多通道熱偶規真空計的設計

　　真空計是測量真空度的儀器，目前市場(chǎng)上大多數熱偶規真空計都是一個(gè)熱偶規對應一個(gè)真空計，雖然有數值顯示，但只有開(kāi)關(guān)量的輸出，沒(méi)有實(shí)時(shí)數據的輸出，不方便二次開(kāi)發(fā)和利用。多通道熱偶規真空計可以同時(shí)對8 路熱偶規的信號做出處理，并且通過(guò)RS232 將數據輸出，可以更加直觀(guān)的觀(guān)察到真空度的變化。同時(shí)具有過(guò)載保護功能，當被測壓力超出熱偶規的量程時(shí)會(huì )自動(dòng)切斷恒流源對熱偶規管進(jìn)行保護。在使用的過(guò)程中不僅節省了空間，降低了測試成本，而且減少了復雜的布線(xiàn)。

　　隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步和生產(chǎn)力的不斷提高，真空技術(shù)得到了迅速發(fā)展，廣泛的應用于國防建設、經(jīng)濟建設和科學(xué)事業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)并促進(jìn)了科技研究和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。真空測量技術(shù)是真空技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節，主要由傳感器及其相應部件組成的真空測量設備完成，真空度的準確測量對于生產(chǎn)和科學(xué)研究都有著(zhù)重大的影響。

　　熱偶規真空計是在冶金、機械、化工、電子等科研和生產(chǎn)領(lǐng)域中測量0.1~100 Pa 低真空時(shí)常用的一種測量?jì)x器。傳統的熱偶真空計都是與熱偶規單一對應的，不能直接對真空度進(jìn)行連續準確讀取。多通道熱偶規真空計可以同時(shí)采集八路熱偶規信號，測量準確度高，且能方便地讀取實(shí)時(shí)真空度，還可以根據實(shí)際應用將其進(jìn)行功能擴展，具有較強的實(shí)用性。

1、多通道熱偶規真空計的硬件設計

　　熱偶規真空計硬件結構如圖1 所示，可分為單片機最小系統、AD 轉換模塊、恒流源模塊、信號采集放大模塊以及串口通訊模塊，其中熱偶規是作為感應元件，將被測環(huán)境的壓強信號轉換為微弱的電信號，經(jīng)過(guò)信號采集放大模塊和A/D 轉換，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)送入單片機進(jìn)行數據分析處理，最后通過(guò)串口模塊將真空度輸出，其中恒流源模塊、信號采集放大模塊和AD 轉換模塊是整個(gè)硬件設計核心。

圖1 多通道熱偶規真空計硬件結構

　　恒流源模塊的作用是為熱偶規管中的加熱絲提供一個(gè)恒定的電流，保證熱偶規管穩定工作，測量準確，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)本文描述其原理如圖2 所示。

圖2 恒流源模塊電路原理圖

　　恒流源元件選用運算放大器HAF17358 和三極管組合的模式，并采用數字電位器X9C102 實(shí)現電流調節。

　　信號采集放大電路的主要功能是將熱偶規管輸出的微弱電壓信號進(jìn)行采集并適當放大，使信號可以被AD 模塊采集讀取，其性能直接影響多通道真空規測試儀測量真空度的準確性和穩定性。因此選用儀表放大器AD620 作為主要的放大元件，再經(jīng)過(guò)一個(gè)由HA17358 組成的電壓跟隨器將放大后的信號送入AD 采集模塊，電路原理圖如圖3 所示。

圖3 信號采集放大電路原理圖

　　A/D 轉換模塊是把熱偶規輸出的模擬量信號轉換為數字量信號，模塊選用AD7705 作為轉換芯片，AD7705 是16 位無(wú)丟失，雙通道全差分模擬輸入A/D 轉換器，可以接受來(lái)自傳感器的低電平輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數字輸出，通過(guò)片內控制

