用于储存真空计校准参数及测量数据于真空计结构上的方法及装置

摘要

一种用以借由组合离子化真空计与至少一其它的真空感测器来测量气体压力的方法及装置。耦接于真空计的非依电性记忆体含有依据工厂校准而定的各个个别感测器唯一的校准参数。该非依电性记忆体可含有用于一热敏真空感测器的校准参数，以补偿由该离子化真空计所产生的温度梯度。该等校准参数是当离子化真空计开启及关闭时所判断的校准数据的函数。该非依电性记忆体可储存该真空计的一视窗的测试数据，该非依电性记忆体更新于预定的时间间隔及回应于一诸如错误事件的事件，以协助调查真空计故障或失效的原因。

说明书

技术领域

本发明有关一种用于储存真空计校准参数及测量数据于真空计结构上的方法及装置，且更特别地，有关一种用以测量环境中的气体压力的装置及方法。

背景技术

组合式真空计由多个真空感测器所组成，其各个真空感测器使用不同的物理装置以供判断该计或连接于该计的腔内的真空用。组合式真空计允许使用者测量比仅具有单一感测器的真空计更宽广范围的压力，因为组合式真空计利用具有重叠的不同真空测量范围的不同感测器类型。组合式真空计的输出可混合于相关联的控制电子装置，该控制电子装置可安装于该真空计总成或借由电缆来链接于该真空计。

因为组合式真空计具有超过一种的物理装置来供测量真空用，所以需要不同的校正因素以用于各个真空感测器来取得准确的真空测量。然而，该等校正因素将根据且随着以下事物而变化，诸如压力、真空计的操作参数、温度、气体物种、以及正在运作的那些感测器。

一般实务上借由共通的校正因素来校准该组合式真空计上的感测器。然而，此等校准实务将产生不准确的真空测量，因为即使相同类型的感测器也会由于所有的感测器并非一致而需要有不同的校正因素。尤其，当借由两个感测器的测量重叠于一特定的压力范围且其测量信号将组合为一混合的输出信号时，该等测量的不准确性特别明显。因而，该组合式真空计的各个个别感测器独特的校正因素已在工厂时决定且通过可插入于控制器电子装置内的记忆体模组来予以提供。在此方式中，该组合式真空计是可以在现场置换记忆体模组。

发明内容

在组合式真空计之中，真空测量中的不准确性也会产生于当该等校正因素并未考量到真空感测器间的互动时。例如许多组合式真空计可包含一离子化真空计，用以测量较低范围的真空测量，以及一热损失感测器，用以测量较高范围的真空测量。在组合式真空计中的温度变化的主要来源是由离子化真空计的灯丝所产生的热量。该离子化真空计与热损失感测器非常接近，且借此，因为不同的真空配件所造成的些微的制造公差、材料变化、以及热变化，所以该热损失感测器将以唯一于各个组合式真空计的方法来与离子化真空计热互动。因为该组合式真空计在离子化真空计灯丝附近会最热，故存在有会影响到热损失感测器温度补偿方程式的温度梯度，而该温度梯度并未存在于当组合式真空计在工厂的炉中于不同温度下执行校准时。

为克服由离子化真空计所造成的温度梯度在热敏感测器(例如，热损失感测器)上的不利效应，提供一种具有非依电性记忆体耦接于热敏感测器的方法及装置，该非依电性记忆体含有依据借由离子化真空计开启及关闭所取得的校准数据为主的热敏感测器的温度补偿校准参数。该等校准参数施加于由热敏感测器所输出的测量数据。该非依电性记忆体可成一体于离子化真空计及热敏感测器或是一耦接于组合式真空器的控制器。该控制器将回应于热敏感测器的输出来开启离子化真空计。

实际上，诸如组合式真空计的许多真空计常在可造成该真空计故障或失效的严苛环境中操作许多小时。当真空计故障(例如不稳定校准)或失效时，典型地，使用者仅以陈述该真空计为“损坏”或“不动作”的通知来将真空计送回制造商。因而制造商会有难以确定故障或失效原因的困难性，例如实际的组合式真空计的本身并不指示当真空计失效时，该真空计是否过热或是其电极是否在操作中。因此，在不知道故障或失效前与当时的真空计操作条件之下，制造商实难以修护或校正真空计的故障或失效。

耦接于真空计的非依电性记忆体可使用以储存来自真空感测器的测量数据而判断该故障或失效的原因。真空计可包含离子化真空计、热损失感测器及膜片感测器。所储存的测量数据唯一于所使用的真空感测器。该离子化真空计的测量数据可包含灯丝发射电流及离子电流。该热损失感测器的测量数据可包含该热损失感测器所感测的电性参数。最后，该膜片感测器的测量数据可包含一来自该膜片感测器的电子电路的输出。该非依电性记忆体可在预定的时间间隔及回应于一诸如错误事件的事件，以测量数据(诸如视窗的测量数据)来予以更新。

