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專利名稱：智能超高真空冷陰極電離規(guī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及真空測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
目前真空測(cè)量領(lǐng)域用于超高真空測(cè)量的真空計(jì)主要有熱陰極電離超高真空計(jì)和冷陰極電離超高真空計(jì)。真空計(jì)由測(cè)量規(guī)管(傳感器)和電氣測(cè)量電路(控制器)組成。冷陰極電離真空計(jì)同熱陰極電離真空計(jì)一樣，是利用低壓力下氣體分子的電離電流與壓力有關(guān)的特性，用放電電流來測(cè)量真空度的一種儀器。兩者不同之處在于電離源。熱陰極電離真空計(jì)是熱陰極發(fā)射電子，而冷陰極電離真空計(jì)是靠冷發(fā)射所產(chǎn)生的少量初始自由電子，它們?cè)陔妶?chǎng)、磁場(chǎng)的共同作用下最終形成自持氣體放電(一般稱為潘寧放電)。此放電電流與壓力有如下關(guān)系I=K×Pn式中I為放電電流、K為常數(shù)、P為真空壓強(qiáng)、n為常數(shù)(通常在1～2之間，與規(guī)管結(jié)構(gòu)有關(guān))。測(cè)得I就可以計(jì)算出真空度。冷陰極電離超高真空規(guī)管沒有與壓力無關(guān)的本低光電流，沒有熱陰極，不怕大氣沖擊，但其測(cè)量誤差較大。
冷陰極電離超高真空計(jì)的國內(nèi)品牌主要是M014規(guī)管及控制器(測(cè)量范圍是1.1×10-1Pa～1.1×10-7Pa)。M014真空計(jì)價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單，但控制器的保護(hù)、報(bào)警功能很弱，測(cè)量誤差較大，另外測(cè)量范圍和通訊功能也有限。而國外冷陰極電離超高真空計(jì)控制器測(cè)量范圍寬，功能完善，但價(jià)格昂貴。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種可以有效控制國內(nèi)外超高真空冷陰極電離規(guī)管，測(cè)量范圍寬(1×10-1pa～5×10-9Pa)，功能完善，測(cè)量精度高，價(jià)格低廉的智能超高真空冷陰極電離規(guī)控制器。
本實(shí)用新型采用以下方式完成。
本實(shí)用新型由程控放電電流放大器，高壓電源、微處理器單元和殼體構(gòu)成。程控放電電流放大器與微處理器單元相連接，高壓電源與程控放電電流放大器相連接。高壓電源內(nèi)設(shè)置有逆程變壓器。微處理器單元由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、量程切換器、微處理器、鍵盤/顯示器、通訊接口和報(bào)警器構(gòu)成。模數(shù)轉(zhuǎn)換器、量程切換器、鍵盤/顯示器、通訊接口和報(bào)警器分別與微處理器相連接。程控放電電流放大器將接收到的放電電流信號(hào)放大后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為頻率并記數(shù)，然后送給微處理器計(jì)算，轉(zhuǎn)化為真空度，再送入鍵盤/顯示器顯示。微處理器經(jīng)量程切換器，控制程控放電電流放大器的量程切換。當(dāng)真空度超過設(shè)定閾值，以及真空度突然發(fā)生量級(jí)變化時(shí)，微處理器給出一發(fā)報(bào)警器和鍵盤/顯示器工作。
本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型可以有效控制國內(nèi)外超高真空冷陰極電離規(guī)管，測(cè)量范圍寬測(cè)量上限1×10-1Pa、下限5×10-9Pa。本實(shí)用新型具有真空度報(bào)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(shí)，報(bào)警器工作并關(guān)斷高壓電源；具有自動(dòng)切換量程功能還具有真空度、報(bào)警和時(shí)間顯示功能。采用六只鍵盤進(jìn)行功能設(shè)定，6位高亮度數(shù)碼管顯示真空度、時(shí)鐘和報(bào)警。另外本實(shí)用新型采用Watchdog技術(shù)和數(shù)字濾波增加了可靠性。本實(shí)用新型能與國外冷陰極電離超高真空計(jì)控制器媲美，但價(jià)格低廉。
本實(shí)用新型的各組成部分也具有各自的特點(diǎn)高壓電源采用逆程變壓器、逆程電容、以及采用固定頻率和占空比、反饋調(diào)壓方式等技術(shù)，最終達(dá)到穩(wěn)定高壓的目的。整個(gè)電路簡(jiǎn)單、可靠。高壓48小時(shí)漂移及高頻紋波小于1×10-3。
程控放電電流放大器采用具有超低偏置電流的單片運(yùn)算放大器，量程切換采用超低漏電流模擬開關(guān)，在微處理器的控制下，自動(dòng)切換量程。這些為精確測(cè)定10-9Pa以上真空度提供保證。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器由V/F轉(zhuǎn)換器AD650和計(jì)數(shù)器8253擔(dān)任，抗干擾性能強(qiáng)，線性好。轉(zhuǎn)換頻率為10Hz。
時(shí)鐘芯片DS12887在給整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘的同時(shí)，內(nèi)置的114個(gè)字節(jié)非易失性RAM可用于真空?qǐng)?bào)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(chǔ)。
整個(gè)系統(tǒng)軟件用工程C語言編寫，移植性好，易于實(shí)現(xiàn)多種功能。通訊接口支持RS232C和現(xiàn)場(chǎng)總線CAN協(xié)議。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。
附

