ARL3460直读光谱电子控制硬件系统简介
一、【序】
ARL3460直读光谱仪在国内冶金行业得到广泛的应用，用户数量也占有一定的比例，用户基本都是以操作分析使用为主，他们大多对应用软件较为了解，对于样品分析检测来说是非常熟悉的，由于有维护工程师进行专业维修，他们基本不参与仪器出故障的维修工作，所以他们对直读光谱仪的硬件系统的了解通常都是很少的。
为了能让直读光谱仪操作者对仪器硬件系统有一定的了解，本文针对ARL3460直读光谱电子控制系统，进行简单的介绍，希望能对仪器分析操作者进一步了解直读光谱仪概况有所帮助，不足之处还望海涵！
图1 ARL3460直读光谱外观图
二、【电子柜系统】：
1、主机柜：
ARL3460直读光谱的电子控制系统主要由计算机及与主机接口通讯控制系统、 电子控制系统（电子柜, 激发光源）、数据采集系统（光学室PMT 检测器读取）、辅助控制系统等几大部件组成。本文重点电子控制系统（电子柜, 激发光源）。（图2）
图2 ARL3460直读光谱主机电子控制系统布局配置图
2、工作室：
光谱仪上盖内部为主机工作室，该工作室包含真空测量、循环风扇、衰减电阻网络、恒温控制、疲劳灯、光学室、光电倍增管、描迹旋扭等部件，通常光学室恒温在（38±0.1℃），以保证内部系统各部件工作在稳定状态。（图3 ）
图3 ARL3460直读光谱主机工作室内部系统布局配置图
3、电子柜：
ARL直读光谱主要的电子控制系统被放在仪器左下侧的一个电子柜里。这个电子柜包含了所有计算机、光学室、火花台和激发光源之间所必须的通讯电路，控制和接口卡，并使用了C-MOS 技术。其工作原理是建立在与计算机相连的微处理器进行控制的基础之上，这个微处理器需用一块适配卡来管理各种读出谱线、激发台和光源信号。（图4）
图4 ARL3460直读光谱电子柜电子系统布局实物图
4、ICS34 B系统控制板：
这是一块由两块电路板（双 ICS 板）构成的两层三面（三明治）电路板组件，这一组件是控制系统的核心部件，相当于仪器主机系统的大脑。这两块电路板分别为MMB88 微机板和适配板。
MMB88 微机板是主机CPU核心处理系统，该电路板用于指挥协调整个主机系统，负责系统处理、存储、输入/输出的信息，并通过信号通讯将信息传递给各系统。（图5）
图5 ARL3460直读光谱电子柜系统控制MMB88 微机板
适配板负责辅助CPU处理器管理所接收和发射的读出谱线、激发台和光源信号等各种信息，配合完成MMB88 微机板的各项任务，并通过led指示灯显示系统的各种工作状态。（图6）
图6 ARL3460直读光谱电子柜系统控制适配板
5、IVFC板（光强/电压/频率转换板）：
该板是用于测量PMT（光电倍增管）信号的A/D转换器和计数器板。首先通过光电倍增管将元素通道的光信号转换成电压信号，再将电压信号进行积分放大通过A/D转换器转成计算机所需的数字信号进行处理，一块IVFC板可控制6个通道，10个卡槽最多可安装10块IVFC板，也就是说最多可扩展到60个元素通道。（图7）
图7 ARL3460直读光谱电子柜IVFC板（光强/电压/频率转换板）
6、 真空描迹板：
这块电路板用于检测调节真空值和某一通道描迹读数，两者读数直接显示在仪器电脑键盘台面盖内的指针式指示仪表上。 该板是一块独立的印刷电路板，电路中包含直流低压供电电源、描迹输入脉冲信号、真空规测量输入信号、真空测量恒流源、真空测量输出信号（至ICS板）及真空测量传感器桥路等电路。（图8）
图8 ARL3460直读光谱电子柜真空描迹板
7、 状态检测板：
这快板用于监测仪器部分电路关键参数或电压状态，被检测的参数或数据出现异常时，系统微处理将及时通过电脑显示报警信息，并对系统作出对应的处理。电气读数直接关系到仪器工作状态是否良好。（图9）
图9 ARL3460直读光谱电子柜状态检测板
通过【F7】按键可以读出系统真空、主电源、工作室温度、光学室温度、光电倍增管负高压及部分低压电源（LVPS）等关键信息，异常情况以报警信息显示在显示屏上，由此可以判断仪器电气系统的工作状态。（图10）
图10 ARL3460直读光谱报警及工作状态信息显示
8、低压电源（LVPS）：
该电源安放在电子柜的后面。低压电源由两个独立单元构成，一个为+24V 直流电源，主要供电路中各继电器、电磁阀及相关辅助电路供电。另一个为+5V和±12V 直流电源，主要为各电路集成电路供电。LVPS是为仪器系统控制主线路（电子柜）供电的电源，但不包括激发光源和激发台供电的电源。 （图11）
