TWI417528B - 用於儲存真空計校準參數及測量數據於真空計結構上之方法及裝置 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種用於儲存真空計校準參數及測量數據於真空計結構上之方法及裝置,且更特別地,有關一種用以測量環境中之氣體壓力的裝置及方法。
組合式真空計係由多個真空感測器所組成,其各個真空感測器使用不同的物理裝置以供判斷該計或連接於該計之腔內的真空用。組合式真空計允許使用者測量比僅具有單一感測器之真空計更寬廣範圍的壓力,因為組合式真空計利用具有重疊之不同真空測量範圍的不同感測器類型。組合式真空計之輸出可混合於相關聯的控制電子裝置,該控制電子裝置可安裝於該真空計總成或藉由電纜來鏈接於該真空計。
因為組合式真空計具有超過一種的物理裝置來供測量真空用,所以需要不同的校正因素以用於各個真空感測器來取得準確的真空測量。然而,該等校正因素將根據且隨著以下事物而變化,諸如壓力、真空計的操作參數、溫度、氣體物種、以及正在運作的那些感測器。
一般實務上係藉由共通的校正因素來校準該組合式真空計上之感測器。然而,此等校準實務將產生不準確的真空測量,因為即使相同類型的感測器也會由於所有的感測器並非一致而需要有不同的校正因素。尤其,當藉由兩個感測器之測量重疊於一特定的壓力範圍且其測量信號將組合為一混合之輸出信號時,該等測量之不準確性特別明顯。因而,該組合式真空計之各個個別感測器獨特的校正因素已在工廠時決定且透過可插入於控制器電子裝置內之記憶體模組來予以提供。在此方式中,該組合式真空許是可以在現場置換記憶體模組。
在組合式真空計之中,真空測量中之不準確性也會產生於當該等校正因素並未考量到真空感測器間的互動時。例如許多組合式真空許可包含一離子化真空計,用以測量較低範圍之真空測量,以及一熱損失感測器,用以測量較高範圍之真空測量。在組合式真空計中之溫度變化的主要來源係由離子化真空計的燈絲所產生的熱量。該離子化真空計與熱損失感測器係非常接近,且藉此,因為不同的真空配件所造成之些微的製造公差、材料變化、以及熱變化,所以該熱損失感測器將以唯一於各個組合式真空計的方法來與離子化真空計熱互動。因為該組合式真空計在離子化真空計燈絲附近會最熱,故存在有會影響到熱損失感測器溫度補償方程式之溫度梯度,而該溫度梯度並未存在於當組合式真空計在工廠的爐中於不同溫度下執行校準時。
為克服由離子化真空計所造成之溫度梯度在熱敏感測器(例如,熱損失感測器)上的不利效應,提供一種具有非依電性記憶體耦接於熱敏感測器的方法及裝置,該非依電性記憶體含有依據藉由離子化真空計開啟及關閉所取得之校準數據為主之熱敏感測器的溫度補償校準參數。該等校準參數係施加於由熱敏感測器所輸出之測量數據。該非依電性記憶體可成一體於離子化真空計及熱敏感測器或是一耦接於組合式真空器的控制器。該控制器將回應於熱敏感測器之輸出來開啟離子化真空計。
實際上,諸如組合式真空計之許多真空計常在可造成該真空計故障或失效的嚴苛環境中操作許多小時。當真空計故障(例如不穩定之校準)或失效時,典型地,使用者僅以陳述該真空計為“損壞”或“不動作”之通知來將真空計送回製造商。因而製造商會有難以確定故障或失效原因的困難性,例如實際的組合式真空計之本身並不指示當真空計失效時,該真空計是否過熱或是其電極是否在操作中。因此,在不知道故障或失效前與當時的真空計操作條件之下,製造商實難以修護或校正真空計之故障或失效。
耦接於真空計之非依電性記憶體可使用以儲存來自真空感測器之測量數據而判斷該故障或失效的原因。真空計可包含離子化真空計、熱損失感測器及膜片感測器。所儲存之測量數據係唯一於所使用之真空感測器。該離子化真空計之測量數據可包含燈絲發射電流及離子電流。該熱損失感測器之測量數據可包含該熱損失感測器之所感測的電性參數。最後,該膜片感測器之測量數據可包含一來自該膜片感測器之電子電路的輸出。該非依電性記憶體可在預定之時間間隔及回應於一諸如錯誤事件之事件,以測量數據(諸如視窗之測量數據)來予以更新。
