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      ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep高重復率光源淺析【第十一屆原創大賽】

      [2018-09-13]


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      直觀的ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep高重復率光源淺析.多圖預警!


      一、【前言】



      眾所周知,光電直讀光譜儀(或火花直讀光譜儀)《簡稱直讀光譜儀》可以分析金屬材料及合金材料里的眾多元素,但它離不開激發光源,激發光源(簡稱光源)是直讀光譜儀必備的重要部件之一。


      直讀光譜儀的激發光源有多種類型,最早的激發光源是火焰,后來又發展為應用簡單的電弧和電火花為激發光源,隨著工業生產的進步、光譜儀器的發展以及科學技術的水平不斷提高,前輩們經過多年的探索和經驗的累積,最后采用改進的可控電弧和電火花作為激發光源,從而提高了直讀光譜分析的穩定性,并形成直讀光譜主流產品的首選光源。目前市面上的直讀光譜產品主要用的是高能預火花(或高能預燃型)激發光源。高能預火花激發光源具有穩定的能量釋放在氬氣環境中激發樣品,確保激發樣品電火花高穩定率輸出,以滿足各種不同材料的激發要求。

       

       

      ARL3460直讀光譜儀(圖1)采用的是Hi-Rep(High Repetitionrate source)高重復率光源(簡稱Hi-Rep光源),本質上歸屬于廠家特別設計的一種高能預火花激發光源。由于ARL3460直讀光譜儀具有優良的技術品質和性能,在市場上擁有不少用戶,因此ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源也具有一定的代表性。


      本人根據多年接觸ARL3460直讀光譜儀的實踐和經驗,通過對直讀光譜激發光源工作原理的學習,對ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源的部件組成和工作原理,略有一些粗淺的了解。對此下面簡單的對ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源系統進行了簡單的敘述,通過淺析解直讀光譜激發光源的工作原理,希望能對從事直讀光譜工作人員提高自身的業務能力和綜合素質有幫助作用,也可供分析操作及維護維修直讀光譜儀技術人員參考。此文僅為根據個人的經驗和理解對ARL3460直讀光譜Hi-Rep光源進行扼要的介紹,必然存在不足之處,望大家給予諒解和補充。


      圖1 ARL3460直讀光譜儀外觀圖


      二、【Hi-Rep光源的結構組件】


      ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源安裝在主機右下側的機柜內部(圖2),光源上部充分留足空間,通過機內工作的散熱風機,將光源工作時產生的熱量循環散發出去。


      圖2ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源外觀圖


      Hi-Rep光源內部按元件功能布局(圖3),主要有主電源變壓器、交流接觸器、大功率IGBT控制模塊(晶體管)、低壓大容量電解電容、大功率限流電阻、電火花充放電電容、電火花充放電電感、高壓點火供電電源、低壓供電電源、高重復率時鐘脈沖發生器(板)、安全保護電路板、激發邏輯控制器(板)等元件或部件,其內部結構緊湊,器件分布合理,連接走線清晰,給維修帶來不少便利。


      圖3ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源內部布局圖.


      Hi-Rep光源面板結構相當簡潔,左側為光源的電源開關(圖4),也即光源的開關斷路器(工作電流 6A)。


      圖4ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源面板實物圖


      右側為四塊可插拔控制電路硬刷電路板。(圖5)它們從左到右依次是(低壓)電源板、脈沖發生器板、(安全保護)條件選擇器板、邏輯控制板。


      5ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源控制電路板布局圖


      HiRep 光源背面結構(圖6)主要有:230V 交流電源接口、控制信號接口、高壓信號連接電纜、安全裝置接口、電壓輸出接口(用于放電電壓檢查)、電流輸出接口(用于放電電流檢查)、提示標牌(安全布線說明)。

      6ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源背面結構圖


      三、【Hi-Rep光源的功能特點】


      直讀光譜儀使用激發光源的目的是在激發電極和被分析的樣品之間產生電火花。電火花所帶的能量從樣品上激發出原子,并發射出被測元素的光譜(線),也就是提供分析用的“發射光譜”。由于樣品種類繁多、形狀各異、元素對象、濃度、蒸發及激發難易不同,對光源的要求也各不相同。


      同樣,ARL 3460直讀光譜儀分析時,激發臺(圖7)內樣品分析面和對分析電極之間產生一個低壓放電火花(或電?。崿F元素分析,火花能量必須由光源提供。ARL 3460 直讀光譜儀器里面的光源被稱為Hi-Rep高重復率光源,它的基本原理是基于傳統的RLC 放電型的,其重復(激發)頻率是可調的,最高可達到 400 Hz。光源的激發頻率越高,直讀光譜儀對基體的適應性越廣,比如高溫合金分析,高激發頻率的優勢就顯露出來。


