CN102494836B - 一种热偶真空计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热偶真空计，包括：热偶真空规管、放大装置和模数转换器ADC，还包括：微控制器，电压转换装置和电流调节装置。应用上述技术方案，微控制器依据不同的比较结果生成不同的数字电压，进一步由电压转换装置将该数字电压转换为模拟电压，当电流调节装置在接收到电压转换装置发送的不同模拟电压时，其产生不同的电流，并输出至热偶真空规管的电流端，因此热偶真空规管的电流端可以输入不同的电流，进而热偶真空规管输出的电压范围增大，进一步拓宽压强测量范围。发明人经过多次试验得出，采用上述方案的热偶真空计，其输出显示的压强范围为0.01pa至999pa，相对于现有的热偶真空计，其压强测量范围的上下限明显拓宽。

Description

一种热偶真空计

技术领域

本发明涉及测量设备技术领域，更具体地说，涉及一种热偶真空计。

背景技术

作为真空测量的仪器，热偶真空计在其测量范围内具有稳定性高，测量准确，能连续测量，使用寿命长特点。根据目前用户的使用要求，微型化、一体化和智能化的热偶真空计是未来的发展方向，而其中一体化微型热偶真空计的研究有其重要意义。

热偶真空计包括热偶真空规管、三极管、ADC(Analog To DigitalConverter，模数转换器)和单片机。其中：热偶真空规管的电流端连接固定电流，电压端与三极管相连，ADC连接在三极管和单片机之间。热偶真空计的工作原理为：热偶真空规管的电流端输入固定电流，电流通过热偶真空规管内的热电偶，由于热电偶的回路中具有一个导体，所以热偶真空规管会产生一定电压。热偶真空规管的电压从电压端被三极管放大输出至ADC。电压作为一个模拟信号，经过ADC被转换为数字量的电压，并将数字量的电压发送至单片机。单片机接收到数字量的电压后，依据电压和压强之间的对应关系，获得接收到的数字量的电压对应的压强并输出显示。

然而，目前的热偶真空计中热偶真空规管的电流端输入固定电流，测试出的电压范围有限，进而可以输出显示的压强范围为0.1pa至几百pa，即压强测量范围有限。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种热偶真空计，可以为热偶真空规管的电流端提供不同的电流，进而增大输出的电压，进一步拓宽压强测量范围。技术方案如下：

本发明提供一种热偶真空计，包括：热偶真空规管、放大装置和模数转换器ADC，还包括：

与所述ADC相连，用于接收所述ADC转换得出的数字电压，将所述数字电压与自身内的预设电压进行比较，并依据比较结果对自身输出的数字电压进行调节的微控制器；

与所述微控制器的输出端相连，用于将所述微控制器输出的数字电压转换为模拟电压的电压转换装置；

连接在所述电压转换装置和所述放大装置之间，用于接收所述电压转换装置发送的模拟电压，产生电流并输出至所述热偶真空规管的电流端，以及用于采集所述热偶真空规管的电流端之间的电压，并输出至所述ADC的电流调节装置。

优选地，所述电压转换装置包括X9C102P芯片，所述X9C102P芯片的

引脚、引脚和

引脚分别连接所述微控制器，X9C102P芯片的Vw引脚与所述电流调节装置连接。

优选地，所述电流调节装置包括：LM358芯片、NPN型三极管、第一电阻和第二电阻；其中：

所述LM358芯片的第一运算放大器的正相输入端与所述电压转换装置的Vw引脚相连，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一电阻相连，所述第一运算放大器的输出端通过第二电阻与所述NPN型三极管的基极连接；

所述NPN型三极管的集电极连接电源，发射极连接所述热偶真空规管的一个电流端，所述热偶真空规管的另一个电流端连接所述第一电阻和所述第一运算放大器的反相输入端的连接点。

优选地，所述放大装置包括HA17741芯片，所述HA17741芯片的正相输入端和反相输入端分别连接所述热偶真空规管的电压端，所述HA17741芯片的输出端连接所述反相输入端。

优选地，所述放大装置还包括第一电容、第二电容和第三电阻；

所述HA17741芯片的输出端通过并联连接的第一电容和所述第三电阻，与所述HA17741芯片的反相输入端连接；

所述第二电容连接在所述HA17741芯片的正相输入端和反相输入端。

优选地，所述第一电容和第二电容的容值为100nf。

优选地，所述ADC包括AD7705B芯片，所述AD7705B芯片的差分模拟输入通道2的正输入端通过所述第四电阻连接所述HA17741芯片的输出端，差分模拟输入通道1的正输入端连接所述LM358芯片的的第一运算放大器的反相输入端，DI引脚、DO引脚和DRDY引脚分别与所述微控制器连接。

