CN105977127B - 适于飞行时间质谱仪的离子源真空互联自锁系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于飞行时间质谱仪的离子源真空互联自锁系统，包括微处理器，舱门状态开关，由第一真空电磁阀控制电路、第二真空电磁阀控制电路、第三真空电磁阀控制电路组成的控制电路；所述舱门状态开关的高电位触点与直流电源VCC连接，舱门状态开关的低电位触点通过电阻R1接地。本发明优点在于解决了外部噪声干扰真空电磁阀的工作状态问题，杜绝了软件对真空电磁阀的误操作。确保舱门未闭合时所有真空电磁阀均保持闭合，三个真空电磁阀不可以同时有两个阀被打开，若有则三个真空电磁阀同时闭合以保护真空；极大地提高了基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪离子源进出靶时真空安全性。
Description
技术领域
本发明涉及飞行时间质谱仪，尤其是涉及适于飞行时间质谱仪的离子源真空互联自锁系统。
背景技术
飞行时间质谱仪是一种新型的软电离生物质谱，仪器主要由两部分组成：基质辅助激光解吸电离离子源（MALDI）和飞行时间质量分析器（TOF）。飞行时间质谱仪工作时离子源内部处于高真空状态（10-7mbar），要达到如此高的真空需要用“机械泵+分子泵”串联抽气。样品靶在离子源真空腔体内部正常工作、样品靶从腔体内退出、样品靶从外部进入腔体内这三种工作过程，皆需要离子源真空腔体的舱门状态监测开关和三个真空电磁阀配合切换，才能使样品靶在离子源真空腔体内、外平稳过渡进出。飞行时间质谱仪离子源真空系统如图1所示，主要包括机械泵1、分子泵2、样品靶3、舱门4、第一真空电磁阀5、第二真空电磁阀6、第三真空电磁阀7、舱门状态开关8。机械泵1和分子泵2串接于腔体9，在分子泵2出气口处设置有第一真空电磁阀5来控制分子泵2与机械泵1之间气路通断；机械泵1对离子源腔体9抽真空的流程是先打开第一真空电磁阀5，用机械泵1抽取腔体9内的空气，当腔体9内真空度达到10-2mbar数量级时开启分子泵2，用机械泵1串接分子泵2的方式使腔体9内真空度达到10-7mbar。
出靶过程，样品靶3移动到舱门4位置，此时舱门4和样品靶3形成一个隔离于腔体9的小腔体（这是因为腔体9的上盖很厚，舱门4是盖在腔体9上表面，样品靶3可以贴在腔体内壁下面，当移动到舱门4位置时，所述舱门4和样品靶3之间所围成（形成）的空间），称之为舱室10。进靶时，样品靶3往腔体9内部移动，舱室10与腔体9形成一体。舱门4下面有个舱门状态开关8，可以感知到舱门4的打开与闭合。第二真空电磁阀6连接舱室10和空气，打开第二真空电磁阀6即可将空气放入舱室10内；第三真空电磁阀7连通舱室10与机械泵1，打开第三真空电磁阀7机械泵1即可以对舱室10进行抽气。
出靶时，样品靶3移动到舱门4位置，此时关闭第一真空电磁阀5、打开第二真空电磁阀6，将空气放入舱室10内后关闭第二真空电磁阀6，使舱室10与外部环境气压相同，此时便可以打开舱门4更换样品靶3。
进靶时，关闭第一真空电磁阀5和第二真空电磁阀6，打开第三真空电磁阀7使机械泵1对舱室10进行抽气。当抽到10-2mbar数量级时，关闭第三真空电磁阀7停止对舱室10抽气；打开第一真空电磁阀5并控制样品靶3往离子源腔体9内部运动，低真空度的舱室10和腔体9形成一体。在形成一体之前，舱室10真空度已经达到10-2mbar数量级，且舱室10体积很小，故对腔体9内部真空度影响很小，而机械泵1串接分子泵2的方式抽速很大，很快就可以将腔体9内部真空度恢复。
通过对离子源腔体9进出靶流程的分析得知：1、舱门4必须在舱室10形成之后才可以打开，且舱门4打开时，三个真空电磁阀5、6、7必须全部关闭；2、三个真空电磁阀5、6、7不可以有任何两个同时打开，若发生此情况时必须将三个真空电磁阀5、6、7全部关闭；3、在满足上面1、2两点要求条件下，三个真空电磁阀5、6、7必须可以单独控制。
