專(zhuān)利名稱(chēng)：真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電子技術(shù)與真空技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及向真空系統(tǒng)中注入恒壓氦 氣的裝置及方法，主要用于向真空系統(tǒng)中注入恒定壓強(qiáng)的氦氣。
背景技術(shù)：
為了研究原子、分子或離子等粒子的物理性質(zhì)，有些實(shí)驗(yàn)必須在超高真空度的真 空系統(tǒng)中進(jìn)行，真空系統(tǒng)主要包括啟密封作用的真空密封腔和用于測(cè)量真空度的真空計(jì)。 許多在真空中進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)中，為了更好的研究原子、分子或離子等粒子的物理性質(zhì)，必 須對(duì)具有較高的溫度或熱運(yùn)動(dòng)能量的粒子進(jìn)行冷卻。一種簡(jiǎn)單可靠的方法就是向真空系統(tǒng) 中注入高純度的惰性氣體-氦氣，通過(guò)氦氣和粒子的碰撞降低粒子熱運(yùn)動(dòng)能量或溫度以冷 卻囚禁粒子。由于不同壓強(qiáng)的氦氣和粒子碰撞時(shí)的碰撞幾率不同，因此在不同的氦氣壓強(qiáng) 下，粒子的溫度也會(huì)不同。在對(duì)粒子溫度恒定性要求較高的實(shí)驗(yàn)中，如汞離子微波時(shí)間頻率 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)等，氦氣壓強(qiáng)不穩(wěn)定所導(dǎo)致的粒子溫度的變化將影響時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性。因 此，真空系統(tǒng)中氦氣保持穩(wěn)定的壓強(qiáng)是十分重要的。目前，向真空系統(tǒng)中注入高純度氦氣的方法是利用過(guò)濾式氦氣微漏閥(也稱(chēng)氦漏) 將氣瓶中的氦氣注入真空系統(tǒng)(見(jiàn)專(zhuān)利CN 1479031A)，該方法是通過(guò)對(duì)氦漏的溫度控制來(lái) 控制氦氣向真空系統(tǒng)的滲透速率，這種方法的不足之處在于當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化或 維持真空系統(tǒng)的真空泵抽氣速率變化時(shí)，真空系統(tǒng)中氦氣的壓強(qiáng)也將發(fā)生變化，而由于溫 控系統(tǒng)的存在氦漏仍然以原滲透速率向系統(tǒng)中注入氦氣，因此無(wú)法保證真空系統(tǒng)氦氣壓強(qiáng) 的穩(wěn)定。同時(shí)由于氦氣滲透率不僅和氦漏溫度有關(guān)，而且和氦漏兩邊氦氣壓強(qiáng)差有關(guān)(壓強(qiáng) 差越大滲透率越大)，當(dāng)氦漏長(zhǎng)期工作時(shí)其中的氦氣逐漸減少，氦氣壓強(qiáng)差逐漸減少，氦氣 滲透率減小，真空系統(tǒng)中的氦氣壓強(qiáng)隨之減小，同樣無(wú)法保證真空系統(tǒng)氦氣壓強(qiáng)的穩(wěn)定。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置。該裝置由真空信號(hào) 探測(cè)部件、脈寬調(diào)制信號(hào)部件、功率調(diào)節(jié)部件、氦氣源和真空系統(tǒng)組成；能自動(dòng)調(diào)節(jié)氦氣的 滲透率，使得真空系統(tǒng)的氦氣壓強(qiáng)達(dá)到并穩(wěn)定在設(shè)定值。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置由信號(hào)探測(cè)部件、脈寬調(diào)制信號(hào)部件、功率調(diào)節(jié)部件、 氦氣源和真空系統(tǒng)組成；信號(hào)探測(cè)部件由真空規(guī)電源、真空規(guī)和電流電壓轉(zhuǎn)換電路組成，脈 寬調(diào)制信號(hào)部件由信號(hào)放大電路、電壓設(shè)定電路、減法電路、比例積分微分(PID)電路、鋸齒 波發(fā)生電路和電壓比較電路組成，功率調(diào)節(jié)部件由過(guò)零觸發(fā)器和雙向可控硅組成，氦氣源 由氦瓶、減壓閥和氦漏組成。