計算機技術(shù)在真空計量中的應用

　　國防科工委真空計量一級站開(kāi)展真空計量的研究己有三十多年的歷史，全壓力、分壓力和流量(漏率)的計量標準裝置己經(jīng)逐漸建立起來(lái)，分別用于校準其空計、質(zhì)譜計、潤孔和流量計。目前，真空計量一級站正致力于極高真空、微流量、分壓力的校準技術(shù)研究，計算機技術(shù)廣泛地應用在上述研究領(lǐng)域，不但完成了非平衡態(tài)分子流理論的計算機數值模擬，而且在真空計量標準裝里的研制中實(shí)現了自動(dòng)控制、儀器儀表通訊、數據采集和處理等功能。本文介紹了相關(guān)的計算機技術(shù)及其在真空計量研究中取得的一些應用成果。

1、引言

　　飛速發(fā)展的計算機技術(shù)在各行各業(yè)得到廣泛應用。

　　八十年代美國己經(jīng)將計算機技術(shù)應用到真空設備的研制中。九十年代初，國防科工委真空計量一級站開(kāi)始在真空計量中應用計算機技術(shù)，經(jīng)過(guò)近十年的研究和實(shí)踐，不但完成了非平衡態(tài)分子流理論的計算機數值模擬，而且在真空計量標準裝置的研制中實(shí)現了自動(dòng)控制、儀器儀表通訊、數據采集和處理等功能。本文介紹了相關(guān)的計算機技術(shù)及其在真空計量研究中取得的一些應用成果。

2、計算機技術(shù)

2.1、計算機軟件技術(shù)

　　在計算機軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最早使用的計算機軟件是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成的，運行在早期的單板機上，接著(zhù)采用Basic, Fortran, C等高級編程語(yǔ)言編制的計算機軟件被大量使用，目前采用的方法是運用上述高級編程語(yǔ)言和Microsoft Foxpro, Microsoft Access等數據庫管理系統開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行混合編程，不但使開(kāi)發(fā)的應用軟件具有快速的運算功能、強大的接口操作功能，而且能夠對校準數據進(jìn)行有效的管理。

　　計算機軟件開(kāi)發(fā)平臺從早期的DOS操作系統發(fā)展到Windows。操作系統，實(shí)現了多任務(wù)管理，具有OLE(Object Linking and Embedding)對象鏈接及嵌入和DDE(Dynamic Data Exchange)動(dòng)態(tài)數據交換功能，能夠與其它應用程序之間傳遞信息，最大限度地利用Windows應用程序提供的大量資源。

2.2、計算機硬件技術(shù)

　　為了能夠實(shí)現計算機對真空系統的控制，首先要利用模擬電路和數字電路的基礎知識設計制作一些控制電路和轉換電路，用于計算機和被控對象之間的硬件聯(lián)系。然后將被控對象通過(guò)硬件電路、可編程控制器、計算機接口與控制計算機相連，組成測量與控制系統�？删幊炭刂破骱陀嬎銠C接口技術(shù)在計算機控制中應用十分廣泛。

2.2.1、可編程控制器

　　可編程控制器(ProgrammbleC ontroller)，縮寫(xiě)成PC.1 969年美國DEC數字設備公司研制出世界上第一臺可編程控制器。它是為了取代繼電器控制而研制的，既保留了繼電器控制的優(yōu)點(diǎn)，又因為采用了微型計算機的一些原理和技術(shù)，克服了繼電器控制的缺陷�，F代的可編程控制器吸取了過(guò)程控制儀表、通訊技術(shù)、數字控制技術(shù)的特點(diǎn)，使可編程控制器不僅能完成程序控制，還能實(shí)現自動(dòng)調節川。由于可編程控制器具有極高的可靠性，編程簡(jiǎn)單，使用方便，已成為當前和今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎控制設備之一，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。

　　可編程控制器一般由輸入部分、邏輯部分和輸出部分三個(gè)部分組成，如圖1所示。輸入部分收集并保存被控對象實(shí)際運行的數據和消息;邏輯部分處理由輸入部分所取得的信息，并判斷那些功能需要輸出;輸出部分提供被控對象中，哪幾個(gè)需要實(shí)時(shí)操作處理。

　　可編程控制器按系統程序賦予的功能，接受并存貯從編程器鍵入的用戶(hù)程序和數據;用掃描的方式接收現場(chǎng)輸入裝置的狀態(tài)和數據，并存入輸入狀態(tài)表和數據寄存器中:進(jìn)入運行狀態(tài)后，從存貯器逐條讀取用戶(hù)程序，經(jīng)過(guò)命令解釋后按規定的任務(wù)產(chǎn)生相應的控制信號，去啟動(dòng)、關(guān)閉有關(guān)控制門(mén)電路，分時(shí)、分渠道地去執行數據的存取、傳送、組合、比較和變換等動(dòng)作，完成用戶(hù)程序中規定的邏輯或算術(shù)運算等任務(wù);根據運算結果更新有關(guān)標志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器表的內容，再由輸出狀態(tài)表的位狀態(tài)或數據寄存器的有關(guān)內容，實(shí)現輸出控制、數據通信等功能。LAD(Ladder Diagram)梯形圖類(lèi)似繼電器控制電路形式，非常直觀(guān)易懂，是各種可編程控制器通用的編程方式。

