虚拟仪器在气体微流量计测控系统中的应用

虚拟仪器在气体微流量计测控系统中的应用宋瑞海，成永军，赵澜，张涤新(兰州物理研究所，甘肃兰州730000)摘要:采用虚拟仪器技术开发了一个气体压力的自动测控系统，并用于高精度气体微流量计。本文详细介绍了高精度气体流量计压力系统的工作原理，及其压力测控系统的硬件组成和软件设计。系统的硬件部分使用台湾研华公司的PCI-1610采集卡和美国NI公司的IEEE-488数据采集卡，软件部分采用NI公司的L宋瑞海，成永军，赵澜，张涤新(兰州物理研究所，甘肃兰州730000)摘要:采用虚拟仪器技术开发了一个气体压力的自动测控系统，并用于高精度气体微流量计。本文详细介绍了高精度气体流量计压力系统的工作原理，及其压力测控系统的硬件组成和软件设计。系统的硬件部分使用台湾研华公司的PCI-1610采集卡和美国NI公司的IEEE-488数据采集卡，软件部分采用NI公司的LabVIEW图形化编程语言创建，实现了压力的测量与控制以及数据的自动保存。该系统具有界面友好、人机交互性强、编程简单、操作方便、控制效果好等优点。关键词:气体微流量计;压力;虚拟仪器;LabVIEW中图分类号：TP216文献标识码：B文章编号：1002-0322(2010)05-0068-04在真空技术应用中，气体微流量由气体微流量计测量和提供。在计量实验室中，大多数采用高精度气体微流量计，高精度气体微流量计可用于连续膨胀法校准系统压力的产生、漏孔漏率的测量以及真空泵抽速的测定。随着真空应用领域的不断扩展，特别是我国航天技术的发展，对真空计量中精确测量气体流量的需求和要求越来越高。为此，将虚拟仪器技术引入到真空计量领域，通过构建自动测试VI(VirtualInstruments，简称VI)系统，以提高真空标准的自动化程度，减小测量不确定度。虚拟仪器技术的应用还可减小劳动强度，提高工作效率。所谓虚拟仪器,是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说,这种结合有两种方式。一种方式是将计算机装入仪器,其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日益缩小,这类仪器的功能也越来越强大,目前已经出现含有嵌入式系统的仪器;另一种方式是将仪器装入计算机,以通用的计算机硬件及操作系统为依托,实现各种仪器功能.虚拟仪器主要指这种方式。虚拟仪器和传统仪器相比，特点可概括如下：性价比高、开放系统、智能化程度高、界面友好、使用简便、误差小、具备网络功能。正是由于虚拟仪器具有以上特点，使得虚拟仪器技术在航空、航天、机械、石油化工、生物医学等众多行业得到广泛应用，从最初对设备简单的数据采集到对设备的精密测控和工业自动化，从实验室到工厂，虚拟仪器应用越来越多。国际上，虚拟仪器早已步入实用阶段，我国虚拟仪器的应用才处于起步阶段，但发展迅速，具有良好的发展前景。1测控系统的硬件设计高精度气体微流量计，其流量为10-3Pam3s-1～10-11Pam3s-1，微流量计中要对气体压力进行测量，其中压力的测量和控制系统是该流量计的核心部分，承担着气体压力的测量、气体压力恒定的实现以及测量结果的计算与存储等任务。实现压力的计算机测量与控制，进一步提高该实验设备压力的测量精度和测量范围，从而满足此项目的需求。该系统的示意图如图1。1.1硬件介绍高精度气体微流量计压力测量和控制的硬件系统主要包括：工控机、传感器、数据采集卡、信号处理模块、硬件接口和连接电缆等。电容薄膜规：是上世纪六十年代后迅速发展起来的一种性能优良的传递标准真空规。电容薄膜规通过薄膜的电容变化测量压力,不改变气体成分,它具有卓越的线形、优异的稳定性、极高的测量精度和分辨率。鉴于本控制系统的高精度要求，选用美国MKS仪器公司的两个满量程分别为133Pa、133kPa的电容薄膜规和一个满量程133Pa的差压式电容薄膜规作为测压元件。