下文中將描述本發明之較佳實施例。
參閱第1圖,根據本發明之組合式真空計系統100包含組合式真空計165及控制電子裝置160。該組合式真空計165包含離子化真空計110、熱損失感測器120、膜片感測器130、及非依電性記憶體140。該離子化真空計110透過銷180a及插孔180b來電性連接於控制器電子裝置160。該熱損失感測器120及非依電性記憶體140係連接於一組合式真空計電路板185,該組合式真空計電路板185係透過連接器170a及170b來連接於控制器電子裝置160。該膜片感測器130係透過銷175來電性連接於控制器電子裝置160,及透過撓性電纜(未顯示)來電性連接於連接器170a及170b。當連接於該組合式真空計165時,控制器電子裝置160係密閉於外殼150內。
第2A圖顯示組合式真空計165之立體圖,該組合式真空計165包含具有6支銷180a之離子化真空計110、具有4支銷175之膜片感測器130、熱損失感器120、非依電性記憶體140、以及具有連接器170a之組合式真空計電路板185。在另一實施例中,非依電性記憶體140可永久地附加於各個真空感測器110至130。該非依電性記憶體140可為任何非依電性隨機存取記憶體(NVRAM),諸如可電性抹除之可程式化唯讀記憶體(EEPROM)。
該非依電性記憶體140可含有唯一於各個真空感測器110至130之校準參數。該等校準參數可依據各個個別真空感測器110至130之工廠校準來予以決定。如第5圖中所示,用於離子化真空計、熱損失感測器及壓敏電阻式膜片感測器之校準參數係分別儲存於該非依電性記憶體140中之位置512、514及516。包含部件號碼、序號、修訂碼、製造日期、校準裝備及軟體之序號及修訂碼、以及真空計建構之架構(例如材料選用、型式、及燈絲數量)之真空計製造資訊亦可於製造時載入於該非依電性記憶體140中。例如將進一步說明於下文地,該非依電性記憶體140可儲存應用歷史數據。
藉由儲存校準及歷史數據於該組合式真空計165之上而非該控制器電子裝置160中,則可在現場置換該組合式真空計165,而無需控制器電子裝置160之置換。該歷史數據可在修護過程中讀取於工廠,並且新置換之組合式真空計165將載有其個別之工廠校準數據。一替代性之方式係插入該非依電性記憶體140於控制器電子裝置160內,但是當置換組合式真空計時,需置換該記憶體。
第2B圖顯示該組合式真空計165之剖視圖。各個真空感測器110至130係經由一共用的真空計埠240來測量真空系統之真空。該離子化真空計110、熱損失感測器120、及膜片感測器130之各個都具有分別透過離子化真空計埠210、熱損失感測器埠220、及膜片感測器埠230到真空系統之通路。
如美國專利第6,658,941號中所述,熱損失感測器120係藉由數學地結合感測元件電壓(VS)與感測元件電流(IS)來予以溫度補償,使得所得到之壓力測量將與溫度上之變化無關。換言之,該壓力測量係透過方程式Px=f(VS,IS)來加以計算(三維表面計算)。該方程式係利用三維曲線擬合(curve fitting)軟體而自藉由供應跨越所關注的壓力與溫度的範圍之壓力Pc及周遭溫度的多個已知的值用的校準方法所獲得之VSc及ISc的配對值加以導出。
在該組合式真空計165中之溫度變化的主要來源係由該離子化真空計燈絲250所產生之熱量。該離子化真空計110與熱損失感測器120係非常接近,且因此由於不同的真空配件所造成之些微的製造公差、材料變化、以及熱變化,所以該熱損失感測器120將以唯一於各個組合式真空計總成165之方式來與離子化真空計110熱互動。此外,因為該總成在離子化真空計燈絲250附近會最熱,故存在有會影響到熱損失感測器溫度補償方程式的溫度梯度。
