计算机技术在真空计量中的应用(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:田东旭
  国防科工委真空计量一级站开展真空计量的研究己有三十多年的历史,全压力、分压力和流量(漏率)的计量标准装置己经逐渐建立起来,分别用于校准其空计、质谱计、润孔和流量计。目前,真空计量一级站正致力于极高真空、微流量、分压力的校准技术研究,计算机技术广泛地应用在上述研究领域,不但完成了非平衡态分子流理论的计算机数值模拟,而且在真空计量标准装里的研制中实现了自动控制、仪器仪表通讯、数据采集和处理等功能。本文介绍了相关的计算机技术及其在真空计量研究中取得的一些应用成果。

1、引言

  飞速发展的计算机技术在各行各业得到广泛应用。

  八十年代美国己经将计算机技术应用到真空设备的研制中。九十年代初,国防科工委真空计量一级站开始在真空计量中应用计算机技术,经过近十年的研究和实践,不但完成了非平衡态分子流理论的计算机数值模拟,而且在真空计量标准装置的研制中实现了自动控制、仪器仪表通讯、数据采集和处理等功能。本文介绍了相关的计算机技术及其在真空计量研究中取得的一些应用成果。

2、计算机技术

2.1、计算机软件技术

  在计算机软件的开发过程中,最早使用的计算机软件是用汇编语言写成的,运行在早期的单板机上,接着采用Basic, Fortran, C等高级编程语言编制的计算机软件被大量使用,目前采用的方法是运用上述高级编程语言和Microsoft Foxpro, Microsoft Access等数据库管理系统开发软件进行混合编程,不但使开发的应用软件具有快速的运算功能、强大的接口操作功能,而且能够对校准数据进行有效的管理。

  计算机软件开发平台从早期的DOS操作系统发展到Windows。操作系统,实现了多任务管理,具有OLE(Object Linking and Embedding)对象链接及嵌入和DDE(Dynamic Data Exchange)动态数据交换功能,能够与其它应用程序之间传递信息,最大限度地利用Windows应用程序提供的大量资源。

2.2、计算机硬件技术

  为了能够实现计算机对真空系统的控制,首先要利用模拟电路和数字电路的基础知识设计制作一些控制电路和转换电路,用于计算机和被控对象之间的硬件联系。然后将被控对象通过硬件电路、可编程控制器、计算机接口与控制计算机相连,组成测量与控制系统。可编程控制器和计算机接口技术在计算机控制中应用十分广泛。

2.2.1、可编程控制器

  可编程控制器(ProgrammbleC ontroller),缩写成PC.1 969年美国DEC数字设备公司研制出世界上第一台可编程控制器。它是为了取代继电器控制而研制的,既保留了继电器控制的优点,又因为采用了微型计算机的一些原理和技术,克服了继电器控制的缺陷。现代的可编程控制器吸取了过程控制仪表、通讯技术、数字控制技术的特点,使可编程控制器不仅能完成程序控制,还能实现自动调节川。由于可编程控制器具有极高的可靠性,编程简单,使用方便,已成为当前和今后工业控制的主要手段和重要的基础控制设备之一,在工业控制中得到了广泛的应用。

  可编程控制器一般由输入部分、逻辑部分和输出部分三个部分组成,如图1所示。输入部分收集并保存被控对象实际运行的数据和消息;逻辑部分处理由输入部分所取得的信息,并判断那些功能需要输出;输出部分提供被控对象中,哪几个需要实时操作处理。

  可编程控制器按系统程序赋予的功能,接受并存贮从编程器键入的用户程序和数据;用扫描的方式接收现场输入装置的状态和数据,并存入输入状态表和数据寄存器中:进入运行状态后,从存贮器逐条读取用户程序,经过命令解释后按规定的任务产生相应的控制信号,去启动、关闭有关控制门电路,分时、分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等动作,完成用户程序中规定的逻辑或算术运算等任务;根据运算结果更新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容,再由输出状态表的位状态或数据寄存器的有关内容,实现输出控制、数据通信等功能。LAD(Ladder Diagram)梯形图类似继电器控制电路形式,非常直观易懂,是各种可编程控制器通用的编程方式。

2.2.2、计算机接口技术

  早期的真空测量仪器仪表接口设计较为简单,采用BCD码接口,计算机通过数字量愉入输出接口进行数据通讯,采集到的数据必须经过译码才能得到测量数据,接线和编程都较复杂。

  随着计算机应用技术在我国的普及,计算机上用的通用接口在自动测试和自动控制中的应用越来越广。计算机上的通用接口一般有两类,一类是串行通讯口,另一类是并行通讯口。

  串行通讯口中RS-232-C异步串行通讯接口应用最为广泛,RS-422.RS-423. RS-449和RS485等几类异步串行通讯接口都是在RS-232一的基础上发展起来的。RS表示“推荐标准”(Recommended Standard),是指美国电子工业协会(E工k)正式公布的标推,它们规定了异步串行通讯接口的电气连接方式。RS-232-C接口是为了用电话网进行数据通讯而制定的标准。随着计算机技术的发展,除了远距离通讯仍采用此法外,近程通讯和仪器仪表的控制也采用这种接口方法。

  RS-232一标准规定有25根连线,使用21个信号线,大多数信号线与使用电话线有关,在直接通讯的情况下并不需要。在一般直接通讯中仅用到3个信号线,图2给出了两台计算机或终端间的连接方法,两者的信号地线直接相连,发送数据线和接收数据线交叉连接,即一台计算机和终端的数据输出是另一台计算机的输入。

