CN115326276B - 皮拉尼真空计的温度补偿、环境真空度的计算方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了皮拉尼真空计的温度补偿、环境真空度的计算方法和设备，属于皮拉尼真空计领域。包括：在[10^‑5Pa,10⁵Pa]区间内确定目标皮拉尼真空计的压强工作区间；测量参考温度T0、各离散压强下目标皮拉尼真空计的电阻值，测量参考压强P0、各离散温度下目标皮拉尼真空计的电阻值，所述离散压强为采样压强工作区间得到；对P0下皮拉尼真空计的电阻值随温度变化的函数进行插值拟合，得到电阻率温度系数α，构建比例关系k(T)＝1+α·(T‑T0)；对于温度T和压强P反复选择，使其覆盖工作全区间，预测选中T和P下的皮拉尼真空计的电阻值：R(T,P)＝R(T,P0)+k(T)·[R(T0,P)‑R(T0,P0)]。本发明通过计算不同温度下、相同压强区间的电阻值之差，以其电阻值差值的比例呈现，将大量的参数约去，简化标定过程，节省大量人力物力。

Description

皮拉尼真空计的温度补偿、环境真空度的计算方法和设备

技术领域

本发明属于皮拉尼真空计领域，更具体地，涉及皮拉尼真空计的温度补偿、环境真空度的计算方法和设备。

背景技术

现如今，日常生活和科学研究的部分领域中都需要用到真空环境，因此，准确地测量环境的真空度变得尤为重要。皮拉尼真空计是一种常见的真空测量器件，利用低气压下发热电阻丝的散热效率和周围气压相关的原理，由通电电阻丝的阻值来反应实时气压的大小。由于皮拉尼真空计的电阻丝的阻值会随着环境温度的改变而改变，因此会影响皮拉尼真空计对环境气压的检测准确度。因此，需要解决测量过程中的温度效应才能使得器件更加准确的反应压强信息。

现有解决方案包括三种：第一种是在测量压强的过程中控制环境温度使其稳定在一定的误差范围内；第二种是在惠斯通电桥的一臂上引入环境温度相关电阻作为补偿；第三种是找出不同环境温度下的电阻随压强变化关系(即不同的电阻-压强曲线，R-P曲线)，通过测量环境温度和已知温度下的标定曲线来推测此时温度下的R-P曲线。

对于第一种和第二种方案，都需要配套的电路支持，即使使用的是MEMS皮拉尼真空计，由于电路的存在，因此成品器件的体积一般都比较大，在具体应用中，例如狭窄空间、管道中的气压监测，没有优势。第三种方案即为传统意义上的软件温度补偿。对于器件的标定，一般而言，通过大量的数据收集，采集到皮拉尼真空计在全区间中，跟随压强和环境温度变化关系，即可完成器件的标定，但是这种方法需要大量的人力和物理，在应用的领域下并无优势。

专利CN101608962A公开了一种微型皮拉尼真空计，体积小巧且不需要配套的专属电路，但是并没有提出温度补偿的方案，皮拉尼真空计受环境温度的波动影响较大。专利CN104931193A公开了一种带有参考真空室的MEMS皮拉尼真空计，通过制作两个相同的微型皮拉尼真空计，其中一支真空封装在参考室内。两支皮拉尼真空计一起置于测试环境中，其中真空封装的皮拉尼真空计不受所测环境的真空度的影响，阻值变化完全由环境温度引起，从而通过两支皮拉尼真空计测得的输出信号作为真空度测量信号，即可消除环境温度造成的皮拉尼真空计读数误差。该方案要求两个真空计要有良好的一致性，对于温度的敏感性要相同；而且由于在器件中存在两个皮拉尼真空计，因此器件的体积变得更大。

然而，上述方案存在以下缺陷和不足：单一皮拉尼真空计的设计，针对温度效应，没有良好的补偿方案，或者是为了解决皮拉尼真空计的温度效应，提出了双皮拉尼真空计的设计，但是带来了器件的体积大幅提升和功耗提升，以及面临工艺一致性的问题。而惠斯通电桥的解决方案，需要额外的温度补偿电路，对于不同的器件需要配合不同的温度补偿电阻调零，同样会带来器件体积的大幅提升。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供皮拉尼真空计的温度补偿、环境真空度的计算方法和设备，旨在解决单一皮拉尼真空计在进行真空测量时，无法用自身结构来排除温度因素影响的缺点，同时解决在利用数据标定器件的软件补偿方案中，需要大量数据采集的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种皮拉尼真空计的温度补偿方法，该方法包括：

S1.在[10^-5Pa,10⁵Pa]区间内确定目标皮拉尼真空计的压强工作区间；

S2.测量参考温度T0、各离散压强下目标皮拉尼真空计的电阻值，测量参考压强P0、各离散温度下目标皮拉尼真空计的电阻值，所述离散压强为采用预设步长采样压强工作区间得到，所述预设步长根据补偿分辨率要求设置；

