多通道热偶规真空计的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江金宸三普换热器有限公司 作者:董长盛

  真空计是测量真空度的仪器,目前市场上大多数热偶规真空计都是一个热偶规对应一个真空计,虽然有数值显示,但只有开关量的输出,没有实时数据的输出,不方便二次开发和利用。多通道热偶规真空计可以同时对8 路热偶规的信号做出处理,并且通过RS232 将数据输出,可以更加直观的观察到真空度的变化。同时具有过载保护功能,当被测压力超出热偶规的量程时会自动切断恒流源对热偶规管进行保护。在使用的过程中不仅节省了空间,降低了测试成本,而且减少了复杂的布线。

  随着社会的进步和生产力的不断提高,真空技术得到了迅速发展,广泛的应用于国防建设、经济建设和科学事业各个领域,推动并促进了科技研究和生产技术的发展。真空测量技术是真空技术的一个重要环节,主要由传感器及其相应部件组成的真空测量设备完成,真空度的准确测量对于生产和科学研究都有着重大的影响。

  热偶规真空计是在冶金、机械、化工、电子等科研和生产领域中测量0.1~100 Pa 低真空时常用的一种测量仪器。传统的热偶真空计都是与热偶规单一对应的,不能直接对真空度进行连续准确读取。多通道热偶规真空计可以同时采集八路热偶规信号,测量准确度高,且能方便地读取实时真空度,还可以根据实际应用将其进行功能扩展,具有较强的实用性。

1、多通道热偶规真空计的硬件设计

  热偶规真空计硬件结构如图1 所示,可分为单片机最小系统、AD 转换模块、恒流源模块、信号采集放大模块以及串口通讯模块,其中热偶规是作为感应元件,将被测环境的压强信号转换为微弱的电信号,经过信号采集放大模块和A/D 转换,通过模拟开关送入单片机进行数据分析处理,最后通过串口模块将真空度输出,其中恒流源模块、信号采集放大模块和AD 转换模块是整个硬件设计核心。

多通道热偶规真空计硬件结构

图1 多通道热偶规真空计硬件结构

  恒流源模块的作用是为热偶规管中的加热丝提供一个恒定的电流,保证热偶规管稳定工作,测量准确,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)本文描述其原理如图2 所示。

恒流源模块电路原理图

图2 恒流源模块电路原理图

  恒流源元件选用运算放大器HAF17358 和三极管组合的模式,并采用数字电位器X9C102 实现电流调节。

  信号采集放大电路的主要功能是将热偶规管输出的微弱电压信号进行采集并适当放大,使信号可以被AD 模块采集读取,其性能直接影响多通道真空规测试仪测量真空度的准确性和稳定性。因此选用仪表放大器AD620 作为主要的放大元件,再经过一个由HA17358 组成的电压跟随器将放大后的信号送入AD 采集模块,电路原理图如图3 所示。

信号采集放大电路原理图

图3 信号采集放大电路原理图

  A/D 转换模块是把热偶规输出的模拟量信号转换为数字量信号,模块选用AD7705 作为转换芯片,AD7705 是16 位无丢失,双通道全差分模拟输入A/D 转换器,可以接受来自传感器的低电平输入信号,然后产生串行的数字输出,通过片内控制

  寄存器可调节滤波器的截止点和输出更新频率。该芯片是用于智能系统、微控系统和基于DSP 系统的理想产品,其串行接口可以配置为3 线接口,增益值、信号极性、更新频率等都可以通过串行输入口进行配置,还配备了自校准和系统校准选项,以消除器件本身和系统的增益和偏移误差。AD 转换模块的电路原理图如图4 所示。

AD 转换模块电路原理图

图4 AD 转换模块电路原理图

2、多通道热偶规真空计的软件设计

  多通道真空规测试仪的软件设计如图5 所示,主要功能模块包括恒流源控制模块、数据采集及处理模块、数据发送模块等。使用传统的循环模式执行整个程序,采用模块化的编程思想,有利于程序的调试、维护、扩展。

多通道热偶规真空计软件流程图

图5 多通道热偶规真空计软件流程图

  当多通道热偶规真空计上电后,会首先对恒流源模块进行调节,并进行自检,若恒流源达到设定值,待稳定后对热偶规产生的信号进行放大采集,判断压力是否超出热偶规的量程。若超出量程,则关闭恒流源对热偶规进行保护;若没有超出量程,则对信号进行分析计算,将得到的真空度通过串口模块发送出去。如此循环,达到实时采集真空度的目的。

3、多通道热偶规真空计的非线性补偿

  热偶规在测量不同的压强时会有对应的热电势输出,如式(1)所示:

V=f(P) (1)

  式中:V 是热偶规的电压输出值;P 是压强值;热偶规的输出值V 与压强值P 之间存在函数关系,但是这个关系式非线性的,想精确测量压强,就必须对热偶规的非线性进行补偿修正[5]。根据选用的不同热偶规的量程,用高精度真空计在量程范围内选取不同的压力点进行测量,记录下每个测量点的压力值和热偶规对应的电压输出值,如表1 所示。

表1 测试数据

测试数据

  利用Orange 软件进行拟合得到拟合函数,拟合得到的曲线如图6 所示:

函数拟合曲线图

图6 函数拟合曲线图

  通过拟合的曲线图可以看出,拟合的曲线与测试点数据十分接近。可根据实际的精度要求和具体使用情况来确定拟合次数,将最优的拟合函数写入单片机,完成真空计的非线性修正补偿工作,保证真空度测量准确性。

4、实验结果

  对多通道热偶规真空计与高精度标准真空计进行测量对比实验。在5 个压力点分别对8 路热偶规进行信号采集并记录得到的真空度,如表2 所示。

表2 实验数据

实验数据

  从上表可以看出,多通道热偶规真空计在整个实验过程中得到的数据与标准真空计基本吻合,精度和稳定性都满足要求。

5、结语

  多通道热偶规真空计以高性能微处理器为核心,采用了模块化的硬件结构设计。在软件上采用抗干扰技术,进一步提高多通道真空计的整体性能,并使用Orange 数学软件对热偶规的非线性进行拟合,方便简单,保证了真空度测量的准确性。经过实际使用验证,多通道热偶规真空计可以互不干扰同时完成8 路热偶规信号的采集和数据处理,降低了使用成本,节省空间,具有较好的应用前景。

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