CN109341947A - 一种基于无线传输的真空系统现场校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于无线传输的真空系统现场校准方法。该方法包括：利用一个或多个无线真空规对所述环境内的一个或多个位置处的真空度进行测量，以获得与所述环境的真空度相关的真空数据；对所述真空数据进行信号处理以形成适于无线发送的无线信号；以及接收所述无线信号并且对所述无线信号进行信号逆处理，以获得所述环境的真空数据，从而实现对所述环境的真空度的监测。利用本发明的方法和系统，可以获得成本低、功耗低、传输效率高、软件设计简单、机器通信稳定性可靠等技术优势。

Description

一种基于无线传输的真空系统现场校准方法

技术领域

本发明一般地涉及真空计量领域。更具体地，本发明涉及对环境进行真空相关监测的系统和方法。

背景技术

真空计量在航天工业或者核工业领域都具有广泛且重要的应用。随着通信技术在我国蓬勃发展，其在各行业都得到快速的应用。在航天工业大型的热真空试验和真空热处理炉中以及在高能物理加速器等真空设备中，真空度的在线测量是一个重要的环境参数。另外，还有温度、振动、电磁、电压、电流、流量等多个参数需要同时测量。这就提出了一个重要的技术问题，即如何简化工业现场数据线布置的复杂性并且提高试验设备安全性和试验数据的可靠性。

当前，基于以太网等有线技术的物理参数的测量试验现场布线技术获得了发展。但是，由于热真空试验和真空热处理炉等真空系统通常需在恶劣的现场环境下长期工作，如宽泛的高温环境、大范围湿度的变化、振动、噪音、冲击、腐蚀、粉尘、干扰等，而这些对于设备的性能、寿命、精确度和操作人员的人身健康都产生了巨大影响。为此，需要简化现场安装方式、节约客户布线的成本、提高测量数据的传输范围和传输效率，并达到节能环保的目的。

发明内容

本发明的技术方案至少部分地旨在解决热真空环境下(例如热真空试验或真空热处理炉等)下真空设备工业现场远距离的真空计量传输问题。为此，本发明在其多个方面和实施例中提供以下的技术方案。

在一个方面中，本发明提供了一种用于对环境进行真空相关监测的系统，该系统包括真空规子系统、数据处理和发射子系统和真空度终端子系统。真空规子系统配置用于在环境内采集与环境的真空度相关的真空数据，其中真空规子系统包括位于环境内一个或多个位置处的一个或多个无线真空规。数据处理和发射子系统配置用于对真空数据进行信号处理以通过无线的方式发射。真空度终端子系统配置用于接收来自于数据处理和发射子系统的所述真空数据以实现对所述环境的真空相关监测。

在一个实施例中，其中一个或多个无线真空规具有各自的标识ID，该标识与所述无线真空规在所述环境中的安装位置关联。

在一个实施例中，其中无线真空规的标识ID保存在真空度终端子系统处，并且真空度终端子系统还配置用于添加或删除标识ID。

在一个实施例中，其中数据处理和发射子系统包括依次连接的真空信号调制电路和真空信号隔离电路、真空规A/D变换器、单片机、编码器和收发器，其中所述单片机配置用于对所述编码器和收发器进行控制，以实现真空数字信号的编码和无线传输。

在一个实施例中，其中真空度终端子系统包括依次连接的收发器、单片机、控制驱动电路、译码器、计数器、数码管显示器，其中单片机配置用于对收发器和译码器进行控制，以实现对无线传输的真空数字信号进行接收和译码操作。

在一个实施例中，进一步包括监测子系统，其配置用于与真空度终端子系统通信，以便实时监测所述环境内布置所述无线真空规的各个位置处的真空度变化。

在一个实施例中，其中每个无线真空规包括一识别电阻，并且识别电阻的阻值与无线真空规的类型相关。

在一个实施例中，其中真空规子系统还配置用作副标准真空计，用于对环境中使用的工作真空计进行校准，其中工作真空计用于对所述环境中的真空设备的真空度进行测量。

在另一个方面中，本发明提供了一种用于对环境进行真空相关监测的方法。该方法包括利用一个或多个无线真空规对环境内的一个或多个位置处的真空度进行测量，以获得与环境的真空度相关的真空数据。该方法还包括对真空数据进行信号处理以形成适于无线发送的无线信号。该方法另外包括接收无线信号并且对无线信号进行信号逆处理，以获得环境的真空数据，从而实现对环境的真空度的监测。

