恒壓式氣體微流量計測控系統的設計
“八五”期間, 國防科工委真空計量一級站建立了一臺恒壓式氣體微流量計, 流量測量范圍為3.49× 1023～1.97 × 1028 Pa ·m3/s, 不確定度小于2. 25% [1, 2]。流量計測控系統以386計算機為中心,選用了當時(shí)精度很高的光柵尺、鉑電阻等測量工具,用三塊計算機接口板把測量工具和控制器件與計算機聯(lián)系在一起, 采用PD 算法, 實(shí)現了數據的自動(dòng)采集、恒壓自動(dòng)調節和流量測量[3]。隨著(zhù)真空計量和計算機控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,研制流量范圍更寬、流量下限更低、流量測量更準確的氣體微流量計已非常迫切。目前, 德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB) 已經(jīng)研制到第三代流量計, 測控系統為全自動(dòng)方式, 計算機軟件采用美國NI公司的LabVIEW開(kāi)發(fā)工具, 測量下限達到了1028Pa·m3/s (校準流量下限達到10210 Pa·m3/s) 。意大利國家計量研究所(M GC) 也研制了第三代流量計, 亦采用自動(dòng)控制和LabVIEW 軟件實(shí)現流量控制和測量, 測量下限達到了1028 Pa·m3/s [5,6 ]。“十五”期間, 我站研制了新一代恒壓式氣體微流量計, 用于真空規和真空漏孔的校準,本文將介紹該流量計測控系統的研制情況。
1、流量計測量原理
流量測量原理是: 當氣體流入或流出變容室時(shí),改變變容室的容積, 使變容室中氣體壓力保持恒定,則氣體在T r 溫度(T r 一般取23℃) 下的流量就可以通過(guò)測量變容室內氣體的壓力P、溫度T 和體積變化率dV/dt 而計算得到
Q =-[d (P·V)/dt]·(Tr/T)== - P·(dV/dt) ·(Tr/T) (dP/dt=0) (1)
式中 Q ——氣體流量, Pa·m3/s
P——變容室壓力, Pa
dV/dt——變容室體積變化率,m3/s
Tr/T ——變容室溫度變化率, 無(wú)量綱
將流量計提供的已知流量引入到真空校準系統, 可以進(jìn)行真空規校準或真空漏孔校準。
2、測控系統的設計
為了測量公式(1) 中壓力、體積變化率和溫度以及實(shí)現流量計測量的自動(dòng)化, 我們圍繞“提高測量精度, 減小測量不確定度”這個(gè)原則, 設計了如圖2 所示的恒壓式氣體微流量計測控系統。
用美國MKS公司生產(chǎn)的滿(mǎn)量程133 Pa 和1.33×105Pa 電容薄膜規(CDG) 測量, 其中電容薄膜規的參考端接濺射離子泵, 用以維持較低參考壓力。當測量壓力低于1021 Pa, 使用一臺美國M KS 公司生產(chǎn)的磁懸浮轉子規(SRG22E) 測量, 此規的控制單元帶有RS2232C 計算機接口。變容室與參考室的差壓用滿(mǎn)量程133 Pa 的差壓電容薄膜規測量。電容薄膜規的顯示單元型號為MKS670, 有IEEE488 通訊接口, 通道選擇器型號為MKS274。
為了實(shí)現計算機對電容薄膜規和磁懸浮轉子規的控制和測量, 設計了如下硬件構成: 臺灣研華公司的工業(yè)控制計算機一臺, PC I21610 串口采集卡一塊, 美國N I 公司IEEE488 數據采集卡一塊, 相關(guān)數連線(xiàn)一套。PC I21610 串口采集卡用于連接磁懸浮轉子規, 有4個(gè)RS2232C 端口, 可連接4 臺儀器。此卡帶128字節FIFO的16C954 URAT芯片, 傳輸速度可達961.6 Kbps。IEEE488 數據采集卡用于連接MKS670, 采用TNT4882高速GPB Talker/Listener芯片, 最高IEEE488.1 傳輸速率為1.5M bytes/s。在以上硬件基礎上, 用美國NI公司的LabVIEW軟件編程, 可完成控制和數據采集功能。
