恒压式气体微流量计的测控系统研制

2009-07-27 成永军兰州物理研究所

1、引言

　　恒压式气体微流量计是测量和提供气体微流量的一种装置，是建立气体微流量（或漏率）计量标准的基础。精确测量气体微流量（或漏率）具有十分重要的意义。例如，为了保持飞船舱内的压力长期工作正常，需要对舱体进行检漏，检漏时不但要找到漏孔位置，还要精确测量微小的漏率，这对于长期在空间飞行的载人飞船尤为重要；运载火箭的压力容器和管道也都需要检漏。检漏用的氦质谱检漏仪需要用标准漏孔进行标定，其检漏的可靠性在一定程度上取决于标准漏孔的校准精度。恒压式气体微流量计可对标准漏孔进行校准。

　　恒压式气体微流量计也是建立动态流导法真空度计量标准及真空泵抽速计量标准的基础。

　　为了满足以上需求，研制测量不确定度小、测量范围宽、测量界面直观、自动化程度高的恒压式气体微流量计是非常必要的。

2、恒压式气体微流量计的工作原理

　　恒压式气体微流量计主要由压力补偿系统、测量与控制系统、恒温系统和抽气系统四部分组成，其原理结构如图1所示。

图1 恒压式气体微流量计原理图

1. 溅射离子泵；2,8，27电容薄膜规(CDG)；5,6,10,,11,13,14,15,16,17,25,26,
28,29,30,32,33,36, 37，阀门；7. 磁悬浮转子规(SRG);9. 针阀；12. 压力表；18，19,20气瓶；21 角阀；22分子泵；23.机械泵；24 稳压室；31，34小孔；35 油处理器；38.波纹管；39.油室；40.活塞；41. 电机。

　　流量测量原理是：当气体流出变容室时，电机带动活塞在油室中运动，改变变容室的体积，使变容室中气体压力保持恒定，则气体在Tt温度（Tt一般取296.15K)下的流量Q 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，见公式(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-活塞的横截面积;dl-活塞在dt时间内移动的距离。

3、测控系统

　　恒压式气体微流量计的测控系统的主要任务是：

　（1）在流量测量过程中准确地测量出变容室内气体的压力、体积变化率和温度；

　（2）在流量测量过程中控制变容室内气体的压力，使其恒定；

　（3）编写测控软件，完成数据采集、数据处理、自动控制和自动化管理等工作。

　　恒压式气体微流量计的测控系统结构如图2所示。

3.1、变容室内气体压力的测量

　　变容室和参考室内的气体工作压力范围是(8.5×10 ⁴~10 ^-3)Pa用两只绝压式电容薄膜规和磁悬浮转子规测量参考室中气体的压力，用差压式电容薄膜规测量参考室与变容室之间的压力差，测控系统将此压力差控制在零附近。这样就保证了变容室内气体压力测量的准确性和灵敏性。

　　为了实现计算机对变容室气体压力的自动测量与控制，选用了如下测控元件：串口采集卡和IEEE488数据采集卡各一块。将上述两块卡均插于计算机的PCI插槽中。计算机通过电容薄膜规显示单元后的IEEE488通讯接口和磁悬浮转子规控制单元上的RS-232接口，根据特定的指令可完成数据的自动采集。