真空規(guī)安裝在真空系統(tǒng)上探測(cè)真空信號(hào)，真空規(guī)電源接口與真空規(guī)電源連接得到 所需的電源。真空規(guī)信號(hào)接口與電流電壓轉(zhuǎn)換電路(《新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程.入門(mén)、 提高、開(kāi)發(fā)拓展全攻略》電子工業(yè)出版社P504)輸入端連接，將反映真空系統(tǒng)的真空度的離子流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出端與信號(hào)放大電路(《電子技術(shù)》(第五 版)高等教育出版社P111)輸入端連接，信號(hào)放大電路輸出端和減法電路(《電子技術(shù)》(第 五版)高等教育出版社P331)負(fù)輸入端連接，減法電路正輸入端連接到電壓設(shè)定電路(《新 概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程.入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)拓展全攻略》電子工業(yè)出版社P506)，使得電 流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)電路放大放大后，和電壓設(shè)定電路的電壓信號(hào)通過(guò) 減法電路相比較得到誤差信號(hào)。減法電路輸出端與比例積分微分電路(《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模 擬部分(第四版)高等教育出版社P336)輸入端連接，比例積分微分電路輸出端與電壓比較 電路(《電子技術(shù)基礎(chǔ)》模擬部分(第四版)高等教育出版社P418)負(fù)輸入端連接，電壓比較 電路正輸入端與鋸齒波發(fā)生電路連接，使得減法電路輸出的誤差信號(hào)經(jīng)比例積分微分電路 進(jìn)行調(diào)整后，和鋸齒波發(fā)生電路(XR2206芯片使用說(shuō)明)產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)經(jīng)電壓比較電路 得到脈寬調(diào)制信號(hào)。電壓比較電路輸出端與過(guò)零觸發(fā)器輸入端連接，過(guò)零觸發(fā)器輸出端與 雙向可控硅的控制端連接(機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，Vol. 21，No. 3，170)，雙向可控硅電流輸入 端連接到電源，雙向可控硅電流輸出端與氦漏加熱絲的一端連接，氦漏加熱絲的另一端與 電源連接，使得脈寬調(diào)制信號(hào)輸入到過(guò)零觸發(fā)器，驅(qū)動(dòng)雙向可控硅。在脈寬調(diào)制信號(hào)輸出為 高時(shí)，過(guò)零觸發(fā)器導(dǎo)通，在交流過(guò)零時(shí)可連續(xù)觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，加熱絲加熱。在脈寬 調(diào)制信號(hào)輸出為低時(shí)，過(guò)零觸發(fā)器截止，交流電壓在過(guò)零后雙向可控硅斷路，加熱絲停止 加熱。從而完成氦漏加熱絲功率的調(diào)功控制。氦漏進(jìn)氣口與減壓閥出氣口連通，減壓閥進(jìn) 氣口與氦瓶出氣口連通，氦漏出氣口與真空系統(tǒng)連通，使得氦氣由氦瓶經(jīng)減壓閥減壓后注 入氦漏，氦漏和真空系統(tǒng)連接，氦氣通過(guò)氦漏滲透到真空系統(tǒng)中。真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置的恒壓控制方法包含下列步驟a、接通真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置的所有電源，將電壓設(shè)定電路的電壓設(shè)定為 乂』，0伏彡、彡5伏，士=1，2，3，...，N，j=l，2，3，...