附图说明

本发明的上述以及其它目的、特性及优点将呈明显于如其中相同符号指示相同部件于所有不同视图的附图中所描绘的发明较佳实施例的更特定的说明。该等图式无需一定要按照比例，而是强调说明本发明的原理时。

图1是本发明组合式真空计的立体图，该组合式真空计与控制电子装置及覆盖分开，且该覆盖有部分剖开；

图2A是组合式真空计的立体图；

图2B是组合式真空计的剖视图；

图3是组合式真空计系统的方块图；

图4是流程图，其显示组合式真空计系统的操作；

图5是耦合于真空计的非依电性记忆体中所储存的资讯的方块图；以及

图6A及图6B是流程图，其显示写入数据于非依电性记忆体的方法。

100：组合式真空计系统                    110：离子化真空计

120：热损失感测器                        130：膜片感测器

140：非依电性记忆体                      150：外壳

160：控制器电子装置                      165：组合式真空计

170a、170b：连接器                       175：销

180a：销                                 180b：插孔

185：组合式真空计电路板                  210：离子化真空计埠

220：热损失感测器埠                      230：膜片感测器埠

240：共用的真空计埠                      250：离子化真空计灯丝

302：真空系统                            304：真空埠连接

305：真空密封件                          322：线路

325：发射控制区块                        330：静电计放大器

335：感测器热量控制                      340a、340b：放大器

345：经调整的桥式电源供应器              350：输入/输出电路

355：差动放大器                          365：多工器

370：CPU可电性拭除的程序化唯读记忆体     380：微控制器(CPU)

385：类比至数位转换器数据信号            390：类比至数位转换器

395：压力显示器                          399：使用者界面连接器

400、600：方法                           512、514、516：位置

522：目前视窗                            524：n个视窗

具体实施方式

下文中将描述本发明的较佳实施例。

参阅图1，根据本发明的组合式真空计系统100包含组合式真空计165及控制电子装置160。该组合式真空计165包含离子化真空计110、热损失感测器120、膜片感测器130、及非依电性记忆体140。该离子化真空计110通过销180a及插孔180b来电性连接于控制器电子装置160。该热损失感测器120及非依电性记忆体140连接于一组合式真空计电路板185，该组合式真空计电路板185通过连接器170a及170b来连接于控制器电子装置160。该膜片感测器130通过销175来电性连接于控制器电子装置160，及通过挠性电缆(未显示)来电性连接于连接器170a及170b。当连接于该组合式真空计165时，控制器电子装置160密闭于外壳150内。

图2A显示组合式真空计165的立体图，该组合式真空计165包含具有6支销180a的离子化真空计110、具有4支销175的膜片感测器130、热损失感器120、非依电性记忆体140、以及具有连接器170a的组合式真空计电路板185。在另一实施例中，非依电性记忆体140可永久地附加于各个真空感测器110至130。该非依电性记忆体140可为任何非依电性随机存取记忆体(NVRAM)，诸如可电性抹除的可程序化唯读记忆体(EEPROM)。

该非依电性记忆体140可含有唯一于各个真空感测器110至130的校准参数。该等校准参数可依据各个个别真空感测器110至130的工厂校准来予以决定。如图5中所示，用于离子化真空计、热损失感测器及压敏电阻式膜片感测器的校准参数分别储存于该非依电性记忆体140中的位置512、514及516。包含部件号码、序号、修订码、制造日期、校准装备及软体的序号及修订码、以及真空计建构的架构(例如材料选用、型式、及灯丝数量)的真空计制造资讯亦可于制造时载入于该非依电性记忆体140中。例如将进一步说明于下文地，该非依电性记忆体140可储存应用历史数据。

借由储存校准及历史数据于该组合式真空计165之上而非该控制器电子装置160中，则可在现场置换该组合式真空计165，而无需控制器电子装置160的置换。该历史数据可在修护过程中读取于工厂，并且新置换的组合式真空计165将载有其个别的工厂校准数据。一替代性的方式插入该非依电性记忆体140于控制器电子装置160内，但是当置换组合式真空计时，需置换该记忆体。

图2B显示该组合式真空计165的剖视图。各个真空感测器110至130经由一共用的真空计埠240来测量真空系统的真空。该离子化真空计110、热损失感测器120、及膜片感测器130的各个都具有分别通过离子化真空计埠210、热损失感测器埠220、及膜片感测器埠230到真空系统的通路。

