизводимости результатов анализа за счет более высокой стабильности параметров дуги, увеличением чувствительности анализа в режиме униполярной дуги за счет регулирования глубины модуляции, в режиме дуги переменного тока за счет применения нового типа разряда - дуги переменного тока на повышенной частоте.

Изобретение относится к области спектрального приборостроения. Генератор содержит цепь питания, схему формирования дугового тока, включающую L-C контур, электроды, подключенные параллельно конденсатору L-C контура, ключевые транзисторы, токочувствительное сопротивление, к которому подсоединен операционный усилитель, блок формирования высоковольтного импульса поджига дугового тока, блок управления. В схему формирования дугового тока дополнительно включены многоуровневый компаратор и спецпроцессор, вычисляющий среднеквадратичное значение падения напряжения на резисторе. Техническим результатом изобретения является возможность установки требуемого значения дугового тока до поджига дуги, высокий КПД. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Генератор дугового разряда, содержащий цепь питания, схему формирования дугового тока, включающую L-C контур, электроды, подключенные параллельно конденсатору L-C контура, ключевые транзисторы, токочувствительное сопротивление, к которому подсоединен операционный усилитель, блок формирования высоковольтного импульса поджига дугового тока, блок управления, отличающийся тем, что в схему формирования дугового тока дополнительно включены многоуровневый компаратор и спецпроцессор, при этом конденсатор и индуктивность включены последовательно с электродами, а многоуровневый компаратор подключен через операционные усилители к резистору и спецпроцессору, вычисляющему среднеквадратичное значение падения напряжения на резисторе, при этом параллельно конденсатору подключен дополнительный ключ.2. Генератор дугового разряда, отличающийся тем, что вместо спецпроцессора использован выпрямитель, содержащий прецизионный диод и интегрирующую цепь.3. Генератор дугового разряда для эмиссионного спектрального анализа, отличающийся тем, что к выходу спецпроцессора и потенциометру опорного напряжения через аналоговый ключ подключена схема индикации.