热偶真空计系统设计总结报告.doc

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1、热偶真空计系统设计总结报告（王永昌,张斌鑫,王海程,张谢祥；褚向前；机械设计制造及其自动化10-11班机械与汽车工程学院）摘要：在真空度测量方面，目前，已有从105Pa到10-11Pa的各种真空计。当今，根据真空应用中对真空计使用要求，热导真空计在工业的真空测量中占有重要地位，主要用于冶金、机械、化工、电子等科研和生产领域中的粗、低真空的测量。而其中数字式热偶真空计应用广泛，产品种类也比较多，但在宽量程、可靠性、抗氧化性等方面还有一定的提升空间。因此，数字式热偶真空计的研究设计有着重要的实际意义。关键词：热电偶；真空计；真空度；一．项目背

2、景及研究内容真空科学与技术主要包括真空的获得和真空度的测量两个方面。真空的获得，即真空的产生和保持，它一般由机械设备实现，如利用机械真空泵等。真空度的测量，主要由传感器及其相应部件组成的真空测量设备完成。准确测量真空度、控制真空度对生产、生活、科学研究有着重要影响，对实验的成败和真空产品的质量都起到关键的作用。所以真空测量是真空技术的一个重要环节，真空测量具有重要的意义。我们结合真空测量技术的发展历史，通过对国内外近几年真空测量设备新产品的分析可知，真空计的设计并没有在新原理、新方法方面取得较多的突破性进展，更多的是在原有基本原理基础上的

3、改进和补充。真空测量技术的发展进入了一个相对稳定的时期。近些年来，由于电子技术和计算机技术的迅速发展，真空计又迎来新的发展，出现以单片机为核心的电子式真空计。电子真空计与传统真空计相比，测量上更精确、更稳定、更方便，还可以根据实际应用将仪器的功能进行扩展，具有较强的实用性。热偶真空计以其性能稳定、抗沾污、抗氧化、价格适中等优点被广泛应用于低真空测量领域，但由于热偶规这种传感器存在着较强的非线性，致使在数据处理上存在一系列的问题。为了提高测量精度，必须对其非线性进行处理。用传统数值计算方法处理，计算量繁重、过程冗杂。对热偶规真空计的基本结构

4、和工作原理加以研究分析，然后根据其特点提出具体的设计方案。本项目采用Mathematica数学软件中高次函数拟合功能，来拟合热偶规传感器的非线性特性，最后以热偶规管作为传感器，将被测环境的压强信号转换为微弱的电信号，经过信号放大和A/D转换，送入单片机数据处理、显示。本热偶规真空计以单片机为核心，可应用于低真空领域的真空度测量，其测量精度和稳定性满足实际需要，还可以根据实际应用将仪器的功能进行扩展，具有较强的实用性。设计的热偶规管真空计采用单片微机制作，充分利用其微机提供的硬件及软件资源，集成度高，可靠性强，功能适用，操作简便。二．热偶真

5、空计工作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。一根在真空中被加热的金属丝，达到热平衡状态时，它所消耗的总功率满足下列关系(1)其中：他们分别为：其中，是热丝的加热电流，是热丝电阻，为与热丝表面尺寸有关的常数，和分别为热丝和管壁的热辐射系数，为热丝平衡温度，为管壁和热丝支杆的温度，为与热丝材质和尺寸有关的常数;二为与气体种类和热丝表面积有关的系数，

6、为适应系数，为与热丝表面、规管几何形状、气体种类和热丝方位有关的常数，为气体压强。由此不难看出，对于给定的规管，若保持加热丝温度不变时，则(1)式可变为:(2)其中：当环境温度一定时，,和均为常数。式(2)为定温式热导真空计的基本关系式。它表明，对于特定气体，在定温工作状态下，加热丝的加热电流是容器气体压强的单值函数。热偶真空计是通过与热丝接触的热电偶来测量热丝温度的(图1-1所示)[2]。因此，只要改变加热电流，使在任何压强下，始终保持热电偶输出电势不变，即可达到定温的目的。此时，；其中,为高真空时加热丝的加热电流。这种定温过程可以通过

7、手动，也可以通过自动动调节来实现。本设计是自动定温式热偶真空计。如前所述，定温式热偶真空计就是通过对规管加热电流的调节，使在任何压强下，热电偶输出电势始终保持不变，从而根据输入电流的大小来测定压强值，即真空度。图2-1是真空计测温简图图2-1热偶规测温原理三．热偶真空计系统设计系统整体结构如下图所示，本系统主要由热偶规传感器、信号放大电路、A/D转换电路、显示模块、单片机控制系统、按键和电源系统组成。电源系统给热偶规传感器提供一恒定电流，热偶规传感器将被测真空环境的压强信号转换为微弱的电压信号，将电压信号放大处理，经过A/D转换后送入单片

8、机系统，在经过单片机系统的数据处理计算出测量环境的压强值，最后通过显示模块显示输出。图3-1热偶真空计系统框图1．电源系统本系统的电源由220V转5V的AC/DC电源适配器提供，该电源模块参数