图11 ARL3460 低压电源（LVPS）（+24V、+5V、±12V）
9、负高压电源（HVPS）：
该电源位于电子柜的后面，为了安全和防止高频干扰电源被安置在金属屏蔽网罩内。（图12）
图12 ARL3460 负高压电源（HVPS）金属屏蔽外罩
此负高压电源为光电倍增管专用电源。输出-1000 V为光电倍增管阴极供电，输出-100 V为光电倍增管栅极供电（图13），
图13 ARL3460 负高压电源（HVPS）（自带24V电源老款）
各元素通道灵敏度值存在差异，为了获得最佳检测灵敏度，负高压通过衰减电路板（可调整电阻网络）连接至光学室各光电倍增管插座（图14）。
图14 ARL3460 负高压衰减板（可调整电阻网络）
10、电子柜接口系统：
该部分主要包含主机与计算机通讯联系的RS-232接口，状态检测各传感器接口，IVFC板与光学室各光电倍增管接口。（图15）
图15 ARL3460 电子柜接口系统
11、电子控制系统：
ARL3460电子控制系统负责仪器整机系统的多功能、多任务的执行，通过内部总线ICS34B将光电信号采集系统、积分转换检测系统、数据处理系统、火花台分析系统、光源激发系统、真空描迹系统、状态监测系统、安全保护系统及上位计算机系统等各硬件系统连接为一个整体，在WinOE或OXSAS应用软件的操作下完成安检、激发、采集、转换、处理等各种样品分析任务。（图16）
图16 ARL3460的电子控制系统原理图
三、【光源系统】：
1、ARL 3460采用的是Hi-Rep（High Repetition rate source ）高重复率光源，它是传统的RLC 放电型激发光源（图17）。直读光谱在检测分析时，样品激发是靠分析面与对放电电极之间产生一个低压放电火花来实现的，火花能量由光源发生器提供。
图17 ARL 3460 机柜内的Hi-Rep高重复率光源
2、ARL 3460直读光谱Hi-Rep光源主机放在仪器右边机柜内，光源上部充分留足空间，通过机内工作的散热风机，将光源工作时产生的热量循环散发出去。Hi-Rep光源由高压点火发生器供电电源（+24V），激发主电源（+550V），光源低压供电电源（板），同步脉冲发生器（板），控制条件发生器（板），逻辑控制发生器（板），安全检测及控制器、RLC充放电电容（1μF×3），RLC充放电电感（20μH、900μH、2000μH）、限流电阻（0.5Ω/100W、可调10Ω/100W、10Ω/100W）、RY1～RY5控制激发交流接触器系统等组成。Hi-Rep光源内结构详见图18。
图18 ARL 3460 Hi-Rep光源内部结构图
3、光源在光源箱里有它自己独立的供电电源，而光源和激发台信号通过适配板上的模拟驱动器来传送。高压信号接口电缆包括辅助高压点火及光源激发两个控制功能，控制信号接口电缆将光源与激发台进行通讯与控制，安全保护接口连接火花台安全门保护开关，激发电压检测接口，激发电流检测接口，220VAC电源电缆。（图19）
图19 ARL 3460 Hi-Rep光源箱背面接线图
4、 Hi-Rep光源箱面板布局如图20所示，右侧为光源总电源开关，右侧为四块可插拔印刷电路板。
图20 ARL3460 Hi-Rep光源箱面板布局
四块电路板分别为低压电源及IGBT控制电路板，同步脉冲发生器电路板，控制条件选择电路板，逻辑控制电路板。这几块电路板各自完成光源的系统控制功能。（图21）
图21 ARL3460 Hi-Rep光源控制系统电路板
5、光源RLC充放电电容（1μF×3），RLC 充放电电感（20μH、900μH、2000μH），通过改变RLC电容电感的参数，可获得不同的充放电时间，并由RY1～RY5交流接触器执行控制不同的激发条件。
Hi-Rep光源是传统的RLC 放电型的模拟光源，其激发频率最高可达到 400 Hz。激发频率取决于RLC充放电时间， ARL3460使用了三个充放电电容（1μF×3）。（图22）
图22 Hi-Rep光源RLC 充放电电容（1uF×3）
同样 ARL3460也使用了三个充放电电感（20μH、900μH、2000μH），改变不同的电感值与充放电电容（1μF×3）组成多种充放电频率。（图23、图24）
图23 Hi-Rep光源RLC 充放电电感（20μH）
图24 Hi-Rep光源RLC 充放电电感（900μH、2000μH）
