基于LabVIEW的气体微流量测量虚拟仪器的开发(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:成永军

引言

  在真空技术应用中, 气体微流量由气体微流量计测量。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; 火箭燃料是易燃、易爆、有毒的气体或液体, 微小的泄漏具有很大的危险性, 要对火箭燃料的加注过程和发射阵地进行安全检测; 在电子工业中的半导体元件、集成电路、计算机芯片的生产工艺中,要求精确控制气体微流量的注入, 以保证工艺质量和产品性能的稳定。为了满足以上需求, 研制测量精度和可靠性更高、测量范围更宽、测量界面直观、自动化程度高的气体微流量计是非常必要的。利用虚拟仪器技术构建的气体微流量测量虚拟仪器系统就是为了实现上述目标而进行的研究探索。

1、实现气体微流量测量的虚拟仪器系统的建立

1.1、气体微流量的测量原理

  气体微流量的测量原理是: 当气体流出其变容室时, 伺服电机通过平动机构驱动活塞在油室中水平运动, 活塞运动会改变其在油室中的体积, 液压油的体积是基本不变的, 这样波纹管就受到力的作用而发生形变, 使其内的气体压力保持恒定, 气体在Tr 温度(Tr一般取23℃) 下的流量Q 通过测量变容室内气体的压力p、温度T 和体积变化率dV/d t 后由公式(1) 计算得到。


Q= [- d(PV)/dt] (Tr/T) = - P (dV/dt) (Tr/T)= - PA (dl/dt) (Tr/T)  (dP/dt= 0) (1)

  由式(1) 可知, 测量流量时, 不但要准确地测量出变容室内气体的压力、体积变化率和温度, 还要在测量过程中控制变容室内气体的压力, 使其恒定。

1.2、虚拟仪器的硬件结构

  本着“提高测量精度和自动化程度, 减小测量不确定度”的原则, 设计了一套以工控机为中心的测量与控制系统, 选用了精度较高的测量工具, 并用多块数据采集卡把各测量工具与控制器件联系在一起, 实现了数据自动采集和恒压自动调节功能。硬件总体结构如图1 所示。

硬件及功能描述:

  采用3 个Pt100铂电阻温度传感器、3个ADAM3013热电阻变送模块及1块PCI21716多功能数据采集卡可实现对变容室、参考室及实验室温度同时进行采集。温度的测量范围为0~100℃, 精度为0.1℃。采用美国MKS 公司生产的一套差压式电容薄膜规(包括三个规头、一个控制单元M S274 和一个数据显示单元M KS670,MKS670 上有一个488 接口, 计算机通过IEEE488 数据采集卡进行量程和规头选择)、美国NI公司生产的IEEE488 数据采集卡实现气体压力的测量。压力的测量范围为0~1.01×105 Pa。

  利用台湾凌华公司生产的运动控制卡PC I28132、伺服控制卡和位置控制卡、平动机构(主要包括选用北京微电机总厂生产的70LC21 型永磁式直流力矩测速机组、型号为HES210242MD 脉冲编码器、丝杠、Á5 的活塞) 等实现对伺服电机进行速度和位置控制(伺服控制结构简图见图2)。丝杠导程2 mm , 精度为0.001mm , 是位移测量的基准。

  速度环的反馈信号取自测速发电机, 反馈环节中加入滤波是为滤除低速时的谐波。位置环中位置传感元件——光电编码器将产生的电脉冲反馈给位置板经信号调理后给PC I28132 中的减法计数器, 于是每来一个脉冲, 计数器就从目标值减去1, 直到计数器的内容为0, 伺服电机转到目标位置而停止旋转。

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