CN103557991A - 一种用于压力测量的真空计校准方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压力测量的真空计校准方法及其装置，该方法主要包括数据输入、自校准数据生成、现场校准及修正；校准装置，主要包括热导式规管、规管工作与检测电路、多通道模数转换电路、数据输入及处理电路，所述热导式规管的电信号经规管工作与检测电路中的规管加热测量电路输出，再由数据输入及处理电路中的放大电路和模拟多路开关匹配传输至模数转换器转换成数字信号，该数字信号经微控制器处理后传至显示器显示或传至存储器保存。本发明以简单操作使数据输入并自动实现数据的修正，修正数据的方法直观可选，适应范围广，示值修正快速。

Description

一种用于压力测量的真空计校准方法及其装置

技术领域

本发明涉及真空测量技术领域，具体涉及一种用于压力测量的真空计校准方法及其装置。

背景技术

真空计（Vacuum Gauge），又称真空表，是测量真空度或气压的仪器。一般是利用不同气压下气体的某种物理效应的变化进行气压的测量。在科研和工业生产中广泛使用。

真空计校准是真空计制造和使用中常见的工作，真空计通常由规管与仪器电路组成。不同类型的规管适用于不同的真空度，如电离规、冷规适用于高真空，热导式规用于低真空，两种以上的复合能够实现从低到高真空范围的测量。真空规管大部分是与气体种类有关的相对真空规，规管的校准曲线难以由计算决定，通常仅作定性计算，即使使用计算的曲线，准确的定量最终要由实验验证。真空规管具有零散性，如热导式类的电阻规可以达到25%、热偶规达到20～30 %，与电路组成仪器的整体后允许误差20～50%，因此在仪器生产过程中常采取逐台调试和校准。热导规在使用寿命周期内，灵敏度和零点会变化，曲线因此会发生位移，须要定期进行校准。校准是确保仪器生产品质和使用效果的必要环节。

真空计的准确与否依据检定规程或校准规范 (如JJF1050-1996)作为判断，校准在几种情况中开展：1、真空计的制造中的生产调试和品质检验；2、规管与仪器配套或更换规管；3、仪器定期检定； 4、用户在使用中对于仪器准确度的检测。

当校准数据表明被校真空计示值误差超出允许范围，真空计失准时，现有处理方法分别如下：1、调整模拟电路工作参数，如电位器等可调元件；2、更换规管或电路元件；3、对带有补偿电路的规管，调整工作参数；4、各个规管的惟一的修正参数，存入芯片中与规管配套使用。

由于规管制造公差、材料的离散性、老化、温度等因素的影响，使得每只规管与仪器配套后的准确度都不同；不同种类型的规管因结构原理不同，各自的影响因素、修正方法和参数也是不同的。目前通常方法是依据工厂校准各个规管的惟一的修正参数，并存入芯片中与规管配套使用，如专利CN101084422A、CN202403867 U，对规管做个性化修正。实际上，经过逐一修正的规管，与仪器配套后的整体结果，也仍然由校准规范所提供的方法作为最终检验。以上方法1、2、3是传统模拟电路方法，依靠硬件调整的范围和效果有限。以上方法4是现有普遍采用的方法，将校正参数存入在规管和仪器中的记忆芯片，以提高真空计的准确性，它的特点是：针对规管作个性化的修正参数，修正参数的产生在仪器之外，完成后参数存入仪器，供仪器工作时调用。此方法须由专业人员经过用标准真空计的读数作为标准，与被校真空计的读数进行比对，记录、分析、计算和再次输入仪器等一系列工作，通常每次由手工进行数据敲入、软件调入打开、运算及输入输出的操作，主要依赖人工处理，费时且繁琐。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目在于提供一种用于压力测量的真空计及真空计自校准方法，其旨在解决现有目前依靠硬件调整的范围和效果有限，现有方法主要依赖人工处理，费时且繁琐的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于压力测量的真空计校准方法，其特征在于，该方法主要包括如下步骤：数据输入、自校准数据生成、现场校准及数据修正；

所述数据输入：若干系列校准点的标准值和被测值的输入，标准值预先被确定并输入，被测值实时触发输入；被测值在实时校准中，等待压力达到某一标准值再给触发输入动作，则该标准值对应的被校值相应输入；