优选地，所述微控制器包括IC_STC89C52芯片，所述IC_STC89C52芯片的P1.6引脚与所述X9C102P芯片的

引脚相连，P1.7引脚与所述X9C102P芯片的引脚，VCC引脚连接所述X9C102P芯片的

引脚，P3.4引脚与所述LM358芯片的第二运算放大器的输出端相连，P3.5引脚、P3.6引脚和P3.7引脚分别与所述AD7705B芯片的DI引脚、DO引脚和DRDY引脚相连，P3.3引脚连接所述AD7705B芯片的SCLK引脚，ALE引脚连接所述AD7705B芯片的MCL-I引脚。

优选地，还包括：与所述微控制器相连的显示器、通信接口、按键和输出控制接口。

优选地，还包括：提供所述电压转换装置、电流调节装置、放大装置、ADC和微控制器工作所需电源的电源电路。

应用上述技术方案，微控制器依据不同的比较结果生成不同的数字电压，进一步由电压转换装置将该数字电压转换为模拟电压，当电流调节装置在接收到电压转换装置发送的不同模拟电压时，其产生不同的电流，并输出至热偶真空规管的电流端，因此热偶真空规管的电流端可以输入不同的电流，进而热偶真空规管输出的电压范围增大，进一步拓宽压强测量范围。发明人经过多次试验得出，采用上述方案的热偶真空计，其输出显示的压强范围为0.01pa至999pa，相对于现有的热偶真空计，其压强测量范围的上下限明显拓宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的热偶真空计的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的热偶真空计的局部电路图；

图3为本发明实施例提供的热偶真空计中微控制器的电路图；

图4为热偶真空规管的插排示意图；

图5为放大装置、ADC、电压转换装置和电流调节装置的整体封装后的插排示意图；

图6为微控制器的插排示意图；

图7为本发明实施例提供的热偶真空计的另一种结构示意图；

图8为本发明实施例提供的热偶真空计的再一种结构示意图。

具体实施方式

现有的热偶真空计中热偶真空规管的电流端只能输入一个固定电流，当热偶真空规管内的热电偶回路中的导体在固定电流作用下，其产生的电压范围有限，进一步热偶真空计的输出压强范围有限。为了解决上述问题，本发明实施例提供一种热偶真空计，可以为热偶真空规管的电流端提供不同的电流，进而增大输出的电压，进一步拓宽压强测量范围。

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的热偶真空计，包括：热偶真空规管10、放大装置11、ADC12、微控制器13、电压转换装置14和电流调节装置15。其中：

微控制器13，与ADC12相连，用于接收ADC12转换得出的数字电压，将数字电压与自身内的预设电压进行比较，并依据比较结果对自身输出的数字电压进行调节。具体可以为：当数字电压小于预设电压时，微控制器13增大自身输出的数字电压，反之，当数字电压大于预设电压时，微控制器13减小自身输出的数字电压。其中，预设电压的设置可以通过微控制器13中的软件进行设置，也可以由操作人员自行设定。

电压转换装置14，与微控制器13的输出端相连，用于将微控制器输出的数字电压转换为模拟电压。

电流调节装置15，连接在电压转换装置14和放大装置11之间，用于接收电压转换装置发送的模拟电压，产生电流并输出至热偶真空规管10的电流端，以及用于采集热偶真空规管的电流端之间的电压，并输出至ADC12，有ADC12将其输出的模拟电压转换为数字电压，并将数字电压输出至微控制器13。

当热偶真空规管10的电流端输入电流后，热偶真空规管10的热电偶回路中的导体在电流作用下产生热电动势，即电压且该电压从热偶真空规管10的电压端输出，由放大装置11采集。放大装置11将采集到的模拟电压放大输出至ADC12。ADC12将接收到的模拟电压转换为数字电压发送给微控制器13。微控制器13接收到数字电压后，依据电压和压强之间的对应关系，获得接收到的数字电压对应的压强并输出显示。

微控制器13依据不同的比较结果生成不同的数字电压，进一步由电压转换装置14将该数字电压转换为模拟电压，当电流调节装置15在接收到电压转换装置14发送的不同模拟电压后，其产生不同的电流，并输出至热偶真空规管10的电流端，因此热偶真空规管10的电流端可以输入不同的电流，进而热偶真空规管10输出的电压范围增大，进一步拓宽输出显示的压强范围。