S3.对参考压强P0下皮拉尼真空计的电阻值随温度变化的函数进行插值拟合，得到电阻率温度系数α，并构建比例关系k(T)＝1+α·(T-T0)；

S4.对于温度T和压强P反复选择，使其覆盖目标皮拉尼真空计的工作温度和压强的全区间，预测选中温度T和压强P下的皮拉尼真空计的电阻值，完成对皮拉尼真空计随压强和温度变化的标定：

R(T,P)＝R(T,P0)+k(T)·[R(T0,P)-R(T0,P0)]

其中，R(T,P0)、R(T0,P)、R(T0,P0)均为对应环境下测量到的皮拉尼真空计的电阻值。

需要说明的是，步骤S1可保证本发明提出的补偿方法的适用性广。步骤S2可定制补偿精度。

优选地，当所述参考压强P0低于10^-4Pa时，插值拟合得到的为一次函数，将所述一次函数的斜率与y轴交点的比值作为电阻率温度系数α。

需要说明的是，当参考压强为低压强时，参考压强P0下皮拉尼真空计的电阻值随温度变化的函数为一次函数，y轴交点理论上为斜率理论上为故而将所述一次函数的斜率与y轴交点的比值作为电阻率温度系数α。

优选地，步骤S1中，分别测定在10^-5Pa和10^-5Pa下的电阻值为R1和R2，定义阻值处于区间[R2+0.2×(R1-R2),R2+0.8×(R1-R2)]所对应的压强区间，即为皮拉尼计的压强工作区间。

优选地，通过二分查找法确定目标皮拉尼真空计的压强工作区间，具体如下：

取区间[10^-5Pa,10⁵Pa]初始化二分查找范围[P1,P2]，则首先测定压强为(P1+P2)/2下的电阻值；

若其测定阻值小于目标阻值区间的下限，则二分查找范围调整为[P1,(P1+P2)/2]；

若其测定阻值大于目标阻值区间的上限，则二分查找范围调整为[(P1+P2)/2,P2]；

若其测定阻值位于目标阻值区间之内，则确定其压强区间下限位于[P1,(P1+P2)/2]，其压强区间上限位于[(P1+P2)/2,P2]，针对上下限进行二分查找；

重复上述查找，直至压强区间满足其对应阻值区间。

需要说明的是，采用二分查找可进一步加快补偿的速度，减少工作量。

优选地，所述参考温度T0不超出皮拉尼真空计的工作温度范围。

优选地，该方法应用于无配套电路的皮拉尼真空计和集成有温度计的皮拉尼真空计。

为实现上述目的，第二方面，本发明提供了一种环境真空度的计算方法，该方法包括：

T1.采用如第一方面所述的方法，得到各[温度,压强]与皮拉尼真空计的电阻值的映射关系；

T2.获取皮拉尼真空计在目标环境下的阻值，获取目标环境的温度；

T3.根据映射关系，反演得到目标环境的压强。

为实现上述目的，第三方面，本发明提供了一种计算设备，包括：包括处理器和存储器；

所述处理器用于存储计算机执行指令；

所述处理器用于执行所述计算机执行指令，使得上述方法被执行。

为实现上述目的，第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，当所述计算机程序被执行时，上述方法被执行。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)相对于现有软补偿方法需要大量的数据来进行标定，费时费力，本发明提出皮拉尼真空计的温度补偿方法，通过计算不同温度下、相同压强区间的电阻值之差，以其电阻值差值的比例呈现，将大量的参数约去，从而将大量的数据收集，简化为特定压强和特定温度下的两组数据收集，就能完成器件在整个测试区间的标定，简化了标定过程，节省了大量人力物力。对于没有配套电路的皮拉尼真空计器件***、集成了温度计的皮拉尼真空计都适用，兼容性十分良好。该方法避免了硬件上的温度补偿，使得制作工艺上得到简化，器件的体积减小，功耗也更低。这种设计，有利于皮拉尼真空计单元与其他器件的集成。更小的器件体积和更低的功耗使得器件能够轻松集成到工程器件上。

(2)本发明提供了一种环境真空度的计算方法，借助上述皮拉尼真空计的温度补偿方法，仅需要获取环境温度，即能完成环境真空度的计算。而获取环境温度，依靠温度传感单元即可完成。

附图说明

图1为本发明实施例提供的皮拉尼真空计的温度补偿方法流程图。

图2为本发明实施例提供的在固定压强下，测得的皮拉尼真空计的电阻值随着所测温度的变化的示意图。

图3为本发明实施例提供的在固定温度下，测得的皮拉尼真空计的电阻值随着所测压强的变化的示意图。

图4为本发明实施例提供的整个测试区间的器件标定过程示意图。

图5为本发明实施例提供的压强-电阻曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的皮拉尼真空计的温度补偿方法流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤S1.在[10^-5Pa,10⁵Pa]区间内确定目标皮拉尼真空计的压强工作区间。