所述自校准数据生成：校准检定过程中直接输入数据后，形成原始数据，根据输入的原始数据用插值法制表和曲线拟合；

所述现场校准：依标准值确定触发，并记录和保存此刻来自于规管测量电压信号，以标准值作为函数值，电压作为插值节点值；由此多点重复操作，得到一系列的函数值和节点值，再应用插值法构造整个测量范围的函数表 (Pa ~V)，必要时求拟合公式 P= f (v)；

所述数据修正：在测量状态下，依规管的实时数据经过查表或公式计算作出校准修正，并转换为真空值显示。

本发明提供的自校准装置，其特征在于，包括热导式规管、电离规管、规管工作与检测电路、多通道模数转换电路、数据输入及处理电路，所述热导式规管的电信号经规管工作与检测电路中的规管加热测量电路输出，再由数据输入及处理电路中的放大电路和模拟多路开关匹配传输至模数转换器(ADC)转换成数字信号，该数字信号经微控制器处理后传至显示器显示或传至存储器保存。

所述存储器中存放有预定校准点的标准压力数据、被测数据、表格及拟合公式。

所述规管加热及测量电路包括电桥电路、差分放大器和调整管。

本发明中的自校准装置还包括实现校准时数据输入操作的硬件组合键即调零键、选择键、输入键。

本发明中的自校准装置还包括用于显示多点校准值的带触摸键的智能显示屏。

结合上述自校装置，所述自校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

经状态键选择真空计处于校准状态；

输入密码、选定校准点类型；

将规管电压值由ADC读取后存储在仪器芯片之中；

当标准真空装置压力下降至零点时触发调零；

数字调零，取零点电平保存在芯片内部；

选校准点N显示；

判断校准点N输入是否触发；

若触发，取ADC的数字电压存为被测点N电压，根据标准值与对应被测值，修正校准的表格，计算公式参数并存储，并且选下一个标准点，回到步骤执行循环；若不触发，直接选下一个标准点；

是否退出校准状态，回到测量显示状态。

结合上述自校装置，所述自校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

经状态键选择真空计处于校准状态；

将规管电压值由ADC读取后存储在仪器芯片之中；

当标准真空装置压力下降至零点时触发调零；

数字调零，取零点电平保存在芯片内部；

选校准点N显示；

判断校准点N输入是否触发；

若触发，取ADC的数字电压存为被测点N电压，根据标准值与对应被测值，修正校准的表格，计算公式参数并存储，并且选下一个标准点，回到步骤执行循环；若不触发，直接选下一个标准点；

是否退出校准状态，回到测量显示状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、本发明以简单操作使数据输入并自动实现数据的修正，是一种参数产生的方法，适用于处理规管特性已知、稳定性好，但一致性不佳造成的测量误差，也适用于与气体种类有关的规管的校准。

二、本发明不用通常的逐位输入数据，也不须附加微机和串口联线等硬件设备，每组多位数据的输入只有几个键，操作过程动作简练；数据采集之后的处理均由模块中的芯片一次连续完成，取代了繁琐手工操作，在真空计制造工艺中校准标定一次完成； 做成模块，当规管信号范围与ADC匹配后，就可以快速标定、修正压力数据显示，总之可减轻校准工作量，提升生产效率。

三、本发明快速简便，修正数据的方法直观可选，适应范围广，示值修正快速。

附图说明

图1为自校准真空计系统图；  

图2、图3 为校准流程图；

图4 为测量显示流程图；

图5 为存储模块中校准点数据，包括预存的标准值和实时被测值。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

校准过程使用符合规范的标准真空装置，在规管工作压力范围内提供需要的校准压力Pa数据，对应的规管测量电路的输出电信号为被测数据。校准用动态直接比较法，其基本原理是将待测被校真空计与标准真空计接在同一校准室上，该室所需的压力通过动态平衡调节取得，用微调针阀调节校准室压力，用标准真空计作为监测。

如图1所示的自校准真空计系统装置构成，包含规管、规管工作与检测电路、数据输入及处理电路。电阻规141，经规管加热测量电路280输出，由放大电路270、模拟多路开关290匹配输入模数转换器260，再传至微控制器（MCU）210。测量时微控制器将规管数据送数码显示器220、带触摸键显示屏240；校准时微控制器将数据输入内置存储器或外接存储器250中，用于制表和修正测量结果。LED数码显示器220与由调零键、选择键、输入键构成的硬件组合键230，实现校准时数据输入操作。智能显示屏带触摸键240，以多点校准值显现，用翻页或上下拉动屏幕视窗滚动、移动，使所要校准值出现在可视屏幕范围，也能完成数据显示及触键动作，与数码显示器同硬件组合键组合的功效相同，但操作更便利。上述存储器件，存放预定校准数据、被测数据、表格及拟合公式，预定标准值在制造过程中输入至其中。I/O接口提供校准数据表及公式参数输出。