非依電性記憶體140可含有考量到離子化真空計110所造成之溫度梯度之改善的溫度補償校準參數,且該等校準參數係唯一於各個組合式真空計165。該等校準參數可採演算法之形式。該等校準參數係藉由當開啟離子化真空計110時取第一組之校準數據以供熱損失感測器120或是另一熱敏感測器使用,以及藉由當關閉離子化真空計時取第二組之校準數據以供熱損失感測器120使用,而針對各個組合式真空計165來加以導出。雖然可儲存對應於開啟及關閉狀態之個別組的校準參數,但在較佳系統中,校準數據係利用三維曲線擬合軟體來予以數學地結合。因此,不論該離子化真空計是否開啟或關閉,單一的校準曲線將校準該熱損失感測器。
在一簡單形式中,校準數據係藉由離子化真空計在開啟及關閉之各個狀態中而取得於對應該熱損失感測器之壓力測量範圍之極值的兩壓力處。
請參閱第3圖,控制器電子裝置160係經由銷與插孔之連接來連接於組合式真空計165。該組合式真空計165接著係透過含真空密封件305之真空埠連接304來連接於真空系統302。因此,在組合式真空計165故障或失效時,該組合式真空計可予以現場置換。
在組合式真空計系統100的操作中,電源供應器及發射控制區塊325將提供電壓至柵極及提供電力至離子化真空計110之燈絲,以及透過回授機構來控制燈絲發射電流量。該離子化真空計110之集極電流則提供至靜電計放大器330當作輸入。
感測器熱量控制裝置330控制所輸入至熱損失感測器120之電力。該熱損失感測器120提供電壓及電流測量值為放大器340a及340b之輸入。
最後,經調整之橋式電源345將提供電力至膜片感測器130。從膜片感測器130所輸出之電壓測量值將輸入至差動動放大器355。
該等放大器330、340a、340b及355之各個將提供來自組合式真空計165的測量信號至多工器365。來自多工器365之輸出則經由類比至數位轉換器390來轉換為數位形式。然後,該等數位信號係輸入至微控制器(CPU)380以供處理用。
CPU EEPROM 370係連接於CPU 380以特別地儲存唯一於該控制器電子裝置160之校準參數。藉由具有用於組合式真空計165及控制器電子裝置160之個別的校準參數,該組合式真空計165及控制器電子裝置160係可交換的(亦即,任一組合式真空計165可連接於任一控制器電子裝置160)。此外,控制器電子裝置160可無關於組合式真空計165而予以校準。
微控制器380係依據來自組合式真空計165之測量資料來計算真空系統302中的真空。特定地,離子化真空計110之集極電流係藉由CPU 380而使用真空計之EEPROM 140中所儲存之校準參數來轉換成為高度真空測量值。熱損失感測器120的電壓與電流數據係藉由CPU 380而使用真空計之EEPROM 140中所儲存之溫度補償校準參數來轉換成為中度真空測量值。最後,該膜片感測器130之電壓輸出將使用真空計之EEPROM 140中所儲存之校準參數而轉換為低度真空測量值。根據來自真空系統302之真空測量值,CPU 380將藉由選擇來自混合信號區中之適當的感測器或感測器對的真空測量值來產生真空測量值。而且,當在真空系統302之真空來到離子化真空計110的真空範圍之內或之外時,CPU 380將傳送信號360至電源供應器及發射控制區塊325來開啟或關閉該離子化真空計110。
請參閱第4圖,藉由第3圖之CPU 380上所執行之電腦指令所實施之方法400將轉換原始感測器數據(例如伏特、安培、串列之數據)成為即將經由第3圖之輸入/輸出電路350及使用者界面連接器399來顯示於壓力顯示器395且輸出至外部裝置的真空數據。
用以測量真空系統中之真空的方法400開始於步驟405。在步驟410中,CPU 380從真空計之EEPROM 140讀取用於真空感測器之校準參數,包含用於熱損失感測器之溫度補償校準參數。在步驟420中,CPU 380讀取類比至數位轉換器數據信號385(第3圖)。在步驟430中,CPU 380計算離子化真空計的真空、熱損失感測器的真空、以及膜片感測器的真空。在步驟440中,若真空測量落在一重疊範圍之內時,則在步驟450中混合來自正在重疊中之兩個感測器的測量值。該混合法係藉由計算來自該兩個感測器之測量值的加權平均值而達成。在步驟460中,傳送所混合之信號測量值至顯示器以及至輸入/輸出裝置。若該真空測量數據並未在重疊範圍之中時,則在步驟460中傳送來自適當感測器之真空測量至顯示器及輸入/輸出裝置。同時,在步驟460中,正常的真空計操作數據將經由線路322來更新於真空計EEPROM 140中,該等數據包含如下:1.電子裝置模組序號及靭體修訂碼;2.各個離子化真空計燈絲之操作小時以及組合式真空計之總操作小時;3.各個離子化真空計燈絲之除氣週期的總數;4.各個離子化真空計燈絲之電力週期的總數;5.組合式真空計之電力週期的總數;以及6.經記錄之最大的內部溫度。
