一種用於壓力測量的真空計校準方法及其裝置製造方法
2023-05-18 00:30:06
一種用於壓力測量的真空計校準方法及其裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於壓力測量的真空計校準方法及其裝置，該方法主要包括數據輸入、自校準數據生成、現場校準及修正；校準裝置，主要包括熱導式規管、規管工作與檢測電路、多通道模數轉換電路、數據輸入及處理電路，所述熱導式規管的電信號經規管工作與檢測電路中的規管加熱測量電路輸出，再由數據輸入及處理電路中的放大電路和模擬多路開關匹配傳輸至模數轉換器轉換成數位訊號，該數位訊號經微控制器處理後傳至顯示器顯示或傳至存儲器保存。本發明以簡單操作使數據輸入並自動實現數據的修正，修正數據的方法直觀可選，適應範圍廣，示值修正快速。
【專利說明】一種用於壓力測量的真空計校準方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及真空測量【技術領域】，具體涉及一種用於壓力測量的真空計校準方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]真空計(Vacuum Gauge),又稱真空表，是測量真空度或氣壓的儀器。一般是利用不同氣壓下氣體的某種物理效應的變化進行氣壓的測量。在科研和工業生產中廣泛使用。
[0003]真空計校準是真空計製造和使用中常見的工作，真空計通常由規管與儀器電路組成。不同類型的規管適用於不同的真空度，如電離規、冷規適用於高真空，熱導式規用於低真空，兩種以上的複合能夠實現從低到高真空範圍的測量。真空規管大部分是與氣體種類有關的相對真空規，規管的校準曲線難以由計算決定，通常僅作定性計算，即使使用計算的曲線，準確的定量最終要由實驗驗證。真空規管具有零散性，如熱導式類的電阻規可以達到25%、熱偶規達到20?30 %，與電路組成儀器的整體後允許誤差20?50%，因此在儀器生產過程中常採取逐臺調試和校準。熱導規在使用壽命周期內，靈敏度和零點會變化，曲線因此會發生位移，須要定期進行校準。校準是確保儀器生產品質和使用效果的必要環節。
[0004]真空計的準確與否依據檢定規程或校準規範(如JJF1050-1996)作為判斷，校準在幾種情況中開展:1、真空計的製造中的生產調試和品質檢驗；2、規管與儀器配套或更換規管；3、儀器定期檢定；4、用戶在使用中對於儀器準確度的檢測。
[0005]當校準數據表明被校真空計示值誤差超出允許範圍，真空計失準時，現有處理方法分別如下:1、調整模擬電路工作參數，如電位器等可調元件；2、更換規管或電路元件；3、對帶有補償電路的規管，調整工作參數；4、各個規管的惟一的修正參數，存入晶片中與規管配套使用。
[0006]由於規管制造公差、材料的離散性、老化、溫度等因素的影響，使得每隻規管與儀器配套後的準確度都不同；不同種類型的規管因結構原理不同，各自的影響因素、修正方法和參數也是不同的。目前通常方法是依據工廠校準各個規管的惟一的修正參數，並存入晶片中與規管配套使用，如專利CN101084422A、CN202403867 U，對規管做個性化修正。實際上，經過逐一修正的規管，與儀器配套後的整體結果，也仍然由校準規範所提供的方法作為最終檢驗。以上方法1、2、3是傳統模擬電路方法，依靠硬體調整的範圍和效果有限。以上方法4是現有普遍採用的方法，將校正參數存入在規管和儀器中的記憶晶片，以提高真空計的準確性，它的特點是:針對規管作個性化的修正參數，修正參數的產生在儀器之外，完成後參數存入儀器，供儀器工作時調用。此方法須由專業人員經過用標準真空計的讀數作為標準，與被校真空計的讀數進行比對，記錄、分析、計算和再次輸入儀器等一系列工作，通常每次由手工進行數據敲入、軟體調入打開、運算及輸入輸出的操作，主要依賴人工處理，費時且繁瑣。