一套电容薄膜规包括一台控制单元MKS274和一台数据显示单元MKS670，MKS670上有一个488接口，计算机通过IEEE488数据采集卡进行量程控制和真空规的选择。磁悬浮转子规：选用美国MKS仪器公司的SRG-2CE,计算机接口为RS-232,测量压力范围为10-1～10-4Pa。IEEE-488数据采集卡：该卡由美国NI公司生产，采用TNT4882高速GPIBTalker/Listener芯片，最高IEEE488.1传输速率为1.5Mbytes/s，该卡用来连接MKS670。PCI-1610串口采集卡：该卡由台湾研华公司生产，该卡有4个RS-232C端口，带128字节FIFO的16C954URAT芯片，传输速率最高为921.6Kbps。该卡用来连接磁悬浮转子规。RS-232串口总线与PC计算机组成的虚拟仪器系统,目前仍是虚拟仪器的构成方式之一，其测试系统的I/O接口设备就是带有RS-232接口的测试仪器。在本文中是磁悬浮转子规RSG-2CE，它可以直接和计算机上的串口相连。如果计算机串口已被其它资源占用，则需要在计算机的PCI插槽中插入PCI-1610。1.2硬件设计由于变容室内的气体工作压力范围是(8.5×104~10-3)Pa。若用真空规直接测量变容室内气体的压力，要同时保证测量的准确性和灵敏性是非常困难的。在此设备中设计了一个参考室，测量气体流量时，将参考室封闭，用两只满量程分别为133Pa、133kPa的差压式电容规(其参考端接溅射离子泵，用以维持较低工作压力)测量参考室中的气体压力(当测量压力低于10-1Pa时,打开变容室和参考室之间的阀门，使变容室和参考室相通，并使用磁悬浮转子规SRG-2CE测量)，用一只满量程为133Pa的差压式电容薄膜规(能够灵敏测量1.33×102~1.33×10-3Pa压力差)测量参考室与变容室之间的压力差，测控系统将此压力差控制在零附近。这样就保证了气体压力测量的准确性和灵敏性。三只真空规的信号通过通道输入选择器MKS274后，在信号调节器MKS670中转换为数字量;MKS670上有一个488接口，计算机通过IEEE488数据采集卡进行量程控制和规头选择。将PCI-1610和IEEE-488均插于计算机的PCI插槽中。计算机通过电容薄膜规显示单元后的488通讯接口和磁悬浮转子规控制单元上的RS-232接口，根据特定的指令可以完成数据的自动采集。在流量测量过程中,参考室内的气体压力不变,当有气体流入或流出变容室时,引起变容室的压力发生变化,使其偏离参考室压力,在变容室与参考室之间产生的压差ΔP由1Torr差压式电容薄膜规测量,并由计算机循环检测这一压差信号。计算机根据压差值ΔP的大小,采用设定的控制算法规律输出电压控制信号,电机控制卡根据该电压信号重新驱动伺服电机,使伺服电机的转速得到了调整。电机驱动活塞运动,以改变变容室的体积,使变容室的压力得到调整,这样就形成了一个闭环的压力自动调节系统,使变容室与参考室之间的差压值ΔP维持在零附近,使得变容室的压力P基本上保持恒定。2测试系统的软件设计仪器功能软件是利用LabVIEW图形编程软件创建的，它由前面板、流程图及图标和连接器组成，前面板动态过程的实现由后台的框图程序支持。2.1总体流程图设计流程图是整个软件模块的核心部分，它从DAQ卡PCI-1610和IEEE488数据采集卡中指定的通道中读取数据，在对数据进行相应的处理后将其存储并在前面板上显示。在流程图中各个节点的执行由数据流驱动的，也就是说每个节点只有当在它之前的所有节点将相应的数据传输过来后才能执行。测量单元的程序框图分别如图2和图3所示。压力恒定的实现：我们采用了锯齿波动的方法来实现压力的补偿，使压力在ΔP/P=1‰之内变化。从而产生并测量恒定的流量。这种控制模式的优点是在自动测量过程中能实时拟合Δp/Δt曲线，以便降低零点噪声、分辨率分散性和CDG读数的随机噪声等影响。程序框图如图4。2.2主要子模块的说明子VI的使用是在LabVIEW环境下进行数据采集系统设计的基础，只有掌握了他们的功能和使用方法，才能设计出特定功能的程序。