基于虛擬儀器的真空度現場(chǎng)測試系統

　　真空度現場(chǎng)測試系統測量范圍為( 1 × 10⁵ ～ 2 × 10^-9 ) Pa。文章介紹了該系統的硬件構成和工作原理。該系統硬件部分主要包括電容薄膜真空計、標準電離真空計、分離規和法蘭轉換套件�；�于美國NI 公司的Labview軟件開(kāi)發(fā)平臺，結合日常型號服務(wù)的熱真空試驗設備和其它真空設備的測試需求，開(kāi)發(fā)了真空度現場(chǎng)測試軟件。軟件以模塊化思想為基礎，可根據不同的測試要求選擇相應的測試標準，進(jìn)而實(shí)現數據自動(dòng)處理，報告自動(dòng)生成。

1、引言

　　真空技術(shù)是20 世紀初發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新的技術(shù)學(xué)科，隨著(zhù)科技的進(jìn)步，真空技術(shù)作為一門(mén)實(shí)用的基礎科技應用范圍日益廣泛。目前，真空技術(shù)已廣泛應用于航天、航空、高能物理、可控熱核聚變、表面物理、半導體與微電子等尖端科學(xué)研究領(lǐng)域，此外還廣泛應用于工業(yè)和服務(wù)業(yè)。從日常生活用的燈泡的制造，到空間環(huán)境模擬實(shí)驗，所有真空工程中的應用設備，都是通過(guò)真空系統實(shí)現的。

　　不同的真空應用設備，所用的真空系統是不一樣的，但其基本組成是類(lèi)似的。一套真空系統主要由真空室、真空獲得設備、真空測量設備和其它元件構成。真空度是真空系統最重要的物理參數之一，也是衡量真空系統性能的重要物理參數，同時(shí)真空度的準確測量是影響工藝和真空實(shí)驗的重要參數。

　　對于新研制的真空設備為了了解其真空特性是否滿(mǎn)足使用要求，通常要對其進(jìn)行測試驗收以確保設備的性能指標。對于使用中的真空設備，為了檢驗其特性，需要對其進(jìn)行周期測試。由于真空設備體積龐大，搬到計量室進(jìn)行特性測試顯然很不現實(shí)，因此需要對其進(jìn)行現場(chǎng)測試。由于真空系統的復雜多樣性，真空度準確測量對工藝和試驗的重要影響，要求真空度現場(chǎng)測量系統必須精度高，覆蓋的量程寬。

　　結合日常型號服務(wù)工作，尤其是空間熱真空環(huán)境試驗系統的真空度測試需求，我們構建了真空度現場(chǎng)測試系統，并基于美國NI 公司的Labview 軟件開(kāi)發(fā)平臺，開(kāi)發(fā)了真空度現場(chǎng)測試軟件�？筛鶕�不同的測試要求選擇相應的測試標準，進(jìn)而實(shí)現數據自動(dòng)處理，報告自動(dòng)生成，大大提高工作效率。

2、硬件部分及工作原理

　　真空度測量中，除極少數直接測量外，絕大多數是間接測量。就是先在被測氣體中引起一定的物理現象，然后再測量這一過(guò)程中與壓力有關(guān)的物理量，進(jìn)而設法確定壓力值。物理量與壓力的關(guān)系，都是在某一壓力范圍內才最顯著(zhù)，超出這個(gè)范圍，關(guān)系變得弱了。因此，任何方法都有其一定的測量范圍，這個(gè)范圍就是真空計的“量程”。所以針對不同的測量范圍必須選擇不同的測量標準，才能保證整個(gè)測量過(guò)程的準確性，這是真空測量的特點(diǎn)，綜合考慮精度、穩定性、復現性、可靠性和壽命等因素。我們確定了不同真空度段的測量標準，具體見(jiàn)表1。由于真空規和真空設備接口法蘭的多樣性，為了方便連接設計了各種法蘭轉接口。

