恒压式气体微流量计测控系统的设计
“八五”期间, 国防科工委真空计量一级站建立了一台恒压式气体微流量计, 流量测量范围为3.49× 1023～1.97 × 1028 Pa ·m3/s, 不确定度小于2. 25% [1, 2]。流量计测控系统以386计算机为中心,选用了当时精度很高的光栅尺、铂电阻等测量工具,用三块计算机接口板把测量工具和控制器件与计算机联系在一起, 采用PD 算法, 实现了数据的自动采集、恒压自动调节和流量测量[3]。随着真空计量和计算机控制技术的进一步发展,研制流量范围更宽、流量下限更低、流量测量更准确的气体微流量计已非常迫切。目前, 德国联邦物理技术研究院(PTB) 已经研制到第三代流量计, 测控系统为全自动方式, 计算机软件采用美国NI公司的LabVIEW开发工具, 测量下限达到了1028Pa·m3/s (校准流量下限达到10210 Pa·m3/s) 。意大利国家计量研究所(M GC) 也研制了第三代流量计, 亦采用自动控制和LabVIEW 软件实现流量控制和测量, 测量下限达到了1028 Pa·m3/s [5,6 ]。“十五”期间, 我站研制了新一代恒压式气体微流量计, 用于真空规和真空漏孔的校准,本文将介绍该流量计测控系统的研制情况。
1、流量计测量原理
流量测量原理是: 当气体流入或流出变容室时,改变变容室的容积, 使变容室中气体压力保持恒定,则气体在T r 温度(T r 一般取23℃) 下的流量就可以通过测量变容室内气体的压力P、温度T 和体积变化率dV/dt 而计算得到
Q =-[d (P·V)/dt]·(Tr/T)== - P·(dV/dt) ·(Tr/T) (dP/dt=0) (1)
式中 Q ——气体流量, Pa·m3/s
P——变容室压力, Pa
dV/dt——变容室体积变化率,m3/s
Tr/T ——变容室温度变化率, 无量纲
将流量计提供的已知流量引入到真空校准系统, 可以进行真空规校准或真空漏孔校准。
2、测控系统的设计
为了测量公式(1) 中压力、体积变化率和温度以及实现流量计测量的自动化, 我们围绕“提高测量精度, 减小测量不确定度”这个原则, 设计了如图2 所示的恒压式气体微流量计测控系统。
用美国MKS公司生产的满量程133 Pa 和1.33×105Pa 电容薄膜规(CDG) 测量, 其中电容薄膜规的参考端接溅射离子泵, 用以维持较低参考压力。当测量压力低于1021 Pa, 使用一台美国M KS 公司生产的磁悬浮转子规(SRG22E) 测量, 此规的控制单元带有RS2232C 计算机接口。变容室与参考室的差压用满量程133 Pa 的差压电容薄膜规测量。电容薄膜规的显示单元型号为MKS670, 有IEEE488 通讯接口, 通道选择器型号为MKS274。
为了实现计算机对电容薄膜规和磁悬浮转子规的控制和测量, 设计了如下硬件构成: 台湾研华公司的工业控制计算机一台, PC I21610 串口采集卡一块, 美国N I 公司IEEE488 数据采集卡一块, 相关数连线一套。PC I21610 串口采集卡用于连接磁悬浮转子规, 有4个RS2232C 端口, 可连接4 台仪器。此卡带128字节FIFO的16C954 URAT芯片, 传输速度可达961.6 Kbps。IEEE488 数据采集卡用于连接MKS670, 采用TNT4882高速GPB Talker/Listener芯片, 最高IEEE488.1 传输速率为1.5M bytes/s。在以上硬件基础上, 用美国NI公司的LabVIEW软件编程, 可完成控制和数据采集功能。
用于操作电容薄膜规和磁悬浮转子规的计算机指令系统可参考仪器使用说明书[7, 8] , 对于数字量接口的电容薄膜规, 也可进行计算机控制。
2. 2、变容室气体温度测量
温度波动是影响气体微流量计精确测量的主要原因之一, 会引起虚流量、液压油的热胀冷缩和电容薄膜规的零点漂移等现象。为了减小实验室环境温度的波动对流量测量结果的影响, 将流量计主体放入铝板做的恒温箱内与外界绝热隔离, 采用被动恒温方法对流量计进行恒温。
由Pt100 铂电阻温度计、热电阻变送模块ADAM 3013、台湾研华公司数据采集卡PC I21716及工控机组成温度测量单元。Pt100铂电阻温度计测量的温度范围为(0～100) ℃。ADAM 3013 模块内置微处理器, 可用开关配置热电阻输入范围并选择0～ 5 V 或0～ 20 mA 的输出, 有1000VDC三端光电隔离。PCI21716的A/D 转换为162b it, 采样率250kHz, 有16路单端或8 路差分A/D输入。将两个Pt100铂电阻温度计分别贴在变容室和参考室表面, 并通过导线与ADAM 3013 (设为0～5V 输出)相连, 再将ADAM 3013 的输出连接到PC I21716 的A/D输入端。PC I21716 将温度信号进行A/D 转换后, 可通过计算机采集到温度数值。
2. 3、变容室体积变化率测量
变容室采用活塞液压驱动波纹管的结构, 在波纹管外侧设计了一个密闭油室, 以液压油为体积传递介质, 当活塞在油室中运动时, 由于油受压后其体积的变化量非常小, 所以活塞体积的变化率就等于变容室波纹管体积的变化率。活塞是精密加工的圆柱体, 直径为5 mm , 长度为60 mm。丝杠直径为14 mm , 导程为2 mm , 有效行程为40 mm。
通过测量活塞的横截面积和运动速度就可计算出变容室的容积变化率, 活塞横截面积由北京机床厂计量部门测量得到, 活塞的运动速度直接由测控软件给定。活塞运动速度的控制和测量由如下硬件成: 工控机, 台湾凌华公司生产的PCI8132 电机控制卡、自行研制的电机位置控制卡、伺服驱动板、直流电机、导轨平动机构、活塞。PCI8132电机控制卡为两轴脉冲输出, 可控制步进及伺服电机, 最大输出频率2.4Mpps, 具有位置比较等多种功能。电机位置控制卡、伺服驱动板配合工作, 可完成控制电机运动, 位置信号和速度信号在液晶指示面板的显示, 限位开关信号采集等功能。伺服驱动板最大输出为±10V , 对应电机转速范围为± (0.1 r/min～20 r/min)。
工作时, 计算机向位置控制卡发送位置指令, 位置控制卡将此信号传递给伺服驱动板, 伺服驱动板驱动电机使导轨平动机构和活塞按指定速度运动。运动过程中, 光电编码器可将电机转速(脉冲信号)发送到位置控制卡, 并由计算机采集后做为活塞的运动速度参与流量的计算, 电机转动一圈可使光电编码器产生4096 个脉冲。
电机位置控制卡、伺服驱动板、电源等设备安装在一个箱体内, 且与箱体前面板有数据线连接。箱体前面板有液晶显示屏、指示灯、开关按钮、电位器, 通过前面板可以手动对活塞进行前进、后退、变速运动等操作, 也可以显示活塞的运动速度和位移。