上述图1所示的热偶真空计的局部电路图如图2所示。图2所示的热偶真空计中热偶真空规管10的热电偶可以选用的材料为镍铬——康铜，还可以选用铜——康铜，还可以选用贴——康铜或者钨——钼，对此不加以限制。图2所示的热偶真空计以选用镍铬——康铜为例进行说明，在图2中Ni1和Cu1为两个电流端，Ni2和Cu2为两个电压端。

电压转换装置14包括X9C102P芯片。X9C102P芯片作为一个数字电位器，可以将数字电压转换为模拟电压。X9C102P芯片的引脚、

引脚和

引脚分别连接微控制器13，X9C102P芯片的Vw引脚与电流调节装置连接，从图2所示的电路图中看出，X9C102P芯片的VH引脚通过两个电阻连接+5V电源，VSS引脚接地，因此X9C102P芯片输出的模拟电压范围为0～5V。发明人经过多次实验证实，当X9C102P芯片的模拟电压范围为0～5V时，本发明实施例提供的热偶真空计可以将压强测量范围拓宽至0.01pa至999pa。

电流调节装置15包括：LM358芯片、NPN型三极管、第一电阻R6和第二电阻R7；其中：

LM358芯片的第一运算放大器的正相输入端B+与电压转换装置14的Vw引脚相连，反相输入端B-与第一电阻R6相连，输出端Bo通过第二电阻R7与NPN型三极管的基极连接。

NPN型三极管的集电极连接电源，发射极连接热偶真空规管10的一个电流端Ni1，热偶真空规管10的另一个电流端Cu1连接第一电阻R6和第一运算放大器的反相输入端B-的连接点。

上述电流调节装置15可以为热偶真空规管10在不同电压作用下提供不同且稳定的电流。稳定电流通过图2所示的局部电路图中的LM358芯片和NPN型三极管实现，具体为：NPN型三极管采用电压跟随器的电路连接，LM358芯片引用了电流串联负反馈，反馈系数为1，而且LM358芯片具有较大的开环差模增益，因而电压跟随器具有良好的跟随特性，这样第一电阻R6的电压具有了稳定的电压，根据I＝U/R，在固定的电压下流过第一电阻R6的电流I6是稳定的，而I6＝(1+β)Ic≈Ic，所以在固定的电压下热偶真空规管10的电流端输入的电流稳定，即流过热偶真空规管10的热电偶回路中的导体的电流稳定。

放大装置11包括HA17741芯片，HA17741芯片的正相输入端VI+和反相输入端VI-分别连接热偶真空规管10的电压端Cu2和Ni2，输出端Vo连接反相输入端VI-。

当热电偶中的导体内流过电流时，在不同的压强下，热电偶产生不同的热电动势，即电压。在测量范围内热电偶产生的电压值为0～10mv，因为电压值较小，采用增益较高的的集成运放HA17741芯片，将此电压值放大180倍，产生了0～1.8V的电压，因此，ADC12可以更准确的采集和处理电压。

为了提高采集电压的稳定性，采用了电压串联负反馈的外围电路接法，如图2所示，第一电容C2和第三电阻R4并联连接在HA17741芯片的输出端Vo和反相输入端VI-之间，提高了放大电路的稳定性。同时，在HA17741芯片的正相输入端VI+和反相输入端VI-之间连接第二电容C1，HA17741芯片的VEE端和VCC端也分别连接电容C3和C4。其中：第一电容C2、第二电容C1、电容C3和C4容值为100nf，可以滤去高频信号，提高了电路的抗干扰性。

上述ADC12包括AD7705B芯片，AD7705B芯片的差分模拟输入通道2的正输入端A2+通过第四电阻R9连接HA17741芯片的输出端Vo，差分模拟输入通道1的正输入端A1+连接LM358芯片的反相输入端B-，DI引脚、DO引脚和DRDY引脚分别与微控制器13连接。

ADC12可以将HA17741芯片的输出端Vo输出的放大后的模拟电压转换为数字电压，并发送至微控制器。上述ADC12中的AD7705B是一个具有两通道16位的模数采集芯片，具有16位的分辨率。当热偶真空规管10产生的电压值很小时，如电压的下限值，即使经过放大装置11中的HA17741芯片放大，电压值也很小，AD7705B芯片能够采集到数值很小的电压值进行转换，从而保证微控制器13可以输出该电压对应的压强，拓宽了热偶真空计的压强测量范围。