规管加热测量电路包括电桥电路、差分放大器和调整管，从而控制规管热丝加热，调节电压使电阻规管热丝的温度和电阻保持恒定；规管输出的信号电压，随压强变化。

放大电路270、模拟多路开关290连接在电阻规管加热及测量电路的输出端和模数转换器之间，规管的全量程输出电压范围匹配模数转换器260，260输出数字信号连接到微控制器芯片210。热导式规管的测量电路输出电压与ADC器件电压可用范围相匹配，并确保按图4之步骤550扣除零点电压后，所获得的规管信号电压的分辨率或精度仍然符合压力测量值的误差要求。

图1所示，规管均通过真空密封件连接到真空系统校准室120。电离规、冷规、β放射离子规收集极电流作为离子流放大器输入，由I-V转换电路构成，输入端连接到规管的收集极，输出端连接到模拟多路开关，模拟多路开关的输出又连接到模数转换器的输入端。离子流放大器满足和覆盖规管全量程的离子流转换为电压，此电压应符合ADC器件的采样信号要求。

灯丝加热稳发射电路、阳极稳压电路提供电离规所需工作电流和电压。冷规的阳极接直流高电压电路。β放射离子规的阳极接直流工作电压电路。

微控制器芯片，对来自模数转换器的信号按图2、图3所示步骤作数字调零，在测量状态下再根据电压与压力的关系将电压转换成当前压力显示，电压与压力的关系来源于规管校准特性曲线。在真空校准状态时，在测量压力范围的上下限之间选相应若干校准点，取得被测数据，由微控制器执行数据表的生成或曲线拟合，得到电压与压力的关系。所述微控制器可以采用ATmega128系列芯片。 

数码显示器同调零键、选择键、输入键组合，由选择键提取存储器中标准数据依次呈现在数字显示器中，状态指示灯同步响应，输入键触发被测数据输入。带触摸键的显示屏，触摸键包括选择状态键、页面键、校准键，校准键为预存校准点值，校准键N个同时呈现于视窗中，直接触摸屏上的校准点值，即触发校准键。校准点值显示为预存的标准压力值，也可以为校准点的编号。    

如图2、图3所示本装置的校准流程。由图1中的微控制器执行指令实施方法300进入校准状态，从步骤310开始，步骤320将规管电压值由ADC读取并存入仪器存储芯片之中。步骤330中，当标准真空装置压力下降至零点时触发调零。步骤340是数字调零，取零点电平保存在芯片内部。步骤350从存储器中提取图5中第n校准点的值被作为待校准提示，用递增和递减键选择LED数码管220显示为预定值 。步骤360随着标准装置120的压力值到达第n标准点时，输入键230是否触发确认，如果触发且有一响应，则在步骤370中读取此刻被确认标准点的对应电压数值，仪器存储此被采集的电压数值，存储在EEPROM、FLASH等存储器中。步骤380根据标准值与对应被测值，修正校准的表格，计算公式参数并存储。步骤390选下一个标准点，回到步骤350执行循环。在此过程中标准值或提示符出现在显示器220和240，等待标准装置的标准计压力值到达时，就可以触发被测值的输入。步骤395，是否退出校准状态，回到测量显示状态。

在步骤330，对于热导式(如电阻、热偶)真空计调零的条件为系统达到仪器测量压力下限的2%。

步骤340对于热导式规管（如电阻规、热偶规）有效，随着压力的降低，达到规管信号的下限电压(对应于真空规管测量的下限），其规管数值不为零，称为零点电压。

热导式规管的零点电压输入方法：通常由模拟电路设定并在测量过程全程抵扣，从测量信号中减去。步骤340为软件扣除零点方法：是将零点电压由数字电路采样取值后，存入存储器单元中。在测量过程中，如图4步骤550，全程均由微控制器从放大电路的采样电压信号中扣除零点电压。

步骤360选中时有一响应，所述响应包括鸣声，闪烁，变色，字符提示已经有输入。

步骤370，形成图5所示表格的被测规管实时数据。

根据此表格中的数据，作为原始数据表，用插值法填补相邻校准点之间的数据，得到压力与电压(P-V)表格；用拟合曲线法，又可以得到规管的校准特性公式，由步骤380完成。步骤396是图2流程结束并返回到图4所示的测量状态。   

