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基于LabVIEW的氣體微流量丈量假造儀器的開辟

在真空技術利用中,氣體微流量由氣體微流量計檢測。切確檢測氣體微流量(或漏率)具備非常主要的寄義。比方,為了對峙飛船艙內的壓力長時辰功課普通,須要對艙體停止檢漏,檢漏時豈但要找到漏孔方位,還要切確檢測藐小的漏率,這對于長時辰在空間翱翔的載人飛船尤其主要;火箭燃料是易燃、易爆、有毒的氣體或液體,藐小的泄漏具備很大的風險性,要對火箭燃料的加注歷程和發射陣地停止寧靜檢測;在電子產業中的半導體元件、集成電路、核算機芯片的生產工藝中,請求切確操控氣體微流量的注入,以確保工藝品質和產物機能的牢固。為了對勁以上需要,研發檢測精度和靠得住性更高、檢測范圍更寬、檢測界面直觀、自動化水平高的氣體微流量計是非常須要的。利用假造儀器技術構建的氣體微流量檢測假造儀器系統便是為了實現上述目標而停止的鉆研切磋。

實現氣體微流量檢測的假造儀器系統的建立

氣體微流量的檢測道理

氣體微流量的檢測道理是:當氣體流出其變容室時,伺服機電顛末平動構造驅動活塞在油室中水平活動,活塞活動會修改其在油室中的體積,而液壓油的體積是底子不變的,如許漣漪管就受到力的感化而爆發形變,使其內的氣體壓力對峙不變,氣體在Tr溫度(Tr普通取23℃)下的流量Q顛末檢測變容室內氣體的壓力p、溫度T和體積轉變率dV/dt后由公式(1)核算獲得。

由式(1)可知,檢測流量時,豈但要切確地檢測出變容室內氣體的壓力、體積轉變率和溫度,還要在檢測歷程中操控變容室內氣體的壓力,使其不變。

假造儀器的硬件布局

硬件及服從描畫:

本著“進步檢測精度和自動化水平,減小檢測不判定度”的原則,計劃了一套以工控機為中間的檢測與操控系統,選用了精度較高的檢測工具,并用多塊數據搜集卡把各檢測工具與操控東西聯系在一路,實現了數據自動搜集和恒壓自動調劑服從。硬件全體布局如圖1所示。

圖1 硬件全體布局圖

選用3個Pt100鉑電阻溫度傳感器、3個ADAM3013熱電阻變送模塊及1塊PCI-1716多服從數據搜集卡可實現對變容室、參閱室及嘗試室溫度一路停止搜集。溫度的檢測范圍為0~100℃,精度為0.1℃。

選用美國MKS公司生產的一套差壓式電容薄膜規(包羅三個規頭、一個操控單位MKS274和一個數據閃現單位MKS670,MKS670上有一個488接口,核算機顛末IEEE488數據搜集卡停止量程和規頭遴選)、美國NI公司生產的IEEE488數據搜集卡實現氣體壓力的檢測。壓力的檢測范圍為0~1.01×105Pa。

利用臺灣凌華公司生產的活動操控卡PCI-8132、伺服操控卡和方位操控卡、平動構造(重要包羅選用北京微機電總廠生產的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)等實現對伺服機電停止速率和方位操控(伺服操控布局簡圖見圖2)。絲杠導程2mm,精度為0.001mm,是位移檢測的基準。

圖2 伺服操控布局簡圖

速率環的反映旌旗燈號取自測速發機電,反映關鍵中參與濾波是為濾除低速時的諧波。方位環中方位傳感元件――光電編碼器將產生的電脈沖反映給方位板經旌旗燈號調劑后給PCI-8132中的減法計數器,以是每來一個脈沖,計數器就從目標值減去1,直到計數器的內容為0,伺服機電轉到目標方位而中斷扭轉。