       

      圖7 ARL 3460 直讀光譜儀激發臺


      Hi-Rep高重復率光源(高能預火花光源)具有如下特點:


      1、該光源為單向低壓火花光源,只傳遞單一方向的脈沖,最高頻率為400Hz。

      2、該光源能提供單向放電或振蕩放電,單向放電只激發樣品,對電極本身不激發,避免了對樣品分析的影響。

      3、該光源具備高能預火花能力,可以克服某些樣品因冶金組織的差異(既不均質)而引起的基體效應。采用高能預火花能使不均質樣品(如灰鑄鐵)在局部區域表面即激發點范圍內進行充分熔化而均質化,提高樣品分析結果的準確性。

      4、該光源重復率高,激發點小,因此單位面積上的能量密度高,有利于元素的充分激發和縮短預熔所需的時間,這樣提高了分析精度和速度,結果重現性好,而且適合難熔金屬材料的激發。

      5、該光源有多種預熔條件和多種積分條件可供選擇,有利于分析不同性質的各種材料。

      6、隨著電子技術的提高,光源朝著模塊化發展,采用固態電路結構,結構更加小巧。


      四、【Hi-Rep光源的工作原理】


      ARL3460直讀光譜儀是一個完整的體系,雖然Hi-Rep光源自身是獨立的,但也僅為系統的一個重要部件,它必須與整個儀器分析系統相連接,否則無法工作。光源與系統的連接詳見圖8。


      8ARL3460直讀光譜儀工作系統方框圖

       

      金屬樣品與電極之間進行火花(或電?。┓烹?,對由此產生的光譜進行光電測定,進行所含元素的定量檢測。分析樣品在光源激發時產生的光譜,通過聚光透鏡由入射狹縫導向衍射光柵上,經過衍射光柵色散分光后,再進入出射狹縫,通過反光鏡(或無反光鏡),將光譜中所需的譜線射入光學室光電倍增管的光靶上。光電倍增管將光譜轉化成電流,經過信號采集、積分放大及(電流)強度電壓頻率轉換器(ICFV)轉換成數字信號,再經過光源強度控制系統(ICS34B)及輔助系統(描跡和真空)配合處理,最后通過電腦軟件綜合分析處理,得到所需元素定量分析的結果(圖9)。光源的控制是可調的,對于不同的分析任務,可以通過軟件調整對應的光源條件。

      9  ARL3460直讀光譜儀工作原理方框圖


      Hi-Rep光源電路系統主要分成四個部分,高壓點火系統部分,低壓供電(驅動)系統部分,重復頻率發生器及光源控制部分,安全保護及邏輯控制部分(圖10)。

      10ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源電氣原理框圖

       

      1、高壓點火系統部分(圖11):


      高壓點火系統部分也就是激發火花點火器。主要由主電源變壓器一次電壓(20VAC)、二極管整流橋、二次升壓變壓器(612KV)、二次高壓整流橋、輔助電極放電間隙、限流電阻、IGBT晶體管等電路及元器件組成。主電源電壓經過二次升壓整流,通過輔助電極間隙放電,再次升壓將樣品和電極之間的氣體擊穿,形成高壓點火放電。高壓點火系統主要工作在預燃階段,點火工作由IGBT晶體管控制電路執行。

      11Hi-Rep光源高壓點火系統部分電路原理框圖

       

      2、低壓供電系統部分(圖12):

       

      低壓供電系統的目的是提供激發分析時的工作電壓,供給利用高壓點火電路擊穿放電蒸發少量樣品需要激發的能量。該系統主要工作在積分和曝光檢測階段。

      12 Hi-Rep光源低壓供電系統部分電路原理框圖

       

      低壓供電系統主要由主變壓器初級電壓(550VAC)、低壓整流橋、IGBT電流控制晶體管、儲能續流二極管、RLC充放電電阻電感及電容(1uF×3,圖13)、激發能量控制繼電器(或接觸器)等組成。此低壓供電電路提供的能量大約是高壓點火電路提供能量的50 倍。因此可提供大電流工作以保證樣品激發時能充分熔化。由于工作電壓不高,減小了電路及元素的干擾,所以提高了火花(或電?。┑姆€定性,同時確保分析樣品結果的可靠性和準確性。


