恒压式气体微流量计的测控系统研制(3)

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

3.4.2、压力波动控制模式

  当气体流量流出时,变容室中的压力P0降;当变容室和参考室中的压力差△p达到某一很小数值(称为零点阈值)时,时钟开始计时;变容室中的压力下降量约为P0的5×10 -4时,电机带动活塞以最大速度运动,波纹管被压缩以便减小变容室的体积使变容室的压力增加到(1 +5×10-4)P0,然后活塞停止运动,这时变容室中压力再下降△p/p0=5×10-4。这个过程重复进行多次。

  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/p0=1×10 -3的范围内。这种控制模式的优点是在自动测量过程中能实时拟合△p/△t曲线,以便降低零点噪声、分辨力分散性和CDG读数的随机噪声等影响。德国PTB的气体微流量计就采用这种控制模式。

3.5 、活塞运动的位置控制

  利用台湾凌华公司生产的电机控制卡、伺服控制卡和位置控制卡、平动机构(主要包括永磁式直流力矩测速机组、脉冲编码器、丝杠、活塞)等实现对伺服电机进行位置控制(伺服控制结构如图4所示)。

  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电机控制卡中的减法计数器,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。

3.6、测控软件的编写

  在测控系统的硬件基础上,根据具体的实验内容和要求,工作软件采用美国NI公司的创新产品LabVIEW图形化语言编写,采用程序结构化、功能模块化的设计方法,使程序具有易编、易懂、易改、易调试、易开发、易移植等特点。编写的工作软件具有虚拟仪器界面,内容丰富、充实,操作方便,使流量计基本实现了计算机全自动化管理。图5为采用LabVIEW6.1编写的气体微流量测量虚拟仪器主界面(PID控制模式)。

图5 气体微流量测量虚拟仪器主界面

4、恒压式气体微流量计的实验研究

  恒压式气体微流量计建成后,先后进行了大量的性能实验研究,对其整体性能进行了完善。测试结果表明,恒压式气体微流量计能够提供(3.96×10-4~3.64×10-8)Pa·m3/s范围内的气体微流量。在10-8Pa·m3/s范围内的相对合成不确定度为1%,在(1×10-7~1×10-4)Pa·m3/s范围内的相对合成不确定度为0.7%。为了对其整体性能进行评价,进行了如下实验。

4.1、两种恒压控制模式测量同一小孔流导值的一致性验证

  在该流量计的测控系统中,采用了PID及压力波动两种恒压控制模式对流量计的流量进行测量。为了验证两种控制模式的一致性,我们作了如下实验。

  在变容室内充入41Pa左右的氮气(N2),此时满足分子流条件,小孔的流导值应为恒定值。采用两种恒压控制模式对小孔31(见图1)的流导值进行了测量。由测量结果可知,两种恒压控制模式测量同一小孔流导值的偏差为0.21%,证明两种恒压控制模式具有很好的一致性。

4.2、恒压式气体微流量计的测量不确定度验证

  恒压式气体微流量计选用PID恒压控制模式,与定容式气体微流量校准装置对同一支渗氦型真空漏孔进行校准,以验证测量不确定度的可
靠性。

  将被校漏孔接在恒温箱中,恒温箱温度设定在23℃,恒温24小时以上,将漏孔流量引入校准室中,产生一离子流IL然后调节恒压式气体微流量计的变容室中气体的压力,使输出的流量产生的离子流L尽量与漏孔产生的离子流IL相一致。同样也用定容式气体微流量校准装置对其进行校准。在相同的条件下重复校准漏孔6次。

  恒压式气体微流量计的校准结果为1.555×10-8Pa·m3/s定容式气体微流量校准装置的校准结果为1.568×10-8Pa·m3/s从校准结果可以看出,两种不同原理的校准装置校准结果偏差仅为0.86%,这一结果证明了恒压式气体微流量计的测量不确定度的可靠性。

4.3 、恒压式气体微流量计的应用

  将恒压式气体微流量计用于动态流导法真空校准装置中,对该磁悬浮转子规在(10-1 ~10-4) 范围内进行了校准。校准结果为:磁悬浮转子规的传递系数为0.990与PTB的校准结果偏差为1.4%。这从侧面说明恒压式气体微流量计提供已知气体流量的准确性。

5、 结束语

  用该测控系统对恒压式气体流量计进行控制,流量计整体性能稳定、运动可靠、测量自动化水平高、测量不确定度小。该套恒压式气体微流量计已用在动态流导法真空校准装置中,可用于真空规和真空漏孔的校准。

参考文献

[1] 张涤新,孟扬,吕时良 恒压式气体微流量计的设计中国空间科学技术,1999

[2] 李得天.德国联邦物理技术研究院(PTB)气体微流量计量评价" 真空科学与技术,2003

[3] 石博强,赵德永,李畅等LabVIEW6.1编程技术实用教程" 中国铁道出版社,2002

[4] 陶永华,尹怡欣,葛芦生" 新型PID控制及其应用 机械工业出版社,2000

[5]A.Calcatelli,C.Raiteri and G.Rumiano.Gas Flow measurements connected with the continuous expansion system.

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