　　寄存器可調節濾波器的截止點(diǎn)和輸出更新頻率。該芯片是用于智能系統、微控系統和基于DSP 系統的理想產(chǎn)品，其串行接口可以配置為3 線(xiàn)接口，增益值、信號極性、更新頻率等都可以通過(guò)串行輸入口進(jìn)行配置，還配備了自校準和系統校準選項，以消除器件本身和系統的增益和偏移誤差。AD 轉換模塊的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 AD 轉換模塊電路原理圖

2、多通道熱偶規真空計的軟件設計

　　多通道真空規測試儀的軟件設計如圖5 所示，主要功能模塊包括恒流源控制模塊、數據采集及處理模塊、數據發(fā)送模塊等。使用傳統的循環(huán)模式執行整個(gè)程序，采用模塊化的編程思想，有利于程序的調試、維護、擴展。

圖5 多通道熱偶規真空計軟件流程圖

　　當多通道熱偶規真空計上電后，會(huì )首先對恒流源模塊進(jìn)行調節，并進(jìn)行自檢，若恒流源達到設定值，待穩定后對熱偶規產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大采集，判斷壓力是否超出熱偶規的量程。若超出量程，則關(guān)閉恒流源對熱偶規進(jìn)行保護;若沒(méi)有超出量程，則對信號進(jìn)行分析計算，將得到的真空度通過(guò)串口模塊發(fā)送出去。如此循環(huán)，達到實(shí)時(shí)采集真空度的目的。

3、多通道熱偶規真空計的非線(xiàn)性補償

　　熱偶規在測量不同的壓強時(shí)會(huì )有對應的熱電勢輸出，如式(1)所示：

V=f(P) (1)

　　式中：V 是熱偶規的電壓輸出值;P 是壓強值;熱偶規的輸出值V 與壓強值P 之間存在函數關(guān)系，但是這個(gè)關(guān)系式非線(xiàn)性的，想精確測量壓強，就必須對熱偶規的非線(xiàn)性進(jìn)行補償修正[5]。根據選用的不同熱偶規的量程，用高精度真空計在量程范圍內選取不同的壓力點(diǎn)進(jìn)行測量，記錄下每個(gè)測量點(diǎn)的壓力值和熱偶規對應的電壓輸出值，如表1 所示。

表1 測試數據

　　利用Orange 軟件進(jìn)行擬合得到擬合函數，擬合得到的曲線(xiàn)如圖6 所示：

圖6 函數擬合曲線(xiàn)圖

　　通過(guò)擬合的曲線(xiàn)圖可以看出，擬合的曲線(xiàn)與測試點(diǎn)數據十分接近�？筛鶕�實(shí)際的精度要求和具體使用情況來(lái)確定擬合次數，將最優(yōu)的擬合函數寫(xiě)入單片機，完成真空計的非線(xiàn)性修正補償工作，保證真空度測量準確性。

4、實(shí)驗結果

　　對多通道熱偶規真空計與高精度標準真空計進(jìn)行測量對比實(shí)驗。在5 個(gè)壓力點(diǎn)分別對8 路熱偶規進(jìn)行信號采集并記錄得到的真空度，如表2 所示。

表2 實(shí)驗數據

　　從上表可以看出，多通道熱偶規真空計在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中得到的數據與標準真空計基本吻合，精度和穩定性都滿(mǎn)足要求。

5、結語(yǔ)

　　多通道熱偶規真空計以高性能微處理器為核心，采用了模塊化的硬件結構設計。在軟件上采用抗干擾技術(shù)，進(jìn)一步提高多通道真空計的整體性能，并使用Orange 數學(xué)軟件對熱偶規的非線(xiàn)性進(jìn)行擬合，方便簡(jiǎn)單，保證了真空度測量的準確性。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用驗證，多通道熱偶規真空計可以互不干擾同時(shí)完成8 路熱偶規信號的采集和數據處理，降低了使用成本，節省空間，具有較好的應用前景。