2.2.2、計算機接口技術(shù)

　　早期的真空測量?jì)x器儀表接口設計較為簡(jiǎn)單，采用BCD碼接口，計算機通過(guò)數字量愉入輸出接口進(jìn)行數據通訊，采集到的數據必須經(jīng)過(guò)譯碼才能得到測量數據，接線(xiàn)和編程都較復雜。

　　隨著(zhù)計算機應用技術(shù)在我國的普及，計算機上用的通用接口在自動(dòng)測試和自動(dòng)控制中的應用越來(lái)越廣。計算機上的通用接口一般有兩類(lèi)，一類(lèi)是串行通訊口，另一類(lèi)是并行通訊口。

　　串行通訊口中RS-232-C異步串行通訊接口應用最為廣泛，RS-422.RS-423. RS-449和RS485等幾類(lèi)異步串行通訊接口都是在RS-232一的基礎上發(fā)展起來(lái)的。RS表示“推薦標準”(Recommended Standard)，是指美國電子工業(yè)協(xié)會(huì )(E工k)正式公布的標推，它們規定了異步串行通訊接口的電氣連接方式。RS-232-C接口是為了用電話(huà)網(wǎng)進(jìn)行數據通訊而制定的標準。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，除了遠距離通訊仍采用此法外，近程通訊和儀器儀表的控制也采用這種接口方法。

　　RS-232一標準規定有25根連線(xiàn)，使用21個(gè)信號線(xiàn)，大多數信號線(xiàn)與使用電話(huà)線(xiàn)有關(guān)，在直接通訊的情況下并不需要。在一般直接通訊中僅用到3個(gè)信號線(xiàn)，圖2給出了兩臺計算機或終端間的連接方法，兩者的信號地線(xiàn)直接相連，發(fā)送數據線(xiàn)和接收數據線(xiàn)交叉連接，即一臺計算機和終端的數據輸出是另一臺計算機的輸入。

　　RS-232-C規定“1”的邏輯電平在一3V--15V之間，"0”的邏輯電平在十3V^-+15V之間，采用這樣對信號地對稱(chēng)的電壓，而且電壓這樣高主要是為了防止干擾，一般在30米的距離內可以安全地進(jìn)行信號傳輸。采用RS-232-C接口進(jìn)行通訊時(shí)，要注意計算機和被控對象之間的數據傳輸格式和串行通訊速度是否一致Is7數據傳輸格式中對數據的起始位、數據位、奇偶校驗位、停止位須有明確的定義，串行通訊波特率(每秒傳送的位數)通常使用9600。

　　IEEE-488接口，目前主要用于較小的系統與系統之間的通信。它是連接計算機與各種電子儀器，如數字電壓表、頻率計數器、可程控電源、信號發(fā)生器等帶有IEEE-488接口的儀器系統之間的有效通迅手段。70年代初期，美國HP公司制定了自己用的8位數據通道的并行接口標準，這個(gè)標準具有多用性、功能強的優(yōu)點(diǎn)。美國IEEE和IEC采用了這個(gè)標準，在這個(gè)標準的基礎上制定了IEEE-488和IEC-625-1標準作為標準接口總線(xiàn)的國際標準。IEEE-488總線(xiàn)標準的別名有HP-IB、GP-IB、IEC-IB、PLUS-IB。

　　IEEE-488接口規定了一個(gè)24線(xiàn)的組合插頭座作為連接器，定義了每個(gè)引腳的功能: 給定了標準邏輯和用于各種儀器設備之間對話(huà)的方法及規則:定義了輸入輸出信號電平標準，低電平蕊+0.8V 為邏輯u1rf，高電平)2.OV為邏輯 “0” ，即接口采用負邏輯;規定信息傳輸距離最遠為20米;接口總線(xiàn)上最多可連接15個(gè)設備。采用IEEE-488接口進(jìn)行通訊時(shí)應注意控者、講者 、聽(tīng) 者 之 間 的 關(guān) 系和傳送數據的時(shí)序。計算機和測量?jì)x表的通訊過(guò)程中，適當在軟件中增加延時(shí)，使之與IEEE-488接口的工作時(shí)序相匹配。為減少數據采集錯誤， 計 算機應對每個(gè)被測量都進(jìn)行多次數據采集，然后用數字濾波技術(shù)進(jìn)行處理，可以避免發(fā)生數據采集錯誤。

