基于LabVIEW的氣體微流量測量虛擬儀器的開發

2009-07-14 成永軍蘭州物理研究所

引言

　　在真空技術應用中, 氣體微流量由氣體微流量計測量。精確測量氣體微流量(或漏率) 具有十分重要的意義。例如, 為了保持飛船艙內的壓力長期工作正常,需要對艙體進行檢漏, 檢漏時不但要找到漏孔位置, 還要精確測量微小的漏率, 這對于長期在空間飛行的載人飛船尤為重要; 火箭燃料是易燃、易爆、有毒的氣體或液體, 微小的泄漏具有很大的危險性, 要對火箭燃料的加注過程和發射陣地進行安全檢測; 在電子工業中的半導體元件、集成電路、計算機芯片的生產工藝中,要求精確控制氣體微流量的注入, 以保證工藝質量和產品性能的穩定。為了滿足以上需求, 研制測量精度和可靠性更高、測量范圍更寬、測量界面直觀、自動化程度高的氣體微流量計是非常必要的。利用虛擬儀器技術構建的氣體微流量測量虛擬儀器系統就是為了實現上述目標而進行的研究探索。

1、實現氣體微流量測量的虛擬儀器系統的建立

1.1、氣體微流量的測量原理

　　氣體微流量的測量原理是: 當氣體流出其變容室時, 伺服電機通過平動機構驅動活塞在油室中水平運動, 活塞運動會改變其在油室中的體積, 液壓油的體積是基本不變的, 這樣波紋管就受到力的作用而發生形變, 使其內的氣體壓力保持恒定, 氣體在Tr 溫度(Tr一般取23℃) 下的流量Q 通過測量變容室內氣體的壓力p、溫度T 和體積變化率dV/d t 后由公式(1) 計算得到。

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

　　由式(1) 可知, 測量流量時, 不但要準確地測量出變容室內氣體的壓力、體積變化率和溫度, 還要在測量過程中控制變容室內氣體的壓力, 使其恒定。

1.2、虛擬儀器的硬件結構

　　本著“提高測量精度和自動化程度, 減小測量不確定度”的原則, 設計了一套以工控機為中心的測量與控制系統, 選用了精度較高的測量工具, 并用多塊數據采集卡把各測量工具與控制器件聯系在一起, 實現了數據自動采集和恒壓自動調節功能。硬件總體結構如圖1 所示。

硬件及功能描述:

　　采用3 個Pt100鉑電阻溫度傳感器、3個ADAM3013熱電阻變送模塊及1塊PCI21716多功能數據采集卡可實現對變容室、參考室及實驗室溫度同時進行采集。溫度的測量范圍為0～100℃, 精度為0.1℃。采用美國MKS 公司生產的一套差壓式電容薄膜規(包括三個規頭、一個控制單元M S274 和一個數據顯示單元M KS670,MKS670 上有一個488 接口, 計算機通過IEEE488 數據采集卡進行量程和規頭選擇)、美國NI公司生產的IEEE488 數據采集卡實現氣體壓力的測量。壓力的測量范圍為0～1.01×10⁵ Pa。

　　利用臺灣凌華公司生產的運動控制卡PC I28132、伺服控制卡和位置控制卡、平動機構(主要包括選用北京微電機總廠生產的70LC21 型永磁式直流力矩測速機組、型號為HES210242MD 脈沖編碼器、絲杠、Á5 的活塞) 等實現對伺服電機進行速度和位置控制(伺服控制結構簡圖見圖2)。絲杠導程2 mm , 精度為0.001mm , 是位移測量的基準。