恒壓式氣體微流量計的測控系統(tǒng)研制
1、引言
恒壓式氣體微流量計是測量和提供氣體微流量的一種裝置，是建立氣體微流量（或漏率）計量標準的基礎(chǔ)。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；運載火箭的壓力容器和管道也都需要檢漏。檢漏用的氦質(zhì)譜檢漏儀需要用標準漏孔進行標定，其檢漏的可靠性在一定程度上取決于標準漏孔的校準精度。恒壓式氣體微流量計可對標準漏孔進行校準。
恒壓式氣體微流量計也是建立動態(tài)流導(dǎo)法真空度計量標準及真空泵抽速計量標準的基礎(chǔ)。
為了滿足以上需求，研制測量不確定度小、測量范圍寬、測量界面直觀、自動化程度高的恒壓式氣體微流量計是非常必要的。
2、恒壓式氣體微流量計的工作原理
恒壓式氣體微流量計主要由壓力補償系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)和抽氣系統(tǒng)四部分組成，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 恒壓式氣體微流量計原理圖
1. 濺射離子泵；2,8，27電容薄膜規(guī)(CDG)；5,6,10,,11,13,14,15,16,17,25,26,
28,29,30,32,33,36, 37，閥門；7. 磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)(SRG);9. 針閥；12. 壓力表；18，19,20氣瓶；21 角閥；22分子泵；23.機械泵；24 穩(wěn)壓室；31，34小孔；35 油處理器；38.波紋管；39.油室；40.活塞；41. 電機。
流量測量原理是：當氣體流出變?nèi)菔視r，電機帶動活塞在油室中運動，改變變?nèi)菔业捏w積，使變?nèi)菔抑袣怏w壓力保持恒定，則氣體在Tt溫度（Tt一般取296.15K)下的流量Q 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，見公式(1)。
Q=[d(P·V)/dt]·(Tr/T)=P·(dV/dt)·(Tr/T)=P·A·dl/dt·Tr/T(dP/dt)=0 (1)
式中：A-活塞的橫截面積;dl-活塞在dt時間內(nèi)移動的距離。
3、測控系統(tǒng)
恒壓式氣體微流量計的測控系統(tǒng)的主要任務(wù)是：
（1）在流量測量過程中準確地測量出變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力、體積變化率和溫度；
（2）在流量測量過程中控制變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力，使其恒定；
（3）編寫測控軟件，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、自動控制和自動化管理等工作。
恒壓式氣體微流量計的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.1、變?nèi)菔覂?nèi)氣體壓力的測量
變?nèi)菔液蛥⒖际覂?nèi)的氣體工作壓力范圍是(8.5×10 4~10 -3)Pa用兩只絕壓式電容薄膜規(guī)和磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)測量參考室中氣體的壓力，用差壓式電容薄膜規(guī)測量參考室與變?nèi)菔抑g的壓力差，測控系統(tǒng)將此壓力差控制在零附近。這樣就保證了變?nèi)菔覂?nèi)氣體壓力測量的準確性和靈敏性。
為了實現(xiàn)計算機對變?nèi)菔覛怏w壓力的自動測量與控制，選用了如下測控元件：串口采集卡和IEEE488數(shù)據(jù)采集卡各一塊。將上述兩塊卡均插于計算機的PCI插槽中。計算機通過電容薄膜規(guī)顯示單元后的IEEE488通訊接口和磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)控制單元上的RS-232接口，根據(jù)特定的指令可完成數(shù)據(jù)的自動采集。
圖2 恒壓式氣體微流量計測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
