CN101221082A - 一种新型真空计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型真空计，包括用于将真空中氧分压转为电信号输出的氧化锆氧传感器和用于根据所述氧化锆氧传感器输出的电信号进行测量控制的测量电路单元。实施本发明所述新型真空计，具有测量范围宽、测量精度高、设备简单、成本低等优点，同时通过精确的测量真空中的氧分压，能够拓展真空计的应用领域。

Description

一种新型真空计

技术领域

本发明涉及测量气体的仪器，更具体地说，涉及一种新型真空计。

背景技术

真空测量就是真空度的测量，而真空度是指低于大气压力的气体稀薄程度，以压力表示真空度。真空测量包括全压力测量、分压力测量和真空计校准三个部分。用以探测低压空间稀薄气体压力所用的仪器称为真空计。真空计种类繁多，工作原理各异，除极少数几种是直接测量压力外，其它几乎都是间接测量压力的。被测量气体除少数情况外，多为混合气体。一般所指压力测量是指混合气体全压力测量。在近代真空测量技术中，分压力测量越来越重要。分压力测量是指测出混合气体各组成成分的分压力。

目前市场上的真空计种类，一般按照真空计的真空度刻度方法和按照真空计测量原理两种方法分类。

按照真空度刻度方法分类，真空计包括以下两类：

(1)绝对真空计：直接读取气体压力，其压力响应(刻度)可通过自身几何尺寸计算出来或由测力确定。绝对真空计对所有气体都是准确的且与气体种类无关，属于绝对真空计的有U型管压力计、压缩式真空计和热辐射真空计等。

(2)相对真空计：由一些与气体压力有函数关系的量来确定压力，不能通过简单的计算进行刻度，必须进行校准才能刻度。相对真空计一般由传感器(又称规管或规头)和用于测量控制的测量电路单元组成。读数与气体种类有关。相对真空计的种类很多，如热传导真空计和电离真空计等。

按照真空计测量原理方法分类，真空计又分为直接测量真空计和间接测量真空计。

直接测量真空计，该真空计直接测量单位面积上的力，包括以下两种：

(1)静态液位真空计：利用U型管两端液面差来测量压力。

(2)弹性元件真空计：利用与真空相连的容器表面受到压力的作用而产生弹性变形来测量压力值的大小。

间接测量真空计，当压力为10^-1Pa时，作用在1cm²表面上力只有10^-5N，显然测量这样小的力是困难的，故可根据低压下与气体压力有关的物理量的变化来间接测量压力的变化。属于这类的真空计有以下几种：

(1)压缩式真空计：其原理是在U型管的基础上再应用波义耳定律，即将一定量待测压力的气体，经过等温压缩使之压力增加，以便用U型管真空计测量，然后用体积和压力的关系计算被测压力。

(2)热传导真空计：利用低压下气体热传导与压力有关这一原理制成。常用的有电阻真空计和热偶真空计。

(3)热辐射真空计：利用低压下气体热辐射与压力有关原理。

(4)电离真空计：利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产生的离子流随压力变化的原理。如：热阴极电离真空计、冷阴极电离真空计和放射性电离真空计等。

(5)放电管指示器：利用气体放电情况和放电颜色与压力有关的性质判定真空度，一般仅能作为定性测量。

(6)粘滞真空计：利用低压下气体与容器壁的动量交换即外摩擦原理。如振膜式真空计和磁悬浮转子真空计。

(7)场致显微仪：以吸附和解吸时间与压力关系计算压力。

(8)质谱真空计：利用质谱技术进行混合气体分压力测量。

现有的分压力真空计都属于电离类，即先将气体电离，然后将所得的各成分离子加速，再把离子引进分析器，将离子分开，分别测出各成分离子流强度，便可知气体的成分和数量。分析器有磁的、电的、电磁结合和其它方式等。常用的有四极质谱计、回旋质谱计和射频质谱计等。

在现有的真空测量中，除极少数直接测量外，绝大多数是间接测量，即先在被测气体中引起一定的物理现象，然后再测量这一过程中与压力有关的物理量，进而设法确定压力值。这是真空测量的特点，因此会造成以下问题：