目前，上述三个真空电磁阀5、6、7的控制，是通过上位机控制下位机对各真空电磁阀单独控制，且下位机也没有与真空电磁阀的驱动电路隔离。其存在的不足是：1、上位机和下位机所使用的软件皆会出现漏洞、死机、跑飞等情况，一旦软件异常极易发生真空电磁阀误动作情况；2、由于下位机没有与真空电磁阀的驱动电路实现电隔离，势必要产生电磁干扰而导致真空电磁阀误动作。上述存在的不足都会造成真空泄露破坏工作环境，冲击分子泵和机械泵，造成分子泵、机械泵硬件损坏，仪器瘫痪。
发明内容
本发明目的在于提供一种适于飞行时间质谱仪的离子源真空互联自锁系统。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述适于飞行时间质谱仪的离子源真空互联自锁系统，包括微处理器，舱门状态开关，由第一真空电磁阀控制电路、第二真空电磁阀控制电路、第三真空电磁阀控制电路组成的控制电路；所述舱门状态开关的高电位触点与直流电源VCC连接，舱门状态开关的低电位触点通过电阻R1接地；
所述第一真空电磁阀控制电路包括三极管Q1、功率场效应管Q4、光电耦合器U1、第一真空电磁阀；所述三极管Q1的发射极与直流电源VCC连接，三极管Q1的集电极与所述光电耦合器U1的发光二极管负极连接，三极管Q1的基极通过电阻R3分别与二极管D1、D2的正极连接，所述二极管D1的负极与所述微处理器的输出控制信号CLI3连接，所述二极管D2的负极与微处理器的输出控制信号CLI2连接，所述光电耦合器U1的发光二极管正极与所述舱门状态开关的低电位触点连接，光电耦合器U1的发光二极管负极通过电阻R5与微处理器的输出控制信号CLI1连接；光电耦合器U1的光敏三极管发射极与第一真空电磁阀的驱动线圈低电位端连接，光电耦合器U1的光敏三极管集电极通过电阻R11与所述功率场效应管Q4的栅极连接，功率场效应管Q4的栅极通过电阻R8与直流+24伏电源连接，功率场效应管Q4的源极与所述直流+24伏电源连接，功率场效应管Q4的漏极与所述第一真空电磁阀的驱动线圈高电位端连接；所述第一真空电磁阀的驱动线圈低电位端与所述+24伏电源的地端+24GND连接；
所述第二真空电磁阀控制电路包括三极管Q2、功率场效应管Q5、光电耦合器U2、第二真空电磁阀；所述三极管Q2的发射极与直流电源VCC连接，三极管Q2的集电极与所述光电耦合器U2的发光二极管负极连接，三极管Q2的基极通过电阻R4分别与二极管D3、D4的正极连接，所述二极管D3的负极与所述微处理器的输出控制信号CLI3连接，所述二极管D4的负极与微处理器的输出控制信号CLI1连接，所述光电耦合器U2的发光二极管正极与所述舱门状态开关的低电位触点连接，光电耦合器U2的发光二极管负极通过电阻R6与微处理器的输出控制信号CLI2连接；光电耦合器U2的光敏三极管发射极与第二真空电磁阀的驱动线圈低电位端连接，光电耦合器U2的光敏三极管集电极通过电阻R12与所述功率场效应管Q5的栅极连接，功率场效应管Q5的栅极通过电阻R9与直流+24伏电源连接，功率场效应管Q5的源极与所述直流+24伏电源连接，功率场效应管Q5的漏极与所述第二真空电磁阀的驱动线圈高电位端连接；所述第二真空电磁阀的驱动线圈低电位端与所述+24伏电源的地端+24GND连接；
所述第三真空电磁阀控制电路包括三极管Q3、功率场效应管Q6、光电耦合器U3、第三真空电磁阀；所述三极管Q3的发射极与直流电源VCC连接，三极管Q3的集电极与所述光电耦合器U3的发光二极管负极连接，三极管Q3的基极通过电阻R2分别与二极管D5、D6的正极连接，所述二极管D5的负极与所述微处理器的输出控制信号CLI2连接，所述二极管D6的负极与微处理器的输出控制信号CLI1连接，所述光电耦合器U3的发光二极管正极与所述舱门状态开关的低电位触点连接，光电耦合器U3的发光二极管负极通过电阻R7与微处理器的输出控制信号CLI3连接；光电耦合器U3的光敏三极管发射极与第三真空电磁阀的驱动线圈低电位端连接，光电耦合器U3的光敏三极管集电极通过电阻R13与所述功率场效应管Q6的栅极连接，功率场效应管Q6的栅极通过电阻R10与直流+24伏电源连接，功率场效应管Q6的源极与所述直流+24伏电源连接，功率场效应管Q6的漏极与所述第三真空电磁阀的驱动线圈高电位端连接；所述第三真空电磁阀的驱动线圈低电位端与所述+24伏电源的地端+24GND连接。