优选地，步骤S1中，设定二分查找的范围为[10^-5Pa,10⁵Pa]，查找过程中，分别测定在10^-5Pa和10^-5Pa下的电阻值为R1和R2，定义阻值处于区间[R2+0.2×(R1-R2),R2+0.8×(R1-R2)]所对应的压强区间，则为皮拉尼计的压强工作区间。取区间[10^-5Pa,10⁵Pa]定义为[P1,P2]，则首先测定压强为(P1+P2)/2下的电阻值，若其测定阻值小于目标阻值区间的下限，则二分查找范围调整为[P1,(P1+P2)/2]，若其测定阻值大于目标阻值区间的上限，则二分查找范围调整为[(P1+P2)/2,P2]，若其测定阻值位于目标阻值区间之内，则确定其压强区间下限位于[P1,(P1+P2)/2]，其压强区间上限位于[(P1+P2)/2,P2]，针对上下限进行二分查找，针对上下限进行二分查找。重复上述查找，直至压强区间满足其对应阻值区间。

步骤S2.测量参考温度T0、各离散压强下目标皮拉尼真空计的电阻值，测量参考压强P0、各离散温度下目标皮拉尼真空计的电阻值，所述离散压强为采用预设步长采样压强工作区间得到，所述预设步长根据补偿分辨率要求设置。

优选地，所述参考温度T0不超出皮拉尼真空计的工作温度范围。

步骤S3.对参考压强P0下皮拉尼真空计的电阻值随温度变化的函数进行插值拟合，得到电阻率温度系数α，并构建比例关系k(T)＝1+α·(T-T0)。

当参考压强为低压强时，参考压强P0下皮拉尼真空计的电阻值随温度变化的函数为一次函数，y轴交点理论上为斜率理论上为故而将所述一次函数的斜率与y轴交点的比值作为电阻率温度系数α。

优选地，当所述参考压强P0低于10^-4Pa时，插值拟合得到的为一次函数，将所述一次函数的斜率与y轴交点的比值作为电阻率温度系数α。

步骤S4.对于温度T和压强P反复选择，使其覆盖目标皮拉尼真空计的工作温度和压强的全区间，预测选中温度T和压强P下的皮拉尼真空计的电阻值，完成对皮拉尼真空计随压强和温度变化的标定：

R(T,P)＝R(T,P0)+k(T)·[R(T0,P)-R(T0,P0)]

其中，R(T,P0)、R(T0,P)、R(T0,P0)均为对应环境下测量到的皮拉尼真空计的电阻值。

优选地，该方法应用于无配套电路的皮拉尼真空计和集成有温度计的皮拉尼真空计。

本发明提供了一种环境真空度的计算方法，该方法包括：

T1.采用上述皮拉尼真空计的温度补偿方法，得到各[温度,压强]与皮拉尼真空计的电阻值的映射关系；

T2.获取皮拉尼真空计在目标环境下的阻值，获取目标环境的温度；

T3.根据映射关系，反演得到目标环境的压强。

实施例

图2为本发明实施例提供的在固定压强下，测得的皮拉尼真空计的电阻值随着所测温度的变化的示意图。如图2所示，该数据来源于压强定于0.1Pa时的电阻值，用0.1Pa作为参考压强，对于该组数据进行插值拟合，获得皮拉尼真空计电阻的电阻温度系数α和初始电阻R_ref。

图3为本发明实施例提供的在固定温度下，测得的皮拉尼真空计的电阻值随着所测压强的变化的示意图。如图3所示，该数据来源于温度定于25℃时的电阻值，用25℃作为参考温度。对于该组数据进行拟合和代入，得到在25℃温度下，任意压强P与参考压强0.1Pa之间的差值R(25℃,P)-R(25℃,0.1Pa)。

图4为本发明实施例提供的整个测试区间的器件标定过程示意图。如图4所示，黑色实线为定温度25℃下，皮拉尼真空计的电阻值随着压强变化的实验结果R(25℃,P)，黑色圆圈散点为定压强0.1Pa下，皮拉尼真空计的电阻值随着温度变化的实验结果R(T,0.1Pa)。因此，任意温度T，以及任意压强P下，皮拉尼真空计的电阻值为：

