基于LabVIEW的氣體微流量測量虛擬儀器的開發(fā)

2009-07-14 成永軍蘭州物理研究所

引言

　　在真空技術(shù)應(yīng)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(nèi)的壓力長期工作正常,需要對艙體進(jìn)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(fā)射陣地進(jìn)行安全檢測; 在電子工業(yè)中的半導(dǎo)體元件、集成電路、計算機(jī)芯片的生產(chǎn)工藝中,要求精確控制氣體微流量的注入, 以保證工藝質(zhì)量和產(chǎn)品性能的穩(wěn)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(shù)構(gòu)建的氣體微流量測量虛擬儀器系統(tǒng)就是為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)而進(jìn)行的研究探索。

1、實(shí)現(xiàn)氣體微流量測量的虛擬儀器系統(tǒng)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(dāng)氣體流出其變?nèi)菔視r, 伺服電機(jī)通過平動機(jī)構(gòu)驅(qū)動活塞在油室中水平運(yùn)動, 活塞運(yùn)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(fā)生形變, 使其內(nèi)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?nèi)菔覂?nèi)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(zhǔn)確地測量出變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力、體積變化率和溫度, 還要在測量過程中控制變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力, 使其恒定。

1.2、虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)

　　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(shè)計了一套以工控機(jī)為中心的測量與控制系統(tǒng), 選用了精度較高的測量工具, 并用多塊數(shù)據(jù)采集卡把各測量工具與控制器件聯(lián)系在一起, 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集和恒壓自動調(diào)節(jié)功能。硬件總體結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集卡可實(shí)現(xiàn)對變?nèi)菔�、參考室及�?shí)驗(yàn)室溫度同時進(jìn)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(chǎn)的一套差壓式電容薄膜規(guī)(包括三個規(guī)頭、一個控制單元M S274 和一個數(shù)據(jù)顯示單元M KS670,MKS670 上有一個488 接口, 計算機(jī)通過IEEE488 數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行量程和規(guī)頭選擇)、美國NI公司生產(chǎn)的IEEE488 數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)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(chǎn)的運(yùn)動控制卡PC I28132、伺服控制卡和位置控制卡、平動機(jī)構(gòu)(主要包括選用北京微電機(jī)總廠生產(chǎn)的70LC21 型永磁式直流力矩測速機(jī)組、型號為HES210242MD 脈沖編碼器、絲杠、Á5 的活塞) 等實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)進(jìn)行速度和位置控制(伺服控制結(jié)構(gòu)簡圖見圖2)。絲杠導(dǎo)程2 mm , 精度為0.001mm , 是位移測量的基準(zhǔn)。

　　速度環(huán)的反饋信號取自測速發(fā)電機(jī), 反饋環(huán)節(jié)中加入濾波是為濾除低速時的諧波。位置環(huán)中位置傳感元件——光電編碼器將產(chǎn)生的電脈沖反饋給位置板經(jīng)信號調(diào)理后給PC I28132 中的減法計數(shù)器, 于是每來一個脈沖, 計數(shù)器就從目標(biāo)值減去1, 直到計數(shù)器的內(nèi)容為0, 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置而停止旋轉(zhuǎn)。