基于LabVIEW的氣體微流量測(cè)量虛擬儀器的開(kāi)發(fā)

在真空技術(shù)應(yīng)用中，氣體微流量由氣體微流量計(jì)測(cè)量。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;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(xiǎn)性，要對(duì)火箭燃料的加注過(guò)程和發(fā)射陣地進(jìn)行安全檢測(cè);在電子工業(yè)中的半導(dǎo)體元件、集成電路、計(jì)算機(jī)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(wěn)定。為了滿(mǎn)足以上需求，研制測(cè)量精度和可靠性更高、測(cè)量范圍更寬、測(cè)量界面直觀(guān)、自動(dòng)化程度高的氣體微流量計(jì)是非常必要的。利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的氣體微流量測(cè)量虛擬儀器系統(tǒng)就是為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)而進(jìn)行的研究探索。

實(shí)現(xiàn)氣體微流量測(cè)量的虛擬儀器系統(tǒng)的建立

氣體微流量的測(cè)量原理

氣體微流量的測(cè)量原理是：當(dāng)氣體流出其變?nèi)菔視r(shí)，伺服電機(jī)通過(guò)平動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)活塞在油室中水平運(yùn)動(dòng)，活塞運(yùn)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(nèi)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(cè)量變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力p、溫度T和體積變化率dV/dt后由公式(1)計(jì)算得到。

由式(1)可知，測(cè)量流量時(shí)，不但要準(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，還要在測(cè)量過(guò)程中控制變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力，使其恒定。

虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)

硬件及功能描述：

本著“提高測(cè)量精度和自動(dòng)化程度，減小測(cè)量不確定度”的原則，設(shè)計(jì)了一套以工控機(jī)為中心的測(cè)量與控制系統(tǒng)，選用了精度較高的測(cè)量工具，并用多塊數(shù)據(jù)采集卡把各測(cè)量工具與控制器件聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和恒壓自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)采集卡可實(shí)現(xiàn)對(duì)變?nèi)菔摇⒖际壹皩?shí)驗(yàn)室溫度同時(shí)進(jìn)行采集。溫度的測(cè)量范圍為0~100℃，精度為0.1℃。

采用美國(guó)MKS公司生產(chǎn)的一套差壓式電容薄膜規(guī)(包括三個(gè)規(guī)頭、一個(gè)控制單元MKS274和一個(gè)數(shù)據(jù)顯示單元MKS670，MKS670上有一個(gè)488接口，計(jì)算機(jī)通過(guò)IEEE488數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行量程和規(guī)頭選擇)、美國(guó)NI公司生產(chǎn)的IEEE488數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)氣體壓力的測(cè)量。壓力的測(cè)量范圍為0~1.01×105Pa。

利用臺(tái)灣凌華公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制卡PCI-8132、伺服控制卡和位置控制卡、平動(dòng)機(jī)構(gòu)(主要包括選用北京微電機(jī)總廠(chǎng)生產(chǎn)的70LC-1型永磁式直流力矩測(cè)速機(jī)組、型號(hào)為HES-10242MD脈沖編碼器、絲杠、θ5的活塞)等實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行速度和位置控制(伺服控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2)。絲杠導(dǎo)程2mm，精度為0.001mm，是位移測(cè)量的基準(zhǔn)。

圖2 伺服控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

速度環(huán)的反饋信號(hào)取自測(cè)速發(fā)電機(jī)，反饋環(huán)節(jié)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(hào)調(diào)理后給PCI-8132中的減法計(jì)數(shù)器，于是每來(lái)一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器就從目標(biāo)值減去1，直到計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置而停止旋轉(zhuǎn)。

恒壓控制原理：差壓式電容薄膜規(guī)、IEEE488數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)、8132電機(jī)控制卡、位置/伺服控制卡、電機(jī)、導(dǎo)軌平動(dòng)機(jī)構(gòu)、活塞、液壓油和波紋管共同組成了一個(gè)負(fù)反饋恒壓自動(dòng)調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在流量測(cè)量過(guò)程中，參考室內(nèi)的氣體壓力不變，當(dāng)有氣體流出變?nèi)菔視r(shí)，引起變?nèi)菔业膲毫Πl(fā)生變化，在變?nèi)菔遗c參考室之間產(chǎn)生壓差△p，計(jì)算機(jī)循環(huán)檢測(cè)這一壓差信號(hào)。計(jì)算機(jī)根據(jù)壓差值△p的大小，采用預(yù)先設(shè)定的控制算法計(jì)算出相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整量，并輸出到位置控制卡，使電機(jī)驅(qū)動(dòng)卡根據(jù)該電壓信號(hào)重新驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速得到了調(diào)整。電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞在油室中運(yùn)動(dòng)，改變變?nèi)菔业娜莘e，使變?nèi)菔遗c參考室之間的差壓值△p維持在零附近，使得變?nèi)菔业膲毫基本上保持恒定。