(1)任何具体物理现象与压力的关系，都是在某一压力范围内才最显著，超出这个范围，关系变得弱了。因此，任何方法都有其一定的测量范围，这个范围就是真空计的“量程”。现有的真空计都在某一测量范围内工作。

(2)近代真空技术所涉及到的压力范围宽达19个数级(10⁵～10^-14pa)，没有任何一种现有的真空计能测量如此宽的压力范围，因此总是用几种真空计分别管辖一定的区域。但由于各种真空计在原理上的差异，在相互衔接的区域，往往要造成较大的误差。

(3)在被测空间引起一定物理现象，还会出现这样的问题，即从测量的角度出发，本需要一种单纯的物理现象，但有时却不可避免地带来一系列寄生现象，这些寄生现象不但给测量带来误差，有时还会“喧宾夺主”，完全把主要现象掩盖住了。为改善真空计性能及提高真空测量准确度，必须突出主要现象，抑制寄生现象。

(4)现代分压力真空计是专用的小型质谱仪器——真空质谱计，功能强大，测量范围在10^-1-10^-14pa之间，但设备复杂，价格高，使用领域受到限制，是其缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种新型真空计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种新型真空计，其特征在于，包括用于将真空中氧分压转为电信号输出的氧化锆氧传感器和用于根据所述氧化锆氧传感器输出的电信号进行测量控制的测量电路单元。

在本发明所述的新型真空计中，所述氧化锆氧传感器包含氧浓差电池，所述氧浓差电池的氧化锆元件的内外两侧设置有多孔性铂电极。

在本发明所述的新型真空计中，所述测量电路单元包括对所述氧化锆氧传感器进行校准的校准模块。

在本发明所述的新型真空计中，所述测量电路单元包括主电路板和与所述主电路板通过电缆连接的操作显示电路板。

在本发明所述的新型真空计中，所述主电路板包括直流稳压电源回路、对氧传感器温度进行控制的温度控制回路、氧传感器信号转换电路、运算控制处理电路、标准电流信号输出回路以及输出报警信号的三路继电器触点输出电路。

在本发明所述的新型真空计中，所述操作显示电路板包括功能按键及电路、液晶显示模块及驱动电路、发光二极管显示电路以及按键音响提示电路。

在本发明所述的新型真空计中，所述氧传感器温度控制回路采用PID温控算法和过零触发的对称全波功率输出。

在本发明所述的新型真空计中，所述测量电路单元还包括可选件，该可选件，用于提供空气或将已知氧分压的真空环境作为所述氧传感器的参比气。

实施本发明所述新型真空计，采用了氧化锆氧传感器和校准等技术手段，具有以下有益效果：

(1)测量范围宽。本发明所述真空计测量氧分压范围完全覆盖并且超出现代真空技术所涉及到的压力范围10⁵～10^-14pa。

(2)测量精度高。现有的真空计分别测量一定的区域，但由于各种真空计测量原理上的差异，在相互衔接的区域，往往要造成较大的误差。本发明所述真空计能够解决该问题，同时由于测量原理Nernst方程具有理想的物理确定性，也大大提高测量数据准确性。

(3)本发明所述真空计采用的测量原理Nernst方程具有理想的单纯性，只对氧气具有选择性，突出主要现象，抑制寄生现象，提高了测量精度。

(4)相对于现有测分压力的质谱真空计，设备简单，成本低。

(5)本发明所述真空计的测量电路单元通过对氧化锆氧传感器进行校准，确保测量数据的准确性。

(6)本发明所述真空计除可将空气作为氧传感器的参比气外，还可将已知氧分压的真空环境作为氧传感器的参比气，这样氧传感器两侧承受的差压可以降低，提高本发明所述真空计的性能。

(7)通过精确的测量真空中氧分压，能拓展真空计的应用领域，同时在混合气中氧成分所占比例确定时(空气抽真空等)，还能换算出全压力。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明所述新型真空计的原理框图。

