一種新型智能真空測(cè)量?jī)x的研制

2009-10-12 羅強(qiáng) 第二炮兵工程學(xué)院

　　真空技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分, 廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)領(lǐng)域里, 推動(dòng)并促進(jìn)了科技研究和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展, 而真空測(cè)量是真空技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)�，F(xiàn)在真空測(cè)量的傳感器, 大部分都是用電離規(guī), 并且在中程真空范圍用途最廣泛。常用的電離真空規(guī)測(cè)量?jī)x, 都采用模擬電路控制發(fā)射電流, 并把它當(dāng)成固定數(shù)來運(yùn)算, 這樣會(huì)產(chǎn)生一些不足之處, 例如: 由于外界干擾或元器件老化造成電流有偏差; 或控制環(huán)中的漂移產(chǎn)生不穩(wěn)定, 由此而導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。為消除此類不良現(xiàn)象, 我們應(yīng)用現(xiàn)代控制理論—PID和Fuzzy控制, 采用數(shù)字電路控制發(fā)射電流, 控制環(huán)中都用16位的高分辨率A/D和D/A,且把發(fā)射電流測(cè)量值參入運(yùn)算, 允許發(fā)射電流有一定的變化范圍。這樣既提高了測(cè)量精度, 又在它們的線性區(qū)域內(nèi)擴(kuò)充量程。為保障儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn), 開機(jī)有自檢功能,運(yùn)行有自我保護(hù)措施。若超量時(shí),自動(dòng)關(guān)掉規(guī)管電源, 并顯示“故障”; 為防外界干擾, 儀器中軟、硬件加有抗干擾措施。

1、工作原理

　　電離規(guī)是根據(jù)氣體電離與氣體密度成正比而制成的。在固定結(jié)構(gòu)和固定電壓的條件下發(fā)射電流ie,收集電流i+ 和真空系統(tǒng)中的壓強(qiáng)P 有如下關(guān)系

i+=kieP(1)

　　式中　k稱為規(guī)管的靈敏度。它的結(jié)構(gòu)類同于電子三極管。燈絲加熱陰極, 電子獲得能量在電場(chǎng)作用下, 脫離陰極跑向柵極。各極的電壓和規(guī)管的結(jié)構(gòu)決定了規(guī)管的常數(shù) , 如DL-5的k=0.015A/Pa。陰極電流的大小與加熱燈絲電壓緊密相關(guān)。根據(jù)電離規(guī)管的特點(diǎn), 智能測(cè)試儀電路設(shè)計(jì)由: 單片機(jī)與顯示部分、閉路控制系統(tǒng)、采樣測(cè)試部分和各直流電源等四部分所組成, 總體構(gòu)成如圖1 所示。下面分別敘述之。

2、單片機(jī)與顯示部分

　　單片機(jī)控制各部分工作,協(xié)調(diào)I/O口動(dòng)作, 發(fā)出顯示的數(shù)據(jù)是儀器的核心部分。這里采用的是8031。為了充分利用單片機(jī)的資源, P1.5、外部INTO和定時(shí)器組成一個(gè)控制發(fā)射電流的閉環(huán)系統(tǒng), P1.3用于選擇發(fā)射電流的大小, P1.0～ P1.1用于選擇測(cè)量的量程, P1.6啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換, P1.7判斷數(shù)據(jù)是否溢出, P1.4用于選擇測(cè)量發(fā)射電流或測(cè)量收集電流。為了今后進(jìn)一步擴(kuò)展留有余地, 選用2764片和8K以上的EPROM片, 都是28腳, 這對(duì)升級(jí)很方便。為了處理大量數(shù)據(jù)的信息、糾錯(cuò)方案和軟件容錯(cuò), 需要大容量的RAM,因此擴(kuò)充2K的RAM,且在I/O上我們也留有I/O口。經(jīng)過一芯片擴(kuò)展, 只要與外圍設(shè)備接上就可以工作。這臺(tái)測(cè)量?jī)x不僅可單獨(dú)工作, 而且還可與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信, 故留有通信口。為了提高設(shè)備的可靠性和可維修性, 在軟、硬件上都采用保護(hù)措施, 為使真空測(cè)量能在環(huán)境非常惡劣條件下進(jìn)行, 首先保證CPU 正常, 即使外圍線路損壞, 也不能損壞CPU。我們采用緩沖器隔離CPU 與外界打交道, 若線路有故障時(shí), 有報(bào)警顯示且有自診功能。硬件上雖具有一定的抗干擾措施,但不能把千變?nèi)f化的干擾信號(hào)完全處理掉, 因此還利用軟件的優(yōu)勢(shì), 采用容錯(cuò)技術(shù), 如設(shè)置看門狗, 進(jìn)行捕捉和恢復(fù)。另一方面根據(jù)采樣的數(shù)據(jù)可以預(yù)防過大的電流和電壓, 預(yù)測(cè)故障等。

圖1　總體結(jié)構(gòu)框圖

　　數(shù)碼顯示器告訴人們測(cè)量的數(shù)據(jù), 且是故障顯示的唯一窗口�？紤]CPU工作繁忙, 采用8279芯片。然而一般用8279芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼線路都比較復(fù)雜而且體積大, 我們采用總線驅(qū)動(dòng), 直接利用兩片74LS244, 這樣成本較低, 體積小了。

3、閉環(huán)控制系統(tǒng)

　　發(fā)射電流是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。過去設(shè)備是往往采用模擬線路來控制, 這樣有些不足之處: 發(fā)射電流穩(wěn)定性差, 達(dá)到的測(cè)量精度不高, 隨時(shí)間增加而漂移越來越大等。我們?cè)诓辉黾釉臈l件下, 改為數(shù)字電路控制, 不但克服上述缺點(diǎn), 而且增加很多優(yōu)越性。一是擴(kuò)展量程, 根據(jù)公式(1) 在發(fā)射電流與收集電流的線性范圍內(nèi), 真空度高時(shí), 可增大發(fā)射電流,使收集電流能在正常測(cè)量范圍內(nèi)工作; 同樣在真空度低時(shí),降低發(fā)射電流; 二是可以根據(jù)采樣發(fā)射電流的數(shù)據(jù), 可以預(yù)報(bào)奇異情況。若在測(cè)量真空時(shí), 暴露了大量空氣, 它會(huì)自動(dòng)切斷燈絲電源; 其三為了提高控制精度和測(cè)量精度, 我們采用A/D轉(zhuǎn)換器是十六位雙積分器, 導(dǎo)相角的分辨率也是十六位, 電路如圖2 所示。這里只需增加模擬開關(guān), 采樣在收集極電流電路的基礎(chǔ)上, 再增加兩條線進(jìn)入單片機(jī)。一條交流同步信號(hào), 進(jìn)入INTO告訴交流起點(diǎn)。另一條是控制雙向可控硅的導(dǎo)通時(shí)間。這個(gè)時(shí)間應(yīng)用定時(shí)器T0, 調(diào)相控制加熱燈絲電壓�？刂品椒ㄎ覀儾捎肞ID與Fuzzy控制, 好處是上升時(shí)間短, 超調(diào)量小, 比較平穩(wěn), 抗干擾性強(qiáng)。詳情見真空技術(shù)網(wǎng)另文。