基于LabVIEW的氣體微流量測量虛擬儀器的開(kāi)發(fā)

在真空技術(shù)應用中，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，為了保持飛船艙內的壓力長(cháng)期工作正常，需要對艙體進(jìn)行檢漏，檢漏時(shí)不但要找到漏孔位置，還要精確測量微小的漏率，這對于長(cháng)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(guò)程和發(fā)射陣地進(jìn)行安全檢測;在電子工業(yè)中的半導體元件、集成電路、計算機芯片的生產(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)品性能的穩定。為了滿(mǎn)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(guān)、自動(dòng)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)構建的氣體微流量測量虛擬儀器系統就是為了實(shí)現上述目標而進(jìn)行的研究探索。

實(shí)現氣體微流量測量的虛擬儀器系統的建立

氣體微流量的測量原理

氣體微流量的測量原理是：當氣體流出其變容室時(shí)，伺服電機通過(guò)平動(dòng)機構驅動(dòng)活塞在油室中水平運動(dòng)，活塞運動(dòng)會(huì )改變其在油室中的體積，而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(guò)測量變容室內氣體的壓力p、溫度T和體積變化率dV/dt后由公式(1)計算得到。

由式(1)可知，測量流量時(shí)，不但要準確地測量出變容室內氣體的壓力、體積變化率和溫度，還要在測量過(guò)程中控制變容室內氣體的壓力，使其恒定。

虛擬儀器的硬件結構

硬件及功能描述：

本著(zhù)“提高測量精度和自動(dòng)化程度，減小測量不確定度”的原則，設計了一套以工控機為中心的測量與控制系統，選用了精度較高的測量工具，并用多塊數據采集卡把各測量工具與控制器件聯(lián)系在一起，實(shí)現了數據自動(dòng)采集和恒壓自動(dòng)調節功能。硬件總體結構如圖1所示。

圖1 硬件總體結構圖

采用3個(gè)Pt100鉑電阻溫度傳感器、3個(gè)ADAM3013熱電阻變送模塊及1塊PCI-1716多功能數據采集卡可實(shí)現對變容室、參考室及實(shí)驗室溫度同時(shí)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(包括三個(gè)規頭、一個(gè)控制單元MKS274和一個(gè)數據顯示單元MKS670，MKS670上有一個(gè)488接口，計算機通過(guò)IEEE488數據采集卡進(jìn)行量程和規頭選擇)、美國NI公司生產(chǎn)的IEEE488數據采集卡實(shí)現氣體壓力的測量。壓力的測量范圍為0~1.01×105Pa。

利用臺灣凌華公司生產(chǎn)的運動(dòng)控制卡PCI-8132、伺服控制卡和位置控制卡、平動(dòng)機構(主要包括選用北京微電機總廠(chǎng)生產(chǎn)的70LC-1型永磁式直流力矩測速機組、型號為HES-10242MD脈沖編碼器、絲杠、θ5的活塞)等實(shí)現對伺服電機進(jìn)行速度和位置控制(伺服控制結構簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2)。絲杠導程2mm，精度為0.001mm，是位移測量的基準。

圖2 伺服控制結構簡(jiǎn)圖

速度環(huán)的反饋信號取自測速發(fā)電機，反饋環(huán)節中加入濾波是為濾除低速時(shí)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)信號調理后給PCI-8132中的減法計數器，于是每來(lái)一個(gè)脈沖，計數器就從目標值減去1，直到計數器的內容為0，伺服電機轉到目標位置而停止旋轉。

恒壓控制原理：差壓式電容薄膜規、IEEE488數據采集卡、工控機、8132電機控制卡、位置/伺服控制卡、電機、導軌平動(dòng)機構、活塞、液壓油和波紋管共同組成了一個(gè)負反饋恒壓自動(dòng)調節的閉環(huán)控制系統。在流量測量過(guò)程中，參考室內的氣體壓力不變，當有氣體流出變容室時(shí)，引起變容室的壓力發(fā)生變化，在變容室與參考室之間產(chǎn)生壓差△p，計算機循環(huán)檢測這一壓差信號。計算機根據壓差值△p的大小，采用預先設定的控制算法計算出相應的電機轉速調整量，并輸出到位置控制卡，使電機驅動(dòng)卡根據該電壓信號重新驅動(dòng)伺服電機，使伺服電機的轉速得到了調整。電機驅動(dòng)活塞在油室中運動(dòng)，改變變容室的容積，使變容室與參考室之間的差壓值△p維持在零附近，使得變容室的壓力p基本上保持恒定。