如美国专利第6,658,941号中所述，热损失感测器120借由数学地结合感测元件电压(VS)与感测元件电流(IS)来予以温度补偿，使得所得到的压力测量将与温度上的变化无关。换言之，该压力测量通过方程式Px＝f(VS，IS)来加以计算(三维表面计算)。该方程式利用三维曲线拟合(curve fitting)软体而自借由供应跨越所关注的压力与温度的范围的压力Pc及周遭温度的多个已知的值用的校准方法所获得的VSc及ISc的配对值加以导出。

在该组合式真空计165中的温度变化的主要来源由该离子化真空计灯丝250所产生的热量。该离子化真空计110与热损失感测器120非常接近，且因此由于不同的真空配件所造成的些微的制造公差、材料变化、以及热变化，所以该热损失感测器120将以唯一于各个组合式真空计总成165的方式来与离子化真空计110热互动。此外，因为该总成在离子化真空计灯丝250附近会最热，故存在有会影响到热损失感测器温度补偿方程式的温度梯度。

非依电性记忆体140可含有考量到离子化真空计110所造成的温度梯度的改善的温度补偿校准参数，且该等校准参数唯一于各个组合式真空计165。该等校准参数可采演算法的形式。该等校准参数借由当开启离子化真空计110时取第一组的校准数据以供热损失感测器120或是另一热敏感测器使用，以及借由当关闭离子化真空计时取第二组的校准数据以供热损失感测器120使用，而针对各个组合式真空计165来加以导出。虽然可储存对应于开启及关闭状态的个别组的校准参数，但在较佳系统中，校准数据利用三维曲线拟合软体来予以数学地结合。因此，不论该离子化真空计是否开启或关闭，单一的校准曲线将校准该热损失感测器。

在一简单形式中，校准数据借由离子化真空计在开启及关闭的各个状态中而取得于对应该热损失感测器的压力测量范围的极值的两压力处。

请参阅图3，控制器电子装置160经由销与插孔的连接来连接于组合式真空计165。该组合式真空计165接着通过含真空密封件305的真空埠连接304来连接于真空系统302。因此，在组合式真空计165故障或失效时，该组合式真空计可予以现场置换。

在组合式真空计系统100的操作中，电源供应器及发射控制区块325将提供电压至栅极及提供电力至离子化真空计110的灯丝，以及通过回授机构来控制灯丝发射电流量。该离子化真空计110的集极电流则提供至静电计放大器330当作输入。

感测器热量控制装置330控制所输入至热损失感测器120的电力。该热损失感测器120提供电压及电流测量值为放大器340a及340b的输入。

最后，经调整的桥式电源345将提供电力至膜片感测器130。从膜片感测器130所输出的电压测量值将输入至差动动放大器355。

该等放大器330、340a、340b及355的各个将提供来自组合式真空计165的测量信号至多工器365。来自多工器365的输出则经由类比至数位转换器390来转换为数位形式。然后，该等数位信号输入至微控制器(CPU)380以供处理用。

CPU EEPROM 370连接于CPU 380以特别地储存唯一于该控制器电子装置160的校准参数。借由具有用于组合式真空计165及控制器电子装置160的个别的校准参数，该组合式真空计165及控制器电子装置160可交换的(亦即，任一组合式真空计165可连接于任一控制器电子装置160)。此外，控制器电子装置160可无关于组合式真空计165而予以校准。

微控制器380依据来自组合式真空计165的测量资料来计算真空系统302中的真空。特定地，离子化真空计110的集极电流借由CPU 380而使用真空计的EEPROM 140中所储存的校准参数来转换成为高度真空测量值。热损失感测器120的电压与电流数据借由CPU 380而使用真空计的EEPROM 140中所储存的温度补偿校准参数来转换成为中度真空测量值。最后，该膜片感测器130的电压输出将使用真空计的EEPROM 140中所储存的校准参数而转换为低度真空测量值。根据来自真空系统302的真空测量值，CPU 380将借由选择来自混合信号区中的适当的感测器或感测器对的真空测量值来产生真空测量值。而且，当在真空系统302的真空来到离子化真空计110的真空范围之内或之外时，CPU 380将传送信号360至电源供应器及发射控制区块325来开启或关闭该离子化真空计110。

请参阅图4，借由图3的CPU 380上所执行的电脑指令所实施的方法400将转换原始感测器数据(例如伏特、安培、串列的数据)成为即将经由图3的输入/输出电路350及使用者界面连接器399来显示于压力显示器395且输出至外部装置的真空数据。

