热偶真空计原理完整版新

毕业设计（论文）成都电子机械高等专科学校二00八年六月第一章热偶真空计原理1.1规管原理热电偶真空计是利用气体分子的热传导现象,热电偶接在白金或钨的细线上。这段细线通过电流后会发热。发出的热量通过周围气体分子的热传导,或细线本身的固体热传导,或热辐射放出。利用气体分子承担的热传导量与压力成正比的特点是此真空计的原理。热偶真空计是由热偶真空规管Ⅰ和测量电路Ⅱ所组成。热偶规管是由热丝、热偶丝、玻壳组成。如果保持细线的发热量即保持一定的电流,则周围压力高的时候气体夺走的热量较多,致使细线的温度较低。反过来周围压力低的时候细线的温度会升高。这种温度的变化通过热电偶检测出来,将热电偶的起电力换成压力之后即可知真空腔内的压力。成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计1特征：利用气体分子的热传导现象,可能测量的压力范围在1-300Pa之间。热电偶真空计测得细线温度同时,也受到细线本身的固体热传导和热辐射放热的影响。因此精度不高。但是电路简单,价格低廉另外其传导元件用镍铜合金在此真空计在大气压状态下也不会烧损一致于损坏电路。而且测得的压力值通过电信号被取出,因此在自动控制方面容易控制。其工作过程可用简明符号来表示：P度↑→分子↓→Q↓分子从热丝上带走热量→TA↑→△T↑(TA-TB)→E↑热电势，也可以归纳出E↑→P度↑。热偶真空计对热丝、热偶丝的要求：对规管热丝只要求在工作温度（100-200℃）和较高压强下具有足够的物理和化学稳定性和较小的电阻稳温度系数（随温度变化其电阻值变化要小），常用的有φ0.05-0.1mm的铂丝、钨丝和镍丝，工作加热电流在0.1-0.5A。若用铂丝，尺寸为φ0.08×2705mm。对热偶丝的要求是在上述工作温度范围内具有足够的灵敏度和物理化学稳定性。常用是的材料有康铜（镍43%；铜57%）-镍鉻合金（镍80%+鉻20%）、铂铑-铂、铜-康铜。镍鉻合金—、鏑-铋等。若用康铜-镍鉻丝其尺寸要求为φ0.05×25mm。热偶真空计分为：定流式和定温式复杂规管（传感器）有4根线，如图1-1所示：图1-1热电偶原理图定流式热偶真空计：就是（1）（2）脚加的电流I保持恒定不变，被测量空间的真空度变化，传感元件镍铜合金的温度发生变化，（3）（4）脚两端的电压也就发生变化。通过（3）（4）脚电压变化来反应真空度的变化。定流式热偶真空计的缺点就是测量范围太小，当真空度103Pa时镍铜合金几乎达到饱和状态（3）（4)脚电压基本不再变化。如图1-2所示：图1-2测量范围图定温式热偶真空计：在真空变化时使镍铜合金的温度保持不变就要给镍铜合金（1）（2）脚加一个补偿电流，通过对补偿电流取样的大小来反应真空度的变化。定温式热偶真空计的优点是测量范围宽，可测量10-1～105Pa的真空度。如图1-3所示：成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计2图1-3测量范围图1.2设计思路针对上述要求而研制的本真空计是采用定温式电路和MCS-51系列单片机来完成。它具有以下特点:1.采用了光电隔离技术、数字滤波技术,和非线性参数及测量误差的修正技术,提高了测量精度和稳定性以及抗干扰能力。LED数字显示。2、测量范围宽，稳定可靠。3、带两个气体压强的定值点或区域控制的开关量输出信号及输出状态的指示。4、具有并行和串行通讯口输出的功能及与其真空度相对应的0～5V模拟输出，供用户提出选择。5、通过触摸开关输入的预置参数掉电后永久保存。主要技术指标1.测量与控制范围：1.0×105～1.0×10-1Pa2、测量误差：≤15%（每量程）3.控制精度：≤3%4.配用规管：ZJ-54D5.采样时间:1S6.模拟输出信号:0～5V7.控制继电器触点容量:AC220V/3A8.供电:AC50Hz220V±10%/20W9.使用环境：温度0~40℃，湿度≤95%定温式原理定温式热偶真空计是利用热传导现象来测量气体压强的,它是用热偶规管、供电系统、保护电路、A/D变换器和单片机系统所组成。如工作原理框图所示。热偶规管由加热丝及热电偶所组成。供电系统的供电使加热丝温度恒定不变,在低真空（1～103）内，根据气体分子热传导能力越小，真空度就越高的现象，即可把真空度反映出来。