，N;b、當(dāng) i 乒 j 時(shí)，Vi 乒 Vj，l< i，j < N;C、用真空計(jì)監(jiān)測(cè)真空系統(tǒng)的壓強(qiáng)，直至真空計(jì)顯示讀數(shù)穩(wěn)定；d、真空計(jì)的讀數(shù)即是電壓設(shè)定電路的電壓設(shè)定為\時(shí)所對(duì)應(yīng)的真空系統(tǒng)氦氣壓 強(qiáng)Pj ；e、當(dāng)j取遍ΓΝ時(shí)，就得到N組電壓設(shè)定電路13電壓與真空系統(tǒng)5氦氣壓強(qiáng)的對(duì) 應(yīng)關(guān)系(、，ΡΡ，j=l，2，3，…，N;f、當(dāng)真空系統(tǒng)氦氣壓強(qiáng)需為&時(shí)，只要將電壓設(shè)定電路的電壓設(shè)定為、，真空系 統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置運(yùn)行后，真空系統(tǒng)5氦氣的壓強(qiáng)即可穩(wěn)定在P,本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)該裝置利用真空規(guī)直接反饋壓強(qiáng)信號(hào)， 通過(guò)該反饋信號(hào)控制氦漏加熱絲的加熱功率，調(diào)節(jié)氦氣的滲透率，實(shí)現(xiàn)對(duì)注入真空系統(tǒng)中 氦氣壓強(qiáng)的直接控制，不受環(huán)境溫度、真空泵抽速及氦漏兩邊氦氣壓強(qiáng)差變化的影響；該控 制器利用脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)氦漏加熱功率即氦氣滲透率的控制，對(duì)注入真空系統(tǒng)中氦氣壓強(qiáng) 具有較高的控制靈敏度。

圖1為真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。由圖1可知，真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置由信號(hào)探測(cè)部件1、脈寬調(diào)制信號(hào)部件2、 功率調(diào)節(jié)部件3、氦氣源4和真空系統(tǒng)5組成；信號(hào)探測(cè)部件1由真空規(guī)電源11、真空規(guī)12 和電流電壓轉(zhuǎn)換電路13組成，脈寬調(diào)制信號(hào)部件2由信號(hào)放大電路21、電壓設(shè)定電路22、 減法電路23、比例積分微分電路24、鋸齒波發(fā)生電路25和電壓比較電路26組成，功率調(diào)節(jié) 部件3由過(guò)零觸發(fā)器31和雙向可控硅32組成，氦氣源4由氦瓶41、減壓閥42和氦漏43組 成；真空規(guī)12安裝在真空系統(tǒng)5上，真空規(guī)12電源接口與真空規(guī)電源11連接，真空規(guī)12 信號(hào)接口與電流電壓轉(zhuǎn)換電路13輸入端連接，電流電壓轉(zhuǎn)換電路13輸出端與信號(hào)放大電 路21輸入端連接，信號(hào)放大電路21輸出端和減法電路23負(fù)輸入端連接，減法電路23正輸 入端連接到電壓設(shè)定電路22，減法電路23輸出端與比例積分微分電路24輸入端連接，比例 積分微分電路24輸出端與電壓比較電路26負(fù)輸入端連接，電壓比較電路26正輸入端與鋸 齒波發(fā)生電路25連接，電壓比較電路26輸出端與過(guò)零觸發(fā)器31輸入端連接，過(guò)零觸發(fā)器 31輸出端與雙向可控硅32的控制端連接，雙向可控硅32電流輸入端連接到電源，雙向可 控硅32電流輸出端與氦漏43加熱絲的一端連接，氦漏43加熱絲的另一端與電源連接，氦 漏43進(jìn)氣口與減壓閥42出氣口連通，減壓閥42進(jìn)氣口與氦瓶41出氣口連通，氦漏43出 氣口與真空系統(tǒng)5連通。真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置的恒壓控制方法包含下列步驟a、接通真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置的所有電源，將電壓設(shè)定電路(13)的電壓設(shè)定 為、，0 伏彡 Vj 彡 5 伏，i=l，2，3，...，N，j=l，2，3，...，N;b、當(dāng) i 乒 j 時(shí)，Vi 乒 V」，l< i，j < N;C、用真空計(jì)監(jiān)測(cè)真空系統(tǒng)的壓強(qiáng)，直至真空計(jì)顯示讀數(shù)穩(wěn)定；d、真空計(jì)的讀數(shù)即是電壓設(shè)定電路13的電壓設(shè)定為\時(shí)所對(duì)應(yīng)的真空系統(tǒng)5氦 氣壓強(qiáng)Pj;e、當(dāng)j取遍ΓΝ時(shí)，就得到N組電壓設(shè)定電路13電壓與真空系統(tǒng)5氦氣壓強(qiáng)的對(duì) 應(yīng)關(guān)系(VpPj), j=l，2，3，…，N;f、當(dāng)真空系統(tǒng)5氦氣壓強(qiáng)需為P」時(shí)，只要將電壓設(shè)定電路13的電壓設(shè)定為、真 空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置運(yùn)行后，真空系統(tǒng)5氦氣的壓強(qiáng)即可穩(wěn)定在P,
