“八五”期間, 國防科工委真空計量一級站建立了一臺恒壓式氣體微流量計, 流量測量范圍為3.49× 10²³～1.97 × 10²⁸ Pa ·m³/s, 不確定度小于2. 25% [1, 2]。流量計測控系統(tǒng)以386計算機為中心,選用了當(dāng)時精度很高的光柵尺、鉑電阻等測量工具,用三塊計算機接口板把測量工具和控制器件與計算機聯(lián)系在一起, 采用PD 算法, 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集、恒壓自動調(diào)節(jié)和流量測量^[3]。隨著真空計量和計算機控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,研制流量范圍更寬、流量下限更低、流量測量更準(zhǔn)確的氣體微流量計已非常迫切。目前, 德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB) 已經(jīng)研制到第三代流量計, 測控系統(tǒng)為全自動方式, 計算機軟件采用美國NI公司的LabVIEW開發(fā)工具, 測量下限達(dá)到了1028Pa·m³/s (校準(zhǔn)流量下限達(dá)到10210 Pa·m³/s) 。意大利國家計量研究所(M GC) 也研制了第三代流量計, 亦采用自動控制和LabVIEW 軟件實現(xiàn)流量控制和測量, 測量下限達(dá)到了1028 Pa·m³/s [5,6 ]。“十五”期間, 我站研制了新一代恒壓式氣體微流量計, 用于真空規(guī)和真空漏孔的校準(zhǔn),本文將介紹該流量計測控系統(tǒng)的研制情況。

1、流量計測量原理

  　 流量測量原理是: 當(dāng)氣體流入或流出變?nèi)菔視r,改變變?nèi)菔业娜莘e, 使變?nèi)菔抑袣怏w壓力保持恒定,則氣體在T r 溫度(T r 一般取23℃) 下的流量就可以通過測量變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力P、溫度T 和體積變化率dV/dt 而計算得到

　Q =-[d (P·V)/dt]·(Tr/T)== - P·(dV/dt) ·(Tr/T) (dP/dt=0) 　(1)

式中　Q ——氣體流量, Pa·m³/s

　　　P——變?nèi)菔覊毫? Pa
　　　dV/dt——變?nèi)菔殷w積變化率,m³/s
　    　Tr/T ——變?nèi)菔覝囟茸兓��? 無量綱

將流量計提供的已知流量引入到真空校準(zhǔn)系統(tǒng), 可以進(jìn)行真空規(guī)校準(zhǔn)或真空漏孔校準(zhǔn)。

2、測控系統(tǒng)的設(shè)計

　　　為了測量公式(1) 中壓力、體積變化率和溫度以及實現(xiàn)流量計測量的自動化, 我們圍繞“提高測量精度, 減小測量不確定度”這個原則, 設(shè)計了如圖2 所示的恒壓式氣體微流量計測控系統(tǒng)。

　　用美國MKS公司生產(chǎn)的滿量程133 Pa 和1.33×10⁵Pa 電容薄膜規(guī)(CDG) 測量, 其中電容薄膜規(guī)的參考端接濺射離子泵, 用以維持較低參考壓力。當(dāng)測量壓力低于1021 Pa, 使用一臺美國M KS 公司生產(chǎn)的磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)(SRG22E) 測量, 此規(guī)的控制單元帶有RS2232C 計算機接口。變?nèi)菔遗c參考室的差壓用滿量程133 Pa 的差壓電容薄膜規(guī)測量。電容薄膜規(guī)的顯示單元型號為MKS670, 有IEEE488 通訊接口, 通道選擇器型號為MKS274。

　　為了實現(xiàn)計算機對電容薄膜規(guī)和磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的控制和測量, 設(shè)計了如下硬件構(gòu)成: 臺灣研華公司的工業(yè)控制計算機一臺, PC I21610 串口采集卡一塊, 美國N I 公司IEEE488 數(shù)據(jù)采集卡一塊, 相關(guān)數(shù)連線一套。PC I21610 串口采集卡用于連接磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī), 有4個RS2232C 端口, 可連接4 臺儀器。此卡帶128字節(jié)FIFO的16C954 URAT芯片, 傳輸速度可達(dá)961.6 Kbps。IEEE488 數(shù)據(jù)采集卡用于連接MKS670, 采用TNT4882高速GPB Talker/Listener芯片, 最高IEEE488.1 傳輸速率為1.5M bytes/s。在以上硬件基礎(chǔ)上, 用美國NI公司的LabVIEW軟件編程, 可完成控制和數(shù)據(jù)采集功能。

