专利名称：智能超高真空热阴极电离规控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及真空测量技术领域。
目前真空测量领域用于超高真空测量的真空计主要有热阴极电离超高真空计和冷阴极电离超高真空计。它们是利用气体分子电离的原理来测量真空度的一种仪器。真空计由测量规管(传感器)和电气测量电路(控制器)组成。热阴极电离规管由三个电极组成，真空计通过控制器的控制电路单元对电极施加电压、电流，将非电量的气体压力转换成电量—离子电流，利用控制器的测量显示单元给出测量结果。热阴极电离规管以其结构简单、性能稳定、操作方便、反应迅速和量程范围宽受到广泛应用。
用于超高真空测量热阴极电离真空计的国内品牌主要是DL7规管及控制器，测量范围是1×10-1Pa～8×10-8Pa。DL7真空计操作简单，但控制器的保护、报警功能很弱，容易损坏控制器及规管，另外测量范围和通讯功能也有限。国外热阴极电离超高真空计测量范围宽，功能完善，但价格昂贵。
本实用新型的目的在于提供一种可以有效控制国内外超高真空热阴极电离规管，测量范围宽(1×10-1Pa～3×10-9Pa)，功能完善，价格低廉的智能超高真空热阴极电离规控制器。
本实用新型采用以下方式实现。
本实用新型由程控放电电流放大器、加速极电源、稳定发射电流电路、微处理器单元和壳体构成。程控放电电流放大器、加速极电源和稳定发射电流电路分别与微处理器单元相连接。微处理器单元由模数转换电路、控制驱动电路、微处理器、键盘/显示器、通讯接口和报警器构成。模数转换电路、控制驱动电路、键盘/显示器、通讯接口和报警器分别与微处理器相连接。微处理器通过控制驱动电路控制程控放电电流放大器、加速极电源和稳定发射电流电路的工作，程控放电电流放大器将接收到的离子流信号放大后送入模数转换电路，该信号经模数转换后，送入微处理器处理，转化为真空度，再送入键盘/显示器显示。当真空度超过设定值，以及真空度突然变化时，微处理器给出一个信号，触发报警器和键盘/显示器工作。
本实用新型具有以下优点本实用新型可以有效控制国内外超高真空热阴极电离规管，加速极和灯丝电压可根据不同规管选定，稳定度±1％，收集极电压为0V。本实用新型测量范围宽，测量上限1×10-1Pa、下限3×10-9Pa。本实用新型具有真空度报警阈值设定功能，当真空度超过设定阈值、真空度突然变化时，报警器工作并关断灯丝电源(灯丝电源为开关电源，最大电流为5A)；具有自动切换量程、自动切换发射电流功能；还具有除气、发射、时间显示功能。采用八只键盘进行功能设定，6位高亮度数码管显示真空度、时钟、报警和除气时间。除气功率最大25W(50mA，500V)。另外本实用新型采用Watchdog技术和数字滤波增加了可靠性。本实用新型能与国外热阴极电离超高真空计媲美，但价格低廉。
本实用新型的各组成部分也具有各自的特点加速极电源单元经变压器升压和整流后，由限流电阻和串联齐纳稳压管组成的加速极电位以及灯丝浮地电位电路，其结构简单、可靠，便于维护。
稳定发射电流电路，由单片集成功率模块MAX724以及双光电偶器等相关器件组成的发射电流反馈回路一起构成。并能在微处理器的控制下，自动切换发射电流。该单元工作于开关方式，效率高、稳定性和保护性能好。
程控放电电流放大器采用具有超低偏置电流的单片运算放大器，并能在微处理器的控制下，自动切换量程。为精确测定10-9Pa以上真空度提供保证。
模数转换由V/F转换器AD650和计数器8253担任，抗干扰性能强，线性好。模数转换器的精度为15位，转换频率为10Hz。
时钟芯片DS12887在给整个系统提供时钟的同时，内置的114个字节非易失性RAM可用于真空报警阈值上下限的设置以及一些系统关键配置数据的存储。
整个系统软件用工程C语言编写，移植性好，易于实现多种功能。通讯接口支持RS232C和现场总线CAN协议。
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
附
图1，本实用新型与热阴极电离规管原理框图。其中，1-热阴极电离规管，2-程控放电电流放大器，3-加速极电源，4-稳定发射电流电路，5-微处理器单元，6-数模转换电路，7-控制驱动电路，8-微处理器，9-键盘/显示器，10-通讯接口，11-报警器。
附图2，本实用新型电路原理图。
附图3，系统程序工作流程图。
参见附图，热阴极电离规管1由灯丝F、加速极A和收集极C构成。其工作原理为控制器对规管灯丝加热使其发射电子，电子受加速极高压的作用在飞向加速极的过程中，与气体分子碰撞，使气体分子电离，产生正离子和电子，正离子被电位最低的收集极接收，形成离子流Ii，电子被加速极吸收形成的电子流称为发射电流Ie。在压强小于10-1Pa时，离子流Ii与被测系统中的压强P以及发射电流Ie成正比。P=1S×IiIe]]>S为规管常数，也称为规管灵敏度，由厂家给出。由上式，控制Ie为一定值，只要测得Ii就可计算出真空度的大小。