用于操作電容薄膜規和磁懸浮轉子規的計算機指令系統可參考儀器使用說(shuō)明書(shū)[7, 8] , 對于數字量接口的電容薄膜規, 也可進(jìn)行計算機控制。
2. 2、變容室氣體溫度測量
溫度波動(dòng)是影響氣體微流量計精確測量的主要原因之一, 會(huì )引起虛流量、液壓油的熱脹冷縮和電容薄膜規的零點(diǎn)漂移等現象。為了減小實(shí)驗室環(huán)境溫度的波動(dòng)對流量測量結果的影響, 將流量計主體放入鋁板做的恒溫箱內與外界絕熱隔離, 采用被動(dòng)恒溫方法對流量計進(jìn)行恒溫。
由Pt100 鉑電阻溫度計、熱電阻變送模塊ADAM 3013、臺灣研華公司數據采集卡PC I21716及工控機組成溫度測量單元。Pt100鉑電阻溫度計測量的溫度范圍為(0～100) ℃。ADAM 3013 模塊內置微處理器, 可用開(kāi)關(guān)配置熱電阻輸入范圍并選擇0～ 5 V 或0～ 20 mA 的輸出, 有1000VDC三端光電隔離。PCI21716的A/D 轉換為162b it, 采樣率250kHz, 有16路單端或8 路差分A/D輸入。將兩個(gè)Pt100鉑電阻溫度計分別貼在變容室和參考室表面, 并通過(guò)導線(xiàn)與ADAM 3013 (設為0～5V 輸出)相連, 再將ADAM 3013 的輸出連接到PC I21716 的A/D輸入端。PC I21716 將溫度信號進(jìn)行A/D 轉換后, 可通過(guò)計算機采集到溫度數值。
2. 3、變容室體積變化率測量
變容室采用活塞液壓驅動(dòng)波紋管的結構, 在波紋管外側設計了一個(gè)密閉油室, 以液壓油為體積傳遞介質(zhì), 當活塞在油室中運動(dòng)時(shí), 由于油受壓后其體積的變化量非常小, 所以活塞體積的變化率就等于變容室波紋管體積的變化率�；钊蔷芗庸さ膱A柱體, 直徑為5 mm , 長(cháng)度為60 mm。絲杠直徑為14 mm , 導程為2 mm , 有效行程為40 mm。
通過(guò)測量活塞的橫截面積和運動(dòng)速度就可計算出變容室的容積變化率, 活塞橫截面積由北京機床廠(chǎng)計量部門(mén)測量得到, 活塞的運動(dòng)速度直接由測控軟件給定�；钊\動(dòng)速度的控制和測量由如下硬件成: 工控機, 臺灣凌華公司生產(chǎn)的PCI8132 電機控制卡、自行研制的電機位置控制卡、伺服驅動(dòng)板、直流電機、導軌平動(dòng)機構、活塞。PCI8132電機控制卡為兩軸脈沖輸出, 可控制步進(jìn)及伺服電機, 最大輸出頻率2.4Mpps, 具有位置比較等多種功能。電機位置控制卡、伺服驅動(dòng)板配合工作, 可完成控制電機運動(dòng), 位置信號和速度信號在液晶指示面板的顯示, 限位開(kāi)關(guān)信號采集等功能。伺服驅動(dòng)板最大輸出為±10V , 對應電機轉速范圍為± (0.1 r/min～20 r/min)。
工作時(shí), 計算機向位置控制卡發(fā)送位置指令, 位置控制卡將此信號傳遞給伺服驅動(dòng)板, 伺服驅動(dòng)板驅動(dòng)電機使導軌平動(dòng)機構和活塞按指定速度運動(dòng)。運動(dòng)過(guò)程中, 光電編碼器可將電機轉速(脈沖信號)發(fā)送到位置控制卡, 并由計算機采集后做為活塞的運動(dòng)速度參與流量的計算, 電機轉動(dòng)一圈可使光電編碼器產(chǎn)生4096 個(gè)脈沖。
電機位置控制卡、伺服驅動(dòng)板、電源等設備安裝在一個(gè)箱體內, 且與箱體前面板有數據線(xiàn)連接。箱體前面板有液晶顯示屏、指示燈、開(kāi)關(guān)按鈕、電位器, 通過(guò)前面板可以手動(dòng)對活塞進(jìn)行前進(jìn)、后退、變速運動(dòng)等操作, 也可以顯示活塞的運動(dòng)速度和位移。