ADC12的差分模拟输入通道1的正输入端A1+连接LM358芯片的反相输入端B-，由于热偶真空规管10的电流端输入的电流稳定，所以LM358芯片的反相输入端B-输入稳定的模拟电压，该模拟电压输出给ADC12。ADC12将其转换为数字电压输出至微控制器13中，由微控制器13将该数字电压与自身内设置的预设电压比较，从而调节自身输出至电压转换装置14的数字电压。

上述微控制器13可以为单片机，也可以为PLC(Programmable LogicController，可编程序逻辑控制器)。当微控制器13为单片机时，单片机可以采用IC_STC89C52芯片，如图3所示，其中IC_STC89C52芯片的P1.6引脚与X9C102P芯片的

引脚相连，P1.7引脚与X9C102P芯片的

引脚，VCC引脚连接X9C102P芯片的

引脚，P3.4引脚与LM358芯片的第二运算放大器的输出端相连，P3.5引脚、P3.6引脚和P3.7引脚分别与AD7705B芯片的DI引脚、DO引脚和DRDY引脚相连，P3.3引脚连接AD7705B芯片的SCLK引脚，ALE引脚连接AD7705B芯片的MCL-I引脚。

IC_STC89C52芯片的P3.4引脚之所以连接LM358芯片的第二运算放大器的输出端相连，是因为LM358芯片的第二运算放大器的反相输入端与HA17741芯片的输出端连接，而HA17741芯片可以采集热偶真空规管的电压端的模拟电压，所以当热偶真空规管中的热电偶连接良好时，LM358芯片的第二运算放大器的输出端输出5V电压至IC_STC89C52芯片，则IC_STC89C52芯片可以判断出热偶真空规管中的热电偶连接良好。反之当热偶真空规管中的热电偶连接中断时，LM358芯片的第二运算放大器的输出端输出0V电压至IC_STC89C52芯片，则IC_STC89C52芯片可以判断出热偶真空规管中的热电偶连接中断，如被烧断。

上述图2和图3电路图在实际使用时，可以被封装为插排使用，如图4至图6所示，其中，图4为热偶真空规管的插排示意图，图5为放大装置、ADC、电压转换装置和电流调节装置的整体封装后的插排示意图，图6为微控制器的插排示意图。图5和图6中各个引脚处标注的编号分别与图2和图3在的编号相对应，且两者的引脚连接是一一对应的，例如，图5中的引脚1与图6中的引脚1相连。

应用上述技术方案，微控制器13依据不同的比较结果生成不同的数字电压，进一步由电压转换装置14将该数字电压转换为模拟电压，当电流调节装置15在接收到电压转换装置14发送的不同模拟电压后，其产生不同的电流，并输出至热偶真空规管10的电流端，因此热偶真空规管10的电流端可以输入不同的电流，进而热偶真空规管10输出的电压范围增大，进一步拓宽压强测量范围。发明人经过多次试验得出，采用上述方案的热偶真空计，其输出显示的压强范围为0.01pa至999pa，相对于现有的热偶真空计，其压强测量范围的的上下限明显拓宽。

对于上述热偶真空计，还可以包括与微控制器13连接的显示器16、通信接口17、按键18和输出控制接口19，如图7所示，图7是以图1为基础，本发明实施例提供的热偶真空计的另一种结构示意图。其中，显示器16用于显示热偶真空计测得的压强，通信接口17可以将热偶真空计测得的压强发送至其他设备使用、按键18用于控制显示器16的显示，以及用于控制输出控制接口19的模式选取，输出控制接口19用于发送控制指令至与其相连的其他设备。

上述显示器16、通信接口17、按键18和输出控制接口19的具体实现过程中与现有热偶真空计所包含的显示器、通信接口、按键和输出控制接口相同，对此不再加以阐述。图6中的PZ5-8和PZ5-10与输出控制接口的电路图中的元器件相连，连接关系与现有热偶真空计中相同，对此不再加以说明。

此外，本发明实施例提供的热偶真空计，需要一定的直流电源驱动以保证其各个功能单元的正常工作，例如电压转换装置14、电流调节装置15、放大装置11、ADC12和微控制器13。在实际应用中，可以采用电池供电的方式，也可以直接利用交流电源端实现持续供电，参见图8所示。