在1～103托的压强范围内，真空度越高，说明气体分子就越少，所以气体分子从热丝上带走的热量就越少。取其电流I值作为补偿参数。由此可得I是气体压强P的函数。即:I=f（Pa）.测量其加热丝I的值。反映气体压强的Ｉ的值经高精度放大器放大,经转换给A/D变换后送单片机系统进行数据处理,输出各种控制信号及串行和并行的通讯信号,并以指数形式显示相应的测量真空度值、输出与真空度相对应的0～5V模拟量的输出。为了使仪器工作稳定可靠,电路采取了慢起动,过温和过流保护等功能措施。成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计3当被测系统的气体压强低于预置下限定值时,继电器动作,高于预置的上限定值时,继电器复位,输出开关量信号，并设置了其输出状态的指示。微机型定温式热偶真空计工作原理框图如图1-4所示：图1-4原理框图1.3分步描述1.3.1慢启动电路①电路图如图1-5所示：图1-5慢启动电路原理图②原理描述：当开机一瞬间，电容C6两端电压不突变，Q2基极电压为0，Q2截止。R23上端电压为0，随着C6充电时间增加，R23上的电压不断增加。LM317的12脚间电压恒定为1.25V。随着C6充电时间的增加，317的2脚电压从1.25V开始不断增加。C6充满，317的2脚电压保持为12.5V，电路稳定。1.3.2定温电路①电路图如图1-6所示：图1-6定温电路原理图成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计4②原理描述：它是由基准电路，1个10倍放大器，比例积分放大器，一个恒流源电路组成的。1.3.3过压过流保护①电路图如图1-7所示：图1-7过压过流保护电路原理图②原理描述：过压过流保护是由一个反向放大器LM311、D1、Q1等组成的。1.3.4电压放大①电路图如图1-8所示：图1-8电压放大原理图②原理描述：电压放大是由一个比例放大器OP07和一个反向放大器LM471组成。1.3.5模拟输出①电路图如图1-9所示成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计5图1-9模拟电路原理图②原理描述：模拟量输出是指输出电压是压强对数值的非线性函数。从P0口引出的8位数据经过DAC0832的D/A转换从Iout1输出一个负的模拟量，经过反向放大器变为0-5V的模拟信号，其中电位器W7的做用是调节模拟输出，确保测量值精准。如在标准状况下的输出值是5V。W6的做用是给予1脚和5脚一定的负压C18和C19是滤波电容。741是一个普通的运算放大器输出0-5V。其特点是电压适应范围较宽，可在±5～±18V范围内选用；具有很高的输入共模、差模电压，电压范围分别为±15V和±30V；内含频率补偿和过载、短路保护电路1.3.6单片机系统①电路图如图1-10所示：图1-10单片机②原理描述：单片机采用MCS-51集成片。它具有4K字节内部程序存储器及128字节数据存储器，8位数据处理宽度，通过P0、P1、P2口来对外部数据的传输。成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计61.3.7A/D变换①电路图如图1-11所示：图1-11V/F电路图②原理描述：由V\F电路实现的A\D转换，就是把电压的模拟量通过A/D变换以后成为数字量。其中LM331芯片就是专用的频率转换芯片，在第7脚的输入与输出电压成正比的稳定电流输入的模拟量转换成频率信号，FO端输出的频率信号送到计算机的计数/定时端口,计算机对频率信号进行采集、处理、存储。从而实现模拟信号到数字信号的转换。而通常引起V/F转换产生非线性误差的原因是引脚1的输出阻抗，它使输出电流随输入电压的变化而变化，因而影响转换精度，为克服此缺点，高精度V/F转换器在1脚和7脚间加入了一个积分器。因而使电压保持很高的线性度。LM331采用单电源供电，电源电压VCC，模拟信号的输入范围-VCC～0V,频率范围为1～500KHZ，非线性低于0.01％。W5的作用就是显示调节和校准。