【發明內容】
[0007]針對上述現有技術，本發明的目在於提供一種用於壓力測量的真空計及真空計自校準方法，其旨在解決現有目前依靠硬體調整的範圍和效果有限，現有方法主要依賴人工處理，費時且繁瑣的技術問題。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案:
一種用於壓力測量的真空計校準方法，其特徵在於，該方法主要包括如下步驟:數據輸入、自校準數據生成、現場校準及數據修正；
所述數據輸入:若干系列校準點的標準值和被測值的輸入，標準值預先被確定並輸入，被測值實時觸發輸入；被測值在實時校準中，等待壓力達到某一標準值再給觸發輸入動作，則該標準值對應的被校值相應輸入；
所述自校準數據生成:校準檢定過程中直接輸入數據後，形成原始數據，根據輸入的原始數據用插值法制表和曲線擬合；
所述現場校準:依標準值確定觸發，並記錄和保存此刻來自於規管測量電壓信號，以標準值作為函數值，電壓作為插值節點值；由此多點重複操作，得到一系列的函數值和節點值，再應用插值法構造整個測量範圍的函數表(Pa 1)，必要時求擬合公式P= f (V)；所述數據修正:在測量狀態下，依規管的實時數據經過查表或公式計算作出校準修正，並轉換為真空值顯示。
[0009]本發明提供的自校準裝置，其特徵在於，包括熱導式規管、電離規管、規管工作與檢測電路、多通道模數轉換 電路、數據輸入及處理電路，所述熱導式規管的電信號經規管工作與檢測電路中的規管加熱測量電路輸出，再由數據輸入及處理電路中的放大電路和模擬多路開關匹配傳輸至模數轉換器(ADC)轉換成數位訊號，該數位訊號經微控制器處理後傳至顯示器顯示或傳至存儲器保存。
[0010]所述存儲器中存放有預定校準點的標準壓力數據、被測數據、表格及擬合公式。
[0011]所述規管加熱及測量電路包括電橋電路、差分放大器和調整管。
[0012]本發明中的自校準裝置還包括實現校準時數據輸入操作的硬體組合鍵即調零鍵、選擇鍵、輸入鍵。
[0013]本發明中的自校準裝置還包括用於顯示多點校準值的帶觸摸鍵的智能顯示屏。
[0014]結合上述自校裝置，所述自校準方法，其特徵在於，包括如下步驟:
經狀態鍵選擇真空計處於校準狀態；
輸入密碼、選定校準點類型；
?將規管電壓值由ADC讀取後存儲在儀器晶片之中；
④當標準真空裝置壓力下降至零點時觸發調零；
?數字調零，取零點電平保存在晶片內部；
選校準點N顯示；
?判斷校準點N輸入是否觸發；Cl)若觸發，取ADC的數字電壓存為被測點N電壓，根據標準值與對應被測值，修正校準
的表格，計算公式參數並存儲，並且選下一個標準點，回到步驟中執行循環；若不觸發，直
接選下一個標準點；
?>是否退出校準狀態，回到測量顯示狀態。
[0015]結合上述自校裝置，所述自校準方法，其特徵在於，包括如下步驟:經狀態鍵選擇真空計處於校準狀態；
?)將規管電壓值由ADC讀取後存儲在儀器晶片之中；
<3》當標準真空裝置壓力下降至零點時觸發調零；
馨數字調零，取零點電平保存在晶片內部；
?選校準點N顯示；
判斷校準點N輸入是否觸發；
若觸發，取ADC的數字電壓存為被測點N電壓，根據標準值與對應被測值，修正校準
的表格，計算公式參數並存儲，並且選下一個標準點，回到步驟A執行循環；若不觸發，直
接選下一個標準點；
_是否退出校準狀態，回到測量顯示狀態。
[0016]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
一、本發明以簡單操作使數據輸入並自動實現數據的修正，是一種參數產生的方法，適用於處理規管特性已知、穩定性好，但一致性不佳造成的測量誤差，也適用於與氣體種類有關的規管的校準。