图8是以图1为基础，本发明实施例提供的热偶真空计的再一种结构示意图。在交流电源端，可以设置一个电源电路20。电源电路20提供电压转换装置14、电流调节装置15、放大装置11、ADC12和微控制器13工作所需电源。图8所示的热偶真空计中电压转换装置14、电流调节装置15、放大装置11和ADC12的电路图可以参见图2，图2中的电源，如X9C102P芯片中的VCC端连接的+5V是由电源电路20提供的，其他芯片中的电源也是由电源电路20提供，对此不再加以说明。

当然，图7中的显示器16、通信接口17、按键18和输出控制接口19也可以设置在图8中，上述显示器16、通信接口17、按键18和输出控制接口19与其他装置的连接关系请参阅图7。

本领域技术人员可以理解，对于热偶真空计的直流供电，也可以采用电池供电和交流电源供电结合的方式，本发明实施例对此并不进行限定。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种热偶真空计，包括：热偶真空规管、放大装置和模数转换器ADC，其特征在于，还包括：

与所述ADC相连，用于接收所述ADC转换得出的数字电压，将所述数字电压与自身内的预设电压进行比较，并依据比较结果对自身输出的数字电压进行调节的微控制器；

与所述微控制器的输出端相连，用于将所述微控制器输出的数字电压转换为模拟电压的电压转换装置；

连接在所述电压转换装置和所述放大装置之间，用于接收所述电压转换装置发送的模拟电压，产生电流并输出至所述热偶真空规管的电流端，以及用于采集所述热偶真空规管的电流端之间的电压，并输出至所述ADC的电流调节装置。

2.根据权利要求1所述的热偶真空计，其特征在于，所述电压转换装置包括X9C102P芯片，所述X9C102P芯片的

引脚、

引脚和

引脚分别连接所述微控制器，X9C102P芯片的Vw引脚与所述电流调节装置连接。

3.根据权利要求2所述的热偶真空计，其特征在于，所述电流调节装置包括：LM358芯片、NPN型三极管、第一电阻和第二电阻；其中：

所述LM358芯片的第一运算放大器的正相输入端与所述电压转换装置的Vw引脚相连，所述第一运算放大器的反相输入端与所述第一电阻相连，所述第一运算放大器的输出端通过第二电阻与所述NPN型三极管的基极连接；

所述NPN型三极管的集电极连接电源，发射极连接所述热偶真空规管的一个电流端，所述热偶真空规管的另一个电流端连接所述第一电阻和所述第一运算放大器的反相输入端的连接点。

4.根据权利要求3所述的热偶真空计，其特征在于，所述放大装置包括HA17741芯片，所述HA17741芯片的正相输入端和反相输入端分别连接所述热偶真空规管的电压端，所述HA17741芯片的输出端连接所述反相输入端。

5.根据权利要求4所述的热偶真空计，其特征在于，所述放大装置还包括第一电容、第二电容和第三电阻；

所述HA17741芯片的输出端通过并联连接的第一电容和所述第三电阻，与所述HA17741芯片的反相输入端连接；

所述第二电容连接在所述HA17741芯片的正相输入端和反相输入端。

6.根据权利要求5所述的热偶真空计，其特征在于，所述第一电容和第二电容的容值为100nf。

7.根据权利要求5所述的热偶真空计，其特征在于，所述ADC包括AD7705B芯片，所述AD7705B芯片的差分模拟输入通道2的正输入端通过所述第四电阻连接所述HA17741芯片的输出端，差分模拟输入通道1的正输入端连接所述LM358芯片的的第一运算放大器的反相输入端，DI引脚、DO引脚和DRDY引脚分别与所述微控制器连接。

8.根据权利要求7所述的热偶真空计，其特征在于，所述微控制器包括IC_STC89C52芯片，所述IC_STC89C52芯片的P1.6引脚与所述X9C102P芯片的

引脚相连，P1.7引脚与所述X9C102P芯片的

引脚，VCC引脚连接所述X9C102P芯片的

引脚，P3.4引脚与所述LM358芯片的第二运算放大器的输出端相连，P3.5引脚、P3.6引脚和P3.7引脚分别与所述AD7705B芯片的DI引脚、DO引脚和DRDY引脚相连，P3.3引脚连接所述AD7705B芯片的SCLK引脚，ALE引脚连接所述AD7705B芯片的MCL-I引脚。

9.根据权利要求8所述的热偶真空计，其特征在于，还包括：与所述微控制器相连的显示器、通信接口、按键和输出控制接口。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的热偶真空计，其特征在于，还包括：提供所述电压转换装置、电流调节装置、放大装置、ADC和微控制器工作所需电源的电源电路。

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