热偶真空计系统设计总结报告

发布时间：2020-03-03 03:09:59 来源：范文大全收藏本文下载本文手机版

热偶真空计系统设计总结报告

（王永昌 , 张斌鑫, 王海程, 张谢祥；褚向前；机械设计制造及其自动化10-11班

机械与汽车工程学院）

摘要：在真空度测量方面，目前，已有从105Pa到 10-11 Pa的各种真空计。当今，根据真空应用中对真空计使用要求，热导真空计在工业的真空测量中占有重要地位，主要用于冶金、机械、化工、电子等科研和生产领域中的粗、低真空的测量。而其中数字式热偶真空计应用广泛，产品种类也比较多，但在宽量程、可靠性、抗氧化性等方面还有一定的提升空间。因此，数字式热偶真空计的研究设计有着重要的实际意义。关键词：热电偶；真空计；真空度；

一．项目背景及研究内容

真空科学与技术主要包括真空的获得和真空度的测量两个方面。真空的获得，即真空的产生和保持，它一般由机械设备实现，如利用机械真空泵等。真空度的测量，主要由传感器及其相应部件组成的真空测量设备完成。准确测量真空度、控制真空度对生产、生活、科学研究有着重要影响，对实验的成败和真空产品的质量都起到关键的作用。所以真空测量是真空技术的一个重要环节，真空测量具有重要的意义。

我们结合真空测量技术的发展历史，通过对国内外近几年真空测量设备新产品的分析可知，真空计的设计并没有在新原理、新方法方面取得较多的突破性进展，更多的是在原有基本原理基础上的改进和补充。真空测量技术的发展进入了一个相对稳定的时期。近些年来，由于电子技术和计算机技术的迅速发展，真空计又迎来新的发展，出现以单片机为核心的电子式真空计。电子真空计与传统真空计相比，测量上更精确、更稳定、更方便，还可以根据实际应用将仪器的功能进行扩展，具有较强的实用性。

热偶真空计以其性能稳定、抗沾污、抗氧化、价格适中等优点被广泛应用于低真空测量领域，但由于热偶规这种传感器存在着较强的非线性，致使在数据处理上存在一系列的问题。为了提高测量精度，必须对其非线性进行处理。用传统数值计算方法处理，计算量繁重、过程冗杂。对热偶规真空计的基本结构和工作原理加以研究分析，然后根据其特点提出具体的设计方案。本项目采用 Mathematica 数学软件中高次函数拟合功能，来拟合热偶规传感器的非线性特性，最后以热偶规管作为传感器，将被测环境的压强信号转换为微弱的电信号，经过信号放大和 A/D 转换，送入单片机数据处理、显示。本热偶规真空计以单片机为核心，可应用于低真空领域的真空度测量，其测量精度和稳定性满足实际需要，还可以根据实际应用将仪器的功能进行扩展，具有较强的实用性。设计的热偶规管真空计采用单片微机制作，充分利用其微机提供的硬件及软件资源，集成度高，可靠性强，功能适用，操作简便。

二．热偶真空计工作原理

热电偶真空计是利用气体分子的热传导现象,热电偶接在白金或钨的细线上。这段细线通过电流后会发热。发出的热量通过周围气体分子的热传导,或细线本身的固体热传导,或热辐射放出。利用气体分子承担的热传导量与压力成正比的特点是此真空计的原理。

一根在真空中被加热的金属丝，达到热平衡状态时，它所消耗的总功率满足下列关系

QQrQsQcdQcv

其中：

(1) Qr:热丝表面因辐射的热损耗；Qs:热丝引线的热损耗；Qcv:气体对流引起的热损耗；他们分别为： Qcd:气体分子热传导造成的热损耗；

QI2RQrKr(T40T04)QsKs(TT0)QcdKm(TT0)PQcvKd(TT0)f(P)其中， I是热丝的加热电流，R 是热丝电阻，Kr 为与热丝表面尺寸有关的常数，