采用即插即用协议的VISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)编写仪器控制程序的好处在于，不需要了解底层的实际接口的类型是什么，无论对于GPIB、串口还是其他形式的接口，只需要掌握VISAI/O这一套函数库，程序在运行时VISA就会根据实际接口类型自动调用相应的接口驱动程序例程，完成通信操作。在LabVIEW里要使用VISA，必须安装NI-VISA软件。所有VISA函数都在Function-InstrumentI/O-VISA子模板上。VISA子模板上有5个函数和一个名为VISAAdvanced的子模板，在VISAAdvanced模板里面还有很多VISA函数，但是通常一个VISA应用程序只用到有限的几个函数，我们用了两个函数模块。VISAWrite函数功能是向VISAresourcename所代表的仪器或接口写入信息。输入参数VISAresourcename是VISAOpen函数所返回的，或者“流过”其它VISA函数的，包含了会话信息的VISA资源名;Writebuffer为字符串类型的写入数据;输出参数dupVISAresourcename为输入参数VISAresourcename的一份备份，可用于后继的VISA函数调用。整型输出参数returncount返回实际写入数据的字节数。VISARead函数功能为从VISAresourcename所代表的仪器读取信息。输入参数VISAresourcename为VISAOpen函数所返回的，或者“流过”其他VISA函数的，包含了会话信息的资源名;整型数据bytecount为想要读取的字节数;输出参数dupVISAresourcename为输入VISAresourcename的一份备份，可以用于后继的VISA函数调用;readbuffer为包含读取结果的字符串类型数据;returncount为实际读取到的数据字节数。2.3最后给出高精度气体微流量计压力测控系统数据采集程序模块流程(如图5)通过多次实验实现了变容室与参考室之间的差压值ΔP维持在ΔP/P=1‰之内,使得变容室的压力P基本上保持恒定，从而满足了使用要求。3结论本文介绍了高精度气体微流量计压力测控系统的硬件设计以及如何使用虚拟仪器LabVIEW软件和数据采集卡开发微流量计压力的自动测量和控制系统。该系统最终实现了压力的精确测量,并应用到了微流量比对法校准真空校准装置和真空漏孔校准装置上。该测试系统将结果以曲线和数字两种方式显示在工控机屏幕上。最后为了方便记录数据,还扩展了数据存储功能,系统会自动将数据存入一个电子表格文件中，实现了基于虚拟仪器技术构建气体微流量计测量自动化方案。用该VI系统对高精度气体流量计进行控制，流量计整体性能稳定、运行可靠、自动化水平高、测量不确定度小。参考文献[1]NationalInstrumentsCorp.LabVIEWDataAcquistionBasicsManual[M].2003.[2]JoustenK,MesserG,WandreyD.APrecisiongasflowmeterforvacuummetrology[J].Vacuum,1993,44(2):135-141.[3]成永军,冯焱,张涤新,等.恒压式气体微流量计的测控系统研制[J].宇航计测技术,2004,2:10-13.[4]李得天.德国联邦物理技术研究院(PTB)气体微流量计评价[J].真空科学与技术,2003,23(4):289-294.[5]石博强,赵德永,李畅,等.LabVIEW6.1编程技术实用教程[M].北京:中国铁道出版社,2002.[6]侯国屏、王坤、叶齐鑫.Labview7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005.作者简介：宋瑞海(1983-)，男，山东省莘县人，硕士。