本实用新型的程控放电电流放大器2的一端与收集极C相连接；加速极电源3的一端与加速极A相连接，稳定发射电源电路4的一端与灯丝F两端相连接。
附图2(a)为程控放电电流放大器的原理图。其中的核心部件为具有超低偏置电流的单片运算放大器U1，具体型号有BB公司的OPA128和AD公司的AD549、AD515等。图中的Q1、Q2为结型场效应管，对运算放大器U1提供保护。R1、R2、R3、R4、R5、S1、S2、S3、S4、S5组成的反馈网络，用于离子流信号放大和量程切换，切换由微处理器通过继电器控制。放大后的电压信号接至微处理器单元的V/F转换器AD650(U5)。本单元的电路板布线和屏蔽是非常重要的，必须严格按照公司提供的运算放大器应用手册实施。
图2(b)为加速极电源原理图。该电源为加速极提供两个高压(相对地)，一个是正常工作时的+175V，另一个是利用电子轰击除气时的+450V。两个电压的切换由微处理器通过继电器控制。+450V电压由全桥整流后经限流电阻R9得到。+175V电压可经限流电阻R10，再由串联的齐纳稳压管D2获得(例如采用6只0.5W的35V稳压管)。
图2(c)为稳定发射电流电路原理图。该单元必须能提供三个不同的灯丝发射电流低真空(10-1Pa～10-5Pa)时为0.4mA，高真空(10-6Pa～10-9Pa)时为4mA，除气时为40mA。R18为发射电流信号取样电阻，R19、R20、R21反馈电阻分别对应三个不同的发射电流，相互切换由微处理器通过继电器控制。反馈信号经U3、U4、R13～R21组成的线性隔离放大器，最后接至由开关方式降压稳压器MAX724(U2)构成灯丝电流源的反馈点(FB)。该电流源为PWM方式，工作开关频率为100KHz，最大可为灯丝提供5A的电流，芯片内置的电流限制电路为过载提供有力的保护。图中的D4为一组串联的齐纳稳压管(例如采用6只0.5W的9V稳压管)将规管灯丝及由MAX724构成的电流源稳定在+45V。图中的U3为普通的双光电偶器，可选用TLP521-2、PIC817等。
微处理器单元由六个部分组成[附图2(d)、附图2(d-1)微处理器单元原理图，附图2(d-2)通讯接口原理图，附图2(d-3)键盘/显示器原理图]模数转换电路由V/F转换器AD650和计数器8253担任。AD650将程控放电电流放大器输入的电压信号转换为频率后由8253记数，再送给微处理器计算，转化为真空度。该模数转换电路的精度为15位，转换频率为10Hz。
微处理器由8031担任。
控制驱动电路通过8031的P1口发出命令，由一片七路达灵顿管阵列MC1413用于驱动量程选择继电器和发射电流选择继电器。
报警器由一片时钟芯片DS12887担任。DS12887在给整个系统提供时钟的同时，内置的114个字节非易失性RAM可用于真空报警阈值上下限的设置以及一些系统关键配置数据的内存。MC1413的一路用于报警驱动和信号传递。报警输出采用20mA电流环，便于光隔离和抗干扰。报警反应时间小于200mS，满足除快阀门外对一般阀门的控制。报警时将关断灯丝电源。
通讯接口支持RS232C和现场总线CAN协议，RS232C接口采用MAX202E，CAN接口采用Philips公司的82C200通讯控制器和82C250总线收发器。
键盘/显示器由一片8279管理八只键盘和6位高亮度数码管。键盘功能包括除气、发射、报警阈值设定、时间显示等功能。显示包括真空度、时间和报警等。
整个系统软件用工程C语言编写。
权利要求1.一种智能超高真空热阴极电离规控制器，包括微处理器单元[5]和壳体，其特征在于还包括程控放电电流放大器[2]、加速极电源[3]和稳定发射电流电路[4]，程控放电电流放大器[2]、加速极电源[3]和稳定发射电流电路[4]分别与微处理器单元[5]相连接。
2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于所说微处理器单元[5]由模数转换电路[6]、控制驱动电路[7]、微处理器[8]、键盘/显示器[9]、通讯接口[10]和报警器[11]构成、模数转换电路[6]、控制驱动电路[7]、键盘/显示器[9]、通讯接口[10]和报警器[11]分别与微处理器[8]相连接。
专利摘要本实用新型提供了一种智能超高真空热阴极电离规控制器。它由程控放电电流放大器、加速极电源、稳定发射电流电路和微处理器单元和壳体构成。程控放电电流放大器、加速极电源和稳定发射电流电路分别与微处理器单元相连接。本实用新型可以有效控制国内外超高真空热阴极电离规管;测量范围宽(1×10
文档编号H05H1/02GK2341343SQ9821715
公开日1999年9月29日 申请日期1998年7月17日 优先权日1998年7月17日
发明者高辉, 张允武, 盛六四, 齐飞, 武国华 申请人:中国科学技术大学