专利名称：真空系统氦气恒压控制装置及恒压控制方法
技术领域：
本发明涉及电子技术与真空技术领域，更具体涉及向真空系统中注入恒压氦气的 装置及方法，主要用于向真空系统中注入恒定压强的氦气。
背景技术：
为了研究原子、分子或离子等粒子的物理性质，有些实验必须在超高真空度的真 空系统中进行，真空系统主要包括启密封作用的真空密封腔和用于测量真空度的真空计。 许多在真空中进行的物理实验中，为了更好的研究原子、分子或离子等粒子的物理性质，必 须对具有较高的温度或热运动能量的粒子进行冷却。一种简单可靠的方法就是向真空系统 中注入高纯度的惰性气体-氦气，通过氦气和粒子的碰撞降低粒子热运动能量或温度以冷 却囚禁粒子。由于不同压强的氦气和粒子碰撞时的碰撞几率不同，因此在不同的氦气压强 下，粒子的温度也会不同。在对粒子温度恒定性要求较高的实验中，如汞离子微波时间频率 标准实验等，氦气压强不稳定所导致的粒子温度的变化将影响时间频率标准的稳定性。因 此，真空系统中氦气保持稳定的压强是十分重要的。目前，向真空系统中注入高纯度氦气的方法是利用过滤式氦气微漏阀(也称氦漏) 将气瓶中的氦气注入真空系统(见专利CN1479031A)，该方法是通过对氦漏的温度控制来控 制氦气向真空系统的渗透速率，这种方法的不足之处在于当外界环境温度发生变化或维 持真空系统的真空泵抽气速率变化时，真空系统中氦气的压强也将发生变化，而由于温控 系统的存在氦漏仍然以原渗透速率向系统中注入氦气，因此无法保证真空系统氦气压强的 稳定。同时由于氦气渗透率不仅和氦漏温度有关，而且和氦漏两边氦气压强差有关(压强差 越大渗透率越大)，当氦漏长期工作时其中的氦气逐渐减少，氦气压强差逐渐减少，氦气渗 透率减小，真空系统中的氦气压强随之减小，同样无法保证真空系统氦气压强的稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空系统氦气恒压控制装置。该装置由真空信号探测 部件、脉宽调制信号部件、功率调节部件、氦气源和真空系统组成；能自动调节氦气的渗透 率，使得真空系统的氦气压强达到并稳定在设定值。本发明的另一目的是提供上述装置的 恒压控制方法。该方法是将氦气压强的设定值与氦漏加热丝的加热功率建立联系，通过调 节氦漏加热丝的加热功率来调节氦气压强的设定值。本发明的优点是能自动调节氦气的 渗透率，保证真空系统的氦气压强达到并稳定在设定值。为达到上述目的，本发明采用以下技术方案
真空系统氦气恒压控制装置由信号探测部件、脉宽调制信号部件、功率调节部件、氦气 源和真空系统组成；信号探测部件由真空规电源、真空规和电流电压转换电路组成，脉宽调 制信号部件由信号放大电路、电压设定电路、减法电路、比例积分微分(PID)电路、锯齿波发 生电路和电压比较电路组成，功率调节部件由过零触发器和双向可控硅组成，氦气源由氦 瓶、减压阀和氦漏组成。
真空规安装在真空系统上探测真空信号，真空规电源接口与真空规电源连接得到 所需的电源。真空规信号接口与电流电压转换电路(《新概念51单片机C语言教程.入门、 提高、开发拓展全攻略》电子工业出版社P504)输入端连接，将反映真空系统的真空度的离 子流信号经转换为电压信号。电流电压转换电路输出端与信号放大电路(《电子技术》(第五 版)高等教育出版社P111)输入端连接，信号放大电路输出端和减法电路(《电子技术》(第 五版)高等教育出版社P331)负输入端连接，减法电路正输入端连接到电压设定电路(《新 概念51单片机C语言教程.入门、提高、开发拓展全攻略》电子工业出版社P506)，使得电 流电压转换电路输出的电压信号经信号电路放大放大后，和电压设定电路的电压信号通过 减法电路相比较得到误差信号。减法电路输出端与比例积分微分电路(《电子技术基础》模 拟部分(第四版)高等教育出版社P336)输入端连接，比例积分微分电路输出端与电压比较 电路(《电子技术基础》模拟部分(第四版)高等教育出版社P418)负输入端连接，电压比较 电路正输入端与锯齿波发生电路连接，使得减法电路输出的误差信号经比例积分微分电路 进行调整后，和锯齿波发生电路(XR2206芯片使用说明)产生的锯齿波信号经电压比较电路 得到脉宽调制信号。