[0017]二、本發明不用通常的逐位輸入數據，也不須附加微機和串口聯線等硬體設備，每組多位數據的輸入只有幾個鍵，操作過程動作簡練；數據採集之後的處理均由模塊中的晶片一次連續完成，取代了繁瑣手工操作，在真空計製造工藝中校準標定一次完成；做成模塊，當規管信號範圍與ADC匹配後，就可以快速標定、修正壓力數據顯示，總之可減輕校準工作量，提升生產效率。
[0018]三、本發明快速簡便，修正數據的方法直觀可選，適應範圍廣，示值修正快速。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為自校準真空計系統圖；
圖2、圖3為校準流程圖；
圖4為測量顯示流程圖； 圖5為存儲模塊中校準點數據，包括預存的標準值和實時被測值。
【具體實施方式】
[0020]下面將結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步的描述。
[0021]校準過程使用符合規範的標準真空裝置，在規管工作壓力範圍內提供需要的校準壓力Pa數據，對應的規管測量電路的輸出電信號為被測數據。校準用動態直接比較法，其基本原理是將待測被校真空計與標準真空計接在同一校準室上，該室所需的壓力通過動態平衡調節取得，用微調針閥調節校準室壓力，用標準真空計作為監測。
[0022]如圖1所示的自校準真空計系統裝置構成，包含規管、規管工作與檢測電路、數據輸入及處理電路。電阻規141，經規管加熱測量電路280輸出，由放大電路270、模擬多路開關290匹配輸入模數轉換器260，再傳至微控制器(MCU) 210。測量時微控制器將規管數據送數碼顯示器220、帶觸摸鍵顯示屏240 ;校準時微控制器將數據輸入內置存儲器或外接存儲器250中，用於制表和修正測量結果。LED數碼顯示器220與由調零鍵、選擇鍵、輸入鍵構成的硬體組合鍵230，實現校準時數據輸入操作。智能顯示屏帶觸摸鍵240，以多點校準值顯現，用翻頁或上下拉動屏幕視窗滾動、移動，使所要校準值出現在可視屏幕範圍，也能完成數據顯示及觸鍵動作，與數碼顯示器同硬體組合鍵組合的功效相同，但操作更便利。上述存儲器件，存放預定校準數據、被測數據、表格及擬合公式，預定標準值在製造過程中輸入至其中。I/O接口提供校準數據表及公式參數輸出。
[0023]規管加熱測量電路包括電橋電路、差分放大器和調整管，從而控制規管熱絲加熱，調節電壓使電阻規管熱絲的溫度和電阻保持恆定；規管輸出的信號電壓，隨壓強變化。
[0024]放大電路270、模擬多路開關290連接在電阻規管加熱及測量電路的輸出端和模數轉換器之間，規管的全量程輸出電壓範圍匹配模數轉換器260，260輸出數位訊號連接到微控制器晶片210。熱導式規管的測量電路輸出電壓與ADC器件電壓可用範圍相匹配,並確保按圖4之步驟550扣除零點電壓後，所獲得的規管信號電壓的解析度或精度仍然符合壓力測量值的誤差要求。
[0025]圖1所示，規管均通過真空密封件連接到真空系統校準室120。電離規、冷規、β放射離子規收集極電流作為離子流放大器輸入，由1-V轉換電路構成，輸入端連接到規管的收集極，輸出端連接到模擬多路開關，模擬多路開關的輸出又連接到模數轉換器的輸入端。離子流放大器滿足和覆蓋規管全量程的離子流轉換為電壓，此電壓應符合ADC器件的採樣信號要求。
[0026]燈絲加熱穩發射電路、陽極穩壓電路提供電離規所需工作電流和電壓。冷規的陽極接直流高電壓電路。β放射離子規的陽極接直流工作電壓電路。
[0027]微控制器晶片，對來自模數轉換器的信號按圖2、圖3所示步驟作數字調零，在測量狀態下再根據電壓與壓力的關係將電壓轉換成當前壓力顯示，電壓與壓力的關係來源於規管校準特性曲線。在真空校準狀態時，在測量壓力範圍的上下限之間選相應若干校準點，取得被測數據，由微控制器執行數據表的生成或曲線擬合，得到電壓與壓力的關係。所述微控制器可以採用ATmegal28系列晶片。
