YZ-111型压阻真空计的研制
介绍了一种基于扩散硅传感器的低真空测量仪表YZ-111型压阻真空计。仪表由传感器单元、信号调理单元、A/D采集单元、中央处理单元、按键和显示单元等组成。该仪器采用进口扩散硅压阻式传感器。信号被调理后由高精度数字采集系统采集、分析, 直接输出数字信号。配以温度补偿技术, 保证它的高精度。通过用高精度真空计校准, 并与之比较, 其测量结果达到预期。
扩散硅压力传感器以其测量范围宽、精度高、耐腐蚀等优点, 正得到越来越多人的关注。北京北仪创新真空技术有限责任公司研制的YZ-111型压阻真空计采用美国Measurement 公司的154N 超稳型压力传感器。该传感器是一种内部经过补偿, 且与介质兼容的压阻式传感器, 主要应用在低压场合。其内部封装一绝对真空值, 通过对其底部的厚膜电阻进行激光修阻, 实现对温度的补偿和零点偏差调整, 使传感器的互换性范围可控制在正负1%以内。由于传感器采用不锈钢封装结构, 使其不但可用在常见的无腐蚀气体场合, 还可应用在与不锈钢兼容的腐蚀性场合等。该传感器有5psi、15psi、30psi 等多个量程可供选择。YZ-111真空计选用的是5psi 量程的传感器。
1、系统整体结构
YZ-111型压阻真空计结构框图如图1 所示。
图1 系统结构图
154N 型传感器采用316L 不锈钢结构, 其内部集成一惠斯登电桥。只需供给电桥恒定电流, 传感器即可直接将压力信号转换成差分电压信号输出。由于传感器输出的差分信号很小, 必须配以信号调理电路, 将其调理成适合A/D采集芯片采集的电压,A/D采集的信号经单片机处理后, 直接换算出压力值, 然后经过数字温度补偿, 输出给数码管显示。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)觉得由按键部分用来完成真空计的校准。
2、系统硬件电路
2.1、信号调理单元
传感器输出信号为0~ 200 mV 的差分信号, 而A/D转换器的输入电压信号为0~5V, 因此须经过转换才能适合采集要求。信号调理电路的电路图如图2 所示。
图2 信号调理电路
信号调理电路为一高输入阻抗差分放大器。A1、A2 两个运放构成输入级, 再与A3 串联组成三运放差分放大电路。在该电路中, 完全对称的A1和A2 提高了信噪比; 电路对共模信号几乎没有放大作用, 共模抑制比高。该差分放大电路的放大倍数计算如式(1) 所示
在电路中, 设计电阻R 1 = R2 = 24 k欧姆, RG= 2k欧姆 , 所以差分信号的放大倍数为25 倍, 恰好可以将原始信号放大到A/D采集所需的信号等级。电阻R0= 470欧姆 , 用于保护运放输入级。
2.2、A/D采集单元
为了能测量1 Pa 到1.0×105Pa 的压力, 同时使分辨率达到0.1 Pa, 所需要的A/D的位数最少需为20 位。本设计中采用-24 位的A/D转换器, 直接将电压信号转换成数字信号输出给单片机。24位的A/ D 分辨率确保了压力信号的分辨率可达到0.1 Pa 以下。
2.3、中央处理单元
中央处理单元采用C8051F 系列单片机芯片。该类单片机具有指令执行速度快、功耗低、多总线接口、内部程序存储空间大等许多优点。其独有的数字交叉开关, 允许将其内部的各种数字资源映射到P0、P1、P2、P3 的端口引脚。同时, 单片机内部集成有Flash 存储器, 可以存储一些系统参数等, 极大地简化了电路设计。
C8051F 单片机用来完成电压信号的采集, 然后根据公式计算出压力值, 同时采集温度, 并根据温度值对压力值进行温度补偿, 并将最终值输出到数码管进行显示。同时, 单片机还扫描按键, 如果有按键按下, 则根据各按键功能完成对仪器的零点、满度和计算公式的微调等。
2.4、其他单元
其他单元还包括温度采集部分、显示部分、按键部分、电源部分。温度采集部分采用DS18B20 进行温度采集, 此芯片可直接输出数字信号给单片机。显示部分采用5 位数码管显示压强。按键部分设置了4 个按键：“功能”、“移位”、“△”、“确定”。此4 个按键组合工作完成真空计的满度、零点调节以及计算公式的微调等。
电源部分则负责提供5, 3.3, 正负15 V 和恒定电流给各部分电路。
3、软件设计
系统的软件部分主流程图如图3 所示。
图3 软件主流程图
开机后, 单片机完成初始化、自检功能后, 即进入主流程: 首先检查有无按键按下。如果有按键按下, 则根据此按键的功能定义转入相应的分支流程,包括满度调节分支、零点调节分支等。如果无按键按下, 则采集经过调理的传感器信号, 根据此信号和程序内部存储的公式计算出压强值。之后采集温度, 根据温度对计算出的压强进行温度补偿, 最后将最终的压强值送到数码管显示。
4、测试结果
将YZ-111型压阻真空计用INFICON 公司的电容薄膜规进行校准, 并在校准后将两者安装在同一真空室中进行抽真空测量比较, 结果如表1 所示。
表1 YZ-111 型压阻真空计的测量结果
可以看出, 在30 kPa 的测量范围内, 其精度<正负0.2%F. S, 30 kPa~ 1.0 ×15 Pa 范围内, 精度<正负0.5% F. S。
5、总结
本文介绍了一种用于测量低真空的真空计。文中详细介绍了真空计的系统构架、工作流程、硬件电路设计以及软件流程, 并给出了详细的测量数据。其在5psi 量程内的< 正负 0.2% F. S 的高精度, 低至1Pa 的测量下限, 达到了设计的要求。同时5psi 到大气压的范围仍有较大的参考价值。
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