电压比较电路输出端与过零触发器输入端连接，过零触发器输出端与 双向可控硅的控制端连接(机电产品开发与创新，Vol. 21，No. 3，170)，双向可控硅电流输入 端连接到电源，双向可控硅电流输出端与氦漏加热丝的一端连接，氦漏加热丝的另一端与 电源连接，使得脉宽调制信号输入到过零触发器，驱动双向可控硅。在脉宽调制信号输出为 高时，过零触发器导通，在交流过零时可连续触发双向可控硅导通，加热丝加热。在脉宽 调制信号输出为低时，过零触发器截止，交流电压在过零后双向可控硅断路，加热丝停止 加热。从而完成氦漏加热丝功率的调功控制。氦漏进气口与减压阀出气口连通，减压阀进 气口与氦瓶出气口连通，氦漏出气口与真空系统连通，使得氦气由氦瓶经减压阀减压后注 入氦漏，氦漏和真空系统连接，氦气通过氦漏渗透到真空系统中。真空系统氦气恒压控制装置的恒压控制方法包含下列步骤
a、接通真空系统氦气恒压控制装置的所有电源，将电压设定电路的电压设定为Vj,0伏 彡5 伏，i=l，2，3，...，N，j=l，2，3，...，N;
b、当i 乒 j 时，Vi 乒 Vj, 1 ^ i, j ^ N ；
c、用真空计监测真空系统的压强，直至真空计显示读数稳定；
d、真空计的读数即是电压设定电路的电压设定为\时所对应的真空系统氦气压强Pj;
e、当j取遍广N时，就得到N组电压设定电路13电压与真空系统5氦气压强的对应关 系(VrPj), j=l，2，3，...，N;
f、当真空系统氦气压强需为h时，只要将电压设定电路的电压设定为\，真空系统氦 气恒压控制装置运行后，真空系统5氦气的压强即可稳定在P,本发明与现有技术相比有如下优点该装置利用真空规直接反馈压强信号，通过 该反馈信号控制氦漏加热丝的加热功率，调节氦气的渗透率，实现对注入真空系统中氦气 压强的直接控制，不受环境温度、真空泵抽速及氦漏两边氦气压强差变化的影响；该控制器 利用脉宽调制实现对氦漏加热功率即氦气渗透率的控制，对注入真空系统中氦气压强具有 较高的控制灵敏度。
图1为真空系统氦气恒压控制器结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步的说明。由图1可知，真空系统氦气恒压控制装置由信号探测部件1、脉宽调制信号部件2、 功率调节部件3、氦气源4和真空系统5组成；信号探测部件1由真空规电源11、真空规12 和电流电压转换电路13组成，脉宽调制信号部件2由信号放大电路21、电压设定电路22、 减法电路23、比例积分微分电路24、锯齿波发生电路25和电压比较电路26组成，功率调节 部件3由过零触发器31和双向可控硅32组成，氦气源4由氦瓶41、减压阀42和氦漏43组 成；真空规12安装在真空系统5上，真空规12电源接口与真空规电源11连接，真空规12 信号接口与电流电压转换电路13输入端连接，电流电压转换电路13输出端与信号放大电 路21输入端连接，信号放大电路21输出端和减法电路23负输入端连接，减法电路23正输 入端连接到电压设定电路22，减法电路23输出端与比例积分微分电路24输入端连接，比例 积分微分电路24输出端与电压比较电路26负输入端连接，电压比较电路26正输入端与锯 齿波发生电路25连接，电压比较电路26输出端与过零触发器31输入端连接，过零触发器 31输出端与双向可控硅32的控制端连接，双向可控硅32电流输入端连接到电源，双向可 控硅32电流输出端与氦漏43加热丝的一端连接，氦漏43加热丝的另一端与电源连接，氦 漏43进气口与减压阀42出气口连通，减压阀42进气口与氦瓶41出气口连通，氦漏43出 气口与真空系统5连通。真空系统氦气恒压控制装置的恒压控制方法包含下列步骤
a、接通真空系统氦气恒压控制装置的所有电源，将电压设定电路(13)的电压设定为 乂』，0伏彡、彡5伏，士=1，2，3，...，N，j=l，2，3，...，N;
b、当i 乒 j 时，Vi 乒 VjjI ^ i, j ^ N ；
C、用真空计监测真空系统的压强，直至真空计显示读数稳定；