本发明优点在于采用巧妙的电路设计，解决了外部噪声干扰真空电磁阀的工作状态问题，杜绝了软件对真空电磁阀的误操作。确保舱门未闭合时所有真空电磁阀均保持闭合，三个真空电磁阀不可以同时有两个阀被打开，若有则三个真空电磁阀同时闭合以保护真空。无论是外部干扰、软件误动作还是人为误操作都不会造成离子源腔体的真空泄露事故。极大地提高了基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪离子源进出靶时真空安全性。
附图说明
图1是现有飞行时间质谱仪的离子源真空系统结构示意图。
图2是本发明的电路原理结构框图。
图3是本发明的电路原理图。
具体实施方式
如图2、3所示，本发明所述适于飞行时间质谱仪的离子源真空互联自锁系统，包括微处理器，舱门状态开关8，由第一真空电磁阀控制电路、第二真空电磁阀控制电路、第三真空电磁阀控制电路组成的控制电路；所述舱门状态开关8的高电位触点与直流电源VCC连接，舱门状态开关8的低电位触点通过电阻R1接地；
所述第一真空电磁阀控制电路包括三极管Q1、功率场效应管Q4、光电耦合器U1、第一真空电磁阀；所述三极管Q1的发射极与直流电源VCC连接，三极管Q1的集电极与所述光电耦合器U1的发光二极管负极连接，三极管Q1的基极通过电阻R3分别与二极管D1、D2的正极连接，所述二极管D1的负极与所述微处理器的输出控制信号CLI3连接，所述二极管D2的负极与微处理器的输出控制信号CLI2连接，所述光电耦合器U1的发光二极管正极与所述舱门状态开关8的低电位触点连接，光电耦合器U1的发光二极管负极通过电阻R5与微处理器的输出控制信号CLI1连接；光电耦合器U1的光敏三极管发射极与第一真空电磁阀5的驱动线圈低电位端连接，光电耦合器U1的光敏三极管集电极通过电阻R11与所述功率场效应管Q4的栅极连接，功率场效应管Q4的栅极通过电阻R8与直流+24伏电源连接，功率场效应管Q4的源极与所述直流+24伏电源连接，功率场效应管Q4的漏极与所述第一真空电磁阀5的驱动线圈高电位端连接；第一真空电磁阀5的驱动线圈低电位端与+24伏电源的地端+24GND连接；
所述第二真空电磁阀控制电路包括三极管Q2、功率场效应管Q5、光电耦合器U2、第二真空电磁阀；所述三极管Q2的发射极与直流电源VCC连接，三极管Q2的集电极与所述光电耦合器U2的发光二极管负极连接，三极管Q2的基极通过电阻R4分别与二极管D3、D4的正极连接，所述二极管D3的负极与所述微处理器的输出控制信号CLI3连接，所述二极管D4的负极与微处理器的输出控制信号CLI1连接，所述光电耦合器U2的发光二极管正极与所述舱门状态开关8的低电位触点连接，光电耦合器U2的发光二极管负极通过电阻R6与微处理器的输出控制信号CLI2连接；光电耦合器U2的光敏三极管发射极与第二真空电磁阀6的驱动线圈低电位端连接，光电耦合器U2的光敏三极管集电极通过电阻R12与所述功率场效应管Q5的栅极连接，功率场效应管Q5的栅极通过电阻R9与直流+24伏电源连接，功率场效应管Q5的源极与所述直流+24伏电源连接，功率场效应管Q5的漏极与所述第二真空电磁阀6的驱动线圈高电位端连接；第二真空电磁阀6的驱动线圈低电位端与+24伏电源的地端+24GND连接；
所述第三真空电磁阀控制电路包括三极管Q3、功率场效应管Q6、光电耦合器U3、第三真空电磁阀；所述三极管Q3的发射极与直流电源VCC连接，三极管Q3的集电极与所述光电耦合器U3的发光二极管负极连接，三极管Q3的基极通过电阻R2分别与二极管D5、D6的正极连接，所述二极管D5的负极与所述微处理器的输出控制信号CLI2连接，所述二极管D6的负极与微处理器的输出控制信号CLI1连接，所述光电耦合器U3的发光二极管正极与所述舱门状态开关8的低电位触点连接，光电耦合器U3的发光二极管负极通过电阻R7与微处理器的输出控制信号CLI3连接；光电耦合器U3的光敏三极管发射极与第三真空电磁阀7的驱动线圈低电位端连接，光电耦合器U3的光敏三极管集电极通过电阻R13与所述功率场效应管Q6的栅极连接，功率场效应管Q6的栅极通过电阻R10与直流+24伏电源连接，功率场效应管Q6的源极与所述直流+24伏电源连接，功率场效应管Q6的漏极与所述第三真空电磁阀7的驱动线圈高电位端连接；所述第三真空电磁阀7的驱动线圈低电位端与+24伏电源的地端+24GND连接。