[0028]數碼顯示器同調零鍵、選擇鍵、輸入鍵組合，由選擇鍵提取存儲器中標準數據依次呈現在數字顯示器中，狀態指示燈同步響應，輸入鍵觸發被測數據輸入。帶觸摸鍵的顯示屏，觸摸鍵包括選擇狀態鍵、頁面鍵、校準鍵，校準鍵為預存校準點值，校準鍵N個同時呈現於視窗中，直接觸控螢幕上的校準點值，即觸發校準鍵。校準點值顯示為預存的標準壓力值， 也可以為校準點的編號。
如圖2、圖3所示本裝置的校準流程。由圖1中的微控制器執行指令實施方法300進入校準狀態，從步驟310開始，步驟320將規管電壓值由ADC讀取並存入儀器存儲晶片之中。 步驟330中，當標準真空裝置壓力下降至零點時觸發調零。步驟340是數字調零，取零點電平保存在晶片內部。步驟350從存儲器中提取圖5中第n校準點的值被作為待校準提示，用遞增和遞減鍵選擇LED數碼管220顯示為預定值。步驟360隨著標準裝置120的壓力值到達第n標準點時，輸入鍵230是否觸發確認，如果觸發且有一響應，則在步驟370中讀取此刻被確認標準點的對應電壓數值，儀器存儲此被採集的電壓數值，存儲在EEPROM、FLASH等存儲器中。步驟380根據標準值與對應被測值，修正校準的表格，計算公式參數並存儲。步驟390選下一個標準點，回到步驟350執行循環。在此過程中標準值或提示符出現在顯示器220和240，等待標準裝置的標準計壓力值到達時，就可以觸發被測值的輸入。步驟395， 是否退出校準狀態，回到測量顯示狀態。
[0029]在步驟330，對於熱導式(如電阻、熱偶)真空計調零的條件為系統達到儀器測量壓力下限的2%。
[0030]步驟340對於熱導式規管(如電阻規、熱偶規)有效，隨著壓力的降低，達到規管信號的下限電壓(對應於真空規管測量的下限)，其規管數值不為零，稱為零點電壓。
[0031]熱導式規管的零點電壓輸入方法:通常由模擬電路設定並在測量過程全程抵扣， 從測量信號中減去。步驟340為軟體扣除零點方法:是將零點電壓由數字電路採樣取值後， 存入存儲器單元中。在測量過程中，如圖4步驟550，全程均由微控制器從放大電路的採樣電壓信號中扣除零點電壓。
[0032]步驟360選中時有一響應，所述響應包括鳴聲，閃爍，變色，字符提示已經有輸入。
[0033]步驟370，形成圖5所示表格的被測規管實時數據。
[0034]根據此表格中的數據，作為原始數據表，用插值法填補相鄰校準點之間的數據，得到壓力與電壓(P-V)表格；用擬合曲線法，又可以得到規管的校準特性公式，由步驟380完成。步驟396是圖2流程結束並返回到圖4所示的測量狀態。
步驟380採用數據處理的基本技術——插值法和曲線擬合方法。
[0035]生成表格方法適用熱導規:對於熱導式規管，規管電壓與壓力有非線性特點，因此根據精度或允差要求，採取密集選取校準點的壓力值，並實時輸入對應被測值；而相鄰校準點之間的點，直接用插值法求得。如電阻規，以兩位係數表示，如5.1XKT1 Pa，那麼形成
0.5^2500Pa的壓力與電壓關係表格，將有300至400組數據，需佔有300至400位元組存儲單元，表格排列形式為電壓數位訊號指示單元地址，單元中存放校準的Pa值和插值法計算的 Pa值，供圖4測量狀態時查表，將規管原始值轉換為壓力顯示。
[0036]對於電離規、冷規和β規等，它們的離子流與壓力在主量程範圍具有良好的線性關係，因此採用線性函數y=ax+b作擬合曲線，按壓力數量級分段，則校準點在每個數量級預定選取數個插值點，通過實時輸入得到對應被測值，以最小二乘法求得回歸方程，在每個數量級得到一個公式。圖4中570步驟，使用公式將被測值轉換為壓力示值。
[0037]校準步驟完成後，標準值與對應被測值作為原始數據表、計算生成的校準表格及曲線擬合數據等已經存入儀器之中，供如圖4步驟570使用。