在一个实施例，上述方法包括利用无线真空规所获得的真空数据来校准环境内的工作真空计。

通过上面本发明的多个方面及其实施例的描述，本领域技术人员可以理解本申请的技术方案具有成本低、功耗低、传输效率高、软件设计简单、机器通信稳定性可靠等技术优势。具体地，对于热真空试验或者真空热处理炉等真空系统的现场恶劣的环境，本发明的方案还能够起到保护人身健康安全、简化现场安装方式、节约客户布线的成本，真正达到节能环保的目的。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的用于对环境进行真空相关监测的系统的示意方框图；

图2是示出根据本发明实施例的用于将图1所示的系统用于现场校准的校准系统的示意框图；

图3是示出根据本发明实施例的系统的示意性组成结构图；以及

图4是示出根据本发明实施例的用于对环境进行真空相关监测的方法的流程图。

具体实施方式

至少为了提高真空系统下高效传输与真空度相关的真空数据、简化系统的设计复杂度和成本、保护工作人员的人身安全，本发明的实施例提出了用于对环境进行真空相关监测的系统。在一个实施例中，本系统利用布置在环境内一个或多个位置的无线真空规(或称无线传感器)来采集真空数据，并且利用无线传输模块将真空数据发送到远端的真空度通信终端。在一个实施例中，可以利用无线真空规对环境内的工作真空计进行校准，从而确保工作真空计的精确性。

下面将结合图1-图4来具体描述本发明的技术方案。

图1是示出根据本发明实施例的用于对环境进行真空相关监测的系统100的示意方框图。如图1中所示，本发明的系统100包括真空规子系统102、数据处理和发射子系统104和真空度终端子系统106。附加地或可选地，本发明的系统100还包括监测子系统108。

在一个实施例中，真空规子系统102配置用于在环境内采集与环境的真空度相关的真空数据，其中真空规子系统包括位于所述环境内一个或多个位置处的一个或多个无线真空规(或称“无线真空传感器”)。这里的环境例如可以是进行热真空试验或真空热处理炉等真空系统所处于的环境。这里的无线真空规可以是任意适用本发明方案的真空规，例如其可以是电离规、电阻规、热偶规等真空规管的机械结构部分。无线真空规可以安装在环境中进行真空测量的关键位置，例如真空容器上或真空抽气管道上等。可选地或附加地，每个无线真空传感器都具有各自的唯一标识ID。该ID编号可以有利地应用于各种应用场景。例如，当在大型航天试验中安装本发明的无线真空规时，可以记录每个无线真空规的安装地点或位置，并将该位置与ID编号一起记录在真空度终端子系统中，例如该子系统工作站的数据库中。在一个实施例中，无线真空规的标识ID保存在真空度终端子系统106处，以便由真空度终端子系统106对其进行管理和维护，例如当新的无线真空规加入时添加ID或当旧的无线真空规被拆除时删除标识ID。

在一个实施例中，本发明的每个无线真空规包括一识别电阻，并且识别电阻的阻值与无线真空规的类型相关。具体地，每一路无线真空规内部均有一个识别电阻，而不同类型的真空规，内部识别电阻的阻值也不同。例如，电阻规可以为20K，热偶规可以为10K，薄膜规可以为5K，电离规可以为100K等。据此，本发明可以另外设计电路来测量识别电阻的端电压，由此来实现无线真空规类型的区分和识别。另外，根据无线真空规的物理接口，电路输入端可以采用该接口作为信号和电源的传输线。

在一个实施例中，真空规子系统102还可以配置用作副标准真空计，用于对环境中使用的工作真空计进行校准，其中工作真空计用于对所述环境中的真空设备的真空度进行测量。例如，当无线真空规产品研制之后，通过一等真空标准器具的校准后，观察其具有的高稳定性和高精度性，然后作为副标准真空计来对一般热真空试验设备或者真空热处理炉等现场的真空设备上使用的工作真空计进行校准。例如，本发明的无线真空规可以使用真空接口KF16、KF25、KF40等安装在待校准的真空设备中。校准可以采用比对法，由此来校准现场的真空计。这种校准方法具有校准真空范围宽和校准效率高等特点。

在一个实施例中，本发明的数据处理和发射子系统104配置用于对真空数据进行信号处理以通过无线的方式发射。在一个可能的实施方式中，该数据处理和发射子系统104可以包括依次连接的真空信号调制电路和真空信号隔离电路、真空规A/D变换器、单片机、编码器和收发器，其中所述单片机配置用于对所述编码器和收发器进行控制，以实现真空数字信号的编码和无线传输。