表1 現場(chǎng)真空度測試系統不同真空段的測量標準

　　2. 1、電容薄膜真空計

　　在粗真空、低真空測量中，薄膜規的精度和穩定性最好。美國MKS 生產(chǎn)的690A 系列電容薄膜規為美國軍用標準，也是國內真空計量標準，真空度的測量可達到讀數精度的0. 05%，是目前準確度等級最高的真空度測量?jì)x器。由于不同型號的薄膜規器測量范圍也不一樣，為了擴展量程，需要組合使用，其測量范圍為( 10⁵ ～ 10^-2 ) Pa。

　　根據彈性薄膜在壓差作用下產(chǎn)生應變而引起電容變化的原理制成的真空計稱(chēng)為電容式薄膜真空計，它由電容式薄膜規管( 又稱(chēng)為電容式壓力傳感器) 和測量?jì)x器兩部分組成。金屬彈性膜片將薄膜真空規管隔離成兩個(gè)室，分別為接被測真空系統的測量室和接高真空系統( 真空度< 10 - 3 Pa) 的參考壓力室。在這兩個(gè)室的連通管道上設置一個(gè)高真空閥門(mén)。測量時(shí)，先將閥門(mén)打開(kāi)，用高真空抽氣系統將規管內膜片兩側的空間抽至參考壓力。同時(shí)調節測量電橋電路，使之平衡，即指示儀表指零。然后，關(guān)閉閥門(mén)，測量室接通被測真空系統。當被測壓力大于參考壓力時(shí)，由于規管中的壓力差，膜片發(fā)生應變引起電容改變，破壞了測量電橋電路的平衡，指示儀表上亦有相應的指示。調節直流補償電源電壓對電容充電，使其靜電力與壓差相等，此時(shí)，電橋電路重新達到平衡，指示儀表又重新指零。根據補償電壓的大小，就能得出被測壓力。

　　2. 2、電離真空計

　　標準電離真空計和分離規均為電離真空計，由燈絲加熱提供電子源。電力真空計其型式繁多，各具不同特點(diǎn)和適用不同的壓力測量范圍。普通電離真空計的允許誤差為50%，標準電離真空計精度為5%，測量范圍( 10^-1 ～10^-5 ) Pa，在真空計量中用作二等標準。分離規精度為15%，測量范圍( 10^-2 ～ 10^-9) Pa，作為超高真空測量具有較好的精度和穩定性。電子在電場(chǎng)中飛行時(shí)從電場(chǎng)獲得能量，若與氣體分子碰撞，將使氣體分子以一定幾率發(fā)生電離，產(chǎn)生正離子和次級電子。其電離幾率與電子能量有關(guān)。電子在飛行路途中產(chǎn)生的正離子數，正比于氣體密度n，在一定溫度下正比于氣體的壓力P。因此，可根據離子電流的大小指示真空度。通過(guò)公式( 1) 可以得到真空度示值。

I + = K·P·Ie (1)

　　式中: I +———真空計離子流示值; K———真空規管的靈敏度系數; P———真空規管所處的壓力值; Ie———真空計的發(fā)射電流。

　　2. 3、法蘭轉換套件

　　法蘭轉換件主要包括CF35 轉KF16，CF35 轉KF25，CF35 轉KF40，CF35 轉CF，CF35 轉螺口標準玻璃規管法蘭，KF40 轉KF25，KF40 轉KF16，KF25轉KF16 及各種常用的非標轉接件。

3、檢定程序

　　Labview 是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器( NI) 公司研制開(kāi)發(fā)的，類(lèi)似于C 和BASIC 開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是Labview 與其他計算機語(yǔ)言的顯著(zhù)區別是:其他計算機語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而Labview 使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G 編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。如圖1 所示為基于Labview 軟件一個(gè)簡(jiǎn)單報表生成程序框圖。

