基于LabVIEW的氣體微流量測量虛擬儀器的開(kāi)發(fā)
引言
在真空技術(shù)應用中, 氣體微流量由氣體微流量計測量。精確測量氣體微流量(或漏率) 具有十分重要的意義。例如, 為了保持飛船艙內的壓力長(cháng)期工作正常,需要對艙體進(jìn)行檢漏, 檢漏時(shí)不但要找到漏孔位置, 還要精確測量微小的漏率, 這對于長(cháng)期在空間飛行的載人飛船尤為重要; 火箭燃料是易燃、易爆、有毒的氣體或液體, 微小的泄漏具有很大的危險性, 要對火箭燃料的加注過(guò)程和發(fā)射陣地進(jìn)行安全檢測; 在電子工業(yè)中的半導體元件、集成電路、計算機芯片的生產(chǎn)工藝中,要求精確控制氣體微流量的注入, 以保證工藝質(zhì)量和產(chǎn)品性能的穩定。為了滿(mǎn)足以上需求, 研制測量精度和可靠性更高、測量范圍更寬、測量界面直觀(guān)、自動(dòng)化程度高的氣體微流量計是非常必要的。利用虛擬儀器技術(shù)構建的氣體微流量測量虛擬儀器系統就是為了實(shí)現上述目標而進(jìn)行的研究探索。
1、實(shí)現氣體微流量測量的虛擬儀器系統的建立
1.1、氣體微流量的測量原理
氣體微流量的測量原理是: 當氣體流出其變容室時(shí), 伺服電機通過(guò)平動(dòng)機構驅動(dòng)活塞在油室中水平運動(dòng), 活塞運動(dòng)會(huì )改變其在油室中的體積, 液壓油的體積是基本不變的, 這樣波紋管就受到力的作用而發(fā)生形變, 使其內的氣體壓力保持恒定, 氣體在Tr 溫度(Tr一般取23℃) 下的流量Q 通過(guò)測量變容室內氣體的壓力p、溫度T 和體積變化率dV/d t 后由公式(1) 計算得到。
Q= [- d(PV)/dt] (Tr/T) = - P (dV/dt) (Tr/T)= - PA (dl/dt) (Tr/T) (dP/dt= 0) (1)
由式(1) 可知, 測量流量時(shí), 不但要準確地測量出變容室內氣體的壓力、體積變化率和溫度, 還要在測量過(guò)程中控制變容室內氣體的壓力, 使其恒定。
1.2、虛擬儀器的硬件結構
本著(zhù)“提高測量精度和自動(dòng)化程度, 減小測量不確定度”的原則, 設計了一套以工控機為中心的測量與控制系統, 選用了精度較高的測量工具, 并用多塊數據采集卡把各測量工具與控制器件聯(lián)系在一起, 實(shí)現了數據自動(dòng)采集和恒壓自動(dòng)調節功能。硬件總體結構如圖1 所示。
硬件及功能描述:
采用3 個(gè)Pt100鉑電阻溫度傳感器、3個(gè)ADAM3013熱電阻變送模塊及1塊PCI21716多功能數據采集卡可實(shí)現對變容室、參考室及實(shí)驗室溫度同時(shí)進(jìn)行采集。溫度的測量范圍為0～100℃, 精度為0.1℃。采用美國MKS 公司生產(chǎn)的一套差壓式電容薄膜規(包括三個(gè)規頭、一個(gè)控制單元M S274 和一個(gè)數據顯示單元M KS670,MKS670 上有一個(gè)488 接口, 計算機通過(guò)IEEE488 數據采集卡進(jìn)行量程和規頭選擇)、美國NI公司生產(chǎn)的IEEE488 數據采集卡實(shí)現氣體壓力的測量。壓力的測量范圍為0～1.01×105 Pa。
利用臺灣凌華公司生產(chǎn)的運動(dòng)控制卡PC I28132、伺服控制卡和位置控制卡、平動(dòng)機構(主要包括選用北京微電機總廠(chǎng)生產(chǎn)的70LC21 型永磁式直流力矩測速機組、型號為HES210242MD 脈沖編碼器、絲杠、Á5 的活塞) 等實(shí)現對伺服電機進(jìn)行速度和位置控制(伺服控制結構簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2)。絲杠導程2 mm , 精度為0.001mm , 是位移測量的基準。
速度環(huán)的反饋信號取自測速發(fā)電機, 反饋環(huán)節中加入濾波是為濾除低速時(shí)的諧波。位置環(huán)中位置傳感元件——光電編碼器將產(chǎn)生的電脈沖反饋給位置板經(jīng)信號調理后給PC I28132 中的減法計數器, 于是每來(lái)一個(gè)脈沖, 計數器就從目標值減去1, 直到計數器的內容為0, 伺服電機轉到目標位置而停止旋轉。