如上述,有時候當真空計故障或失效且使用者送回該真空計至製造商時,並無有關故障或失效之原因的任何解說。此問題將藉由設置耦接於真空計之非依電性記憶體140來予以解決,該非依電性記憶體140將儲存當諸如真空計失效或故障之事件發生時之真空感測器的測量數據。
該測量數據可儲存於非依電性記憶體140中,如第5圖中所示。測量數據之視窗可儲存於非依電性記憶體中,在藉由參考符號520所示之位置處。尤其,在預定之時間間隔下,CPU 380將寫入測量數據於非依電性記憶體140,在目前視窗522位置處。此簡單之方法係描繪於第6A圖中當作方法600。在步驟610中,CPU 380判斷一特定之時間週期是否已過去。當CPU 380判斷該特定之時間週期已過去時,CPU 380寫入測量數據於目前之視窗522,因此覆寫了可能已寫入此位置處之測量數據。然後,該方法返回步驟610且判斷一特定之時間週期是否已再次過去。
再參閱第4圖,在步驟470中,方法400係判斷一錯誤碼是否已產生而指示錯誤事件。若錯誤碼並未產生時,則方法返回步驟420;若錯誤碼已產生時,則在步驟480中,內含於目前視窗522中之測量數據將拷貝至第5圖中所示之n個視窗524之循環緩衝器之視窗1、視窗2、...、或視窗n(524a、524b、...、524x)之內。該測量數據包含如下:1.錯誤碼;2.熱損失感測器原始數據(Vs及Is)及真空指示;3.離子化真空計集極電流、發射電流、除氣狀態、操作之燈絲數目、及真空讀數;4.從上一次開始時之離子化真空計的運作時間;5.內部電子裝置模組溫度;6.膜片感測器電壓及真空讀數;以及7.氣壓測量之壓力讀數。
n個視窗524之循環緩衝器允許儲存多個視窗之測量數據以回應於連續之事件。第6B圖陳明一用以儲存多個視窗之測量數據於非依電性記憶體140的方法605。若方法605在步驟630中判斷一特定之事件已發生時,則在步驟640中將拷貝目前視窗522中所含之測量數據至視窗1(524a)。然後,方法605返回步驟630以判斷另一特定事件是否已發生。若已發生時,則拷貝目前視窗522中所含之測量數據至視窗2(524b)。該方法605再返回步驟630以判斷另一特定事件是否已發生。在此方式中,在目前視窗522之特定時間間隔處所更新之測量數據將拷貝至n個視窗524之循環緩衝器的連續視窗(524a、524b、...、524x)以回應於連續之特定事件。
因此,在使用者送回組合式真空計165至製造商之後,製造商可利用真空計之EEPROM 140上所儲存的數據來協助判斷真空計故障或失效的原因。
該方法400結束於步驟490中。
雖然本發明已參照其較佳實施例來予以特定地顯示及描述,但將由熟習於本項技藝之該等人士所理解的是,在形式及細節中之種種改變可完成於其中,而不會背離所附的申請專利範圍所包含之本發明的範疇。
該膜片感膜器可為壓敏電阻式,且其可測量絕對壓力(亦即,偏差自大氣壓力的壓力)或差動壓力。
錯誤碼可產生於當熱損失感測器中之電壓及電流測量值超出其實際範圍之外時。錯誤碼亦可產生於當存在有顯著之異常於離子化真空計之離子電流中時。
耦接於組合式真空計之真空感測器的非依電性記憶體可成一體於該組合式真空計或控制器電子裝置。
100...組合式真空計系統
110...離子化真空計
120...熱損失感測器
130...膜片感測器
140...非依電性記憶體
150...外殼
160...控制器電子裝置
165...組合式真空計
170a,170b...連接器
175...銷
180a...銷
180b...插孔