圖1，本實(shí)用新型與冷陰極電離規(guī)管示意圖。其中，1-冷陰極電離規(guī)管，2-程控放電電流放大器，3-高壓電源，4-微處理器單元，5-模數(shù)轉(zhuǎn)換器，6-量程切換器，7-微處理器，8-鍵盤/顯示器，9-通訊接口，10-報(bào)警器。
附圖2，本實(shí)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，冷陰極電離規(guī)管1內(nèi)有兩個(gè)電極陽極和陰極。陰極與程控放電電流放大器2相連接，陽極與高壓電源3相連接。本實(shí)用新型的主要功能是提供穩(wěn)定的高壓和精確的測(cè)定放電電流。
附圖2(a)為高壓電源原理圖。U1、D1、D2、R4、R5、等組成振蕩電路，給功率場(chǎng)效管Q4提供固定頻率和占空比的開關(guān)脈沖。T1為特制的逆程變壓器，C2為逆程電容。D12、R22、C11為高壓整流濾波網(wǎng)絡(luò)。U2、R9～R21為穩(wěn)定高壓的反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋信號(hào)經(jīng)Q1、Q2后驅(qū)動(dòng)調(diào)整管Q3，控制逆程變壓器的輸入電壓，最終達(dá)到穩(wěn)定高壓的目的。R14可用于設(shè)定不同的高壓。該單元能提供3300V的正高壓和最大0.7mA電流。R23為限流電阻，一般為4MΩ，用于低真空(10-3Pa以下)時(shí)保護(hù)規(guī)管。
附圖2(b)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(yùn)算放大器U4，具體型號(hào)有BB公司的OPA128和AD公司的AD549、AD515等。圖中的Q1、Q2為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，對(duì)運(yùn)算放大器U4提供保護(hù)。U3、R24～R32組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，用于放電電流信號(hào)放大和量程切換，切換由微處理器控制。U3為超低漏電流模擬開關(guān)MAX338。放大后的放電電流信號(hào)最后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(yùn)算放大器應(yīng)用手冊(cè)實(shí)施。
微處理器單元由六個(gè)部分組成[附圖2(C)、附圖2(C-1)微處理器單元原理圖，附圖2(C-2)通訊接口原理圖，附圖2(C-3)鍵盤/顯示器原理圖]模數(shù)轉(zhuǎn)換器由V/F轉(zhuǎn)換器AD650(U5)和計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為頻率后由8253記數(shù)，再送給微處理器計(jì)算，轉(zhuǎn)換為真空度。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度為15位，轉(zhuǎn)換頻率為10Hz。
微處理器由8031擔(dān)任。
量程切換器由8031的P1.0、P1.1、P1.2擔(dān)任，驅(qū)動(dòng)量程選擇模擬開關(guān)MAX338。
報(bào)警器由一片時(shí)鐘芯片DS12887擔(dān)任。DS12887在給整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘的同時(shí)，內(nèi)置的114個(gè)字節(jié)非易失性RAM可用于真空?qǐng)?bào)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(chǔ)。MC1413的一路用于報(bào)警驅(qū)動(dòng)和信號(hào)傳遞。報(bào)警輸出采用20mA電流環(huán)，便于光隔離和抗干擾。報(bào)警反應(yīng)時(shí)間小于200mS，滿足除快閥外對(duì)一般閥門的控制。報(bào)警時(shí)關(guān)斷高壓電源。
通訊接口支持RS232C和現(xiàn)場(chǎng)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管理六只鍵盤和6位高亮度數(shù)碼管。鍵盤功能包括報(bào)警閾值設(shè)定、時(shí)間顯示等功能。顯示包括真空度、時(shí)間和報(bào)警等。
整個(gè)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冷陰極電離規(guī)控制器，包括微處理器單元[4]和殼體，其特征在于還包括程控放電電流放大器[2]和高壓電源[3]，程控放電電流放大器[2]與微處理器單元[4]相連接，高壓電源[3]與程控放電電流放大器[2]相連接。
2．如權(quán)利要求1所述的控制器，其特征在于所說高壓電源[3]內(nèi)設(shè)置有逆程變壓器。
3．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[4]由模數(shù)轉(zhuǎn)換器[5]、量程切換器[6]、微處理器[7]、鍵盤/顯示器[8]、通訊接口[9]和報(bào)警器[10]構(gòu)成，數(shù)模轉(zhuǎn)換器[5]、量程切換器[6]、鍵盤/顯示器[8]、通訊接口[9]和報(bào)警器[10]分別與微處理器[7]相連接。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種智能超高真空冷陰極電離規(guī)控制器。它由程控放電電流放大器，高壓電源、微處理器單元和殼體構(gòu)成。程控放電電流放大器與微處理器單元相連接，高壓電源與程控放電電流放器相連接。本實(shí)用新型可以有效控制國內(nèi)外超高真空陰陰極電離規(guī)管；測(cè)量范圍寬(1×10
文檔編號(hào)G01L21/34GK2337545SQ98217148
公開日1999年9月8日 申請(qǐng)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?jiān)饰? 盛六四, 齊飛, 武國華 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)