專利名稱：智能超高真空熱陰極電離規(guī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及真空測量技術(shù)領(lǐng)域。
目前真空測量領(lǐng)域用于超高真空測量的真空計主要有熱陰極電離超高真空計和冷陰極電離超高真空計。它們是利用氣體分子電離的原理來測量真空度的一種儀器。真空計由測量規(guī)管(傳感器)和電氣測量電路(控制器)組成。熱陰極電離規(guī)管由三個電極組成，真空計通過控制器的控制電路單元對電極施加電壓、電流，將非電量的氣體壓力轉(zhuǎn)換成電量—離子電流，利用控制器的測量顯示單元給出測量結(jié)果。熱陰極電離規(guī)管以其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、操作方便、反應(yīng)迅速和量程范圍寬受到廣泛應(yīng)用。
用于超高真空測量熱陰極電離真空計的國內(nèi)品牌主要是DL7規(guī)管及控制器，測量范圍是1×10-1Pa～8×10-8Pa。DL7真空計操作簡單，但控制器的保護(hù)、報警功能很弱，容易損壞控制器及規(guī)管，另外測量范圍和通訊功能也有限。國外熱陰極電離超高真空計測量范圍寬，功能完善，但價格昂貴。
本實用新型的目的在于提供一種可以有效控制國內(nèi)外超高真空熱陰極電離規(guī)管，測量范圍寬(1×10-1Pa～3×10-9Pa)，功能完善，價格低廉的智能超高真空熱陰極電離規(guī)控制器。
本實用新型采用以下方式實現(xiàn)。
本實用新型由程控放電電流放大器、加速極電源、穩(wěn)定發(fā)射電流電路、微處理器單元和殼體構(gòu)成。程控放電電流放大器、加速極電源和穩(wěn)定發(fā)射電流電路分別與微處理器單元相連接。微處理器單元由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制驅(qū)動電路、微處理器、鍵盤/顯示器、通訊接口和報警器構(gòu)成。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制驅(qū)動電路、鍵盤/顯示器、通訊接口和報警器分別與微處理器相連接。微處理器通過控制驅(qū)動電路控制程控放電電流放大器、加速極電源和穩(wěn)定發(fā)射電流電路的工作，程控放電電流放大器將接收到的離子流信號放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，該信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入微處理器處理，轉(zhuǎn)化為真空度，再送入鍵盤/顯示器顯示。當(dāng)真空度超過設(shè)定值，以及真空度突然變化時，微處理器給出一個信號，觸發(fā)報警器和鍵盤/顯示器工作。
本實用新型具有以下優(yōu)點本實用新型可以有效控制國內(nèi)外超高真空熱陰極電離規(guī)管，加速極和燈絲電壓可根據(jù)不同規(guī)管選定，穩(wěn)定度±1％，收集極電壓為0V。本實用新型測量范圍寬，測量上限1×10-1Pa、下限3×10-9Pa。本實用新型具有真空度報警閾值設(shè)定功能，當(dāng)真空度超過設(shè)定閾值、真空度突然變化時，報警器工作并關(guān)斷燈絲電源(燈絲電源為開關(guān)電源，最大電流為5A)；具有自動切換量程、自動切換發(fā)射電流功能；還具有除氣、發(fā)射、時間顯示功能。采用八只鍵盤進(jìn)行功能設(shè)定，6位高亮度數(shù)碼管顯示真空度、時鐘、報警和除氣時間。除氣功率最大25W(50mA，500V)。另外本實用新型采用Watchdog技術(shù)和數(shù)字濾波增加了可靠性。本實用新型能與國外熱陰極電離超高真空計媲美，但價格低廉。
本實用新型的各組成部分也具有各自的特點加速極電源單元經(jīng)變壓器升壓和整流后，由限流電阻和串聯(lián)齊納穩(wěn)壓管組成的加速極電位以及燈絲浮地電位電路，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠，便于維護(hù)。
穩(wěn)定發(fā)射電流電路，由單片集成功率模塊MAX724以及雙光電偶器等相關(guān)器件組成的發(fā)射電流反饋回路一起構(gòu)成。并能在微處理器的控制下，自動切換發(fā)射電流。該單元工作于開關(guān)方式，效率高、穩(wěn)定性和保護(hù)性能好。