和

0分别为热丝和管壁的热辐射系数， T为热丝平衡温度， T0为管壁和热丝支杆的温度， Ks为与热丝材质和尺寸有关的常数; Km 二为与气体种类和热丝表面积有关的系数，  为适应系数，Kd为与热丝表面、规管几何形状、气体种类和热丝方位有关的常数， P为气体压强。

由此不难看出，对于给定的规管，若保持加热丝温度T不变时，则(1)式可变为: I2CkmPkdf(P)

其中：

(2) Kr(T40T04)T0CRkr(T40T04)T0 KmRk(TT0)KddR当环境温度T0 一定时， C, Km和Kd 均为常数。

式(2)为定温式热导真空计的基本关系式。它表明，对于特定气体，在定温工作状态下，加热丝的加热电流是容器气体压强的单值函数。热偶真空计是通过与热丝接触的热电偶来测量热丝温度的(图1-1所示)[2]。因此，只要改变加热电流，使在任何压强下，始终保持热电偶输出电势不变，即可达到定温的目的。此时，P2(I2I0)；

其中, I0为高真空时加热丝的加热电流。这种定温过程可以通过手动，也可以通过自动动调节来实现。本设计是自动定温式热偶真空计。如前所述，定温式热偶真空计就是通过对规管加热电流的调节，使在任何压强下，热电偶输出电势始终保持不变，从而根据输入电流的大小来测定压强值，即真空度。图2-1是真空计测温简图

图2-1 热偶规测温原理

三．热偶真空计系统设计

系统整体结构如下图所示，本系统主要由热偶规传感器、信号放大电路、A/D转换电路、显示模块、单片机控制系统、按键和电源系统组成。电源系统给热偶规传感器提供一恒定电流，热偶规传感器将被测真空环境的压强信号转换为微弱的电压信号，将电压信号放大处理，经过A/D转换后送入单片机系统，在经过单片机系统的数据处理计算出测量环境的压强值，最后通过显示模块显示输出。

图3-1 热偶真空计系统框图

1．电源系统

本系统的电源由220V转5V 的AC/DC电源适配器提供，该电源模块参数如下：输出电压精度Vo：1%; 负载调整率：0.5%; 输出电流调整率：0.5%; 源效应：+0.2%; 负载效应：+0.5%; 波纹与噪声：Vpp1%; 温度系数：+0.02%/oC; 过载、过热保护（短暂）。

2．信号放大与处理

1）真空规管的选择

本设计采用ZJ-53B型玻璃热偶真空规管，该规管热容量很小的镍铬-康铜作为加热丝和热偶丝，经过稳定化处理具备环境温度自动补偿和粉尘防护功能。该型规管具有结构简单、量程较宽、响应较快、抗污染、耐氧化、漂移小、寿命长、性能稳定、价格适中等特点，是一种广泛应用的热传导式低真空测控传感器。主要技术参数如下：

410测量范围：21101；

0加热电流：281.5mA; 热丝冷阻:9.51(233C); 热丝温度:401500C;

零散性为环境温度时，示值偏差不超过20%。 2）真空规管的连接与加热真空规管管脚的电气连接如图所示

图3-2 规管管脚电气连接

2、7 加热丝

4、5 热偶丝ZJ-53B 加热

2、7管脚之间的热偶丝采用恒流源电路，电路图如下：

图3-3 恒流源加热电路 3）信号放大与A/D转换电路

信号放大电路的主要功能是将传感器测得的微弱电压信号进行适当的放大，便于信号处理，本设计信号放大部分采用斩波稳零运算放大器ICL7650。本系统 A/D转换电路选用ADS1286芯片。

4）信号处理和控制

本部分由主控单片机、LCM显示器、按键组成。主控单片机负责把从A/D转换器读取的电压值转换成压强值，并输出到LCM显示器上。

图3-4 信号放大与A/D转换电路