R(T,P)＝R(T,0.1Pa)+k(T)·[R(25℃,P)-R(25℃,0.1Pa)]。

图5为本发明实施例提供的压强-电阻曲线示意图。如图5所示，黑色实线为固定温度25℃下，皮拉尼真空计的电阻值随着压强变化的实验结果，黑色圆圈散点为定压强0.1Pa下，皮拉尼真空计的电阻值随着温度变化的实验结果。黑色的虚线为通过步骤S1-S4，得到的在T温度下，预测的压强-电阻曲线。实验结果表明：该预测的压强-电阻曲线与实际的结果符合良好。对更多的温度T通过步骤S1-S4完成各工作温度下的压强-电阻曲线预测，即可完成皮拉尼真空计在工作环境和工作压强的全区间标定。

现有方法通过函数拟合完成皮拉尼计的软件温度补偿，通过大量的数据采集，包括在不同温度下，测量皮拉尼计的阻值随着压强变化的数据，借此利用函数拟合，得到皮拉尼真空计电阻阻值随温度和压强的完整解析式。所需数据量大，且拟合过程复杂。以工作温度区间为[20℃,60℃]，工作压强区间为[1Pa,100Pa]，分辨率为1Pa的皮拉尼真空计标定过程为例，为保证较高准确度，较低标准差，需要超过10组不同温度下的数据采集，数据量过少则有过拟合风险，影响其预测精度。每组数据由皮拉尼计分辨率要求，为100个，一共需要测定10组，即需要1000个电阻值测定数据。而本发明方法通过计算不同温度下、相同压强区间的电阻值之差，以其电阻值差值的比例呈现，将大量的参数约去，从而将大量的数据收集，简化为特定压强下电阻随温度变化数据40个，和特定温度下随压强变化数据100个，共140个数据收集，就能完成器件在整个测试区间的标定，简化了标定过程，节省了大量人力物力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种皮拉尼真空计的温度补偿方法，其特征在于，该方法包括：

S1.在[10^-5Pa,10⁵Pa]区间内确定目标皮拉尼真空计的压强工作区间；

S2.测量参考温度T0、各离散压强下目标皮拉尼真空计的电阻值，测量参考压强P0、各离散温度下目标皮拉尼真空计的电阻值，所述离散压强为采用预设步长采样压强工作区间得到，所述预设步长根据补偿分辨率要求设置；

S3.对参考压强P0下皮拉尼真空计的电阻值随温度变化的函数进行插值拟合，得到电阻率温度系数α，并构建比例关系k(T)＝1+α·(T-T0)；

S4.对于温度T和压强P反复选择，使其覆盖目标皮拉尼真空计的工作温度和压强的全区间，预测选中温度T和压强P下的皮拉尼真空计的电阻值，完成对皮拉尼真空计随压强和温度变化的标定：

R(T,P)＝R(T,P0)+k(T)·[R(T0,P)-R(T0,P0)]

其中，R(T,P0)、R(T0,P)、R(T0,P0)均为对应环境下测量到的皮拉尼真空计的电阻值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述参考压强P0低于10^-4Pa时，插值拟合得到的为一次函数，将所述一次函数的斜率与y轴交点的比值作为电阻率温度系数α。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，分别测定在10^-5Pa和10^-5Pa下的电阻值为R1和R2，定义阻值处于区间[R2+0.2×(R1-R2),R2+0.8×(R1-R2)]所对应的压强区间，即为皮拉尼计的压强工作区间。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过二分查找法确定目标皮拉尼真空计的压强工作区间，具体如下：

取区间[10^-5Pa,10⁵Pa]初始化二分查找范围[P1,P2]，则首先测定压强为(P1+P2)/2下的电阻值；

若其测定阻值小于目标阻值区间的下限，则二分查找范围调整为[P1,(P1+P2)/2]；

若其测定阻值大于目标阻值区间的上限，则二分查找范围调整为[(P1+P2)/2,P2]；

若其测定阻值位于目标阻值区间之内，则确定其压强区间下限位于[P1,(P1+P2)/2]，其压强区间上限位于[(P1+P2)/2,P2]，针对上下限进行二分查找；

重复上述查找，直至压强区间满足其对应阻值区间。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参考温度T0不超出皮拉尼真空计的工作温度范围。

6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，该方法应用于无配套电路的皮拉尼真空计和集成有温度计的皮拉尼真空计。

7.一种环境真空度的计算方法，其特征在于，该方法包括：

T1.采用如权利要求1至6任一项所述的方法，得到各[温度,压强]与皮拉尼真空计的电阻值的映射关系；

T2.获取皮拉尼真空计在目标环境下的阻值，获取目标环境的温度；

T3.根据映射关系，反演得到目标环境的压强。

8.一种计算设备，其特征在于，包括：包括处理器和存储器；

所述处理器用于存储计算机执行指令；

所述处理器用于执行所述计算机执行指令，使得权利要求1至7任一项所述的方法被执行。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，当所述计算机程序被执行时，权利要求1至7任一项所述的方法被执行。