d、真空计的读数即是电压设定电路13的电压设定为\时所对应的真空系统5氦气压 强Pj ；
e、当j取遍广N时，就得到N组电压设定电路13电压与真空系统5氦气压强的对应关 系(VrPj), j=l，2，3，...，N;
f、当真空系统5氦气压强需为P」时，只要将电压设定电路13的电压设定为\，真空系 统氦气恒压控制装置运行后，真空系统5氦气的压强即可稳定在P,
权利要求
真空系统氦气恒压控制装置，其特征在于，该装置由信号探测部件(1)、脉宽调制信号部件(2)、功率调节部件(3)、氦气源(4)和真空系统(5)组成；信号探测部件(1)由真空规电源(11)、真空规(12)和电流电压转换电路(13)组成，脉宽调制信号部件(2)由信号放大电路(21)、电压设定电路(22)、减法电路(23)、比例积分微分电路(24)、锯齿波发生电路(25)和电压比较电路(26)组成，功率调节部件(3)由过零触发器(31)和双向可控硅(32)组成，氦气源(4)由氦瓶(41)、减压阀(42)和氦漏(43)组成；真空规(12)安装在真空系统(5)上，真空规(12)电源接口与真空规电源(11)连接，真空规(12)信号接口与电流电压转换电路(13)输入端连接，电流电压转换电路(13)输出端与信号放大电路(21)输入端连接，信号放大电路(21)输出端和减法电路(23)负输入端连接，减法电路(23)正输入端连接到电压设定电路(22)，减法电路(23)输出端与比例积分微分电路(24)输入端连接，比例积分微分电路(24)输出端与电压比较电路(26)负输入端连接，电压比较电路(26)正输入端与锯齿波发生电路(25)连接，电压比较电路(26)输出端与过零触发器(31)输入端连接，过零触发器(31)输出端与双向可控硅(32)的控制端连接，双向可控硅(32)电流输入端连接到电源，双向可控硅(32)电流输出端与氦漏(43)加热丝的一端连接，氦漏(43)加热丝的另一端与电源连接，氦漏(43)进气口与减压阀(42)出气口连通，减压阀(42)进气口与氦瓶(41)出气口连通，氦漏(43)出气口与真空系统(5)连通。
2.根据权利要求1所述的真空系统氦气恒压控制装置的恒压控制方法，其特征在于， 该方法包含下列步骤a、接通真空系统氦气恒压控制装置的所有电源，将电压设定电路(13)的电压设定为 Vj,O 伏彡 Vj 彡 5 伏，i=l，2，3，...，N，j=l，2，3，...，N;b、当i 乒 j 时，Vi 乒 Vj, 1 ^ i, j ^ N ；c、用真空计监测真空系统的压强，直至真空计显示读数稳定；d、真空计的读数即是电压设定电路(13)的电压设定为\时所对应的真空系统氦气压 强Pj ；e、当j取遍ΓΝ时，就得到N组电压设定电路(13)电压与真空系统氦气压强的对应关 系(VrPj), j=l，2，3，...，N;f、当真空系统氦气压强需为h时，只要将电压设定电路(13)的电压设定为\，真空系 统氦气恒压控制装置运行后，真空系统氦气的压强即可稳定在P,
全文摘要
本发明公开了一种真空系统氦气恒压控制器。该装置利用真空规的测量真空系统中的氦气压强信号，并将该压强信号和设定值比较产生反馈信号，通过该反馈信号调节过滤式氦气微漏阀(下文简称氦漏，见专利CN1479031A)的加热功率，最终使得真空系统的氦气压强达到设定值。该装置及方法具有如下优点:该装置利用真空规直接反馈压强信号，通过该反馈信号控制氦漏加热丝的加热功率，调节氦气的渗透率，实现对注入真空系统中氦气压强的直接控制，不受环境温度、真空泵抽速及氦漏两边氦气压强差变化的影响；该控制器利用脉宽调制实现对氦漏加热功率即氦气渗透率的控制，对注入真空系统中氦气压强具有较高的控制灵敏度。
文档编号G05D16/20GK101968661SQ20101029160
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者佘磊, 屈万成, 李交美, 杨玉娜, 柳浩 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所