程控放電電流放大器采用具有超低偏置電流的單片運算放大器，并能在微處理器的控制下，自動切換量程。為精確測定10-9Pa以上真空度提供保證。
模數(shù)轉(zhuǎn)換由V/F轉(zhuǎn)換器AD650和計數(shù)器8253擔(dān)任，抗干擾性能強，線性好。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度為15位，轉(zhuǎn)換頻率為10Hz。
時鐘芯片DS12887在給整個系統(tǒng)提供時鐘的同時，內(nèi)置的114個字節(jié)非易失性RAM可用于真空報警閾值上下限的設(shè)置以及一些系統(tǒng)關(guān)鍵配置數(shù)據(jù)的存儲。
整個系統(tǒng)軟件用工程C語言編寫，移植性好，易于實現(xiàn)多種功能。通訊接口支持RS232C和現(xiàn)場總線CAN協(xié)議。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步描述。
附

圖1，本實用新型與熱陰極電離規(guī)管原理框圖。其中，1-熱陰極電離規(guī)管，2-程控放電電流放大器，3-加速極電源，4-穩(wěn)定發(fā)射電流電路，5-微處理器單元，6-數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，7-控制驅(qū)動電路，8-微處理器，9-鍵盤/顯示器，10-通訊接口，11-報警器。
附圖2，本實用新型電路原理圖。
附圖3，系統(tǒng)程序工作流程圖。
參見附圖，熱陰極電離規(guī)管1由燈絲F、加速極A和收集極C構(gòu)成。其工作原理為控制器對規(guī)管燈絲加熱使其發(fā)射電子，電子受加速極高壓的作用在飛向加速極的過程中，與氣體分子碰撞，使氣體分子電離，產(chǎn)生正離子和電子，正離子被電位最低的收集極接收，形成離子流Ii，電子被加速極吸收形成的電子流稱為發(fā)射電流Ie。在壓強小于10-1Pa時，離子流Ii與被測系統(tǒng)中的壓強P以及發(fā)射電流Ie成正比。P=1S×IiIe]]>S為規(guī)管常數(shù)，也稱為規(guī)管靈敏度，由廠家給出。由上式，控制Ie為一定值，只要測得Ii就可計算出真空度的大小。
本實用新型的程控放電電流放大器2的一端與收集極C相連接；加速極電源3的一端與加速極A相連接，穩(wěn)定發(fā)射電源電路4的一端與燈絲F兩端相連接。
附圖2(a)為程控放電電流放大器的原理圖。其中的核心部件為具有超低偏置電流的單片運算放大器U1，具體型號有BB公司的OPA128和AD公司的AD549、AD515等。圖中的Q1、Q2為結(jié)型場效應(yīng)管，對運算放大器U1提供保護(hù)。R1、R2、R3、R4、R5、S1、S2、S3、S4、S5組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，用于離子流信號放大和量程切換，切換由微處理器通過繼電器控制。放大后的電壓信號接至微處理器單元的V/F轉(zhuǎn)換器AD650(U5)。本單元的電路板布線和屏蔽是非常重要的，必須嚴(yán)格按照公司提供的運算放大器應(yīng)用手冊實施。
圖2(b)為加速極電源原理圖。該電源為加速極提供兩個高壓(相對地)，一個是正常工作時的+175V，另一個是利用電子轟擊除氣時的+450V。兩個電壓的切換由微處理器通過繼電器控制。+450V電壓由全橋整流后經(jīng)限流電阻R9得到。+175V電壓可經(jīng)限流電阻R10，再由串聯(lián)的齊納穩(wěn)壓管D2獲得(例如采用6只0.5W的35V穩(wěn)壓管)。
圖2(c)為穩(wěn)定發(fā)射電流電路原理圖。該單元必須能提供三個不同的燈絲發(fā)射電流低真空(10-1Pa～10-5Pa)時為0.4mA，高真空(10-6Pa～10-9Pa)時為4mA，除氣時為40mA。R18為發(fā)射電流信號取樣電阻，R19、R20、R21反饋電阻分別對應(yīng)三個不同的發(fā)射電流，相互切換由微處理器通過繼電器控制。反饋信號經(jīng)U3、U4、R13～R21組成的線性隔離放大器，最后接至由開關(guān)方式降壓穩(wěn)壓器MAX724(U2)構(gòu)成燈絲電流源的反饋點(FB)。該電流源為PWM方式，工作開關(guān)頻率為100KHz，最大可為燈絲提供5A的電流，芯片內(nèi)置的電流限制電路為過載提供有力的保護(hù)。圖中的D4為一組串聯(lián)的齊納穩(wěn)壓管(例如采用6只0.5W的9V穩(wěn)壓管)將規(guī)管燈絲及由MAX724構(gòu)成的電流源穩(wěn)定在+45V。圖中的U3為普通的雙光電偶器，可選用TLP521-2、PIC817等。