185...組合式真空計電路板
210...離子化真空計埠
220...熱損失感測器埠
230...膜片感測器埠
240...共用之真空計埠
250...離子化真空計燈絲
302...真空系統
304...真空埠連接
305...真空密封件
322...線路
325...發射控制區塊
330...靜電計放大器
335...感測器熱量控制
340a,340b...放大器
345...經調整之橋式電源供應器
350...輸入/輸出電路
355...差動放大器
365...多工器
370...CPU可電性拭除之程式化唯讀記憶體
380...微控制器(CPU)
385...類比至數位轉換器數據信號
390...類比至數位轉換器
395...壓力顯示器
399...使用者界面連接器
400,600...方法
512,514,516...位置
522...目前視窗
524...n個視窗
本發明之上述以及其它目的、特性及優點將呈明顯於如其中相同符號指示相同部件於所有不同視圖之附圖中所描繪之發明較佳實施例的更特定之說明。該等圖式無需一定要按照比例,而是強調說明本發明的原理時。
第1圖係本發明組合式真空計之立體圖,該組合式真空計係與控制電子裝置及覆蓋分開,且該覆蓋有部分剖開;第2A圖係組合式真空計之立體圖;第2B圖係組合式真空計之剖視圖;第3圖係組合式真空計系統之方塊圖;第4圖係流程圖,其係顯示組合式真空計系統之操作;第5圖係耦合於真空計之非依電性記憶體中所儲存之資訊的方塊圖;以及第6A及6B圖係流程圖,其係顯示寫入數據於非依電性記憶體之方法。
100...組合式真空計系統
110...離子化真空計
120...熱損失感測器
130...膜片感測器
140...非依電性記憶體
160...控制器電子裝置
165...組合式真空計
302...真空系統
304...真空埠連接
305...真空密封件
322...線路
325...發射控制區塊
330...靜電計放大器
335...感測器熱量控制
340a,340b...放大器
345...經調整之橋式電源供應器
350...輸入/輸出電路
355...差動放大器
365...多工器
370...CPU可電性拭除之程式化唯讀記憶體
380...微控制器(CPU)
385...類比至數位轉換器數據信號
390...類比至數位轉換器
395...壓力顯示器
399...使用者界面連接器
Claims (38)
- 一種用以測量環境中的氣體壓力之裝置,其係包含:一離子化真空計;一熱敏感測器;以及非依電性記憶體,其係耦接於該熱敏感測器,該非依電性記憶體含有依據藉由該離子化真空計開啟及關閉所取得之數據為主之該熱敏感測器的溫度補償校準參數。
- 如申請專利範圍第1項之裝置,其中該熱敏感測器係一熱損失感測器。
- 如申請專利範圍第1項之裝置,其中該非依電性記憶體係成一體於該離子化真空計及該熱敏感測器。
- 如申請專利範圍第1項之裝置,其進一步包含一耦接於該離子化真空計及該熱敏感測器的控制器,該控制器係回應於該熱敏感測器之輸出來開啟該離子化真空計。
- 如申請專利範圍第4項之裝置,其中該非依電性記憶體係成一體於該離子化真空計及該熱敏感測器。
- 一種用以測量環境中的氣體壓力之方法,其係包含以下步驟:提供一離子化真空計;提供一熱敏感測器;以及提供非依電性記憶體,其係耦接於該離子化真空計及該熱敏感測器,該非依電性記憶體含有依據藉由該離子化真空計開啟及關閉所取得之數據為主之該熱敏感測器的溫度補償校準參數;以及施加該些校準參數至來自該熱敏感測器所輸出之測量數據。
- 如申請專利範圍第6項之方法,其進一步包含回應於該熱敏感測器之輸出以開啟該離子化真空計的步驟。
- 一種用以測量環境中的氣體壓力之裝置,其係包含:一離子化真空計;一熱敏感測器;以及一校正裝置,用以藉由該離子化真空計開啟及關閉來校準該熱敏感測器。