具体实施方式

如图1所示，一种新型真空计包括氧化锆氧传感器和测量电路单元。

其中，氧化锆氧传感器包含氧浓差电池，氧浓差电池的氧化锆元件的内外两侧设置有多孔性铂电极。

氧化锆氧传感器的作用是依据能斯特(Nernst)方程，将被测真空中氧分压变成电信号，氧传感器输出电信号与氧分压的关系为对数关系。

在一定的温度范围内，氧浓差电池输出的电势值满足下面的数据方程，即Nernst方程：

$\mathrm{mV}=\frac{\mathrm{RT}}{4F}\mathrm{Ln}\frac{P1}{P2}$ 其中，P1为在氧浓差电池一侧(即参比气侧)参比气体(空气)的氧分压，P2为在氧浓差电池另一侧(即被测气体侧)被测气体(真空)的氧分压，R为气体常数，F为法拉第常数，T为绝对温度(即T＝273+t℃)。

当参比气侧(空气)与被测气体侧真空气体的氧分压不同时，氧离子从高的一侧迁移到低的一侧，建立氧浓差电势。氧浓差电势的输出就以对数的规律反应出被测气体中的氧分压值。在测量时，测量得出温度T和氧浓差电势mV数值，同时参比气(空气)氧分压已知，将参比气氧分压P1，温度T和氧电势mV代入上述方程，即可算出P2的值(即被测真空气体中的氧气分压)。

在Nernst方程中，有一项参数是温度T，一般情况下，温度t必须高于650℃，即绝对温度T高于650+273＝923K时，氧传感器才能正常工作。如果将氧传感器直接插入真空中，真空中温度能满足高于650℃的条件时，氧传感器则不需要加热，否则氧传感器需要加热控温。因此在氧传感器内部包括加热器部件，该加热器部件通常是一个测温热电偶和一个电加热器。

本发明所述测量电路单元是针对氧化锆氧传感器测真空的要求进行特殊设计的。测量电路单元包括主电路板和与主电路板通过电缆连接的操作显示电路板。主电路板和操作显示电路板中的电路采用微处理器(单片机)统一控制处理，功能智能化，并采用了软件看门狗(WATCHDOG)和电气隔离、电源滤波等抗干扰措施。

其中，主电路板包括直流稳压电源回路、对稳定进行控制的氧传感器温度控制回路、氧传感器信号转换电路、运算控制处理电路(单片机)、标准电流信号输出回路以及当所述真空计或所述氧传感器出现故障时输出报警信号的三路继电器触点输出电路(控制及报警)。

其中，操作显示电路板包括功能按键及电路、液晶显示模块及驱动电路、发光二极管显示电路以及按键音响提示电路。

由于氧化锆氧传感器存在着材料、结构、制造工艺、使用过程中老化等方面的原因，氧传感器输出电信号与氧分压的关系同Nernst方程会有不同程度的偏差，但基本的对数关系是确定的，因此需要对传感器进行校准。

本发明的测量电路单元的重要功能之一是具有对氧化锆氧传感器进行校准的功能的校准模块。通过一种或者两种不同已知氧分压数值的气体环境(可以是常压环境也可以是真空环境)对系统进行校准，校准时真空计运算得到一条对应氧传感器的校准曲线。在校准后的测量过程中，真空计以校准的氧传感器曲线为基础计算氧分压，确保测量数据的准确性。

由于氧传感器需要在高温下工作，因此需要对氧传感器进行温度控制。本发明根据不同的需要，可选择不同的控制温度值和控制方式，采用了PID(比例、积分、微分)温控算法和过零触发的对称全波功率输出，提高了控制精度，同时降低了氧化锆内部热应力，延长了氧传感器的寿命。当氧传感器过热时，本发明所述真空计设置有专门的继电器切断加热电源，从而保护了氧传感器不被烧坏。