　　用于操作電容薄膜規(guī)和磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的計算機指令系統(tǒng)可參考儀器使用說明書[7, 8] , 對于數(shù)字量接口的電容薄膜規(guī), 也可進(jìn)行計算機控制。

2. 2、變?nèi)菔覛怏w溫度測量

　　溫度波動是影響氣體微流量計精確測量的主要原因之一, 會引起虛流量、液壓油的熱脹冷縮和電容薄膜規(guī)的零點漂移等現(xiàn)象。為了減小實驗室環(huán)境溫度的波動對流量測量結(jié)果的影響, 將流量計主體放入鋁板做的恒溫箱內(nèi)與外界絕熱隔離, 采用被動恒溫方法對流量計進(jìn)行恒溫。

　　由Pt100 鉑電阻溫度計、熱電阻變送模塊ADAM 3013、臺灣研華公司數(shù)據(jù)采集卡PC I21716及工控機組成溫度測量單元。Pt100鉑電阻溫度計測量的溫度范圍為(0～100) ℃。ADAM 3013 模塊內(nèi)置微處理器, 可用開關(guān)配置熱電阻輸入范圍并選擇0～ 5 V 或0～ 20 mA 的輸出, 有1000VDC三端光電隔離。PCI21716的A/D 轉(zhuǎn)換為162b it, 采樣率250kHz, 有16路單端或8 路差分A/D輸入。將兩個Pt100鉑電阻溫度計分別貼在變?nèi)菔液蛥⒖际冶砻? 并通過導(dǎo)線與ADAM 3013 (設(shè)為0～5V 輸出)相連, 再將ADAM 3013 的輸出連接到PC I21716 的A/D輸入端。PC I21716 將溫度信號進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后, 可通過計算機采集到溫度數(shù)值。

2. 3、變?nèi)菔殷w積變化率測量

　　變?nèi)菔也捎没钊�液壓�?qū)動波紋管的結(jié)構(gòu), 在波紋管外側(cè)設(shè)計了一個密閉油室, 以液壓油為體積傳遞介質(zhì), 當(dāng)活塞在油室中運動時, 由于油受壓后其體積的變化量非常小, 所以活塞體積的變化率就等于變?nèi)菔也�紋管體積的變化率。活塞是精密加工的圓柱體, 直徑為5 mm , 長度為60 mm。絲杠直徑為14 mm , 導(dǎo)程為2 mm , 有效行程為40 mm。

　　通過測量活塞的橫截面積和運動速度就可計算出變?nèi)菔业娜莘e變化率, 活塞橫截面積由北京機床廠計量部門測量得到, 活塞的運動速度直接由測控軟件給定。活塞運動速度的控制和測量由如下硬件成: 工控機, 臺灣凌華公司生產(chǎn)的PCI8132 電機控制卡、自行研制的電機位置控制卡、伺服驅(qū)動板、直流電機、導(dǎo)軌平動機構(gòu)、活塞。PCI8132電機控制卡為兩軸脈沖輸出, 可控制步進(jìn)及伺服電機, 最大輸出頻率2.4Mpps, 具有位置比較等多種功能。電機位置控制卡、伺服驅(qū)動板配合工作, 可完成控制電機運動, 位置信號和速度信號在液晶指示面板的顯示, 限位開關(guān)信號采集等功能。伺服驅(qū)動板最大輸出為±10V , 對應(yīng)電機轉(zhuǎn)速范圍為± (0.1 r/min～20 r/min)。

　　工作時, 計算機向位置控制卡發(fā)送位置指令, 位置控制卡將此信號傳遞給伺服驅(qū)動板, 伺服驅(qū)動板驅(qū)動電機使導(dǎo)軌平動機構(gòu)和活塞按指定速度運動。運動過程中, 光電編碼器可將電機轉(zhuǎn)速(脈沖信號)發(fā)送到位置控制卡, 并由計算機采集后做為活塞的運動速度參與流量的計算, 電機轉(zhuǎn)動一圈可使光電編碼器產(chǎn)生4096 個脈沖。

　　電機位置控制卡、伺服驅(qū)動板、電源等設(shè)備安裝在一個箱體內(nèi), 且與箱體前面板有數(shù)據(jù)線連接。箱體前面板有液晶顯示屏、指示燈、開關(guān)按鈕、電位器, 通過前面板可以手動對活塞進(jìn)行前進(jìn)、后退、變速運動等操作, 也可以顯示活塞的運動速度和位移。