  RS-232-C规定“1”的逻辑电平在一3V--15V之间,"0”的逻辑电平在十3V^-+15V之间,采用这样对信号地对称的电压,而且电压这样高主要是为了防止干扰,一般在30米的距离内可以安全地进行信号传输。采用RS-232-C接口进行通讯时,要注意计算机和被控对象之间的数据传输格式和串行通讯速度是否一致Is7数据传输格式中对数据的起始位、数据位、奇偶校验位、停止位须有明确的定义,串行通讯波特率(每秒传送的位数)通常使用9600。

  IEEE-488接口,目前主要用于较小的系统与系统之间的通信。它是连接计算机与各种电子仪器,如数字电压表、频率计数器、可程控电源、信号发生器等带有IEEE-488接口的仪器系统之间的有效通迅手段。70年代初期,美国HP公司制定了自己用的8位数据通道的并行接口标准,这个标准具有多用性、功能强的优点。美国IEEE和IEC采用了这个标准,在这个标准的基础上制定了IEEE-488和IEC-625-1标准作为标准接口总线的国际标准。IEEE-488总线标准的别名有HP-IB、GP-IB、IEC-IB、PLUS-IB。

  IEEE-488接口规定了一个24线的组合插头座作为连接器,定义了每个引脚的功能: 给定了标准逻辑和用于各种仪器设备之间对话的方法及规则:定义了输入输出信号电平标准,低电平蕊+0.8V 为逻辑u1rf,高电平)2.OV为逻辑 “0” ,即接口采用负逻辑;规定信息传输距离最远为20米;接口总线上最多可连接15个设备。采用IEEE-488接口进行通讯时应注意控者、讲者 、听 者 之 间 的 关 系和传送数据的时序。计算机和测量仪表的通讯过程中,适当在软件中增加延时,使之与IEEE-488接口的工作时序相匹配。为减少数据采集错误, 计 算机应对每个被测量都进行多次数据采集,然后用数字滤波技术进行处理,可以避免发生数据采集错误。

3 、计算机技术应用实例

  真空计量一级站开展真空计量的研究己有三十多年的历史,全压力、分压力和流量(漏率)的计量标准装置已经逐渐建立起来,分别用于校准真空计、质谱计、漏孔和流量计。目前,真空计量一级站正致力于极高真空、微流量、分压力的校准技术研究。计算机技术广泛地应用在上述研究领域,使真空计量的水平得到了提高。从以下四个方面阐述了计算机技术在真空计量中的应用。

3.1、数值模拟

  利用计算机可以对真空计量中的一些理论问题进行数值模拟,得出可靠的模拟结果,有利于对它们进行深入的研究。从理论上研究非平衡态(稳态非均匀)分子流的方法是首先假定一个理论模型,建立一定的数学关系式,然后用解析法或计算机求解。目前的理论研究方法可以归纳为:视角系数法、积分方程法、蒙特卡洛法和等效表面法。真空计量一级站开展过用视角系数法计算球形比对容器中的分子流分布和用蒙特卡洛法模拟动态流量法校准系统的分子流场分布的研究工作。

  根据ISO标准动态流量法校准系统L8)采用了具有独创性的四球结构模型,如图3所示。为了清楚认识校准室内分子流场的分布情况,结合实际系统选用蒙特卡洛法对非均匀分子流场进行了深入的计算机模拟研究。

  蒙特卡洛法,又称随机抽样技巧或统计试验方法。当所要求解的问题是某种事件出现的概率,或者是某个随机变t的期望值时,它们可以通过某种试验的方法得到这种事件出现的频率,或者这个随机变量的平均值,并且把它们作为问题的解。这就是蒙特卡洛法的基本思想。

  通过计算机对校准室内的分子流场进行模拟,给出了分子流密度分布和校准室内表面纵向各位置上分子密度与赤道间的偏差,得到了校准室分子流场分布曲线,抽速变化及分子入射、返流时由于孔厚引起的束流效应对校准室内分子流场分布的影响。计算机数值模拟的结果为校准系统设计、调试和实验提供了有力的理论依据。

3.2、数学计算

  科研人员使用计算机能够轻松地完成复杂的数学计算。

  金属膨胀式真空计量标准装置是一台绝对真空标准,用于校准电容薄膜规磁悬浮转子规。标准装置采用石英布尔登规精确测量前级标准压力,通过大量实验侧定取样室和校准室的体积比,根据多级气体连续膨胀公式可以精确计算出标准压力。由于考虑到校准过程中要进行多次多级气体膨胀、取样室压力衰减、温度变化等因素,使得标准压力的计算公式复杂,计算量大。为了能够提供一个实时的标准压力值,便于对校准过程进行实时分析,及时发现校准中出现的问题,开发了计算机校准软件,根据校准公式对标准压力进行计算和修正,避免了校准人员繁琐的重复性劳动。

  在真空校准工作中,需要对大里校准数据进行处理以给出校准结果,通过计算机软件,例如电子表格软件”MiCrosoft Excel,可以对校准数据进行处理,不仅可以计算出修正系数、标准偏差、不确定度,绘制校准曲线,而且可以根据校准数据进行回归分析,拟合出修正系数对真空计读数的函数。

  表1为一台390HA型电容薄膜规的校准数据计读数,P1,是标准压力,P2是真空计读数,C是修正系数,C=P1/P2。电容薄膜规的校准曲线见图4,从图中看出校准曲线偏离线性,这是由于长期使用导致其性能下降造成的。仅给出校准曲线无法精确修正电容薄膜规,需要分段给出修正公式15一100kPa 测量范围内校准数据的六阶多项式拟合曲线和拟合公式见图5,根据拟合公式用户可以方便的得出修正系数。

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