圖1 報表生成程序框圖

　　NI 公司為用戶(hù)提供了基于Labview 的各類(lèi)儀器驅動(dòng)程序，如2000 等都有相應的基于Labview 的驅動(dòng)程序。應用這些驅動(dòng)程序大大提高了程序編制的速度和效率。但需要注意的是有些驅動(dòng)程序模塊與實(shí)際應用有一定差距，需要使用者對其修改或者利用VISA 自行編制。本文以L(fǎng)abview8. 2 作為軟件開(kāi)發(fā)平臺，利用VISA 自行編制儀器驅動(dòng)，開(kāi)發(fā)了真空度現場(chǎng)測試軟件。

　　3. 1、程序設計

　　程序主要由被檢儀表信息輸入模塊、測量模式選擇模塊、圖表實(shí)時(shí)顯示模塊和報告生成模塊四大部分構成。結合“LabVIEW Report Generation Toolkit for Microsoft Office”及word 中書(shū)簽和域的使用，可實(shí)現數據的自動(dòng)處理、原始記錄和證書(shū)的自動(dòng)生成。其程序設計流程圖如圖2 所示。

圖2 真空計電參數檢定程序流程圖

　　如圖3 為標準電離計數據采集模塊程序，首先通過(guò)“VISA 串口配置”模塊配置儀器的串口信息，包括波特率、數據位、停止位等，然后通過(guò)“VISA 寫(xiě)入”模塊給儀器發(fā)送命令，通過(guò)“VISA 設置I /O 緩沖區大小”模塊進(jìn)行緩沖區大小設置，延時(shí)模塊延

　　時(shí)后，通過(guò)“VISA 讀取”模塊讀取儀器返回的十六進(jìn)制數據，最后通過(guò)一系列的數據轉換最終轉換成通用的“I32”數據形式，進(jìn)而通過(guò)數學(xué)函數計算可求的真空度數值。

圖3 標準電離計數據采集模塊程序圖

　　如圖4 為主程序前面板，在主程序前面板可進(jìn)行標準器基本信息的輸入，被測量設備基本信息的輸入，采數間隔時(shí)間的設置。設置完畢運行程序時(shí)，可以通過(guò)表格和曲線(xiàn)圖同時(shí)實(shí)時(shí)顯示真空度隨時(shí)間的變化。測試完畢后，自動(dòng)進(jìn)行數據處理，生成原始記錄和證書(shū)，實(shí)現現場(chǎng)測試，現場(chǎng)出結果。最后可以直接將證書(shū)上傳至計量系統，進(jìn)行統一管理。

圖4 真空度現場(chǎng)測試系統程序前面板圖

　　3. 2、程序效果分析

　　實(shí)際工作中通常測試時(shí)間要持續數小時(shí)，人工測試耗時(shí)又無(wú)趣。通過(guò)應用程序進(jìn)行測試，設定好采數間隔時(shí)間，便可按時(shí)自動(dòng)記錄數據，采用自動(dòng)檢定系統無(wú)疑會(huì )大大降低計量人員的勞動(dòng)強度，節約時(shí)間，提高效率。程序自動(dòng)生成的證書(shū)數據實(shí)例如圖5 所示。

圖5 真空度現場(chǎng)測試系統測試數據

4、結束語(yǔ)

　　通過(guò)合理配置調試，真空度現場(chǎng)測試系統其測量范圍為( 1 × 10⁵ Pa ～ 2 × 10^-9 ) Pa，連接方式多樣，幾乎可以日常工作中的真空設備測試需求。自動(dòng)化程序可以按時(shí)采集數據，自動(dòng)處理，生產(chǎn)報告和原始記錄，提高勞動(dòng)效率。自動(dòng)化程序應用前景十分廣闊，目前我們還有很多工作有待開(kāi)展、完善，充分利用已有的信息和資源為我們所用，以提高準確性和效率。有理由相信，自動(dòng)化技術(shù)在未來(lái)計量工作中將會(huì )發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。