      13 Hi-Rep光源RLC 充放電電容(1uF×3

       

      3、重復頻率發生器及光源控制部分(圖14):

       

      重復頻率發生器及光源控制電路主要由(同步)脈沖發生器、重復頻率發生器、電壓比較器(RLC充放電)、IGBT控制電路、高壓點火驅動電路、激發光源控制電路等組成。時鐘脈沖發生器及光源控制電路的作用,是驅動光源和控制激發,維持其分析樣品的正常功能。Hi-Rep光源是一種經典的RLC 放電光源,根據選擇RLC的值,火花的持續時間在大約70us  1 ms 之間變化。對于50 Hz 的電源,光源每秒能夠產生 200  400 個火花,即重復頻率為200 Hz400 Hz,這兩種操作頻率的選擇是可編程的。


      14Hi-Rep光源高重復率頻率發生器及光源控制電路原理框圖

       

      4、安全保護及邏輯控制部分(圖15):


      安全保護及邏輯控制系統由主電源輸入、安全控制電路、(重復頻率脈沖)時序檢測器、過壓及(火花臺)短路保護電路,低壓電源電路、光源運行狀態安全保護電路、邏輯控制電路等組成。

       

      安全控制電路是通過對高壓點火電路、過壓檢測電路、火花臺電極與樣品短路檢測電路及光源運行狀態電路的檢測,當判斷電路出現異常時,立即啟動安全保護,執行安全控制。



      低壓電源(±15V,5V)給安全保護電路及邏輯控制電路提供工作電源。


      邏輯控制電路受控于操作程序,通過電腦應用軟件,選擇各種分析參數執行激發任務,并控制光源的激發狀態。


      15Hi-Rep光源光源控制及安全保護電路原理框圖

       

      由于光源含有高壓電路,在激發時會產生放電火花,另外由于光源激發工作時,高壓放電火花或電弧是很難穩定的,工作電流受樣品影響也會產生不穩定因素,外部供電電網不穩定也會導致光源內部電路不穩定,正因諸多因素,所以必須設置安全保護電路,以確保光源正常的運行狀態。同時對分析操作人員在工作時,存在高壓放電,也具有一定的危險性,高壓的安全保護電路也是對人身的安全保障。


      四、【Hi-Rep光源的工作原理】


      由于Hi-Rep 光源在工作時會產生火花,在光源部件的不同位置都存在危險電壓。所以光源部件必須整體安裝到儀器里面,并將光源外殼面板蓋住,確保危險電壓將不會碰到,以阻止任何對操作人員的意外事故。另外,還必須意識到,光源長時間操作之后,有些元件會變得很熱,操作時必須采取恰當謹慎的行為來避免。


      在操作直讀光譜儀時,應隨時根據激發條件和參數,注意光源的工作狀態,觀察儀器的各種安全保護指示,一旦光源出現不激發或其他異常故障時,在通常情況下操作人員不要直接去碰觸光源部件,請及時聯系售后服務人員或專業工程師進行處理和維修。如果是測試或者故障排查的原因,需要帶電打開光源部件,操作者必須意識到由于危險電壓存在的致命的危險。


      光源在出廠時已經提供了為所分析材料預先編好程序的分析條件,這些條件與光源已達到最佳的參數匹配。所以操作人員盡量不要輕易改變光源激發條件和分析參數。在操作程序里,QC/QA 校正報告中可以查詢出各種已編成程序的光源條件。在WINOE 軟件配置手冊中解釋了一個或多個條件的選擇程序。關于更詳細的技術說明可以在電子部分的手冊中找到。不過這種說明是專業維修工程師使用的。

       

      五、【Hi-Rep光源的維修舉例】



      【例一】:

      【故障現象】:ARL3460直讀光譜儀一臺,出現不激發現象,電腦程序點擊“啟動”與儀器按鍵直接“啟動”均無法激發,但能聽見儀器內有繼電器“滴答”吸合聲。

      【分析與檢查】:從繼電器“滴答”吸合聲來判斷,電腦程序執行是正常的,直接按儀器啟動按鍵內部工作也正常,故障可能在激發光源。


      檢查激發光源,打開機蓋檢查直流工作電壓,當檢測高壓供電電源時無20V直流電壓,沿電路查找發現保險絲(4A)熔斷(圖16)。由于是電源保險絲熔斷,說明電路可能存在嚴重漏電或短路,維修必須謹慎進行。