本发明所述真空计对氧传感器进行控温时，具有故障断电保护及报警的功能。另外本发明所述真空计还具有自检性能，当真空计或氧传感器出现故障时能报警显示，指示出原因，并通过继电器触点输出报警信号。当真空度高于或低于预先设定的值时，真空计报警显示，并通过继电器触点输出报警信号。

此外，通过操作显示电路板的功能按键可以通过选择控制参数、各种数据的范围以及其它一些功能对系统进行控制。常用的有参比气氧分压、输出电流种类及对应范围、报警界限、校准真空度数值、单点校准流程以及两点校准流程等。用户还可以通过主板上的拨码开关选择控制温度、温控方式、测量运算方式以及出厂数据恢复等功能，还能对真空计电路输入输出进行校准。而且所有这些面板操作设置都是以菜单的形式给出的。

另外，从Nernst方程还可以看出，由于氧传感器输出电信号与被测气体氧分压和参比气氧分压的比值成对数关系，因此，在氧化锆氧传感器核心元件氧化锆的一侧(即参比侧)必须提供已知氧分压的参比气体，另一侧(即被测气体侧)接触被测气体空间。本发明所述真空计，参比侧既可以直接与空气环境相连，也可以与另一已知氧分压的真空环境相连。

本发明所述真空计除可将空气作为氧传感器的参比气外，还可将已知氧分压的真空环境作为氧传感器的参比气，使氧传感器两侧承受的差压降低，提高本发明所述真空计的性能。为此测量电路单元通过操作显示电路板按键设置参比气氧分压数值，单片机根据设置的参比气氧分压数值运算被测真空的氧分压，而不管参比气是空气还是真空环境。

当通过按键设置参比气的氧分压值时，本发明所述真空计显示的真空度为真空氧分压。当真空混合气中知道氧成分所占百分比例的确定数值时(如空气抽真空，氧成分所占百分比例的数值约为21％)，输入该比例系数，真空计显示的真空度为真空全压力。本发明所述真空计自动显示10⁵-10^-27Pa氧分压或者全压力测量范围，量程自动。本发明所述真空计采用光电隔离4-20mA(或0-10mA)标准电流输出，负载600-1200欧姆。标准电流输出为有源浮空输出。

作为本发明的一个改进，本发明所述真空计内部可安装可选件，该可选件用于提供空气或将已知氧分压的真空环境作为所述氧传感器的参比气。其中，可选用参比气泵作为可选件，用于提供空气作为所述氧传感器的参比气。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，本发明的申请文件的权利要求包括这些变形和变化。

Claims (8)

1.一种新型真空计，其特征在于，包括用于将真空中氧分压转为电信号输出的氧化锆氧传感器和用于根据所述氧化锆氧传感器输出的电信号进行测量控制的测量电路单元。

2.根据权利要求1所述的新型真空计，其特征在于，所述氧化锆氧传感器包含氧浓差电池，所述氧浓差电池的氧化锆元件的内外两侧设置有多孔性铂电极。

3.根据权利要求1所述的新型真空计，其特征在于，所述测量电路单元包括对所述氧化锆氧传感器进行校准的校准模块。

4.根据权利要求1所述的新型真空计，其特征在于，所述测量电路单元包括主电路板和与所述主电路板通过电缆连接的操作显示电路板。

5.根据权利要求4所述的新型真空计，其特征在于，所述主电路板包括直流稳压电源回路、对氧传感器温度进行控制的温度控制回路、氧传感器信号转换电路、运算控制处理电路、标准电流信号输出回路以及输出报警信号的三路继电器触点输出电路。

6.根据权利要求4所述的新型真空计，其特征在于，所述操作显示电路板包括功能按键及电路、液晶显示模块及驱动电路、发光二极管显示电路以及按键音响提示电路。

7.根据权利要求5所述的新型真空计，其特征在于，所述氧传感器温度控制回路采用PID温控算法和过零触发的对称全波功率输出。

8.根据权利要求1-7任一项所述的新型真空计，其特征在于，所述测量电路单元还包括可选件，该可选件用于提供空气或将已知氧分压的真空环境作为所述氧传感器的参比气。

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