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1、檢測(cè)與儀表化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(5)：54-56ControlandInstrumentsinChemicalIndustryICP光源中射頻功率測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)王超1”，金星1，石寶松1”，杜江3(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430074；2．中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春130033；3．北京海光儀器公司，北京100016)摘要：闡述ICP光源中射頻功率測(cè)量的意義，提出了測(cè)量范圍為100—1500W，頻率為27．12MHz的功率測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)分析了射頻功率測(cè)量裝置中的電路設(shè)計(jì)，包括采樣互感器、功
2、率合成電路、幅度相位分析電路和移相電路，并給出了判斷ICP光源負(fù)載狀態(tài)和性質(zhì)的方法。在實(shí)驗(yàn)中，利用BIRD43型功率計(jì)和BIRD4304A型功率計(jì)對(duì)射頻功率測(cè)量裝置進(jìn)行了參數(shù)校準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：ICP光源；功率測(cè)量；射頻中圖分類號(hào)：TM933文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-3932(2010)05-0054-031引言在現(xiàn)代分析測(cè)試儀器中，ICP—MS、ICP—AES(OES)都是一些精密的分析測(cè)試儀器，它不僅具有極低的檢出限，而且能夠?qū)pm量級(jí)的含量進(jìn)行定量分析‘“，可以快速同時(shí)檢測(cè)周期表上幾乎所有元素，成為公認(rèn)的最有力的元素分析手段。此類儀器利用射頻
3、電源輸出的電能在負(fù)載線圈上產(chǎn)生電磁場(chǎng)，將氣溶膠電離，形成等離子體。由于在產(chǎn)生并維持電感耦合等離子體的過(guò)程中，負(fù)載阻抗會(huì)產(chǎn)生變化，為了實(shí)現(xiàn)射頻能量高效率的傳輸，需對(duì)射頻電源的能饋傳輸狀態(tài)和負(fù)載阻抗?fàn)顟B(tài)進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)ICP光源的需要，本文提出了射頻功率測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。2設(shè)計(jì)方案圖l為ICP光源的結(jié)構(gòu)圖，ICP光源的驅(qū)動(dòng)電源使用27．12MHz的射頻電源，輸出功率在100～1500W可調(diào)，輸出阻抗為50Q，在輸出功率為750—1500W的范圍內(nèi)可以形成電感耦合等離子體。由于等離子體的阻抗只有0．5～1．5Q口1，為了滿足產(chǎn)生并維持等離子
4、體的條件，須使射頻電源的輸出阻抗與負(fù)載阻抗匹配，從而提高射頻能量的傳輸效率。因此需要在射頻電源和負(fù)載之間插入射頻功率測(cè)鼉裝置，檢測(cè)出系統(tǒng)的入射功率和反射功率，分析判斷出負(fù)載阻抗的狀態(tài)，進(jìn)而確定負(fù)載的控制策略。圖lICP光源結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，射頻功率測(cè)量裝置主要包括采樣互感器、移相電路、功率合成器和幅度相位檢測(cè)器等模塊單元。首先，利用采樣互感器按一定比例提取出射頻電源輸出信號(hào)的電流值i和電壓值口。將提取出的兩路信號(hào)口，和i，通過(guò)功率合成器進(jìn)行合成得到輸出值P。，其關(guān)系式如式(1)所示。另外，通過(guò)幅度相位檢測(cè)器檢測(cè)出電流信號(hào)i和電壓信號(hào)勘的相位差0和幅度
5、比，并將相位差0、幅度比和功率合成器的輸出值P．進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送至控制單元。通過(guò)二元方程組的計(jì)算得到射頻信號(hào)的電流值i和電壓值穢，進(jìn)而計(jì)算出入射功率、反射功率，并分析得到負(fù)載阻抗的性質(zhì)和狀態(tài)，如式(2)、式(3)所示?！巍猧=P，P。=÷·‰·，-P。=÷·％．，H．sin一(1)(2)(3)式中：‰，IN——電壓，電流的峰值；PRE，——反射功率；P阿。——入射功率。乜壓H感器酬移豐¨l乜路I
6、擰制模塊收稿日期：2010-12—14(修改稿)基金項(xiàng)目：國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAK03A01)第5期王超等．ICP光源中
7、射頻功率測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)·55·3．1采樣互感器如圖3所示，分別采用電流互感器和電壓互感器提取出射頻信號(hào)的電流值和電壓值，互感器的匝數(shù)均為26?；ジ衅鞯拇怒h(huán)采用單孔鎳鋅鐵氧體，初始磁導(dǎo)率為80，工作頻率為30MHz，可以滿足射頻電源27．12MI-Iz的頻率條件p1。JllJH}按射頻功率為100一l500W計(jì)算，電流信號(hào)端的輸出3．32一13．36V，電壓信號(hào)端的輸出為2．16～8．3V，計(jì)算出電阻網(wǎng)絡(luò)最大耗散功率為0．9W，故電阻網(wǎng)絡(luò)選用額定功率為2w的無(wú)感電阻?；ジ衅魈崛〉男盘?hào)經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)調(diào)理后送至功率合成器和幅度相位檢測(cè)器。J2IlHl-RlR2R
8、5R630lR7R8RllR1230I30l圖3采樣互感器示意圖3．2功率合成器為了計(jì)算射頻信號(hào)的電流值和電壓值，將采樣互感器提取出的信號(hào)進(jìn)行功率合成，圖4為功率合成電路圖。功率合成器采用Mini—Circuits公司的功率合成分配器ADP-2一IW，其頻率范圍為1—650Ml-Iz，阻1I．tF330∥冊(cè)抗50Q‘4。。功率合成信號(hào)經(jīng)過(guò)肖特基二極管整流，再使用峰值保持電路將其轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，通過(guò)電阻分壓后接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)計(jì)算得到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為0．39—4．06V，可以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換的條件0—4．096V。TIr，116．34Kq≯1wF呂
9、：竺。!些Ii型型壘，，I融擁愿4--瑙-tIVOLTSAMPI．E掣!肇掣lA1)1)-2一