步骤380采用数据处理的基本技术——插值法和曲线拟合方法。

生成表格方法适用热导规: 对于热导式规管，规管电压与压力有非线性特点，因此根据精度或允差要求，采取密集选取校准点的压力值，并实时输入对应被测值；而相邻校准点之间的点，直接用插值法求得。如电阻规，以两位系数表示，如5.1×10^-1 Pa，那么形成0.5~2500Pa的压力与电压关系表格，将有300至400组数据，需占有300至400字节存储单元，表格排列形式为电压数字信号指示单元地址，单元中存放校准的Pa值和插值法计算的Pa值，供图4测量状态时查表，将规管原始值转换为压力显示。 

对于电离规、冷规和β规等，它们的离子流与压力在主量程范围具有良好的线性关系，因此采用线性函数y=ax+b作拟合曲线，按压力数量级分段，则校准点在每个数量级预定选取数个插值点，通过实时输入得到对应被测值，以最小二乘法求得回归方程，在每个数量级得到一个公式。 图4中570步骤，使用公式将被测值转换为压力示值。

校准步骤完成后，标准值与对应被测值作为原始数据表、计算生成的校准表格及曲线拟合数据等已经存入仪器之中，供如图4 步骤570使用。

如图3所示流程，微控制器执行指令实施方法400由图1装置用240触摸屏幕执行：键的符号用校准点值，每个示值就是键的位置，校准值就表示一个键。步骤450，是从存储器中提取压力标准数据值出现在显示屏240上，所出现方式为多点压力标准值显现；用翻页或上下拉动屏幕内容滚动、移动，使所要标准值出现在可视屏幕范围。步骤460，当标准装置的压力达到屏幕上所示某个标准值，直接触发该示值的触摸键，即确认输入；触发后有响应，响应包括鸣声，闪烁，变色，字符提示。图3的其它步骤与图2相同。

步骤410，为图1中运用屏幕240显示界面时的功能，可以根据规管类型选择设定校准点的选项：制表、曲线、密集、普通及精度划分。 

依照图1连接，其校准的工作过程按包含以下步骤：

1、将规管联接在校准装置真空系统上，再与自校准仪器相连接，操作仪器进入校准状态。

2、使预定的第一校准点显现于本自校准仪器显示屏上。

3、用标准仪器观察真空系统压力，当调节压力达到量程中的第一个点的标准值且稳定，立即在本自校准仪器上触键。

4、使预定的第二校准点显现于自校准仪器显示屏上。

5、调节压力达到量程中的第二个点且稳定，立即在自校准仪器上触键。 

6、使预定的第三校准点显现于自校准仪器显示屏上。

7、调节压力达到量程中的第三个点且稳定，立即在自校准仪器上触键。

8、以此类推，调节压力达到量程中的第n个点且稳定，立即触键。

校准可以随时结束，当操作仪器返回测量状态，仪器显示则是经校准后的压力数值。

基于图2、图3的操作过程有所区别，如图2所示，实现本方法的校准流程：

1、如图1，标准真空计、被测规管、被测自校准真空计联接到真空校准系统。

2、触发被测真空计进入校准状态，显示示值随即为校准点值及提示，校准状态指示灯亮并保持；对于LED数码显示窗口，出现图5中的某个标准压力值；当此后触发输入键时，图5对应表格中 Vn随即被新输入值替代，形成原始的实时数据表。

3、抽真空，当标准真空计读数示值指示系统压力下降到被测仪器下限的2%，触发被测真空计调零键完成调零。

4、按递增键，选择校准点1号校准示值出现。

5、用微调阀调节，当标准真空计指示系统压力达到1号点值，按“确认”键，实现被测值输入。

6、按递增键，至第二个校准点示值出现。

7、标准真空计指示系统压力达到2号点值，按“确认”键，实现被测值输入。

8、以此类推，实现多个被测值输入。

9、校准结束，操作仪器返回测量状态，仪器显示则是已经校准后的压力数值。

如图3所示，实现本方法的校准流程：

1、标准真空计、被测规管、被测自校准真空计联接到真空校准系统。

2、触发被测真空计进入校准状态，屏幕显示随即为校准点值，图5所示的标准值同时呈现于视窗中，以多点校准值显现；用翻页或上下拉动屏幕内容滚动、移动，使所要标准值出现在可视屏幕范围。

