變壓器繞制對電離真空計離子流測量的影響

摘 要： 對電離真空計燈絲采用交流供電加熱的方式易受到市電的干擾進行了分析，以在電離真空計的離子流測量中發現的現象為例，提出了變壓器初級和次級徹底分成兩個線包分開繞制的方法，經過真空測量儀表生產廠家多年來在產品生產中的實踐驗證，電離真空計用的電源變壓器采用此種繞制方法可減弱市電的干擾。

關鍵詞： 市電干擾； 離子流測量； 電離真空計； 變壓器繞制

中圖分類號： TN911.7?34； TM403.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0154?03

0 引 言

電離真空計是由電離規管和給規管供電的測量電路組成，使用時要把電離規管封接于被測真空系統上，而電離真空計又分為冷陰極和熱陰極兩種類型，本文只討論熱陰極電離真空計。隨著開關電源技術的發展，國外在熱陰極電離真空計中早已采用了開關電源供電。然而，國內多數真空測量儀表生產廠家在80年代時，為了減小電離真空計的體積和功耗，其燈絲從直流供電改成了交流供電方式，即采用變壓器降壓后再經雙向可控硅調壓給電離真空計中的燈絲供電，至今，這種供電方式已一直使用了三十余年。此種雙向可控硅交流供電方式雖然比先前的線性直流供電方式大幅度降低了功耗、減小了體積，但也帶來了交流電路對電離真空計規管燈絲直流電位的影響，使得220 V電網上的各種噪聲干擾通過變壓器的初級和次級燈絲線圈之間發生耦合，尤其是C型或R型鐵心電源變壓器的兩個線包如果仍然按照傳統的繞制方法來制作，有時會給電離真空計離子流的測量帶來很大的影響。由于電離真空計規管在高真空時產生的離子流非常小，即使裝有電源濾波器及在變壓器的初級和次級線圈之間增加屏蔽層也解決不了干擾的問題，仍影響電離真空計的測量精度，尤其是在測量高真空狀態的被測系統時，這是筆者在北京濱松公司的光電倍增管生產線上使用的電離真空計上首次發現并驗證了的。

當時，生產線上真空系統的真空度是處于穩定的高真空狀態，可是，電離真空計的表頭指針卻逐漸向指示更高真空值的方向偏移，甚至有時低于表盤的零刻度線，出現負值，以致測量表頭出現反打現象，無法讀取真空度值。本文認為其原因就是變壓器的初級和次級燈絲線圈之間耦合過來的噪聲干擾信號疊加在燈絲電路上了，致使燈絲對地電位受到干擾，而使電離規管內的電場分布發生了改變，影響了產生離子流的數量，甚至改變了離子流流動的方向（這也是測量表頭出現反打現象的原因）。有些測量離子流的電路雖然能夠把測量表頭出現反打的現象屏蔽掉，但不能實際消除干擾的影響，其干擾仍然影響高真空的測量精度。而本文所采取的變壓器繞制方法，能夠有效地解決這個問題，使市電噪聲干擾減至不足以影響電離真空計測量高真空時的測量精度。

1 熱陰極電離真空計簡介

熱陰極電離真空計由測量規管（或規頭）和電氣測量電路（真空計控制單元和指示單元）組成。規管功能是把非電量的氣體壓力轉換成電量?離子電流。熱陰極電離真空計規管的基本結構主要包括3個電極：提供一定數量電子流的燈絲（陰極）、產生電子加速場并收集電子流的陽極（亦稱電子加速極）和收集離子流的離子收集極[1]。把真空規管與被測真空系統封接后，就可用電離真空計測量真空系統的真空度。以型號為ZJ?2的電離規管為例簡要說明一下，此電離規管的工作參數示意圖如圖1所示。電離規管工作時要求陽極（加速極）對地電壓225 V；陰極（燈絲）對地電壓25 V；收集極對地電壓為零；陽極和陰極之間的發射電流為5 mA。如果在陰極與公共地之間接一個5 kW的電阻器，則5 mA的發射電流經過此電阻器就會和陽極構成5 mA的發射電流回路，并會使燈絲產生25 V的對地電壓。此電離規管可用于10-1～10-5 Pa的壓力測量，對應的離子流為10-4～10-8 A。電離規管的工作原理是燈絲經直流或交流電源加熱后發射出電子，這些電子在陽極正電壓的吸引下高速流向陽極，在流向陽極的過程中和空氣分子發生碰撞使空氣分子電離，電離后產生的離子流經收集極收集后，再經過I?V變換，就可以用模擬或數字電壓表測出其電壓數值。由于離子流與真空狀態下的壓力成對應的線性關系，故由電壓表測出的電壓數值可以相應的表示壓力示值。

ZJ?2電離規管工作參數示意圖

2 變壓器的繞制

變壓器的繞制方法多種多樣，所謂傳統的變壓器繞制方法是在C型或R型鐵心的電源變壓器上，把變壓器的初級220 V繞組分繞在兩個線包上，兩個線包各繞一半，然后串聯起來。這樣平均分配后，可使每個線包的平均匝長較短，減小線圈的銅耗[2]。次級繞組根據情況可分開繞，也可不分開繞。而本文所采用的方法是把初級220 V繞組整個繞制在一個線包上，而次級燈絲繞組繞制在另一個線包上，這樣可以減弱220 V電網上的各種干擾對電離真空計燈絲電路的影響，從而更加保障電離規管工作參數的穩定性，使得測出的壓力值更加準確。

