真空計(jì)是測(cè)量真空度的儀器，目前市場(chǎng)上大多數(shù)熱偶規(guī)真空計(jì)都是一個(gè)熱偶規(guī)對(duì)應(yīng)一個(gè)真空計(jì)，雖然有數(shù)值顯示，但只有開關(guān)量的輸出，沒有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸出，不方便二次開發(fā)和利用。多通道熱偶規(guī)真空計(jì)可以同時(shí)對(duì)8 路熱偶規(guī)的信號(hào)做出處理，并且通過RS232 將數(shù)據(jù)輸出，可以更加直觀的觀察到真空度的變化。同時(shí)具有過載保護(hù)功能，當(dāng)被測(cè)壓力超出熱偶規(guī)的量程時(shí)會(huì)自動(dòng)切斷恒流源對(duì)熱偶規(guī)管進(jìn)行保護(hù)。在使用的過程中不僅節(jié)省了空間，降低了測(cè)試成本，而且減少了復(fù)雜的布線。

　　隨著社會(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(yīng)用于國(guó)防建設(shè)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(cè)量技術(shù)是真空技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要由傳感器及其相應(yīng)部件組成的真空測(cè)量設(shè)備完成，真空度的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于生產(chǎn)和科學(xué)研究都有著重大的影響。

　　熱偶規(guī)真空計(jì)是在冶金、機(jī)械、化工、電子等科研和生產(chǎn)領(lǐng)域中測(cè)量0.1~100 Pa 低真空時(shí)常用的一種測(cè)量?jī)x器。傳統(tǒng)的熱偶真空計(jì)都是與熱偶規(guī)單一對(duì)應(yīng)的，不能直接對(duì)真空度進(jìn)行連續(xù)準(zhǔn)確讀取。多通道熱偶規(guī)真空計(jì)可以同時(shí)采集八路熱偶規(guī)信號(hào)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，且能方便地讀取實(shí)時(shí)真空度，還可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用將其進(jìn)行功能擴(kuò)展，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1、多通道熱偶規(guī)真空計(jì)的硬件設(shè)計(jì)

　　熱偶規(guī)真空計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，可分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、AD 轉(zhuǎn)換模塊、恒流源模塊、信號(hào)采集放大模塊以及串口通訊模塊，其中熱偶規(guī)是作為感應(yīng)元件，將被測(cè)環(huán)境的壓強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)采集放大模塊和A/D 轉(zhuǎn)換，通過模擬開關(guān)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，最后通過串口模塊將真空度輸出，其中恒流源模塊、信號(hào)采集放大模塊和AD 轉(zhuǎn)換模塊是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)核心。

圖1 多通道熱偶規(guī)真空計(jì)硬件結(jié)構(gòu)

　　恒流源模塊的作用是為熱偶規(guī)管中的加熱絲提供一個(gè)恒定的電流，保證熱偶規(guī)管穩(wěn)定工作，測(cè)量準(zhǔn)確，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.zgsdazxxw.com/)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(yùn)算放大器HAF17358 和三極管組合的模式，并采用數(shù)字電位器X9C102 實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)。

　　信號(hào)采集放大電路的主要功能是將熱偶規(guī)管輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行采集并適當(dāng)放大，使信號(hào)可以被AD 模塊采集讀取，其性能直接影響多通道真空規(guī)測(cè)試儀測(cè)量真空度的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。因此選用儀表放大器AD620 作為主要的放大元件，再經(jīng)過一個(gè)由HA17358 組成的電壓跟隨器將放大后的信號(hào)送入AD 采集模塊，電路原理圖如圖3 所示。

圖3 信號(hào)采集放大電路原理圖

　　A/D 轉(zhuǎn)換模塊是把熱偶規(guī)輸出的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，模塊選用AD7705 作為轉(zhuǎn)換芯片，AD7705 是16 位無丟失，雙通道全差分模擬輸入A/D 轉(zhuǎn)換器，可以接受來自傳感器的低電平輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出，通過片內(nèi)控制