權(quán)利要求1.真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制裝置，其特征在于，該裝置由信號(hào)探測(cè)部件(1 )、脈寬調(diào)制信 號(hào)部件(2)、功率調(diào)節(jié)部件(3)、氦氣源(4)和真空系統(tǒng)(5)組成；信號(hào)探測(cè)部件(1)由真空 規(guī)電源(11)、真空規(guī)(12)和電流電壓轉(zhuǎn)換電路(13)組成，脈寬調(diào)制信號(hào)部件(2)由信號(hào)放 大電路(21)、電壓設(shè)定電路(22)、減法電路(23)、比例積分微分電路(24)、鋸齒波發(fā)生電路 (25)和電壓比較電路(26)組成，功率調(diào)節(jié)部件(3)由過(guò)零觸發(fā)器(31)和雙向可控硅(32) 組成，氦氣源(4)由氦瓶(41)、減壓閥(42)和氦漏(43)組成；真空規(guī)(12)安裝在真空系統(tǒng) (5)上，真空規(guī)(12)電源接口與真空規(guī)電源(11)連接，真空規(guī)(12)信號(hào)接口與電流電壓轉(zhuǎn) 換電路(13)輸入端連接，電流電壓轉(zhuǎn)換電路(13)輸出端與信號(hào)放大電路(21)輸入端連接， 信號(hào)放大電路(21)輸出端和減法電路(23)負(fù)輸入端連接，減法電路(23)正輸入端連接到 電壓設(shè)定電路(22)，減法電路(23)輸出端與比例積分微分電路(24)輸入端連接，比例積分 微分電路(24)輸出端與電壓比較電路(26)負(fù)輸入端連接，電壓比較電路(26)正輸入端與 鋸齒波發(fā)生電路(25)連接，電壓比較電路(26)輸出端與過(guò)零觸發(fā)器(31)輸入端連接，過(guò)零 觸發(fā)器(31)輸出端與雙向可控硅(32)的控制端連接，雙向可控硅(32)電流輸入端連接到 電源，雙向可控硅(32)電流輸出端與氦漏(43)加熱絲的一端連接，氦漏(43)加熱絲的另一 端與電源連接，氦漏(43)進(jìn)氣口與減壓閥(42)出氣口連通，減壓閥(42)進(jìn)氣口與氦瓶(41) 出氣口連通，氦漏(43)出氣口與真空系統(tǒng)(5)連通。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種真空系統(tǒng)氦氣恒壓控制器。該裝置利用真空規(guī)的測(cè)量真空系統(tǒng)中的氦氣壓強(qiáng)信號(hào)，并將該壓強(qiáng)信號(hào)和設(shè)定值比較產(chǎn)生反饋信號(hào)，通過(guò)該反饋信號(hào)調(diào)節(jié)過(guò)濾式氦氣微漏閥(下文簡(jiǎn)稱(chēng)氦漏，見(jiàn)專(zhuān)利CN1479031A)的加熱功率，最終使得真空系統(tǒng)的氦氣壓強(qiáng)達(dá)到設(shè)定值。該裝置及方法具有如下優(yōu)點(diǎn):該裝置利用真空規(guī)直接反饋壓強(qiáng)信號(hào)，通過(guò)該反饋信號(hào)控制氦漏加熱絲的加熱功率，調(diào)節(jié)氦氣的滲透率，實(shí)現(xiàn)對(duì)注入真空系統(tǒng)中氦氣壓強(qiáng)的直接控制，不受環(huán)境溫度、真空泵抽速及氦漏兩邊氦氣壓強(qiáng)差變化的影響；該控制器利用脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)氦漏加熱功率即氦氣滲透率的控制，對(duì)注入真空系統(tǒng)中氦氣壓強(qiáng)具有較高的控制靈敏度。
文檔編號(hào)G05D16/20GK201788423SQ201020541758
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者佘磊, 屈萬(wàn)成, 李交美, 楊玉娜, 柳浩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所