系統(tǒng)的控制算法

本系統(tǒng)采用時(shí)間最優(yōu)(B-B控制)與積分分離PID控制的雙模控制算法。時(shí)間最優(yōu)控制可加快調(diào)節(jié)的作用，而PID控制則保證跟蹤精確度與穩(wěn)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(shè)定值、檢測(cè)值、偏差值、計(jì)算機(jī)輸出值;Umax為計(jì)算機(jī)輸出的最大值。

積分分離式PID控制可以增強(qiáng)抗積分飽和功能，防止超調(diào)和振蕩。其基本思想是：當(dāng)偏差較大時(shí)，取消積分作用，只進(jìn)行PD調(diào)節(jié)。只有當(dāng)偏差在某范圍內(nèi)時(shí)，才加入積分作用，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，其控制方程可導(dǎo)出為

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

虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，可將不同測(cè)量?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)成單獨(dú)的功能模塊。由主界面程序構(gòu)成結(jié)構(gòu)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(diào)用。各功能模塊間的獨(dú)立性較強(qiáng)，一般都可單獨(dú)調(diào)試、修改和移植。所以整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)軟件由氣體壓力的數(shù)據(jù)采集模塊、溫度的數(shù)據(jù)采集模塊、活塞位移的數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速控制模塊、壓力補(bǔ)償程序模塊、測(cè)量數(shù)據(jù)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(cè)量虛擬儀器主界面。

圖3 氣體微流量測(cè)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(xiàn)分別闡述。

壓力的測(cè)量不確定度

壓力由電容薄膜規(guī)測(cè)量。根據(jù)國(guó)防科工委真空計(jì)量一級(jí)站對(duì)電容薄膜規(guī)的校準(zhǔn)結(jié)果，壓力測(cè)量的不確定度為0.8%。

活塞位移和時(shí)間的測(cè)量不確定度

位移由編碼器測(cè)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(cè)量中活塞的最大行程為36mm(對(duì)應(yīng)73728個(gè)脈沖)。將活塞移動(dòng)位移設(shè)定為73728個(gè)脈沖(即36mm)，測(cè)量編碼器實(shí)際輸出的脈沖數(shù)為73726。由測(cè)量結(jié)果可知，活塞位移的測(cè)量不確定度為△L/L=(2×2)/(4096×36)=0.0027%時(shí)間的測(cè)量直接取自工控機(jī)的時(shí)鐘，其精度為0.001.s。在測(cè)量流量時(shí)，流量的有效測(cè)量時(shí)間大于100s。這樣，時(shí)間測(cè)量的不確定度小于0.001%。

變?nèi)菔覝囟鹊臏y(cè)量不確定度

Pt100鉑電阻溫度傳感器的測(cè)量精度為0.1K，實(shí)驗(yàn)室的溫度約為23℃，則溫度測(cè)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(shè)置好各PID控制參數(shù)，通過(guò)小孔將流量引入雙球校準(zhǔn)系統(tǒng)，進(jìn)行恒壓調(diào)節(jié)。圖4為PID調(diào)節(jié)結(jié)果。

圖4 恒壓控制效果圖

由PID調(diào)節(jié)結(jié)果中知，變?nèi)菔液蛥⒖际抑g的壓力差被控制到變?nèi)菔覊毫Φ摹?.004%之內(nèi)，加上參考室內(nèi)氣體壓力的靜態(tài)波動(dòng)(約為0.005%)后，變?nèi)菔覂?nèi)氣體壓力的波動(dòng)約為0.0.%。從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，整個(gè)流量計(jì)的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

該不確定度遠(yuǎn)小于流量計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)(2%)。

結(jié)束語(yǔ)

在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)選用高精度的測(cè)量元件和先進(jìn)的測(cè)控方法，提高了流量的測(cè)量精度，延伸了流量的測(cè)量下限。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，使氣體微流量測(cè)量系統(tǒng)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(tǒng)的自動(dòng)化程度、可靠性和維護(hù)性。