另外还使用了三个限流电阻（0.5Ω/100W、可调10Ω/100W、10Ω/100W），其中0.5Ω/100W、可调10Ω/100W为RLC充放电电限流电阻，限流电阻与充放电电容、充放电电感进行不同的组合，从而获得不同的激发电流。（图25）
（图25） Hi-Rep光源限流电阻（0.5Ω/100W、可调10Ω/100W、10Ω/100W）
交流接触器RY1～RY5配合RLC充放电电容电感，执行控制不同的激发条件。（图26）
图26 ARL3460 Hi-Rep光源RY1～RY5激发控制交流接触器
6、检测分析是在样品分析面和对电极之间产生一个低压放电来实现的，放电火花能量由光源发生器提供。根据选择的线圈电感的值，火花的持续时间在大约 70 μm 和 1 ms 之间变化（图27）。
图27 Hi-Rep光源RLC 激发放电波形图
对于50 Hz的电源，光源每秒能够产生200或400个火花，反之，对于60 Hz 电源，每秒能够产生180 或360 个火花. 这两种操作频率之间的选择是可编程的。当一个火花中断后，电离的等离子体需要一定的时间才消失，因此在放电电容再次充电前必须等待，消除电离时间需要1 - 2 ms。
根据样品类型变化，当编程感应线圈的值太高时（900 μH或2000 μH）的时候，这个延迟增加了电容充电的火花持续时间，该延迟阻止在 400Hz（360 Hz）时产生火花。
7、Hi-Rep光源工作原理。（图28）
图28 ARL3460 Hi-Rep光源工作原理框图
Hi-Rep光源电路系统分为三个部分:
a）高压部分：（高压点火系统）
在样品和电极之间击穿气体放电，这部分称为高压点火发生器。高压点火系统部分也就是激发火花点火器。主要由主电源变压器一次电压经过升压整流后，+24V通过限流电阻、IGBT控制，进行二次升压至6～12KV，使辅助电极间隙放电，放电间隙再次升压将样品和电极之间的气体击穿，形成高压点火放电。高压点火系统主要工作在预燃阶段。（图29）
图29 ARL3460 光源高压点火发生器低压工作电源（+24V）电路板
b）低压部分：（主激发电源系统）
低压供电系统的目的是提供激发分析时的工作电压（+550V），供给利用高压点火发生器击穿放电蒸发少量样品需要激发的能量。低压部分提供的能量大约是高压部分提供能量的50 倍。主要工作在积分和曝光检测阶段，低压激发由IGBT晶体管控制电路执行。（图30 ）
图30 ARL3460 Hi-Rep光源激发主电源晶体管散热器（+550V局部）
c）控制部分：（信息通讯、光源驱动及控制维持系统。）
同步脉冲发生器、控制条件发生器、逻辑控制电路及电路系统供电低压电源，供给RLC电路进行充放电，维持样品与电极激发电流（火花），安全检测及控制电路监测电路的工作状态，并执行安全保护功能。光源受控于主机ICS34 B系统控制。
Hi-Rep光源电路系统供电电源，主要为保证各电路板正常工作提供稳定的低压电源。电路包含+5V、+15V、+24V低压电源及IGBT激发控制电路。（图31）
图31 ARL3460 Hi-Rep光源低压电源及IGBT激发控制电路板
Hi-Rep光源逻辑控制电路通过对同步脉冲和激发条件信号进行选择，按分析技术要求对激发电路进行逻辑控制，驱动IGBT晶体管以获得所需的激发电流。（图32）
图32 ARL3460 Hi-Rep光源逻辑控制电路板
Hi-Rep光源条件选择电路包含激发条件选择、电压比较控制及安全保护等电路，通过搭接不同参数RLC的连接，组合成不同的激发充放电参数，同时控制激发低压电源超压和欠压的安全保护电路。（图33）
图33 ARL3460 Hi-Rep光源条件选择电路板
Hi-Rep光源同步脉冲发生器印刷电路有1ms、3.5ms、6ms、8.5ms四个脉冲发生器，通过同步信号控制可获得100～400Hz的激发频率，供给条件选择和逻辑控制电路，最后去驱动IGBT激发电源。（图34）
图34 ARL3460 Hi-Rep光源同步脉冲发生器印刷电路板
四、【尾】：
以上简单介绍了ARL3460光谱仪电子控制系统主要硬件情况，对于所对应的电子线路，由于电路原理较为专业，介绍起来比较枯燥乏味，故没有过于详细的介绍电子线路原理，本文主要是通过电子控制系统的硬件实物再现，介绍各硬件的基本用途和电气功能，让大家共同分享ARL3460直读光谱的硬件知识。
2021.11.16
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