真空計是測量真空度的儀器，目前市場上大多數(shù)熱偶規(guī)真空計都是一個熱偶規(guī)對應一個真空計，雖然有數(shù)值顯示，但只有開關量的輸出，沒有實時數(shù)據(jù)的輸出，不方便二次開發(fā)和利用。多通道熱偶規(guī)真空計可以同時對8 路熱偶規(guī)的信號做出處理，并且通過RS232 將數(shù)據(jù)輸出，可以更加直觀的觀察到真空度的變化。同時具有過載保護功能，當被測壓力超出熱偶規(guī)的量程時會自動切斷恒流源對熱偶規(guī)管進行保護。在使用的過程中不僅節(jié)省了空間，降低了測試成本，而且減少了復雜的布線。

　　隨著社會的進步和生產力的不斷提高，真空技術得到了迅速發(fā)展，廣泛的應用于國防建設、經濟建設和科學事業(yè)各個領域，推動并促進了科技研究和生產技術的發(fā)展。真空測量技術是真空技術的一個重要環(huán)節(jié)，主要由傳感器及其相應部件組成的真空測量設備完成，真空度的準確測量對于生產和科學研究都有著重大的影響。

　　熱偶規(guī)真空計是在冶金、機械、化工、電子等科研和生產領域中測量0.1~100 Pa 低真空時常用的一種測量儀器。傳統(tǒng)的熱偶真空計都是與熱偶規(guī)單一對應的，不能直接對真空度進行連續(xù)準確讀取。多通道熱偶規(guī)真空計可以同時采集八路熱偶規(guī)信號，測量準確度高，且能方便地讀取實時真空度，還可以根據(jù)實際應用將其進行功能擴展，具有較強的實用性。

1、多通道熱偶規(guī)真空計的硬件設計

　　熱偶規(guī)真空計硬件結構如圖1 所示，可分為單片機最小系統(tǒng)、AD 轉換模塊、恒流源模塊、信號采集放大模塊以及串口通訊模塊，其中熱偶規(guī)是作為感應元件，將被測環(huán)境的壓強信號轉換為微弱的電信號，經過信號采集放大模塊和A/D 轉換，通過模擬開關送入單片機進行數(shù)據(jù)分析處理，最后通過串口模塊將真空度輸出，其中恒流源模塊、信號采集放大模塊和AD 轉換模塊是整個硬件設計核心。

圖1 多通道熱偶規(guī)真空計硬件結構

　　恒流源模塊的作用是為熱偶規(guī)管中的加熱絲提供一個恒定的電流，保證熱偶規(guī)管穩(wěn)定工作，測量準確，真空技術網(http://www.13house.cn/)本文描述其原理如圖2 所示。

圖2 恒流源模塊電路原理圖

　　恒流源元件選用運算放大器HAF17358 和三極管組合的模式，并采用數(shù)字電位器X9C102 實現(xiàn)電流調節(jié)。

　　信號采集放大電路的主要功能是將熱偶規(guī)管輸出的微弱電壓信號進行采集并適當放大，使信號可以被AD 模塊采集讀取，其性能直接影響多通道真空規(guī)測試儀測量真空度的準確性和穩(wěn)定性。因此選用儀表放大器AD620 作為主要的放大元件，再經過一個由HA17358 組成的電壓跟隨器將放大后的信號送入AD 采集模塊，電路原理圖如圖3 所示。

圖3 信號采集放大電路原理圖

　　A/D 轉換模塊是把熱偶規(guī)輸出的模擬量信號轉換為數(shù)字量信號，模塊選用AD7705 作為轉換芯片，AD7705 是16 位無丟失，雙通道全差分模擬輸入A/D 轉換器，可以接受來自傳感器的低電平輸入信號，然后產生串行的數(shù)字輸出，通過片內控制

　　寄存器可調節(jié)濾波器的截止點和輸出更新頻率。該芯片是用于智能系統(tǒng)、微控系統(tǒng)和基于DSP 系統(tǒng)的理想產品，其串行接口可以配置為3 線接口，增益值、信號極性、更新頻率等都可以通過串行輸入口進行配置，還配備了自校準和系統(tǒng)校準選項，以消除器件本身和系統(tǒng)的增益和偏移誤差。AD 轉換模塊的電路原理圖如圖4 所示。

圖4 AD 轉換模塊電路原理圖

2、多通道熱偶規(guī)真空計的軟件設計

　　多通道真空規(guī)測試儀的軟件設計如圖5 所示，主要功能模塊包括恒流源控制模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等。使用傳統(tǒng)的循環(huán)模式執(zhí)行整個程序，采用模塊化的編程思想，有利于程序的調試、維護、擴展。

圖5 多通道熱偶規(guī)真空計軟件流程圖

　　當多通道熱偶規(guī)真空計上電后，會首先對恒流源模塊進行調節(jié)，并進行自檢，若恒流源達到設定值，待穩(wěn)定后對熱偶規(guī)產生的信號進行放大采集，判斷壓力是否超出熱偶規(guī)的量程。若超出量程，則關閉恒流源對熱偶規(guī)進行保護;若沒有超出量程，則對信號進行分析計算，將得到的真空度通過串口模塊發(fā)送出去。如此循環(huán)，達到實時采集真空度的目的。

3、多通道熱偶規(guī)真空計的非線性補償

　　熱偶規(guī)在測量不同的壓強時會有對應的熱電勢輸出，如式(1)所示：

V=f(P) (1)

　　式中：V 是熱偶規(guī)的電壓輸出值;P 是壓強值;熱偶規(guī)的輸出值V 與壓強值P 之間存在函數(shù)關系，但是這個關系式非線性的，想精確測量壓強，就必須對熱偶規(guī)的非線性進行補償修正[5]。根據(jù)選用的不同熱偶規(guī)的量程，用高精度真空計在量程范圍內選取不同的壓力點進行測量，記錄下每個測量點的壓力值和熱偶規(guī)對應的電壓輸出值，如表1 所示。

表1 測試數(shù)據(jù)

　　利用Orange 軟件進行擬合得到擬合函數(shù)，擬合得到的曲線如圖6 所示：

圖6 函數(shù)擬合曲線圖

　　通過擬合的曲線圖可以看出，擬合的曲線與測試點數(shù)據(jù)十分接近�？筛鶕�(jù)實際的精度要求和具體使用情況來確定擬合次數(shù)，將最優(yōu)的擬合函數(shù)寫入單片機，完成真空計的非線性修正補償工作，保證真空度測量準確性。

4、實驗結果

　　對多通道熱偶規(guī)真空計與高精度標準真空計進行測量對比實驗。在5 個壓力點分別對8 路熱偶規(guī)進行信號采集并記錄得到的真空度，如表2 所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

　　從上表可以看出，多通道熱偶規(guī)真空計在整個實驗過程中得到的數(shù)據(jù)與標準真空計基本吻合，精度和穩(wěn)定性都滿足要求。

5、結語

　　多通道熱偶規(guī)真空計以高性能微處理器為核心，采用了模塊化的硬件結構設計。在軟件上采用抗干擾技術，進一步提高多通道真空計的整體性能，并使用Orange 數(shù)學軟件對熱偶規(guī)的非線性進行擬合，方便簡單，保證了真空度測量的準確性。經過實際使用驗證，多通道熱偶規(guī)真空計可以互不干擾同時完成8 路熱偶規(guī)信號的采集和數(shù)據(jù)處理，降低了使用成本，節(jié)省空間，具有較好的應用前景。