基于虚拟仪器的真空度现场测试系统

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京东方计量测试研究所 作者:贾军伟

  真空度现场测试系统测量范围为( 1 × 105 ~ 2 × 10-9 ) Pa。文章介绍了该系统的硬件构成和工作原理。该系统硬件部分主要包括电容薄膜真空计、标准电离真空计、分离规和法兰转换套件。基于美国NI 公司的Labview软件开发平台,结合日常型号服务的热真空试验设备和其它真空设备的测试需求,开发了真空度现场测试软件。软件以模块化思想为基础,可根据不同的测试要求选择相应的测试标准,进而实现数据自动处理,报告自动生成。

1、引言

  真空技术是20 世纪初发展起来的一门新的技术学科,随着科技的进步,真空技术作为一门实用的基础科技应用范围日益广泛。目前,真空技术已广泛应用于航天、航空、高能物理、可控热核聚变、表面物理、半导体与微电子等尖端科学研究领域,此外还广泛应用于工业和服务业。从日常生活用的灯泡的制造,到空间环境模拟实验,所有真空工程中的应用设备,都是通过真空系统实现的。

  不同的真空应用设备,所用的真空系统是不一样的,但其基本组成是类似的。一套真空系统主要由真空室、真空获得设备、真空测量设备和其它元件构成。真空度是真空系统最重要的物理参数之一,也是衡量真空系统性能的重要物理参数,同时真空度的准确测量是影响工艺和真空实验的重要参数。

  对于新研制的真空设备为了了解其真空特性是否满足使用要求,通常要对其进行测试验收以确保设备的性能指标。对于使用中的真空设备,为了检验其特性,需要对其进行周期测试。由于真空设备体积庞大,搬到计量室进行特性测试显然很不现实,因此需要对其进行现场测试。由于真空系统的复杂多样性,真空度准确测量对工艺和试验的重要影响,要求真空度现场测量系统必须精度高,覆盖的量程宽。

  结合日常型号服务工作,尤其是空间热真空环境试验系统的真空度测试需求,我们构建了真空度现场测试系统,并基于美国NI 公司的Labview 软件开发平台,开发了真空度现场测试软件。可根据不同的测试要求选择相应的测试标准,进而实现数据自动处理,报告自动生成,大大提高工作效率。

2、硬件部分及工作原理

  真空度测量中,除极少数直接测量外,绝大多数是间接测量。就是先在被测气体中引起一定的物理现象,然后再测量这一过程中与压力有关的物理量,进而设法确定压力值。物理量与压力的关系,都是在某一压力范围内才最显著,超出这个范围,关系变得弱了。因此,任何方法都有其一定的测量范围,这个范围就是真空计的“量程”。所以针对不同的测量范围必须选择不同的测量标准,才能保证整个测量过程的准确性,这是真空测量的特点,综合考虑精度、稳定性、复现性、可靠性和寿命等因素。我们确定了不同真空度段的测量标准,具体见表1。由于真空规和真空设备接口法兰的多样性,为了方便连接设计了各种法兰转接口。

表1 现场真空度测试系统不同真空段的测量标准

  2. 1、电容薄膜真空计

  在粗真空、低真空测量中,薄膜规的精度和稳定性最好。美国MKS 生产的690A 系列电容薄膜规为美国军用标准,也是国内真空计量标准,真空度的测量可达到读数精度的0. 05%,是目前准确度等级最高的真空度测量仪器。由于不同型号的薄膜规器测量范围也不一样,为了扩展量程,需要组合使用,其测量范围为( 105 ~ 10-2 ) Pa。

  根据弹性薄膜在压差作用下产生应变而引起电容变化的原理制成的真空计称为电容式薄膜真空计,它由电容式薄膜规管( 又称为电容式压力传感器) 和测量仪器两部分组成。金属弹性膜片将薄膜真空规管隔离成两个室,分别为接被测真空系统的测量室和接高真空系统( 真空度< 10 - 3 Pa) 的参考压力室。在这两个室的连通管道上设置一个高真空阀门。测量时,先将阀门打开,用高真空抽气系统将规管内膜片两侧的空间抽至参考压力。同时调节测量电桥电路,使之平衡,即指示仪表指零。然后,关闭阀门,测量室接通被测真空系统。当被测压力大于参考压力时,由于规管中的压力差,膜片发生应变引起电容改变,破坏了测量电桥电路的平衡,指示仪表上亦有相应的指示。调节直流补偿电源电压对电容充电,使其静电力与压差相等,此时,电桥电路重新达到平衡,指示仪表又重新指零。根据补偿电压的大小,就能得出被测压力。