本发明工作原理简述如下：
当舱门4打开时，舱门状态开关8断开，舱门状态信号Cabin经电阻R1与地相连，输出低电平，三个光电耦合器U1（型号：TLP521）、U2（型号：TLP521）、U3（型号：TLP521）的发光二极管正极均接地，为低电平。此时无论微处理器的输出控制信号CLI1、CLI2、CLI3为何种电平，三个光电耦合器U1、U2、U3的发光二极管均截止不导通，因此，三个光电耦合器U1、U2、U3的光敏三极管集电极与发射极之间也截止不导通。则直流+24V电源经电阻R8、R11、光电耦合器U1的光敏三极管集电极、发射极构成的支路不导通；直流+24V电源经电阻R9、R12、光电耦合器U2集电极（4脚C）、发射极（3脚E）到+24VGND这条路不会导通；+24V经电阻R10、R13、光电耦合器U3的光敏三极管集电极、发射极构成的支路也不会导通。则功率场效应管Q4（型号：IRF9530NS）的源极S、栅极G之间不会有压差，因此Q4的源极S、漏极D无法导通，即直流+24V电源不向第一真空电磁阀5的驱动线圈供电，第一真空电磁阀5无法打开；功率场效应管Q5（型号：IRF9530NS）的源极S、栅极G之间也没有压差，因此功率场效应管Q5的源极S、漏极D无法导通，即直流+24V电源不向第二真空电磁阀6的驱动线圈供电，第二真空电磁阀5无法打开；功率场效应管Q6（型号：IRF9530NS）的源极S、栅极G之间也没有压差，因此功率场效应管Q6的源极S、漏极D无法导通，即直流+24V电源不向第三真空电磁阀7的驱动线圈供电，第三真空电磁阀7无法打开。
当舱门4关闭，舱门状态开关8闭合，舱门状态信号Cabin与直流电源VCC相连，输出高电平，三个光电耦合器U1、U2、U3的发光二极管正极均连接到直流电源VCC。此时：
（1）当微处理器的输出控制信号CLI2、CLI3为高电平时，二极管D1、D2均反向截至，三极管Q1（型号：S8550）不导通。此时微处理器输出控制信号CLI1若为低电平，光电耦合器U1的发光二极管正极与负极导通；光电耦合器U1的光敏三极管集电极与发射极导通，则直流+24V电源经电阻R8、R11、光电耦合器U1的光敏三极管集电极、发射极构成的支路导通，则功率场效应管Q4的源极S、栅极G之间会有10V左右压差，因此功率场效应管Q4的源极S、漏极D便可导通，即直流+24V电源向第一真空电磁阀5的驱动线圈供电，第一真空电磁阀5打开。即当微处理器输出控制信号CLI1为低电平、微处理器输出控制信号CLI2、CLI3为高电平时，第一真空电磁阀5即打开。同理，当微处理器输出控制信号CLI2为低电平、CLI1、CLI3为高电平时，第二真空电磁阀6即打开；当微处理器输出控制信号CLI3为低电平、CLI1、CLI2为高电平时，第三真空电磁阀7即打开。
（2）当微处理器输出控制信号CLI2、CLI3任意一个为低电平，或者两个均为低电平时，对应的二极管D1、D2至少有一个正向导通，三极管Q1导通，光电耦合器U 1的发光二极管负极便为高电平，与光电耦合器U1的发光二极管正极电位相同，此时无论微处理器输出控制信号CLI1为何种电平，光电耦合器U1的发光二极管正极端与负极均不会导通，因此，第一真空电磁阀5不导通。也就是说，当微处理器输出控制信号CLI2、CLI3均不为高电平时，第一真空电磁阀5即无法打开。同理，当微处理器输出控制信号CLI1、CLI3均不为高电平时，第二真空电磁阀6即无法打开；当微处理器输出控制信号CLI1、CLI2均不为高电平时，第三真空电磁阀7即无法打开。
图3中，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7起限流作用；电容C1、C2、C3、C4、C5、C6在电路中起滤波作用；二极管D7、D8、D9起续流的作用，以保护对应真空电磁阀以外的元件不被损坏。