3、抽真空，当标准真空计读数示值指示系统压力下降到被测仪器下限的2%，按触发被测真空计调零键完成调零。

4、用微调阀调节，当标准真空计指示系统压力达到1号点标准值，触发此校准点值，图5中对应表格中 V₁ 随即被新输入值替代，即实现被测值输入，形成原始的实时数据表。

5、当标准真空计指示系统压力达到2号点值，按屏幕上显示2号点值即触发，实现被测值输入。

6、以此类推，实现多个被测值输入。

7、校准结束，操作仪器返回测量状态，仪器显示则是已经校准后的压力数值。

图4是方法500，为装置在主程序的测量显示状态下运行，规管的测量数据根据表格或公式转换成压力显示。对于图1装置的测量显示流程，在步骤540由状态键决定，选择yes，装置在测量显示状态下运行，此时规管取得的电压信号经匹配电路与ADC输入匹配后，由微控制器依据EEPROM、FLASH等存储体中的表格和拟合的特性曲线，转换为压力的数值显示在屏幕或LED数码管上。如果选择no，仪器工作于校准状态下，则执行图 2之方法300 、图 3所示方法400。图4之步骤550，从模数转换器260得到的数据中扣减图2、图3取得的零点电平。步骤560，经过扣零的规管测量信号准备用于查表或计算。图4之步骤570，根据规管类型和测量允许误差，决定数据的转换方式，电阻和热偶真空规是非线性，用查表格方法，表格由图2、图3实时得到的足够密集校准点原始表格，再用分段线性插值生成的完整表。电离规、冷规、β规选用的是按压力量程的数量级分段，以线性函数拟合得到的回归公式。步骤560，经过修正的压力数据送至显示器。

如图5所示，为存储模块中预存的标准压力数据及对应的实时输入值。预存的数目N根据规管和精度确定，热导式规管如电阻计，为满足JB/T10074-2004中规定的测量误差要求，选定每个数量级的校准点取值间距和数目，每个数量级可以多至13个，以下是一种取法：

校准点：P₁   P₂   P₃  P₄   P₅   P₆  P₇   P₈  P₉   P₁₀  P₁₁  P₁₂  P₁₃

压力： 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)

被测值:  V₁  V₂  V₃  V₄   V₅  V₆  V₇   V₈  V₉  V₁₀  V₁₁  V₁₂  V₁₃ (V)

对于有线性特征的电离规，选取每个数量级的校准点3个以上。 

Claims (5)

1.一种用于压力测量的真空计校准方法，其特征在于，该方法主要包括数据输入、自校准数据生成、现场校准及数据修正；

所述数据输入：若干系列校准点的标准值和被测值的输入为，标准值预先被确定并输入，被测值实时触发输入；被测值在实时校准中，等待压力达到某一校准点的标准值再给触发输入动作，则该标准值对应的被测值相应输入；

所述自校准数据生成：校准检定过程中直接输入数据后，形成原始数据，根据输入的原始数据用插值法制表和曲线拟合；

所述现场校准：依标准值确定触发，并记录和保存此刻来自于规管测量电压信号，以标准值作为函数值，电压作为插值节点值；由此多点重复操作，得到一系列的函数值和节点值，再应用插值法构造整个测量范围的函数表，必要时求拟合公式 P= f (v)；

所述数据修正：在测量状态下，依规管的实时数据经过查表或公式计算作出校准修正，并转换为真空值显示。

2.真空计自校准装置，其特征在于，包括热导式规管、规管工作与检测电路、多通道模数转换电路、数据输入及处理电路，所述热导式规管的电信号经规管工作与检测电路中的规管加热测量电路输出，再由数据输入及处理电路中的放大电路和模拟多路开关匹配传输至模数转换器(ADC)转换成数字信号，该数字信号经微控制器处理后传至显示器显示或传至存储器保存。

3.根据权利要求2所述的真空计自校准装置，其特征在于，所述存储器中存放有预定标准压力数据、被测数据、表格及拟合公式。

4.根据权利要求2所述的真空计自校准装置，其特征在于，所述规管加热及测量电路包括电桥电路、差分放大器和调整管。

5.根据权利要求2所述的真空计自校准装置，其特征在于，还包括实现校准时数据输入操作的显示器和硬件组合键即调零键、选择键、输入键，以及用于显示多点校准值的带触摸键的智能显示屏。

Images