恒壓式氣體微流量計的測控系統研制

1、引言

　　恒壓式氣體微流量計是測量和提供氣體微流量的一種裝置，是建立氣體微流量（或漏率）計量標準的基礎。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；運載火箭的壓力容器和管道也都需要檢漏。檢漏用的氦質(zhì)譜檢漏儀需要用標準漏孔進(jìn)行標定，其檢漏的可靠性在一定程度上取決于標準漏孔的校準精度。恒壓式氣體微流量計可對標準漏孔進(jìn)行校準。

　　恒壓式氣體微流量計也是建立動(dòng)態(tài)流導法真空度計量標準及真空泵抽速計量標準的基礎。

　　為了滿(mǎn)足以上需求，研制測量不確定度小、測量范圍寬、測量界面直觀(guān)、自動(dòng)化程度高的恒壓式氣體微流量計是非常必要的。

2、恒壓式氣體微流量計的工作原理

　　恒壓式氣體微流量計主要由壓力補償系統、測量與控制系統、恒溫系統和抽氣系統四部分組成，其原理結構如圖1所示。

圖1 恒壓式氣體微流量計原理圖

1. 濺射離子泵；2,8，27電容薄膜規(CDG)；5,6,10,,11,13,14,15,16,17,25,26,
28,29,30,32,33,36, 37，閥門(mén)；7. 磁懸浮轉子規(SRG);9. 針閥；12. 壓力表；18，19,20氣瓶；21 角閥；22分子泵；23.機械泵；24 穩壓室；31，34小孔；35 油處理器；38.波紋管；39.油室；40.活塞；41. 電機。

　　流量測量原理是：當氣體流出變容室時(shí)，電機帶動(dòng)活塞在油室中運動(dòng)，改變變容室的體積，使變容室中氣體壓力保持恒定，則氣體在Tt溫度（Tt一般取296.15K)下的流量Q 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，見(jiàn)公式(1)。

Q=[d(P·V)/dt]·(Tr/T)=P·(dV/dt)·(Tr/T)=P·A·dl/dt·Tr/T(dP/dt)=0 (1)

式中：A-活塞的橫截面積;dl-活塞在dt時(shí)間內移動(dòng)的距離。

3、測控系統

　　恒壓式氣體微流量計的測控系統的主要任務(wù)是：

�。�1）在流量測量過(guò)程中準確地測量出變容室內氣體的壓力、體積變化率和溫度；

�。�2）在流量測量過(guò)程中控制變容室內氣體的壓力，使其恒定；

�。�3）編寫(xiě)測控軟件，完成數據采集、數據處理、自動(dòng)控制和自動(dòng)化管理等工作。

　　恒壓式氣體微流量計的測控系統結構如圖2所示。

3.1、變容室內氣體壓力的測量

　　變容室和參考室內的氣體工作壓力范圍是(8.5×10 ⁴~10 ^-3)Pa用兩只絕壓式電容薄膜規和磁懸浮轉子規測量參考室中氣體的壓力，用差壓式電容薄膜規測量參考室與變容室之間的壓力差，測控系統將此壓力差控制在零附近。這樣就保證了變容室內氣體壓力測量的準確性和靈敏性。

　　為了實(shí)現計算機對變容室氣體壓力的自動(dòng)測量與控制，選用了如下測控元件：串口采集卡和IEEE488數據采集卡各一塊。將上述兩塊卡均插于計算機的PCI插槽中。計算機通過(guò)電容薄膜規顯示單元后的IEEE488通訊接口和磁懸浮轉子規控制單元上的RS-232接口，根據特定的指令可完成數據的自動(dòng)采集。

圖2  恒壓式氣體微流量計測控系統結構圖