[0038]如圖3所示流程，微控制器執行指令實施方法400由圖1裝置用240觸控螢幕幕執行:鍵的符號用校準點值，每個示值就是鍵的位置，校準值就表示一個鍵。步驟450，是從存儲器中提取壓力標準數據值出現在顯示屏240上，所出現方式為多點壓力標準值顯現；用翻頁或上下拉動屏幕內容滾動、移動，使所要標準值出現在可視屏幕範圍。步驟460，當標準裝置的壓力達到屏幕上所示某個標準值，直接觸發該示值的觸摸鍵，即確認輸入；觸發後有響應，響應包括鳴聲，閃爍，變色，字符提示。圖3的其它步驟與圖2相同。
[0039]步驟410，為圖1中運用屏幕240顯示界面時的功能，可以根據規管類型選擇設定校準點的選項:制表、曲線、密集、普通及精度劃分。
[0040]依照圖1連接，其校準的工作過程按包含以下步驟:
1、將規管聯接在校準裝置真空系統上，再與自校準儀器相連接，操作儀器進入校準狀態。
[0041]2、使預定的第一校準點顯現於本自校準儀器顯示屏上。
[0042]3、用標準儀器觀察真空系統壓力，當調節壓力達到量程中的第一個點的標準值且穩定，立即在本自校準儀器上觸鍵。
[0043]4、使預定的第二校準點顯現於自校準儀器顯示屏上。
[0044]5、調節壓力達到量程中的第二個點且穩定，立即在自校準儀器上觸鍵。
[0045]6、使預定的第三校準點顯現於自校準儀器顯示屏上。
[0046]7、調節壓力達到量程中的第三個點且穩定，立即在自校準儀器上觸鍵。
[0047]8、以此類推，調節壓力達到量程中的第η個點且穩定，立即觸鍵。
[0048]校準可以隨時結束，當操作儀器返回測量狀態，儀器顯示則是經校準後的壓力數值。
[0049]基於圖2、圖3的操作過程有所區別，如圖2所示，實現本方法的校準流程:
1、如圖1，標準真空計、被測規管、被測自校準真空計聯接到真空校準系統。
[0050]2、觸發被測真空計進入校準狀態，顯示示值隨即為校準點值及提示，校準狀態指示燈亮並保持；對於LED數碼顯示窗口，出現圖5中的某個標準壓力值；當此後觸發輸入鍵時，圖5對應表格中Vn隨即被新輸入值替代，形成原始的實時數據表。
[0051]3、抽真空，當標準真空計讀數示值指示系統壓力下降到被測儀器下限的2%，觸發被測真空計調零鍵完成調零。
[0052]4、按遞增鍵,選擇校準點I號校準示值出現。
[0053]5、用微調閥調節，當標準真空計指示系統壓力達到I號點值，按「確認」鍵，實現被測值輸入。
[0054]6、按遞增鍵，至第二個校準點示值出現。
[0055]7、標準真空計指示系統壓力達到2號點值，按「確認」鍵，實現被測值輸入。
[0056]8、以此類推，實現多個被測值輸入。
[0057]9、校準結束，操作儀器返回測量狀態，儀器顯示則是已經校準後的壓力數值。
[0058]如圖3所示，實現本方法的校準流程:
1、標準真空計、被測規管、被測自校準真空計聯接到真空校準系統。
[0059]2、觸發被測真空計進入校準狀態，屏幕顯示隨即為校準點值，圖5所示的標準值同時呈現於視窗中，以多點校準值顯現；用翻頁或上下拉動屏幕內容滾動、移動，使所要標 準值出現在可視屏幕範圍。
[0060]3、抽真空，當標準真空計讀數示值指示系統壓力下降到被測儀器下限的2%，按觸 發被測真空計調零鍵完成調零。
[0061]4、用微調閥調節，當標準真空計指示系統壓力達到I號點標準值，觸發此校準點 值，圖5中對應表格中V1隨即被新輸入值替代，即實現被測值輸入，形成原始的實時數據表。
[0062]5、當標準真空計指示系統壓力達到2號點值，按屏幕上顯示2號點值即觸發，實現 被測值輸入。
[0063]6、以此類推，實現多個被測值輸入。
[0064]7、校準結束，操作儀器返回測量狀態，儀器顯示則是已經校準後的壓力數值。
