恒壓式氣體微流量計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)研制

2009-07-27 成永軍蘭州物理研究所

1、引言

　　恒壓式氣體微流量計(jì)是測(cè)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。精確測(cè)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(zhǎng)期工作正常，需要對(duì)艙體進(jìn)行檢漏，檢漏時(shí)不但要找到漏孔位置，還要精確測(cè)量微小的漏率，這對(duì)于長(zhǎng)期在空間飛行的載人飛船尤為重要；運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行標(biāo)定，其檢漏的可靠性在一定程度上取決于標(biāo)準(zhǔn)漏孔的校準(zhǔn)精度。恒壓式氣體微流量計(jì)可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)漏孔進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　恒壓式氣體微流量計(jì)也是建立動(dòng)態(tài)流導(dǎo)法真空度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)及真空泵抽速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

　　為了滿足以上需求，研制測(cè)量不確定度小、測(cè)量范圍寬、測(cè)量界面直觀、自動(dòng)化程度高的恒壓式氣體微流量計(jì)是非常必要的。

2、恒壓式氣體微流量計(jì)的工作原理

　　恒壓式氣體微流量計(jì)主要由壓力補(bǔ)償系統(tǒng)、測(cè)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(jì)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(jī)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(jī)。

　　流量測(cè)量原理是：當(dāng)氣體流出變?nèi)菔視r(shí)，電機(jī)帶動(dòng)活塞在油室中運(yùn)動(dòng)，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(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，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(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離。

3、測(cè)控系統(tǒng)

　　恒壓式氣體微流量計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是：

�。�1）在流量測(cè)量過程中準(zhǔn)確地測(cè)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(cè)量過程中控制變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力，使其恒定；

�。�3）編寫測(cè)控軟件，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制和自動(dòng)化管理等工作。

　　恒壓式氣體微流量計(jì)的測(cè)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(cè)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(cè)量參考室中氣體的壓力，用差壓式電容薄膜規(guī)測(cè)量參考室與變?nèi)菔抑g的壓力差，測(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確性和靈敏性。

　　為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)變?nèi)菔覛怏w壓力的自動(dòng)測(cè)量與控制，選用了如下測(cè)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(jì)算機(jī)的PCI插槽中。計(jì)算機(jī)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(dòng)采集。