在一个实施例中，本发明的数据处理和发射子系统104可以和真空规子系统102连接在一起。当完成测量真空度后，可以通过数据处理和发射子系统104的信号处理单元将被测量设备的真空度转换成数字信号，然后将真空数据以无线方式传递给真空度终端子系统106。在一个实施例中，数据处理和发射子系统104可以每隔一定时间(可以事先设定)自动发射一次监测点的压力数据，一旦发现真空异常可以立即报警，也可不受发送周期限制来持续地发送压力数据。

在一个实施例中，本发明的真空度终端子系统106可以配置用于接收来自于数据处理和发射子系统106的真空数据以实现对环境的真空相关监测。在一个可能的实施方式中，真空度终端子系统106可以包括依次连接的收发器、单片机、控制驱动电路、译码器、计数器、数码管显示器，其中所述单片机配置用于对收发器和译码器进行控制，以实现对无线传输的真空数字信号进行接收和译码操作。

真空度终端子系统106(可以选择性地包括无线显示仪表和工作站)可以安装在实验人员所处的集控室中。如前所述，可以将多个无线真空规ID编号分别存储在真空度终端子系统中。当数据处理和发射子系统104与真空度终端子系统106处于有效的通信范围内时，真空度终端子系统106可以随意添加、删除无线真空规ID编号。在一个可能实施方式中，该真空度终端子系统106可以布置于移动真空度测量通信终端中。

在一个实施例中，本发明的系统还包括监视子系统108，其配置用于与所述真空度终端子系统106通信，以便实时监测所述环境内布置所述无线真空规的各个位置处的真空度变化。在一个可能实施方式中，该监视子系统可以包括控制中心，控制中心的计算机软件实时地监控每个观测点的真空度变化，实时监测计算机从真空度终端子系统106获得采集的各监测点的运行压力数据，并在数据库中作长期保存。另外，还可以实时显示监测点的真空变化曲线，并进行分析。一旦发现真空度变差到设置的报警真空度时，就立即报警，从而实现足不出户并能掌握例如整个热真空试验系统的真空环境的真空度状况。

图2是示出根据本发明实施例的将图1所示的系统100用于现场校准的校准系统200的示意框图。如图2中所示，该校准系统200包括真空设备201，待校准真空规202、真空显示仪表203、无线真空规204、无线信号205和无线真空显示仪表206。在一个可能的实施方式中，本发明的无线真空规和无线真空显示仪表可以组成测控收发装置，从而可以实现为集传感器、无线通信、低功耗等技术为一体的无线传感网络产品。

在操作中，试验现场的真空设备201提供一个真空环境。待校准真空规202测量此时真空环境的真空度，而真空显示仪表203显示此时的真空度。根据本发明的方案，无线真空规204可以将真空度数据通过无线的方式(经无线信号205)传送到例如本发明的真空度终端子系统，并且在无线真空显示仪表206上显示。接着，将无线真空显示仪表206和真空显示仪表203进行比对，从而对待校准真空规202和真空显示仪表203中的数值进行修正。通过本发明的该方案，可以解决工业现场远距离真空计量中的关键问题，实现良好的校准操作。

下面将具体描述如何使用本发明的无线真空规来进行现场计量校准：

首先观察真空设备现场的环境，例如真空腔室是否有污染、例如扩散泵的油、机械泵的油、试验过程中试件挥发的油、水、灰尘等杂物，以便提前进行清理。接着，可以将本发明的真空规子系统或无线真空规用作副标准真空计，并将其安装在靠近待校准真空规的位置。另外，应该注意的是，副标准真空计应远离真空设备的真空抽气系统，因为真空抽气系统附近压力梯度变大，很难保持压力的平稳性。

在真空的环境中，真空环境的获得、真空度的测量和真空校准三者相互影响又相互促进。真空本底的数值应低于第一个校准点校准压力下限的2个数量级，此时可省略真空设备中本底压力对校准的影响，在真空设备现场的校准过程中，使用氮气或者其他惰性气体，禁止使用氢气、氧气等其他危险气体。

可以使用真空设备中的调压阀，按照从高真空度到低真空度的顺序，调节真空设备中的真空度，使真空设备中的真空度保持平稳，压力校准点应在被校准量程内均匀分布。线性刻度的真空计，每一个量程选择3个校准点，并且在6个点以上。如果遇到非线性真空规，例如对数刻度的真空计选取10个校准点，也可以选取用户需要的校准点。校准点的压力稳定后，重读读数3次，记录每个压力校准点的标准示值(P)和待校准的真空规的示值(P₁)。