[0065]圖4是方法500，為裝置在主程序的測量顯示狀態下運行，規管的測量數據根據表 格或公式轉換成壓力顯示。對於圖1裝置的測量顯示流程，在步驟540由狀態鍵決定，選 擇yes，裝置在測量顯示狀態下運行，此時規管取得的電壓信號經匹配電路與ADC輸入匹配 後，由微控制器依據EEPROM、FLASH等存儲體中的表格和擬合的特性曲線，轉換為壓力的數 值顯示在屏幕或LED數碼管上。如果選擇no，儀器工作於校準狀態下，則執行圖2之方法 300、圖3所示方法400。圖4之步驟550，從模數轉換器260得到的數據中扣減圖2、圖3 取得的零點電平。步驟560，經過扣零的規管測量信號準備用於查表或計算。圖4之步驟 570，根據規管類型和測量允許誤差，決定數據的轉換方式，電阻和熱偶真空規是非線性，用 查表格方法，表格由圖2、圖3實時得到的足夠密集校準點原始表格，再用分段線性插值生 成的完整表。電離規、冷規規選用的是按壓力量程的數量級分段，以線性函數擬合得到 的回歸公式。步驟560，經過修正的壓力數據送至顯示器。
[0066]如圖5所示，為存儲模塊中預存的標準壓力數據及對應的實時輸入值。預存的數 目N根據規管和精度確定，熱導式規管如電阻計，為滿足JB/T10074-2004中規定的測量誤 差要求，選定每個數量級的校準點取值間距和數目，每個數量級可以多至13個，以下是一 種取法:
校準點:Pi P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13
壓力:1.0 1.2 1.5 1.8 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0
(Pa)
被測值:Vi V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11 V12 V13 (V)
對於有線性特徵的電離規，選取每個數量級的校準點3個以上。
【權利要求】
1.一種用於壓力測量的真空計校準方法，其特徵在於，該方法主要包括數據輸入、自校 準數據生成、現場校準及數據修正；所述數據輸入:若干系列校準點的標準值和被測值的輸入為，標準值預先被確定並輸 入，被測值實時觸發輸入；被測值在實時校準中，等待壓力達到某一校準點的標準值再給觸 發輸入動作，則該標準值對應的被測值相應輸入；所述自校準數據生成:校準檢定過程中直接輸入數據後，形成原始數據，根據輸入的原 始數據用插值法制表和曲線擬合；所述現場校準:依標準值確定觸發，並記錄和保存此刻來自於規管測量電壓信號，以 標準值作為函數值，電壓作為插值節點值；由此多點重複操作，得到一系列的函數值和節點 值，再應用插值法構造整個測量範圍的函數表，必要時求擬合公式P= f (v);所述數據修正:在測量狀態下，依規管的實時數據經過查表或公式計算作出校準修正， 並轉換為真空值顯示。
2.真空計自校準裝置，其特徵在於，包括熱導式規管、規管工作與檢測電路、多通道模 數轉換電路、數據輸入及處理電路，所述熱導式規管的電信號經規管工作與檢測電路中的 規管加熱測量電路輸出，再由數據輸入及處理電路中的放大電路和模擬多路開關匹配傳輸 至模數轉換器(ADC)轉換成數位訊號，該數位訊號經微控制器處理後傳至顯示器顯示或傳 至存儲器保存。
3.根據權利要求2所述的真空計自校準裝置，其特徵在於，所述存儲器中存放有預定 標準壓力數據、被測數據、表格及擬合公式。
4.根據權利要求2所述的真空計自校準裝置，其特徵在於，所述規管加熱及測量電路 包括電橋電路、差分放大器和調整管。
5.根據權利要求2所述的真空計自校準裝置，其特徵在於，還包括實現校準時數據輸 入操作的顯示器和硬體組合鍵即調零鍵、選擇鍵、輸入鍵，以及用於顯示多點校準值的帶觸 摸鍵的智能顯示屏。
【文檔編號】G01L27/00GK103557991SQ201310555198
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】姚文利 申請人:姚文利, 張人璉