- 一種用以測量環境中的氣體壓力之裝置,其在一真空計組件中係包含:一真空計;非依電性記憶體,其係耦接於該真空計以供稍後之真空計的分析使用;以及一處理器,其係回應於一錯誤事件而將非校正測量數據儲存於該非依電性記憶體,該非校正測量數據係藉由該真空計感測出,以便在該真空計失效後可用來分析。
- 如申請專利範圍第9項之裝置,其中該非依電性記憶體係成一體於該真空計。
- 如申請專利範圍第9項之裝置,其中該非依電性記憶體係更新於預定之時間間隔。
- 如申請專利範圍第11項之裝置,其中測量數據之一視窗係儲存於該非依電性記憶體中。
- 如申請專利範圍第9項之裝置,其中測量數據之一 視窗係儲存於該非依電性記憶體中。
- 如申請專利範圍第9項之裝置,其中該真空計包含一離子化真空計、一熱損失感測器、及一膜片感測器。
- 如申請專利範圍第9項之裝置,其中該真空計包含一離子化真空計,且該離子化真空計之測量數據係包含燈絲發射電流及離子電流。
- 如申請專利範圍第9項之裝置,其中該真空計包含一熱損失感測器,且該熱損失感測器之測量數據係包含一熱損失感測器之所感測的電性參數。
- 如申請專利範圍第9項之裝置,其中該真空計包含一膜片感測器,且該膜片感測器之測量數據係包含一來自該膜片感測器之電子電路的輸出。
- 一種用以測量環境中的氣體壓力之方法,其係包含以下步驟:提供一真空計;提供非依電性記憶體,其係耦接於該真空計;以及將在操作期間由該真空計所感測出之非校正測量數據儲存於該非依電性記憶體中,以便在失效後可供稍後之真空計分析。
- 如申請專利範圍第18項之方法,其中該非依電性記憶體係成一體於該真空計。
- 如申請專利範圍第18項之方法,其中該非依電性記憶體係更新於預定之時間間隔。
- 如申請專利範圍第20項之方法,其中測量數據之一 視窗係儲存於該非依電性記憶體中。
- 如申請專利範圍第18項之方法,其中該非依電性記憶體係回應於一事件而加以更新。
- 如申請專利範圍第22項之方法,其中測量數據之一視窗係儲存於該非依電性記憶體中。
- 如申請專利範圍第22項之方法,其中該事件係一錯誤。
- 如申請專利範圍第18項之方法,其中該真空計包含一離子化真空計、一熱損失感測器、及一膜片感測器。
- 如申請專利範圍第18項之方法,其中該真空計包含一離子化真空計,且該離子化真空計之測量數據係包含燈絲發射電流及離子電流。
- 如申請專利範圍第18項之方法,其中該真空計包含一熱損失感測器,且該熱損失感測器之測量數據係包含該熱損失感測器之所感測的電性參數。
- 如申請專利範圍第18項之方法,其中該真空計包含一膜片感測器,且該膜片感測器之測量數據係包含一來自該膜片感測器之電子電路的輸出。
- 一種用以測量環境中的氣體壓力之方法,其係包含以下步驟:提供一真空計組件,其係包括:一真空計;非依電性記憶體,其係耦合於該真空計;以及一處理器,其係將有該真空計所感測出的測量數 據儲存於該非依電性記憶體;及在該真空計失效後,分析所儲存的測量數據。
- 如申請專利範圍第29項之方法,其中該非依電性記憶體係成一體於該真空計。
- 如申請專利範圍第29項之方法,其中該非依電性記憶體係更新於預定之時間間隔。
- 如申請專利範圍第31項之方法,其中測量數據之一視窗係儲存於該非依電性記憶體中。
- 如申請專利範圍第29項之方法,其中該非依電性記憶體係回應於一事件而加以更新。
- 如申請專利範圍第33項之方法,其中測量數據之一視窗係儲存於該非依電性記憶體中。
- 如申請專利範圍第33項之方法,其中該事件係一錯誤。
- 如申請專利範圍第29項之方法,其中該真空計包含一離子化真空計、一熱損失感測器、及一膜片感測器。
- 如申請專利範圍第29項之方法,其中該真空計包含一離子化真空計,且該離子化真空計之測量數據係包含燈絲發射電流及離子電流。
- 一種用以測量環境中的氣體壓力之裝置,其係包含:一真空計,其係包括一離子化真空計、一熱損失感測器、及一膜片感測器;以及非依電性記憶體,其係耦接於該真空計以供稍後之真空計的分析使用,該非依電性記憶體係儲存該真空計之測 量數據。
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