此校准之前，可以将待校准真空规预热30分钟。可以理解，校准过程是在一定条件下对一定种类的气体进行的，从而得到校准系数或校准曲线，以此确定待校准真空规的读数及其测量量程和测量精度。另外，气体种类、工作条件、仪器安装结构等变化，也会造成校准曲线的改变。

校准完成之后涉及对校准数据的处理。对于超高真空的校准(真空度大于10^-5Pa)，电离规的误差为(+70％—-70％)，对高真空的校准(10^-1Pa—10^-5Pa)电离规的误差为(+50％—-70％)，冷阴极电离规的误差为(+100％—-60％)，对热偶真空规和电阻真空规校准的误差为(+50％—-50％)，对薄膜真空规的校准误差为(+20％—-20％)。接着，把最终数据处理结果和允许误差进行比较，得出校准的结论。

图3是示出根据本发明实施例的系统300的示意性组成结构图。可以理解的是该系统300是结合图1所描述的系统100的进一步细化。进一步，图3中系统的具体实现，例如各个模块或电路，仅仅是示例性而非限制性地，本领域技术人员可以根据本发明的教导选择其他合适的模块或电路来实现本发明旨在获得的技术效果。

如图3中上部所示，无线真空规的发射系统模块可以由图1所示的真空规子系统和数据处理和发射子系统共同构成。该无线真空规的发射系统包括依次连接的真空传感器(真空规)301、真空信号调制电路和真空信号隔离电路302、真空规A/D变换器303、单片机304、编码器305、收发器306。可以理解的是这里的各种模块、器件或电路可以组合或集成。例如，单片机304上可以分别连接有无线信号发送模块和编码器模块。

在一个可能实施方式中，本发明可以将无线真空规的机械结构部分和测量电子线路部分分开，使得无线真空规能够直接放置于湿度环境、真空环境、高低温环境等综合环境试验设备的接口中，从而增大测量的准确度并降低测量误差。

如图3的下部所示，真空度终端子系统无线显示仪表的接收系统模块(也即结合图1所示的真空度终端子系统)包括依次连接的收发器307、单片机308、译码器309、单片机控制驱动电路310、七段译码器311、计数器312、数码管显示器313和驱动器314。同样可以理解的是这里的各种模块、器件或电路可以组合或集成。例如，单片机308上还可以包括无线信号接收模块和译码器模块。

下面将示例性地描述上面各种器件、单片机和电路中一些的可能技术实现方式，以供本领域技术人员在实现本发明时加以参考。但需要注意的是，下面的各种具体实施仅仅是示例性的，并非要将本发明的方案限于如下所述的具体实现。

对于真空数据的处理，可以选用STC89C52单片机，其是一种集成电路芯片，并且采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上，以构成一个小而完善的微型计算机系统，从而使得STC89C52的嵌入式控制系统为本发明的无线传输的现场真空计量方案提供了灵活、高效的解决方案。

接收端显示模块(例如，数码管显示器313)可以采用器件LCD1602液晶模块，而发送端使用数码管显示。器件LCD1602液晶显示模块的P₀由上拉电阻提高驱动能力并作为LCD的驱动,P₂端口的P_2.7～P_2.6分别作为液晶显示模块的使能信号,数据命令选择RS,R/W端则配置成发送端显示模块，无线传输真空标准器设计在发送端部分采用数码管显示,P₀由上拉电阻提高驱动能力,作为数据输出。P_2.7～P_2.4分别作为数码管位显示S1～S4。

关于数码管驱动电路(例如所图3中所示的驱动器)，可以选用器件74HC245，它是方向可控的八路缓冲器,主要用于实现数据总线的双向异步通信。为了保护主控芯片,在主控芯片的并行接口与外部受控设备的并行接口间添加了缓冲器。当主控芯片与受控设备之间需要实现双向异步通信时，可以选用双向的八路缓冲器74HC245。该八路缓冲器74HC245也可以用于并口液晶屏、并口打印机、并口传感器或通讯模块等设备的接口上。

本发明的无线传输可以采用Nordic公司的产品器件NRF24L01，它具有130us的快速切换和唤醒时间，特有的MultiCeivert MT硬件同时提供6个接收机的功能，满足了电阻规、热偶规、薄膜规、电离规等5种真空传感器收发信号的需要。另外，可以将速率提升至2Mbit/s，以获得高质量的VoIP。NRF24L01在低功耗方面表现良好，适合采用纽扣电池供电的2.4GHz应用。NRF24L01是一款单片射频收发器件，工作于2.4GHz-2.5GHz ISM频段，内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可以通过程序控制。由于NRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；接收时工作电流只有12.3mA，具有多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)。