　　寄存器可調(diào)節(jié)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(tǒng)、微控系統(tǒng)和基于DSP 系統(tǒng)的理想產(chǎn)品，其串行接口可以配置為3 線接口，增益值、信號(hào)極性、更新頻率等都可以通過串行輸入口進(jìn)行配置，還配備了自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身和系統(tǒng)的增益和偏移誤差。AD 轉(zhuǎn)換模塊的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 AD 轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖

2、多通道熱偶規(guī)真空計(jì)的軟件設(shè)計(jì)

　　多通道真空規(guī)測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)如圖5 所示，主要功能模塊包括恒流源控制模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等。使用傳統(tǒng)的循環(huán)模式執(zhí)行整個(gè)程序，采用模塊化的編程思想，有利于程序的調(diào)試、維護(hù)、擴(kuò)展。

圖5 多通道熱偶規(guī)真空計(jì)軟件流程圖

　　當(dāng)多通道熱偶規(guī)真空計(jì)上電后，會(huì)首先對(duì)恒流源模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，并進(jìn)行自檢，若恒流源達(dá)到設(shè)定值，待穩(wěn)定后對(duì)熱偶規(guī)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大采集，判斷壓力是否超出熱偶規(guī)的量程。若超出量程，則關(guān)閉恒流源對(duì)熱偶規(guī)進(jìn)行保護(hù);若沒有超出量程，則對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，將得到的真空度通過串口模塊發(fā)送出去。如此循環(huán)，達(dá)到實(shí)時(shí)采集真空度的目的。

3、多通道熱偶規(guī)真空計(jì)的非線性補(bǔ)償

　　熱偶規(guī)在測(cè)量不同的壓強(qiáng)時(shí)會(huì)有對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)輸出，如式(1)所示：

V=f(P) (1)

　　式中：V 是熱偶規(guī)的電壓輸出值;P 是壓強(qiáng)值;熱偶規(guī)的輸出值V 與壓強(qiáng)值P 之間存在函數(shù)關(guān)系，但是這個(gè)關(guān)系式非線性的，想精確測(cè)量壓強(qiáng)，就必須對(duì)熱偶規(guī)的非線性進(jìn)行補(bǔ)償修正[5]。根據(jù)選用的不同熱偶規(guī)的量程，用高精度真空計(jì)在量程范圍內(nèi)選取不同的壓力點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，記錄下每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的壓力值和熱偶規(guī)對(duì)應(yīng)的電壓輸出值，如表1 所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

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

圖6 函數(shù)擬合曲線圖

　　通過擬合的曲線圖可以看出，擬合的曲線與測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)十分接近�？筛鶕�(jù)實(shí)際的精度要求和具體使用情況來確定擬合次數(shù)，將最優(yōu)的擬合函數(shù)寫入單片機(jī)，完成真空計(jì)的非線性修正補(bǔ)償工作，保證真空度測(cè)量準(zhǔn)確性。

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　對(duì)多通道熱偶規(guī)真空計(jì)與高精度標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)進(jìn)行測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在5 個(gè)壓力點(diǎn)分別對(duì)8 路熱偶規(guī)進(jìn)行信號(hào)采集并記錄得到的真空度，如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　從上表可以看出，多通道熱偶規(guī)真空計(jì)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)真空計(jì)基本吻合，精度和穩(wěn)定性都滿足要求。

5、結(jié)語

　　多通道熱偶規(guī)真空計(jì)以高性能微處理器為核心，采用了模塊化的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在軟件上采用抗干擾技術(shù)，進(jìn)一步提高多通道真空計(jì)的整體性能，并使用Orange 數(shù)學(xué)軟件對(duì)熱偶規(guī)的非線性進(jìn)行擬合，方便簡(jiǎn)單，保證了真空度測(cè)量的準(zhǔn)確性。經(jīng)過實(shí)際使用驗(yàn)證，多通道熱偶規(guī)真空計(jì)可以互不干擾同時(shí)完成8 路熱偶規(guī)信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)處理，降低了使用成本，節(jié)省空間，具有較好的應(yīng)用前景。