3 在兩種繞制方法下干擾信號的對比

可見，真空規管的燈絲是交流供電，而且是由電源變壓器次級繞組提供的，所以，很容易受到220 V電網的影響。由于條件所致，不能重現北京濱松公司的光電倍增管生產線上的使用環境，但本實驗采用兩種繞制方法來制作變壓器，并把變壓器分別使用在同一臺電離真空計中，使用同一個220 V電源，對燈絲電路上的干擾信號幅度做了對比。

用C型鐵心按照傳統的繞制方法制作的電源變壓器來提供電離真空計的燈絲電源時，用示波器在燈絲電路上檢測到的燈絲對公共地的波形圖如圖2所示。從圖2中可看到在燈絲直流電位25 V的基礎上疊加的干擾情況，干擾波形的峰峰值大約為10 V左右。

傳統繞制方法下在燈絲上的干擾波形

用C型鐵心按照本文提倡的繞制方法制作的電源變壓器來提供電離真空計的燈絲電源時，用示波器在燈絲電路上檢測到的燈絲對公共地的波中可看到在燈絲直流電位25 V的基礎上疊加的干擾情況，干擾波形的峰峰值大約為5 V左右。

初級次級分開繞制方法下在燈絲上的干擾波形

由以上的兩種情況對比可以看出，本文提倡的變壓器繞制方法比傳統的繞制方法干擾波形的峰峰值大約減小了一半。其關鍵是次級燈絲繞組不能同初級220 V繞組同在一個線包上，這樣就可以減弱220 V電網上的各種干擾，從而可降低疊加在燈絲電路上的干擾信號，使得規管燈絲電位受干擾的影響降低，并使電離真空規管內的電場分布相對穩定，進而保障了真空計能夠正常工作。

從ZJ?2電離規管產生的離子流10-4～10-8 A對應的壓力值為10-1～10-5 Pa，可以看出，電流值越小對應的壓力值越小，即表示的真空度越高。由于真空度高的時候離子流很小，假如干擾為一固定值，那么，離子流越小受到干擾的影響也就越大。可見，要減小干擾，保證測量精度，就要使提供給電離規管工作的電壓參數及發射電流準確、穩定不變。這樣才能使電離規管內的電場分布穩定，而產生的離子流亦穩定，在測量高真空時，不會因為離子流很小而容易受到干擾的影響以致降低測量的精度。

由此可見，若采用傳統繞制變壓器的方法，其帶來的問題是這些干擾就會對電離真空計離子流的測量產生影響，特別是高真空狀態下離子流的測量產生嚴重的影響，可造成真空度測量值產生較大的偏差。由于電離真空計真空規管內的離子流與真空狀態下的壓力成對應的線性關系，并且離子流越小表示的真空度越高，那么，離子流越小越容易受到干擾的影響，在干擾嚴重的情況下，致使高真空測量時誤差可達1個數量級，有時甚至使得真空度數值無法讀取。在北京濱松公司的光電倍增管生產線上，可能由于電網上的噪聲污染比較嚴重，疊加在電離真空計燈絲電位上的干擾信號幅度可能更大，這時電離真空計就出現了無法正常測量真空度的現象。而采用本文提倡的繞制方法制作的電源變壓器作為提供給電離真空規管的燈絲電源時，就可以明顯減弱電網疊加在燈絲電路上的噪聲污染。實際上，在儀器的使用中不可能使各項指標同時達到最佳值，而只能根據使用情況，選擇工作參數，使儀器技術指標合理實現，滿足使用要求[3?6]。經過以上兩種繞制變壓器情況的對比，雖然只把干擾幅值減小了一半，但能夠使電離規管燈絲電路工作更穩定，規管燈絲對地電位變化更小，從而保證了電離真空計在受到比較嚴重的噪聲干擾時也能正常工作。

4 結 語

綜上所述，兩種變壓器的繞制方法說明，如果次級繞組要想避免初級繞組帶來的外電網干擾，最好是初級和次級各自繞制在不同的線包上，這樣能夠有效地減弱電網上的污染干擾，這也是本文作者經過各種實驗找出的一種有效的方法。按照這種方法，很好地解決了電離真空計在北京濱松公司的光電倍增管生產線上出現的問題。另外，真空校準技術比較復雜，校準裝置造價比較昂貴。比對法真空校準系統具有結構簡單、量程寬、造價便宜、操作容易等許多優點，可以選用精度較高、性能可靠的真空計作為副標準[4]。在本文作者的建議下，北儀創新公司儀器儀表分公司選用一臺計量好的電離真空計作為副標準使用，著重比對出廠前入庫待銷售真空計的誤差指標，特別是熱陰極電離真空計的高真空測量段。并且，所有的熱陰極電離真空計的變壓器均采用燈絲加熱繞組與220 V初級繞組避免在同一個線包上的繞制方法去加工變壓器，經過近二十年的生產驗證及用戶使用，一直沒有出現類似在北京濱松公司生產線上的問題，使得市電噪聲干擾減至不足以影響電離真空計的正常工作，從而提高了電離真空計的穩定性，并使其在測量高真空區段時仍能保證測量值的誤差指標。

參考文獻

[1] 劉玉岱.真空測量[J].真空，1997（3）：44?45.

[2] 亞元科技股份有限公司.變壓器制作[M].臺北：亞元科技股份有限公司，2011.

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[4] 宋瑞海，張書鋒，王歡，等.真空比對法校準裝置的研究[J].真空，2011（3）：32?35.

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