微處理器單元由六個部分組成[附圖2(d)、附圖2(d-1)微處理器單元原理圖，附圖2(d-2)通訊接口原理圖，附圖2(d-3)鍵盤/顯示器原理圖]模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由V/F轉(zhuǎn)換器AD650和計數(shù)器8253擔(dān)任。AD650將程控放電電流放大器輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率后由8253記數(shù)，再送給微處理器計算，轉(zhuǎn)化為真空度。該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的精度為15位，轉(zhuǎn)換頻率為10Hz。
微處理器由8031擔(dān)任。
控制驅(qū)動電路通過8031的P1口發(fā)出命令，由一片七路達(dá)靈頓管陣列MC1413用于驅(qū)動量程選擇繼電器和發(fā)射電流選擇繼電器。
報警器由一片時鐘芯片DS12887擔(dān)任。DS12887在給整個系統(tǒng)提供時鐘的同時，內(nèi)置的114個字節(jié)非易失性RAM可用于真空報警閾值上下限的設(shè)置以及一些系統(tǒng)關(guān)鍵配置數(shù)據(jù)的內(nèi)存。MC1413的一路用于報警驅(qū)動和信號傳遞。報警輸出采用20mA電流環(huán)，便于光隔離和抗干擾。報警反應(yīng)時間小于200mS，滿足除快閥門外對一般閥門的控制。報警時將關(guān)斷燈絲電源。
通訊接口支持RS232C和現(xiàn)場總線CAN協(xié)議，RS232C接口采用MAX202E，CAN接口采用Philips公司的82C200通訊控制器和82C250總線收發(fā)器。
鍵盤/顯示器由一片8279管理八只鍵盤和6位高亮度數(shù)碼管。鍵盤功能包括除氣、發(fā)射、報警閾值設(shè)定、時間顯示等功能。顯示包括真空度、時間和報警等。
整個系統(tǒng)軟件用工程C語言編寫。
權(quán)利要求1.一種智能超高真空熱陰極電離規(guī)控制器，包括微處理器單元[5]和殼體，其特征在于還包括程控放電電流放大器[2]、加速極電源[3]和穩(wěn)定發(fā)射電流電路[4]，程控放電電流放大器[2]、加速極電源[3]和穩(wěn)定發(fā)射電流電路[4]分別與微處理器單元[5]相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所說微處理器單元[5]由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[6]、控制驅(qū)動電路[7]、微處理器[8]、鍵盤/顯示器[9]、通訊接口[10]和報警器[11]構(gòu)成、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路[6]、控制驅(qū)動電路[7]、鍵盤/顯示器[9]、通訊接口[10]和報警器[11]分別與微處理器[8]相連接。
專利摘要本實用新型提供了一種智能超高真空熱陰極電離規(guī)控制器。它由程控放電電流放大器、加速極電源、穩(wěn)定發(fā)射電流電路和微處理器單元和殼體構(gòu)成。程控放電電流放大器、加速極電源和穩(wěn)定發(fā)射電流電路分別與微處理器單元相連接。本實用新型可以有效控制國內(nèi)外超高真空熱陰極電離規(guī)管;測量范圍寬(1×10
文檔編號H05H1/02GK2341343SQ9821715
公開日1999年9月29日 申請日期1998年7月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月17日
發(fā)明者高輝, 張允武, 盛六四, 齊飛, 武國華 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)