真空技術是現代科學技術的一個重要組成部分, 廣泛應用于國民經濟中的各個領域里, 推動并促進了科技研究和生產技術的發展, 而真空測量是真空技術的一個重要環節。現在真空測量的傳感器, 大部分都是用電離規, 并且在中程真空范圍用途最廣泛。常用的電離真空規測量儀, 都采用模擬電路控制發射電流, 并把它當成固定數來運算, 這樣會產生一些不足之處, 例如: 由于外界干擾或元器件老化造成電流有偏差; 或控制環中的漂移產生不穩定, 由此而導致測量誤差較大。為消除此類不良現象, 我們應用現代控制理論—PID和Fuzzy控制, 采用數字電路控制發射電流, 控制環中都用16位的高分辨率A/D和D/A,且把發射電流測量值參入運算, 允許發射電流有一定的變化范圍。這樣既提高了測量精度, 又在它們的線性區域內擴充量程。為保障儀器正常運轉, 開機有自檢功能,運行有自我保護措施。若超量時,自動關掉規管電源, 并顯示“故障”; 為防外界干擾, 儀器中軟、硬件加有抗干擾措施。

1、工作原理

　　電離規是根據氣體電離與氣體密度成正比而制成的。在固定結構和固定電壓的條件下發射電流ie,收集電流i+ 和真空系統中的壓強P 有如下關系

i+=kieP(1)

　　式中　k稱為規管的靈敏度。它的結構類同于電子三極管。燈絲加熱陰極, 電子獲得能量在電場作用下, 脫離陰極跑向柵極。各極的電壓和規管的結構決定了規管的常數 , 如DL-5的k=0.015A/Pa。陰極電流的大小與加熱燈絲電壓緊密相關。根據電離規管的特點, 智能測試儀電路設計由: 單片機與顯示部分、閉路控制系統、采樣測試部分和各直流電源等四部分所組成, 總體構成如圖1 所示。下面分別敘述之。

2、單片機與顯示部分

　　單片機控制各部分工作,協調I/O口動作, 發出顯示的數據是儀器的核心部分。這里采用的是8031。為了充分利用單片機的資源, P1.5、外部INTO和定時器組成一個控制發射電流的閉環系統, P1.3用于選擇發射電流的大小, P1.0～ P1.1用于選擇測量的量程, P1.6啟動A/D轉換, P1.7判斷數據是否溢出, P1.4用于選擇測量發射電流或測量收集電流。為了今后進一步擴展留有余地, 選用2764片和8K以上的EPROM片, 都是28腳, 這對升級很方便。為了處理大量數據的信息、糾錯方案和軟件容錯, 需要大容量的RAM,因此擴充2K的RAM,且在I/O上我們也留有I/O口。經過一芯片擴展, 只要與外圍設備接上就可以工作。這臺測量儀不僅可單獨工作, 而且還可與上位機聯網通信, 故留有通信口。為了提高設備的可靠性和可維修性, 在軟、硬件上都采用保護措施, 為使真空測量能在環境非常惡劣條件下進行, 首先保證CPU 正常, 即使外圍線路損壞, 也不能損壞CPU。我們采用緩沖器隔離CPU 與外界打交道, 若線路有故障時, 有報警顯示且有自診功能。硬件上雖具有一定的抗干擾措施,但不能把千變萬化的干擾信號完全處理掉, 因此還利用軟件的優勢, 采用容錯技術, 如設置看門狗, 進行捕捉和恢復。另一方面根據采樣的數據可以預防過大的電流和電壓, 預測故障等。

圖1　總體結構框圖

　　數碼顯示器告訴人們測量的數據, 且是故障顯示的唯一窗口。考慮CPU工作繁忙, 采用8279芯片。然而一般用8279芯片驅動數碼線路都比較復雜而且體積大, 我們采用總線驅動, 直接利用兩片74LS244, 這樣成本較低, 體積小了。

3、閉環控制系統

　　發射電流是一個閉環控制系統。過去設備是往往采用模擬線路來控制, 這樣有些不足之處: 發射電流穩定性差, 達到的測量精度不高, 隨時間增加而漂移越來越大等。我們在不增加元件的條件下, 改為數字電路控制, 不但克服上述缺點, 而且增加很多優越性。一是擴展量程, 根據公式(1) 在發射電流與收集電流的線性范圍內, 真空度高時, 可增大發射電流,使收集電流能在正常測量范圍內工作; 同樣在真空度低時,降低發射電流; 二是可以根據采樣發射電流的數據, 可以預報奇異情況。若在測量真空時, 暴露了大量空氣, 它會自動切斷燈絲電源; 其三為了提高控制精度和測量精度, 我們采用A/D轉換器是十六位雙積分器, 導相角的分辨率也是十六位, 電路如圖2 所示。這里只需增加模擬開關, 采樣在收集極電流電路的基礎上, 再增加兩條線進入單片機。一條交流同步信號, 進入INTO告訴交流起點。另一條是控制雙向可控硅的導通時間。這個時間應用定時器T0, 調相控制加熱燈絲電壓。控制方法我們采用PID與Fuzzy控制, 好處是上升時間短, 超調量小, 比較平穩, 抗干擾性強。詳情見真空技術網另文。

圖2　閉環控制系統電路