恒压式气体微流量计测控系统的设计(2)

2009-07-20 冯 焱 兰州物理研究所

2. 4、恒压控制和流量测量

  恒压控制分为压力波动(△P/P = 1‰) 控制和比例积分微分(PD)控制两种方法, 分别在不同流量条件下选择使用。

  压力波动控制的原理是:当气体流量流出时,变容室中的压力P 开始下降, 下降量为△P , 当压力下降到△P/P=1‰时, 活塞推进使变容室的压力上升到(P+△P) , 然后活塞停止运动, 此时变容室体积变化量为△V 。经过△t时间后, 变容室中压力再次下降到(P-△P) , 又重复前面的过程。可见, 在流量测量的过程中, 变容室中压力变化曲线是锯齿形的,压力变化值被限定在±△P/P=1‰的幅度内。由公式(2) 计算气体流量Q

   Q=P × (△V/△t) (2)

  实际测量中, 可重复测量10 次以计算流量平均值。这种控制方法的优点是可以降低零点噪声、分辨率分散性和CDG 读数的随机噪声等, 德国PTB 的流量计就采用这种控制方法。

  PD 控制方法的原理是: 由工控机、电机控制卡、电机伺服驱动卡、直流电机、导轨平动机构、活塞、液压油和波纹管、差压式电容薄膜规共同组成一个负反馈恒压自动调节的闭环控制系统。在流量测程中, 参考室内的气体压力不变, 当有气体流入或流出变容室时, 引起变容室的压力发生变化, 使其偏离参考室压力, 在变容室与参考室之间产生的压差△P由差压电容薄膜规测量, 并由计算机循环检测这一压差信号。计算机根据压差值△P 的大小,采用积分分离的位置式PD算法计算出相应的电机转速调整量并输出到位置控制卡, 使电机驱动板用该转速重新驱动伺服电机。电机带动活塞在油室中运动, 改变了变容室的体积, 使变容室的压力得到调整, 这样就形成了一个闭环的压力自动调节系统,使变容室与参考室之间的差压值$P 维持在零附近, 变容室的压力P 基本上保持恒定。美国NIST的流量计采用这种控制方法。

  实际测量中, 活塞运动35mm后停止, 用公式(1) 计算气体流量。需要指出的是, 在活塞运动过程中, 每隔一定时间就可计算出一组流量值, 由于在活塞运动初期, PD调整曲线尚未收敛, 此时的流量计算值不能参与流量平均值结果的计算。在分子流条件下, 如果恒压式流量计采用固定流导引出流量, 可以使活塞以固定速度前进, 用公式(3) 计算流量QC

  QC = P × C (3)

  式中 P ——变容室压力, Pa
    C ——流导,m 3/s

  在分子流的条件下, 固定流导值等于变容室体积的变化速率△V/△t, 可提前计算出。

2. 5、测控软件

  测控软件采用美国NI公司出品的LabVIEW6.1编写, 该软件具有虚拟仪器界面, 形象生动, 所见即所得等特点, 是目前世界上应用最广, 发展最快, 功能最强的图形化软件开发集成环境, 德国PTB 和意大利IM GC 均采用L abV IEW 编写流量计测控软件。

  本测控系统的操作平台选用W indow s 98, 所有数据采集卡均安装了Windows 98驱动程序和LabVIEW6. 1集成开发包。测控软件按照结构化、模块化的程序设计方法设计, 具有易移植, 易开发的特点。测控软件功能模块如下。

  ① 气体压力的数据采集程序模块

  采集变容室、参考室的气体压力值以及变容室和参考室之间的差压值。

  ② 活塞位置的数据采集程序模块

  采集光电编码器的脉冲输出信号, 并将其转换成活塞位移值。

  ③ 电机驱动和转速控制程序模块

  实现电机以所需的速度前进、后退、返回原点等功能, 并点亮控制箱上相应的状态指示灯。

  ④ 温度数据的采集程序模块

  采集变容室、参考室及实验室环境温度值。

  ⑤ 压力补偿程序模块

  采用积分分离的位置式PD控制方法和压力波动($PöP = 1‰) 的控制方法, 使变容室的压力基本保持恒定。

  ⑥ 测量数据的存贮和显示程序模块

  将计算机采集和计算得到的各参数值(如压力、温度、活塞运行的实际位置、流量、速度等) 以文件的形式进行存贮并以图形方式显示。将PD的调节过程等以曲线的形式进行显示。

3、不确定度分析

  根据公式(1) , 气体流量的测量不确定度由以下4 个分量合成: 压力测量不确定度, 体积测量不确定度, 时间测量不确定度, 温度测量不确定度。

  压力由电容薄膜规测量, 电容薄膜规经我站膨胀式真空标准校准, 测量不确定度为1%。体积测量的不确定度由活塞横截面积测量不确定度和活塞变化距离测量不确定度合成, 活塞横截面积由北京机床厂测量, 测量不确定度为0.1% , 活塞变化距离由丝杠加工精度决定, 并由光电编码器测量, 测量不确定度为0.1% , 故体积测量合成不确定度为

  √─────────
   (0. 1% ) 2+ (0. 1% ) 2  = 0. 2%

时间由计算机时钟测量, 根据经验估计测量不确定度为0. 2%。温度测量不确定度由P t100 铂电阻测量精度决定, 由产品说明书可知其测量不确定度为0. 1%。流量测量结果的相对合成不确定度Lc 由(4) 式计算


μc =   √──────────────
        (1% )2+ (0. 2% )2+ (0. 2% )2+ (0. 1% ) 2                   = 1.1%

量测量不确定度需要大量的试验数据来验证, 我们将另撰文讨论, 并对流量计做进一步的性能实验研究。

4、结论

  本测控系统在真空计量一级站第一代流量计控制系统的基础上, 借鉴了德国PTB 气体微流量计的先进经验, 采用台湾研华公司高精度数据采集卡、台湾凌华公司电机控制卡、美国N I 公司L abV IEW 组态软件及IEEE488 采集卡、自行研制的电机伺服卡和先进的数字P ID 计算方法, 实现了流量计的自动控制和流量测量。通过该测控系统对流量计进行控制, 界面友好, 操作简单, 工作效率高, 测量范围和不确定度均优于第一代流量计, 使计算机技术在真空计量中的应用上了一个新台阶。