  2. 2、电离真空计

  标准电离真空计和分离规均为电离真空计,由灯丝加热提供电子源。电力真空计其型式繁多,各具不同特点和适用不同的压力测量范围。普通电离真空计的允许误差为50%,标准电离真空计精度为5%,测量范围( 10-1 ~10-5 ) Pa,在真空计量中用作二等标准。分离规精度为15%,测量范围( 10-2 ~ 10-9) Pa,作为超高真空测量具有较好的精度和稳定性。电子在电场中飞行时从电场获得能量,若与气体分子碰撞,将使气体分子以一定几率发生电离,产生正离子和次级电子。其电离几率与电子能量有关。电子在飞行路途中产生的正离子数,正比于气体密度n,在一定温度下正比于气体的压力P。因此,可根据离子电流的大小指示真空度。通过公式( 1) 可以得到真空度示值。

I + = K·P·Ie (1)

  式中: I +———真空计离子流示值; K———真空规管的灵敏度系数; P———真空规管所处的压力值; Ie———真空计的发射电流。

  2. 3、法兰转换套件

  法兰转换件主要包括CF35 转KF16,CF35 转KF25,CF35 转KF40,CF35 转CF,CF35 转螺口标准玻璃规管法兰,KF40 转KF25,KF40 转KF16,KF25转KF16 及各种常用的非标转接件。

3、检定程序

  Labview 是一种程序开发环境,由美国国家仪器( NI) 公司研制开发的,类似于C 和BASIC 开发环境,但是Labview 与其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而Labview 使用的是图形化编辑语言G 编写程序,产生的程序是框图的形式。如图1 所示为基于Labview 软件一个简单报表生成程序框图。

报表生成程序框图

图1 报表生成程序框图

  NI 公司为用户提供了基于Labview 的各类仪器驱动程序,如2000 等都有相应的基于Labview 的驱动程序。应用这些驱动程序大大提高了程序编制的速度和效率。但需要注意的是有些驱动程序模块与实际应用有一定差距,需要使用者对其修改或者利用VISA 自行编制。本文以Labview8. 2 作为软件开发平台,利用VISA 自行编制仪器驱动,开发了真空度现场测试软件。

  3. 1、程序设计

  程序主要由被检仪表信息输入模块、测量模式选择模块、图表实时显示模块和报告生成模块四大部分构成。结合“LabVIEW Report Generation Toolkit for Microsoft Office”及word 中书签和域的使用,可实现数据的自动处理、原始记录和证书的自动生成。其程序设计流程图如图2 所示。

 真空计电参数检定程序流程图

图2 真空计电参数检定程序流程图

  如图3 为标准电离计数据采集模块程序,首先通过“VISA 串口配置”模块配置仪器的串口信息,包括波特率、数据位、停止位等,然后通过“VISA 写入”模块给仪器发送命令,通过“VISA 设置I /O 缓冲区大小”模块进行缓冲区大小设置,延时模块延

  时后,通过“VISA 读取”模块读取仪器返回的十六进制数据,最后通过一系列的数据转换最终转换成通用的“I32”数据形式,进而通过数学函数计算可求的真空度数值。

标准电离计数据采集模块程序图

图3 标准电离计数据采集模块程序图

  如图4 为主程序前面板,在主程序前面板可进行标准器基本信息的输入,被测量设备基本信息的输入,采数间隔时间的设置。设置完毕运行程序时,可以通过表格和曲线图同时实时显示真空度随时间的变化。测试完毕后,自动进行数据处理,生成原始记录和证书,实现现场测试,现场出结果。最后可以直接将证书上传至计量系统,进行统一管理。

真空度现场测试系统程序前面板图

图4 真空度现场测试系统程序前面板图

  3. 2、程序效果分析

  实际工作中通常测试时间要持续数小时,人工测试耗时又无趣。通过应用程序进行测试,设定好采数间隔时间,便可按时自动记录数据,采用自动检定系统无疑会大大降低计量人员的劳动强度,节约时间,提高效率。程序自动生成的证书数据实例如图5 所示。

真空度现场测试系统测试数据

图5 真空度现场测试系统测试数据

4、结束语

  通过合理配置调试,真空度现场测试系统其测量范围为( 1 × 105 Pa ~ 2 × 10-9 ) Pa,连接方式多样,几乎可以日常工作中的真空设备测试需求。自动化程序可以按时采集数据,自动处理,生产报告和原始记录,提高劳动效率。自动化程序应用前景十分广阔,目前我们还有很多工作有待开展、完善,充分利用已有的信息和资源为我们所用,以提高准确性和效率。有理由相信,自动化技术在未来计量工作中将会发挥越来越重要的作用。

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