具体地，NRF24L01的CE为使能发射或接收；CSN,SCK,MOSI,MISO，SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置；IQR中断标志位；VDD，电源输入端；VSS，电源地；XC2，XC1，晶体振荡器引脚；VDD—PA为功率放大器供电，输出为1.8V；ANT1、ANT2为天线接口；IREF参考电流输入。通过配置寄存器可将NRF24L01配置为发射、接收、空闲和掉电四种工作模式，如下表所示。

模式	PWR_UP	PRIM_RX	CE	FIFO寄存器状态
					接收模式	1	1	1	-
发射模式	1	0	1	数据在TX FIFO寄存器中
					发射模式	1	0	1→0	停留在发送模式，直至数据发送完
待机模式2	1	0	1	TX FIFO为空
					待机模式1	1	-	0	无数据传输
掉电	0	-	-	-

本发明系统的主电源可以采用5V/700mA隔离开关电源AC-DC降压模块，该电源可以具有以下的特性。例如，其可以为隔离型工业级模块电源，具有温度保护、过流保护及短路全保护，高低压隔离AC85～265V宽电压输入，交直流两用，输出电压DC5V(+0.2V)，输出电流700mA，功率3.5W。

利用本发明的系统，无线信号的传输距离可以达到500m，测量的范围在1.0E+5Pa～1.0E-6Pa。此外，通过将各种类型的计算机或者智能手机用作信号接收端，可以接收来自真空规读取的信号，从而方便数据的读取、记录、保存和监测。

图4是示出根据本发明实施例的用于对环境进行真空相关监测的方法400的流程图。如图4所示，在步骤402中，利用一个或多个无线真空规对环境内的一个或多个位置处的真空度进行测量，以获得与所述环境的真空度相关的真空数据。在步骤404中，对所述真空数据进行信号处理以形成适于无线发送的无线信号。在步骤406中，接收所述无线信号并且对所述无线信号进行信号逆处理，以获得所述环境的真空数据，从而实现对所述环境的真空度的监测。附加地或可选地，在步骤408中，利用所述无线真空规所获得的真空数据来校准所述环境内的工作真空计。可以理解的是通过上述结合图1-图3所描述的本发明的系统，可以实现方法400中的步骤。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种用于对环境进行真空相关监测的系统，包括：

真空规子系统，其配置用于在所述环境内采集与所述环境的真空度相关的真空数据，其中真空规子系统包括位于所述环境内一个或多个位置处的一个或多个无线真空规；

数据处理和发射子系统，其配置用于对所述真空数据进行信号处理以通过无线的方式发射；以及

真空度终端子系统，其配置用于接收来自于所述数据处理和发射子系统的所述真空数据以实现对所述环境的真空相关监测。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个无线真空规具有各自的标识ID，该标识与所述无线真空规在所述环境中的安装位置关联。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述无线真空规的标识ID保存在所述真空度终端子系统处，并且所述真空度终端子系统还配置用于添加或删除标识ID。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述数据处理和发射子系统包括依次连接的真空信号调制电路和真空信号隔离电路、真空规A/D变换器、单片机、编码器和收发器，其中所述单片机配置用于对所述编码器和收发器进行控制，以实现真空数字信号的编码和无线传输。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述真空度终端子系统包括依次连接的收发器、单片机、控制驱动电路、译码器、计数器、数码管显示器，其中所述单片机配置用于对收发器和译码器进行控制，以实现对无线传输的真空数字信号进行接收和译码操作。

6.根据权利要求1所述的系统，进一步包括监测子系统，其配置用于与所述真空度终端子系统通信，以便实时监测所述环境内布置所述无线真空规的各个位置处的真空度变化。

7.根据权利要求1所述的系统，其中每个所述无线真空规包括一识别电阻，并且所述识别电阻的阻值与所述无线真空规的类型相关。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述真空规子系统还配置用作副标准真空计，用于对所述环境中使用的工作真空计进行校准，其中所述工作真空计用于对所述环境中的真空设备的真空度进行测量。

9.一种用于对环境进行真空相关监测的方法，包括：

利用一个或多个无线真空规对所述环境内的一个或多个位置处的真空度进行测量，以获得与所述环境的真空度相关的真空数据；

对所述真空数据进行信号处理以形成适于无线发送的无线信号；以及

接收所述无线信号并且对所述无线信号进行信号逆处理，以获得所述环境的真空数据，从而实现对所述环境的真空度的监测。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：

利用所述无线真空规所获得的真空数据来校准所述环境内的工作真空计。