1.3.8测量显示①电路图如图1-12所示：成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计7图1-12测量显示电路图②原理描述：模拟信号经压/频转换器LM331,把电压信号转化为脉冲信号,脉冲信号送到单片机的计数/定时端口,有单片机对频率信号进行接收、处理、储存。由于压/频转换器LM331的压/频转换关系成线性,所以我们可以根据采集到频率数据知道模拟信号的大小,从而实现了模拟信号到数字信号的转换.频率计数器、定时器可以使用单片机的计数/定时端口，通过软件编程实现。基准频率，数据处理也是通过软件编程实现，数据可以储存到内部数据存储器或外部数据存储器中。测量显示包含了显示压强值和指数值的LED、锁存器、和采用共阳极发光二极管。显示压强值的LED的各字段由MCS-51接口P1提供74AHC573来驱动，显示指数值的LED各段电压由单片机P0接口提供，由74AHC573来驱动。1.3.9控制输出①电路图如图1-13所示：成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计8图1-13控制电路图②原理描述：这个控制输出是由三路控制的，通过继电器来实现的。此3个继电器的激励电流是分别由开关管BG38050、BG48050、BG58050来控制，而开关管的基极由微处理器的输出接口电压控制。当输出为1时，开关管接通，继电器也接通；当输出为0时，开关管不通，继电器也不通。控制点输出即是在开机设置测量上下线的时候用于校验在设置的测量范围内的真空数值准确与否，以控制外部输出。通过检测指示灯LED1和LED2的亮熄情况来判别。1.4总图如总图1，2和3所示(1)成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计9成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计10图1-14LEFT(2)图1-15RIGHT成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计11(3)图1-16HEAD成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计121.5程序流程图：图1-17程序流程图从这个工作流程图可以知道在这个工作原理。初始化的作用是将刚开机时单片机内部存储器清零。因为此时还没有检测到规管信号，内部的数据是随机的。手动设置控制点。当信号完成V/F变换以后将频率信号即脉冲信号送至单片机的定时/计数端口，对信号进行处理、存储。通过软件编程，查表输出对应7段码送至缓冲器到数码管。得到显示的真空度。将RS232通讯芯片的双发双收引脚接在单片机的TXD、RXD端和PC机的串口上，通过PC机检测到的地址来完成通讯功能。第二章安装调试2.1总装：①检查半成品电路板，是否有错误；②加一个模块电源；③U1和J1用排线连接，U16和U36连接；④测量模快电源的±15V和5V；⑤检测，安装单片机程序；⑥检查电路是否短路，是否存在安装错误；⑦通电调试。真空度对应关系表2-4公式110-1～105Pa0～5V真空度范围真空度(Pa)模拟电压(V)10-1～100P=[1+10.8×（V–0.000）]×10-10.000～0.833100～101P=[1+10.8×（V–0.833）]×1000.833～1.667101～102P=[1+10.8×（V–1.667）]×1011.667～2.500102～103P=[1+10.8×（V–2.500）]×1022.500～3.334成都电子机械高等专科学校通信工程系毕业论文设计13103～104P=[1+10.8×（V–3.334）]×1033.334～4.167104～105P=[1+10.8×（V-4.167）]×1044.167～5.0002.2调试流程：A、将组装好的真空计连接上热偶规管ZJ-54D，并将规管暴露在大气状态，开启电源，调节电位器W3使中心点电压为85mv。调节真空计面板上的“满度“电位器，使U4的输出为-6.4V,调节V/F电路5K电位器使仪表显示为：“1.0E5”，表示100000Pa。B、将组装好的真空计连接上热偶规管Z