系統的控制算法

本系統采用時(shí)間最優(yōu)(B-B控制)與積分分離PID控制的雙?？刂扑惴?。時(shí)間最優(yōu)控制可加快調節的作用，而PID控制則保證跟蹤精確度與穩態(tài)誤差滿(mǎn)足要求。時(shí)間最優(yōu)控制模式為

式中：E1為時(shí)間最優(yōu)控制偏差門(mén)限;Rk，Yk，ek，Uk為第k次采樣時(shí)的設定值、檢測值、偏差值、計算機輸出值;Umax為計算機輸出的最大值。

積分分離式PID控制可以增強抗積分飽和功能，防止超調和振蕩。其基本思想是：當偏差較大時(shí)，取消積分作用，只進(jìn)行PD調節。只有當偏差在某范圍內時(shí)，才加入積分作用，進(jìn)行PID調節，其控制方程可導出為

Kp，Ki，Kd分別為控制器的比例、積分、微分系數;E為積分作用門(mén)限值，其值需根據控制精度在調試時(shí)最后確定。

虛擬儀器的軟件設計及實(shí)現

系統軟件采用模塊化設計，可將不同測量?jì)热菰O計成單獨的功能模塊。由主界面程序構成結構框架，各子模塊分別完成一定的功能，在主界面程序或其它的子程序中調用。各功能模塊間的獨立性較強，一般都可單獨調試、修改和移植。所以整個(gè)系統軟件層次清晰、易于理解、便于修改、利于開(kāi)發(fā)新功能。系統軟件由氣體壓力的數據采集模塊、溫度的數據采集模塊、活塞位移的數據采集模塊、電機驅動(dòng)和轉速控制模塊、壓力補償程序模塊、測量數據的存貯和顯示模塊組成。圖3為采用LabVIEW6.1開(kāi)發(fā)的氣體微流量測量虛擬儀器主界面。

圖3 氣體微流量測量虛擬儀器主界面

不確定度分析

整個(gè)儀器的不確定度由以下部分合成，現分別闡述。

壓力的測量不確定度

壓力由電容薄膜規測量。根據國防科工委真空計量一級站對電容薄膜規的校準結果，壓力測量的不確定度為0.8%。

活塞位移和時(shí)間的測量不確定度

位移由編碼器測量。編碼器每輸出4096個(gè)脈沖，活塞前進(jìn)2mm，其分辨力為0.5μm。流量測量中活塞的最大行程為36mm(對應73728個(gè)脈沖)。將活塞移動(dòng)位移設定為73728個(gè)脈沖(即36mm)，測量編碼器實(shí)際輸出的脈沖數為73726。由測量結果可知，活塞位移的測量不確定度為△L/L=(2×2)/(4096×36)=0.0027%時(shí)間的測量直接取自工控機的時(shí)鐘，其精度為0.001.s。在測量流量時(shí)，流量的有效測量時(shí)間大于100s。這樣，時(shí)間測量的不確定度小于0.001%。

變容室溫度的測量不確定度

Pt100鉑電阻溫度傳感器的測量精度為0.1K，實(shí)驗室的溫度約為23℃，則溫度測量的不確定度約為0.04%。

恒壓控制效果

在參考室中充入104175Pa的N2，設置好各PID控制參數，通過(guò)小孔將流量引入雙球校準系統，進(jìn)行恒壓調節。圖4為PID調節結果。

圖4 恒壓控制效果圖

由PID調節結果中知，變容室和參考室之間的壓力差被控制到變容室壓力的±0.004%之內，加上參考室內氣體壓力的靜態(tài)波動(dòng)(約為0.005%)后，變容室內氣體壓力的波動(dòng)約為0.0.%。從以上的實(shí)驗結果可知，整個(gè)流量計的相對合成標準不確定度為

該不確定度遠小于流量計的設計指標(2%)。

結束語(yǔ)

在該系統的設計中，通過(guò)選用高精度的測量元件和先進(jìn)的測控方法，提高了流量的測量精度，延伸了流量的測量下限。虛擬儀器技術(shù)的應用，使氣體微流量測量系統具有人性化的操作界面與易于操作的特點(diǎn)，提高了該系統的自動(dòng)化程度、可靠性和維護性。