3 、計算機技術(shù)應用實(shí)例

　　真空計量一級站開(kāi)展真空計量的研究己有三十多年的歷史，全壓力、分壓力和流量(漏率)的計量標準裝置已經(jīng)逐漸建立起來(lái)，分別用于校準真空計、質(zhì)譜計、漏孔和流量計。目前，真空計量一級站正致力于極高真空、微流量、分壓力的校準技術(shù)研究。計算機技術(shù)廣泛地應用在上述研究領(lǐng)域，使真空計量的水平得到了提高。從以下四個(gè)方面闡述了計算機技術(shù)在真空計量中的應用。

3.1、數值模擬

　　利用計算機可以對真空計量中的一些理論問(wèn)題進(jìn)行數值模擬，得出可靠的模擬結果，有利于對它們進(jìn)行深入的研究。從理論上研究非平衡態(tài)(穩態(tài)非均勻)分子流的方法是首先假定一個(gè)理論模型，建立一定的數學(xué)關(guān)系式，然后用解析法或計算機求解。目前的理論研究方法可以歸納為:視角系數法、積分方程法、蒙特卡洛法和等效表面法。真空計量一級站開(kāi)展過(guò)用視角系數法計算球形比對容器中的分子流分布和用蒙特卡洛法模擬動(dòng)態(tài)流量法校準系統的分子流場(chǎng)分布的研究工作。

　　根據ISO標準動(dòng)態(tài)流量法校準系統L8)采用了具有獨創(chuàng )性的四球結構模型，如圖3所示。為了清楚認識校準室內分子流場(chǎng)的分布情況，結合實(shí)際系統選用蒙特卡洛法對非均勻分子流場(chǎng)進(jìn)行了深入的計算機模擬研究。

　　蒙特卡洛法，又稱(chēng)隨機抽樣技巧或統計試驗方法。當所要求解的問(wèn)題是某種事件出現的概率，或者是某個(gè)隨機變t的期望值時(shí)，它們可以通過(guò)某種試驗的方法得到這種事件出現的頻率，或者這個(gè)隨機變量的平均值，并且把它們作為問(wèn)題的解。這就是蒙特卡洛法的基本思想。

　　通過(guò)計算機對校準室內的分子流場(chǎng)進(jìn)行模擬，給出了分子流密度分布和校準室內表面縱向各位置上分子密度與赤道間的偏差，得到了校準室分子流場(chǎng)分布曲線(xiàn)，抽速變化及分子入射、返流時(shí)由于孔厚引起的束流效應對校準室內分子流場(chǎng)分布的影響。計算機數值模擬的結果為校準系統設計、調試和實(shí)驗提供了有力的理論依據。

3.2、數學(xué)計算

　　科研人員使用計算機能夠輕松地完成復雜的數學(xué)計算。

　　金屬膨脹式真空計量標準裝置是一臺絕對真空標準，用于校準電容薄膜規和磁懸浮轉子規。標準裝置采用石英布爾登規精確測量前級標準壓力，通過(guò)大量實(shí)驗側定取樣室和校準室的體積比，根據多級氣體連續膨脹公式可以精確計算出標準壓力。由于考慮到校準過(guò)程中要進(jìn)行多次多級氣體膨脹、取樣室壓力衰減、溫度變化等因素，使得標準壓力的計算公式復雜，計算量大。為了能夠提供一個(gè)實(shí)時(shí)的標準壓力值，便于對校準過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現校準中出現的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了計算機校準軟件，根據校準公式對標準壓力進(jìn)行計算和修正，避免了校準人員繁瑣的重復性勞動(dòng)。

　　在真空校準工作中，需要對大里校準數據進(jìn)行處理以給出校準結果，通過(guò)計算機軟件，例如電子表格軟件”MiCrosoft Excel，可以對校準數據進(jìn)行處理，不僅可以計算出修正系數、標準偏差、不確定度，繪制校準曲線(xiàn)，而且可以根據校準數據進(jìn)行回歸分析，擬合出修正系數對真空計讀數的函數。

　　表1為一臺390HA型電容薄膜規的校準數據計讀數，P1，是標準壓力，P2是真空計讀數，C是修正系數，C=P1/P2。電容薄膜規的校準曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，從圖中看出校準曲線(xiàn)偏離線(xiàn)性，這是由于長(cháng)期使用導致其性能下降造成的。僅給出校準曲線(xiàn)無(wú)法精確修正電容薄膜規，需要分段給出修正公式15一100kPa 測量范圍內校準數據的六階多項式擬合曲線(xiàn)和擬合公式見(jiàn)圖5，根據擬合公式用戶(hù)可以方便的得出修正系數。