恒壓操控道理:差壓式電容薄膜規、IEEE488數據搜集卡、工控機、8132機電操控卡、方位/伺服操控卡、機電、導軌平動構造、活塞、液壓油和漣漪管一路構成了一個負反映恒壓自動調劑的閉環操控系統。在流量檢測歷程中,參閱室內的氣體壓力不變,當有氣體流出變容室時,引發變容室的壓力爆發轉變,在變容室與參閱室之間產生壓差△p,核算機輪回檢測這一壓差旌旗燈號。核算機根據壓差值△p的巨細,選用事后設定的操控算法核算出響應的機電轉速調劑量,并輸入到方位操控卡,使機電驅動卡根據該電壓旌旗燈號重新驅動伺服機電,使伺服機電的轉速獲得了調劑。機電驅動活塞在油室中活動,修轉變容室的容積,使變容室與參閱室之間的差壓值△p保持在零臨近,使得變容室的壓力p底子上對峙不變。

系統的操控算法

本系統選用時辰最優(B-B操控)與積分分別PID操控的雙模操控算法。時辰最優操控可加快調劑的感化,而PID操控則確保釘梢切確度與穩態偏差對勁請求。時辰最優操控形式為

式中:E1為時辰最優操控偏差門限;Rk,Yk,ek,Uk為第k次采樣時的設定值、檢測值、偏差值、核算機輸入值;Umax為核算機輸入的最大值。

積分分別式PID操控能夠加強抗積分飽滿服從,防止超和諧振動。其底子思惟是:當偏差較大時,撤消積分感化,只停止PD調劑。只要當偏差在某范圍內時,才參與積分感化,停止PID調劑,其操控方程可導出為

Kp,Ki,Kd分別為操控器的份額、積分、微分系數;E為積分感化門限值,其值需根據操控精度在調試時終究判定。

假造儀器的軟件計劃及實現

系統軟件選用模塊化計劃,可將差別檢測內容計劃成單獨的服從模塊。由主界面法式構成布局布局,各子模塊分別實現肯定的服從,在主界面法式或別的的子法式中挪用。各服從模塊間的自力性較強,普通都可單獨調試、批改和移植。以是全部系統軟件條理了了、易于懂得、便于批改、利于開辟新服從。系統軟件由氣體壓力的數據搜集模塊、溫度的數據搜集模塊、活塞位移的數據搜集模塊、機電驅動和轉速操控模塊、壓力彌補法式模塊、檢測數據的存貯和閃現模塊構成。圖3為選用LabVIEW6.1開辟的氣體微流量檢測假造儀器主界面。

圖3 氣體微流量檢測假造儀器主界面

不判定度分解

全部儀器的不判定度由以下局部構成,現分別闡述。

壓力的檢測不判定度

壓力由電容薄膜規檢測。根據國防科工委真空計量一級站對電容薄膜規的校準功效,壓力檢測的不判定度為0.8%。

活塞位移和時辰的檢測不判定度

位移由編碼器檢測。編碼器每輸入4096個脈沖,活塞前進2mm,其分辯力為0.5μm。流量檢測中活塞的最大路程為36mm(對應73728個脈沖)。將活塞挪動位移設定為73728個脈沖(即36mm),檢測編碼器理論輸入的脈沖數為73726。由檢測功效可知,活塞位移的檢測不判定度為△L/L=(2×2)/(4096×36)=0.0027%時辰的檢測間接取自工控機的時鐘,其精度為0.001.s。在檢測流量時,流量的有效檢測時辰大于100s。如許,時辰檢測的不判定度小于0.001%。

變容室溫度的檢測不判定度

Pt100鉑電阻溫度傳感器的檢測精度為0.1K,嘗試室的溫度約為23℃,則溫度檢測的不判定度約為0.04%。

恒壓操控感化

在參閱室中充入104175Pa的N2,設置好各PID操控參數,顛末小孔將流量引入雙球校準系統,停止恒壓調劑。圖4為PID調劑功效。

圖4 恒壓操控感化圖

由PID調劑功效中知,變容室和參閱室之間的壓力差被操控到變容室壓力的±0.004%以內,加上參閱室內氣體壓力的靜態動搖(約為0.005%)后,變容室內氣體壓力的動搖約為0.0.%。從以上的嘗試功效可知,全部流量計的絕對構成標準不判定度為

該不判定度遠小于流量計的計劃目標(2%)。

竣事語

在該系統的計劃中,顛末選用高精度的檢測元件和進步前輩的測控方法,進步了流量的檢測精度,延長了流量的檢測上限。假造儀器技術的利用,負氣體微流量檢測系統具備人道化的操縱界面與易于操縱的特點,進步了該系統的自動化水平、靠得住性和保護性。


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