从图3可以看出，微处理器输出控制信号CLI1、CLI2、CLI3和后级给对应真空电磁阀供电的直流+24V电源电路用光电耦合器U1、U2、U3完全电气隔离，防范了前级控制信号不稳定所造成真空电磁阀误动作的风险。
Claims (1)
1.一种适于飞行时间质谱仪的离子源真空互联自锁系统，包括微处理器，舱门状态开关（8），由第一真空电磁阀控制电路、第二真空电磁阀控制电路、第三真空电磁阀控制电路组成的控制电路；所述舱门状态开关（8）的高电位触点与直流电源VCC连接，舱门状态开关（8）的低电位触点通过电阻R1接地；其特征在于：
所述第一真空电磁阀控制电路包括三极管Q1、功率场效应管Q4、光电耦合器U1、第一真空电磁阀；所述三极管Q1的发射极与直流电源VCC连接，三极管Q1的集电极与所述光电耦合器U1的发光二极管负极连接，三极管Q1的基极通过电阻R3分别与二极管D1、D2的正极连接，所述二极管D1的负极与所述微处理器的输出控制信号CLI3连接，所述二极管D2的负极与微处理器的输出控制信号CLI2连接，所述光电耦合器U1的发光二极管正极与所述舱门状态开关（8）的低电位触点连接，光电耦合器U1的发光二极管负极通过电阻R5与微处理器的输出控制信号CLI1连接；光电耦合器U1的光敏三极管发射极与第一真空电磁阀（5）的驱动线圈低电位端连接，光电耦合器U1的光敏三极管集电极通过电阻R11与所述功率场效应管Q4的栅极连接，功率场效应管Q4的栅极通过电阻R8与直流+24伏电源连接，功率场效应管Q4的源极与所述直流+24伏电源连接，功率场效应管Q4的漏极与所述第一真空电磁阀（5）的驱动线圈高电位端连接,第一真空电磁阀（5）的驱动线圈低电位端与所述+24伏电源的地端+24GND连接；
所述第二真空电磁阀控制电路包括三极管Q2、功率场效应管Q5、光电耦合器U2、第二真空电磁阀；所述三极管Q2的发射极与直流电源VCC连接，三极管Q2的集电极与所述光电耦合器U2的发光二极管负极连接，三极管Q2的基极通过电阻R4分别与二极管D3、D4的正极连接，所述二极管D3的负极与所述微处理器的输出控制信号CLI3连接，所述二极管D4的负极与微处理器的输出控制信号CLI1连接，所述光电耦合器U2的发光二极管正极与所述舱门状态开关（8）的低电位触点连接，光电耦合器U2的发光二极管负极通过电阻R6与微处理器的输出控制信号CLI2连接；光电耦合器U2的光敏三极管发射极与第二真空电磁阀（6）的驱动线圈低电位端连接，光电耦合器U2的光敏三极管集电极通过电阻R12与所述功率场效应管Q5的栅极连接，功率场效应管Q5的栅极通过电阻R9与直流+24伏电源连接，功率场效应管Q5的源极与所述直流+24伏电源连接，功率场效应管Q5的漏极与所述第二真空电磁阀（6）的驱动线圈高电位端连接；所述第二真空电磁阀（6）的驱动线圈低电位端与所述+24伏电源的地端+24GND连接；
所述第三真空电磁阀控制电路包括三极管Q3、功率场效应管Q6、光电耦合器U3、第三真空电磁阀；所述三极管Q3的发射极与直流电源VCC连接，三极管Q3的集电极与所述光电耦合器U3的发光二极管负极连接，三极管Q3的基极通过电阻R2分别与二极管D5、D6的正极连接，所述二极管D5的负极与所述微处理器的输出控制信号CLI2连接，所述二极管D6的负极与微处理器的输出控制信号CLI1连接，所述光电耦合器U3的发光二极管正极与所述舱门状态开关（8）的低电位触点连接，光电耦合器U3的发光二极管负极通过电阻R7与微处理器的输出控制信号CLI3连接；光电耦合器U3的光敏三极管发射极与第三真空电磁阀（7）的驱动线圈低电位端连接，光电耦合器U3的光敏三极管集电极通过电阻R13与所述功率场效应管Q6的栅极连接，功率场效应管Q6的栅极通过电阻R10与直流+24伏电源连接，功率场效应管Q6的源极与所述直流+24伏电源连接，功率场效应管Q6的漏极与所述第三真空电磁阀（7）的驱动线圈高电位端连接；所述第三真空电磁阀（7）的驱动线圈低电位端与所述+24伏电源的地端+24GND连接。
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