      16  Hi-Rep光源高壓供電電壓保險絲


      【維修與處理】:在更換保險絲之前,仔細檢查了相關電路和元器件,未發現有元件損壞和短路現象,再打開火花臺發現內部及外圍有很厚的積碳沉積(圖17),懷疑是積碳受潮導致嚴重漏電,使高壓點火電路負載加重,最后燒壞保險絲。將火花臺及外圍清理干凈,并用電吹風去潮,檢查一切正常無異常后,更換備用保險絲,重新啟動可以激發了,電腦和手動均可啟動,儀器恢復正常工作,就此故障排除。


      17  ARL3460直讀光譜儀火花臺外圍積碳沉積


      【例二】:

      【故障現象】:一臺ARL3460直讀光譜儀,因為使用年限較久,經常發生激發不正常,導致分析結果異常,用戶自行清理了火花臺多次,仍無法穩定工作。


      【分析與檢查】:光譜儀能激發正常分析,說明儀器的主電路系統是正常的,火花室內已經被清理干凈,氬氣、冷卻水、透鏡以及排氣系統都應該沒有問題??紤]到該儀器常年工作在南方潮濕環境中,重點懷疑某處應受潮,可能存在漏電現象,干擾了光源激發,尤其是有高壓部分的部件是重點檢查對象。


      順著光源高壓點火電路檢查各個部件,當打開輔助間隙放電腔,發現內部已被嚴重污染,這說明輔助電極放電時,受潮降低了絕緣并產生了銹蝕,銹蝕污物濺射到腔內壁上(圖18),當天氣干燥時輔助電極放電影響不大,激發正常,當天氣下雨潮濕時,絕緣降低輔助電極放電異?;蚋邏号离?,嚴重干擾了正常的樣品激發,最后導致分析數據紊亂。


      【維修與處理】:由于輔助間隙放電腔是密封的,所以一般不太會被懷疑,容易被忽視。進行輔助電極腔的清理,先用棉花蘸酒精擦洗輔助極腔,結果發現電極腔內部放電殘留物沉積較厚,于是用細砂紙將內壁打磨直到清理掉殘留物,再用稀鹽酸浸泡一段時間,充分化解掉銹蝕殘留物。再用酒精清洗后晾干,最后用電吹風吹干輔助極腔內壁及外圍。安裝還原輔助電極,蓋上密封端蓋。開機運行結果恢復正常激發,經過光譜儀氬氣沖洗排盡空氣,正式激發檢測數據恢復正常。


      18輔助放電腔內受潮銹蝕被污染


      六、小結


      以上簡單介紹了ARL3460直讀光譜儀Hi-Rep光源的一些基本特點和原理簡述,由于Hi-Rep光源的實際電路是相當復雜繁瑣的,其電路原理分析需要專業性很強的知識支撐,對于非專業的技術人員來說不要隨意觸碰和維修光源,否則可能會造成光源的故障擴大,甚至會損壞光源。根據多年的實踐和經驗總結,總體來說,Hi-Rep光源的穩定性和可靠性是相當不錯的。


      沒有一種萬能的光源能同時滿足各種分析對象的要求,Hi-Rep光源也不例外,而直讀光譜儀分析的誤差,主要來源于光源部分,因此,光源的選擇十分重要。在選擇光源時應盡量滿足下列要求:


      1、高靈敏度,對于樣品中元素濃度微小的變化,檢出信號會有較大的變化,高靈敏度可以提高檢測元素的分辨率。

      2、低檢出限,這個參數代表了直讀光譜儀對微量及痕量成分進行檢測極限。

      3、重復穩定性,光源能穩定地激發,樣品能穩定地蒸發和原子化,檢測結果具有較高的可靠性。

      4、高信噪比,譜線強度與背景強度之比大,可大大提高檢測數據精密度。

      5、高能預火花,預燃時間短,分析速度快。

      6、穩定的火花(或電?。?,自吸收效應小,校準曲線的線性范圍寬。

      7、先進的晶體管技術,構造簡單,安全可靠、操作簡便。


      隨著直讀光譜儀激發光源技術的發展,產品也在更新換代,光源正在由電子模擬型向數字化(固體)光源方向發展,體積更加緊湊小巧。目前有不少CCD檢測器型直讀光譜儀的激發光源已經實現了數字化控制技術,這就進一步提高了直讀光譜激發光源的可控性和精確性。光源技術的發展也使直讀光譜儀的性能進一步得到了改善,同時也促進了光譜儀器和光譜學科的發展。



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