“八五”期間, 國(guó)防科工委真空計(jì)量一級(jí)站建立了一臺(tái)恒壓式氣體微流量計(jì), 流量測(cè)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(jì)測(cè)控系統(tǒng)以386計(jì)算機(jī)為中心,選用了當(dāng)時(shí)精度很高的光柵尺、鉑電阻等測(cè)量工具,用三塊計(jì)算機(jī)接口板把測(cè)量工具和控制器件與計(jì)算機(jī)聯(lián)系在一起, 采用PD 算法, 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、恒壓自動(dòng)調(diào)節(jié)和流量測(cè)量^[3]。隨著真空計(jì)量和計(jì)算機(jī)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(cè)量更準(zhǔn)確的氣體微流量計(jì)已非常迫切。目前, 德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB) 已經(jīng)研制到第三代流量計(jì), 測(cè)控系統(tǒng)為全自動(dòng)方式, 計(jì)算機(jī)軟件采用美國(guó)NI公司的LabVIEW開發(fā)工具, 測(cè)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(guó)家計(jì)量研究所(M GC) 也研制了第三代流量計(jì), 亦采用自動(dòng)控制和LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)流量控制和測(cè)量, 測(cè)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(jì), 用于真空規(guī)和真空漏孔的校準(zhǔn),本文將介紹該流量計(jì)測(cè)控系統(tǒng)的研制情況。

1、流量計(jì)測(cè)量原理

  　 流量測(cè)量原理是: 當(dāng)氣體流入或流出變?nèi)菔視r(shí),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(guò)測(cè)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(jì)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(wú)量綱

將流量計(jì)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(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　　為了測(cè)量公式(1) 中壓力、體積變化率和溫度以及實(shí)現(xiàn)流量計(jì)測(cè)量的自動(dòng)化, 我們圍繞“提高測(cè)量精度, 減小測(cè)量不確定度”這個(gè)原則, 設(shè)計(jì)了如圖2 所示的恒壓式氣體微流量計(jì)測(cè)控系統(tǒng)。

　　用美國(guó)MKS公司生產(chǎn)的滿量程133 Pa 和1.33×10⁵Pa 電容薄膜規(guī)(CDG) 測(cè)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?jí)毫Α．?dāng)測(cè)量壓力低于1021 Pa, 使用一臺(tái)美國(guó)M KS 公司生產(chǎn)的磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)(SRG22E) 測(cè)量, 此規(guī)的控制單元帶有RS2232C 計(jì)算機(jī)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(cè)量。電容薄膜規(guī)的顯示單元型號(hào)為MKS670, 有IEEE488 通訊接口, 通道選擇器型號(hào)為MKS274。

　　為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)電容薄膜規(guī)和磁懸浮轉(zhuǎn)子規(guī)的控制和測(cè)量, 設(shè)計(jì)了如下硬件構(gòu)成: 臺(tái)灣研華公司的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)一臺(tái), PC I21610 串口采集卡一塊, 美國(guó)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(gè)RS2232C 端口, 可連接4 臺(tái)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(guó)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(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)可參考儀器使用說(shuō)明書[7, 8] , 對(duì)于數(shù)字量接口的電容薄膜規(guī), 也可進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制。

2. 2、變?nèi)菔覛怏w溫度測(cè)量

　　溫度波動(dòng)是影響氣體微流量計(jì)精確測(cè)量的主要原因之一, 會(huì)引起虛流量、液壓油的熱脹冷縮和電容薄膜規(guī)的零點(diǎn)漂移等現(xiàn)象。為了減小實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度的波動(dòng)對(duì)流量測(cè)量結(jié)果的影響, 將流量計(jì)主體放入鋁板做的恒溫箱內(nèi)與外界絕熱隔離, 采用被動(dòng)恒溫方法對(duì)流量計(jì)進(jìn)行恒溫。

　　由Pt100 鉑電阻溫度計(jì)、熱電阻變送模塊ADAM 3013、臺(tái)灣研華公司數(shù)據(jù)采集卡PC I21716及工控機(jī)組成溫度測(cè)量單元。Pt100鉑電阻溫度計(jì)測(cè)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(gè)Pt100鉑電阻溫度計(jì)分別貼在變?nèi)菔液蛥⒖际冶砻? 并通過(guò)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(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后, 可通過(guò)計(jì)算機(jī)采集到溫度數(shù)值。

2. 3、變?nèi)菔殷w積變化率測(cè)量

　　變?nèi)菔也捎没钊�液壓�?qū)動(dòng)波紋管的結(jié)構(gòu), 在波紋管外側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí), 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(zhǎng)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(guò)測(cè)量活塞的橫截面積和運(yùn)動(dòng)速度就可計(jì)算出變?nèi)菔业娜莘e變化率, 活塞橫截面積由北京機(jī)床廠計(jì)量部門測(cè)量得到, 活塞的運(yùn)動(dòng)速度直接由測(cè)控軟件給定�；钊�運(yùn)動(dòng)速度的控制和測(cè)量由如下硬件成: 工控機(jī), 臺(tái)灣凌華公司生產(chǎn)的PCI8132 電機(jī)控制卡、自行研制的電機(jī)位置控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)板、直流電機(jī)、導(dǎo)軌平動(dòng)機(jī)構(gòu)、活塞。PCI8132電機(jī)控制卡為兩軸脈沖輸出, 可控制步進(jìn)及伺服電機(jī), 最大輸出頻率2.4Mpps, 具有位置比較等多種功能。電機(jī)位置控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)板配合工作, 可完成控制電機(jī)運(yùn)動(dòng), 位置信號(hào)和速度信號(hào)在液晶指示面板的顯示, 限位開關(guān)信號(hào)采集等功能。伺服驅(qū)動(dòng)板最大輸出為±10V , 對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為± (0.1 r/min～20 r/min)。

　　工作時(shí), 計(jì)算機(jī)向位置控制卡發(fā)送位置指令, 位置控制卡將此信號(hào)傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)板, 伺服驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)電機(jī)使導(dǎo)軌平動(dòng)機(jī)構(gòu)和活塞按指定速度運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中, 光電編碼器可將電機(jī)轉(zhuǎn)速(脈沖信號(hào))發(fā)送到位置控制卡, 并由計(jì)算機(jī)采集后做為活塞的運(yùn)動(dòng)速度參與流量的計(jì)算, 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈可使光電編碼器產(chǎn)生4096 個(gè)脈沖。

　　電機(jī)位置控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)板、電源等設(shè)備安裝在一個(gè)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(guò)前面板可以手動(dòng)對(duì)活塞進(jìn)行前進(jìn)、后退、變速運(yùn)動(dòng)等操作, 也可以顯示活塞的運(yùn)動(dòng)速度和位移。