用以测量真空系统中的真空的方法400开始于步骤405。在步骤410中，CPU 380从真空计的EEPROM 140读取用于真空感测器的校准参数，包含用于热损失感测器的温度补偿校准参数。在步骤420中，CPU 380读取类比至数位转换器数据信号385(图3)。在步骤430中，CPU 380计算离子化真空计的真空、热损失感测器的真空、以及膜片感测器的真空。在步骤440中，若真空测量落在一重叠范围之内时，则在步骤450中混合来自正在重叠中的两个感测器的测量值。该混合法借由计算来自该两个感测器的测量值的加权平均值而达成。在步骤460中，传送所混合的信号测量值至显示器以及至输入/输出装置。若该真空测量数据并未在重叠范围之中时，则在步骤460中传送来自适当感测器的真空测量至显示器及输入/输出装置。同时，在步骤460中，正常的真空计操作数据将经由线路322来更新于真空计EEPROM 140中，该等数据包含如下：

1.电子装置模组序号及韧体修订码；

2.各个离子化真空计灯丝的操作小时以及组合式真空计的总操作小时；

3.各个离子化真空计灯丝的除气周期的总数；

4.各个离子化真空计灯丝的电力周期的总数；

5.组合式真空计的电力周期的总数；以及

6.经记录的最大的内部温度。

如上述，有时候当真空计故障或失效且使用者送回该真空计至制造商时，并无有关故障或失效的原因的任何解说。此问题将借由设置耦接于真空计的非依电性记忆体140来予以解决，该非依电性记忆体140将储存当诸如真空计失效或故障事件发生时的真空感测器的测量数据。

该测量数据可储存于非依电性记忆体140中，如图5中所示。测量数据的视窗可储存于非依电性记忆体中，在借由参考符号520所示的位置处。尤其，在预定的时间间隔下，CPU 380将写入测量数据于非依电性记忆体140，在目前视窗522位置处。此简单的方法描绘于第6A图中当作方法600。在步骤610中，CPU 380判断一特定的时间周期是否已过去。当CPU 380判断该特定的时间周期已过去时，CPU 380写入测量数据于目前的视窗522，因此覆写了可能已写入此位置处的测量数据。然后，该方法返回步骤610且判断一特定的时间周期是否已再次过去。

再参阅图4，在步骤470中，方法400判断一错误码是否已产生而指示错误事件。若错误码并未产生时，则方法返回步骤420；若错误码已产生时，则在步骤480中，内含于目前视窗522中的测量数据将拷贝至图5中所示的n个视窗524的循环缓冲器的视窗1、视窗2、...、或视窗n(524a、524b、...、524x)之内。该测量数据包含如下：

1.错误码；

2.热损失感测器原始数据(Vs及ls)及真空指示；

3.离子化真空计集极电流、发射电流、除气状态、操作的灯丝数目、及真空读数；

4.从上一次开始时的离子化真空计的运作时间；

5.内部电子装置模组温度；

6.膜片感测器电压及真空读数；以及

7.气压测量的压力读数。

n个视窗524的循环缓冲器允许储存多个视窗的测量数据以回应于连续的事件。第6B图陈明一用以储存多个视窗的测量数据于非依电性记忆体140的方法605。若方法605在步骤630中判断一特定的事件已发生时，则在步骤640中将拷贝目前视窗522中所含的测量数据至视窗1(524a)。然后，方法605返回步骤630以判断另一特定事件是否已发生。若已发生时，则拷贝目前视窗522中所含的测量数据至视窗2(524b)。该方法605再返回步骤630以判断另一特定事件是否已发生。在此方式中，在目前视窗522的特定时间间隔处所更新的测量数据将拷贝至n个视窗524的循环缓冲器的连续视窗(524a、524b、...、524x)以回应于连续的特定事件。

因此，在使用者送回组合式真空计165至制造商之后，制造商可利用真空计的EEPROM 140上所储存的数据来协助判断真空计故障或失效的原因。

该方法400结束于步骤490中。

虽然本发明已参照其较佳实施例来予以特定地显示及描述，但将由熟习于本项技艺的该等人士所理解的是，在形式及细节中的种种改变可完成于其中，而不会背离权利要求所包含的本发明的范畴。

该膜片感膜器可为压敏电阻式，且其可测量绝对压力(亦即，偏差自大气压力的压力)或差动压力。

错误码可产生于当热损失感测器中的电压及电流测量值超出其实际范围的外时。错误码亦可产生于当存在有显著的异常于离子化真空计的离子电流中时。

耦接于组合式真空计的真空感测器的非依电性记忆体可成一体于该组合式真空计或控制器电子装置。